纳米孔道材料具有比表面积大、尺寸可调、机械性能良好、易于功能化修饰等优点，近年来已成为材料、化学及生命科学等多学科的研究热点。纳米孔道材料的限域特性主要体现在两个方面:一是当传输分子尺寸与纳米孔道材料尺寸相当时，物质的传输将受到抑制，即体积效应;另一是纳米孔道材料表面存在双电层，它将影响荷电物质在其中的传输，即电荷效应。本论文将重点围绕纳米孔道材料限域效应对纳米通道中官能团质子化/去质子化过程的影响，纳米孔道材料限域效应对蛋白质基本性质的影响;利用生物分子与纳米限域空腔间的相互作用，建立单核苷酸多态性分析和ATP适配体传感器等方面开展了以下的研究:　　1.纳米孔道材料限域特性对官能团质子化/去质子化的影响　　构建了原位电化学检测系统，通过测定电化学探针离子Fe(CN)63-在修饰有氨基/羧基的氧化铝模板阵列纳米通道中的还原电流，间接检测阵列纳米通道内表面官能团质子化/去质子化过程。利用表面官能团质子化/去质子化状态决定纳通道表面电荷性质进而决定探针离子流量的原理，检测了固定在纳通道内表面的氨基/羧基的质子化/去质子化曲线。研究发现，处于纳米通道限域空腔内的氨基/羧基官能团的pK1/2分别为5.9/6.2，纳米通道中氨基的pK1/2比溶液中和表面固定的小，而纳米通道中羧基的pK1/2比溶液中和表面固定的大，充分体现了纳米通道的限域效应。　　2.纳米孔道材料限域特性对蛋白质等电点测定的影响　　在上述研究的基础上，通过共价键合的方法将蛋白质修饰于阳极氧化铝阵列纳米通道内表面，以模拟生物体的限域环境，测得了蛋白质的等电点。实验中以牛血清蛋白和牛血红蛋白为模型体系，结合第一部分工作中的原位电化学检测技术，利用带电荷的蛋白质和带负电荷的铁氰酸根探针之间的静电作用，系统研究了限域条件下蛋白质的等电点，同时测定了羊抗兔IgG蛋白质的等电点。研究结果表明，采用20 nm的氧化铝纳米通道能明显地观测到修饰蛋白质与探针之间的静电作用，从而可通过探针在纳米通道中的流量测定修饰在限域空腔中蛋白质的等电点。由于蛋白质中的氨基酸基团间距较大，故限域效应得不到体现，即处于纳米通道中的蛋白质的等电点与组装于界面和溶液中的相近。　　3.基于纳米孔道材料限域特性的无标记单核苷酸多态性分析研究　　利用纳米通道的限域效应，通过DNA类似物morpholino与DNA在纳米通道中的反应调控其中探针离子的流量变化，提出了基于氧化铝纳通道阵列的单核苷酸多态性(SNP)分析检测及疾病诊断的新方法。在20 nm的氧化铝模板中，0.5 mM PBS浓度下，将不带电荷的morpholino固定于纳米通道能提供零电荷的纳米通道，而且其所起的空间位阻效应可以忽略不计，此时，带负电荷的Fe(CN)63-电活性探针离子流经纳米通道时流量比较大。当morpholino与部分碱基互补的DNA-B杂交后，形成morpholino-DNA双链，使纳米通道表面性质由不带电荷变为带大量负电荷，此时，Fe(CN)63-探针离子流经纳米通道时，受到纳米通道表面电荷的静电排斥效应而流量急剧减少。当与DNA-B完全互补或者存在碱基错配的DNA-C流经纳米通道时，纳通道中会发生DNA-C将DNA-B从morpholino上竞争取代下来，形成更稳定的双链DNA结构而流出纳通道，此时，纳通道中的负电荷由于取代反应的发生而减少，表现为Fe(CN)63-探针离子流量与之前相比有部分或大部分回升。探针离子流量变化可实时地被氧化铝末端检测电极获取。实验结果显示，我们提出的这种基于纳通道限域特性的无标记单核苷多态性的检测方法不仅可以检测单核苷酸多态性的碱基错配个数和位置以及碱基的种类，而且还成功应用于急性早幼粒白血病的融合基因的早期诊断。　　4.基于纳米孔道材料限域特性的ATP适配体传感器研究　　基于功能化的Morpholino-DNA多孔阵列氧化铝膜及纳米通道的限域效应，构建了ATP传感器。实验中将DNA的中性类似物Morpholino固定在纳通道表面;然后，将与Morpholino部分碱基匹配的DNA杂交，该DNA上含有完整的ATP适体序列，这一过程将在纳米通道中引入大量负电荷;最后是ATP与已杂交的DNA适体结合，将其从Morpholino-DNA双链上竞争取代下来，使纳米通道中负电荷量减少。纳通道中表面电荷的变化过程可以通过检测电活性探针 Fe(CN)63-的离子流量来表现，该传感器具有很好的选择性，检测限达到1.67 nM。