水光譜組學(xué)研究現(xiàn)狀及對(duì)中藥歸經(jīng)理論的特殊影響

陳定芳 吳月峰 桂卉 賀玉婷 李海英 肖美鳳 周晉 周逸群 鄧凱文 賀福元

〔摘要〕 水光譜組學(xué)是一門研究水和水系統(tǒng)分子間氫鍵組成形態(tài)的新興科學(xué)，它通過觀察近紅外光對(duì)水的作用所表征特征峰的變化來分析水系統(tǒng)中溶劑與溶質(zhì)間的作用關(guān)系，且具有非侵入性、分析速度快和定性定量等特點(diǎn)，是研究中醫(yī)經(jīng)絡(luò)及中藥歸經(jīng)的有用工具。根據(jù)前期建立的中醫(yī)藥超分子“氣析”理論，中藥歸經(jīng)是中藥成分客體與人體經(jīng)絡(luò)臟腑主體“印跡模板”自主選擇性作用的結(jié)果，體現(xiàn)出以水為溶劑的體系的主體分子間非共價(jià)鍵作用特性，故水光譜組學(xué)可分析以水為溶劑系統(tǒng)人體的經(jīng)絡(luò)、腧穴、臟腑與中藥分子的相互作用。本文先梳理水光譜組學(xué)的歷史沿革、研究方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀，再結(jié)合中藥歸經(jīng)的超分子屬性和亟待解決的主要問題，旨在闡明水光譜組學(xué)可用于測定人體經(jīng)絡(luò)臟腑的超分子結(jié)構(gòu)特征，揭示具特殊基團(tuán)“印跡模板”的中藥歸經(jīng)微觀物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，水光譜組學(xué)將成為研究中藥歸經(jīng)理論的有利工具，也是促進(jìn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化的有效方法。

〔關(guān)鍵詞〕 水光譜組學(xué);近紅外線;水;活性基團(tuán);中藥歸經(jīng)理論;中醫(yī)藥現(xiàn)代化

〔中圖分類號(hào)〕R28 ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)志碼〕A ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕doi：10.3969/j.issn.1674-070X.2021.12.030

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， Hunan 410208， China;

2. Property and Pharmacodaynamic Key Laboratory of TCM， State Administration of Chinese Medicine， Changsha， Hunan 410208， China; 3. Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM， Changsha， Hunan 410208， China; 4. The First Affiliated Hospital of Hunan University of Chinese Medicine， Changsha， Hunan 410007， China;

5. Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese Materia Medica， Hunan University of

Chinese Medicine， Changsha， Hunan 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， and has the characteristics of non-invasive， fast analysis and qualitative and quantitative analysis. 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 CMM 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， research methods and its application status， 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 humanbody to reveal the characteristics of supramolecular structure with special “imprinting templates” groups as the microscopic material basis of TCM. 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.

〔Keywords〕 aquaphotomics; near infrared; water; active group; the Chinese materia media meridian tropism theory; modernization of traditional Chinese medicine

水光譜組學(xué)主要借助化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，研究水系統(tǒng)近紅外光譜水吸收帶在自身和環(huán)境中各種擾動(dòng)因素（如溫度、濕度、濃度、溶質(zhì)等）的影響下光譜峰的變化規(guī)律[1]。其可用于確定水系統(tǒng)中的溶劑與溶質(zhì)間化學(xué)基團(tuán)的作用形式，已在食品、生物、化學(xué)、藥品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是研究超分子主客體間印跡作用和解析結(jié)構(gòu)特征的重要方法，據(jù)此原理應(yīng)該在中藥經(jīng)絡(luò)屬性及中藥歸經(jīng)微觀物質(zhì)基礎(chǔ)研究中具有特殊的作用。根據(jù)團(tuán)隊(duì)前期中醫(yī)藥超分子“氣析”理論研究成果，中藥歸經(jīng)是中藥成分客體對(duì)人體經(jīng)絡(luò)臟腑主體按超分子“印跡模板”對(duì)特定部位自主選擇性識(shí)別作用的結(jié)果[2]，也就是主客體分子間化學(xué)基團(tuán)匹配性的表現(xiàn)，其微觀物質(zhì)基礎(chǔ)研究長期列為國家中醫(yī)藥重大基礎(chǔ)性研究計(jì)劃。因此，水光譜組學(xué)將是以水為溶劑所表現(xiàn)出的中藥成分與經(jīng)絡(luò)臟腑超分子“印跡模板”主客體的歸經(jīng)機(jī)理研究良好的工具。

