納米孔道電化學分析

本書是一部系統闡述納米孔道電化學分析方法及應用的著作，在綜述納米孔道電化學發(fā)展歷史、原理和應用的基礎上，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、特點和實驗技術的要點與細節(jié)，詳細列出了目前納米孔道電化學測量儀器的組成及性能指標等，講解了納米孔道電化學信號分析處理方法，總結了這些方法與技術在單個體測量的新進展，并列舉了豐富的應用實例。同時展望了納米孔道電化學分析領域的前沿和發(fā)展趨勢。
本書匯集了作者團隊多年的研究成果和教學經驗，系統介紹了納米孔道電化學技術的原理、發(fā)展及應用，兼具前沿性、實用性和綜合性，可供分析化學、電化學、單分子科學、傳感等領域的研究人員及高等院校相關專業(yè)學生參考使用，也可用作高等院校分析化學、儀器分析等相關專業(yè)的教學參考書。

龍億濤，南京大學生命分析化學國家重點實驗室教授，國家杰出青年科學基金獲得者、教育部長江學者。2007年回國在華東理工大學建立課題組。2019年起任南京大學化學化工學院教授，南京大學分子傳感與成像中心主任。2023年起任安徽工業(yè)大學學術副校長。研究方向為納米孔道單分子傳感、光譜電化學限域測量、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；獲上海市自然科學一等獎，中國分析測試協會科學技術特等獎和中國化學會分析化學基礎研究梁樹權獎。主持基金委創(chuàng)新研究群體、重大科研儀器研制專項和863重大項目課題等；負責科技部重點領域創(chuàng)新團隊“單個體生命分析化學創(chuàng)新團隊”；曾任ACS Sensors創(chuàng)刊副主編，現任Chemical Science、Research、《高等學?；瘜W學報》副主編。

孔，通也?！墩f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微孔，只能看到孔徑大小而不知孔有多深?！暗馈钡尼屃x為“所行道也”，即“道路”，從道路起點走到終點，具有時序性和空間趨向性。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，待測物首先與“孔口”發(fā)生相互作用，兩者“相匹配”時，待測物被識別并進入“孔”中，進而在“道”中發(fā)生時序性的連續(xù)作用與運動。將孔道界面看作檢測系統中的“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。
納米孔道電化學作為一種新興起的電化學分析方法，以“孔道”作為電荷傳輸限域空間，將電化學傳感分析從宏觀界面推進到納米限域界面，從分子整體行為測量推進到單個分子、單個顆粒、單個細胞等單個體水平差異性測量，在DNA測序、蛋白質構象解析和測序、多糖序列識別、化學反應中間體識別、單分子反應路徑監(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特的優(yōu)勢。納米孔道電化學的研究屬于前沿交叉方向，可推動生物大分子測序、高通量臨床標志物監(jiān)測及生化反應等研究，或成為化學、生物、醫(yī)學等領域的新熱點。
在總結筆者多年科研教學經驗和匯集國內外最新研究進展的基礎上，本書從基礎知識和理論出發(fā)，系統闡述了納米孔道電化學分析技術的原理、儀器、方法及其應用，重點講述了研究應用實例。全書共分為8章。第1章概述了納米孔道電化學基礎與應用；第2～4章分別詳細介紹了生物、固體、玻璃納米孔道檢測技術的理論知識和實驗方法，具體包括孔道的制備表征、功能化設計修飾以及單個體測量研究等內容；第5章重點介紹了納米孔道電化學測量儀器系統的組成和性能指標，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體分析研究進展；第8章總結并展望了納米孔道電化學分析領域面臨的機遇和挑戰(zhàn)。本書還提供了具體的應用實例，不僅對相關領域的科研人員具有重要的參考價值，也可供對該技術感興趣的高等院校教師、學生參考借鑒。由于筆者學術水平和精力有限，書中難免存在疏漏和不當之處，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?？?、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，筆者團隊在南京舉辦了國際納米孔道電化學會議，邀請到John J. Kasianowicz博士參會報告，并為本書撰寫了序言，謹謝東南大學汪海燕博士將此序言譯為中文！在此對所有參與人員謹致衷心的感謝！感謝本書責任編輯的邀約和指導，以及國家科學技術學術著作出版基金的資助，正是這份支持使本書能夠呈現在廣大讀者面前。特別感謝國家自然科學基金委員會對筆者團隊研究工作的長期支持，感謝化學工業(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習或攜手工作過，共同見證了此領域歷風霜、沐疑云而行穩(wěn)致遠。在此發(fā)展歷程中，深識世情人心，于摯友于挑戰(zhàn)，銘記于心，歷經艱辛曲折，見微知著，無怨無悔，納米孔道電化學，因純粹之追求而更顯豐饒！

