基于功能化纳米孔道诱导生物分子构象转换的限域传感器研究

本项目拟结合纳米孔道的限域特性与功能化界面的易调控性，探索功能化纳米孔道诱导生物分子构象转换机制，构建高稳定性和高选择性的生物传感器件。针对这一研究目标，本项目拟利用16-巯基十六烷基酸自组装修饰限域于纳米通道中的金纳米颗粒，通过电场可逆调控修饰分子层的构象及相应的亲疏水界面特性，系统研究修饰分子层的密度、链长、官能团极性以及外加电场强度对亲疏水空腔界面调控程度的影响；以具有疏水活性位点的乙酰胆碱酯酶为生物催化体系，电化学检测为分析系统，阐明限域空腔中生物分子与功能化界面的作用规律及构效关系；从定量的角度评价与分析纳米空腔的限域化程度对生物分子的活性和稳定性影响，构建高稳定性和高选择性的生物传感器件。研究成果将为发展基于限域纳米空腔材料的生物传感与仿生分析器件提供理论基础和研究范例。

本项目完成了以纳米多孔氧化铝膜构筑的纳米空腔材料中生物功能化界面的构建、生物分子的相互作用及物质传质规律的研究。以限域于纳米孔中的酶催化反应、DNA杂交反应为模型体系，考察了纳米空腔的大小、物质传递速率等对酶催化反应动力学的影响，根据实验结果，总结出限域化的纳米空间内的生化反应特性，揭示纳米空腔材料的限域化程度对生物分子行为的影响；阐述了不同性质，如不同荷电量、不同尺寸的生物分子修饰后的纳米孔对其内电化学标记离子传输行为的影响，依据此标记离子传输行为的变化，揭示了生物分子构象受生物化学反应刺激而呈现的转化特征，并依此发展了无标记DNA检测的新方法和新原理；在此基础上，提出了放大纳米孔限域特性的新方法，进一步提高了DNA等生物分子检测的灵敏度。本项目的研究成果为我们发展基于新原理的高效、低耗、快速、高通量、高稳定性和高选择性的生物传感与仿生器件提供新的策略。. 该项目的研究成果发表SCI收录论文9篇，其中有一篇刚刚被Electrochimica Acta接收，还没有正式发表。. 构建了基于纳米多孔氧化铝膜的纳流体通道葡萄糖传感器。研究结果表明：底物葡萄糖的传质速率影响其电化学检测的灵敏度，底物流速为20 uL/min 时，葡萄糖传感器的检测灵敏度可达86.62 uA.mM-1.cm-2。计算结果表明，此高的检测灵敏度是由于酶反应产物过氧化氢在铂膜检测电极上的收集效率为100%。流速增加，检测灵敏度也随之增加，但线性检测范围却随之减小。此限域于纳米空间内的酶传感器与传统宏观尺度的流体通道传感器相比，生物酶的稳定性和活性都得到很好的保持。.提出DNA-金胶标记物的三明治式DNA结构，构建高灵敏的基于纳米孔的DNA传感分析新方法。提出了利用DNA-金胶标记物三明治式结构进一步放大纳米孔的电荷排斥效应和空间位阻效应。DNA-金胶标记物与目标DNA杂交后，纳米孔界面上的电荷显著增加，空间位阻效应也显著增强，纳米孔中Fe(CN)63-的流量在这两种效应的作用下显著降低，此时，由于目标DNA杂交反应引起的探针离子流量改变更易被识别检测，此方法对目标DNA的检测灵敏度大大提高，检测限低至pM级。与无金胶标记物的无标记分析方法相比，检测限降低了3个数量级。.