水光譜組學(xué)以水系統(tǒng)作為整體研究對(duì)象，具有“整體性”，中藥成分入血后以水為溶媒，水分子氫鍵是構(gòu)建和穩(wěn)定超分子自組裝體系的理想推動(dòng)力，與人體經(jīng)絡(luò)臟腑相似（同）的“印跡模板”相結(jié)合產(chǎn)生印跡作用（如分子篩、離子交換、吸附、分配與親合色譜等形式）從而影響整個(gè)水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)[3]，水分子的氫鍵變化反映在近紅外光上產(chǎn)生特征的近紅外光譜，由近紅外光譜進(jìn)一步分析得出存在于水系統(tǒng)中的中藥成分群的歸經(jīng)規(guī)律;同樣，近紅外光譜具有“指紋性”，電負(fù)性不同的基團(tuán)或原子的中藥成分所引起的水分子網(wǎng)絡(luò)的氫鍵變化不同[4]，通過對(duì)人體整個(gè)水氫鍵網(wǎng)絡(luò)的水光譜組學(xué)特征峰的監(jiān)控分析就能了解中藥成分進(jìn)入人體水網(wǎng)的動(dòng)向和作用歸屬，包括藥理效應(yīng)。因此，水光譜組學(xué)對(duì)中藥歸經(jīng)的機(jī)制研究的巨大作用不言而喻。

1 水光譜組學(xué)的歷史沿革、研究方法和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 ?水光譜組學(xué)及其歷史沿革

紅外線（0.76～1 000 μm）分為近紅外線（0.76～2.5 μm）、中紅外線（2.5～25 μm）、遠(yuǎn)紅外線（>25 μm）[5]，如圖1。由于中紅外線的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息豐富，通常用于化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)測定，但因易受到水分子-OH鍵背景的影響，不適合于以水為溶劑樣品的測定，而近紅外線的水分子-OH鍵吸收大為減弱，并不能顯示出單一的吸收峰，也不適合直接用于化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測定，故一直不受化學(xué)家所重視。但有兩個(gè)比較寬的吸收峰，即水分子的組合頻（5 154 cm-1≈1.94 μm）和一級(jí)倍頻（6 944 cm-1≈1.44 μm）[1]。倍頻光譜經(jīng)常包含一些重疊峰，需采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)才能分析水系統(tǒng)真實(shí)化學(xué)環(huán)境，隨著計(jì)算機(jī)信息科學(xué)綜合處理水平的不斷提升，針對(duì)以水系統(tǒng)為研究對(duì)象的近紅外光譜法再次進(jìn)入科學(xué)家的視野。

早在1925年近紅外光譜被應(yīng)用于水結(jié)構(gòu)研究。Collins[6]研究了0～95 ℃溫度范圍內(nèi)水的吸收波長的變化趨勢，700～2 100 nm波長范圍內(nèi)當(dāng)溫度升高時(shí)波長向短波方向移動(dòng)，從而推測水是由兩種以上分子組成的混合物，Potts對(duì)其近紅外光譜的內(nèi)部因素和外部因素的影響進(jìn)行了考察。上世紀(jì)60年代，隨著各種新型分析技術(shù)的發(fā)明，經(jīng)典近紅外光譜因其靈敏度差、穩(wěn)定性低、分析要求高等缺點(diǎn)退出了分析應(yīng)用的舞臺(tái)。直到70年代隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的出現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步，能從復(fù)雜的背景中消除干擾，提取光譜中特有的溶質(zhì)擾動(dòng)信息的優(yōu)勢在光譜分析中得到了成功應(yīng)用，近紅外光譜分析法又重新受到科學(xué)家的重視。再加上近紅外光譜技術(shù)無需破壞樣品、樣品用量少、分析速度快和分析范圍廣、能測定水系統(tǒng)的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到研究者關(guān)注[5]。

近紅外光譜主要由水分子內(nèi)-OH基團(tuán)的振動(dòng)倍頻與合頻的吸收產(chǎn)生，經(jīng)大量的水分子環(huán)境信息分析，不僅可以獲得系統(tǒng)中每一個(gè)分子的吸收峰，還可以得到水中溶質(zhì)的散射、漫反射和反射光的偏振等物理信息。但所獲得的原始近紅外光譜是多種譜峰重疊交叉的結(jié)果，想要對(duì)觀察到目標(biāo)譜峰的變化需進(jìn)行預(yù)處理和結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法分析。如Maeda等[8]在9000～5500 cm-1波數(shù)段內(nèi)運(yùn)用多種化學(xué)計(jì)量法對(duì)水的近紅外光譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)隨溫度的增加，水分子網(wǎng)絡(luò)中氫鍵數(shù)量明顯減少。Tsenkova[9]究了近紅外光譜測定牛奶的脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖含量的可行性。以上研究表明，溫度、溶質(zhì)、溶質(zhì)濃度等擾動(dòng)因素均可影響水結(jié)構(gòu)，改變水系統(tǒng)的吸光度大小，因此，近紅外光譜的變化像“明鏡”一樣反映水系統(tǒng)中其他物質(zhì)的含量或結(jié)構(gòu)變化，可以用于水系統(tǒng)成分組學(xué)的研究。