龍億濤
2024年2月于南京

第1章 納米孔道電化學基礎與應用	001
1.1　納米孔道電化學分析	002　納米孔道電化學分析	002
1.2　納米孔道的分類	002
1.3　納米孔道電化學技術原理	003
1.4　納米孔道電化學分析的應用	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	010
1.4.4　納米孔道單個體電化學	011
參考文獻	012

第2章 生物納米孔道檢測系統	017
2.1　磷脂雙分子層	018
2.1.1　磷脂雙分子層的構建	020
2.1.2　磷脂雙分子層膜的表征	023
2.2　蛋白質生物納米孔道及其組裝	024
2.2.1　蛋白質生物納米孔道	024
2.2.2　蛋白質生物納米孔道的組裝	026
2.3　納米孔道電化學實驗	030
2.3.1　電極的制備	030
2.3.2　檢測池的裝配	031
2.3.3　實驗操作步驟	032
2.3.4　孔道內的基礎電化學機制	039
2.3.5　生物納米孔道單分子實驗注意事項	042
2.4　生物納米孔道的可控構建	045
2.4.1　孔道內天然氨基酸的定點突變	045
2.4.2　孔道內非天然氨基酸的引入	047
2.4.3　孔道內的化學修飾	050
2.4.4　其他孔道	052
參考文獻	054

第3章 固體納米孔道檢測系統	057
3.1　固體納米孔道	058
3.2　固體納米孔道體系的構建	058
3.2.1　電化學可控刻蝕的固體納米孔道制備平臺的搭建	061
3.2.2　固體納米孔道制備平臺軟件控制系統的開發(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　固體納米孔道實驗	069
3.5.1　檢測池的裝配	069
3.5.2　固體納米孔道檢測實例	070
參考文獻	079

第4章 玻璃納米孔道單個體測量	081
4.1　玻璃納米孔道	082
4.2　玻璃納米孔道的構建方法	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　玻璃納米孔道實驗	097
4.5.1　實驗材料	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　活細胞的氧化還原代謝檢測	103
4.5.6　單個納米顆粒檢測	106
參考文獻	108

第5章 納米孔道微電流電化學測量儀器	111
5.1　儀器組成	113
5.1.1　微電流放大器	113
5.1.2　模數/數模轉換	117
5.1.3　微控制器及軟件	119
5.2　儀器性能指標	120
5.2.1　系統帶寬	120
5.2.2　噪聲及降噪措施 	121
5.2.3　儀器校準	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	138

第6章 納米孔道電化學信號分析與處理	140
6.1　信號預處理	141
6.2　數據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　基于形狀的信號識別與數據分類	161
6.4.2　基于HMM的機器學習算法識別信號	162
6.4.3　DNA數據存儲	164
6.5　納米孔道數據處理基礎操作	165
6.5.1　MOSAIC	165
6.5.2　Nanopore Analysis	167
6.5.3　PyNanoLab	167
參考文獻	172

第7章 納米孔道電化學限域可控單個體分析	175
7.1　生物納米孔道應用	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態(tài)分析	176
7.1.3　單分子反應	183
7.1.4　基于相互作用的單分子界面?zhèn)鞲行阅艿木珳收{控	188
7.2　固態(tài)納米孔道應用	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象變化	198
7.2.5　基于二維材料的固態(tài)納米孔道傳感應用	201
7.2.6　光電同步檢測	202
7.3　玻璃納米孔道應用	205
7.3.1　玻璃納米孔道的電化學分析原理	205
7.3.2　基于整流現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胞分析	216
7.3.5　新型玻璃納米孔道電極的應用	219
參考文獻	222

第8章 總結與展望	232
參考文獻	246