化学与奥运会

艾玛·戴维斯报道了化学在奥运会和残奥会期间将扮演的重要角色

抓作弊

在葛兰素史克(GlaxoSmithKline)位于英国哈洛(Harlow)的工厂，气相色谱仪和质谱仪正准备发挥其极限。这里是今夏奥运会和残奥会反兴奋剂实验室的所在地，150名科学家将在这里昼夜不停地工作，每天检测多达400份血液和尿液样本。今年参赛的大约一半运动员将被要求在没有通知的情况下提供样本进行检测，包括所有奖牌获得者。

反兴奋剂药物测试由伦敦国王学院的药物控制中心负责，并得到了世界反兴奋剂机构(WADA)的认可。在奥运会期间，科学家们的任务是分析超过6200个样本，涉及一系列药理学类别的多达400种违禁物质。也许最艰巨的挑战是所需的快速周转时间，大多数阴性结果将在24小时内公布。

测试时间

为了避免任何错误，所有的样品都将被条形码编码，以便检测中心随时知道样品的位置和谁在处理它。在采集时，每个样品将被分装在标有A和B的防篡改瓶中。如果测试小组在对A样品的重复测试中得到阳性结果，则将打开B瓶进行分析。如果运动员愿意，他们可以见证第二个样本的开启。未开封的B组样本将被冷冻长达8年，以便日后在有关部门开发出新的检测技术或发现新的兴奋剂时进行重新检测。

据奥运会检测小组负责人戴维·考恩(David Cowan)说，大部分样本将是尿液，但1000份或更多的样本将是血液。尿液比血液更容易检测，很大程度上是因为尿液的药物浓度更高，提取起来复杂的蛋白质更少。

尿液样本首先使用固相萃取进行清洗，它在吸附剂相上收集感兴趣的分析物。2012年测试实验室的分析师尼古拉·格雷(Nicola Gray)解释说:“我们将样品装入一个墨盒中，我们想要检测的分析物被困在里面，同时我们用一系列溶剂清洗它，以清除所有垃圾。”

然后使用液相色谱-质谱(LC-MS)根据其质量筛选样品中的违禁化合物。格雷解释说:“我们在色谱图的特定时间寻找违禁化合物的质量，看看它们是否存在。”

LC-MS可以完全识别许多违禁物质。然而，对于分子量相对较低的兴奋剂，保留时间和准确的质量不足以区分非常密切相关的化合物，如安非他明和甲基安非他明类似物。在这种情况下，需要进一步使用气相色谱-质谱(GC-MS)进行测试。

模仿自然

类固醇也很难识别。使用同位素比质谱(IR-MS)对睾酮和雄酮等类固醇尿代谢物水平升高的样本进行测试，比较睾酮和雄酮的水平¹³C与…¹²C值给a¹³C /¹²C (d)值。天然类固醇和药物类固醇的d值不同，使分析人员能够清楚地看到类固醇是否被运动员滥用。

药物型或重组型促红细胞生成素(EPO)也需要额外的检测;因为它也不能用GC-MS识别。EPO调节红细胞生成，增加红细胞计数，提高有氧能力，延缓疲劳。监督反兴奋剂实验室活动的专家之一巴特利特(Christiaan Bartlett)解释说:“每个人都能产生的天然EPO和如果你想作弊就会注射的重组EPO之间存在微妙的区别。”“我们利用这种非常微小的差异来区分一个运动员体内的EPO是天然的还是重组的。”“天然和重组EPO蛋白分子具有相同的氨基酸主干，但其附着的碳水化合物不同，这影响了分子的电荷。”

在测试之前，尿液样本使用多次超滤清洗，然后使用等电聚焦进行分析。蛋白质在有pH值梯度的凝胶中移动，它们在凝胶上停留的位置取决于它们所带的电荷。由于重组EPO与天然EPO的电荷略有不同，其存在很容易被发现。

碳水化合物、盐和咖啡因

毫无疑问，在今年夏天的奥运会上，奥运会和残奥会的运动员都会喝运动饮料。出汗导致的脱水和体内碳水化合物的消耗都会导致运动时的疲劳，而运动饮料可以帮助运动员将自己推向极限。

英国谢菲尔德哈勒姆大学(Sheffield Hallam University)运动与运动营养学高级讲师马约尔·兰科达斯(Mayur Ranchordas)说:“运动饮料的好处是无可辩驳的。”他补充说，甚至有证据表明，在把运动饮料吐出来之前漱口会提高运动表现。

伯明翰大学最近的研究表明，口腔中的碳水化合物受体会激活大脑中与奖赏和运动控制有关的区域。测试发现，在自行车计时赛中，耐力训练有素的自行车手在漱口前用碳水化合物溶液漱口，比用不含碳水化合物的甜味饮料漱口表现更好。

兰科达斯解释说:“更高级的饮料含有可运输碳水化合物葡萄糖和果糖，比例为2:1。”这个比例提供了最快的流体输送。“在只含葡萄糖的溶液中，肌肉每小时只能氧化60克葡萄糖，因为受体已经完全饱和了。当你添加果糖时，你的肌肉可以额外氧化30克，因为传递机制不同。”他说。

