碳足迹减排指数（CaFRI）：助力化学分析实验室绿色发展的创新工具

在化学分析实验室中，缺乏专门评估碳足迹的工具。研究人员开展了关于碳足迹减排指数（CaFRI）的研究。结果显示，CaFRI 可评估分析方法的碳足迹，能源消耗和 CO2排放是关键评分标准。这有助于实验室提升可持续性。

　　在全球积极倡导可持续发展的大背景下，化学分析实验室的碳排放问题日益受到关注。碳足迹作为衡量人类活动对环境影响的关键指标，其大小直接关系到全球气候变暖、生态系统平衡等重大环境问题。在化学分析过程中，从能源消耗到试剂使用，从样本存储到废物处理，每一个环节都可能产生温室气体排放。然而，当前的分析化学领域，虽然已经有多种用于评估分析方法绿色程度的指标，如 AGREE、GAPI 等，但却没有一种专门聚焦于碳足迹评估的工具。这些现有指标往往更关注整体绿色程度或化学暴露风险，忽视了温室气体排放这一重要因素。与此同时，部分用于评估和监测碳足迹的工具，像 GES 1.5 和英国碳信托（UK Carbon Trust），主要在机构或组织层面发挥作用，无法深入到具体分析程序的细节，难以满足实验室精确评估和减少碳足迹的实际需求。在这样的背景下，开展一项能够精准评估化学分析实验室碳足迹的研究显得尤为迫切。

为了解决上述问题，来自埃及坦塔大学药学院药物分析化学系、沙特国王萨勒曼国际大学（KSIU）药物化学系以及波兰克拉科夫雅盖隆大学化学系分析化学部的研究人员，共同开展了关于碳足迹减排指数（Carbon Footprint Reduction Index，CaFRI）的研究。研究结果表明，CaFRI 能够有效评估化学分析方法的碳足迹，并且能源消耗和 CO₂排放是影响 CaFRI 评分的关键因素，得分越高，意味着分析方法越可持续。这一研究成果发表在《BMC Chemistry》上，为化学分析实验室实现绿色发展提供了重要的技术支持和理论依据。

在研究过程中，研究人员主要采用了以下关键技术方法：
首先，建立了 CaFRI 评估体系。该体系综合考虑了能源需求、能源生产的排放率、碳足迹减排措施的应用、样本存储、运输、人员配置、废物管理、资源回收利用以及化学品使用等多个因素，通过问卷调查的方式进行量化评估，最后得出 0 - 100 分的综合评分。
其次，进行了案例研究。研究人员选取了四种不同的分析方法，分别对商业安瓿中的聚多卡醇、人血浆中的利托那韦、硬明胶胶囊中的莫努匹拉韦以及人血浆中的法维拉韦进行定量分析，运用 CaFRI 工具评估这些方法的碳足迹。

