水光谱组学研究现状及对中药归经理论的特殊影响

陈定芳1,2，吴月峰1,2，桂卉1,2，贺玉婷1,2，李海英1,2，肖美凤1,2,3，周晋1,2,3，周逸群1,2,3，邓凯文4，贺福元1,2,3,5**

（1. 湖南中医药大学药学院 长沙 410208；
2. 中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208；
3. 中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；
4. 湖南中医药大学第一附属医院 长沙 410007；
5. 湖南中医药大学中医药超分子机理与数理特征化实验室 长沙 410208）

2.02.0College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China；The First Affinity Hospital , Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410007,China；College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China；Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese MateriaMedica, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208,China湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208;湖南中医药大学第一附属医院 长沙 410007;湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208；湖南中医药大学中医药超分子机理与数理特征化实验室 长沙 410208430208;430208;;;;;;;430208;43020818874257699;;;;;;;;13787213681 ;1378721368118874257699;;;;;;;;13787213681;13787213681湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学;湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学;;;;;;;湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学;湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学1587045144@qq.com;yuefen_g@163.com;guihui1993@126.com;1358660755@qq.com;1576970046@qq.com;xiaomf.002@163.com;49512614@qq.com;zhouyiqun123@sina.com;dkaiwen03@people.com.cn;pharmsharking@tom.com陈定芳（1997-），男，在读硕士;吴月峰（1997-），男，在读硕士;;;;;;;邓凯文，女，（1973-），副主任医师，硕士生导师，从事中药针灸临床、针药并用研究，E-mail：940360299@qq. com;贺福元，男，（1965-），教授，博士生导师，从事中药药理学、中药药剂学和中医药超分子研究陈定芳;吴月峰;桂卉;贺玉婷;李海英;肖美凤;周晋;周逸群;邓凯文;贺福元Chen Dingfang;Wu Yuefeng;Gui Hui;He Yuting;Li Haiying;Xiao Meifeng;Zhou Jin;Zhou Yiqun;Deng Kaiwen;He Fuyuan贺福元2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.01*|*期刊*|*​Muncan J,Tsenkova R.Aquaphotomics-From Innovative Knowledge to Integrative Platform in Science and Technology[J].Molecules,2019,24(15).<CR>2*|*期刊*|*贺福元,邓凯文,杨岩涛,周逸群,石继连,刘文龙,唐宇.基于超分子化学的中药药性理论研究方法探讨(1)中药归经[J].中国中药杂志,2015,40(08):1624-1629.<CR>3*|*期刊*|*袁余洲.影响红外光谱峰位变化的因素之一——氢键形成的新因素[J].玉林师专学报,1997,03):45-48.<CR>4*|*期刊*|*裴强.基于氢键的超分子自组装:缔合方式及稳定性[J].信阳师范学院学报(自然科学版),2018,31(01):160-167.<CR>5*|*期刊*|*​Collins Jr.Change in the infra-red absorption spectrum of water with temperature.[J].Phys. Rev.,1925,26(6):771-779.<CR>6*|*专著*|*Potts Willisj. Chemical infrared spectroscopy[M]. 1963: John Wiley And Sons,Inc.<CR>7*|*期刊*|*Maeda Hisashi,Ozaki Yukihiro,Tanaka Munehiro,et al.Near infrared spectroscopy and chemometrics studies of temperature-dependent spectral variations of water: relationship between spectral changes and hydrogen bonds.[J].J. Near Infrared Spectrosc.,1995,3(4):191-201.<CR>8*|*期刊*|*Tsenkova R,Atanassova S,Itoh K,et al.Near infrared spectroscopy for biomonitoring: cow milk composition measurement in a spectral region from 1,100 to 2,400 nanometers[J].J Anim Sci,2000,78(3):515-522.<CR>9*|*期刊*|*Tsenkova Roumiana.Aquaphotomics and Chambersburg[J].NIR News,2006,17(6):12-14.<CR>10*|*期刊*|*Xantheas Ss.Cooperativity and hydrogen bonding network in water clusters.[J].Chem. Phys.,2000,258(2-3):225-231.<CR>11*|*期刊*|*​Gowen Aa,Amigo Jm,Tsenkova R.Characterisation of hydrogen bond perturbations in aqueous systems using aquaphotomics and multivariate curve resolution-alternating least squares.[J].Anal. Chim. Acta,2013,759:8-20.<CR>12*|*期刊*|*Paquette Jean,Jolicoeur Carmel.A near-infrared study of the hydration of various ions and nonelectrolytes.[J].J. Solution Chem.,1977,6(6):403-428.<CR>13*|*期刊*|*​Chaplin M.Do we underestimate the importance of water in cell biology?[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2006,7(11):861-866.<CR>14*|*学位论文*|*]​胡凤.两种黄酮化合物与溶剂分子氢键体系的理论研究[D].四川师范大学,2009. <CR>15*|*期刊*|*Tsenkova R,Munćan J,Pollner B,et al.Essentials of Aquaphotomics and Its Chemometrics Approaches[J].Front Chem,2018,6:363.<CR>16*|*期刊*|*Muncan Jelena,Tsenkova Roumiana.Aquaphotomics—From Innovative Knowledge to Integrative Platform in Science and Technology[J].Molecules,2019,24(15):2742.<CR>17*|*期刊*|*Buning-Pfaue Hans.Analysis of water in food by near infrared spectroscopy.[J].Food Chem.,2003,82(1):107-115.<CR>18*|*期刊*|*Tillmann Peter,Paul Christian.The repeatability file-a tool for reducing the sensitivity of near infrared spectroscopy calibrations to moisture variation.[J].J. Near Infrared Spectrosc.,1998,6(1-4):61-68.<CR>19*|*期刊*|*Kojic Dusan,Tsenkova Roumiana,Yasui Masato.Improving accuracy and reproducibility of vibrational spectra for diluted solutions.[J].Anal. Chim. Acta,2017,955:86-97.<CR>20*|*期刊*|*​H. W. Siesler, Y. Ozaki, et al.Near-infrared spectroscopy, principles, instruments, applications. [J].J. Chemom.,2010,16(12):636-638.