本文介绍了 AMOS,即基于网络的分析方法与开放光谱数据库,这是一个化学信息学应用程序,旨在为研究人员提供便捷的分析方法和光谱数据访问途径。
本文介绍了 AMOS,即基于网络的分析方法与开放光谱数据库,这是一个化学信息学应用程序,旨在为研究人员提供便捷的分析方法和光谱数据访问途径。
分析方法的范围可从详细的法规文件到简化的摘要。法规类方法可能包含可测定的分析物、适用的基质、所需试剂、统计性能、实验室间验证及其他具体信息。摘要类方法通常提供试剂、仪器设备的总体概述,以及通常较短的分析物列表。来自美国政府机构的分析方法,包括美国环境保护署(USEPA)、美国地质调查局(USGS)、美国农业部(USDA)、食品药品监督管理局(FDA)等,均提供详细的程序信息。仪器供应商如安捷伦(Agilent)、岛津(Shimadzu)、赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)、Sciex 等也提供了数百份应用说明,这些可被视为摘要类方法。本研究开发了一个基于化学信息学的方法数据库,其中从方法文档中提取化学品,并将其标识符(名称和/或化学文摘服务登记号(CASRN))映射至化学结构。该数据库包含约 7,000 种方法,支持通过标识符、化学结构和结构相似性进行检索,并整合了约一百万条公共领域的谱图数据(LC/MS、GC/MS、NMR 和 IR)。该应用支持对分析方法进行检索,并可根据分析物、功能用途、方法来源及其他相关元数据进行筛选。
通过 PubChem 等应用,实现了向科研社区提供化学数据的网络化共享1,ChemSpider2,以及 CompTox 化学品仪表盘(CCD)3已努力传播发表于期刊文章中的分析方法细节,仪器供应商发布的技术应用说明,政府机构提供的标准操作程序或监管方法,以及国际标准化组织(ISO)等标准机构发布的方法。这些来源已在广泛条件和分析技术下研究了数以万计的化学物质。这一庞大的文献体系涵盖了多种多样的物质,包括从特定基质(如血液)中单一化学物质的定量,到特定作物中农药及其残留物的混合物分析,再到饮用水中数百种化学物质的鉴定。尽管许多分析方法可以被发现 通过 公共搜索引擎,并非全部免费提供或开放获取。
查找特定的感兴趣信息可能具有挑战性。通用搜索引擎并未针对化学数据进行优化,其排序算法可能会掩盖面向特定专业受众的高质量内容。在期刊网站上进行搜索可获得更具针对性的结果,但访问通常受限,仅摘要部分可公开获取,这使得难以评估某种方法的实用性。此外,关键参数(如样品基质、检测限和定量限)通常未以结构化格式存储。另一个重大挑战在于,单一化学品所关联的化学标识符、名称和同义词存在差异性和不一致性。方法学数据缺乏结构化,限制了能够利用数十年积累的分析化学知识及相关出版物的软件工具的开发。
由于这些挑战和局限性,迫切需要一个经过整理、以化学为导向的应用程序,用于协调和检索分析方法,而此类工具在其他地方尚未见报道。为填补这一空白,美国环境保护局开发了 AMOS,即分析方法与开放光谱数据库及其网络应用程序。AMOS 目前收集并整理三类数据记录:分析方法、各类分析光谱,以及统称为事实表(fact sheets)的广泛补充性文档。每条记录均与相应方法所针对的目标化学分析物和试剂相关联。这些数据可通过多种方式检索,包括文本查询、化学结构以及结构或光谱相似性搜索。
AMOS 应用程序主要致力于提供开放获取和开放数据记录。数据库中的记录在可能的情况下均通过超链接指向其原始来源。对于不受开放许可限制因而未直接存储在数据库中的记录,只要其可获取,仍可通过 URL 进行集成和访问。via 适用于两类记录:一类是处于付费墙后的分析方法,通常来自美国环保局(EPA)可访问的期刊或标准组织;另一类是可获取但需要登录访问的光谱数据。
数据来源在记录结构方面存在差异,因此在整合和协调内容时需要投入大量精力进行提取和整理。大多数记录提供物质标识符(例如 CASRN、DTXSID、InChIKey、通用名称),在许多情况下,提取过程较为直接。然而,将这些标识符与化学结构及物质详细信息进行匹配可能较为复杂。部分标识符可直接与美国环保署(EPA)分布式结构可搜索毒性(DSSTox)数据库中的条目进行匹配4;当无法找到匹配项时,标识符将被关联至已有物质,或注册新物质。因此,AMOS 项目推动了 DSSTox 数据库的扩展,改善了支持其他 EPA 数据库和应用(如 CompTox 化学品仪表盘)的基础数据3。
某些有价值的附加信息需要人工整理。对于分析方法,检测限和定量限、样品基质以及分析方法等实验参数并未以标准化方式组织,且由于存储方式不一致,自动化工具无法识别这些信息。
与样本相关的介质以及分析物的功能用途这两项记录信息要素,与当前监测污染物带来的危害和暴露问题的努力密切相关。因此,在记录数据中对这些属性的结构化设计受到了高度重视。本项目为此开发了一个功能用途分类学本体。该本体将物质的功能用途组织成一个层次化结构,从较为宽泛的“父级”用途到更为具体的“子级”用途。该本体支持从应用角度对物质进行探索,有助于以功能用途为重点来评估暴露和危害的研究工作5,6。此外,方法根据其样本所属的协调一致的介质类别进行标注,该类别依据美国环保署(EPA)的多介质监测数据库(MMDB)的规定7。此类分类支持基于化学物质在特定介质中的存在情况进行检索,从而简化针对特定环境或生物样本中化学物质检测方案的开发。这些注释增强了AMOS系统与美国环保署正在开发的以暴露和危害为导向的工作流程之间的整合能力。
在整合光谱数据时,处理各种文件格式(其中一些仅在名义上实现了标准化)以及解析相关元数据的挑战通常需要定制化的处理方法。当光谱数据集与某项出版物相关联时,可能需要从该出版物中手动提取所记录的详细信息以进行数据加载。这一工作最终构建了一个集成并结构化这些异质光谱数据的数据库,使研究人员在未来的研究中无需再进行繁琐的数据整理工作。
截至2025年3月,该数据库包含约935,000个谱图,其中近99%为质谱图,另有少量核磁共振谱(~2,000)和红外光谱(~400)。此外,还包括约770,000个外部链接谱图(与SpectraBase数据库8相连)、约36,000份数据表和约7,400种分析方法。集成到本应用中的物质是DSSTox数据库中物质的一个子集,该数据库已并入CompTox化学品仪表板(CCD),包含超过120万种物质。
AMOS 的大部分功能可分为三类:针对特定物质搜索记录、搜索特定物质集合或在记录类别中进行检索。这些功能的各个页面均可通过每页顶部的导航栏访问。该应用程序当前部署于 https://hcd.rtpnc.epa.gov/#/ 通过 AMOS模块。本研究中使用的软件工具列于下文 材料表.
1. 搜索特定物质的记录

