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近年来，纳米孔/通道材料成为生命分析领域最为活跃的研究对象。基于纳米孔/通道材料建立起来的纳米生物分析器件展现出了独特的功能，将为探索生命过程提供有力的技术支撑。纳米生物分析器件特殊功能的发挥主要取决于生物分子与纳米限域空间的相互作用及其在纳米空间环境中的特殊行为两方面因素。因此，本文围绕纳米空间的基本性质、生物分子与纳米空腔材料的相互作用本质以及生物分子在纳米空间内的特性与行为这几个方面开展了以下几方面的内容: 1.限域于纳米通道中的酶反应动力学研究 在纳米限域空腔内，物质传输通常是限制生化反应速度的一个很重要的因素。在本工作中，提出了以多孔氧化铝膜(PAA)的纳米通道构建阵列纳米酶反应器的新思路，并研究了限域条件下酶反应动力学机制。以葡萄糖氧化酶(GOD)催化底物葡萄糖和氧气的反应为模型生化反应体系，结合原位电化学检测技术，系统地研究了时空限域条件下（200 nm膜孔）底物的传质速率对酶催化反应动力学的影响。电化学检测电极是喷镀在纳米通道末端的一层很薄的铂膜。当底物分子流经纳米通道时被限域化的酶催化，生成电活性的过氧化氢(H2O2)，产物经流体驱动到达检测电极，产生的电化学信号可用于原位监控不同底物流速下的酶催化反应动力学信息。利用该装置还可以方便地分辨出限域空腔中不同流速下的酶催化反应机制。本研究发现:处于纳米通道中酶的活性、稳定性，以及抗环境干扰能力都得到了很大的提高。 2.基于纳米通道限域特性的无标记DNA传感器 在上一章工作的基础上，以morpholio-DNA为模型体系，发展了基于纳米通道限域特性的新型无标记DNA传感方法。电中性的morpholino是与DNA的碱基结构相同但骨架结构不同的一类DNA类似物，将其固定于纳米通道内能提供零电荷的纳米通道，此时，带负电荷的Fe(CN)63-电活性探针离子流经纳米通道时仅受到单链morpholino空间位阻效应的影响。当morpholino与DNA杂交后，形成morpholio-DNA双链刚性结构，并使纳米通道表面性质由电中性转变为强的电负性。因此，Fe(CN)63-探针离子流经纳米通道时，同时受到纳米通道表面电荷的静电排斥效应和morpholio-DNA双链位阻效应的双重阻碍，其流量将受杂交反应程度的调控。这种调控的探针离子流量变化可实时地被氧化铝末端检测电极获取。实验中发现，Fe(CN)63-的扩散流量与通道孔径、离子强度、杂交程度等因素有关。在优化的实验条件下，morpholio修饰的纳米通道对无标记DNA的检测限达到0.1nM。这种新的检测体系对刺激响应器件的构建、生物分子在纳米空间的行为提供重要的技术平台，同时，将为阐述限域条件下生物分子识别提供理论依据。 3.阵列碳纳米管限域空腔中无机纳米催化剂的制备及性能研究 以多孔阳极氧化铝膜为限域模板，葡萄糖为碳源，结合热聚合和高温碳化技术制备管径/管壁可控、两端开口的碳纳米管。以制备的碳纳米管为纳米限域空腔材料，在限域空腔的纳米管(CNTs)内制备分散均匀、形状可控的普鲁士蓝(PB)纳米催化剂颗粒。所形成的CNTs/PB纳米复合材料对过氧化氢电化学还原显示出出色的协同催化效应，同时在较宽的pH范围内表现出高的稳定性，大大拓展了PB催化剂的应用范围。 4.石墨烯修饰电极用于苯二酚异构体同时电化学测定 在我们研究组前期工作的基础上，利用电化学还原法制备了石墨烯修饰的玻碳电极。以性质相近、结构相似的苯二酚异构体为电化学探针，研究了石墨烯对苯二酚异构体的电催化和电化学识别作用。研究发现，石墨烯修饰电极可以实现对、邻、间苯二酚的同时电化学测定，且响应灵敏度较玻碳电极大很多，对、邻、间苯二酚异构体的同时电化学检测的检测限分别为0.8μM、0.95μM、0.1μM。此工作拓展了新型碳材料石墨烯在电分析化学中的应用范围。