引言
理解（生物）化学反应过程（如体内酶的催化功能）需要关于所涉及分子体系结构动力学的详细信息。偏振分辨飞秒中红外泵浦-探测光谱（PR-fs-IR）是一种相对较新的技术，可用于测量水溶液中溶剂化水分子的重取向动力学。该技术能够测量溶液中水分子的完整取向相关函数，并可区分类体相水分子和与溶质的疏水、亲水及离子基团直接（溶剂化）接触的水分子。
偏振分辨飞秒红外光谱在水体系中的应用
振动饱和光谱
在振动饱和光谱中，一个强泵浦或激发脉冲将部分分子激发到第一振动激发态（ν = 0 → ν = 1）。随后，用探测脉冲检测由此激发产生的瞬态吸收变化。这些吸收变化包括三种不同效应：基态漂白（ν = 0 → ν = 1吸收的减少）、受激发射（ν = 1 → ν = 0）和诱导吸收（ν = 1 → ν = 2）。通过检测具有延迟的探测脉冲引起的瞬态吸收（Δa）变化，可以提供关于ν = 1态的时间依赖性占据信息，从而了解振动能量弛豫。
该技术可通过测量激发和探测脉冲偏振方向相对依赖关系进行扩展。当用具有特定偏振的飞秒中红外脉冲激发分子溶液时，其跃迁偶极矩平行于该偏振的分子主要被激发。因此，瞬态吸收信号是各向异性的。这种各向异性及其动力学可以通过在延迟时间τ下，用探测偏振方向平行或垂直于泵浦偏振方向的探测脉冲来检测瞬态吸收变化。平行瞬态吸收（Δa∥(τ)）和垂直瞬态吸收（Δa⊥(τ)）变化随后可用于确定各向同性瞬态吸收（Δaiso(τ)）和各向异性R。R的衰减给出了振动激发各向异性的动力学信息，从而反映了分子的重取向动力学。
纯水中的分子重取向
水分子的动力学性质与氢键网络的结构动力学密切相关。PR-fs-IR已被用于研究纯H2O和纯D2O中HDO的重取向。对于D2O中HDO的OH振动，发现重取向常数约为3 ps，而对于H2O中HDO的OD振动，观察到重取向常数约为2.5 ps。这种差异可以通过溶剂D2O和H2O的性质来解释。D2O的氢键动力学比H2O稍慢，导致HDO分子在D2O溶剂中的重取向比在H2O溶剂中慢。
与不同性质分子基团相互作用的水的分子重取向
疏水分子基团
水与疏水分子基团之间的相互作用是一个非常重要且长期备受关注的课题。PR-fs-IR实验表明，疏水基团周围的水分子重取向明显减慢。例如，在含有四甲基脲（TMU）的水溶液中，水的各向异性衰减呈双指数，快分量（约2.5 ps）归因于体相水，慢分量（时间常数>10 ps）归因于溶剂化TMU分子的水分子。与尿素溶液相比，TMU对水动力学的显著影响被归因于水分子围绕疏水甲基基团。研究发现，每个甲基基团会减慢约4-5个水OH基团的重取向，且这种影响是短程的，只有溶质第一水合壳层中的水分子受到影响。
疏水基团的聚集程度可以通过不同溶质浓度下慢水组分振幅的变化来研究。对于TMU和叔丁醇（TBA）溶液，增加溶质浓度会导致慢水组分振幅快速饱和，这被解释为溶质分子的聚集。然而，对于三甲胺N-氧化物（TMAO），饱和仅在很高浓度下发生，这是由于水合壳之间的竞争所致。不同的聚集行为是由溶质亲水基团的性质解释的：TMAO的强极性亲水基团比TBA和TMU的亲水基团形成更多更强的氢键，从而阻止了TMAO的聚集。
亲水分子基团
亲水分子基团对水重取向动力学也有显著影响。PR-fs-IR可以通过测量水重取向的频率依赖性来探测亲水溶质的影响，因为亲水相互作用通常影响被探测OD/OH基团捐赠的氢键，从而影响其振动伸缩频率。