2005年，日本神戶大學(xué)Roumiana Tsenkova教授[10]創(chuàng)立水光譜組學(xué)，是繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)之后的又一個(gè)新的組學(xué)學(xué)科。如前述，不同于常見組學(xué)的樣品中物質(zhì)成分的直接測定，水光譜組學(xué)是利用近紅外光譜間接測定水系統(tǒng)中水的吸收帶（water absorbance bands， WABS）受到自身和環(huán)境中各種擾動(dòng)因素（如溫度、濕度、濃度、溶質(zhì)等）的影響[1]，亦各種擾動(dòng)因素與激活水帶（activated water bands， ABS）變化特征規(guī)律，從而構(gòu)成各種水吸收模式（water absorbance spectral pattern， WASP），而每種WASP包含了水系統(tǒng)中大量結(jié)構(gòu)和功能信息，具有光譜組和成分組對(duì)應(yīng)的組學(xué)特征，即水光譜組學(xué)可在不破壞生命體的情況下監(jiān)控整個(gè)水氫鍵網(wǎng)絡(luò)“運(yùn)行情況”，產(chǎn)生“水鏡映物”的水鏡效果。

水作為一種天然的生物基質(zhì)，是中藥成分入血后的溶媒，它以水分子簇形式存在[11]，分子間具有很強(qiáng)的氫鍵作用[12]，可將水分子連接成一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的水分子系統(tǒng)，水系統(tǒng)的所有成分和周圍的能量變化和都會(huì)影響水的結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程就是我們常稱的水溶劑化過程。如無機(jī)鹽溶于水，一個(gè)靠近水分子的陽離子會(huì)吸引水分子中的氧原子而排斥氫原子，從而導(dǎo)致-OH鍵松動(dòng)，其伸縮振動(dòng)頻率相應(yīng)地向長波方向移動(dòng)，一個(gè)靠近水分子的陰離子會(huì)吸引水分子中的氫原子，也會(huì)導(dǎo)致氫鍵的松動(dòng)引起頻率向長波移動(dòng)[13]。同時(shí)，其它的有機(jī)物也以非共價(jià)氫鍵的形式溶劑化而影響激活水帶的吸收[14]，如中藥的生物堿類、黃酮類、苷類、醌類、甾體類、萜類、苯丙素類成分及各種微量元素都會(huì)以氫鍵的形式而影響激活水帶吸收[15]。這些中藥成分作為客體通過主體經(jīng)絡(luò)臟腑上相同（相似）的“印跡模板”以氫鍵等非共價(jià)鍵的形式結(jié)合而影響激活水帶的吸收，這就能很好的理解水光譜組學(xué)是研究中藥成分進(jìn)入人體在各臟器分布特征的良好工具了。

水光譜的WASP受到各種溶質(zhì)的影響，為了更好的展示已經(jīng)歸屬好的部分生命體系在擾動(dòng)因素下的水特征吸收峰，Tsenkova[16]提出水基質(zhì)坐標(biāo)（water matrix coordinate， WAMACS）這一術(shù)語。WAMACS和特定的生物功能、結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，可以幫助更好地理解生物系統(tǒng)中的生物、化學(xué)和物理等信息，這為中藥歸經(jīng)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 ?水光譜組學(xué)的研究方法

1.2.1 ?波長的選擇 ?在680～2500 nm范圍內(nèi)的近紅外波段是觀察水結(jié)構(gòu)的最佳波段[18]。主要采用-OH伸縮振動(dòng)帶的一級(jí)倍頻區(qū)域（1300～1600 nm）和組合頻（1940 nm），共有12個(gè)特征譜帶，以供特定的擾動(dòng)因素與ABS的關(guān)聯(lián)分析。

1.2.2 ?數(shù)據(jù)庫的建立 ?在樣品測量前應(yīng)先進(jìn)行空氣掃描，然后采用紫外光譜、近紅外光譜、紅外光譜、拉曼光譜和太赫茲光譜等進(jìn)行時(shí)間分辨和無侵入地掃描不同的純水系統(tǒng)，同時(shí)納入多種擾動(dòng)因素的作用，再將獲得的大量水吸收光譜整合從而構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，這可以有效校正無關(guān)因素的影響[19]。此外，也可采用增強(qiáng)光譜信號(hào)的新方法和對(duì)信息進(jìn)行疊加處理[20]，以獲得WAMACS與水系統(tǒng)組成的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2.3 ?數(shù)據(jù)挖掘方法 ?（1）原始圖譜的觀察 近紅外區(qū)域的水光譜的變化是細(xì)微的，肉眼很難觀察。通過對(duì)1450 nm（-OH伸縮振動(dòng)的倍頻）和1940 nm（-OH彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)的合頻）附近ABS的初步觀察對(duì)判斷各種樣品在水系統(tǒng)WABS特征非常有用[21]，但深入分析還需要依靠數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。（2）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)由于中藥成分復(fù)雜且含量差異較大，作為擾動(dòng)因素溶于水系統(tǒng)后導(dǎo)致其近紅外圖譜具重疊、吸收強(qiáng)度不高及不連續(xù)性等缺點(diǎn)，需借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理及后續(xù)分析。其中，用得較多的是主成分分析（principal component analysis， PCA）、偏最小二乘法（partial least squares， PLS）等[22-23]，目前，水光譜組學(xué)的主要分析方法有：①PCA;②PLS;③多元曲線分辨-交替最小二乘法（multivariate curve resolution-alternating least square， MCR-ALS）;④其他分析方法：包括漸進(jìn)因子分析（evolving factor analysis， EFA）、二維相關(guān)光譜（two-dimensional correlation spectroscopy， 2DCOS）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)浞椒ǖ萚24]。此外，還有專門用于溫度和濃度擾動(dòng)樣品的各種化學(xué)計(jì)量學(xué)方法：平行因子分析（parallel factor analysis， PARAFAC）、多向主成分分析（multi-way principal component analysis， MPCA）、多級(jí)同時(shí)成分分析（multilevel simultaneous component analysis， MSCA）[25]、交

