基于THz时域光谱技术的多溶质水溶液水合作用的研究

Hydration is the interaction between water and solvated molecules in aqueous solutions. Hydration understanding of multi solutes in aqueous solutions is a crucial point because the hydration phenomenon is involved in many biological processes. In our previous work, it is found that the THz absorption cofficient is nonlinear versus plasticizer concentration in ethanol solutions. Based on this observation, the research project intends to choose alcohol- plasticizer aqueous solution as the object of study, adopt THz attenuated total reflection spectroscopy to obtain THz spectrum, and utilize multivariate curve resolution alternating least squares(MCR-ALS) method to analyze the spectral data. After the hydration layer radius and hydration molecular numbers for ethanol and plasticizer are measured, respectively, the interaction between ethanol hydration layer and plasticizer hydration layers is derived. Thus the multi solute solution hydration model is built by means of the molecular dynamics simulation. The implementation of this project will establish the theoretical foundation for the study of aqueous solution of microstructure and the interaction between solutes, and may provide an important methodology to study function expression and interaction of different proteins and in the biological water.

水合作用是指在水溶液中水分子和溶质分子的一种相互作用。理解多溶质水合作用的机理是非常重要的，因为其涉及到许多生物学现象。本项目在我们前期工作观察到塑化剂乙醇溶液的THz吸收光谱与塑化剂浓度变化呈非线性关系的基础上，拟以乙醇塑化剂水溶液为研究对象，采用THz衰减全反射光谱技术测量溶液光谱信号，利用多元曲线分辨交替最小二乘方法分析光谱数据.在测得乙醇及塑化剂水合层半径，水合分子数等参数后，研究乙醇水合层与塑化剂水合层间的相互作用，结合分子动力学模拟，建立多溶质水溶液水合作用的模型。本项目的实施将为多溶质水溶液微观结构和相互作用研究打下理论基础，并可能对研究不同蛋白质在生物水中的相互作用及其功能表达提供重要的方法论。

水合作用是指在水溶液中水分子和溶质分子的一种相互作用。理解多溶质水合作用的机理是非常重要的，因为其涉及到许多生物学现象。本项目在我们前期工作观察到塑化剂乙醇溶液的THz吸收光谱与塑化剂浓度变化呈非线性关系的基础上，以乙醇塑化剂水溶液为研究对象，采用THz光谱技术测量溶液光谱信号，结合化学计量学方法，首先研究了乙醇塑化剂分子的相互作用。其次，建立了乙醇的水合作用模型，该模型包含三个弛豫过程和一个分子间伸缩振动模式。其中，慢速弛豫模式的强度（弛豫时间20-160ps）贡献了主要的介电强度，可以看作是溶液氢键系统的群体动力学，中间弛豫模式表现出与快速弛豫过程相反的变化趋势。而快速弛豫模式来源于氢键形成和破坏的暂态过程（弛豫时间约为1ps），只占了大约5%的介电常数。再次，项目研究了塑化剂定量检测技术及光谱数据处理算法，建立了未知溶液塑化剂的含量的预测模型。最后项目研究了太赫兹时域光谱系统测量液体样品的误差来源，推导了各个误差对测量结果不确定度的贡献，最终建立了样品光学信息测量不确定度的评价模型。本项目的实施将为建立多溶质水溶液水合作用的模型并揭示多溶质水溶液微观结构和相互作用研究打下理论基础。