光谱技术“探秘”生命体系中的水分子——第三届水光谱组学国际会议(日本)随笔

　　第三届水光谱组学国际会议于2018年12月2-6日在日本兵库县淡路市梦舞台国际会议中心召开，本次会议主题为“Exploring Water Molecular Systems in Nature(探索自然界的水分子体系)”。来自22个国家的130余位代表参加了此次会议，中国有9位代表参加了会议，其中南开大学邵学广教授团队3人、山东大学臧恒昌教授团队3人、北京大学医学部韩晶岩教授1人和华为技术有限公司2012实验室的2位技术人员。

　本次会议着重阐述了水光谱组学的重要性和应用，“水光谱组学(aquaphotomics)”是指以生命体系中的水作为研究对象，利用光谱技术探测水分子在不同环境下的结构变化，在分子水平上反映生命体系中水分子与其他分子的相互作用或水在生命体系中的功能。为了更好普及水光谱组学的基本知识，提高参与者的应用技能，正式会议前进行了6个小时的学习培训。来自日本神户大学的水光谱组学概念的提出者Roumiana Tsenkova教授在学习培训班和大会开幕式时分别呈现了题目是Open for public lecture: Aquaphotomics introductory course (公开讲座：水光谱组学介绍)和Why Aquaphotomics? (为什么进行水光谱组学研究)的报告。报告从不同角度介绍了水光谱组学的前世今生，以及水光谱组学的优势和应用，尤其强调了在近红外光谱技术方面的应用。

　　本次会议参会论文68篇，其中主题报告(keynote lecture)14篇，邀请报告(invited lecture)26篇，墙报(poster)28篇。报告分为11个会议单元(session)，主题分别是水光谱组学的应用(2个单元)、x射线/紫外/太赫兹/电磁波光谱(4个单元)、化学计量学(1个单元)、基础研究与新视野(2个单元)、生命中水的作用(2个单元)。

　　水光谱组学的应用作为会议的第一大主题，会议安排了两场主题报告，题目分别是Recent trend in NIR spectroscopy including quantum chemistry and 2D-COS and its future potential for aquaphotomics(近红外光谱技术在量子化学和2D-COS方向的最新发展趋势及其在水光谱组学中的应用前景)和Applications of aquaphotomics in biodiagnostics, biomeasurements and biomonitoring(水光谱组学在生物诊断、生物测量和生物监测中的应用)。前者强调了量子化学和2D-COS在水光谱组学分析过程中的重要作用，后者介绍了水光谱组学实时在线分析的优势。在本研究方向有14场口头报告，分别介绍了如何利用水光谱组学对近红外光谱数据进行分析，并应用于农作物、食品、饮用水以及相关产品分析中。在这些研究工作中，“实用性”是最突出的特点，但是很多研究工作不仅仅是使用商用仪器开展研究工作，而是针对自己的研究对象开展了深入的研究工作，例如在线测量农产品中营养物质含量，实时监测温泉中心的水质和在位监测地下水浇灌的大棚蔬菜生长情况的装置设计。

　　基于其他光谱技术的水光谱组学方面的研究也是本次会议的重点，此次会议中有十几篇与x射线/紫外/太赫兹/电磁波光谱技术相关的论文，分别介绍了利用各种不同的光谱技术研究表界面水、水化层、水团簇以及大体积水(bulk water)中水的结构及性质。通过增加各种扰动，如温度、光照、压力、溶质等，观察水光谱的变化，将水作为“物质和能量的镜子”，反映不同体系中物质和能量的变化。此主题很大程度上拓宽了水光谱组学的研究范围，使其不在局限于近红外光谱领域的研究。更多实验手段的加入，使科研工作者可以从不同角度，不同层面认识水的性质、结构和功能。

