用于纳米孔道分析的四通道电化学传感器设计与仿真

纳米孔道技术是一种基于空间限域的超灵敏的单分子分析技术.通过研究单个分子限域于纳米孔道中所产生的离子电流的变化,可在单分子尺度上获取其结构、尺寸、电性及与孔道间弱相互作用的信息.目前主要应用的纳米孔道测量仪器单次实验仅能测量单个纳米孔道,其检测通量较低.本文基于实验室前期自主设计研制的单通道纳米孔道测量仪器Cube-D2上,比较研究了两种互阻放大器的测量特性,从而选择了合适的测量电路设计了四通道电化学传感器放大电路.进一步通过仿真验证了四通道电化学传感器设计方案的可行性,为阵列化高通量纳米孔道单分子电化学测量仪器的设计提供了理论基础.     

单分子电泳:纳米孔道电化学的新认识

该文旨在从电泳分离技术的角度认识纳米孔道电化学单分子分析技术,这种技术可以作为"单分子电泳"来理解和研究。纳米孔道电化学单分子分析技术与电泳的本质都是采用外加电场使待测分子产生电迁移。待测分子性质不同,且与介质材料孔道外露基团相互作用不同,使得分子移动速度具有差异,据此实现分离识别。气单胞菌溶素（Aerolysin）纳米孔道,由于其孔径与待测分子尺寸相匹配,其孔道内壁可以看作是由氨基酸组成的具有调控单个分子电迁移能力的特异性孔道界面。每一个氨基酸残基都相当于一个探测单元,在电场力的作用下,待测分子逐一进入孔道时与每一个探测单元相互作用方式、程度与时长不同,从而形成了单个待测分子特征的迁移速度和迁移运动轨迹。在纳米孔道实验中,每秒可以有上千个待测分子穿过孔道,产生特征阻断电流信号。通过对这些信号的阻断电流、阻断时间、阻断频率、信号特征等进行统计分析,可以从"单分子电泳"水平对单个待测物实现高通量的分辨和识别。该文以Aerolysin纳米孔道分辨仅有一个核苷酸差异的寡聚核苷酸（5'-CAA-3'、5'-CAAA-3'、5'-CAAAA-3'）为例,详细阐述了纳米孔道"单分子电泳"的单核苷酸分辨能力,展现了电化学限域空间在电泳单分子水平分离技术上的应用。     

纳流控-电化学技术在生化分析领域的研究进展

纳流控作为一个崭新的研究领域正受到越来越多的关注,并且已被成功应用到纳米尺度分离、生化传感、能量转化等诸多领域. 纳流控的发展与电化学紧密相连,一方面,电化学可以为纳米孔道中的物质传输特性的研究提供驱动力;另一方面,纳米孔道可以为限域电化学研究提供微环境. 纳流控和电化学技术相辅相成,催生了许多单分子、单粒子分析以及纳米流体操控的新理念与新技术. 本综述从纳米孔道与电极的结合方式出发,对纳流控-电化学相关研究进行了总结与展望.     

单体动态电化学

由于个体的差异性和异质性作用,整体平均测量掩盖了个体的本征性质和电化学性能之间的关联.单体碰撞电化学作为一种强大而方便的电化学方法,已被用于研究超微电极上自由扩散的单个个体随机碰撞过程中的电化学行为.然而,个体的动态行为与其电化学反应过程息息相关.因此,对于单体动态电化学行为的研究可实时获取单体在电极界面上的动态电化学反应信息,也将有助于理解电极界面电荷或电子的动态转移过程.本文重点围绕单体动态电化学行为的研究,通过单个纳米颗粒在电极表面碰撞事件中产生的瞬时电流响应追踪其动态电化学反应过程,进而推广到其他单体动态电化学行为的研究.同时,单体电化学方法结合光学显微成像技术作为高时空分辨的研究手段提供了充分信息全面地反映了单个实体的动态电化学反应动力学过程和反应机制,最后讨论了该领域面临的科学挑战并展望了未来的研究方向.     

