近红外光谱用于DMSO衍生物抗冻过程中水结构分析

doi:10.7503/cjcu20240424

摘要/Abstract

摘要：

采用近红外光谱结合化学计量学方法，研究了二甲基亚砜衍生物L-蛋氨酸亚砜[L-Met(O)-OH]抑制冰晶生长的分子机理. 通过小波包变换获得高分辨光谱，对-5 ℃下不同浓度L-Met(O)-OH溶液在结冰过程中的近红外光谱进行分析，提取出L-Met(O)-OH中S=O基团与冰相互作用的光谱信息，结果表明， L-Met(O)-OH 有效抑制冰晶生长的主要原因是S=O基团与冰之间形成的氢键. 进一步在0 ℃条件下分析了不同浓度 L-Met(O)-OH溶液的高分辨光谱，发现水分子与L-Met(O)-OH中的S=O和C=O基团相互作用的光谱特征，在结冰过程中，这些相互作用的光谱峰强度逐渐降低，表明S=O和C=O基团与水分子的相互作用减弱，并且在高浓度下减弱效果更加明显. 最后，进一步研究了NH基团在抑制冰晶生长过程中发挥的作用，发现在结冰过程中NH基团与水分子的结合逐渐增加，形成了稳定的氢键网络，这表明NH基团在整个结冰过程中始终与水保持相互作用，而不与冰发生显著相互作用.

关键词: 近红外光谱, L-蛋氨酸亚砜, 抑制冰晶生长, 氢键

Abstract:

The molecular mechanism of L-methionine sulfoxide［L-Met（O）-OH］， a derivative of dimethyl sulfoxide （DMSO）， in inhibiting ice crystal growth was studied using near-infrared spectroscopy combined with chemometrics. High-resolution spectra were obtained through wavelet packet transform， allowing for a detailed analysis of the NIR spectra of L-Met（O）-OH solutions at various concentrations during the freezing process at -5 ℃. Spectral information regarding the interaction between the S=O group and ice was extracted. The results indicate that the primary reason for the effective inhibition of ice growth by L-Met（O）-OH is the formation of hydrogen bonds between the S=O group and ice. Further analysis of solutions at 0 ℃ revealed spectral features of interactions between water molecules and the S=O and C=O groups in L-Met（O）-OH. During the freezing process， the intensity of the spectral peaks associated with these interactions gradually decreased， indicating that the interactions between the S=O and C=O groups and water molecules weakened， and this weakening effect became more pronounced at higher concentrations. Finally， the role of the NH group in the inhibition of ice crystal growth was investigated. It was found that during freezing， the binding of NH groups to water molecules increased， forming a stable hydrogen-bonded network. The result indicates that the NH group consistently interacts with water throughout the freezing process and does not significantly interact with ice.

Key words: Near-infrared spectroscopy, L-Methionine sulfoxide, Ice crystal growth inhibition, Hydrogen bond

中图分类号:

O657

TrendMD:

梁繁繁, 韩丽, 蔡文生, 邵学广. 近红外光谱用于DMSO衍生物抗冻过程中水结构分析. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240424.

LIANG Fanfan, HAN Li, CAI Wensheng, SHAO Xueguang. Understanding the Water Structures in Antifreezing of DMSO Derivatives by Near-infrared Spectroscopy. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240424.

图/表 5

Fig.1 NIR spectra during ice growth in a 100 mg/mL L⁃Met(O)⁃OH solution at -5 °C

Fig.2 Ice growth in L⁃Met(O)⁃OH solutions at different concentrations（A） Spectral component with enhanced resolution of a 100 mg/mL L-Met（O）-OH solution during ice growth at -5 ℃；（B） variation in peak intensities at 6142 cm-1 in different L-Met（O）-OH solutions during ice growth.

Fig.3 Spectral analysis of the direct interaction between L⁃Met(O)⁃OH and ice during ice growth（A） Spectral components from 6350 cm-1 to 6500 cm-1 after freezing；（B） peak intensity variation at 6424 cm-1 with concentration. The black dashed line represents the fitted trend line；（C） peak intensity changes at 6424 cm-1 with ice fraction. The blue lines represent the fitted trend line.

