近紅外(NIR)光譜是一種分子光譜，不僅體現(xiàn)了分子的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)等分子本身的特征，還體現(xiàn)了包括氫鍵在內(nèi)的分子間或分子內(nèi)相互作用。水分子在100 nm到100 m的光譜區(qū)間都有吸收，在大部分光譜區(qū)域有很強(qiáng)的吸收，導(dǎo)致很多光譜技術(shù)難以用于水溶液體系或含水量較多的分析體系。但是在近紅外光譜區(qū)間，水的吸收相對(duì)較弱。因此，近紅外光譜技術(shù)可以測(cè)量水溶液體系或含水量較多的樣品。同時(shí)由于水在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，其近紅外光譜極易受到擾動(dòng)因素的影響，比如溫度、壓力或者溶質(zhì)。當(dāng)水分子周圍環(huán)境改變時(shí)，近紅外光譜也會(huì)隨之發(fā)生變化，從變化的光譜中我們可以獲取結(jié)構(gòu)及相互作用的信息。所以近紅外光譜為水及含水體系的研究提供了一種新的分析手段，通過(guò)水的光譜信息隨擾動(dòng)條件的變動(dòng)可以建立新的分析方法。

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院 邵學(xué)廣教授

早在1925年，Collins[1]和Waggener[2]等分別研究了液態(tài)水的吸收光譜與溫度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)溫度的改變會(huì)對(duì)水的吸收光譜產(chǎn)生明顯的影響。隨著溫度的升高，水的吸收峰向高波數(shù)移動(dòng)并且強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明液態(tài)水是由不同氫鍵結(jié)構(gòu)的水分子組成的混合物。Inoue等[3]研究了水的結(jié)構(gòu)隨壓力的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力升高時(shí)，水的近紅外吸收峰向低波數(shù)移動(dòng)，說(shuō)明水的氫鍵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)化程度升高。除了外界環(huán)境對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響，溶質(zhì)的加入也會(huì)使水的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Gowen等[4]研究了不同溫度下無(wú)機(jī)鹽(NaCl、KCl、MgCl2和AlCl3)水溶液的近紅外光譜，通過(guò)提取與水結(jié)構(gòu)相關(guān)的特征光譜信息，分析了特征光譜隨溫度和離子濃度的變化。結(jié)果表明KCl和NaCl傾向于破壞水氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的氫鍵，而MgCl2和AlCl3傾向于促進(jìn)水分子之間的氫鍵形成。Czarnecki[5]采用二維相關(guān)譜技術(shù)研究了N-甲基乙酰胺與水的相互作用，通過(guò)對(duì)水溶液的近紅外光譜的分析，發(fā)現(xiàn)了水分子和兩個(gè)N-甲基乙酰胺分子相互作用形成氫鍵的光譜特征。這些研究都表明當(dāng)加入擾動(dòng)條件(如溫度，壓力，溶質(zhì)等)時(shí)，水的近紅外光譜會(huì)發(fā)生明顯變化，通過(guò)變化的水光譜，可以反映出結(jié)構(gòu)的改變或水與溶質(zhì)之間的相互作用。

2006年，Tsenkova[6]在研究了不同質(zhì)量牛奶制品的近紅外光譜特征的基礎(chǔ)上首次提出了“水光譜組學(xué)(Aquaphotomics)”并開展了一系列研究工作。水光譜組學(xué)通過(guò)研究體系中水的光譜信息在溫度和溶質(zhì)(種類和含量)等擾動(dòng)下產(chǎn)生的變化，了解不同物質(zhì)及含量對(duì)水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，再通過(guò)水的結(jié)構(gòu)推斷溶質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。研究結(jié)果表明，利用水的近紅外光譜隨擾動(dòng)條件的變動(dòng)不僅可以對(duì)疾病或異常狀態(tài)進(jìn)行無(wú)損診斷，而且還可以作為“鏡子”反映溶質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及外部條件對(duì)溶液產(chǎn)生的影響。比如，利用水化層中水結(jié)構(gòu)的信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)大豆花葉病潛伏期的診斷[7]、通過(guò)檢測(cè)大熊貓尿液中的水的光譜判斷了大熊貓是否處于發(fā)情期[8]，另外，也發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的代謝物也對(duì)水的光譜有影響從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶液中細(xì)菌含量的定量分析[9]。

