基于CiteSpace的低共熔溶劑研究現(xiàn)狀可視化分析*

王 選，肖 磊，吳倩文，李春露，陳月圓，崔志芳,

(1.山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物所，廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541006)

近年來，隨著環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)的日益嚴(yán)格和綠色化學(xué)的蓬勃發(fā)展，綠色溶劑的開發(fā)與應(yīng)用成為了眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。低共熔溶劑(Deep Eutectic Solvent，DES)是一類環(huán)境友好的新型綠色溶劑，最早出現(xiàn)于2003年，由英國萊斯特大學(xué)Abbott教授[1]所提出，具有低熔點(diǎn)、綠色無毒、制備簡單、價(jià)格低廉、可生物降解的特性，同時(shí)兼具離子液體所具有的低揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性、可設(shè)計(jì)性、良好的可溶解性等特點(diǎn)。自此，DES憑借其優(yōu)于常規(guī)離子液體的特有性能，成為了全世界綠色化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，且在多個(gè)交叉前沿領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本研究采用“五計(jì)學(xué)”[2]中的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)低共熔溶劑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了可視化分析，并對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，以期為本領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

國內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)均來自于Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)集，以“低共熔溶劑”“deep eutectic solvent”為主題詞進(jìn)行專業(yè)檢索，檢索式為TS=(deep eutectic solvents)or TS=(低共熔溶劑)。并且，設(shè)置文獻(xiàn)類型為Article或Review，檢索年限為2004—2020年。反復(fù)檢索并去重后，得到1834篇國內(nèi)文獻(xiàn)和3887篇國外文獻(xiàn)。

1.2 研究工具流程及主要分析指標(biāo)

CiteSpace[3]是一款基于Java平臺(tái)的知識(shí)可視化軟件，由陳超美教授(德雷賽爾大學(xué)計(jì)算與信息學(xué)院，美國)等開發(fā)，也稱為“科學(xué)知識(shí)圖譜”[4]。

CiteSpace以其核心功能和理論功能為基礎(chǔ)，要使這些功能得以實(shí)現(xiàn)并達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，必須通過完整的CiteSpace應(yīng)用流程來保證[5]。本論文選擇尋徑算法，對(duì)DES研究文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量，以分析本領(lǐng)域研究主題的演變歷程和發(fā)展前景，主要分析指標(biāo)有中介中心性[6]、關(guān)鍵詞[7]、關(guān)鍵詞聚類分析及突現(xiàn)度[8]等。文獻(xiàn)分析流程主要包括：數(shù)據(jù)源篩選、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、參數(shù)調(diào)整、可視化分析等內(nèi)容。

2 可視化分析

2.1 發(fā)文量及國家/地區(qū)分布

根據(jù)文獻(xiàn)搜索結(jié)果，繪制國內(nèi)外年度發(fā)文量對(duì)比圖，以更為直觀地比較國內(nèi)外發(fā)文趨勢，如圖1所示。21世紀(jì)以來，各國秉承環(huán)境保護(hù)理念，大力支持發(fā)展綠色化學(xué)，DES作為一種綠色環(huán)保的新型溶劑，其研究熱度逐年上升。國外自2004年開始，有DES研究的相關(guān)報(bào)道，但發(fā)文量增長緩慢，僅1～2篇/年，直至2010年發(fā)文量均低于10篇/年，之后年均發(fā)文量迅速增長。而國內(nèi)該領(lǐng)域的報(bào)道則相對(duì)滯后，始于2010年，之后逐年增長但增速低于國外。2020年，國外發(fā)文量達(dá)922篇/年，約為國內(nèi)發(fā)文量的2倍。2018—2020年，國內(nèi)外發(fā)文量均增長速度迅猛。值得注意的是，2018—2019年國內(nèi)外發(fā)文量增速基本一致。說明在綠色化學(xué)的政策導(dǎo)向下，隨著國內(nèi)對(duì)DES相關(guān)領(lǐng)域支持力度的加大，國內(nèi)學(xué)者對(duì)該研究熱點(diǎn)的把握方面基本能夠緊跟國外研究者步伐。

