近红外水光谱组学方法与应用研究

Near infrared spectra of aqueous solutions under the "perturbation" of temperature and different solutes will be studied. Based on the effect of the perturbation on the spectra of water, the structural changes of water in the solution can be observed, and then the structure and function of the solute in the solution can be obtained. Aqueous solutions of hydroxyl molecules, amino compounds and bio-molecules such as peptides, proteins and DNA will be used in the project, and temperature dependent near infrared spectroscopy will be adopted to obtain the spectra at different temperature. At first, chemometric methods for resolving the overlapping spectra of mixtures will be developed to obtain the spectra of water and the solutes. With the help of wavelet transform, two resolution methods will be developed, including a generalized window factor analysis (GWFA) and a generalized iterative target transformation factor analysis (GITTFA). Different from the spectra measured with pure components, the resolved ones are more informative to reflect the structure of the component in the solution. The spectral bands in the spectrum of water under different perturbation will be analyzed and used to define the aquaphotome. Then, the model between the aquaphotome and the content, structure or function of the solute will be studied using multivariate approaches, such as correlation analysis and multivariate calibration. Finally, the models are employed to predict the content, structure or function of the studied molecules using the near infrared spectra. Therefore, this project will develop new theory and new strategies, which may explore new function or application for near infrared spectroscopy.

以羟基、胺基化合物和生物分子（多肽、蛋白质、DNA）水溶液体系为主要研究对象，利用温控近红外光谱技术研究体系中“水”的近红外光谱在温度和溶质（种类和含量）的“扰动（perturbation）”下产生的光谱变化，了解不同物质及含量对水的结构产生的影响，然后再通过水的结构推断溶质的结构与功能。首先开展混合物光谱解析方法研究，重点开展基于小波变换光谱的通用窗口因子分析（GWFA）和通用迭代目标检验因子分析等算法研究。利用解析方法对溶液体系的光谱进行解析，得到水的光谱组成（即水光谱组）及溶质在混合物状态的（in situ）光谱。然后利用相关分析、多元校正等方法研究水光谱组、溶质光谱以及溶质的含量、结构与功能之间的定量关系模型，用于预测水溶液体系中溶质的结构、含量与功能。本项目将发展具有创新性的近红外光谱分析新原理和新方法，拓展近红外光谱的研究与应用范围，具有较高的理论和实际意义。

基于水的近红外光谱，利用水结构对温度的敏感性，通过温控近红外光谱技术结合化学计量学算法，获取水的近红外光谱随温度的变化，开展了混合物体系、生物分子体系和实际复杂体系的定量分析、结构分析和相互作用分析。基于水的近红外光谱随温度的变化，提出并建立了互因子分析方法，通过提取不同温度或不同浓度下水的吸收光谱中包含的共同光谱特征实现了温度或浓度的定量分析，成功应用于水溶液以及实际血清样品中葡萄糖的定量检测。利用多级同时成分分析（MSCA）分层解析的特点建立了三级MSCA方法，对pH、浓度和温度三种扰动下脯氨酸水溶液的近红外光谱进行解析，得到了三级MSCA模型。建立了温控近红外光谱中温度相关变量的识别方法，利用温度相关变量说明了水结构的复杂性并实现了不同溶液的判别，为溶液体系中相互作用分析和结构分析提供了新的依据。利用高斯拟合、高阶导数、离散小波变换、主成分分析、二维相关光谱分析以及交替三线性分解等方法研究了水与溶质（葡萄糖、寡肽、醇、二甲基亚砜等）的相互作用，揭示了生物小分子对水结构稳定性的影响、二甲基亚砜与水形成的氢键抑制四面体水结构的形成以及水与醇形成异质团簇等。将水的光谱信息及其受温度的影响用于蛋白质和温敏性聚合物的结构转变研究，揭示了化学结构变化过程中水的作用及作用机理。同时还利用分子动力学模拟对水的结构及其随温度的变化进行了研究，提出的水的九种氢键结构及表达形式，为理解水的不同氢键结构提供了新的方法。此外，还针对近红外光谱分析中变量选择、模型转移、定量模型等问题开展了研究工作，建立了新的变量选择和模型转移方法，发展了近红外漫反射检测新技术，提高了近红外漫反射光谱的检测能力。