纳米孔道电化学分析

本书是一部系统阐述纳米孔道电化学分析方法及应用的著作，在综述纳米孔道电化学发展历史、原理和应用的基础上，针对生物纳米孔道、固态纳米孔道、玻璃纳米孔道，介绍了其原理、特点和实验技术的要点与细节，详细列出了目前纳米孔道电化学测量仪器的组成及性能指标等，讲解了纳米孔道电化学信号分析处理方法，总结了这些方法与技术在单个体测量的新进展，并列举了丰富的应用实例。同时展望了纳米孔道电化学分析领域的前沿和发展趋势。
本书汇集了作者团队多年的研究成果和教学经验，系统介绍了纳米孔道电化学技术的原理、发展及应用，兼具前沿性、实用性和综合性，可供分析化学、电化学、单分子科学、传感等领域的研究人员及高等院校相关专业学生参考使用，也可用作高等院校分析化学、仪器分析等相关专业的教学参考书。

龙亿涛，南京大学生命分析化学国家重点实验室教授，国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者。2007年回国在华东理工大学建立课题组。2019年起任南京大学化学化工学院教授，南京大学分子传感与成像中心主任。2023年起任安徽工业大学学术副校长。研究方向为纳米孔道单分子传感、光谱电化学限域测量、电分析仪器装置研制。共发表SCI论文300余篇，包括Nat. Nanotechnol., Nat. Chem., JACS.等期刊，总引超过2万余次，H-index75；获上海市自然科学一等奖，中国分析测试协会科学技术特等奖和中国化学会分析化学基础研究梁树权奖。主持基金委创新研究群体、重大科研仪器研制专项和863重大项目课题等；负责科技部重点领域创新团队“单个体生命分析化学创新团队”；曾任ACS Sensors创刊副主编，现任Chemical Science、Research、《高等学校化学学报》副主编。