圖1 國內(nèi)外年度發(fā)文量對(duì)比圖

為更便于比較各國在該領(lǐng)域的研究概況，通過CiteSpace對(duì)此國家間交流合作關(guān)系進(jìn)行了可視化分析。在軟件參數(shù)設(shè)置上，Node Types中選擇“Country”，時(shí)區(qū)分割(Time Slicing)為2004—2020年，時(shí)間切片設(shè)置為1年，得到國家/地區(qū)合作分布圖譜。如圖2所示。

圖2 DES領(lǐng)域國家/地區(qū)合作圖譜

從國家分布角度來分析，美國、西班牙、意大利、中國、德國在中心性方面位居前五，此外，法國、伊朗和英國也達(dá)到高中心度標(biāo)準(zhǔn)，說明這三個(gè)國家在DES研究領(lǐng)域中也發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。其中，中國、美國和西班牙的發(fā)文數(shù)量位居前三，說明這三個(gè)國家在該領(lǐng)域的研究中起主導(dǎo)作用。中國發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量為1834篇，位居第一，中心性為0.18，與德國并列第四。

2.2 國內(nèi)外DES研究熱點(diǎn)聚類分析對(duì)比

CiteSpace默認(rèn)可視化方式是聚類視圖(cluster)，它側(cè)重于體現(xiàn)聚類間的結(jié)構(gòu)特征，突出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及重要連接，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類清晰度，提供了模塊值(Q值)和平均輪廓值(S值)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般而言，Q值取值范圍為[0,1)，Q>0.3就意味著劃分出來的社團(tuán)結(jié)構(gòu)是顯著的。當(dāng)S值在大于0.5時(shí)，認(rèn)為聚類結(jié)果是合理的，當(dāng)S值達(dá)到0.7時(shí)，聚類結(jié)果是高效率的、令人信服的。

聚類圖譜如圖3、圖4所示。由圖3、圖4得知。國內(nèi)圖譜的Q、S值分別為0.48和0.7235>0.3；國外圖譜的Q和S值則分別為0.446和0.7594。因此，國內(nèi)外DES研究熱點(diǎn)聚類圖譜，均社團(tuán)結(jié)構(gòu)顯著，并且聚類結(jié)果高效可信。

圖3 國內(nèi)DES研究熱點(diǎn)聚類分析圖

圖4 國外DES研究熱點(diǎn)聚類分析圖

在0#聚類中，國內(nèi)以電沉積、反應(yīng)現(xiàn)象、成核現(xiàn)象為中心，主要對(duì)低共熔溶劑、析氫反應(yīng)、銅鎳合金、混合液流電池、選擇性浸出進(jìn)行了深入剖析；國外則圍繞密度、黏度、超額摩爾體積，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索了氯化膽堿、密度、水溶液、擴(kuò)散系數(shù)。

在1#聚類中，國內(nèi)的研究以電沉積、反應(yīng)現(xiàn)象、成核現(xiàn)象為中心，對(duì)酶水解、纖維素結(jié)構(gòu)、生物質(zhì)提煉進(jìn)行了進(jìn)一步研究；國外以電沉積、納米顆粒、成核現(xiàn)象為中心，并進(jìn)一步研究了氯化膽堿、乳酸、碳納米管。

在2#聚類中，國內(nèi)研究熱點(diǎn)主要圍繞響應(yīng)面法、酚類化合物、黃酮類化合物，對(duì)天然低共熔溶劑、綠色化學(xué)、活化機(jī)理、溶劑萃取、殼聚糖展開深入研究；國外以綠色化學(xué)、衍生物、一鍋法合成技術(shù)主題為中心，主要對(duì)綠色化學(xué)、多組分反應(yīng)、催化劑載體、石墨氮化碳、黏度進(jìn)行了深入研究。

