納米孔道電化學(xué)分析

本書是一部系統(tǒng)闡述納米孔道電化學(xué)分析方法及應(yīng)用的著作，在綜述納米孔道電化學(xué)發(fā)展歷史、原理和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對生物納米孔道、固態(tài)納米孔道、玻璃納米孔道，介紹了其原理、特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的要點(diǎn)與細(xì)節(jié)，詳細(xì)列出了目前納米孔道電化學(xué)測量儀器的組成及性能指標(biāo)等，講解了納米孔道電化學(xué)信號分析處理方法，總結(jié)了這些方法與技術(shù)在單個(gè)體測量的新進(jìn)展，并列舉了豐富的應(yīng)用實(shí)例。同時(shí)展望了納米孔道電化學(xué)分析領(lǐng)域的前沿和發(fā)展趨勢。
本書匯集了作者團(tuán)隊(duì)多年的研究成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)介紹了納米孔道電化學(xué)技術(shù)的原理、發(fā)展及應(yīng)用，兼具前沿性、實(shí)用性和綜合性，可供分析化學(xué)、電化學(xué)、單分子科學(xué)、傳感等領(lǐng)域的研究人員及高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生參考使用，也可用作高等院校分析化學(xué)、儀器分析等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)參考書。

龍億濤，南京大學(xué)生命分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、教育部長江學(xué)者。2007年回國在華東理工大學(xué)建立課題組。2019年起任南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，南京大學(xué)分子傳感與成像中心主任。2023年起任安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)副校長。研究方向?yàn)榧{米孔道單分子傳感、光譜電化學(xué)限域測量、電分析儀器裝置研制。共發(fā)表SCI論文300余篇，包括Nat. Nanotechnol., Nat. Chem., JACS.等期刊，總引超過2萬余次，H-index75；獲上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，中國分析測試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)和中國化學(xué)會(huì)分析化學(xué)基礎(chǔ)研究梁樹權(quán)獎(jiǎng)。主持基金委創(chuàng)新研究群體、重大科研儀器研制專項(xiàng)和863重大項(xiàng)目課題等；負(fù)責(zé)科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“單個(gè)體生命分析化學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”；曾任ACS Sensors創(chuàng)刊副主編，現(xiàn)任Chemical Science、Research、《高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)》副主編。

1.本書是一部系統(tǒng)介紹納米孔道電化學(xué)基礎(chǔ)原理和新成果的中文著作。 2.本書展示了納米孔道電化學(xué)分析領(lǐng)域的新進(jìn)展,突出介紹國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的新近研究和應(yīng)用成果。 3.本書基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)兼具，指導(dǎo)性強(qiáng)。 4.本書為國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助項(xiàng)目。

