近紅外(NIR)光譜是分子光譜的一種，既體現(xiàn)了分子的結(jié)構(gòu)和官能團等分子本身的特征，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 μm的光譜區(qū)間都有吸收，在大部分光譜區(qū)域有很強的吸收，導致很多光譜技術(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，水的吸收相對較弱。因此，近紅外光譜技術(shù)可以測量水溶液體系或含水量較多的樣品。同時由于水在化學結(jié)構(gòu)上的特點，其近紅外光譜極易受到擾動因素的影響，比如溫度、壓力或者溶質(zhì)。當水分子周圍環(huán)境改變時，近紅外光譜也會隨之發(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，通過水的光譜信息隨擾動條件的變動可以建立新的分析方法。

于1925年，Collins和Waggener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)溫度的改變會對水的吸收光譜產(chǎn)生明顯的影響。隨著溫度的升高，水的吸收峰向高波數(shù)移動并且強度逐漸增強，說明液態(tài)水是由不同氫鍵結(jié)構(gòu)的水分子組成的混合物。Inoue等研究了水的結(jié)構(gòu)隨壓力的變化，發(fā)現(xiàn)當壓力升高時，水的近紅外吸收峰向低波數(shù)移動，說明水的氫鍵結(jié)構(gòu)增強，結(jié)構(gòu)化程度升高。除了外界環(huán)境對水結(jié)構(gòu)的影響，溶質(zhì)的加入也會使水的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Gowen等研究了不同溫度下無機鹽(NaCl、KCl、MgCl2和AlCl3)水溶液的近紅外光譜，通過提取與水結(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傾向于促進水分子之間的氫鍵形成。Czarnecki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，通過對水溶液的近紅外光譜的分析，發(fā)現(xiàn)了水分子和兩個N-甲基乙酰胺分子相互作用形成氫鍵的光譜特征。這些研究都表明當加入擾動條件(如溫度，壓力，溶質(zhì)等)時，水的近紅外光譜會發(fā)生明顯變化，通過變化的水光譜，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(Aquaphotomics)”并開展了一系列研究工作。水光譜組學通過研究體系中水的光譜信息在溫度和溶質(zhì)(種類和含量)等擾動下產(chǎn)生的變化，了解不同物質(zhì)及含量對水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，再通過水的結(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條件的變動不僅可以對疾病或異常狀態(tài)進行無損診斷，而且還可以作為“鏡子”反映溶質(zhì)的動力學過程以及外部條件對溶液產(chǎn)生的影響。比如，利用水化層中水結(jié)構(gòu)的信息實現(xiàn)了對大豆花葉病潛伏期的診斷、通過檢測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，另外，也發(fā)現(xiàn)了細菌的代謝物也對水的光譜有影響從而實現(xiàn)了對溶液中細菌含量的定量分析。

在我們的研究工作中，將水作為探針，利用水的結(jié)構(gòu)對溫度敏感的特點，利用溫控近紅外光譜技術(shù)，通過提取隨溫度變化的水光譜信息對溶質(zhì)進行了結(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)對水結(jié)構(gòu)的影響。通過水在一級倍頻區(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，為解釋糖類化合物在生物體系中的“保護作用”提供了新的依據(jù)。利用溫度效應，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)寡肽的加入會使水的熱穩(wěn)定性增強，五聚賴氨酸水溶液中疏水水合占主導地位，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，水分子通過一個氫鍵與寡肽分子相結(jié)合。進一步說明水可以作為探針來研究分子間的相互作用。

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)心的問題。采用連續(xù)小波變換(CWT)提高近紅外光譜的分辨率，通過分析人血清白蛋白(HSA)和水的光譜信息隨溫度的變化，研究了HSA二級結(jié)構(gòu)的熱變性過程，發(fā)現(xiàn)水結(jié)構(gòu)變化可以反映HSA的展開過程。進一步將該方法應用于血清分析，結(jié)合蒙特卡羅-無信息變量消除法(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)的熱變性過程中的作用。應用二維相關(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程水的作用，結(jié)果表明，含有兩個氫鍵的水結(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程中促進了凝膠結(jié)構(gòu)的形成。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)隨溫度升高聚集過程中水的作用，通過對水光譜的分析，得到了與聚合物鏈形成兩個氫鍵的水分子(S2)在聚集過程中起到重要的橋聯(lián)作用，當溫度升高，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)果說明水可以作為研究聚合物聚集過程的探針。通過對水的溫控近紅外光譜進行分析，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別。同時，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。

借助化學計量學方法提取水結(jié)構(gòu)信息，對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，溫度和濃度的變動均會引起水光譜的變化，利用多級同時成分分析(MSCA)建立了兩級模型，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)，實現(xiàn)了溫度效應的定量描述和濃度的定量計算。提出并建立了互因子分析(MFA)方法，通過提取不同溫度或不同濃度下水的吸收光譜中包含的“共同”光譜特征實現(xiàn)了溫度或濃度的定量分析，成功應用于水溶液以及實際血清樣品中葡萄糖的定量檢測[20]。這些研究成果都表明當施加一定的擾動因素時，水可以作為敏感的探針進行定量分析。

近紅外水光譜組學為近紅外光譜在生物和生命體系分析中應用開辟了新的領(lǐng)域，溫控近紅外光譜技術(shù)為近紅外光譜的應用提供了新的思路，化學計量學為近紅外光譜技術(shù)在實際復雜體系分析中的應用提供了技術(shù)手段。隨著研究工作的不斷深入，越來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和生物過程中作用與功能的重要信息來源。
 

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