替三線性分解（alternating trilinear decomposition， ATLD）[26]及相互因素分析（multiple factor analysis， MFA）[27]等。以上方法多聯(lián)合使用，近年來還可用采用人工智能的深度學(xué)習(xí)算法，以便深入分析圖譜中的細(xì)微變化。

1.3 ?水光譜組學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

水光譜組學(xué)已在水質(zhì)監(jiān)測、食品質(zhì)量、生物醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用。如Gowen等[28]分析了鹽溶液濃度與水光譜組學(xué)的關(guān)系，建立了水質(zhì)監(jiān)測方法;Cattaneo等[29]將水光譜組學(xué)應(yīng)用于研究涂層對(duì)奶酪包裝以及在成熟和儲(chǔ)存期間性能和滲透性差異的影響;Akikazu Sakudo等[30]通過對(duì)感染了艾滋病和未感染個(gè)體的血漿進(jìn)行近紅外（近紅外光譜）光譜的測定，證明近紅外光譜可為大規(guī)模診斷艾滋病感染提供快速高效的檢測工具。除此之外，鐘永翠、張湘東等[31-32]分別利用近紅外光譜光譜結(jié)合不同的化學(xué)計(jì)量法建立了梔子、桔梗的定性定量分析方法，拓寬了水光譜組學(xué)在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，水光譜組學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)延伸到納米材料、植物生物學(xué)、水液基礎(chǔ)生化等諸多方面[33-35]，逐步建立起各個(gè)水系統(tǒng)中樣品分子的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和定性定量分析方法，這也為其在中藥歸經(jīng)理論研究中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 水光譜組學(xué)對(duì)中藥歸經(jīng)理論的特殊作用

2.1 ?中藥歸經(jīng)理論的物質(zhì)基礎(chǔ)研究是中藥歸經(jīng)研究的核心問題

中藥歸經(jīng)理論是中醫(yī)藥理論體系的核心部分，長期指導(dǎo)中醫(yī)臨床用藥。中藥歸經(jīng)的理論基礎(chǔ)是藏象經(jīng)絡(luò)學(xué)說[36]，它體現(xiàn)了藥物有效成分對(duì)人體經(jīng)絡(luò)臟腑的選擇性，反映了中藥藥效所在。中藥成分入血后必定影響其選擇性高的臟器的水氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而水光譜的變化可從近紅外光譜中表現(xiàn)出來[37]。緣于中醫(yī)經(jīng)絡(luò)物質(zhì)基礎(chǔ)研究尚未取得突破，研究中藥歸經(jīng)理論就無從著手，現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者仍停留在實(shí)體臟器的研究水平，如蔡詩川等[38]將經(jīng)絡(luò)功能同人體解剖形態(tài)進(jìn)行類比，提出經(jīng)絡(luò)體系包括了肌肉、骨骼、內(nèi)臟、血液、神經(jīng)在內(nèi)的一切關(guān)聯(lián)性的網(wǎng)絡(luò)。另一些學(xué)者寄希望于在神經(jīng)血管之外，能找到經(jīng)絡(luò)獨(dú)特的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，結(jié)果仍是一無所獲[39]。因此，研究中藥歸經(jīng)理論首先要提出明確的物質(zhì)基礎(chǔ)：中藥歸經(jīng)理論的微觀物質(zhì)是低于實(shí)體組織而又高于分子水平的微觀實(shí)體，可用超分子“氣析”理論進(jìn)行闡明。

2.2 ?超分子“氣析”理論能詮釋中藥歸經(jīng)理論的微觀物質(zhì)基礎(chǔ)

