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纳米通道是指孔径在1～100纳米范围内且孔深大于孔径的管状结构。目前研究主要涉及蛋白质纳米通道及固态纳米通道。其中固态纳米通道凭借机械/化学稳定性好、结构和表面性质可调控等优势引起了科研工作者的关注,在仿生离子通道设计、基因测序、单分子分析、能量转换、分子过滤、药物控释和生物传感等领域展现了潜在的应用价值。孔径在2～50纳米之间的介孔二氧化硅材料,由于通道开放、比表面积大、结构有序、孔径可调及易修饰等优点引起了科研工作者的广泛关注。作为介孔二氧化硅材料的重要一员,介孔二氧化硅薄膜由于通道高度有序且取向垂直的优势,在电化学传感领域具有潜在的应用价值。二氧化硅-胶束均孔膜(Isoporous Silica-Micelle Membrane,iSMM)是由二氧化硅纳米通道薄膜及在通道内限制生长的圆柱形胶束所组成的纳米材料,具有孔径小、孔隙率高、通道取向垂直、易修饰且薄膜厚度均匀、可调等特点。本文详细研究了 iSMM的选择渗透性,进而开发了电化学传感器及生物传感器。本文分五章展开:第一章,首先,基于输出电信号的不同表现方式,对纳米通道的电分析方法的基本原理进行了分类介绍。接着,就不同材质的纳米通道,即蛋白质纳米通道以及固态纳米通道的制备方法及生物应用进行了简要介绍。其中,着重论述了固态纳米通道的不同制备方法以及各自的优缺点。最后,列举了固态纳米单通道和通道阵列在生物电化学传感器中的应用。第二章,采用Stober溶液生长法,在氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)导电玻璃表面原位生长了 iSMM薄膜。利用电镜方法表征了 iSMM的通道形状、孔径大小、薄膜厚度等结构性质。由于iSMM通道取向垂直于ITO表面,有利于传质过程的进行,即溶液中的物质能够在通道内通过扩散到达电极表面。采用循环伏安技术对去除了模板剂的二氧化硅均孔膜(Isoporous Silica Membrane,iSM)和保留了模板剂的iSMM薄膜的选择渗透性进行了考察。研究发现iSM薄膜具有尺寸/离子选择性,并且对同离子(与通道内壁电荷相同的离子)的渗透性可以通过离子强度进行调控。而iSMM薄膜则具有尺寸/电荷/亲疏水选择性,只允许中性疏水小分子进入通道内部并与基底ITO电极进行电子交换。最后采用电化学阻抗技术,研究了甲醇二茂铁(FcMeOH)在不同电极界面上的电化学行为,首次提出了相应的等效电路图并发现其在iSMM/ITO电极上电荷转移电阻最小,说明iSMM薄膜对FcMeOH有富集作用,有利于FcMeOH在胶束/电极界面上电化学过程的进行,第三章,由于电极表面容易被生物分子污染和钝化,人全血中的直接电化学检测仍具挑战性。鉴于iSMM薄膜具有尺寸筛分功能、电荷/亲疏水/尺寸选择渗透性、富集能力,只有中性疏水小分子能够进入iSMM中的胶束相并到达基底ITO电极表面进行电化学反应,而体液中的细胞、脂质、蛋白质、糖类、离子等带电/亲水/大尺寸物质被排斥在通道外,iSMM能够保护基底ITO电极的有效响应面积不受干扰物污染。此外iSMM中的胶束相能够通过疏水-疏水作用力萃取水相中的中性疏水小分子,实现痕量分子的富集检测的目的。因此以亲脂性的氯霉素为模拟药物,发展了一种人全血中药物分子的直接电化学检测方法。第四章,基于 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine,TMB)响应的iSMM薄膜,发展了一种非标记均相电化学生物传感器。TMB作为G-四链体/血红素 DNA 酶(G-quadruplex/hemin DNAzyme,G4zyme)催化底物,已被广泛应用于生化分析中。然而到目前为止,科研人员往往通过电化学法或光学方法检测TMB的氧化产物,从而达到对G4zyme催化活性定量的目的。这里尝试利用iSMM薄膜的电荷/亲疏水/尺寸选择渗透性,考察TMB的直接电化学信号。此外,由于特定的待测物能够调控G4zyme的酶活性,因此可通过TMB电化学信号的衰减比来对待测物进行非标记的均相电化学检测。作为模型分子,尝试检测了钾离子、三磷酸腺苷、凝血酶及核酸序列。第五章,对前面三章的工作进行了总结与展望。