【摘 要】
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生物体细胞膜上存在着各种类型的跨膜孔道和离子通道,它们的尺寸大多在1-100 nm。这些孔道在各种生命活动中发挥着重要作用,例如维持细胞渗透平衡和稳定细胞体积等。受这种自然现象的启发,基于生物纳米孔/通道蛋白和人工固态纳米孔,科学家们近期开发了各种纳米孔检测技术,用于单分子水平的灵敏生化检测。固态纳米孔相比于生物纳米孔,具有稳定的物理、化学性质,并且易于修饰,能够制备得到多种尺寸等优点。最近,科学
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生物体细胞膜上存在着各种类型的跨膜孔道和离子通道,它们的尺寸大多在1-100 nm。这些孔道在各种生命活动中发挥着重要作用,例如维持细胞渗透平衡和稳定细胞体积等。受这种自然现象的启发,基于生物纳米孔/通道蛋白和人工固态纳米孔,科学家们近期开发了各种纳米孔检测技术,用于单分子水平的灵敏生化检测。固态纳米孔相比于生物纳米孔,具有稳定的物理、化学性质,并且易于修饰,能够制备得到多种尺寸等优点。最近,科学家们利用玻璃纳米孔限域效应将其应用于单细胞的生命活动检测。本论文利用尺寸可控的玻璃纳米孔作为传感平台,通过粒子与纳米孔管口的碰撞,研究分析了单个纳米粒子的表面电荷情况;探究了多臂DNA分子组装体的穿孔行为;以及制备了表面特殊化学修饰的功能化纳米孔传感界面,成功用于区分不同种类和长度的短链核苷酸的碱基。具体内容如下:（1）我们利用尺寸在83.5±6.5 nm单分散的Au@SiO2纳米粒子与40 nm左右的玻璃纳米孔在管口发生碰撞,通过其脉冲信号的响应差异,分析研究了粒子表面的正/负电荷状态,有效地区分了粒子的三种不同的电荷状态。当纳米粒子接近管口并发生碰撞时,离子电流会发生剧烈变化,并且电流幅度和施加电压存在良好的线性关系。在这个体系中,碰撞电流信号受到了电泳力、电渗流以及静电作用的影响,其中电渗流在碰撞过程中起主导作用。纳米孔和纳米粒子的尺寸保持不变,纳米粒子和孔壁的电荷可以通过碰撞离子电流幅度和停留时间区分出来。因此,碰撞电流信号可以反映出粒子和孔壁的正/负电荷状态。这项研究发展了一种分析溶液中纳米粒子表面电荷状态和性质的新方法。（2）我们利用直径大约为15 nm的玻璃纳米孔,检测了单个多臂DNA分子组装体在穿孔过程中的构象变化和倾向。我们以三臂DNA组装体为研究对象,发现三臂DNA组装体在穿孔过程中有一定的空间构象取向性,它会以一条臂优先通过、另两条后续通过的形式通过玻璃纳米孔。这主要是与DNA组装体的空间位阻相关。此外,我们发现,DNA组装体穿孔频率与臂数存在一定的关系,这是DNA组装体的表面电荷和空间位阻相互竞争导致的。同时,我们通过电流信号的频率和轮廓详细考察了三臂DNA组装体穿过不同孔径的玻璃纳米孔时的构象变化情况。该工作对于未来纳米孔在溶液状态下DNA组装体的分子构效关系研究具有一定的指导意义。（3）相比于生物纳米孔,玻璃纳米管的直径较大,通常情况下由于灵敏度不够,它不适用于传感检测单个寡核苷酸。本文开发了一种简便易行的方法,在玻璃纳米管上原位聚合多巴胺（PDA）。功能化的玻璃纳米管直径由原来的100纳米缩小至十几个纳米。并且,玻璃管壁上的PDA含有多种官能团,如邻苯二酚、氨基、亚胺、苯酚等,这种特性大大延缓了寡核苷酸穿孔的时间、赋予玻璃纳米孔传感界面不一样的传感性能,有利于玻璃管检测多种生物分子。我们利用PDA功能化的玻璃纳米管成功实现了单个15个碱基寡核苷酸的检测。通过寡核苷酸与PDA之间的相互作用,可以识别出相同长度的不同基团修饰的寡核苷酸。并且可以根据寡核苷酸通过PDA功能化的纳米孔的停留时间,区分出不同长度的寡核苷酸。更重要的是,我们通过碱基穿孔信号的不同,可以实现A/T/C/G不同碱基的有效区分。
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