基于多孔金结构的三相界面酶电极的制备及高效电化学酶传感性能

界面微环境是影响酶催化反应及酶传感性能的关键因素. 本研究基于三维微纳米结构多孔金基底, 通过调控电极表面的亲水和疏水浸润性, 制备了具有固-液-气三相界面微环境的氧化酶电极, 并研究了界面微环境对酶催化反应动力学的影响规律. 基于所制备的三相界面多孔金结构酶电极, 反应物氧气能够从气相直接快速地传输到酶催化反应界面, 极大地提升了界面氧气浓度及其稳定性, 从而大幅度提高了氧化酶活性及酶电极响应的稳定性. 以葡萄糖为模型待测物, 基于该三相界面酶电极的电化学酶生物传感器拥有宽的线性范围、 高的灵敏度、 低的检出限以及良好的稳定性. 这类独特的三相反应界面设计为高效酶生物传感器的建构以及生物分子的精准检测提供了新思路.     

纳米金-多壁碳纳米管复合物修饰电极对柔红霉素作用癌细胞的实时检测

本文通过制备纳米金-多壁碳纳米管复合物(Au-MCNT)修饰玻碳电极,建立了抗癌药物柔红霉素(DNR)作用癌细胞的高灵敏检测方法,研究并追踪了DNR与癌细胞相互作用过程中细胞对DNR的电化学实时响应.结果表明,Au-MCNT修饰电极能实现抗癌药物DNR作用癌细胞的高灵敏实时检测.基于该纳米复合材料的电化学药物传感分析方法可作为抗癌研究中一种方便、快捷、灵敏的实时检测手段,在生物医学等领域具有良好的应用前景.     

电化学限域SiN_X纳米孔道检测核酸分子的研究

固体纳米孔道因其机械强度高、尺寸可控、易于表面修饰及集成化设计等优点被广泛应用于DNA、RNA和蛋白质等生物分子的检测研究.为了检测单个单链核酸分子,本研究采用电化学刻蚀法可控制备了单个SiN_X固体纳米孔道,通过SiN_X固体纳米孔道限域空间效应增强了纳米孔道与短链核酸分子之间的弱相互作用,从而实现了核酸分子的单分子水平检测.通过研究不同孔径(3.1和8.5 nm)纳米孔道与核酸分子间的弱相互作用差异,有效区分了核酸分子在限域空间内产生的过孔和碰撞两种个体行为,加深了对固体纳米孔道限域空间内核酸分子电化学行为的理解.     

液晶生物传感及其在微流控细胞分析中的应用

液晶(LC)生物传感器是基于LC对界面性质变化的高灵敏响应及其固有的光学各向异性发展起来的一种技术,在生物样品的检测分析方面展现出了非凡的应用价值。通过修饰刺激响应性分子,LC界面可以灵敏地响应待测生物分析物的存在,并诱导界面LC分子发生取向改变,而界面上LC分子的短程相互作用引起LC相本体分子的取向改变,在偏光显微镜(POM)下可见LC显示出不同的光学织构。因此,LC传感器无需对待测物进行标记,凭借其简单的光学检测仪器,容易将分子事件转化为可视化光学信号输出,具有简单、灵敏、高效、快速、廉价等优点,在生物检测分析领域得到了广泛应用。该文综述了近年来液晶生物传感器在检测分析生物小分子、生物大分子以及生物有机体等方面的研究进展,特别提到了液晶生物传感器引入微流控芯片用于细胞分析的新兴领域的发展与挑战。目前,液晶生物传感已经成功地应用于界面现象复杂多样的细胞分析,未来就其在模拟细胞微环境下的传感设计和适用性还需进行更加深入的研究。     

基于石英纳米孔道的单颗粒尺寸分布分析

发展了一种基于石英纳米孔道的单颗粒电化学动态分析方法, 用于单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒的尺寸分布分析. 其机制是向石英纳米孔道两端施加电压, 表面带有正电荷的单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒在电场力驱动下由管内向管外运动, 当量子点纳米颗粒穿过纳米孔道尖端狭小的限域空间时, 其表面正电荷使石英纳米孔道内电荷密度增加, 孔道内的电化学限域效应进一步将电荷密度增加的信息放大并转变为可读的离子流增强信号. 通过对动态离子流信号解析可实时获取具有2种不同尺寸的量子点纳米颗粒所导致的2类过孔事件信息, 从而对在限域空间内运动的纳米颗粒进行尺寸分布分析.     