对于水中的TMAO溶液，在OH伸缩吸收带的红翼（低频侧）观测到的水分子重取向比在中心慢得多。这种慢重取向被指定为水分子捐赠强氢键给TMAO的高极性N=O基团。丙酮和二甲基亚砜（DMSO）混合水溶液也显示出水分子的频率依赖性重取向。对于这两种混合物，在较高溶质浓度下，水的线性吸收光谱发生蓝移，这被解释为溶质与水之间存在相对较弱的氢键。在低频和高频区域观测到的水重取向不同，再次表明重取向是频率依赖性的。
糖羟基基团
糖在其结构及其水合壳重取向动力学方面与上述讨论的亲水基团有很大不同。糖水溶液中水的线性吸收谱不随糖浓度的增加而改变，这意味着糖和水之间的水键强度与体相水中的键相似。然而，添加糖后水的重取向常数确实发生了变化。出乎意料的是，糖溶液显示的各向异性衰减可以用单指数函数很好地描述，其时间常数取决于糖的性质和浓度。这一发现表明糖对水分子重取向的影响范围相当长。此外，水重取向时间常数的增加相对于糖浓度是超线性的。后一种行为被解释为在较高糖浓度下形成了糖分子的共享水合壳。
离子基团
离子水合壳中水的结构和动力学已通过各种实验和理论技术进行了研究。PR-fs-IR测量的水分子动力学对阴离子和阳离子有显著差异。这种差异可以通过PR-fs-IR对羟基伸缩振动跃迁偶极矩取向的敏感性来解释。水的羟基可以捐赠氢键给阴离子，这阻碍了羟基的旋转。阳离子主要与水分子的氧原子相互作用，这使得水分子羟基的旋转相对自由。
已经用PR-fs-IR测量了阴离子水合壳的若干动力学参数。这些包括水合壳中光谱扩散的特征时间尺度、整个阴离子水合壳的框架重取向、以及水分子离开阴离子水合壳的特征时间尺度。对于卤素阴离子的水合壳，光谱扩散的特征时间尺度为10-25 ps，对于ClO4–离子，观察到约为5 ps。对于卤素阴离子的水合壳框架重取向，报道的时间常数为7-12 ps。水分子在卤素离子Cl–、Br–和I–水合壳中OH基团的壳外旋转时间常数分别为11、8和6 ps。
大分子结构
胶束和乳液
对纳米水滴中水的结构和动力学研究始于反相胶束。PR-fs-IR用于研究通过将同位素稀释的水和表面活性剂辛基磺基琥珀酸钠（AOT）加入到非极性溶剂中形成的胶束。在这些溶液中，水纳米液滴自发形成，外壳被AOT表面活性剂覆盖。水纳米液滴的直径与水/表面活性剂比率成正比增加。
对反相AOT胶束的PR-fs-IR研究显示了复杂的水各向异性，在某些情况下导致双指数衰减，有时甚至出现各向异性的再次上升。随着水/表面活性剂比率的降低（对应更小的反相胶束尺寸），各向异性衰减变慢。此外，观察到水的重取向取决于被探测水分子的振动频率；与较低OH伸缩频率相比，较高OH伸缩频率显示出更大的慢水重取向组分。
从这些结果得出结论，在这些反相胶束中可以区分出两个不同的水分子部分：水纳米液滴核心的类体相水分子和液滴外壳的表面结合水分子。AOT反相胶束水壳中的水分子与磺酸根头基的氧原子形成氢键。这些氢键比类体相水分子之间的氢键弱，导致更高的OH伸缩频率和更长的振动寿命。尽管AOT反相胶束水壳中的氢键比核心弱，但这些壳水分子的重取向比核心水分子慢。
聚合物溶液和水凝胶
PR-fs-IR可用于研究不同聚合物体系的空间结构。例如，它已被用于研究高分子量（M ≈ 100,000）和低分子量（M ≈ 10,000）透明质酸水溶液的结构。发现水的重取向具有快分量和慢分量，其中快分量对应于体相水。每个透明质酸（二糖）单元的慢OH基团数量被发现对两种研究的透明质酸分子量都显示出对pH值的有趣依赖性。
在pH = 2.1（低分子量）和pH = 2.4（高分子量）处发现慢水组分存在最小值。有趣的是，这些最小值对应于水溶液整体粘性和弹性模量的最大值。 around pH = 2.5，高分子量透明质酸水溶液形成一种弹性的所谓油灰状态。这构成了一个有趣的明显悖论：当整体液体动力学变慢（系统甚至变得有弹性）时，缓慢重取向的水分子比例却最小。
