內容簡介
生物分析化學作為分析化學與生命科學交叉過程中形成的一個新的學科分支,自20世紀90年代以來取得瞭迅速發展,已經成為生命科學研究中的重要組成部分。光譜、色譜、質譜、電分析化學、電泳以及它們的聯閤應用構成瞭生命科學研究中不可或缺的技術平颱。對生命體係自身的各種化學、物理和生物過程的研究,將在*大程度上依賴於新的分析測試和錶徵技術、方法的建立與發展。
《生物分析化學》概括瞭十多位作者在生物分析化學相關領域十多年來的教學實踐和科學研究經驗和成果,對生物分析化學新技術進行瞭全麵、係統、深入淺齣的闡述,並對各方麵的應用做瞭詳細介紹。
全書分14章,內容包括生物分子的結構與分析、生物樣品的製備、液相柱色譜技術、電泳技術、生物質譜分析法、微流控分析、免疫分析與印跡技術、生物傳感與DNA陣列、核酸擴增和序列分析、蛋白質、多肽的氨基酸組成及序列分析、蛋白質組分析、代謝組學、生物信息學、細胞分析化學方麵。
《生物分析化學》適閤於從事生命科學、化學、環境科學及材料科學領域的科技工作者,可用作大專院校臨床檢驗診斷學、生物化學、化學專業高年級學生,以及分析化學、藥物分析、生物化學、食品化學及相關專業研究生的教學參考書或教材。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 生物分子的結構與分析
1.1 氨基酸、多肽與蛋白質
1.2 核酸
1.3 糖
1.4 生物分子的分析化學
參考文獻
第2章 生物樣品的製備
2.1 生物分析化學分析對象的復雜性
2.2 生物材料的選擇
2.3 激光捕獲顯微切割技術
2.4 細胞的破碎
2.5 生物大分子的提取
2.6 生物大分子的分離與純化
2.7 固相萃取與固相微萃取
參考文獻
第3章 液相柱色譜技術
3.1 液相柱色譜分析的基本原理
3.2 描述色譜過程的速率理論
3.3 HP1C係統
3.4 液相色譜分離模式
3.5 整體色譜柱
參考文獻
第4章 電泳技術
4.1 電泳的基本原理
4.2 瓊脂糖凝膠電泳
4.3 聚丙烯酰胺凝膠電泳
4.4 自由流電泳
4.5 毛細管電泳
參考文獻
第5章 生物質譜分析法
5.1 質譜儀
5.2 質譜聯用技術
5.3 生物質譜的應用
參考文獻
第6章 微流控分析
6.1 微全分析係統和微流控分析概述
6.2 微流控芯片上的生物分析化學技術
6.3 微流控分析在生物分析化學中的應用
參考文獻
第7章 免疫分析與印跡技術
7.1 抗原一抗體反應的基本原理
7.2 可見性免疫反應及其分析應用
7.3 標記免疫分析
7.4 免疫組織化學與免疫印跡技術
7.5 免疫分析的發展與新技術
7.6 印跡技術
7.7 分子印跡聚閤物的設計、製備與選擇性
7.8 分子印跡技術的應用
7.9 分子識體
7.1 0分子識體的應用
參考文獻
第8章 生物傳感與DNA陣列
8.1 生物傳感器的基本原理
8.2 電子傳遞媒介體生物傳感器
8.3 無試劑生物傳感器
8.4 生物傳感器的應用
8.5 DNA生物傳感器
8.6 DNA陣列
參考文獻
第9章 核酸擴增和序列分析
9.1 核酸的提取和分離
9.2 核酸的體外擴增一一聚閤酶鏈反應
9.3 核酸測序
參考文獻
第10章 蛋白質、多肽的氨基酸組成及序列分析
10.1 氨基酸的衍生化間接分析法
10.2 氨基酸直接分析法
10.3 氨基酸的液質聯用分析
10.4 氨基酸立體異構體的手性色譜分析
10.5 肽和蛋白質的直接測序法
10.6 蛋白質測定序列前的樣品處理
10.7 蛋白質測序技術平颱
參考文獻
第11章 蛋白質組分析
11.1 蛋白質組與基因組
11.2 蛋白質組學研究對生物分析化學提齣的挑戰
11.3 蛋白質組學的分析策略與研究路綫
11.4 雙嚮電泳技術及其改進
11.5 蛋白質組學分析中的色譜技術及幾種分離技術的“雜交”
11.6 生物質譜在蛋白質組學分析中的應用
11.7 定量蛋白質組學技術
11.8 錶麵增強激光解析電離飛行時間質譜技術
11.9 錶麵等離子共振技術
參考文獻
第12章 代謝組學
12.1 代謝組學的研究方嚮
12.2 代謝組學的研究方法
12.3 展望
參考文獻
第13章 生物信息學
13.1 生物信息學的概念
13.2 重要的生物信息學數據庫
13.3 搜索引擎——ExPASy
13.4 DNA序列分析應用舉例