暗场显微镜下的彩色“纳米星”（英文）

具有独特局域表面等离子共振散射特性的贵金属纳米粒子,在可见光区域表现出明显的吸收和散射光谱特性。在过去的几十年中,基于纳米金和纳米银溶液的可视化颜色传感器,被广泛应用在金属离子、生物分子、农药等灵敏检测。自2000年,暗场显微镜的出现,实现了纳米尺度下等离子共振散射光谱的精准获取,将传感尺度从传统的实验试管发展到单纳米颗粒界面。单颗粒检测消除了本体溶液中大量纳米粒子产生的平均效应,可提供更加准确的反应信息。纳米粒子的散射光谱主要取决于颗粒的尺寸、形貌、成分以及颗粒间耦合作用等,因此,具有特定散射颜色的单个纳米粒子,可以作为优异的纳米探针。这篇综述聚焦于单颗粒纳米传感,首先介绍了纳米粒子局域表面等离子共振的原理和发展历史。随后,主要讨论了单个贵金属纳米粒子作为颜色编码传感器,在生物分子、环境污染物以及能源等领域的应用,尤其是基于单颗粒的原位纳米光谱电化学传感及其在电催化反应中的应用。例如,利用纳米粒子的溶出和生长过程,精巧地设计了针对不同待测物的纳米探针。另一方面,对单纳米粒子结构演变过程的原位监测,也有助于对纳米材料制备机理的理解。最后,着重探讨了纳米颜色传感器信号提取放大的检测手段,...     

华东师范大学青少年化学科普基地的探索与实践

为激发青少年科学兴趣、培养青少年化学探究与创新能力和拓展高等院校的社会服务功能,华东师范大学建设了面向社会开放的青少年化学科普基地。科普基地以化学探索工作室、化学实践工作室和化学实验数字化工作室为主体,在空间布局上突出化学特色,具有科技展馆的视觉效果。科普基地开设了系列化学科普讲座、系列趣味化学实验及化学探究课题,构建了"中小学生、在校师范生和中小学教师"三位一体的教学实践模式,在青少年化学知识普及和实践创新能力培养方面取得了较好的实践效果。华东师范大学化学科普基地实现了青少年科普基地与学校常规教学工作的有机结合,有效地解决了高校自身培养目标与服务社会之间的矛盾,希望能为高等院校科普基地的建设提供有益的借鉴。     

钒基电极材料研究进展

发展低成本、高性能、高安全的锂离子、钠离子电池是解决能源储存问题的一个重要途径. 由于具有丰富的化学价态,开放式的化学结构和较高的理论容量,钒基材料是一种非常有潜力的锂离子电池、钠离子电池电极材料. 在过去的几年中,钒基电极材料如钒的氧化物、硫化物、磷酸盐等在电池中的应用取得了长足的进展,有必要对相关的研究进展作一个总结. 本文介绍了钒基电极材料的近期研究进展,重点总结了钒基电极材料应用所面临的离子扩散系数低、结构稳定性差等科学问题,并从活性材料本身的改性以及与外部材料复合作用两个角度重点分析了应对这些问题所采用的策略. 一方面,通过对钒元素的化合价态进行调控来提高材料的电导性,并采用异原子掺杂来加快离子扩散系数. 另一方面,借助同/异种纳米结构间的耦合作用增强材料的结构稳定性. 基于基底的骨架作用,实现三维有序阵列结构电极的制备,进而促进材料能量密度与功率密度的共同提升. 最后,讨论了钒基材料进一步发展所面临的挑战,希望能够为将来相关电极材料的研究提供一些参考.     