　　化学计量学在水光谱组学的研究分析中起到重要作用，但一直是“非常困难”的主题。本次会议邀请了南开大学邵学广教授作报告，题目是Extracting quantitative information from temperature dependent near infrared spectra (提取温控近红外光谱数据中的定量信息)。报告强调了温控近红外光谱分析中化学计量学的作用，并提出了今后的问题与机遇。重点讲述了温度改变引发光谱变化的深层次原因，即溶液中水结构变化引发的光谱变化，该变化和温度高度相关，因此可以建立模型进行定量分析。同时，从数据结构出发介绍了从二维到高维的化学计量学方法对温控近红外光谱数据进行定量信息的提取。会议还有十余篇化学计量学方面的论文，研究内容涉及了大数据平台构建、实验设计、变量选择方法以及各种定量模型的建模方法。这些方法无疑对拓展水光谱组学的应用范围和改善近红外光谱的模型具有非常重要的作用，因此，化学计量学的培训和普及仍是近红外光谱水光谱组学研究和应用领域中的重要任务之一。

　　基础研究与新视野是本次会议的重要主题，本次会议安排了两场大会邀请报告，题目分别是“Nano-ice” forms in cold water and causes the density maximum anomaly (在冷水中形成的“纳米冰”是导致水密度异常的主要原因)和A brief story of the theory of torsion field and technology, resulting from it-an attempt to explain some of water anomalies (简要介绍扭转场理论及由此产生的技术-试图解释一些水的异常现象)。前者强调了在温度降低的过程中水结构的变化会导致类似于冰结构的小团簇形成，并将这种结构形式称为“纳米冰”，重点讲述了“纳米冰”的形成可能是导致水在降温过程中密度发生异常变化的主要原因。后者从扭转场理论出发讨论了水密度、溶解度和粘度的异常现象。本专题还有十几篇论文，通过不同手段研究了从溶液到凝胶，从大体积水到限域水的性质，探索水的神奇特性。

　　生命体系中水的作用是本次会议中独具特色的主题。华盛顿大学的Gerald Pollack教授作为特别邀请嘉宾，对水的“第四相”进行了一个半小时的专题报告(The fourth phase of water: a central role in health)。Pollack教授通过简单而严谨的实验，揭示了水分子的排布结构以及性质。他通过对话的方式建立了一个简洁的框架，展示了水的结构是如何影响我们的世界的。区别于传统的固相、液相和气相，Pollack提出的“第四相”水即EZ water(Exclusion zone water)是发生在亲水表面附近。这种广泛存在的水的性能与大量水的性质明显不同，基于此，提出了未来可能的能源转换模式，为生命的起源、运输和渗透等自然现象提供了基础。在此主题的报告中，有论文对病变部位周围的水结构进行了分析，也有论文对冠心病病理学过程中水起到的作用进行了研究。

　　此次会议还有一项重要内容是成立了第一届国际水光谱组学协会，旨在促进水光谱组学和相关学术领域的研究与应用，并利用这些研究成果促进社会的发展。日本神户大学的Roumiana Tsenkova教授当选为第一届理事长，日本庆应义塾大学医学院Masato Yasui教授和奥地利因斯布鲁克大学Christian Huck教授当选为副理事长，德国水科学研究室Everine van de Kraats教授当选为秘书，同时还有来自8个不同国家和地区的14位科研工作者当选为理事，其中南开大学邵学广教授被推荐为理事，主要负责化学计量学方法的研究开发工作。因本次会议的成功召开，当场吸纳会员50余名，可以看出科研工作者对水光谱组学研究抱有极大的热情。希望国内正在进行与水科学相关工作的科研人员积极加入国际水光谱组学协会，共同推进水光谱组学及相关学科的发展。

　　本次会议得到了参会各方的积极响应，秉承紧张、有序、充实、有效的特点，会后交流非常活跃，开诚布公，干货满满。总体来看，经历了多年的发展，对水光谱组学的研究已取得一些阶段性成果，并将一些研究成果成功转化到实际生产应用中。但是，很多成果只是表面现象的观察和总结，对水在生命体系中重要作用的研究尚未上升到科学理论高度。因此，需要各个学科的科研工作者的团结协作共同努力，探索研究作为生命体系中不可或缺的组成部分的水的性质、结构与功能。相信这次会议的顺利召开，将吸引更多的研究者加入到水光谱组学的研究工作中，建立水分子基质的科学网络，并将其转化应用到人们的实际生产生活中，推动社会的进步。