调节盐含量

大多数运动饮料也含有电解质，如钠和钾，以补充在出汗中损失的电解质。兰科达斯说:“我们知道，如果你喝的是不含钠的碳水化合物运动饮料，液体输送的速度不如添加钠的快。”在人体内，钠有助于确保细胞保持正确的水分。

不同运动员的出汗率不同。兰科达斯解释说:“一名运动员可能流失了2 - 3公斤的水分，但只流失了很少的钠或钾，而另一名仅流失了1公斤的运动员，实际上可能排出了高浓度的钠。”他和他的团队通过在运动前后称重和测量汗液中的电解质浓度来测量运动员的出汗率。这一知识导致了一系列不同的饮料，以满足不同的需求，正在开发中。

兰科达斯说:“不同的饮料有不同的作用。”等渗运动饮料含有6-8%的碳水化合物溶液，可以有效地将液体和碳水化合物输送到血液中。所谓的低渗饮料碳水化合物含量较低，钠含量也较低。同时，高渗饮料含有约10%的碳水化合物，适合在运动后饮用。

额外的配件

一些运动饮料也含有咖啡因。兰科达斯说:“我们发现，在碳水化合物饮料中添加咖啡因可以提高技能和耐力。”他说:“对于一个70公斤重的运动员来说，你需要摄入大约200毫克的咖啡因，这和一杯双份浓缩咖啡的咖啡因含量差不多。”咖啡因在2004年被从WADA的禁止名单中删除，尽管它仍然是其监测计划的一部分。

然而，参赛运动员仍然需要小心避免饮用含有违禁物质的运动饮料。兰科达斯说:“污染是一个相当大的问题，市面上的补充剂也受到了污染。”他经常将补品寄给英国分析公司LGC旗下的HFL体育科学公司进行检测。运动员必须特别警惕含咖啡因的产品，这些产品还可能含有其他违禁物质，如麻黄碱。

运动饮料也是高酸性的，会损害牙釉质。为了锻炼后肌肉恢复和补充水分，兰科达斯建议喝一品脱脱脂牛奶。他说:“确实有充分的证据表明，牛奶有助于恢复健康。”它的电解质、乳糖和蛋白质的组合使它成为理想的牙齿友好的替代品。

游泳速度

当英国泳装公司Speedo为2008年奥运会和残奥会推出全身聚氨酯泳衣后，游泳比赛发生了巨大变化。宇航服能吸附一层空气，减少阻力，增加浮力。他们大幅缩短时间，以至于国际泳联(Fina)自2010年起就将其列为非法。

这促使Speedo在英国诺丁汉的Aqualab工厂的研究人员根据国际泳联的新指导方针开发泳装系列。在过去的四年里，Speedo一直专注于其Fastskin装备，现在正在营销Fastskin^3.这套“系统”包括西装、护目镜和帽子。

Aqualab的负责人汤姆·沃勒(Tom Waller)解释说，Aqualab的研究人员使用计算流体力学来预测可能产生最小阻力的车身和技术形状。该实验室还配备了用于为好莱坞电影生成计算机生成图像的相同2D扫描技术。

完美的搭配

沃勒说，这种新型泳衣在关键部位塑形，使它尽可能接近理想的“管状”身材。他解释说:“该系统确保关键部位的有效压缩，将身体塑造成最有效的游泳形式，为每一次蹬腿和划水带来最佳回报。”

沃勒补充说，正如你所料，女性泳衣“胸部和臀部的压力更大，而腹部和腿部底部的压力相对较小”。解释说，西装面料还允许水在其结构内通过，以产生水包水的效果，以减少阻力。

这种扁平的护目镜有一个涂有氟化化学物质的吸湿镜片。与此同时，新的泳帽也被设计成减少“全身阻力”。沃勒说，这种帽子能塑造长发的形状，“通过填补颈部曲线处的空白来改善水动力学”。

沃勒补充说，对于竞技游泳者来说，游泳过程中的耗氧量至关重要。“氧气经济越好

在一定的努力下，游泳者游得越快，或者保持这种努力的时间越长。”

一件精心设计的泳衣可以通过控制肌肉的使用方式来提高氧气的经济性。在Speedo的测试中，与扁平硅胶帽和标准护目镜和泳衣相比，新的Fastskin比赛系统使游泳者的氧气经济性提高了11%。

艾玛·戴维斯(Emma Davies)是一名科学作家，居住在英国Bishop 's Stortford

进一步的阅读

要了解更多关于2012年反兴奋剂实验室的信息，请参阅2012年5月版的RSC出版物鼹鼠

伯明翰大学关于碳水化合物受体的研究:E S Chambers, M W Bridge和D A Jonesj .杂志, 2009,587， 1779 (doi:10.1113 / jphysiol.2008.164285）

HFL运动科学分析公司

Speedo的fastskin^3.西装

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