<CR>21*|*期刊*|*Jaumot Joaquim,Gargallo Raimundo,de Juan Anna,et al.A graphical user-friendly interface for MCR-ALS: a new tool for multivariate curve resolution in MATLAB.[J].Chemom. Intell. Lab. Syst.,2005,76(1):101-110.<CR>22*|*期刊*|*​袁波,严惠民.利用红外光谱和渐进因子分析研究牛血清白蛋白的热动力学过程[J].红外与毫米波学报,2007,(26)4:265-268.<CR>23*|*期刊*|*Noda I.Generalized two-dimensional correlation method applicable to infrared, Raman, and other types of spectroscopy.[J].Appl. Spectrosc.,1993,47(9):1329-1336.<CR>24*|*期刊*|*Andrews Nicholaslp,MacLean Amyg,Saunders Johne,Barnes Jacka,et al.Quantification of different water species in acetone using a NIR-triple-wavelength fiber laser.[J].Opt. Express,2014,22(16):19337-19347.<CR>25*|*期刊*|*Wold Svante,Geladi Paul,Esbensen Kim,et al.Multi-way principal components-and PLS-analysis.[J].J. Chemom.,1987,1(1):41-56.<CR>26*|*期刊*|*Shan Ruifeng,Zhao Yue,Fan Mengli,et al.Multilevel analysis of temperature dependent near-infrared spectra.[J].Talanta,2015,131:170-174.<CR>27*|*期刊*|*Wu Hai-long,Shibukawa Masami,Oguma Koichi.An alternating trilinear decomposition algorithm with application to calibration of HPLC-DAD for simultaneous determination of overlapped chlorinated aromatic hydrocarbons.[J].J. Chemom.,1998,12(1):1-26.<CR>28*|*期刊*|*Shao Xueguang,Cui Xiaoyu,Yu Xiaoming,et al.Mutual factor analysis for quantitative analysis by temperature dependent near infrared spectra.[J].Talanta,2018,183:142-148.<CR>29*|*期刊*|*​Gowen Aa,Marini F,Tsuchisaka Y,De Luca S,et al.On the feasibility of near infrared spectroscopy to detect contaminants in water using single salt solutions as model systems.[J].Talanta,2015,131:609-618.<CR>30*|*期刊*|*​Cattaneo Tizianamp,Vanoli Maristella,Grassi Maurizio,et al.The aquaphotomics approach as a tool for studying the influence of food coating materials on cheese and winter melon samples.[J].J. Near Infrared Spectrosc.,2016,24(4):381-390.<CR>31*|*期刊*|*Sakudo A,Tsenkova R,Onozuka T,et al.A novel diagnostic method for human immunodeficiency virus type-1 in plasma by near-infrared spectroscopy[J].Microbiol Immunol,2005,49(7):695-701.<CR>32*|*期刊*|*​Nakakimura Yuriko,Vassileva Maria,Stoyanchev Todor,et al,Tsenkova Roumiana.Extracellular metabolites play a dominant role in near-infrared spectroscopic quantification of bacteria at food-safety level concentrations[J].Anal. Methods,2012,4:1389-1394.<CR>33*|*期刊*|*​贲长恩,郭顺根.中药归经理论研究述评[J].北京中医药大学学报,1999,2:3-5.<CR>34*|*学位论文*|*​田瀚.基于近红外光谱法分析人体血液成分的技术研究[D].中国矿业大学,2020. <CR>35*|*期刊*|*蔡诗川.经络实质之我见[J].中国针灸,2003,8:45-46.<CR>36*|*期刊*|*​张玉清.以多元思维引领发展非解剖结构研究——中医学发现的 |1|陈定芳|Chen Dingfang|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China|陈定芳（1997-），男，在读硕士|湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学|430208|1587045144@qq.com|18874257699|18874257699<CR>|2|吴月峰|Wu Yuefeng|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China|吴月峰（1997-），男，在读硕士|湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学|430208|yuefen_g@163.com||<CR>|3|桂卉|Gui Hui|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China||||guihui1993@126.com||<CR>|4|贺玉婷|He Yuting|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China||||1358660755@qq.com||<CR>|5|李海英|Li Haiying|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China||||1576970046@qq.com||<CR>|6|肖美凤|Xiao Meifeng|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China||||xiaomf.002@163.com||<CR>|7|周晋|Zhou Jin|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China||||49512614@qq.com||<CR>|8|周逸群|Zhou Yiqun|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China||||zhouyiqun123@sina.com||<CR>|9|邓凯文|Deng Kaiwen|湖南中医药大学第一附属医院 长沙 410007|The First Affinity Hospital , Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410007,China|邓凯文，女，（1973-），副主任医师，硕士生导师，从事中药针灸临床、针药并用研究，E-mail：940360299@qq. com|湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学|430208|dkaiwen03@people.com.cn|13787213681|13787213681 <CR>*|10|贺福元|He Fuyuan|湖南中医药大学药学院 长沙 410208；中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室 长沙 410208；中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室 长沙 410208；湖南中医药大学中医药超分子机理与数理特征化实验室 长沙 410208|College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China；Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China；Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China；Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese MateriaMedica, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208,China|贺福元，男，（1965-），教授，博士生导师，从事中药药理学、中药药剂学和中医药超分子研究|湖南省长沙市岳麓区含浦科教园300号湖南中医药大学|430208|pharmsharking@tom.com|13787213681|13787213681

