综述：研究未结晶水分子动力学的互补技术

《Frontiers in Analytical Science》：Complementary techniques for investigating the molecular dynamics of uncrystallized water

　　

未结晶水(UCW)是指水合材料中在冷却时保持未结晶状态的水组分。与形成本体冰不同，这种水即使在标称冰点以下仍保持分子迁移率。在聚合物和蛋白质中，UCW包括与特定官能团相关的强结合水，以及存在于纳米尺度环境中的弱受限水。因此，它在力学行为、结构稳定性和生物功能中发挥着重要作用。由于UCW具有异质性，没有单一技术能够完全捕捉其性质，需要多种互补方法。本综述重点阐述了介电谱(DS)、核磁共振(NMR)、差示扫描量热法(DSC)、中子散射(特别是准弹性中子散射(QENS))以及太赫兹和红外光谱如何在不同的时间和不同的样品尺寸下探测UCW的不同方面。研究人员概述了每种技术所测量的内容、常用于解释数据的模型，以及如何结合这些方法来区分"自由"水、"结合"水和"不可冻"水。对同一样本应用多种方法，并一致控制水合状态和温度，对于建立连贯且定量的UCW图像至关重要。这种集成方法也是将UCW行为转化为冷冻保存、药物冷冻和生物材料实用设计原则的关键。重要的是，互补性源于时间尺度的差异以及每种方法所探测的不同相关函数。计算光谱学——从经典分子动力学到新兴的机器学习方法——提供了介电、NMR、中子和振动测量与水合动力学共享描述符之间的原子级联系。

**1 引言**

水是生物和聚合物系统的重要组成部分。在受限条件或界面处，水可以抵抗冰晶形成并在远低于正常冰点下保持非晶态，同时保持比玻璃态固体快得多的分子迁移率。文献中"水合水"、"结合水"和"不可冻水"等术语常被混用，且"可冻"与"不可冻"水的划分本质上是方法依赖的。较快的冷却速率抑制成核和晶体生长，增加表观不可冻水比例。

**1.1 依数性冰点降低与未结晶水的对比**

在简单溶液中，冰点降低是经典依数性效应。在水合聚合物和蛋白质中，情况更为复杂，涉及平衡冻结温度与非平衡冷却条件下的结晶动力学。UCW受热力学、结晶动力学和纳米尺度异质性共同调控。

**1.2 未结晶水的生物学意义**

界面水对蛋白质稳定性、动态行为和分子识别起关键作用。水合聚合物和生物材料中非结晶水的含量和迁移率与力学性能、传输行为和防污性能相关。UCW本质上是异质的，其动力学跨度从皮秒氢键涨落到秒级玻璃态结构弛豫，需多种互补方法联合表征。

**2 介电谱**

DS测量复介电常数ε*(ω)=ε′(ω)?ε″(ω)，反映偶极重取向和极化过程。UCW通常表现为比自由水更宽、频率更低的非德拜弛豫峰。DS虽灵敏度高但缺乏空间分辨率，低频数据易受电极极化影响，解释具有模型依赖性。

**2.1 聚合物–水体系**

PEG、PVP、PVA等亲水聚合物与水的混合物是典型的DS模型体系。部分结晶的PVP-水混合物的宽带谱可分辨为冰、UCW和聚合物基质三种贡献。UCW弛豫介于自由水和聚合物弛豫之间，取决于水含量和热历史。

**2.2 生物聚合物和蛋白质体系**

明胶、GelMA水凝胶、透明质酸基质和水合蛋白质粉末中，UCW与冰共存。DS可分离受限水和基质的贡献。近期宽带DS研究强调了水合生物材料的异质性以及将介电弛豫与独立测量的水分数相关联的必要性。

**3 核磁共振**

NMR提供分子特异性的工具，可探测局部环境和旋转/平动迁移率。UCW导致T₂缩短、T₁改变、表观自扩散系数降低。NMR方法分为弛豫测量、自扩散系数、化学位移和新兴ZULF技术四类。