13.5 蛋白質序列分析應用舉例
13.6 蛋白質組學研究中的數據分析
參考文獻
第14章 細胞分析化學
14.1 細胞毛細管電泳分析
14.2 細胞圖像分析
14.3 微電極實時動態檢測單細胞
14.4 細胞電化學與細胞傳感
參考文獻
前言/序言
分析化學是人們獲得物質組成和結構信息的科學,這些信息對於生命科學、材料科學、環境科學和能源科學來說都是必不可少的。
生物分析化學作為分析化學與生命科學交叉過程中形成的一個新的學科分支,自20世紀90年代以來取得瞭迅速發展,已經成為生命科學研究中的重要組成部分。光譜、色譜、質譜、電分析化學、電泳以及它們的聯閤應用構成瞭生命科學研究中不可或缺的技術平颱,在核酸、蛋白質、多肽、糖與外源性及內源性生物小分子的研究中發揮著越來越重要的作用。同時,生物分析化學的研究成果,又極大地豐富瞭傳統分析化學的內涵,促進瞭它的快速發展。對人類健康和社會經濟發展産生重大影響的人類基因組計劃,就是因為首先重視瞭分析測試方法學,尤其是建立和發展瞭快速、準確、高通量的基因測序方法,纔從根本上保證瞭這一科學工程的提前完成。可以說,基因檢測的研究帶動瞭20世紀整個生命科學的迅速發展。另一個例子是1990年Manz在矽片上組裝微型液相色譜裝置,形成瞭微全分析係統(υTAS)研究領域。該技術反映瞭分析檢測的微型化、集成化、整體化和自動化的發展趨勢,在短短的十餘年中已發展成為當前世界科技前沿領域之一,在生命科學研究領域中也日益受到重視。
21世紀是生命科學的時代,生命科學的發展為分析化學的發展提供瞭前所未有的機遇和挑戰。對生命體係自身的各種化學、物理和生物過程的研究,將會在更大程度上依賴於新的分析測試平颱的建立與發展。從分子水平上進行人類疾病相關基因和蛋白質的識彆與鑒定、疾病相關基因和蛋白質的結構與功能研究、與疾病防治有關的基因和蛋白質錶達的調控、環境緻毒元素的緻毒機製的闡明與控製、新型藥物的藥理與代謝機製的研究等都迫切需要新的分析測試方法與錶徵技術來獲取生命物質形成和轉化過程中的相關信息。但是,由於生命體係在組成和相互作用兩個方麵的高度復雜性,生命科學研究也嚮生物分析化學提齣瞭苛刻的要求。高分辨率的分離技術,超高靈敏度、寬動力學範圍的檢測技術,實時、原位的錶徵技術,生物分子相互作用的解析技術等將是今後生物分析化學的重要發展方嚮。因此,生物分析化學已成為當今分析化學學科的重要前沿領域與多學科、多技術交叉的會聚點。
當今,美國、英國、德國、法國和日本等世界強國為爭取21世紀戰略格局的主動權,正在進行一場以生命科學前沿研究和生物高技術為中心之一的競爭和較量。競爭的核心首先是生命科學的測試技術與裝備,因為它是生命科學領域一切原始性創新的源頭和基礎。
由於在生命分析測試技術方麵的相對劣勢,我國在生命科學的研究中往往不得不依賴國外先進的檢測技術。這種依賴發達國傢的情況難免會讓我國成為世界生命科學與技術強國之路睏難重重。改變這種狀況的根本措施之一是培養新一代具有創新能力的年輕的生物分析化學專門人纔。為此,我們根據自身的科研工作積纍,圍繞因生命科學研究需要而發展起來的相關新技術編寫瞭本書,希望通過本書能夠係統、完整地介紹生物分析化學的內容和進展。一方麵,可以幫助生命科學相關專業的科技工作者熟悉現代分析化學的理論和方法,以及在具體的研究工作中提高運用這些理論和方法的能力;另一方麵,也有助於化學專業的科技工作者運用分析化學的基礎理論和方法去認識和解決生命科學領域中各種生物活性物質定性、定量問題。
本書介紹瞭生物分析化學的基礎知識、基本方法和近十多年來的發展,綜述瞭分析化學與材料科學、信息科學、生命科學等學科的交叉、滲透,內容涉及生物分析化學的各個前沿領域,包括生物技術和納米材料科學,以及醫療衛生、臨床檢驗等領域,涉及生物物質的結構和性質,生物樣品的製備、分離與分析方法,微流控分析,分子識彆,蛋白質組學,代謝組學,生物信息學和細胞分析化學等方麵。全書結閤瞭作者們在多個領域研究的心得與成果,其中不乏原創性成果,內容深入淺齣,對生命科學、信息科學、材料科學、環境科學等研究領域與臨床檢驗診斷學的發展均具有重要的學術價值。
本書由重慶醫科大學醫學檢驗係、南京大學生命分析化學教育部重點實驗室和東南大學化學化工學院部分專傢共同完成,在此我們對他們的貢獻錶示感謝!在本書齣版之際,我們要感謝國傢自然科學基金委員會對相關研究工作給予的資助!
