基于纳米通道膜的酶反应调控及其生物传感应用研究

A nanoscale understanding of mass transport is crucial to gaining fundamental insights into the molecular interaction and mass transport control in the nanoconfined space, building biomimetic membrane, and improving the design of nanofluidic devices for detection. In this project, the biomimetic gating design on the nanochannel membrane will be achieved via modifying the recognition molecule. The enzymatic reaction modulation will be optimized through comprehensive investigation of the gating design in the nanochannel surface for controlling the transport of enzymatic substrate into the side of nanozyme loaded cell. By employing the enzymatic reaction modulation capacity of the biomimetic nanochannel membrane, a sensitive and selective biosensing approach will be constructed based on molecular design on the nanochannel surface. The approach can be applied for detecting many targets via replacing the recognition molecule. The implementation of the project will provide a novel model for constructing nanofluidic device with reaction modulation, and establish a new route for designing nanozyme based biological analysis approach.

研究和利用纳流控传输现象对于理解发生在纳米限域空间中的各种作用力，操控分子和离子在其中的传输，构建仿生膜，发展能够用于分析检测的新型纳流控器件具有重要的意义。本项目针对目前基于纳米酶的生物传感方法在目标分子识别与信号产生之间的同步性和方法通用性问题，拟将具有能识别目标分子的功能分子修饰在纳米通道膜表面，实现目标分子对膜的门控传输，并将纳米酶的催化活性结合起来，构建能识别目标分子并随之改变酶底物信号分子传输通量的纳米通道膜传感界面，实现目标分子识别和信号产生的一体化，从而发展灵敏度高、选择性好、方便廉价的生物传感新方法，通过改变纳米通道膜表面的识别分子，该方法能够实现许多目标分子的检测。本项目的实施将为构建具有反应调控能力的纳流器件提供新模型，为发展基于纳米酶的生物分析方法提供新思路。

纳米通道是一种具有基础研究价值的纳米材料，制备功能化的纳米通道用来调控离子和分子的传输，有利于对生命现象的认识，开发微型的、准确的、高效的传感和分离方法。本项目通过层层自组装的方法，制备了不同聚合物功能化的纳米通道，并研究了离子、分子在通过通道时，对不同溶液环境的响应，实现了离子、分子在其中传输的调控。将聚丙烯胺（PAH）修饰到核径迹刻蚀的聚碳酸酯（PCTE）纳米通道膜中，构建了具有pH响应的纳米通道，并结合二价金属离子Ca2+、Zn2+和Mg2+和乙二胺四乙酸（EDTA）配位后产生H+，增加通道的正电荷密度，导致1，5-萘二磺酸钠（NDS2-）传输速率的变化，实现对Ca2+的检测。PAH修饰的PCTE膜表面富含氨基，氨基能与三磷酸腺苷（ATP）作用改变通道的荷电性，使通道对离子的传输表现出明显的ATP响应，且在有ATP存在的情况下，PAH修饰的纳米通道会显示出更为明显的pH响应特性。将聚乙烯亚胺（PEI）修饰到PCTE膜中，构建荷正电的纳米通道，研究了离子强度的变化，对中性分子通过荷正电纳米通道的传输的影响，结果表明，可通过调节离子强度的大小，实现中性分子在荷正电纳米通道膜中的传输调控。将聚乙烯醇（PVA）修饰到 PCTE 膜中，构建了一种对硼酸根和顺式羟基化合物具有级联识别响应的纳米通道，具有 IMP（蕴涵）逻辑门性质，这种识别模式有望用于构建纳米传感器件，以及进行硼的生理功能的模拟。将聚苯乙烯磺酸钠（PSS）修饰到PCTE膜中，构建荷负电的纳米通道，研究了溶液中存在Al3+、硼酸根离子对芦丁通过荷负电纳米通道的传输，溶液的pH变化对L-酪氨酸通过荷负电纳米通道的传输，并在此基础上研究了在通道膜两端建立LiCl浓度梯度对传输的影响，结果表明，用LiCl建立盐浓度梯度可以显著地调控这些物质在荷负电纳米通道中的传输，这种调控方式，有望发展成一种高效的分离方法。