近红外光谱技术中的水探针

lisa踏雪寻梅

2018/10/08
Chinfo近红外小分队

私聊

近红外光谱（NIR）

水是生命的源泉，是生命体系中的重要组成部分。在化学体系中，水是最简单的小分子之一，是水溶液的基本组成。因此，关于水分子的结构与功能研究一直是非常活跃的课题之一。但是，水分子在100 nm到100 μm的光谱区间都有吸收，在大部分光谱区域有很强的吸收，导致很多光谱技术难以用于水溶液体系或含水量较多的分析体系，如生物样品。在近红外光谱区间，水的吸收相对较弱，在水分子的组合频（5150 cm^-1）和一级倍频（6950 cm^-1）有两个较宽的吸收峰。因此，近红外光谱技术可以测量水溶液体系或含水量较多的生物样品，并且可以无侵入、实时、动态地进行分析。同时，由于水的结构特点，使其近红外光谱很容易受到“扰动”因素的影响。当水分子的环境改变时，其近红外光谱将发生变化。在水溶液中，水的光谱包含着溶质的大量信息。

1984年，Inoue等研究了不同化合物溶液在高压条件下的近红外光谱，发现水的结构随溶质及压力的变化而改变。2000年，Ozaki课题组采用近红外二维相关谱技术研究了人血清蛋白（HSA）随温度的变化，同时研究了温度对水化作用的影响。2005年，Czarnecki等同样采用近红外二维相关谱技术研究了水对N-甲基乙酰胺结构的影响。近年来，关于水分子在蛋白质稳定性、蛋白质内部的质子转移以及蛋白质构象变化中的作用也开展了大量研究工作。
2006年，Tsenkova 教授在研究了不同质量牛奶制品的近红外光谱特征的基础上首次提出了“水光谱组学（Aquaphotomics）”并开展了一系列研究工作。水光谱组学通过研究体系中“水”的光谱信息在温度和溶质（种类和含量）等的“扰动（perturbation）”下产生的变化，了解不同物质及含量对水结构产生的影响，然后再通过水的结构推断溶质的结构与功能。研究结果表明，水的近红外光谱吸收模式的不同不仅可以作为生物标记物对疾病或异常状态进行无损诊断，而且可以作为“镜子”反映溶质的动力学过程。例如，利用近红外光谱结合水光谱组学对大豆类植物叶片进行快速无损检测，利用水化层中水结构的不同实现了对大豆花叶病潜伏期的诊断。近期的研究工作表明，利用水光谱组学可以有效地提高近红外光谱技术用于稀溶液定量分析的准确度和灵敏度，并应用于糖类旋光异构体的定量分析。
在我们的研究工作中，曾利用温控近红外光谱建立了温度和浓度的定量模型。2015 年以来，利用多级同时成分分析（MSCA）方法对水-乙醇-异丙醇混合液的温控近红外光谱进行了分析，利用温控近红外光谱不仅可以建立温度的定量模型（QSTR），还可以建立混合体系中各组分含量的定量模型。利用温控近红外光谱技术研究了葡萄糖对水结构的影响，通过水在一级倍频区吸收带的变化，讨论了葡萄糖对水的氢键结构的影响，并发现葡萄糖使水的有序结构增强，为解释糖类化合物在生物体系中的“保护作用”提供了新的依据。在近期的研究工作中，分别利用水的吸收谱带和葡萄糖的吸收谱带建立了溶液和血清样品中葡萄糖含量的定量模型，说明了水可以作为葡萄糖含量的传感探针。在化学计量学方法研究方面，对高阶解析算法进行了研究，如高维主成份分析（NPCA），平行因子分析（PARAFAC）和交替三线性分解（ATLD）等。发展了共因子分析（MFA）方法用于温控近红外光谱的分析，可以准确地对溶质进行定量分析。将该方法应用于实际样品近红外光谱的分析中，实现了人血清样品中血糖的定量分析。我们还对蛋白质的结构变化开展了温控近红外光谱分析。采用连续小波变换提高近红外光谱的分辨率，通过分析人血清白蛋白（HSA）和水的光谱信息随温度的变化，研究了HSA二级结构的热变性过程，并发现水结构变化可以反映HSA的展开过程。进一步将该方法应用于复杂血清样本中，并结合蒙特卡罗-无信息变量消除法（MC-UVE）排除由于血清复杂性带来的干扰，筛选出与蛋白质特征吸收相关的变量研究了不同水结构在蛋白质的热稳定性过程中的变化。应用二维相关光谱研究了卵清蛋白受热形成凝胶的过程中水结构的变化，分析了不同水结构在凝胶形成过程中的变化顺序及功能。

今后，我们将利用更多近红外光谱的信息拓展水光谱组学的概念，开展光谱解析、特征提取等化学计量学方法研究，获取水溶液体系中水的结构及其随“扰动因素”（温度、溶质等）的变化，通过水的光谱信息及其随“扰动因素”的变化建立溶液体系（包括实际体系及生物体系等）的定量、定性分析方法，利用水的光谱信息探测和理解水在化学和生物过程中作用与功能。

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