基于热控电极的电致化学发光传感器的研究进展

电致化学发光（ECL）检测技术因其具有无需激发光源、仪器简单、灵敏度高、选择性好等特点,被广泛应用于环境分析、生物分析等领域. 温度是影响ECL的主要因素之一,在传统的ECL传感器中大多是通过溶液整体加热的方法来控制温度,这种方法操作繁琐,且溶液中的热不稳定性物质及易挥发性物质容易受到影响,因此电极很少工作在最适宜的温度下. 热控电极技术可以只提高电极表面温度,而维持溶液的整体温度不变,使用起来具有很好的便利性. 作者课题组首次将热控电极引入到ECL传感器的构建中,由于电极表面和溶液之间存在一定的温度梯度,因此可以引发强制对流,从而加快物质的扩散和对流速率;电极表面温度的升高还可以进一步提高电极表面物质的电化学反应速率,这两方面的共同作用提高了ECL检测的灵敏度. 同时,利用热控电极可以解决整体加热所引起的背景信号升高,挥发性、热不稳定性物质易受温度影响等问题,而且通过电极加热的方法可去除电极表面的污染物,从而提高ECL检测的重现性. 本文综述了近年来基于热控电极技术的ECL传感器的研究进展,主要介绍了热控电极的加热方式、电极种类以及热控电极在ECL中的应用等,并分析了该技术在实际应用中面临的主要问题,对该技术未来的发展趋势进行了展望.     

北京大学分析化学系列小班阅读讨论课的教学实践

简介了北京大学化学与分子工程学院分析化学系列基础课(定量分析化学、仪器分析、中级分析化学)开展小班阅读讨论课教学的实践。     

二维多层状Ti3C2Tx-MXene/聚吡咯纳米线复合材料的制备及电容性能研究

本文以体相材料MAX(Ti₃AlC₂)为基底,采用氢氟酸刻蚀法得到二维多层状Ti₃C₂T_x-MXene,将一维聚吡咯纳米线(polypyrrole nanowires,PPy-NW)与二维多层状Ti₃C₂T_x-MXene相结合,成功地制备出Ti₃C₂T_x-MXene/PPy-NW复合电极材料. 并分别利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)及X射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)对其进行了形貌和结构表征. 最后通过电化学测试表明,二维多层状Ti₃C₂T_x-MXene/PPy-NW复合电极材料在扫描速率为10 mV·s^-1时比电容可达374 F·g^-1,高于纯PPy-NW（304 F·g^-1）,当扫描速率增加至200 mV·s^-1时,仍可保留原比电容值的72.4%,展现出良好的倍率性能. 而且在电流密度为5 A·g^-1下经过2000次的循环伏安实验,其电容保持率可达91.6%,具有良好的循环稳定性. 总之,二维多层状Ti₃C₂T_x-MXene和一维PPy-NW的复合有效地提升了电极材料的电容性能,在电化学能源储存方面有着巨大的应用前景.     

