近年来,金属污染对人类健康和环境稳定的危害引起了人们的广泛关注。众所周知,少量的金属离子对生命活动有积极调节作用,而过量金属离子的累积则可能引发多种疾病。因此,对环境、人体和食品等中的金属离子含量快速检测、实时监控以及有效去除具有重要意义。在去除金属离子的众多方法中,螯合法是最常用也是最为有效的方法。因而,对金属-金属螯合剂的作用过程、反应机理的研究尤为重要。然而,传统研究方法都是基于大量分子反应的平均作用,无法以单个分子为基础来描述分子间的相互作用和化学反应过程。近年来,通过将生物技术与纳米单分子技术相结合,记录单个离子通道的电流变化对分析物进行检测的纳米孔单分子检测技术,在单分子反应研究中发挥着重要作用。在过去的二十多年中,纳米孔单分子检测技术以成本低、操作简单、快速、高效、灵敏度高、选择性好等优点,已成为在单分子水平上对分析物进行分析、检测的有力工具,并广泛应用于DNA测序,异构体区分,反应动力学过程监测,共价和非共价相互作用研究,核酸、聚合物、有机分子、金属离子检测等领域。本文基于羧甲基-β基环糊精(CMβCD)功能化的纳米孔,在单分子水平上研究了金属-螯合剂间的作用机理,并实现了对多种二价金属离子和有机小分子的检测。主要研究内容具体如下:1.金属-螯合剂间单分子化学反应的研究本节实验以Cu2+和CMβCD为模型,(M113N)7突变蛋白质为纳米孔反应器,详细研究了 Cu2+和CMβCD螯合剂间的可逆单分子作用原理。实验结果表明,天然衍生物CMβCD具有良好的生物相容性且对Cu2+有较高的亲和力。Cu2+与CMβCD在纳米反应器中的形成常数Kf与本体溶液中相比增加14417倍。通过特征可逆电流阻塞信号,观察到Cu2+和CMβCD单分子作用过程中存在四种结合方式。此外,通过改变Cu2+浓度、pH、跨膜电压、温度等条件,对Cu2+与CMβCD相互作用的热力学和动力学过程进行研究。实验结果表明弱酸性pH有利于形成稳定的Cu2+-CMβCD络合物。随着电压、温度的升高,Cu2+与CMβCD的结合频率增加,而Cu2+-CMβCD络合物的稳定性降低。该项工作为金属-螯合剂间相互作用研究以及金属离子的快速、高效检测提供了新的平台。此外,具有良好生物相容性的CMβCD有望应用于治疗金属离子中毒的药物中,因而具有重要的理论意义和实际应用价值。2.基于功能化纳米孔对多种二价金属离子实时单分子检测本节以CMβCD为适配器,实现了对二价金属离子的单分子检测。根据不同二价金属离子与CMβCD作用产生的不同动力学常数,在单分子水平上实现了对二价金属离子与CMβCD间相互作用的研究。此外,根据不同金属-CMβCD络合物产生的电流阻塞率△I/2/I0和(或)滞留时间τoff的差异,实现了对一些二价金属离子的区分以及对混合体系中几种金属离子(Cd2+、Hg2+和Cu2+)同时检测。实验结果表明,与单组分检测相比,混合体系中各组分与CMβCD间的作用不受其它离子存在的影响。该工作通过纳米级尺寸的传感器不仅为灵敏、快速地检测金属离子提供了新方法,同时对有效去除金属离子也具有重要意义。3.基于功能化分子适配器对金属离子和有机分子同时检测及相互作用的研究本节实验基于金属离子和有机分子与CMβCD作用位点不同的特点,实现了对Cu2+和1-AdNH2·HCl的同时检测。实验结果表明,混合体系中各组分与CMβCD作用产生的△I2/I0和τoff与单组分检测结果一致。而金属离子和有机分子同时与CMβCD作用时,相互作用的影响使复合物的滞留时间τoff减少。通过电流阻塞trace图,在单分子水平上完成了对CMβCD与金属离子和有机分子同时作用机理的研究。该项工作不仅为研究金属离子、有机分子与CMβCD的作用提供了平台,还实现了对金属离子和有机分子共存污染物的实时、高效检测。此外,对有效去除金属离子与有机分子共存污染物,创造绿色、健康的环境也具有重要意义。