本課題組[40]率先將超分子化學(xué)引入中醫(yī)藥理論研究，提出了超分子“氣析”理論。人體和中藥都可以看做是由單分子、超分子主體及巨大超分子主體組成的復(fù)雜體系，通過各級(jí)“印跡模板”管控分子社會(huì)來維持整體平衡。不同級(jí)別的分子通過自組織、自識(shí)別、自組裝、自復(fù)制逐級(jí)形成更為復(fù)雜的超分子體[41]，包括細(xì)胞器、細(xì)胞、組織和生物體等。而中藥成分群是中藥超分子體系的“印跡模板”聚集客體部分，在人體中具相同（似）“印跡模板”的人體超分子主體處濃集并通過機(jī)體內(nèi)對(duì)應(yīng)的細(xì)胞間空穴水通道進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合后產(chǎn)生印跡效應(yīng)，由此可知經(jīng)絡(luò)應(yīng)是主客分子“印跡模板”的通道結(jié)構(gòu)，沉浸于細(xì)胞間水通道中。中藥有效成分進(jìn)入人體后，各類小分子與人體經(jīng)絡(luò)臟腑的相同（似）“印跡模板”結(jié)合發(fā)生“氣析”作用與外界進(jìn)行能量交換，由內(nèi)而外宏觀上體現(xiàn)中藥藥性和人體的經(jīng)絡(luò)臟腑現(xiàn)象[42]。此時(shí)產(chǎn)生的印跡作用（如分子篩、離子交換、吸附、分配與親合色譜等形式）可影響整個(gè)水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)，這些變化可被現(xiàn)代儀器所監(jiān)測從而表現(xiàn)在近紅外光譜的特征吸收峰上。因此，中藥成分與經(jīng)絡(luò)之間的“印跡模板”所產(chǎn)生的印跡作用是中藥歸經(jīng)物質(zhì)基礎(chǔ)研究的關(guān)鍵[43]，可以借助水光譜組學(xué)來進(jìn)一步表征。

2.3 ?水光譜組學(xué)是表征中藥歸經(jīng)“印跡模板”的良好工具

水約占人體重量的70%，在人體血液中約占83%[44]。當(dāng)中藥客體分子入血后，與處在水為溶媒的人體水氫鍵網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)絡(luò)臟腑產(chǎn)生“氣析”作用。不管是經(jīng)絡(luò)臟腑，還是器官、血管、通道，“印跡模板”從大到小，從宏觀到微觀，都沉浸在水系統(tǒng)中，這些細(xì)微及宏觀變化都會(huì)以“印跡模板”功能基團(tuán)的改變被近紅外水光譜儀所監(jiān)控，其中客體中藥成分和自身“印跡模板”相同（相似）的主體經(jīng)絡(luò)臟腑自主選擇作用而對(duì)其水系統(tǒng)的近紅外光譜產(chǎn)生影響。在這個(gè)過程中，中藥成分的不同官能團(tuán)與水分子相互作用，同時(shí)水系統(tǒng)中溫度、濃度和組分差異等因素的改變也會(huì)導(dǎo)致氫鍵的增減[45]，引起-OH伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻范圍內(nèi)最大吸收波長的紅移或藍(lán)移。因此，水光譜組學(xué)在不需要或只需要很少的樣品準(zhǔn)備前提下創(chuàng)造了無損和非侵入性的方式快速分析人體水系統(tǒng)的可能性，為中藥歸經(jīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)研究提供了新思路：通過分析給藥組與非給藥組不同腧穴、經(jīng)絡(luò)臟腑水系統(tǒng)的近紅外光譜的改變程度可確定中藥成分群在腧穴、經(jīng)絡(luò)臟腑中的印跡作用，不同的印跡作用都將形成不同的WASP，已有研究表明[22，46-47]，近紅外光譜段中包含更多的人體狀態(tài)功能信息。為避免個(gè)體差異，也可采集少量水系統(tǒng)樣品：首先測定純水樣品的近紅外光譜保證近紅外光譜儀的精密度和靈敏度，再采集相同時(shí)間段內(nèi)人體已知的十二經(jīng)絡(luò)特定腧穴處結(jié)締組織中組織液離心處理[43]，采用相同儀器多次測定得到平均圖譜，先觀察原始圖譜一級(jí)倍頻區(qū)域（1300～1600 nm）和組合頻（1940 nm）的譜峰變化，預(yù)處理后運(yùn)用多種化學(xué)計(jì)量方法對(duì)光譜加以分析，將獲得的特定WASP進(jìn)行整合;同時(shí)納入濃度、溫度、組分差異等因素來進(jìn)一步考察譜峰變化，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)積累建立水光譜組數(shù)據(jù)庫（aquaphotome），奠定中藥歸經(jīng)及經(jīng)絡(luò)臟腑理論微觀物質(zhì)的研究基礎(chǔ)。

2.4 ?水基質(zhì)坐標(biāo)可揭示中醫(yī)經(jīng)絡(luò)臟腑和中藥歸經(jīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)