在我們的研究工作中，將水作為探針，利用水的結(jié)構(gòu)對(duì)溫度敏感的特點(diǎn)，利用溫控近紅外光譜技術(shù)，通過(guò)提取隨溫度變化的水光譜信息對(duì)溶質(zhì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和定量分析。在結(jié)構(gòu)分析方面，首先研究了小分子溶質(zhì)(如葡萄糖、寡肽、醇等)對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)水在一級(jí)倍頻區(qū)吸收帶的變化，發(fā)現(xiàn)葡萄糖使水的有序結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，為解釋糖類化合物在生物體系中的“保護(hù)作用”提供了新的依據(jù)[10]。利用溫度效應(yīng)，研究了寡肽(五聚賴氨酸水、五聚天冬氨酸)水溶液的近紅外光譜，利用獨(dú)立成分分析提取了水的特征光譜信息，觀察到寡肽與水的相互作用，發(fā)現(xiàn)寡肽的加入會(huì)使水的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，五聚賴氨酸水溶液中疏水水合占主導(dǎo)地位，水分子在氨基酸殘基的烷基側(cè)鏈周圍形成“水籠”;而在五聚天冬氨酸水溶液中親水水合為主要作用，水分子通過(guò)一個(gè)氫鍵與寡肽分子相結(jié)合。進(jìn)一步說(shuō)明水可以作為探針來(lái)研究分子間的相互作用[11]。

除了小分子之外，大分子(比如蛋白質(zhì)、高分子聚合物)與水的相互作用也一直是大家關(guān)心的問(wèn)題。采用連續(xù)小波變換(CWT)提高近紅外光譜的分辨率，通過(guò)分析人血清白蛋白(HSA)和水的光譜信息隨溫度的變化，研究了HSA二級(jí)結(jié)構(gòu)的熱變性過(guò)程，發(fā)現(xiàn)水結(jié)構(gòu)變化可以反映HSA的展開過(guò)程[12]。進(jìn)一步將該方法應(yīng)用于血清分析，結(jié)合蒙特卡羅-無(wú)信息變量消除法(MC-UVE)篩選出與蛋白質(zhì)特征吸收相關(guān)的變量研究了不同水結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)的熱變性過(guò)程中的作用[13]。應(yīng)用二維相關(guān)光譜分析了不同溫度下卵清蛋白水溶液的近紅外光譜，研究了卵清蛋白受熱形成凝膠的過(guò)程水的作用，結(jié)果表明，含有兩個(gè)氫鍵的水結(jié)構(gòu)變化能夠很好的反映蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且在蛋白形成凝膠的過(guò)程中促進(jìn)了凝膠結(jié)構(gòu)的形成[14]。采用高維算法NPCA研究了具有LCST行為的高分子聚合物聚(甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯)(PDMAEMA)隨溫度升高聚集過(guò)程中水的作用，通過(guò)對(duì)水光譜的分析，得到了與聚合物鏈形成兩個(gè)氫鍵的水分子(S2)在聚集過(guò)程中起到重要的橋聯(lián)作用，當(dāng)溫度升高，橋聯(lián)的S2氫鍵結(jié)構(gòu)遭到破壞，高分子鏈發(fā)生聚集形成膠束，研究結(jié)果說(shuō)明水可以作為研究聚合物聚集過(guò)程的探針[15]。通過(guò)對(duì)水的溫控近紅外光譜進(jìn)行分析，得到了水的光譜中容易受到溫度影響的光譜變量，并發(fā)現(xiàn)所選變量可用于不同溶液的識(shí)別[16]。同時(shí)，將水作為探針，采用PCA和二維相關(guān)光譜分析的方法分析了血清樣品的近紅外光譜，得到了與血清樣品差異相關(guān)的水結(jié)構(gòu)的特征光譜，并發(fā)現(xiàn)這種特征光譜與疾病之間的相關(guān)關(guān)系[17]。

借助化學(xué)計(jì)量學(xué)方法提取水結(jié)構(gòu)信息，對(duì)水溶液體系的定量分析開展了研究工作。在水-乙醇-丙醇體系中，溫度和濃度的變動(dòng)均會(huì)引起水光譜的變化，利用多級(jí)同時(shí)成分分析(MSCA)建立了兩級(jí)模型，分別描述光譜與溫度之間的定量關(guān)系(QSTR)和光譜與濃度之間的定量關(guān)系(QSCR)，實(shí)現(xiàn)了溫度效應(yīng)的定量描述和濃度的定量計(jì)算[18,19]。提出并建立了互因子分析(MFA)方法，通過(guò)提取不同溫度或不同濃度下水的吸收光譜中包含的“共同”光譜特征實(shí)現(xiàn)了溫度或濃度的定量分析，成功應(yīng)用于水溶液以及實(shí)際血清樣品中葡萄糖的定量檢測(cè)[20]。這些研究成果都表明當(dāng)施加一定的擾動(dòng)因素時(shí)，水可以作為敏感的探針進(jìn)行定量分析。

近紅外水光譜組學(xué)為近紅外光譜在生物和生命體系分析中應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，溫控近紅外光譜技術(shù)為近紅外光譜的應(yīng)用提供了新的思路，化學(xué)計(jì)量學(xué)為近紅外光譜技術(shù)在實(shí)際復(fù)雜體系分析中的應(yīng)用提供了技術(shù)手段。隨著研究工作的不斷深入，越來(lái)越多的水的近紅外光譜特征將得到深度挖掘，成為探索和理解水在化學(xué)和生物過(guò)程中作用與功能的重要信息來(lái)源。

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（南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院 邵學(xué)廣、孫巖、崔曉宇）