时域反射技术解析甘氨酸水溶液的分子动力学与 hydration behavior：温度与浓度依赖性研究

本研究采用时域反射技术（TDR）探究了甘氨酸（C2 H5 NO2 ）水溶液在0.01–30 GHz频率范围和278.15–303.15 K温度区间的介电特性，揭示了双重弛豫峰（低频与高频）的分子机制。通过Cole-Cole模型分析，发现甘氨酸浓度升高导致低频静态介电常数（ε1 ）上升而高频介电常数（ε2 ）下降，同时弛豫时间（τ1 和τ2 ）延长。研究为理解氨基酸-水相互作用及生物分子溶剂化提供了重要理论依据。

　　

水是生命活动中最神秘的溶剂，其独特的氢键网络和介电特性直接影响生物分子的结构与功能。甘氨酸作为最简单的氨基酸，不仅是蛋白质的基本单元，还在神经传导和抗氧化过程中发挥关键作用。然而，甘氨酸如何扰动水的动力学结构？温度与浓度如何调控其溶剂化行为？这些问题对理解生物分子水合机制至关重要。

为解决上述问题，S.R.T.M.大学的研究团队利用时域反射技术（TDR），系统研究了0.44–1.33 M甘氨酸水溶液在278.15–303.15 K温区的介电谱。研究发现，所有体系均呈现双重弛豫峰：高频弛豫源于自由水分子的重取向，低频弛豫则归因于甘氨酸分子的旋转运动及溶质-溶剂相互作用。通过Cole-Cole模型拟合，团队量化了静态介电常数（ε_j
）、弛豫时间（τ_j
）、Kirkwood关联因子（g₁
）等关键参数。

主要技术方法
研究采用TDR技术测量0.01–30 GHz频段的复介电谱，通过Cole-Cole模型分解弛豫过程，结合Eyring方程计算活化焓（ΔH_j
）、活化熵（ΔS_j
）等热力学参数。样本为Sigma Aldrich提供的99%纯度甘氨酸配制的系列浓度水溶液。

结果与讨论

• 介电谱特征：低频弛豫（甘氨酸主导）的ε₁
  随浓度增加而升高，高频弛豫（水主导）的ε₂
  则降低，反映溶质对溶剂结构的破坏。
• 动力学分析：弛豫时间τ₁
  和τ₂
  随温度降低与浓度增加而延长，表明甘氨酸抑制分子运动。
• 分子取向：g₁
  因子下降提示高浓度下甘氨酸偶极反平行排列趋势增强。
• 溶剂化效应：hydration number（Z_ib
  ）随浓度降低，归因于溶剂分子密度下降。

结论与意义
该研究首次在亚室温条件下揭示了甘氨酸浓度对水合动力学的非线性调控机制。低频弛豫的异常增强暗示甘氨酸可能通过氢键网络诱导局部水结构重组，而热力学参数证实该过程受熵驱动。成果发表于《Journal of Molecular Liquids》，不仅为生物分子溶剂化理论提供新证据，也为药物递送系统和蛋白质工程中的溶剂设计提供了量化参考。