孔，通也。《说文解字》中，孔的含义是平面上通透的小洞。顾名思义“纳米孔”是指具有纳米尺寸孔径的孔洞。笔者将具有识别传感功能的纳米孔称作“纳米孔道”，主要基于如下考虑：“孔”在汉字中的含义为“贯通”“透”，但并未阐明该孔具有的深度与厚度，是薄薄一张纸上的孔？还是山川中深邃的洞？这如同在显微镜下俯视观察一个微孔，只能看到孔径大小而不知孔有多深。“道”的释义为“所行道也”，即“道路”，从道路起点走到终点，具有时序性和空间趋向性。故此，“纳米孔道”意指具有纳米尺寸直径和一定深度的贯通孔。纳米孔道作为传感器时，待测物首先与“孔口”发生相互作用，两者“相匹配”时，待测物被识别并进入“孔”中，进而在“道”中发生时序性的连续作用与运动。将孔道界面看作检测系统中的“电极”，待测物与孔道之间的相互作用则可理解为电极界面的电化学过程。记录的电流信号变化可以反映待测物与孔道之间的相互作用及待测物的特性信息。
纳米孔道电化学作为一种新兴起的电化学分析方法，以“孔道”作为电荷传输限域空间，将电化学传感分析从宏观界面推进到纳米限域界面，从分子整体行为测量推进到单个分子、单个颗粒、单个细胞等单个体水平差异性测量，在DNA测序、蛋白质构象解析和测序、多糖序列识别、化学反应中间体识别、单分子反应路径监测，以及分子、离子和电荷的限域仿生传输研究等方面具有独特的优势。纳米孔道电化学的研究属于前沿交叉方向，可推动生物大分子测序、高通量临床标志物监测及生化反应等研究，或成为化学、生物、医学等领域的新热点。
在总结笔者多年科研教学经验和汇集国内外最新研究进展的基础上，本书从基础知识和理论出发，系统阐述了纳米孔道电化学分析技术的原理、仪器、方法及其应用，重点讲述了研究应用实例。全书共分为8章。第1章概述了纳米孔道电化学基础与应用；第2～4章分别详细介绍了生物、固体、玻璃纳米孔道检测技术的理论知识和实验方法，具体包括孔道的制备表征、功能化设计修饰以及单个体测量研究等内容；第5章重点介绍了纳米孔道电化学测量仪器系统的组成和性能指标，并简述了常见商品化仪器；第6章主要介绍了纳米孔道电化学信号分析与处理的原理和方法；第7章综述了生物、固体和玻璃纳米孔道单个体分析研究进展；第8章总结并展望了纳米孔道电化学分析领域面临的机遇和挑战。本书还提供了具体的应用实例，不仅对相关领域的科研人员具有重要的参考价值，也可供对该技术感兴趣的高等院校教师、学生参考借鉴。由于笔者学术水平和精力有限，书中难免存在疏漏和不当之处，恳请同行专家和广大读者批评指正。
本书由龙亿涛等编著。参与本书编写的人员有：应佚伦、于汝佳、马慧、胡正利、刘少创、李孟寅、武雪原、胡咏絮、芦思珉、钟诚兵、蒋杰、牛红艳、刘威、李欣怡、陈梦洁、高凡、霍明珠、杨超男、张琳琳、陈珂乐和周子琪。在校稿过程中得到了任壬、汤娟、辛凯莉、王佳、谢保康、高妍、李俊鸽、傅英焕、黄庭婧、宋嘉凯、魏慧君、李亚雪的支持和帮助。值2023年冬，笔者团队在南京举办了国际纳米孔道电化学会议，邀请到John J. Kasianowicz博士参会报告，并为本书撰写了序言，谨谢东南大学汪海燕博士将此序言译为中文！在此对所有参与人员谨致衷心的感谢！感谢本书责任编辑的邀约和指导，以及国家科学技术学术著作出版基金的资助，正是这份支持使本书能够呈现在广大读者面前。特别感谢国家自然科学基金委员会对笔者团队研究工作的长期支持，感谢化学工业出版社工作人员在本书出版过程中的宝贵帮助与辛勤付出，感谢各位同仁的支持！
二十年来，纳米孔道电化学之路，笔者深觉“道”直而深邃，需纯粹之心方能成就卓绝。参与本书的编者，皆在笔者课题组深耕学习或携手工作过，共同见证了此领域历风霜、沐疑云而行稳致远。在此发展历程中，深识世情人心，于挚友于挑战，铭记于心，历经艰辛曲折，见微知著，无怨无悔，纳米孔道电化学，因纯粹之追求而更显丰饶！

龙亿涛
2024年2月于南京

第1章 纳米孔道电化学基础与应用	001
1.1　纳米孔道电化学分析	002　纳米孔道电化学分析	002
1.2　纳米孔道的分类	002
1.3　纳米孔道电化学技术原理	003
1.4　纳米孔道电化学分析的应用	006
1.4.1　纳米孔道单分子测序	007
1.4.2　纳米孔道单分子分析	008
1.4.3　纳米孔道限域可控单分子化学	010
1.4.4　纳米孔道单个体电化学	011
参考文献	012

第2章 生物纳米孔道检测系统	017
2.1　磷脂双分子层	018
2.1.1　磷脂双分子层的构建	020
2.1.2　磷脂双分子层膜的表征	023
2.2　蛋白质生物纳米孔道及其组装	024
2.2.1　蛋白质生物纳米孔道	024
2.2.2　蛋白质生物纳米孔道的组装	026
2.3　纳米孔道电化学实验	030
2.3.1　电极的制备	030
2.3.2　检测池的装配	031
2.3.3　实验操作步骤	032
2.3.4　孔道内的基础电化学机制	039
2.3.5　生物纳米孔道单分子实验注意事项	042
2.4　生物纳米孔道的可控构建	045
2.4.1　孔道内天然氨基酸的定点突变	045
2.4.2　孔道内非天然氨基酸的引入	047
2.4.3　孔道内的化学修饰	050
2.4.4　其他孔道	052
参考文献	054