在3#聚類中，國內(nèi)主要研究了離子液體、金屬有機(jī)框架材料、低共熔溶劑，在此基礎(chǔ)上對(duì)低共熔溶劑、熱力學(xué)分析、選擇性氣體、理論計(jì)算進(jìn)一步探索；國外的研究以噻吩、液-液平衡法、液-液萃取法為熱點(diǎn)，并深入剖析了離子液體、毒性、生物降解、模擬計(jì)算、密度。

在4#聚類中，國內(nèi)圍繞溶解度、吸收率、高效率，主要對(duì)離子液體、泛函計(jì)算、協(xié)同吸收模式、液-液平衡、高效分離進(jìn)行深入研究；國外的研究熱點(diǎn)主要有木質(zhì)素、預(yù)處理、去除木質(zhì)素，同時(shí)對(duì)氯化膽堿、纖維素降解率、雙相溶劑系統(tǒng)、生物質(zhì)提煉進(jìn)一步分析研究。

在5#聚類中，國內(nèi)研究熱點(diǎn)包括磁性固相萃取、固相萃取、高效液相色譜法，其次對(duì)離子液體、分離、低共熔溶劑、三元體系、溫度進(jìn)行了研究；國外研究熱點(diǎn)主要包括分散式液-液微萃取法、氣相色譜法、微萃取技術(shù)，其次對(duì)碳納米管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、染料吸附、微粒進(jìn)行了研究。

在6#聚類中，國內(nèi)以氧化脫硫、二苯并噻吩、石油為主要研究熱點(diǎn)，并對(duì)低共熔溶劑、石墨烯氧化、放射性碘捕獲進(jìn)行了研究；國外以多酚類、綠色提取物、抗氧化劑為主要研究熱點(diǎn)，并對(duì)天然低共熔溶劑、綠色提取、食品分析、抗氧化活性進(jìn)行了研究。

在7#聚類中，國內(nèi)的研究以酸類、高效率、電沉積為主要方向，并深入研究了離子液體、氧化脫硫、高效液相色譜法、牛奶樣品、液-液微萃??；國外的研究以離子液體、離子熱合成、水合作用為主要方向，并深入研究了離子液體、DES、DES體系、纖維素。

由上述分析可知，國內(nèi)外低共熔溶劑研究熱點(diǎn)聚類呈現(xiàn)出一些相似性和異質(zhì)性。國內(nèi)外對(duì)DES的研究存在很多交叉，均注重綠色化學(xué)的研究，且對(duì)DES在天然產(chǎn)物提取、萃取、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等方面的研究較多。不同點(diǎn)在于，國內(nèi)對(duì)DES在各方面的應(yīng)用上研究較多，如中藥有效成分提取、溶解萃取機(jī)制、萃取效率、電沉積、納米材料制備、功能材料制備等；國外主要對(duì)DES在分離過程、生物降解、纖維素和木質(zhì)素提取中的應(yīng)用等進(jìn)行深入研究，研究相對(duì)較為集中，注重結(jié)合工業(yè)界進(jìn)行研究。

2.3 國內(nèi)外DES研究的作者分布

首先，用CiteSpace軟件對(duì)研究作者進(jìn)行可視化分析，分別得到國內(nèi)外研究作者分布圖譜，如圖5、圖6所示。

圖5 國內(nèi)作者合作圖譜

圖6 國外作者合作圖譜

由圖5、圖6圖譜可知，國內(nèi)研究作者之間的團(tuán)隊(duì)合作比國外更多一些，作者之間的合作關(guān)系較國外作者之間更為密切。

普萊斯[9]受貝爾納關(guān)于“科學(xué)發(fā)展總的模式與其說像樹，更像網(wǎng)”思想的啟發(fā)，在加菲爾德發(fā)明的科學(xué)引文索引(SCI)基礎(chǔ)上，預(yù)言論文會(huì)因?yàn)橐C關(guān)系而形成網(wǎng)絡(luò)，人們可以借助于圖論和矩陣的方法加以研究。論文一定會(huì)聚集成團(tuán)，而形成幾乎繪制成地圖的(顯示出擁有高地和不可逾越的沼澤地)‘陸地’和‘國家’。”