摘要：水光谱组学是一门研究水和水系统分子间氢键组成形态的新兴科学，它通过观察近红外光对水的作用所表征特征峰的变化来分析水系统中溶剂与溶质间的作用关系，且具有非侵入性、分析速度快和定性定量等分析特点，应是研究中医经络及中药归经的有用工具。根据前期建立的中医药超分子“气析”理论，中药归经是中药成分客体与人体经络脏腑主体“印迹模板”自主选择性作用的结果，体现出以水为溶剂的体系的主体分子间非共价键作用特性，故水光谱组学可分析以水为溶剂系统人体的经络、腧穴、脏腑与中药分子的相互作用。本文先梳理水光谱组学的历史沿革、研究方法及其应用现状，再结合中药归经的超分子属性和亟待解决的主要问题，旨在阐明水光谱组学可用于测定人体经络脏腑的超分子结构特征，揭示具特殊基团“印迹模板”中药归经微观物质基础。因此，水光谱组学将成为研究中药归经理论有用的有利工具，也是促进中医药现代化的有效方法。

关键词：水光谱组学；近红外线；水；活性基团；中药归经理论；中医药现代化

中图分类号：R-2

Current Status of Hydrospectromics Research and Its Special Impact on Meridian Tropism Theory for the Chinese Materia Medica

Chen Dingfang1,2, Wu Yuefeng1,2, Gui Hui1,2, He Yuting1,2, Li Haiying1,2, Xiao Meifeng1,2,3, Zhou Jin1,2,3, Zhou Yiqun1,2,3, Deng Kaiwen4, He Fuyuan1,2,3,5

(1. College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine,Changsha 410208,China;
2. Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208,China;
3. Property and pharmacodaynamic Key laboratory of TCMM, State Administration of Chinese Medicine, Changsha 410208,China;
4. The First Affinity Hospital , Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410007,China;
5. Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese MateriaMedica, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208,China)

Abstract: Aquaphotomics is an emerging science that studies the forming and its structure of hydrogen bonds among the pure water or water solvent systems. It analyzes the relationship between solvents and solutes in water systems by observing the changes in characteristic peaks interfered effectively by the near-infrared light. It is a useful tool for studying the meridian for traditional Chinese medicine (TCM) and the meridian tropism for Chinese materia medica (CMM). According to the theory of supramolecular "qi chromatography" of TCM established previously, the CMMs meridian tropism theory is regarded the result of the autonomous and selective interaction between the guest molecule of CMM and the host molecule of meridians and viscera in humanbody with "imprinting templates", reflected the non-covalent bond characteristic interaction among the main molecules in water as solvent with solutes, so the aquaphotomics can monitor the process and results of molecular imprinting of meridians, acupoints, viscera by the CMM in the humanbody as water solvent system. This article has summarized the historical evolution of aquaphotomics and its application status, and analyzed the characteristics of its measurement methods, and thereby to combine the supramolecular properties and main problems in meridian tropism theory of the CMM that are urgently needed to clarify and the illustration was given that the aquaphotomics can be used to determine the meridians and collaterals structure in the humanbod y to reveal the characteristics of supramolecular structure with special "imprinting templates" groups as the microscopic material basis of traditional Chinese medicine. Therefore, the aquaphotomics is a useful modern tool for studying the CMM meridian tropiam theory, as an effective method to promote the modernization of the TCM with the characteristics of non-invasiveness, qualitative and quantitative analysis as fast.

Key words: aquaphotomics; near Infrared; water; the Chinese materia media meridian tropism theory; active group；modernization of traditional Chinese medicine

引言

水光谱组学（Aquaphotomics）主要借助化学计量学方法，研究水系统近红外光谱水吸收带在自身和环境中各种扰动因素（如温度、湿度、浓度、溶质等）的影响下光谱峰的变化规律[1]。可用于确定水体系中的溶剂与溶质间化学基团的作用形式，已在食品、生物、化学、药品、农业等领域得到了广泛的应用，是研究超分子主客体间印迹作用和解析结构特征的重要方法，据此原理应该在中药经络属性及中药归经微观物质基础研究中具有特殊的作用。根据团队前期中医药超分子“气析”理论研究成果，中药归经是中药成分客体对人体经络脏腑主体按超分子“印迹模板”对特定部位自主选择性识别作用的结果[2]，也就是主客体分子间化学基团匹配性的表现，其微观物质基础研究长期列为国家中医药重大基础性研究计划。因此，水光谱组学将是以水为溶剂所表现出的中药成分与经络脏腑超分子“印迹模板”主客体的归经机理研究良好的工具。