Fig.4 Spectral changes of hydrated water during ice growth（A） and （D） show spectral components of L-Met（O）-OH solutions from 6800 cm-1 to 7000 cm-1 at 0 ℃. The inset in （D） shows spectral components of DMSO-water mixtures from 6700 cm-1 to 6900 cm-1 with 10%—90% DMSO， with increasing DMSO content indicated by the color gradient；（B） and （E） present variations in peak intensities at 6918 cm-1 and 6860 cm-1 with concentration， respectively. The black dashed line represents the fitted trend line. （C） and （F） display changes in peak intensities at 6918 cm-1 and 6860 cm-1 with ice fraction in L-Met（O）-OH solutions. The blue lines represent the fitted trend line.

Fig.5 Spectral analysis of hydrogen⁃bonded water with NH and water during ice growth（A） Spectral components of L-Met（O）-OH solutions from 6930 cm-1 to 7000 cm-1 at 0 ℃；（B） and （C） show the variations in peak intensities at 6985 cm-1 and 6954 cm-1 with the fraction of ice， respectively. The blue lines represent the fitted trend line.

参考文献 33

1	Meneghel J.， Kilbride P.， Morris G. J.， Front. Med.， 2020， 7， 592242
2	Deller R. C.， Vatish M.， Mitchell D. A.， Gibson M. I.， Nat. Commun.， 2014， 5， 3244
3	Liu Z.， Zheng X.， Wang J. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（13）， 5685—5701
4	Murray K. A.， Gibson M. I.， Nat. Rev. Chem.， 2022， 6（8）， 579—593
5	Warren M. T.， Galpin I.， Hasan M.， Hindmarsh S. A.， Padrnos J. D.， Edwards-Gayle C.， Mathers R. T.， Adams D. J.， Sosso G. C.， Gibson M. I.， Chem. Commun.， 2022， 58（55）， 7658—7661
6	Sui X. J.， Chen P. G.， Wen C. Y.， Yang J.， Li Q. S.， Zhang L.， Chin. J. Chem. Eng.， 2020， 28（10）， 2640—2649
7	Warren M. T.， Galpin I.， Bachtiger F.， Gibson M. I.， Sosso G. C.， J. Phys. Chem. Lett.， 2022， 13（9）， 2237—2244
8	Chang T.， Zhao G.， Adv. Sci.， 2021， 8（6）， 2002425
9	Murray K. A.， Gibson M. I.， Biomacromolecules， 2020， 21（7）， 2864—2873
10	Elliott G. D.， Wang S.， Fuller B. J.， Cryobiology， 2017， 76， 74—91
11	Su T.， Sun Y.， Han L.， Cai W. S.， Shao X. G.， Spectrochim. Acta， Part A， 2022， 266， 120417
12	Zhao H. T.， Sun Y.， Guo Y. C.， Cai W. S.， Shao X. G.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（9）， 1968—1974
	赵洪涛，孙岩，郭一畅，蔡文生，邵学广. 高等学校化学学报， 2020， 41（9）， 1968—1974
13	Das S.， Niemeyer E.， Leung Z. A.， Fritsch T.， Matosevic S.， Mol. Pharm.， 2024， 21（2）， 651—660
14	Zhong Y. L.， McGrath J. K.， Gong B.， ACS Biomater. Sci. Eng.， 2021， 7（10）， 4757—4762
15	Ishibe T.， Gonzalez⁃Martinez N.， Georgiou P. G.， Murray K. A.， Gibson M. I.， ACS Polymer. Au， 2022， 2（6）， 449—457
16	Burkey A. A.， Hillsley A.， Harris D. T.， Baltzegar J. R.， Zhang D. Y.， Sprague W. W.， Rosales A. M.， Lynd N. A.， Biomacromolecules 2020， 21（8）， 3047—3055
17	Liu M.， Chen C. H.， Liang L.， Yu C. J.， Guo B. Y.， Zhang H. T.， Qiu Y. W.， Zhang H.， Yao F. L.， Li J. J.， J. Mater. Chem. B， 2023， 11（11）， 2504—2517
18	Wang Y.， Cai W. S.， Shao X. G.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（6）， 20230017
	王岩，蔡文生，邵学广. 高等学校化学学报， 2023， 44（6）， 20230017
19	Muncan J.， Matovic V.， Nikolic S.， Askovic J.， Tsenkova R.， Talanta， 2020， 206， 120253
20	Wang S. Y.， Wang M.， Han L.， Sun Y.， Cai W. S.， Shao X. G.， Spectrochim. Acta， Part A， 2022， 267， 120581
21	Ishigaki M.， Yasui Y.， Kajita M.， Ozaki Y.， Anal. Chem.， 2020， 92（12）， 8133—8141
22	Ishigaki M.， Kato Y.， Chatani E.， Ozaki Y.， J. Phys. Chem. B， 2023， 127（32）， 7111—7122
23	Han L.， Wang， H. P.， Cai W. S.， Shao X. G.， J. Phys. Chem. Lett.， 2023， 14（18）， 4127—4133
24	Su C. L.， Wang H. P.， Cai W. S.， Shao X. G.， J. Mol. Liq.， 2024， 402， 124795
25	Han L.， Sun Y.， Wang Y.， Fu H. H.， Duan C. S.， Wang M.， Cai W. S.， Shao X. G.， Spectrochim. Acta， Part A， 2023， 289， 122233
26	Wang M.， An H. L.， Cai W. S.， Shao X. G.， Chemosensors， 2023， 11（1）， 37
27	Shao X. G.， Leung A. K.， Chau F. T.， Acc. Chem. Res.， 2003， 6（4）， 276—83
28	Mallat S. G.， Trans. Am. Math. Soc.， 1989， 315（1）， 69—87
29	Mallat S. G.， IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell.， 1989， 11（7）， 674—693
30	Leung A. K.， Chau F.， Gao J.， Anal. Chem.， 1998， 70（24）， 5222—5229
31	Tsenkova R.， J. Near Infrared Spectrosc.， 2009， 17（6）， 303—313
32	Tonauer C. M.， Köck E. M.， Gasser T. M.， Fuentes⁃Landete V.， Henn R.， Mayr S.， Kirchler C. G.， Huck C. W.， Loerting T.， J. Phys. Chem. A， 2021， 125（4）， 1062—1068
33	Biswas S.， Mallik B. S.， J. Mol. Liq.， 2015， 212， 941—946