根據(jù)普萊斯理論[10]，用公式(1)來計(jì)算，可以分析出核心作者，如表1、表2所示。

(1)

其中，Npmax為最高發(fā)文量，發(fā)文量>N則為核心作者。由表1可知，國內(nèi)作者最高發(fā)文量為46。由此計(jì)算可知，國內(nèi)作者發(fā)文量≥5篇的即為核心作者。據(jù)此分析，國內(nèi)核心作者共有323人，表1為發(fā)文量排前10位的國內(nèi)作者。由表2可知，國外作者最高發(fā)文量為78。計(jì)算可得，國外作者發(fā)文量≥7篇即為核心作者。基于此可知，國外核心作者共有342人，表2為發(fā)文量排前10位的國外作者。對(duì)比表1和表2得知，發(fā)文量排名前10位的國外作者的發(fā)文量要遠(yuǎn)大于國內(nèi)作者的發(fā)文量，在數(shù)值上接近二倍關(guān)系。除此以外，國外作者的平均被引頻次更高，對(duì)DES的關(guān)注更為聚焦。2015年，Liu等[11]在《ChemInform》上發(fā)表了一篇關(guān)于DES作為可持續(xù)介質(zhì)以及催化劑在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中應(yīng)用的最新進(jìn)展的文獻(xiàn)，在WOS核心數(shù)據(jù)集中，該文獻(xiàn)是國內(nèi)被引頻次最高的文獻(xiàn)。國外被引頻次最高的文獻(xiàn)出自Smith 等[12]發(fā)表在期刊《CHEMICAL REVIEWS》的一篇關(guān)于DES及其應(yīng)用的文章。

表1 國內(nèi)核心作者(發(fā)文量前10位)

表2 國外核心作者(發(fā)文量前10位)

2.4 國內(nèi)外DES研究的學(xué)科分布

為進(jìn)一步了解國際研究概況，對(duì)本研究領(lǐng)域?qū)W科分布進(jìn)行了可視化分析。如圖9所示。

圖7 國內(nèi)外DES研究的學(xué)科分布圖譜

在學(xué)科分布方面，從發(fā)文量來看，化學(xué)以3397篇位居第一，工程學(xué)、科學(xué)技術(shù)及其他課題、物理學(xué)、材料科學(xué)分別位列第2～5位。上述五門學(xué)科的發(fā)文量均超過700篇，在DES研究領(lǐng)域發(fā)揮先導(dǎo)作用。第6～10位分別是生物化學(xué)分子生物學(xué)、能源燃料、電化學(xué)、食品科學(xué)技術(shù)、聚合物科學(xué)，以上學(xué)科使本研究領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴(kuò)展。

從學(xué)科領(lǐng)域分布的中介中心性來看，材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、化學(xué)、生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)、能源與燃料、化學(xué)(多學(xué)科)、化學(xué)(分析)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)、工程、化學(xué)(應(yīng)用)位居前10，并且中心性均為0.1，突顯出上述10門學(xué)科在DES研究領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的橋接作用。其中，材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、化學(xué)、生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)這4門學(xué)科的中介中心性均超過0.2，說明這4門學(xué)科為DES的研究夯實(shí)了基礎(chǔ)。

整體來看，化學(xué)、工程、材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)是高發(fā)文量高中心性的學(xué)科，彰顯了上述四門學(xué)科在DES研究領(lǐng)域中的巨大價(jià)值。