已有研究[49]發(fā)現(xiàn)，在部分生命體系中，在特定擾動(dòng)因素下做一系列的實(shí)驗(yàn)，收集大量的近紅外光譜，然后將這些光譜進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)這些生命體系具有共同的水特征吸收峰，不同水特征吸收峰代表不同的WASP，借助水基質(zhì)坐標(biāo)可以更明確這些WASP的含義。WAMACS如同一個(gè)優(yōu)秀的校正模型，水系統(tǒng)中的任何擾動(dòng)因素都可以用水基質(zhì)坐標(biāo)來很好的定義[16]，由其水分子結(jié)構(gòu)的變化可以反映出中藥成分在經(jīng)絡(luò)臟腑中的超分子印跡作用及機(jī)制。因此，在積累大量的腧穴處血液或組織液等水系統(tǒng)的特征吸收峰信息后，選擇同樣條件下單一中藥成分作為擾動(dòng)因素，采集各個(gè)腧穴組織液后多次測定得到平均光譜，獲得的近紅外光譜扣除圖譜無關(guān)擾動(dòng)因素影響后分析找出特征WABS并進(jìn)行整合，以現(xiàn)有WAMACS為基礎(chǔ)[48]，整合特定擾動(dòng)因素下近紅外光譜代表的的特征水吸收帶，以中藥歸經(jīng)理論為指導(dǎo)，在近紅外光譜上系統(tǒng)地建立水吸收峰與腧穴印跡作用之間的聯(lián)系關(guān)系，再根據(jù)已知腧穴與經(jīng)絡(luò)臟腑的屬性關(guān)系，逐步建立起“腧穴-經(jīng)絡(luò)-臟腑-成分”的WAMACS。通過WAMACS不僅可以實(shí)現(xiàn)超分子“印跡模板”的表征，也可對(duì)產(chǎn)生的印跡作用進(jìn)行定義，從而表征出中藥歸經(jīng)規(guī)律。目前，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)WAMACS[48]，借助水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的“水鏡映物”作用，它們能夠簡潔準(zhǔn)確地展示水分子振動(dòng)頻率的可測量變化，進(jìn)而反映水系統(tǒng)物化性質(zhì)的細(xì)微變化，再經(jīng)大樣本數(shù)據(jù)挖掘建立中醫(yī)經(jīng)絡(luò)臟腑和中藥歸經(jīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)研究，闡明經(jīng)絡(luò)臟腑與中藥成分按“印跡模板”化學(xué)基團(tuán)的作用機(jī)理。

3 討論與展望

水光譜組學(xué)目前在生命科學(xué)有一定的應(yīng)用，同時(shí)在以水為溶媒體系的中醫(yī)經(jīng)絡(luò)臟腑和中藥歸經(jīng)理論的研究上具有巨大的優(yōu)勢，但由于水光譜組學(xué)的吸收帶是組合或倍頻峰，其數(shù)據(jù)分析技術(shù)要求高，當(dāng)前研究者主要側(cè)重與利用近紅外光譜和化學(xué)計(jì)量法對(duì)中藥材進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)、品種或真?zhèn)舞b別[50-53]，對(duì)以人體這個(gè)巨大水系統(tǒng)研究有所忽略;但水光譜組學(xué)對(duì)生物樣品分析的“整體性”和“指紋性”特點(diǎn)無疑適應(yīng)于研究中藥復(fù)雜成分于人體巨大水系統(tǒng)的作用過程。中藥有效成分與經(jīng)絡(luò)臟腑水系統(tǒng)之間的“印跡模板”所產(chǎn)生的印跡作用可被水光譜所監(jiān)測，結(jié)合超分子化學(xué)研究方法整合歸經(jīng)中藥在人體各個(gè)水系統(tǒng)中的特征WABS，從而建立可以用超分子“印跡模板”特征來表征中藥歸經(jīng)規(guī)律的WAMACS，也為中藥超分子“印跡模板”結(jié)構(gòu)的表征奠定基礎(chǔ)。但在面對(duì)中藥和人體復(fù)雜體系時(shí)，在目前的WAMACS基礎(chǔ)上建立適用于中醫(yī)藥復(fù)雜成分分析的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)還需深入研究，同時(shí)結(jié)合中藥歸經(jīng)理論水光譜組學(xué)研究進(jìn)行經(jīng)絡(luò)物質(zhì)基礎(chǔ)研究也需進(jìn)一步探討。相信隨著水光譜組學(xué)圖譜數(shù)據(jù)庫的開發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用研究的增加，水光譜組學(xué)很快會(huì)成為中醫(yī)藥基礎(chǔ)理論研究的銳利武器，對(duì)中醫(yī)藥現(xiàn)代化進(jìn)程產(chǎn)生巨大推動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] MUNCAN J， TSENKOVA R. Aquaphotomics-from innovative knowledge to integrative platform in science and technology[J]. Molecules， 2019， 24（15）： 2742.

[2] 賀福元，鄧凱文，楊巖濤，等.基于超分子化學(xué)的中藥藥性理論研究方法探討（1）中藥歸經(jīng)[J].中國中藥雜志，2015，40（8）：1624-1629.

[3] 趙洪濤，孫 ?巖，郭一暢，等.近紅外光譜用于低溫水結(jié)構(gòu)的分析[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（9）：1968-1974.

[4] 裴 ?強(qiáng).基于氫鍵的超分子自組裝：締合方式及穩(wěn)定性[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，31（1）：160-167.

[5] BE['][C] K B， HUCK C W. Breakthrough potential in near-infrared spectroscopy： Spectra simulation. A review of recent developments[J]. Frontiers in Chemistry， 2019， 7： 48.