图 1:包含胆固醇的记录搜索结果。 对“胆固醇”进行常规搜索后,会在表格中显示匹配记录的列表(左侧)。所选记录的质谱图显示在右侧。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:批量搜索界面。 搜索字段中包含两个以 DTXSID 标识的物质。查询已选择默认搜索选项。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 3:1P-LSD 的结构搜索结果。 表格列出了包含结构相似物质的分析方法。右侧显示了选定的方法。表格中无加粗条目,表明 1P-LSD 未出现在任何列出的方法中。 请点击此处查看该图的放大版本。
2. 搜索物质

图 4:ClassyFire 分类搜索结果。 结果包括物质层级的信息以及每个分类组的记录数量。 请点击此处查看该图的高清版本。

图5:“三嗪”部分标识符搜索结果。 该搜索可检索出优选名称或同义名称中包含“trazine”子串的物质。三个结果中有两个仅在同义名称中包含“trazine”,而不在其优选名称中。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 检索记录

图6:筛选后的分析方法列表。 该表格按分析物和基质进行筛选,仅显示与水中全氟和多氟烷基物质(PFAS)相关的方法。相应的技术资料清单的布局与此高度相似。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:谱图相似性搜索结果。 以 AMOS 数据库中的咖啡因谱图作为输入。相似谱图按物质分组,最大相似度评分为1.0。镜像图显示了输入谱图(上方)和选定的数据库谱图(下方)。浅蓝色峰为输入谱图特有,橙色峰为数据库匹配谱图特有,深蓝色峰为两者共有。请点击此处查看该图的放大版本。