3 研究趨勢分析

對(duì)于研究趨勢的分析，本論文通過關(guān)鍵詞突現(xiàn)檢測來進(jìn)行可視化分析。軟件設(shè)置方面，在關(guān)鍵詞聚類分析的基礎(chǔ)上，選擇軟件控制面板中的burstness，得到突現(xiàn)度前10的關(guān)鍵詞如圖8所示。

從圖8得出，突現(xiàn)度最高的是electrodeposition，大小為17.53，其研究前沿時(shí)期為2010—2015年；其次是ionic liquid，突現(xiàn)度為15.15，研究前沿時(shí)期為2010—2015年；突現(xiàn)度排名第3位的是solvent，突現(xiàn)度大小為11.27，研究前沿時(shí)期為2009—2014年。在DES研究領(lǐng)域中，研究趨勢更偏向于DES在電沉積中的應(yīng)用、特性研究，以及與離子液體的對(duì)比、DES體系的開發(fā)等。

圖8 DES研究領(lǐng)域突現(xiàn)詞檢測圖譜

4 結(jié)論

本論文運(yùn)用CiteSpace軟件對(duì)Web of Science核心數(shù)據(jù)集(2004—2020年)中1834篇國內(nèi)文獻(xiàn)以及3887篇國外文獻(xiàn)進(jìn)行了可視化對(duì)比分析，從各國文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、共被引分析、關(guān)鍵詞聚類、作者共現(xiàn)、研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)、學(xué)科分布以及關(guān)鍵詞突現(xiàn)率檢測探析了國內(nèi)外DES研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及研究趨勢，并在此基礎(chǔ)上對(duì)國內(nèi)外在本領(lǐng)域的研究進(jìn)行對(duì)比分析。本論文得出的主要結(jié)論如下：

1)發(fā)文量及國家間合作關(guān)系：國內(nèi)外發(fā)文量均持續(xù)上升，但從整體增速上來看，國內(nèi)比國外緩慢；從合作關(guān)系角度來看，國內(nèi)作者、機(jī)構(gòu)間的跨區(qū)域合作比國外更為密切。

2)高被引文獻(xiàn)：通過對(duì)國內(nèi)外文獻(xiàn)共被引對(duì)比分析可知，國內(nèi)文獻(xiàn)的被引頻次遠(yuǎn)低于國外，國內(nèi)被引頻次最高的文獻(xiàn)被引頻次為368次，國外被引頻次最高的文獻(xiàn)被引頻次為2279次，是國內(nèi)被引頻次的6倍多。

3)研究熱點(diǎn)：通過聚類分析圖譜對(duì)比分析可知，國內(nèi)外均有8個(gè)聚類，它們之間既存在相似性(不同聚類出現(xiàn)時(shí)間不同、受關(guān)注程度不同等)，又存在異質(zhì)性(聚類標(biāo)簽不同等)。通過國內(nèi)外研究熱點(diǎn)共現(xiàn)分析可以得知，國內(nèi)外均注重發(fā)展綠色化學(xué)，并且對(duì)DES在天然產(chǎn)物提取、萃取、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。國內(nèi)目前在中藥有效成分提取等方面研究較多，國外對(duì)生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化等方面研究較多。

4)研究趨勢：根據(jù)突現(xiàn)率檢測分析可知，未來對(duì)DES的研究應(yīng)當(dāng)更多的在于開發(fā)新的DES體系和探索新的應(yīng)用領(lǐng)域，并結(jié)合分子模擬技術(shù)在微觀結(jié)構(gòu)分析與調(diào)控、溶解萃取機(jī)制和催化機(jī)理分析等方面進(jìn)行深入研究，以獲得對(duì)DES更加全面的認(rèn)識(shí)。

通過對(duì)國內(nèi)外的對(duì)比分析可知，國家未來可對(duì)我國學(xué)者在DES領(lǐng)域開展更深層次研究工作加以鼓勵(lì)，爭取開發(fā)更多新型DES體系，并將其應(yīng)用到更多領(lǐng)域，深化綠色化學(xué)理念。