孔，通也。《說文解字》中，孔的含義是平面上通透的小洞。顧名思義“納米孔”是指具有納米尺寸孔徑的孔洞。筆者將具有識(shí)別傳感功能的納米孔稱作“納米孔道”，主要基于如下考慮：“孔”在漢字中的含義為“貫通”“透”，但并未闡明該孔具有的深度與厚度，是薄薄一張紙上的孔？還是山川中深邃的洞？這如同在顯微鏡下俯視觀察一個(gè)微孔，只能看到孔徑大小而不知孔有多深。“道”的釋義為“所行道也”，即“道路”，從道路起點(diǎn)走到終點(diǎn)，具有時(shí)序性和空間趨向性。故此，“納米孔道”意指具有納米尺寸直徑和一定深度的貫通孔。納米孔道作為傳感器時(shí)，待測物首先與“孔口”發(fā)生相互作用，兩者“相匹配”時(shí)，待測物被識(shí)別并進(jìn)入“孔”中，進(jìn)而在“道”中發(fā)生時(shí)序性的連續(xù)作用與運(yùn)動(dòng)。將孔道界面看作檢測系統(tǒng)中的“電極”，待測物與孔道之間的相互作用則可理解為電極界面的電化學(xué)過程。記錄的電流信號變化可以反映待測物與孔道之間的相互作用及待測物的特性信息。
納米孔道電化學(xué)作為一種新興起的電化學(xué)分析方法，以“孔道”作為電荷傳輸限域空間，將電化學(xué)傳感分析從宏觀界面推進(jìn)到納米限域界面，從分子整體行為測量推進(jìn)到單個(gè)分子、單個(gè)顆粒、單個(gè)細(xì)胞等單個(gè)體水平差異性測量，在DNA測序、蛋白質(zhì)構(gòu)象解析和測序、多糖序列識(shí)別、化學(xué)反應(yīng)中間體識(shí)別、單分子反應(yīng)路徑監(jiān)測，以及分子、離子和電荷的限域仿生傳輸研究等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。納米孔道電化學(xué)的研究屬于前沿交叉方向，可推動(dòng)生物大分子測序、高通量臨床標(biāo)志物監(jiān)測及生化反應(yīng)等研究，或成為化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。
在總結(jié)筆者多年科研教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和匯集國內(nèi)外最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本書從基礎(chǔ)知識(shí)和理論出發(fā)，系統(tǒng)闡述了納米孔道電化學(xué)分析技術(shù)的原理、儀器、方法及其應(yīng)用，重點(diǎn)講述了研究應(yīng)用實(shí)例。全書共分為8章。第1章概述了納米孔道電化學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用；第2～4章分別詳細(xì)介紹了生物、固體、玻璃納米孔道檢測技術(shù)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法，具體包括孔道的制備表征、功能化設(shè)計(jì)修飾以及單個(gè)體測量研究等內(nèi)容；第5章重點(diǎn)介紹了納米孔道電化學(xué)測量儀器系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)，并簡述了常見商品化儀器；第6章主要介紹了納米孔道電化學(xué)信號分析與處理的原理和方法；第7章綜述了生物、固體和玻璃納米孔道單個(gè)體分析研究進(jìn)展；第8章總結(jié)并展望了納米孔道電化學(xué)分析領(lǐng)域面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本書還提供了具體的應(yīng)用實(shí)例，不僅對相關(guān)領(lǐng)域的科研人員具有重要的參考價(jià)值，也可供對該技術(shù)感興趣的高等院校教師、學(xué)生參考借鑒。由于筆者學(xué)術(shù)水平和精力有限，書中難免存在疏漏和不當(dāng)之處，懇請同行專家和廣大讀者批評指正。
本書由龍億濤等編著。參與本書編寫的人員有：應(yīng)佚倫、于汝佳、馬慧、胡正利、劉少創(chuàng)、李孟寅、武雪原、胡詠絮、蘆思珉、鐘誠兵、蔣杰、牛紅艷、劉威、李欣怡、陳夢潔、高凡、霍明珠、楊超男、張琳琳、陳珂樂和周子琪。在校稿過程中得到了任壬、湯娟、辛凱莉、王佳、謝保康、高妍、李俊鴿、傅英煥、黃庭婧、宋嘉凱、魏慧君、李亞雪的支持和幫助。值2023年冬，筆者團(tuán)隊(duì)在南京舉辦了國際納米孔道電化學(xué)會(huì)議，邀請到John J. Kasianowicz博士參會(huì)報(bào)告，并為本書撰寫了序言，謹(jǐn)謝東南大學(xué)汪海燕博士將此序言譯為中文！在此對所有參與人員謹(jǐn)致衷心的感謝！感謝本書責(zé)任編輯的邀約和指導(dǎo)，以及國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金的資助，正是這份支持使本書能夠呈現(xiàn)在廣大讀者面前。特別感謝國家自然科學(xué)基金委員會(huì)對筆者團(tuán)隊(duì)研究工作的長期支持，感謝化學(xué)工業(yè)出版社工作人員在本書出版過程中的寶貴幫助與辛勤付出，感謝各位同仁的支持！
二十年來，納米孔道電化學(xué)之路，筆者深覺“道”直而深邃，需純粹之心方能成就卓絕。參與本書的編者，皆在筆者課題組深耕學(xué)習(xí)或攜手工作過，共同見證了此領(lǐng)域歷風(fēng)霜、沐疑云而行穩(wěn)致遠(yuǎn)。在此發(fā)展歷程中，深識(shí)世情人心，于摯友于挑戰(zhàn)，銘記于心，歷經(jīng)艱辛曲折，見微知著，無怨無悔，納米孔道電化學(xué)，因純粹之追求而更顯豐饒！

龍億濤
2024年2月于南京

第1章 納米孔道電化學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用	001
1.1　納米孔道電化學(xué)分析	002　納米孔道電化學(xué)分析	002
1.2　納米孔道的分類	002
1.3　納米孔道電化學(xué)技術(shù)原理	003
1.4　納米孔道電化學(xué)分析的應(yīng)用	006
1.4.1　納米孔道單分子測序	007
1.4.2　納米孔道單分子分析	008
1.4.3　納米孔道限域可控單分子化學(xué)	010
1.4.4　納米孔道單個(gè)體電化學(xué)	011
參考文獻(xiàn)	012

第2章 生物納米孔道檢測系統(tǒng)	017
2.1　磷脂雙分子層	018
2.1.1　磷脂雙分子層的構(gòu)建	020
2.1.2　磷脂雙分子層膜的表征	023
2.2　蛋白質(zhì)生物納米孔道及其組裝	024
2.2.1　蛋白質(zhì)生物納米孔道	024
2.2.2　蛋白質(zhì)生物納米孔道的組裝	026
2.3　納米孔道電化學(xué)實(shí)驗(yàn)	030
2.3.1　電極的制備	030
2.3.2　檢測池的裝配	031
2.3.3　實(shí)驗(yàn)操作步驟	032
2.3.4　孔道內(nèi)的基礎(chǔ)電化學(xué)機(jī)制	039
2.3.5　生物納米孔道單分子實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)	042
2.4　生物納米孔道的可控構(gòu)建	045
2.4.1　孔道內(nèi)天然氨基酸的定點(diǎn)突變	045
2.4.2　孔道內(nèi)非天然氨基酸的引入	047
2.4.3　孔道內(nèi)的化學(xué)修飾	050
2.4.4　其他孔道	052
參考文獻(xiàn)	054

