第四届国际水光谱组学会议召开 水光谱组学研究取得进展

　　2021年3月20-22日，第四届水光谱组学会议在日本神户大学召开，本次会议主题依然延用“Exploring water molecular systems in nature(探索自然界的水分子体系)”，吸引了来自世界各地100余位代表参加，其中参会的中国学者有20余位。由于疫情的原因，本次会议采用线上和线下结合的形式召开，国际代表通过网络会议形式参加了会议。

　　本次会议的主要内容是水光谱组学及相关领域的研究与应用。为了更好的普及水光谱组学的基础知识，便于初学者的理解与应用，会前进行了学习培训。来自意大利罗马萨皮恩扎大学的Marini教授和日本神户大学的Muncan助理教授呈现了题为“A closer look at preprocessing with focus on aquaphotomics”和“Aquaphotomics tutorial-from experiment to interpretetation”的报告，分别介绍了光谱预处理方法以及水光谱组学的研究进展。水光谱组学概念的提出者，日本神户大学Tsenkova教授以公开讲座(open lecture)的形式进行了题为“From non-invasive disease diagnostics to aquaphotomics”的报告，其从不同角度介绍了水光谱组学的由来、发展、优势和应用。另外，会议还安排了科学前沿讲座，介绍了近红外光谱技术及水光谱研究的研究前沿，比如Ozaki教授介绍了不同分子光谱技术用于水结构的研究进展，对于水结构复杂性的认识具有重要帮助。

　　本次会议报告的参会论文共有63篇，其中大会报告43篇，墙报(poster)20篇。报告分为13个会议单元，主题分别是水光谱组学的应用(2个单元)、生物分子的水合作用与界面水的研究(4个单元)、生命中水的作用(2个单元)、基础研究与新视野(3个单元)、化学计量学(1个单元)以及量子脑动力学(1个单元)。水光谱组学的应用是本次会议的重要内容，会议安排了两场主题报告和七个口头报告，主题报告的题目分别是“From water structure and spectral patterns to diagnostics”和“Aquaphotomics for food quality control”。前者主要内容是基于水光谱组学利用水的光谱信息进行疾病诊断，后者主要包括近红外水光谱组学在食品监控方面的应用内容，包括农作物、奶制品以及水果等。

　　21日的大会由南开大学邵学广教授开始，进行了题为“Analyzing the water in chemical changes by temperature-dependent near-infrared spectroscopy”的报告。邵学广教授介绍了利用温控近红外光谱技术结合化学计量学方法，通过提取随温度变化的水光谱信息，可以了解水的结构和性质，以及将水作为探针可以探测溶液或生物体系中分子的定量信息和结构变化。温控近红外光谱技术与水光谱组学的原理不谋而合，都是通过获取水对扰动的变化信息来反映分析物的变化。邵学广教授利用随温度变化的水光谱信息，对化学结构及其变化过程中水的作用及作用机理进行了分析，包括蛋白质变性、温敏性聚合物的LCST行为以及与小分子相互作用过程等。同时，还利用分子动力学模拟，提出了水的九种不同氢键结构，为未来开展水结构研究奠定了基础。

　　本次会议的重点内容还包括生命过程中的水、生物分子的水合作用及界面水研究，还包括大量关于生物分子和脂质膜与水相互作用的研究内容。Yusui教授进行了题为“Water biology and medicine-roles of aquaporins in biological system”的报告，为了理解水通道蛋白(AQP)在生命过程中的作用，利用拉曼散射(CARS)成像技术直接定量通过细胞膜的水，结合水光谱组学的知识辅助理解细胞中水的动力学性质以及AQP的功能。在都柏林大学从事博士后研究的徐君丽介绍了不同细胞表面与水的相互作用，利用水的光谱建立偏最小二乘回归模型用于细胞响应值的预测，比如细胞活性、形态特征等。来自山东大学的臧恒昌教授介绍了利用近红外水光谱组学研究透明质酸与水的相互作用，研究表明透明质酸在溶液中起着结构制造者的作用，使水结构更加有序，并且在不同浓度下促进不同氢键的水结构的形成，对理解水在生物系统中功能的理解提供了参考。从会议报告内容来看，已经有很多研究人员将近红外光谱技术结合水光谱组学应用于实际细胞或者生物分子的研究，但是由于实际生物体系过于复杂，真正理解水在生物过程中的作用还需要漫长的研究。

　　化学计量学一直是水光谱组学研究的重要手段，来自法国的Roger博士以“New trends in the pre-processing of near-infrared spectra”为题讲述了预处理方法的原理和作用，指出预处理的选择应该从其原理和作用出发，而不是通过枚举法来选择。同时，强调了预处理方法作为建立稳健模型的重要策略，在近红外光谱分析中起到重要作用。目前，如何选择最佳的预处理方法组合仍然是一个值得深入研究的课题，原理的理解和经验的积累对预处理方法的选择有很大帮助。来自奥地利因斯布鲁克大学的Bec研究员将非线性高斯过程回归(GPR)和人工神经网络等化学计量学方法应用于天然药物的水分测定，这些方法也帮助微小型仪器达到与实验室台式仪器相似的预测性能。

　　此外，还有一些有趣的研究内容令大家印象深刻。比如来自奥地利因斯布鲁克大学的Tonauer教授进行了题目为“Extending the spectrum: NIR spectroscopy of crystalline H₂O-ices”的报告，介绍了利用NIR光谱技术研究不同冰型的高压冰的结构，在不同温度和压力下观察到了不同类型冰结构之间的转变，通过实验证明OH基团的一级倍频波段是区分不同含氧亚晶格的冰以及区分晶体冰和不同非晶体冰的极好标志。这一开创性的工作填补了高压冰在近红外光谱领域的空白，对于利用近红外光谱研究天体冰幔提供了技术手段和研究基础。另外，来自日本大阪府大学Takeuchi副教授进行了题为“Investigation on the reaction mechanism of Mg(OH)₂dehydration and MgO hydration by NIR spectroscopy”的报告，介绍了自热小火锅中放置的发热包吸水发热的反应机理，通过研究Mg(OH)₂脱水过程与MgO水合过程中水与MgO的相互作用，揭示了水的OH基团与MgO之间的氢键在反应中具有重要的作用。

　　虽然由于疫情的影响，国际代表只能通过网络会议的形式与大家见面，但是大家的热情丝毫不减，会议期间的讨论非常热烈。在会议中场休息期间，还为Tsenkova教授举行了退休仪式，来自世界各地的友人送上了视频祝福。Tsenkova教授最突出的贡献是推动了近红外水光谱组学的发展，通过广泛的国际合作加强了世界各地水光谱研究工作者的交流，拓宽了近红外光谱技术的应用。与之前的水光谱会议相比，本次会议的学术性和科研水平明显提升。通过本次会议可以看出，水光谱组学的研究已经取得一些阶段性的进展，但是对于水在生命体系中的作用与功能仍然停留在探索阶段。随着科研工作的不断深入，研究技术与手段将不断进步，越来越多的水光谱特征将得到挖掘，成为探索和理解水在化学和生物过程中作用与功能的重要信息来源。

(孙岩，段潮舒，王冕，邵学广 南开大学化学学院)