该文档属于类型a：报告单一原创研究的科学论文。以下是学术报告内容：

近红外光谱结合化学计量学与分子模拟揭示水结冰过程中的结构变化

一、作者及发表信息
本研究由南开大学化学学院分析科学研究中心（Research Center for Analytical Sciences）的Li Han（#共同一作）、Haipeng Wang（#共同一作）、Wensheng Cai*（通讯作者）及Xueguang Shao*（通讯作者）合作完成，发表于《Analytical Chemistry》2025年第97卷（12100-12107页）。研究获得了中国国家自然科学基金（22174075、22374082）和海河实验室可持续化学转化项目的支持。

二、学术背景
水结冰是自然界普遍现象，但冰晶形态和晶体结构受温度、压力、溶质等因素影响而呈现复杂性。传统研究难以捕捉结冰瞬态过程中水分子氢键网络的类型a：

《近红外光谱结合化学计量学与模拟揭示水结冰过程中的结构演变》研究报告

一、研究团队与发表信息

本研究由南开大学化学学院分析科学研究中心、天津市生物传感与分子识别重点实验室的李汉（Li Han）、王海鹏（Haipeng Wang）作为共同第一作者，蔡文生（Wensheng Cai）和邵学广（Xueguang Shao）作为通讯作者合作完成，发表于《Analytical Chemistry》2025年第97卷，页码12100–12107。

二、学术背景与研究目标

科学领域：物理化学与光谱分析交叉领域，聚焦水相变过程的分子动力学机制。

研究动机：水结冰是自然界普遍现象，但其微观结构动态变化（如氢键网络重排）的实验观测仍存在挑战。传统研究受限于瞬态核形成（nucleation）和界面结构的捕捉难度。

背景知识：
1. 冰核形成前，超冷水可能先形成扭曲四面体结构；
2. 冰水界面存在立方（cubic）与六方（hexagonal）结构的动态转化；
3. 近红外光谱（NIR）对OH振动敏感，可区分氢键数量差异的水分子结构。

研究目标：通过NIR光谱结合化学计量学与分子动力学（MD, Molecular Dynamics）模拟，揭示冰核形成、晶体生长中瞬态水结构及其动态转换路径。

三、实验流程与分析方法

1. 近红外光谱实验

• 研究对象：超纯水（20 mL），在静态（无搅拌）和机械搅拌条件下分别降温至-3°C至-10°C。
  
• 设备：布鲁克Matrix F光谱仪（波长范围4000–12000 cm⁻¹），配有1 mm透射光纤探头。
  
• 关键步骤：
  
  • 以0.2°C/min速率降温，每分钟采集光谱（64次扫描降噪，或1次快速扫描捕捉瞬态信号）。
    
  • 记录温度曲线划分冻结阶段（如静态分4阶段，搅拌分7阶段）。
    

2. 化学计量学分析

• 连续小波变换（CWT）：用Sym4小波提升光谱分辨率，识别氢键相关峰（如7126 cm⁻¹对应自由OH，6842 cm⁻¹对应双氢键水分子）。
  
• 主成分分析（PCA）：提取光谱主成分（PCs），PC3揭示冰核前驱体（6808 cm⁻¹的瞬态四面体结构），PC4显示立方/六方界面结构的相互转化（6862 cm