水光谱组学以水系统作为整体研究对象，具有“整体性”，中药成分入血后以水为溶媒，水分子氢键是构建和稳定超分子自组装体系的理想推动力，与人体经络脏腑相似（同）的“印迹模板”相结合产生印迹作用（如分子筛、离子交换、吸附、分配与亲合色谱等形式）从而影响整个水分子氢键网络[3]，水分子的氢键变化与近红外光作用产生特征的近红外光谱，由近红外光谱进一步分析得出存在于水系统中中药成分群的归经规律；同样，近红外光谱具有“指纹性”，电负性不同的基团或原子的中药成分所引起的水分子网络的氢键变化不同[4]，因此通过对人体整个水网的水光谱组学特征峰的监控分析就能了解中药成分进入人体水网的动向和作用归属，甚到效应，因此水光谱组学对中药归经的机理研究的巨大作用不言而喻。

水光谱组学的历史沿革、研究方法和应用现状

水光谱组学及其历史沿革

红外线（0.76~1000μm）分为近红外线（0.76~2.5μm）、中红外线（2.5~25μm）、远红外线（>25μm）[5,6]，如图1。由于中红外线的化学结构信息丰富，通常用于化学物质结构测定，但因易受到水分子-OH键背景的影响，不适合于以水为溶剂样品的测定，而近红外线的水分子-OH键吸收大为减弱，并不能显示出单一的吸收峰，也不适合直接用于化学物质结构的测定，故一直不受化学家所重视。但有两个比较宽的吸收峰，即水分子的组合频（5154 cm-1≈1.94μm）和一级倍频（6944 cｍ-1≈1.44μm）[7]。倍频光谱经常包含一些重叠峰，需采用复杂的数据挖掘技术才能分析水体系真实化学环境，随着计算机信息科学综合处理水平的不断提升，针对以水系统为研究对象的近红外光谱法再次进入科学家的视野。

早在1925年近红外光谱（NIRS）被应用于水结构研究。Collins[5]研究了0-95℃温度范围内水的吸收波长的变化趋势，700-2100 nm波长范围内当温度升高时波长向短波方向移动，从而推测是水是由两种以上分子组成的混合物，Potts[6]对其近红外光谱的内部因素和外部因素的影响进行了考察。上世纪60年代，随着各种新型分析技术的发明导致经典NIR因其灵敏度差、稳定性低、分析要求高等缺点退出了分析应用的舞台。直到70年代随着化学计量学方法的出现，特别是计算机科学的进步，能从复杂的背景中消除干扰，提取光谱中特有的溶质扰动信息的优势在光谱分析中得到了成功应用，近红外光谱分析法又重新受到科学家重视。再加上NIR技术无需破坏样品、样品用量少、分析速度快和分析范围广、能测定水系统的得天独厚的优势，其研究越来越受到大家关注。

NIRS主要由水分子内-OH基团的振动倍频与合频的吸收产生，经大量的水分子环境信息分析，不仅可以获得系统中每一个分子的吸收峰，还可以得到水中溶质的散射、漫反射和反射光的偏振等物理信息。但所获得的原始NIRS是多种谱峰重叠交叉的结果，想要对观察到目标谱峰的变化还应进行预处理和运用化学计量学方法和数据挖掘技术。如Maeda等[7]人也在9000-5500cm-1波数段内运用多种化学计量法对水的近红外光谱进行分析发现随温度的增加，水分子网络中的氢键明显减少。Tsenkova[8]运用主成分分析（PCA）研究了牛奶的NIRS测定脂肪、蛋白质和乳糖含量的可行性。以上研究表明：作为温度、溶质、溶质浓度等扰动因素都影响水结构，改变水系统的吸光度大小，因此NIR光谱的变化像“明镜”一样反映水系统中其他物质的含量或结构变化，可以用于水系统成分组学的研究。

2005年日本神户大学Roumiana Tsenkova教授[9]创立水光谱组学（Aquaphotomics），是继基因组学、蛋白质组学和代谢组学之后的又一个新的组学学科。如前述，不同于常见组学的样品中物质成分的直接测定，水光谱组学是利用NIRS间接测定水体系中水的吸收带（Water Absorbance Bands，WABS）受到自身和环境中各种扰动因素（如温度、湿度、浓度、溶质等）的影响[1]，亦各种扰动因素与激活水带（Activated water bands）变化特征，从而构成各种水吸收模式（Water Absorbance Spectral Pattern，WASP），而每种水吸收模式包含了水系统中大量结构和功能信息，具光谱组和成分组对应的组学特征，即水光谱组学，可在不破坏生命体的情况下监控整个水氢键网络“运行情况”，产生“水镜映物”的水镜效果。