[1]	王英辉, 薛浩明, 马斌, 李宗璇, 马亚婷, 马蕾, 魏思敏. 氢键对羟基自由基与鸟嘌呤反应影响的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(8): 20240208.
[2]	高楠, 郑悦, 李欢欢, 臧婉辰, 元野, 杨亚杰, 金哲. 柱撑壳聚糖的氢键密堆积结构制备生物安全的高性能保润材料[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(3): 20230426.
[3]	陈晴晴, 李江涛, 黄欣蓉, 顾芳, 王海军. 氢键流体中Janus粒子的过量熵[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(2): 20230443.
[4]	王岩, 蔡文生, 邵学广. 近红外光谱用于低共熔溶剂中水结构的分析[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230017.
[5]	粟李醴, 邵学广, 蔡文生. Tau蛋白R2/wt片段形态受渗透剂影响机理的分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220745.
[6]	闵婧, 王力彦. 利用三中心氢键限制芳酰胺构象的核磁共振氢谱分析[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220084.
[7]	张勇, 许俊, 鲍雨, 崔树勋. 非极性有机溶剂对分子内氢键弱化程度的单分子力谱定量研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210863.
[8]	崔韶丽, 张维佳, 邵学广, 蔡文生. 自由能计算揭示苏氨酸对抗冻蛋白与冰晶结合能力的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210838.
[9]	胡波, 朱昊辰. 双层氧化石墨烯纳米体系中受限水的介电常数[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210614.
[10]	高慧玲, 曹珍珍, 顾芳, 王海军. 氢键型水凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220482.
[11]	王乐, 秦刘磊, 刘洋, 任丽, 徐慧婷, 刘尊奇. 一维链状氢键型甘氨酸超分子化合物[(Gly)₂⁺(18-crown-6)₂(MnCl₄)²^‒]的合成、结构及介电性质[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 691.
[12]	李晓蕾, 孙云娇, 唐颖, 王长生. 醇及脱氧核糖与水分子间三体作用强度的快速准确计算[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3664.
[13]	倪卿盛, 杜淼, 单国荣, 宋义虎, 吴子良, 郑强. 一维粒子对聚乙烯醇水溶液流变行为的调控[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3738.
[14]	巩珊珊, 吴彤, 王官格, 黄擎, 苏岳锋, 吴锋. 基于高效回收废旧锂离子电池正极材料的低共熔溶剂的筛选[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3151.
[15]	赵洪涛, 孙岩, 郭一畅, 蔡文生, 邵学广. 近红外光谱用于低温水结构的分析[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1968.