图 8:功能用途分类可视化图示。 当光标悬停在“工业化学品”节点(以黄色标出)时,显示其层级结构。其子类以绿色标出。请点击此处查看该图的放大版本。

图9:土壤三元相图可视化。 该图展示了土壤样品的组成数据。右上角的工具提示显示了当前光标所在区域的精确组成。 请点击此处查看该图的放大版本。
上述显示的 AMOS 截图展示了该应用程序中各项搜索的典型结果,包括对目标物质的搜索以及对光谱、数据表和方法的搜索。数据库提供的多种查询方式旨在覆盖最可能且最有用的搜索类型,从而支持用户对数据及其相关物质进行更深入的探究。
为了帮助用户进行检索,大部分功能以相互关联的方式设计,旨在支持对可用数据进行更深入的分析。例如,功能用途分类可视化结果可链接至与该功能类别相关的方法和事实表视图,从中可提取物质列表并输入批量检索,或进一步查看单个文档及其所含的特定物质。由于方法中的许多物质在数据库中还包含实验质谱图,研究人员因此能够快速从一类物质定位到可用于检测特定物质存在的相应方法和质谱数据(见图9)。
由于结果在很大程度上取决于搜索内容以及执行的搜索类型或多次搜索,因此很难为整个应用程序定义具有代表性的结果。总体而言,从用户体验的角度来描述“成功”可能更为准确;在此情况下,希望以下情况通常成立:搜索和筛选方法(以及在不同搜索和筛选条件之间切换的能力)能够有效识别用户所需的信息子集;用户找到的结果准确且有用。图10 展示了一个示例工作流程,用以演示 AMOS 的功能。

图10:展示 AMOS 功能的示例工作流程。该工作流程从功能用途分类(呼吸系统药物)开始,筛选与血液中呼吸系统药物相关的方法,检查其中一种特定方法,并识别该方法中包含的一种物质的质谱图。请点击此处查看该图的放大版本。
尽管许多项目和应用专注于从单一类型的记录(如方法、事实表或特定类型的光谱)中收集和标准化信息,但AMOS是目前发现的首个能够跨多种记录类型整合和集成大量信息的工具。通过对这些多样化来源的数据进行统一、协调和结构化处理,形成一个更易于融入需要访问分析化学方法工作流程的数据库。该数据库支持多种互补的检索方式,可高效获取信息,否则这些信息将需要在多个网站或工具中进行大量人工查找才能获得。
在公开发布之前,美国环保署(EPA)工作人员已将AMOS应用于支持多种项目,从而验证了其应用价值。EPA长期关注质谱技术在非靶向分析中的应用10,11,多个研究项目已利用AMOS中的实验质谱数据,加强对基于DSSTox化学品生成的大规模计算机模拟谱库的检索能力12,13。其他项目则采用结构相似性搜索来确定新方法开发的起点,审查现有方法以评估其检测限和定量限,并分析与方法相关联的化学品集合,以评价化学空间覆盖的广度。
AMOS 对潜在训练数据的整合进一步支持了分析方法适用性定量模型的开发14,这是推进非靶向分析(NTA)工作流程的核心需求。AMOS 内的数据整理工作还有助于开展对方法学覆盖相关的化学空间进行建模、探索和可视化等研究14。
尽管AMOS的核心功能已经成熟,但其持续开发仍以用户反馈为导向。当前的任务包括整合更多数据、进一步整理元数据以增强筛选功能,以及扩展搜索能力。通过与美国环保局(EPA)相关利益方合作,正在开发应用程序编程接口(API),以实现程序化访问,解决图形用户界面(GUI)效率较低的应用场景。应用中已集成发布说明页面,用于跟踪并传达随时间推移的代码更新情况。
新的数据记录和化学品目前每周持续添加;然而,在公开发布后,更新频率预计将有所降低。尽管已投入大量努力以确保记录及其相关元数据的准确性,但大部分数据来源于公共数据库。因此,无法对每条记录进行完全验证,用户应知晓无法保证数据的绝对准确性。
本文内容不一定代表美国环境保护局的观点或政策。
作者感谢策划团队为数据库中的化学品整理所付出的全部工作,感谢 Joshua Powell、Asif Rashid 和 Freddie Valone 在 AMOS 构建与部署过程中提供的技术支持。我们还感谢 Charles Lowe 对手稿的审阅。
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