水作为一种天然的生物基质，是中药成分入血后的溶媒，它以水分子簇形式存在[10]，分子间具有很强的氢键作用[11]，可将水分子连接成了一个动态网络复杂的水分子系统，水系统的所有成分和周围的能量变化和都会影响水的结构，这个过程就是我们常称的水溶剂化过程。如无机盐溶于水，一个靠近水分子的阳离子会吸引水分子中的氧原子而排斥氢原子，从而导致-OH键松动，其伸缩振动频率相应地向长波方向移动，一个靠近水分子的阴离子会吸引水分子中的氢原子，也会导致氢键的松动引起频率向长波移动[12]。同时其它的有机物也以非共价氢键的形式溶剂化而影响激活水带的吸收[13]，如中药的生物碱类、黄酮类、苷类、醌类、甾体类、萜类、苯丙素类成分及各种微量元素都会以氢键的形式而影响激活水带吸收[14]。这些中药成分作为客体通过主体经络脏腑上相同（相似）的“印迹模板”以氢键等非共价键的形式结合而影响激活水带的吸收，这就能很好的理解水光谱组学是研究中药成分进入人体在各脏器分布特征的良好工具了。

由水光谱的激活吸收带受到各种溶质的影响，为了更好的展示已经归属好的部分生命体系在扰动因素下的水特征吸收峰，Tsenkova提出水基质坐标[15]（water matrix coordinate，WAMACS）这一术语。水基质坐标和特定的生物功能、结构等密切相关，可以帮助我们更好的理解生物系统中的生态学、化学和物理学等信息，这为中药归经研究打下坚实基础。

图一 水的电磁波谱[16]

Figure 1 Water electromagnetic spectrum[16]

水光谱组学的研究方法

波长的选择

在680-2500nm范围内的近红外波段是观察水结构的最佳波段[17]。主要采用OH伸缩振动带的一级倍频区域（1300-1600 nm）和组合频（1940 nm），共有12个特征谱带，以此构成水基质坐标进行测定。

数据库的建立

以水基质坐标为基础，研究不同的水体系中溶质组成，从而构建数据库，这是非常有效的方法[18]。此外，也可采用增强光谱信号的新方法和对信息进行叠加处理[19]，以获得水基质坐标与水体系组成的对应关系。

数据挖掘方法

原始图谱的观察：近红外区域的水光谱的变化是细微的，肉眼很难观察。通过对1450nm（OH伸缩振动的倍频）和1940nm（OH弯曲振动和伸缩振动的合频）附近激活水吸收带（WABS）的初步观察对判断各种样品在水系统吸收水带特征非常有用[20]，但仔细分析还需要依靠数据挖掘技术。

数据挖掘技术：数据挖掘技术是指从大量的数据中自动搜索隐藏于其中的有着特殊关系性的信息搜集、处理和评估的综合集技术，与计算机和数学科学密切相关[22]；是解决机器学习、模式识别、数据库技术等各种领域中的大型实际应用问题而提出的一些工程性方法的集合；可从大型数据库中高效地发现隐含在其中的知识或规律，为水光谱组学的决策提供支持。数据挖掘通常包括信息收集、数据集成、数据规约、数据清理、数据变换、数据挖掘、模式评估、知识表示等8个步骤；常有统计、神经网络、机器学习、数据库、可视化等方法；包括关联规则、决策树、神经网络、粗集、遗传等计算算法[23]。中医药数据挖掘多数使用商业或开源的通用数据分析工具软件，如SPSS(Clementine/Modeler)、SQL Server(Analysis Services)、SAS、Matlab和Weka等。其中用得较多的是主成分分析、偏最小二乘法等，目前水光谱组学的主要分析方法：①主成分分析（PCA）：主成分分析法是基于原始数据向量空间构造一组新的潜隐变量来降低原始数据空间向量的维数，再从新的映射空间抽取主要变化信息，提取统计特征，从而构成对原始数据空间特性的理解。②偏最小二乘法（PLS）：偏最小二乘回归是对模型参数非线性回归常用方法，对模型参数与实验值之差的平方和求偏导数，得各参数的偏导方程，一般取一阶导数，再用实验值和初始值解得各参数的增量，叠加作第二次初始值进行反复叠迭，最终求得模型参数。多元曲线分辨-交替最小二乘法（MCR-ALS）[21]：是基于自模式曲线分辨法和最小二乘法衍生出的新算法，能分析各种类型MCR数据。其他分析方法：包括渐进因子分析( EFA)[22]、二维相关光谱(2DCOS)[23]、人工神经网络和拓扑方法等。此外还有专门用于温度和浓度扰动样品的各种化学计量学方法：平行因子分析（PARAFAC）[24]、多向主成分分析（MPCA）[25]、多级同时成分分析（MSCA）[26]、交替三线性分解（ATLD）[27]及相互因素分析（MFA）[28]等。以上各法多属于多元统计学的方法，近年来还可用采用计算机信息处理方法。

水光谱组学的应用现状

水光谱组学已在水质、食品质量、生物医学、微生物学、农学等领域得到了一定的应用。如Gowen等[29]分析了盐溶液浓度与水光谱的关系，建立了水质监测方法；Cattaneo等[30]使用水光谱研究了涂层应用于奶酪包装以及在成熟和储存期间性能和渗透性差异的影响；Akikazu Sakudo等[31]通过对感染了HIV-1、AIDS和未感染个体的血浆进行近红外（NIR）光谱的测定，证明近红外光谱可以为大规模诊断HIV-1感染提供快速、准确、经济和高效的工具；Nakakimura等[32]采用水光谱组学对两种类型的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了评估，建立了一种快速、廉价、全面的益生菌体内鉴定方法。除此，水光谱组学应用到纳米材料、植物生物学、水液基础生化等诸多方面。目前已经逐步建立起各个水系统中样品分子的物质结构和定量分析方法，这也为其在中药归经理论研究中的应用奠定了基础。

