近紅外(NIR)光譜是近红分子光譜的一種，既體現了分子的外水結構和官能團等分子本身的特征，還體現了包括氫鍵在內的光谱分子間或分子內相互作用。水分子在100 nm到100 μm的组学光譜區間都有吸收，在大部分光譜區域有很強的新分析手吸收，導致很多光譜技術難以用於水溶液體係或含水量較多的近红分析體係。但是外水在近紅外光譜區間，水的光谱吸收相對較弱。因此，组学近紅外光譜技術可以測量水溶液體係或含水量較多的新分析手樣品。同時由於水在化學結構上的近红特點，其近紅外光譜極易受到擾動因素的外水影響，比如溫度、光谱壓力或者溶質。组学當水分子周圍環境改變時，新分析手近紅外光譜也會隨之發生變化，從變化的光譜中我們可以獲取結構及相互作用的信息。所以近紅外光譜為水及含水體係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。

於1925年，Collins和Waggener等分別研究了液態水的吸收光譜與溫度的相關性，發現溫度的改變會對水的吸收光譜產生明顯的影響。隨著溫度的升高，水的吸收峰向高波數移動並且強度逐漸增強，說明液態水是由不同氫鍵結構的水分子組成的混合物。Inoue等研究了水的結構隨壓力的變化，發現當壓力升高時，水的近紅外吸收峰向低波數移動，說明水的氫鍵結構增強，結構化程度升高。除了外界環境對水結構的影響，溶質的加入也會使水的結構發生變化。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，通過提取與水結構相關的特征光譜信息，分析了特征光譜隨溫度和離子濃度的變化。結果表明KCl和NaCl傾向於破壞水氫鍵網絡結構中的氫鍵，而MgCl2和AlCl3傾向於促進水分子之間的氫鍵形成。Czarnecki采用二維相關譜技術研究了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，發現了水分子和兩個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，溶質等)時，水的近紅外光譜會發生明顯變化，通過變化的水光譜，可以反映出結構的改變或水與溶質之間的相互作用。

2006年，Tsenkova在研究了不同質量牛奶製品的近紅外光譜特征的基礎上首次提出了“水光譜組學(Aquaphotomics)”並開展了一係列研究工作。水光譜組學通過研究體係中水的光譜信息在溫度和溶質(種類和含量)等擾動下產生的變化，了解不同物質及含量對水結構產生的影響，再通過水的結構推斷溶質的結構與功能。研究結果表明，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進行無損診斷，而且還可以作為“鏡子”反映溶質的動力學過程以及外部條件對溶液產生的影響。比如，利用水化層中水結構的信息實現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於發情期，另外，也發現了細菌的代謝物也對水的光譜有影響從而實現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，利用水的結構對溫度敏感的特點，利用溫控近紅外光譜技術，通過提取隨溫度變化的水光譜信息對溶質進行了結構和定量分析。在結構分析方麵，首先研究了小分子溶質(如葡萄糖、寡肽、醇等)對水結構的影響。通過水在一級倍頻區吸收帶的變化，發現葡萄糖使水的有序結構增強，為解釋糖類化合物在生物體係中的“保護作用”提供了新的依據。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，發現寡肽的加入會使水的熱穩定性增強，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、高分子聚合物)與水的相互作用也一直是大家關心的問題。采用連續小波變換(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二級結構的熱變性過程，發現水結構變化可以反映HSA的展開過程。進一步將該方法應用於血清分析，結合蒙特卡羅-無信息變量消除法(MC-UVE)篩選出與蛋白質特征吸收相關的變量研究了不同水結構在蛋白質的熱變性過程中的作用。應用二維相關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，結果表明，含有兩個氫鍵的水結構變化能夠很好的反映蛋白質的結構轉變，並且在蛋白形成凝膠的過程中促進了凝膠結構的形成。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作用，當溫度升高，橋聯的S2氫鍵結構遭到破壞，高分子鏈發生聚集形成膠束，研究結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，並發現所選變量可用於不同溶液的識別。同時，將水作為探針，采用PCA和二維相關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的水結構的特征光譜，並發現這種特征光譜與疾病之間的相關關係。

借助化學計量學方法提取水結構信息，對水溶液體係的定量分析開展了研究工作。在水-乙醇-丙醇體係中，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係(QSTR)和光譜與濃度之間的定量關係(QSCR)，實現了溫度效應的定量描述和濃度的定量計算。提出並建立了互因子分析(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”光譜特征實現了溫度或濃度的定量分析，成功應用於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係分析中應用開辟了新的領域，溫控近紅外光譜技術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在實際複雜體係分析中的應用提供了技術手段。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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