**3.1 弛豫时间**

自旋-晶格(T₁)和自旋-自旋(T₂)弛豫时间依赖分子运动，可区分紧密结合水、中间水和类本体水等多种群体。

**3.2 扩散系数**

脉冲场梯度(PFG)NMR，特别是脉冲梯度自旋回波(PGSE)实验，直接提供平动扩散信息。非单指数衰减和受限扩散揭示多种水群体和特征受限长度尺度。

**3.3 化学位移与局部环境**

化学位移和线型反映局部电子环境，可间接提供氢键、带电基团相互作用和环境交换的信息。

**3.4 ZULF NMR与先进弛豫测量**

零至超低场(ZULF)NMR减少磁化率效应引起的线展宽，适用于复杂水合软材料中慢动力学和集体迁移率的探测。

**3.5 水合生物材料的最新NMR应用**

NMR研究已扩展到胶原蛋白基支架、膜和蛋白质溶液等生物材料。例如Chang等人(2024)使用T₁和T₂弛豫测量结合DSC研究GelMA水凝胶中的结合水和不可冻水。

**4 差示扫描量热法**

DSC通过热流差异推断水的状态，将熔化焓与本体冰比较估算可冻和不可冻水分数。"不可冻水"分数受扫描速率、平衡时间、样品质量等多种因素影响。DSC虽缺乏分子特异性，但为其他技术定义了热力学边界条件。

**5 准弹性中子散射**

QENS通过分析散射中子的准弹性展宽测量动态结构因子S(Q,ω)。氢的非相干散射主导使水动力学被强烈强调。UCW的谱线比自由水窄，弹性非相干结构因子增大，扩散和旋转速率降低。QENS本质上是局域且模型依赖的，但可最直接探测埃至纳米尺度的含氢界面水。

**6 太赫兹和红外光谱**

THz-TDS和远红外测量对低频集体模式敏感，对应亚皮秒至皮秒动力学。中红外OH伸缩带(3000–3700 cm^-1)的位移和再分布反映氢键强弱。UCW表现为THz吸收展宽和位移、OH伸缩包络变化以及液态光谱无序的持续存在。

**7 分子动力学模拟**

MD模拟不仅追踪分子轨迹，还可预测实验可观测量。偶极矩的自相关函数决定介电响应，中间散射函数F(Q,t)连接QENS。MD有助于辨别"慢水"信号的起源。当前挑战包括力场准确性、核量子效应、机器学习势的训练数据质量和长时程采样。

**8 比较分析与未来展望**

这些方法是互补而非冗余的。DSC跟踪焓变，DS反映近q≈0的偶极相关，NMR探测磁弛豫和扩散，QENS测量有限Q处的中间散射。跨方法一致性应被视为UCW分配的强验证。

**8.1 互补可观测量与时间尺度**

DS对集体偶极重取向敏感，适合探测慢水弛豫但难以明确化学归属。NMR提供核特异性信息。DSC帮助估计热历史下可归因于UCW的水量。QENS探测氢的快速局域运动。THz/IR提供氢键网络结构视角。MD和计算光谱学可直接连接所有实验可观测量。

**8.2 ±1 °C范围内的解释**

从+1 °C到?1 °C的温度变化不应被解释为水进入不同液相。在接近冰点的狭窄窗口中，DS、NMR或量热信号的急剧变化通常反映冰与剩余界面水之间的再分配，而非新UCW状态的形成。

**8.3 代表性多技术案例研究**

介孔二氧化硅研究结合固态NMR、宽带介电谱和DSC，表明低温液体分数受干燥和再水化过程中的水再分配影响。部分可冻受限水中结晶优先去除孔中心类本体水，留下富集界面相关分子的液体分数。磷脂膜研究通过QENS、DSC、THz光谱和MD收敛于脂质头基附近水合水的多尺度描述，可分辨自由、松散结合和紧密结合水群体。

**8.4 展望**

未来进展将来自协调的多方法研究。报告应包含水含量、样品制备、冷却和加热协议、保温时间和温度校准等细节。计算光谱学与实验数据的更紧密集成是重要方向，机器学习方法可在保持精度的