水光谱组学对中药归经理论的特殊作用

确定中药归经理论的物质基础是中药归经研究的核心问题

中药归经理论是中医药理论体系的核心部分，长期指导中医临床用药，现主要依据是藏象经络学说[33]，它体现了药物有效成分对人体经络脏腑的选择性，反映了中药药效所在。中药成分入血后必定影响其选择性高的脏器的水氢键网络，从而水光谱的变化可从近红外光谱中表现出来[34]。缘于中医经络物质基础研究尚未取得突破，研究中药归经理论就无从着手，现在大多数学者仍停留在实体脏器的研究水平，如蔡诗川等将经络功能同人体解剖形态进行类比，提出经络体系包括了肌肉、骨骼、内脏、血液、神经在内的一切关联性的网络[35]。另一些学者一直寄希望于在神经血管之外，能找到经络独特的形态学基础，结果仍是一无所获[36]。因此中药归经理论的微观物质是低于实体组织而又高于分子水平的微观实体，可用超分子“气析”理论进行阐明。

超分子“气析”理论能诠释中药归经理论的微观物质基础

本课题组[37]率先将超分子化学引入中医药理论研究，提出了超分子“气析”理论。人体和中药都可以看做是由单分子、超分子主体及巨大超分子主体组成的复杂体系，通过各级印迹模板管控分子社会来维持整体平衡。千万年的进化过程中人体和中药形成了相同（相似）的“印迹模板”。超分子“印迹模板”通过自组织、自组装、自识别与自复制逐级形成更为复杂的超分子体[38]，包括细胞器、细胞、组织和生物体。人体和中药都是巨复超分子体，主体保留客体的交换通道，因此经络是主客分子“印迹模板”的通道结构。中药进入人体后，各类小分子与人体经络脏腑的“印迹模板”产生“气析”作用，体现中药药性和人体的经络脏腑现象[39]，同时产生的印迹作用（如分子筛、离子交换、吸附、分配与亲合色谱等形式）影响整个水分子氢键网络，这些变化表现在近红外光谱的特征吸收峰上；中药成分与经络之间的“印迹模板”所产生的印迹作用是中药归经物质基础研究的要害[40]，可以借助水光谱组学来进一步表征。

水光谱组学是表征中药归经“印迹模板”的良好工具

水约占人体重量的70%，在人体血液中约占83%[41]。当中药客体分子入血后，与处在水为溶媒的人体水氢键网络中的经络脏腑产生“气析”作用，不管是经络脏腑，还是血管、器官、通道、“印迹模板”,从大到小，都沉浸在水系统中，这些细微及宏观变化都会以“印迹模板”功能基团的改变被近红外水光谱所监控。其中客体中药成分和自身“印迹模板”相同（相似）的主体经络脏腑自主选择作用而对其水系统的NIRS产生影响。在这个过程中，中药成分的不同官能团与水分子相互作用，同时水系统中温度、浓度和组分差异等因素的改变也会导致氢键的增减[42]，引起OH伸缩震动的一级倍频范围内最大吸收波长的红移或蓝移。李刚等[43]采集若干名志愿者舌尖的近红外反射光谱并进行反射率归一化处理，发现经间隔偏最小二乘法(iPLS)处理能较好的辨别志愿者的疾病类型，近红外波段含有更多与疾病分类相关的光谱信息。因此通过分析给药组与非给药组不同腧穴、经络脏腑水系统的NIRS的改变程度可确定中药成分群在腧穴、经络脏腑中的印迹作用，不同的印迹作用都将形成不同的水吸收模式（WASP），这为中药归经的物质基础研究提供一种新思路。保持环境因素一致，采集人体已知的十二经络特定腧穴处的血液离心后进行近红外光谱测定，运用多种化学计量方法对光谱加以分析，将获得的特定水吸收模式进行整合；同时纳入浓度、温度、组分差异等因素来进一步考察谱峰变化，经过大量的数据积累成水光谱组数据库（Aquaphotome），可以建立中药归经及经络脏腑理论微观物质的研究基础。

建立“腧穴-经络-脏腑-成分”的水基质坐标，揭示中医经络脏腑和中药归经的物质基础

由于“腧穴-经络-脏腑”都沉浸在血液或组织液等水系统中，选择单一中药成分作为特定扰动因素，采集各个腧穴血样后测定近红外光谱，对获得的近红外光谱进行一系列处理和分析，以目前水基质坐标为基础[44]，整合特定扰动因素下近红外光谱代表的的水吸收带，逐步建立起“腧穴-经络-脏腑-成分”的水基质坐标（WAMACS），步骤见图2。在这个水基质坐标中，每个坐标都代表着特定的水系统和水分子结构，体系中的任何扰动因素都可以用水基质坐标来很好的定义，由其水分子结构的变化可以反映出中药成分在经络脏腑中的超分子印迹作用及机理，目前已经实验发现了12个水基质坐标，它们能够展示水分子振动频率的可测量变化进而反映水系统中非常细微的变化，从而经大样本数据挖掘就建立中医经络脏腑和中药归经的物质基础研究，阐明经络脏腑与中药成分按“印迹模板”化学基团的作用机理，打开中医药现代化研究大门。