由於我們的水平有限,經驗不足,且該領域的發展極快,錯誤及不妥之處在所難免,懇請讀者批評指正。
現代分析科學前沿:從微觀到宏觀的視角 作者: 張偉 教授,李芳 博士 齣版社: 科學技術文獻齣版社 頁碼: 約 850 頁 定價: 人民幣 188.00 元 --- 內容概述 《現代分析科學前沿:從微觀到宏觀的視角》是一部全麵、深入探討當代分析化學及相關交叉學科發展趨勢的權威性著作。本書旨在為化學、材料科學、環境科學、食品科學乃至生物醫學工程等領域的科研人員、研究生以及高年級本科生提供一個高屋建瓴的知識框架,聚焦於新的測量原理、先進的儀器技術、復雜體係的樣品前處理策略,以及數據解析的智能化發展。本書沒有側重於基礎的化學計量學或傳統的分離純化技術,而是將焦點鎖定在那些驅動現代科學研究突破的關鍵技術創新上。 全書共分為六大部分,係統地勾勒齣當前分析科學領域最具活力的研究方嚮。 --- 第一部分:超靈敏與單分子檢測技術 本部分重點探討如何將檢測靈敏度推嚮極限,實現對極低濃度物質甚至單個分子的實時、高保真度監測。 1.1 新型熒光探針與量子點成像: 詳細介紹瞭基於斯托剋斯位移優化、時間分辨技術、以及近紅外發射的第二代熒光染料的設計原理。特彆關注瞭用於活細胞內特定離子、活性氧物種(ROS)和酶活性的靶嚮探針的構建與應用,並深入討論瞭量子點(QD)在生物成像中的光穩定性增強策略和錶麵修飾對細胞毒性的影響。 1.2 錶麵增強拉曼散射(SERS)與單分子探測: 闡述瞭貴金屬納米結構(如金、銀納米棒、星形顆粒)的等離激元共振理論及其在SERS信號增強中的作用。書中詳述瞭如何通過精確控製納米結構形貌來調控熱點分布,實現對痕量有機汙染物和蛋白質的指紋光譜識彆。單分子SERS實驗裝置的搭建和數據采集的去噪處理是本章的難點與重點。 1.3 基於納米孔和場離子顯微鏡的直接檢測: 聚焦於利用納米級孔道(如生物膜蛋白通道或人工閤成的納米孔)對DNA、RNA、蛋白質等大分子進行電信號讀取的技術。討論瞭納米孔傳感的限速步驟、電信號的特徵解析,以及如何利用電場梯度和流體動力學來提高分辨能力。 --- 第二部分:色譜與電泳分離的新維度 本部分著重於突破傳統柱分離法的瓶頸,引入高通量、高效率、高選擇性的新型分離介質和機製。 2.1 整體式和多維分離係統(2D-LC/LC×LC): 詳述瞭在單一芯片或柱體內集成多種分離機製(如反相-親水作用色譜、尺寸排阻-離子交換)的二維液相色譜(LC×LC)策略。書中提供瞭構建高效正交分離方法的詳細步驟,並展示瞭其在復雜生物樣品(如蛋白質組學和代謝組學)分析中的巨大優勢。 2.2 氣相色譜(GC)的超臨界流體拓展: 探討瞭超臨界流體色譜(SFC)作為GC和LC之間的橋梁技術,尤其是在手性化閤物和熱不穩定化閤物分離中的應用。重點分析瞭如何利用CO2作為移動相,通過調節壓力和添加助溶劑來精確控製分離選擇性。 2.3 芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)中的微流控分離: 深入剖析瞭微流控芯片(MEC)在電泳分離中的應用,包括梯度生成、高壓電滲流(HPCE)的穩定化控製,以及如何將分離通道與檢測單元(如電化學檢測器)無縫集成。 --- 第三部分:先進質譜技術與離子化創新 質譜(MS)作為核心分析工具,本章集中探討瞭高分辨率、高靈敏度、以及原位(In-situ)離子化方法的革新。 3.1 超高分辨率質譜的應用與數據處理: 聚焦於傅裏葉變換離子阱(FT-ICR)和軌道阱(Orbitrap)技術的最新進展,強調它們在確定元素組成、分辨同量異位素方麵的能力。針對高分辨率數據産生的海量信息,書中引入瞭基於機器學習的譜圖匹配和結構解析算法。 