第3章 固体纳米孔道检测系统	057
3.1　固体纳米孔道	058
3.2　固体纳米孔道体系的构建	058
3.2.1　电化学可控刻蚀的固体纳米孔道制备平台的搭建	061
3.2.2　固体纳米孔道制备平台软件控制系统的开发	063
3.3　固体纳米孔道体系的表征	067
3.3.1　I-V曲线对纳米孔道孔径的表征	067
3.3.2　TEM对纳米孔道孔径的表征	067
3.4　固体纳米孔道体系的修饰	068
3.5　固体纳米孔道实验	069
3.5.1　检测池的装配	069
3.5.2　固体纳米孔道检测实例	070
参考文献	079

第4章 玻璃纳米孔道单个体测量	081
4.1　玻璃纳米孔道	082
4.2　玻璃纳米孔道的构建方法	083
4.3　玻璃纳米孔道的表征	087
4.4　功能化玻璃纳米孔道及无线纳米孔电极的构建	089
4.4.1　玻璃纳米孔道的功能化	089
4.4.2　新型无线纳米孔电极的制备及表征	091
4.5　玻璃纳米孔道实验	097
4.5.1　实验材料	097
4.5.2　无线纳米孔电极的制备	098
4.5.3　离子的高灵敏度检测	099
4.5.4　淀粉样蛋白分子聚集过程分析	101
4.5.5　活细胞的氧化还原代谢检测	103
4.5.6　单个纳米颗粒检测	106
参考文献	108

第5章 纳米孔道微电流电化学测量仪器	111
5.1　仪器组成	113
5.1.1　微电流放大器	113
5.1.2　模数/数模转换	117
5.1.3　微控制器及软件	119
5.2　仪器性能指标	120
5.2.1　系统带宽	120
5.2.2　噪声及降噪措施 	121
5.2.3　仪器校准	133
5.3　纳米孔道检测仪器的发展	135
5.3.1　常见的商品化仪器	135
5.3.2　自主研发的单分子测量仪器	137
参考文献	138

第6章 纳米孔道电化学信号分析与处理	140
6.1　信号预处理	141
6.2　数据处理获取信号的原理和方法	143
6.2.1　阈值法	143
6.2.2　等效电路还原法	146
6.2.3　积分电流面积还原法	148
6.2.4　基于极值跃迁法的信号处理 	154
6.3　纳米孔道信号频域分析方法	159
6.4　其他纳米孔道信号分析方法	161
6.4.1　基于形状的信号识别与数据分类	161
6.4.2　基于HMM的机器学习算法识别信号	162
6.4.3　DNA数据存储	164
6.5　纳米孔道数据处理基础操作	165
6.5.1　MOSAIC	165
6.5.2　Nanopore Analysis	167
6.5.3　PyNanoLab	167
参考文献	172

第7章 纳米孔道电化学限域可控单个体分析	175
7.1　生物纳米孔道应用	176
7.1.1　生物纳米孔道检测原理	176
7.1.2　基于单分子界面的动态分析	176
7.1.3　单分子反应	183
7.1.4　基于相互作用的单分子界面传感性能的精准调控	188
7.2　固态纳米孔道应用	192
7.2.1　固态纳米孔道的表面修饰	193
7.2.2　固态纳米孔道单分子检测	196
7.2.3　固态纳米孔道DNA测序	197
7.2.4　固态纳米孔道检测单分子构象变化	198
7.2.5　基于二维材料的固态纳米孔道传感应用	201
7.2.6　光电同步检测	202
7.3　玻璃纳米孔道应用	205
7.3.1　玻璃纳米孔道的电化学分析原理	205
7.3.2　基于整流现象的单分子分析方法	207
7.3.3　玻璃纳米孔道单分子及单颗粒分析	209
7.3.4　基于玻璃纳米孔道的单细胞分析	216
7.3.5　新型玻璃纳米孔道电极的应用	219
参考文献	222

第8章 总结与展望	232
参考文献	246