第3章 固體納米孔道檢測系統(tǒng)	057
3.1　固體納米孔道	058
3.2　固體納米孔道體系的構(gòu)建	058
3.2.1　電化學(xué)可控刻蝕的固體納米孔道制備平臺(tái)的搭建	061
3.2.2　固體納米孔道制備平臺(tái)軟件控制系統(tǒng)的開發(fā)	063
3.3　固體納米孔道體系的表征	067
3.3.1　I-V曲線對納米孔道孔徑的表征	067
3.3.2　TEM對納米孔道孔徑的表征	067
3.4　固體納米孔道體系的修飾	068
3.5　固體納米孔道實(shí)驗(yàn)	069
3.5.1　檢測池的裝配	069
3.5.2　固體納米孔道檢測實(shí)例	070
參考文獻(xiàn)	079

第4章 玻璃納米孔道單個(gè)體測量	081
4.1　玻璃納米孔道	082
4.2　玻璃納米孔道的構(gòu)建方法	083
4.3　玻璃納米孔道的表征	087
4.4　功能化玻璃納米孔道及無線納米孔電極的構(gòu)建	089
4.4.1　玻璃納米孔道的功能化	089
4.4.2　新型無線納米孔電極的制備及表征	091
4.5　玻璃納米孔道實(shí)驗(yàn)	097
4.5.1　實(shí)驗(yàn)材料	097
4.5.2　無線納米孔電極的制備	098
4.5.3　離子的高靈敏度檢測	099
4.5.4　淀粉樣蛋白分子聚集過程分析	101
4.5.5　活細(xì)胞的氧化還原代謝檢測	103
4.5.6　單個(gè)納米顆粒檢測	106
參考文獻(xiàn)	108

第5章 納米孔道微電流電化學(xué)測量儀器	111
5.1　儀器組成	113
5.1.1　微電流放大器	113
5.1.2　模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換	117
5.1.3　微控制器及軟件	119
5.2　儀器性能指標(biāo)	120
5.2.1　系統(tǒng)帶寬	120
5.2.2　噪聲及降噪措施 	121
5.2.3　儀器校準(zhǔn)	133
5.3　納米孔道檢測儀器的發(fā)展	135
5.3.1　常見的商品化儀器	135
5.3.2　自主研發(fā)的單分子測量儀器	137
參考文獻(xiàn)	138

第6章 納米孔道電化學(xué)信號分析與處理	140
6.1　信號預(yù)處理	141
6.2　數(shù)據(jù)處理獲取信號的原理和方法	143
6.2.1　閾值法	143
6.2.2　等效電路還原法	146
6.2.3　積分電流面積還原法	148
6.2.4　基于極值躍遷法的信號處理 	154
6.3　納米孔道信號頻域分析方法	159
6.4　其他納米孔道信號分析方法	161
6.4.1　基于形狀的信號識(shí)別與數(shù)據(jù)分類	161
6.4.2　基于HMM的機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別信號	162
6.4.3　DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)	164
6.5　納米孔道數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)操作	165
6.5.1　MOSAIC	165
6.5.2　Nanopore Analysis	167
6.5.3　PyNanoLab	167
參考文獻(xiàn)	172

第7章 納米孔道電化學(xué)限域可控單個(gè)體分析	175
7.1　生物納米孔道應(yīng)用	176
7.1.1　生物納米孔道檢測原理	176
7.1.2　基于單分子界面的動(dòng)態(tài)分析	176
7.1.3　單分子反應(yīng)	183
7.1.4　基于相互作用的單分子界面?zhèn)鞲行阅艿木珳?zhǔn)調(diào)控	188
7.2　固態(tài)納米孔道應(yīng)用	192
7.2.1　固態(tài)納米孔道的表面修飾	193
7.2.2　固態(tài)納米孔道單分子檢測	196
7.2.3　固態(tài)納米孔道DNA測序	197
7.2.4　固態(tài)納米孔道檢測單分子構(gòu)象變化	198
7.2.5　基于二維材料的固態(tài)納米孔道傳感應(yīng)用	201
7.2.6　光電同步檢測	202
7.3　玻璃納米孔道應(yīng)用	205
7.3.1　玻璃納米孔道的電化學(xué)分析原理	205
7.3.2　基于整流現(xiàn)象的單分子分析方法	207
7.3.3　玻璃納米孔道單分子及單顆粒分析	209
7.3.4　基于玻璃納米孔道的單細(xì)胞分析	216
7.3.5　新型玻璃納米孔道電極的應(yīng)用	219
參考文獻(xiàn)	222

第8章 總結(jié)與展望	232
參考文獻(xiàn)	246