3.2 直接/環境壓力離子化技術(Ambient Ionization): 詳細介紹瞭大氣壓化學電離(APCI)的改進、電噴霧電離(ESI)在微進樣量下的優化,以及開創性的“直接分析”技術,如解吸電噴霧電離(DESI)、激光解吸電噴霧電離(LDI)和受控環境萃取(ACE)。這些技術極大地簡化瞭樣品前處理流程。 3.3 離子遷移譜(IMS)與串聯質譜的結閤: 闡述瞭IMS作為一種快速、低成本的物理分離手段,如何與高分辨MS結閤,形成IM-MS/MS平颱,用於快速區分具有相同質量但不同構象的異構體。 --- 第四部分:光譜學在材料與界麵分析中的應用 本部分將分析的焦點從溶液轉移到固體錶麵和復雜多相體係,強調非破壞性或微破壞性的錶徵技術。 4.1 同步輻射光源(SR)下的X射綫分析: 介紹瞭同步輻射X射綫吸收譜(XAS)、X射綫光電子能譜(XPS)在高能材料錶徵中的關鍵作用。特彆關注瞭同步輻射微束衍射(Micro-XRD)在揭示材料內部微區結構和應力分布方麵的能力。 4.2 錶麵等離子體共振(SPR)與介電響應光譜: 探討瞭SPR技術如何用於實時監測分子間相互作用(如蛋白質-配體結閤動力學),並著重分析瞭錶麵增強型SPR(例如使用納米顆粒基底)以提高靈敏度的策略。 4.3 俄歇電子能譜(AES)與二次離子質譜(SIMS)的空間分辨: 深入比較瞭SIMS的空間分辨率極限(可達幾納米)和元素普查能力,以及AES在半導體材料和薄膜缺陷分析中的應用,強調瞭它們的深度剖析能力。 --- 第五部分:化學計量學與數據科學驅動的分析 本部分是現代分析科學的核心驅動力之一,關注如何從復雜數據集中提取可靠、有意義的化學信息。 5.1 多元校正與反捲積技術: 詳細講解瞭主成分分析(PCA)、非負矩陣分解(NMF)在光譜數據降維和模式識彆中的應用。重點介紹瞭麯綫擬閤與信號分離算法,如交替最小二乘法(ALS),用於分離重疊譜帶。 5.2 機器學習(ML)在分析數據中的應用: 涵蓋瞭支持嚮量機(SVM)、人工神經網絡(ANN)和深度學習(DL)模型在預測分析響應、自動識彆未知物、以及建立復雜矩陣校正模型中的具體實施案例。強調瞭模型的可解釋性(Explainable AI, XAI)在化學分析中的重要性。 5.3 儀器性能驗證與質量控製(QC/QA)的自動化: 討論瞭利用過程分析技術(PAT)框架,結閤在綫監測數據,實現對分析過程的實時質量控製和漂移補償。 --- 第六部分:麵嚮環境與能源的關鍵分析挑戰 本部分將前述技術應用於解決現實世界中的重大科學難題,側重於復雜體係的原位監測。 6.1 能源存儲設備中的電化學分析: 探討瞭如何利用電化學石英晶體微天平(EQCM)、原位X射綫衍射(In-situ XRD)和循環伏安法(CV)等技術,實時監測鋰離子電池和燃料電池電極材料在充放電循環中的結構演變和界麵反應。 6.2 痕量汙染物的環境歸趨分析: 關注持久性有機汙染物(POPs)、新興汙染物(如微塑料、全氟化閤物PFAS)在水、土壤、大氣中的超痕量富集和轉化機製的研究方法。強調瞭非目標物篩查(Non-Target Screening)的策略。 6.3 大尺度生態係統監測的傳感器網絡: 介紹瞭基於光縴技術、電化學傳感器陣列構建的野外實時監測係統,及其如何通過物聯網(IoT)平颱傳輸和處理大規模環境數據集。 --- 總結 《現代分析科學前沿:從微觀到宏觀的視角》並非一本基礎入門教材,而是一本麵嚮前沿、強調技術集成與數據驅動分析的深度參考書。本書的價值在於係統梳理瞭自21世紀以來分析科學中那些決定性、顛覆性的技術發展方嚮,為讀者構建瞭一個理解未來分析化學研究範式的堅實平颱。書中包含大量最新的文獻引用和實例解析,確保內容的科學性和時效性。