图2 以中药成分作为扰动因素建立水基质坐标[44]

Figure 1 Using traditional Chinese medicine components as disturbance factor to

establish Water matrix co-ordinates（WAMACS）[44]

讨论与展望

水光谱组学目前在生命科学有一定的应用，同时在以水为溶媒体系的中医经络脏腑和中药归经理论的研究上具有巨大的优势，但由于水光谱组学的吸收带是组合或倍频峰，其数据分析技术要求高，当前研究者主要侧重与利用近红外光谱和化学计量法对中药材进行质量评价、品种或真伪鉴别[45-48]，对以人体这个巨大水系统研究中药归经问题有所忽略；但是在面对中药和人体复杂体系时，怎样在目前的水基坐标基础上建立适用于中医药复杂成分分析的数据挖掘技术还需深入研究，同时怎样结合中药归经理论水光谱组学研究进行经络物质基础研究也需进一步探讨，但本团队（包括针灸研究）已开始进行水光谱组学实验，并申请了专利。总之，虽然目前水光谱组学在中医药中的应用研究较少，但根据其作用原理可知，水光谱组学会很快成为中医药基础理论研究的锐利武器，这将对中医药现代化进程产生巨大推动力。

[参考文献] (References)

[1] ​Muncan J,Tsenkova R.Aquaphotomics-From Innovative Knowledge to Integrative Platform in Science and Technology[J].Molecules,2019,24(15).
[2] 贺福元,邓凯文,杨岩涛,周逸群,石继连,刘文龙,唐宇.基于超分子化学的中药药性理论研究方法探讨(1)中药归经[J].中国中药杂志,2015,40(08):1624-1629.
[3] 袁余洲.影响红外光谱峰位变化的因素之一--氢键形成的新因素[J].玉林师专学报,1997,03):45-48.
[4] 裴强.基于氢键的超分子自组装:缔合方式及稳定性[J].信阳师范学院学报(自然科学版),2018,31(01):160-167.
[5] ​Collins Jr.Change in the infra-red absorption spectrum of water with temperature.[J].Phys. Rev.,1925,26(6):771-779.
[6] Potts Willisj. Chemical infrared spectroscopy[M]. 1963: John Wiley And Sons,Inc.
[7] Maeda Hisashi,Ozaki Yukihiro,Tanaka Munehiro,et al.Near infrared spectroscopy and chemometrics studies of temperature-dependent spectral variations of water: relationship between spectral changes and hydrogen bonds.[J].J. Near Infrared Spectrosc.,1995,3(4):191-201.
[8] Tsenkova R,Atanassova S,Itoh K,et al.Near infrared spectroscopy for biomonitoring: cow milk composition measurement in a spectral region from 1,100 to 2,400 nanometers[J].J Anim Sci,2000,78(3):515-522.
[9] Tsenkova Roumiana.Aquaphotomics and Chambersburg[J].NIR News,2006,17(6):12-14.
[10] Xantheas Ss.Cooperativity and hydrogen bonding network in water clusters.[J].Chem. Phys.,2000,258(2-3):225-231.
[11] ​Gowen Aa,Amigo Jm,Tsenkova R.Characterisation of hydrogen bond perturbations in aqueous systems using aquaphotomics and multivariate curve resolution-alternating least squares.[J].Anal. Chim. Acta,2013,759:8-20.
[12] Paquette Jean,Jolicoeur Carmel.A near-infrared study of the hydration of various ions and nonelectrolytes.[J].J. Solution Chem.,1977,6(6):403-428.
[13] ​Chaplin M.Do we underestimate the importance of water in cell biology?[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2006,7(11):861-866.
[14] ]​胡凤.两种黄酮化合物与溶剂分子氢键体系的理论研究[D].四川师范大学,2009.
[15] Tsenkova R,Munćan J,Pollner B,et al.Essentials of Aquaphotomics and Its Chemometrics Approaches[J].Front Chem,2018,6:363.
[16] Muncan Jelena,Tsenkova Roumiana.Aquaphotomics-From Innovative Knowledge to Integrative Platform in Science and Technology[J].Molecules,2019,24(15):2742.
[17] Buning-Pfaue Hans.Analysis of water in food by near infrared spectroscopy.[J].Food Chem.,2003,82(1):107-115.
[18] Tillmann Peter,Paul Christian.The repeatability file-a tool for reducing the sensitivity of near infrared spectroscopy calibrations to moisture variation.[J].J. Near Infrared Spectrosc.,1998,6(1-4):61-68.
[19] Kojic Dusan,Tsenkova Roumiana,Yasui Masato.Improving accuracy and reproducibility of vibrational spectra for diluted solutions.[J].Anal. Chim. Acta,2017,955:86-97.
[20] ​H. W. Siesler, Y. Ozaki, et al.Near-infrared spectroscopy, principles, instruments, applications. [J].J. Chemom.,2010,16(12):636-638.