[6] COLLINS J R. Change in the infra-red absorption spectrum of water with temperature[J]. Physical Review， 1925， 26（6）： 771.

[7] POTTS， WILLIS J. Chemical infrared spectroscopy[J]. Wiley， 1963.

[8] MAEDA H， OZAKI Y， TANAKA M， et al. Near infrared spectroscopy and chemometrics studies of temperature-dependent spectral variations of water： Relationship between spectral changes and hydrogen bonds[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy， 1995， 3（4）： 191-201.

[9] 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]. Journal of Animal Science， 2000， 78（3）： 515-522.

[10] TSENKOVA R. Aquaphotomics and chambersburg[J]. NIR News， 2006， 17（6）： 12-14.

[11] XANTHEAS S S. Cooperativity and hydrogen bonding network in water clusters[J]. Chemical Physics， 2000， 258（2/3）： 225-231.

[12] GOWEN A A， AMIGO J M， TSENKOVA R. Characterisation of hydrogen bond perturbations in aqueous systems using aquaphotomics and multivariate curve resolution-alternating least squares[J]. Analytica Chimica Acta， 2013， 759： 8-20.

[13] 陳 ?靜，潘 ?章.液態(tài)水氫鍵的分析方法及研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2015，27（9）：1239-1246.

[14] WENZ J J. Examining water in model membranes by near infrared spectroscopy and multivariate analysis[J]. Biochimica et Biophysica Acta （BBA）-Biomembranes， 2018， 1860（3）： 673-682.

[15] 鐘 ?亮，胡勇軍，邢 ?達(dá)，等.生物分子的微溶劑化過程[J].化學(xué)進(jìn)展，2010，22（1）：1-8.

[16] TSENKOVA R， MUN['][C]AN J， POLLNER B， et al. Essentials of aquaphotomics and its chemometrics approaches[J]. Frontiers in Chemistry， 2018， 6： 363.

[17] SEGELSTEIN， D J. The Complex Refractive Index of Water[D].University of Missouri： 1981.

[18] BüNING-PFAUE H. Analysis of water in food by near infrared spectroscopy[J]. Food Chemistry， 2003， 82（1）： 107-115.

[19] MUNCAN J， MATOVIC V， NIKOLIC S， et al. Aquaphotomics approach for monitoring different steps of purification process in water treatment systems[J]. Talanta， 2020， 206： 120253.

[20] KOJI['][C] D， TSENKOVA R， YASUI M. Improving accuracy and reproducibility of vibrational spectra for diluted solutions[J]. Analytica Chimica Acta， 2017， 955： 86-97.

[21] MUNCAN J， TEI K， TSENKOVA R. Real-time monitoring of yogurt fermentation process by aquaphotomics near-infrared spectroscopy[J]. Sensors， 2020， 21（1）： 177.

[22] LI Y P， GUO L， LI L， et al. Early diagnosis of type 2 diabetes based on near-infrared spectroscopy combined with machine learning and aquaphotomics[J]. Frontiers in Chemistry， 2020， 8： 580489.

[23] KOVACS Z， POLLNER B， BAZAR G， et al. A novel tool for visualization of water molecular structure and its changes， expressed on the scale of temperature influence[J]. Molecules， 2020， 25（9）： 2234.

[24] OUYANG Z， YAN H， GUO C， et al. Rapid detection of volatile oil in Mentha haplocalyx by near-infrared spectroscopy and chemometrics[J]. Pharmacognosy Magazine， 2017， 13（51）： 439.

[25] SHAN R F， ZHAO Y， FAN M L， et al. Multilevel analysis of temperature dependent near-infrared spectra[J]. Talanta， 2015， 131： 170-174.

[26] WU H L， SHIBUKAWA M， OGUMA K. An alternating trilinear decomposition algorithm with application to calibration of HPLC-DAD for simultaneous determination of overlapped chlorinated aromatic hydrocarbons[J]. Journal of Chemometrics， 1998， 12（1）： 1-26.

[27] SHAO X G， CUI X Y， YU X M， et al. Mutual factor analysis for quantitative analysis by temperature dependent near infrared spectra[J]. Talanta， 2018， 183： 142-148.

[28] GOWEN A A， MARINI F， TSUCHISAKA Y， 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.

[29] CATTANEO T M P， VANOLI M， GRASSI M， et al. The aquaphotomics approach as a tool for studying the influence of food coating materials on cheese and winter melon samples[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy， 2016， 24（4）： 381-390.

[30] 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]. Microbiology and Immunology， 2005， 49（7）： 695-701.

[31] 鐘永翠，楊立偉，邱蘊(yùn)綺，等.NIRS法對(duì)梔子不同炮制品梔子苷含量的快速檢測[J].光譜學(xué)與光譜分析，2017，37（6）：1771-1777.

[32] 張湘東，馬晉芳，羅娟敏，等.微型近紅外光譜儀快速測定桔梗有效成分研究[J].世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2018，20（5）：637-643.

