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(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 μm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(xué)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(dāng)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(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，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(dāng)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(qiáng)，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(jī)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(jìn)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(dāng)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(xué)(Aquaphotomics)”并開展了一系列研究工作。水光譜組學(xué)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(jìn)行無損診斷，而且還可以作為“鏡子”反映溶質(zhì)的動力學(xué)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(xì)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(xì)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(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(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)。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(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，水分子通過一個氫鍵與寡肽分子相結(jié)合。進(jìn)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(jìn)一步將該方法應(yīng)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(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(jìn)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(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(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(xué)計量學(xué)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(yīng)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(yīng)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(dāng)施加一定的擾動因素時，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)計量學(xué)為近紅外光譜技術(shù)在實際復(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)和生物過程中作用與功能的重要信息來源。
 

聲明：本文所用圖片、文字部分來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。如涉及到版權(quán)問題，請及時和我們聯(lián)系。