《催化学报》庆祝何鸣元院士八十华诞专刊

《催化学报》以本期专刊的出版庆祝何鸣元院士八十华诞,表达对何先生五十多年来为我国催化及相关领域发展所作出的卓越贡献的崇高敬意!何鸣元先生1940年2月8日出生于上海,1961年毕业于华东纺织工学院(现东华大学)应用化学专业,同年进入石油化工科学研究院工作至今.1980-1984年作为访问学者赴美国西北大学化学系和美国得克萨斯大学奥斯汀分校化工系进行合作研究.2000年以来,应邀兼任华东师范大学教授,2003年领导建立上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室.何鸣元先生担任过许多学术职务.曾任石油化工科学研究院总工程师、学术委员会副主任,中国科学院学部主席团成员、化学部副主任,中国化学会常务理事、绿色化学专业委员会主任,国际催化理事会理事,国际沸石分子筛协会副主席等.何鸣元先生长期从事催化材料、炼油化工催化剂与工艺研究.发明了一系列沸石分子筛合成新方法与炼油催化剂,开发了双反应区催化裂化增产汽油异构烷烃MIP工艺(Maximum Isoparaffin Process)等多个具有自主知识产权的新工艺,为发展我国重油裂化技术、提高催化裂化汽油辛烷值、开发新标准汽油生产技术等作出了突出贡献.何鸣元先生是我国绿色化学的奠基人之一,他以国民经济可持续增长为目标,大力倡导和推动绿色化学与化工学术研究与技术开发.2001年担任科技部国家基础研究重大项目(2001-2005)'石油炼制与基本有机化学品加工的绿色化学'首席科学家,推动了多项绿色炼油与化工新技术的突破和工业应用.针对碳资源利用过程中所面临的效率低、污染物排放严重等问题,2011年,何先生和合作者从碳资源加工、利用和循环等全周期考虑,提出了'绿色碳科学'的概念,对碳资源的高效、清洁、循环利用具有重要的指导作用.近年来,发起并主持了以'可持续发展能源化工的科学基础:绿色碳科学与绿色氢科学'沸石分子筛:等级特性、选择催化与分子工程'绿色生态环境与化学化工'等为主题的香山科学会议以及其它高水平学术会议,为相关学科指出了发展方向.何鸣元先生获得了许多学术奖励和荣誉.他于1995年当选为中国科学院院士,曾获得国家发明二等奖(1995)、何梁何利科学技术进步奖(2001)、中国催化成就奖(2012)、法国教育部棕榈叶骑士勋章(2012)、法国里昂高师荣誉博士学位(2016)、中国分子筛终身成就奖(2019)等,在国内外催化与石油化工界享有崇高的声誉.本期专刊收录了15篇学术论文,内容涉及新型分子筛催化剂的合成、单原子催化、光催化、电催化以及甲烷、二氧化碳、生物质等碳资源的催化转化等,一定程度上反映了何先生过去五十多年的研究兴趣,并展现了当前国际催化科学与技术研究的前沿和进展.在此,我们衷心感谢论文作者、审稿专家和《催化学报》编辑部等相关人员所给予的大力支持.     

Aerobic selective oxidation of alcohols to aldehydes or ketones catalyzed by ionic liquid immobilized TEMPO under solvent-free conditions

A selective ionic-liquid immobilized TEMPO/CuCl catalyzed oxidation procedure of alcohols to the corresponding aldehydes and ketones with molecular oxygen under solvent-free conditions was developed. The catalyst was easily recovered and reused in the reaction. Correspondence: Yun-Yang Wei, School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, 210094 Nanjing, P.R. China.     

Synthesis of thiohydantoins under one-pot three-component solvent-free conditions

A direct and efficient one-pot three-component synthesis protocol was developed for the synthesis of thiohydantoins from readily and widely available substrates (isothiocyanates, ethyl chloroacetate, and amines) employing solvent-free conditions. Correspondence: Song Cao, Shanghai Key Laboratory of Chemical Biology, School of Pharmacy, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China.     

Introduction

It is my pleasure to open the International Colloquium on Synthetic Polymer Chemistry at the University of Massachusetts in Amherst. This Colloquium is under the sponsorship of the Polymer Science and Engineering Program of the University of Massachusetts.     

基于CoP纳米阵列的亚硝酸根传感器的研究

亚硝酸盐对环境和人体健康有着不利的影响,人体长期食用含大量亚硝酸盐的食物有致癌的风险,对亚硝酸盐的分析和检测是非常重要的. 开发高效的电催化剂,从而实现高灵敏度和高选择性的亚硝酸盐检测具有十分重要的意义. 作者通过先水热再低温磷化获得了磷化钴纳米阵列（CoP/TM）.电化学测试结果表明,所构建的CoP/TM电极对亚硝酸盐的还原具有高效的催化作用,线性检测范围为1.0 μmol·L^-1到1.0 mmol·L^-1,检测下限为18 nmol·L^-1（S/N=3）,响应灵敏度为17781 μA·(mmol·L^-1)^-1·cm^-2,响应时间小于3 s,选择性良好.