慢水组分和油灰状态的结合观察表明形成了延伸的聚合物链连接网络。这些链的形成导致水分子被排出，从而减少了重取向减慢的水分子比例。
蛋白质
蛋白质是人体中非常重要的一类分子。用PR-fs-IR研究水重取向动力学为了解蛋白质折叠机制提供了新的见解。所有研究的蛋白质溶液，即牛α-乳清蛋白、鸡蛋清溶菌酶、牛β-乳球蛋白和牛血清白蛋白，都显示出快水和慢水重取向部分，分别归属于体相水和与蛋白质亲水及疏水基团相互作用的水。慢水部分随蛋白质浓度线性增加，从而可以确定每个蛋白质分子的慢（溶剂化）水分子数量。
PR-fs-IR也被用于研究尿素诱导的蛋白质解折叠机制。尿素是常用的蛋白质变性剂，已被证明对水重取向影响很小。因此，添加尿素后水重取向的变化为尿素诱导的蛋白质折叠度变化提供了一个很好的探针。慢水组分的增加比之前用色氨酸荧光和圆二色谱（CD）显示的解折叠更呈线性。这一发现意味着蛋白质在其次级结构仍然完整的同时，增加了与水的相互作用。因此得出结论，在蛋白质结构域重排发生之前，蛋白质结构变得不那么紧密并吸收了大量的水。
讨论
在上一节中，我们描述了几种能够测量溶剂化大分子结构的水分子重取向的技术。这些技术都有其特定的优点和缺点。
其中一种技术是NMR，它探测T1质子自旋弛豫时间或自旋回波扩散时间，这些可以与水分子的取向和平动迁移率相关联。NMR的一个缺点是其本征时间尺度通常远大于水分子分子尺度扩散的时间尺度。因此，在此时间尺度内，与溶质紧密接触的水分子会与体相水分子反复交换，使得推导出的重取向时间成为溶液中所有水分子的平均重取向时间常数。
DR可以测量溶液中不同类型水分子的重取向动力学。DR测量的响应构成了偶极相关函数的低频傅里叶变换，对于水体系，这将包含水分子偶极重取向的巨大贡献。因此，DR在测量完整的取向相关函数方面与PR-fs-IR有相似之处。一个重要区别在于，DR测量的是分子静态偶极的取向相关函数，而PR-fs-IR测量的是分子振动跃迁偶极矩的取向相关函数。
PR-fs-IR光谱探测H2O/D2O中HDO的OD/OH基团伸缩振动激发的各向异性，因此，该技术探测单个水分子的重取向，或者更精确地说，是单个羟基基团的重取向。PR-fs-IR对水分子具有高度选择性，因为水分子的响应通常可以通过将飞秒红外脉冲调谐到水分子的分子振动来进行光谱选择。因此，在选择性测量大分子体系溶液中水分子的取向动力学方面，PR-fs-IR相对于NMR和DR具有优势。
PR-fs-IR的另一个弱点是其可测量动力学的时间尺度有限。对水分子重取向的探测依赖于检测O-H或O-D伸缩振动激发的各向异性的能力，因为这种激发是能够跟踪分子动力学的标记。HDO在D2O中的O-H振动和HDO在H2O中的O-D振动的振动寿命分别为0.7 ps和1.8 ps。在大多数实验实施中，可以在6-7个振动寿命内观察到激发的衰减及其各向异性，即对于H2O中HDO的O-D振动约为12 ps。只有当O-H/O-D基团与弱水合阴离子（如Br–、I–、BF4–和ClO4–）形成氢键时，振动寿命才显著延长，从而能够在更长的时间间隔内测量重取向，并与类体相水分子的重取向清晰区分。
结论
研究溶剂化分子的水的结构和动力学为了解这些溶质的性质，如其结构和结构动力学，提供了重要的见解。本综述讨论了如何利用偏振分辨飞秒红外光谱（PR-fs-IR）技术，通过测量溶剂化水分子的重取向动力学来探测聚合物和超分子体系的结构与动态。测量水的重取向因此在获取水介质中复杂和延伸分子体系的空间结构和构象方面具有巨大潜力。