[33] BAISHYA N， MAMOUEI M， BUDIDHA K， et al. Comparison of dual beam dispersive and FTNIR spectroscopy for lactate detection[J]. Sensors， 2021， 21（5）： 1891.

[34] TJANDRA NUGRAHA D， ZINIA ZAUKUU J L， AGUINAGA BSQUEZ J P， et al. Near-infrared spectroscopy and aquaphotomics for monitoring mung bean （Vigna radiata） sprout growth and validation of ascorbic acid content[J]. Sensors， 2021， 21（2）： 611.

[35] CHATANI E， TSUCHISAKA Y， MASUDA Y， et al. Water molecular system dynamics associated with amyloidogenic nucleation as revealed by real time near infrared spectroscopy and aquaphotomics[J]. PLoS One， 2014， 9（7）： e101997.

[36] 呂金山.古代“藥物歸經(jīng)”的經(jīng)絡(luò)理論運(yùn)用研究[D].北京：中國中醫(yī)科學(xué)院，2010.

[37] 田 ?瀚.基于近紅外光譜法分析人體血液成分的技術(shù)研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2020.

[38] 蔡詩川.經(jīng)絡(luò)實(shí)質(zhì)之我見[J].中國針灸，2003，23（8）：45-46.

[39] 張玉清.以多元思維引領(lǐng)發(fā)展非解剖結(jié)構(gòu)研究：中醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)的“經(jīng)絡(luò)”非解剖結(jié)構(gòu)[J].上海中醫(yī)藥雜志，2016，50（7）：9-14.

[40] 賀福元，周逸群，鄧凱文，等.超分子化學(xué)對(duì)中醫(yī)藥理論的特殊影響[J].中國中藥雜志，2014，39（8）：1534-1543.

[41] 廖 ?瓊，楊巖濤，劉志剛，等.從茜草素的超分子印跡作用探討中藥歸經(jīng)體外研究方法[J].中草藥，2015，46（22）：3364-3369.

[42] 賀福元，鄧凱文，楊巖濤，等.基于超分子化學(xué)的中藥藥性理論研究方法探討（1）中藥歸經(jīng)[J].中國中藥雜志，2015，40（8）：1624-1629.

[43] 鄧凱文，賀福元.中藥歸經(jīng)研究的現(xiàn)狀及“穴藥”法的提出[J].中國中藥雜志，2013，38（10）：1643-1648.

[44] 周勝男，陳 ?偉.人體水成分檢測的方法學(xué)研究及臨床應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，40（5）：603-609.

[45] 朱雪薇，崔曉宇，蔡文生，等.溫控近紅外光譜用于胺類化合物氫鍵相互作用研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2018，76（4）：69-73.

[46] 李 ?剛，趙 ?靜，李家星，等.可見-近紅外反射光譜用于疾病快速篩查[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（3）：191-196.

[47] 黃 ?嵐，田豐華，丁海曙，等.用近紅外光譜對(duì)組織氧測量方法的研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2003，22（5）：379-383.

[48] TSENKOVA R. Aquaphotomics： dynamic spectroscopy of aqueous and biological systems describes peculiarities of water[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy， 2009， 17（6）： 303-313.

[49] KOJI['][C] D， TSENKOVA R， TOMOBE K， et al. Water confined in the local field of ions[J]. Chemphyschem， 2014， 15（18）： 4077-4086.

[50] 周雨楓，董林毅，楊哲萱，等.三七近紅外多指標(biāo)快速質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 中成藥，2019，41（3）：613-619.

[51] 楊天鳴，龔小霞，和順芳.基于近紅外全息指紋圖譜分析的中藥心可舒片質(zhì)量評(píng)價(jià)新方法[J].化學(xué)與生物工程，2020，37（5）：65-68.

[52] 馬天翔，顧志榮，馬轉(zhuǎn)霞，等.不同產(chǎn)地鎖陽近紅外光譜鑒別分析[J].中國中醫(yī)藥信息雜志，2020，27（4）：66-69.

[53] 高鴻彬，瞿 ?敏，劉 ?浩，等.不同產(chǎn)地覆盆子的近紅外漫反射快速無損鑒別[J].世界中醫(yī)藥，2020，15（10）：1386-1390.

〔收稿日期〕2021-04-15

〔基金項(xiàng)目〕國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81703824，81803729，81903759，81874507）;湖南省科技廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2016TP1017）;湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019JJ50430）;湖南省教育廳創(chuàng)新平臺(tái)開放基金項(xiàng)目（18K071）;湖南省“國內(nèi)一流培育學(xué)科”藥學(xué)2018年開放基金項(xiàng)目（2018YX06）;湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)一流學(xué)科基金項(xiàng)目（2021YX15）。

〔作者簡介〕陳定芳，男，在讀碩士研究生，研究方向：中藥藥理學(xué)、中藥藥劑學(xué)、中醫(yī)藥超分子與數(shù)理特征化。

〔通信作者〕* 賀福元，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：pharmsharking@tom.com。