[21] Jaumot Joaquim,Gargallo Raimundo,de Juan Anna,et al.A graphical user-friendly interface for MCR-ALS: a new tool for multivariate curve resolution in MATLAB.[J].Chemom. Intell. Lab. Syst.,2005,76(1):101-110.
[22] ​袁波,严惠民.利用红外光谱和渐进因子分析研究牛血清白蛋白的热动力学过程[J].红外与毫米波学报,2007,(26)4:265-268.
[23] Noda I.Generalized two-dimensional correlation method applicable to infrared, Raman, and other types of spectroscopy.[J].Appl. Spectrosc.,1993,47(9):1329-1336.
[24] Andrews Nicholaslp,MacLean Amyg,Saunders Johne,Barnes Jacka,et al.Quantification of different water species in acetone using a NIR-triple-wavelength fiber laser.[J].Opt. Express,2014,22(16):19337-19347.
[25] Wold Svante,Geladi Paul,Esbensen Kim,et al.Multi-way principal components-and PLS-analysis.[J].J. Chemom.,1987,1(1):41-56.
[26] Shan Ruifeng,Zhao Yue,Fan Mengli,et al.Multilevel analysis of temperature dependent near-infrared spectra.[J].Talanta,2015,131:170-174.
[27] Wu Hai-long,Shibukawa Masami,Oguma Koichi.An alternating trilinear decomposition algorithm with application to calibration of HPLC-DAD for simultaneous determination of overlapped chlorinated aromatic hydrocarbons.[J].J. Chemom.,1998,12(1):1-26.
[28] Shao Xueguang,Cui Xiaoyu,Yu Xiaoming,et al.Mutual factor analysis for quantitative analysis by temperature dependent near infrared spectra.[J].Talanta,2018,183:142-148.
[29] ​Gowen Aa,Marini F,Tsuchisaka Y,De Luca S,et al.On the feasibility of near infrared spectroscopy to detect contaminants in water using single salt solutions as model systems.[J].Talanta,2015,131:609-618.
[30] ​Cattaneo Tizianamp,Vanoli Maristella,Grassi Maurizio,et al.The aquaphotomics approach as a tool for studying the influence of food coating materials on cheese and winter melon samples.[J].J. Near Infrared Spectrosc.,2016,24(4):381-390.
[31] Sakudo A,Tsenkova R,Onozuka T,et al.A novel diagnostic method for human immunodeficiency virus type-1 in plasma by near-infrared spectroscopy[J].Microbiol Immunol,2005,49(7):695-701.
[32] ​Nakakimura Yuriko,Vassileva Maria,Stoyanchev Todor,et al,Tsenkova Roumiana.Extracellular metabolites play a dominant role in near-infrared spectroscopic quantification of bacteria at food-safety level concentrations[J].Anal. Methods,2012,4:1389-1394.
[33] ​贲长恩,郭顺根.中药归经理论研究述评[J].北京中医药大学学报,1999,2:3-5.
[34] ​田瀚.基于近红外光谱法分析人体血液成分的技术研究[D].中国矿业大学,2020.
[35] 蔡诗川.经络实质之我见[J].中国针灸,2003,8:45-46.
[36] ​张玉清.以多元思维引领发展非解剖结构研究--中医学发现的"经络"非解剖结构[J].上海中医药杂志,2016,50(07):9-14.
[37] 贺福元,周逸群,邓凯文,等.超分子化学对中医药理论的特殊影响[J].中国中药杂志,2014,39(08):1534-1543.
[38] 廖琼,杨岩涛,刘志刚,等.从茜草素的超分子印迹作用探讨中药归经体外研究方法[J].中草药,2015,46(22):3364-3369.
[39] 贺福元,邓凯文,杨岩涛,等.基于超分子化学的中药药性理论研究方法探讨(1)中药归经[J].中国中药杂志,2015,40(08):1624-1629.
[40] ​邓凯文,贺福元.中药归经研究的现状及"穴药"法的提出[J].中国中药杂志,2013,38(10):1643-1648.
[41] 胡廷章.人体中的水[J].生物学通报,1996,12:17-18.
[42] ​顾健德,田安民,鄢国森.温度对液态水结构的影响[J].中国科学(B辑 化学 生命科学 地学),1995,9:923-928.
[43] 李刚,赵静,李家星,等.可见-近红外反射光谱用于疾病快速筛查[J].光学学报,2011,31(03):191-196.
[44] ​Tsenkova Roumiana.Aquaphotomics: Dynamic Spectroscopy of Aqueous and Biological Systems Describes Peculiarities of Water[J].Journal of Near Infrared Spectroscopy,2009,17(6):303-313.
[45] ​周雨枫,董林毅,杨哲萱,等.三七近红外多指标快速质量评价[J].中成药,2019,41(03):613-619.
[46] 杨天鸣,龚小霞,和顺芳.基于近红外全息指纹图谱分析的中药心可舒片质量评价新方法[J].化学与生物工程,2020,37(05):65-68.
[47] 马天翔,顾志荣,马转霞,等.不同产地锁阳近红外光谱鉴别分析[J].中国中医药信息杂志,2020,27(04):66-69.
[48] 高鸿彬,瞿敏,刘浩,等.不同产地覆盆子的近红外漫反射快速无损鉴别[J].世界中医药,2020,15(10):1386-1390.

作者简介：陈定芳（1997-），男，在读硕士

通信联系人：贺福元，男，（1965-），教授，博士生导师，从事中药药理学、中药药剂学和中医药超分子研究. E-mail: pharmsharking@tom.com