红外和近红外分光法的优点在于，能够直观地获取分子振动的光谱信息，并且对任何样品在任何状态下都能检测，它们作为无损、快速的分析方法已经被广泛地应用于生物、医学等领域。为了更好地利用红外和近红外光谱研究蛋白分子的结构和特性，人们不断地提出新的实验手段和光谱分析方法，但是仍然存在一些难题没有很好地解决，特别是溶液中蛋白分子的二级结构、水合作用及其动力学过程还有待进一步阐明。此外，虽然分子振动理论早已完善，但是随着计算机技术的发展，利用分子振动理论与计算机辅助相结合解析分子振动状态的研究工作也有必要进一步完善。 本论文利用红外和近红外光与分子相互作用的理论，通过对加热导致的溶液中蛋白分子的变性过程的分析，对溶液中蛋白分子的二级结构、水合作用及其热动力学特性进行了详细的研究。在研究中，采用了计算机辅助分子振动分析、光谱解析和光谱实验相结合的手段。首先，利用分子振动理论与计算机辅助相结合，系统地研究了分子的振动状态并总结了其规律；其次，在实验上通过对溶液中蛋白分子的热动力学红外和近红外光谱的检测和解析，研究了蛋白分子的二级结构、水合作用及其热动力学过程；再次，在参与分光光度计项目研究的基础上，对红外和近红外光谱实验方法和实验装置进行了研究。 在本论文中，所完成的研究工作和取得的研究结果概要如下：(1)分子振动理论方面：①从经典和量子力学理论的角度对分子振动理论进行了阐述。②利用分子振动理论与计算机辅助相结合研究了不同结构分子的振动状态，特别模拟了分子的内坐标力常数对分子振动基频的影响，为分子光谱实验和光谱解析提供了指导。 (2)在红外分光法对重水溶液中BSA的研究中，主要利用酰胺Ⅰ谱带解析了蛋白分子在重水溶液中的二级结构及其热动力学过程，不同的分析方法所获得的结果为：①二阶导数光谱和曲线拟合用于分离来源于不同二级结构的谱带。在26℃时，BSA的二级结构含有62.54﹪的α-螺旋、29.11﹪的β-链、7.76﹪的β-转角以及不含β-片层；在90℃时，含有18.20﹪的α-螺旋、31.53﹪的β-链、25.11﹪的β-转角、19.70﹪的β-片层和5.46﹪的无规卷曲。结果表明，在升温过程中，二级结构的变化表现为：α-螺旋的减少不仅仅伴随着β-片层的形成，而且还伴随着β-转角的增加和无规卷曲的形成。②相关性分析和渐进因子分析(Evolvingfactoranalyais，EFA)用于解析重水溶液中蛋白分子二级结构变化的热动力学特性。它们的结果均表明，在升温过程中，BSA的显著结构变化发生在温度区间70-82℃。此外，三因子渐进因子分析的结果显示，加热导致的重水溶液中BSA的结构变化发生在两个温度区域——56-70℃和70-82℃，其中56-70℃的结构变化比较微小，仅表现为β-片层的形成，而70-82℃附近的结构变化表现为β-片层和β-转角的增加以及无规卷曲的形成。③二维相关光谱用于解析不同二级结构之间在加热过程中的相关性变化。同步相关光谱的结果显示，在加热过程中α-螺旋与β-片层和β-转角之间有很强的协同变化，这表明α-螺旋的减少导致了β-片层和β-转角的增加。异步相关光谱的结果显示，在加热过程中，最早发生变化的是α-螺旋结构，β-片层结构的变化要早于β-转角、β-链、无规卷曲的变化。 (3)在近红外分光法对水溶液中BSA的研究中，7500-5500cm-1和4900-4200cm-1两个光谱区域分别用于研究BSA在溶液中的水合作用和二级结构，所获得的结果为：①水溶液中BSA的温度相关差光谱在光谱区间7200-6600cm-1的光谱强度变化显示了由于加热引起的BSA水合作用的变化。BSA水溶液中的水分子可以分为自由水和束缚水两类，自由水具有与纯水相近的结构，而束缚水在加热过程中会从蛋白分子的表面移去而成为自由水。水溶液中BSA的水合作用的热动力学过程变化表现为溶液中束缚水向自由水的转化。②水溶液中BSA的温度相关差光谱在光谱区间4650-4500cm-1的光谱强度变化显示了由于加热引起的BSA二级结构的变化。随着温度的升高，4600cm-1附近吸收峰的强度变小并且略向高波数移动，表明BSA二级结构中α-螺旋的减少和氢键作用对NH键的影响减小了；在高温时，一个新的肩峰在4530cm-1附近出现，表明BSA二二级结构中形成了β-片层，这证实了4600cm-1附近的谱带可用于蛋白分子二级结构检测的可能性。③相关性分析和渐进因子分析用于解析水溶液中BSA的结构和水合作用的热动力学特性。在加热过程中，BSA水合作用的剧烈变化发生在73℃附近，而BSA结构的剧烈变化发生在71℃附近，即水溶液中BSA的结构变化发生在水合作用之前，换句话说，蛋白分子的显著水合作用的变化是由于二级结构的改变引起的。 (4)在红外和近红外光谱的实验方法和实验装置的研究方面：①对目前的红外和近红外分光光度计中所使用的光源、检测器、分光系统进行了归纳和总结。②针对光栅色散式的分光光度计中的光谱级次重叠问题，提出了一种新的光谱纯净方法，根据该方法设计的滤光片能够满足全谱并行测量的要求，适用于超快速光谱分析的应用。③结合计算机和网络技术，提出了具有远程访问功能分光光度计的设想，这一功能已在自主开发的分光光度计中得以应用，远程功能在一定程度上扩大了分光光度计的使用空间范围。④提出了一种用于溶液样品和微量液体的近红外光谱测量的毛细管法，通过与采用常规的近红外样品池所获得的光谱进行比较，证实了毛细管法的可靠性。毛细管法具有节省样品、便于取样、不需清洗样品池等优点，这使得它能够适用于生物医学上的应用研究。 本论文的研究工作，在计算机辅助研究分子振动状态方面进行了有益的探索，对溶液中蛋白分子的二级结构、水合作用及其热动力学特性进行了总结并获得了对它们的新的认识，提出了红外和近红外光谱的实验方法和实验装置的新的设计。研究结果不仅对分子振动的理论研究提供了新的思路，而且对于红外和近红外分光法对蛋白分子的应用研究具有一定的参考价值。论文中所提出的观点以及创新性归纳如下：①首次将渐进因子分析引入到对蛋白分子的红外和近红外光谱解析当中，并论证了它是解析动力学过程的有力工具。 ②在利用近红外分光法研究蛋白分子的水合作用中，论证了加热导致的蛋白分子水合作用的变化机理实质上是溶液中自由水和束缚水之间的转化。 ③利用二维相关光谱解析温度扰动的蛋白分子动态光谱，获得了升温过程中蛋白分子二级结构的变化次序为：α-螺旋→β-片层→β-转角、β-链、无规卷曲。