下面详细介绍研究结果：

1. CaFRI 评估工具：CaFRI 是一款专门针对已开发的分析实验室程序的全面绿色评估工具，将碳足迹作为主要环境影响因素进行考量。它整合了多种与分析过程相关的因素，涵盖能源、CO₂排放、样本存储、运输、人员、废物管理、回收利用以及试剂和溶剂使用等方面。通过简单的评估方式，如估算电气设备的总电功率和样本通量等，对各个因素进行打分。该工具与用户友好型软件集成，可在网站（https://bit.ly/CaFRI）上免费获取。用户在问卷中选择合适答案后，评估结果会以人类脚印形状的象形图呈现，不同颜色代表不同等级，同时将问卷得分转化为 0 - 100 的最终结果，满分 100 分代表理想的绿色分析程序。
2. 能源消耗评估：在 CaFRI 评估中，能源使用评估至关重要。一方面，考虑在实验过程中是否实施了专门的能源生产或利用计划，例如使用太阳能电池或风力涡轮机等当地绿色能源，或者进行定期能源审计、使用节能设备等能源节约措施，采用此类措施的实验室可获得更高评分。另一方面，评估每个样本的能源消耗，分两步进行：先估算研究仪器的总能源需求，仪器能耗越低得分越高；再考虑样本通量，由于精确计算每个设备及其运行时间较为困难，为保证用户友好性，采用简化方式进行评估。此外，还会考虑像通风橱和空调等高能耗非分析设备的使用情况，如果分析程序不需要这些设备，则可获得更高分数。
3. CO₂排放评估：准确评估 CO₂排放对于了解和减少实验室活动的环境影响至关重要。CaFRI 鼓励实验室主动测量和监测排放，包括分析过程和基础设施运行产生的排放。同时，考虑能源生产的排放因子，每千瓦时（kWh）能源的排放因子越低得分越高，该参数因地理位置而异。如果无法直接测量 CO₂排放，可利用 Our World in Data 网站上的更新数据估算特定地理位置的碳强度。
4. 样本存储评估：评估分析程序的碳足迹时，样本和试剂的存储方式不容忽视。CaFRI 的评分方法会考量样本存储的必要性，无需样本存储的程序和实验室得分更高，因为这减少了整体能源消耗。此外，还会区分常规存储和特殊存储条件，如深冻（>-60oC）、真空、高压或无菌空气环境下的存储，这些特殊存储条件可能导致更高的能源消耗和碳排放，所以得分较低。
5. 运输评估：运输实践在评估实验室减少碳足迹的努力中起着关键作用。CaFRI 的评估标准包括样本运输的必要性、样本采集地与实验室之间的距离、一次运输的样本数量以及是否使用环保车辆等因素。距离越短、单次运输样本量越大、采用环保运输方式，实验室在运输方面的评分就越高，表明其在减少与样本运输相关的碳排放方面做出的努力越大。
6. 人员评估：人员因素评估与实验室减少碳足迹的努力密切相关。通常，需要较少分析人员的方法碳足迹较小，因为这类方法更简单高效，能源消耗、资源使用、废物产生和运输排放也相应减少。CaFRI 会考虑单个样本分析所需的人员数量，人员需求越少得分越高。同时，还会考量分析过程的自动化程度，全自动操作可获得最高分，这反映了高效且节省资源的样本分析方式。
7. 废物管理评估：有效的废物管理对于评估实验室的环境影响至关重要。不当的化学和固体废物处理可能导致温室气体排放增加，例如废物分解、焚烧或生物降解过程中产生的 CO₂。CaFRI 根据每个样本产生的废物量进行评分，范围为 1 - 3 分。同时，评估废物处理方法，由专业人员或机构处理废物的得分高于分析人员自行处理或不处理的情况，突出了正确处理废物在减少碳足迹方面的重要性。
8. 回收利用评估：评估实验室的回收方法对于促进可持续性和减少碳足迹具有重要意义。缺乏回收意味着需要生产和运输新的试剂，从而增加碳足迹。CaFRI 的回收评分标准会考量实验室的环保意识水平，使用同一过程回收的试剂和溶剂可获得更高评分，因为这减少了资源消耗和垃圾产出。使用其他方法回收的试剂或溶剂得分较低，而完全不进行回收的实验室得分最低。
9. 试剂和溶剂评估：CaFRI 考虑了有害试剂和溶剂的使用，这些物质会间接影响分析程序的碳足迹，例如在化学品生命周期结束时可能需要使用先进的处理技术。评分方法会考量安全数据表中与化学试剂和溶剂相关的危险象形图总数，象形图越少，表明使用的化学品毒性和危害性越低，得分越高。同时，还会考虑每个样本使用的有机溶剂和试剂总量，使用量越少得分越高。
10. 案例研究：为了验证 CaFRI 工具的适用性，研究人员进行了四个案例研究，分别对不同物质进行定量分析。第一个案例使用分光光度法测定聚多卡醇，该方法产生的废物量较少，但未报告废物处理措施，最终 CaFRI 评分为 63 分。第二个案例利用微晶纤维素和金属有机框架（MOF）的混合材料对利托那韦进行分散固相微萃取，废物量少且 MOF 可回收，但样本需低温存储，评分为 69 分。第三个案例通过蛋壳合成的碳量子点测定莫努匹拉韦，该方法在人员和能源利用方面表现较好，评分为 76 分。第四个案例使用薄荷醇作为相分离剂对法维拉韦进行均相液 - 液微萃取，废物由专业人员处理且部分材料可回收，评分为 81 分。通过这些案例研究发现，能源消耗和 CO₂排放是 CaFRI 评分的关键标准，其他参数也对总分有贡献，但影响相对较小。

研究结论和讨论部分指出，CaFRI 是一款强大的工具，能够帮助分析化学实验室测量、评估和提高环境可持续性，重点关注与温室气体排放相关的参数，是现有绿色评估指标的重要补充。它为特定实验室的分析程序提供了简单而全面的评估方法，考虑了多种直接和间接与 CO₂排放相关的因素。通过应用 CaFRI，实验室可以发现改进空间，优化资源利用效率，确保符合环保法规，展示对环境管理的承诺。同时，CaFRI 也存在一定的不确定性和主观性，建议由至少两名独立评估人员分别评估每个方法，如有分歧，通过公开讨论达成共识，以提高评估的可靠性和一致性。总体而言，CaFRI 在促进分析化学领域的可持续发展方面具有重要意义，为实验室在应对气候变化的全球努力中发挥积极作用提供了有力支持。