体相纳米气泡通常被认为是在液体溶液中或固体中出现的几十到几百纳米直径大小的气泡。纳米气泡的存在及其稳定性尤其是体相纳米气泡的存在及稳定性问题,仍旧是一个迷,研究者们对于该问题仍旧存在争议。根据1950年Epstein-Plesset提出的预测单个气泡寿命的理论,我们将其描述为寿命与气泡半径和饱和度相关的函数。对于直径约为1000纳米的气泡,其内部压力在25摄氏度时约为3.9bar,且该压力随着气泡的尺寸减小而增大,使其很容易迅速溶解。由于客观事实,观察到的实验证据与对描述气泡稳定性的理论预测结果相悖,证明我们对于理论描述的连续性的假设应该提出质疑。尤其是对于体相纳米气泡这种存在较大两相界面的软物质材料,其性质无法用简单的经典理论模型来简化。虽然理论发展远远滞后于应用,但是科研人员们对其兴趣越来越浓厚。在不遗余力开发新的产生方法的同时,大家也不断地发掘出了其新奇的应用,包括用作药物递送载体用氧气纳米气泡对基因组进行重编程;用作超声显影剂辅之以高能聚焦超声消融来定点消除癌细胞;用于改善消化道微环境改变我们的微生物基因组从而辅助减肥,杀灭消化道中的幽门螺旋杆菌等有害菌;开发氢气纳米气泡汽油混合物用作新能源提高发动机的性能;应用于矿物浮选提高微细颗粒矿物的富集回收;应用于微纳米塑料的回收,改善水体中的重金属生物被膜富集;用于农业,渔业的动植物培养等等。其应用涉及到人类千秋万代幸福生活的方方面面,扮演着一个具有巨大潜在影响力的角色。虽然得益于表征手段的发展,我们可以粗略测得体相纳米气泡的粒度分布,表面电势等性质,但是其内部化学信息无法通过动态光散射等技术来确定,所以对于区分纳米气泡,纳米液滴,纳米固体颗粒这些纳米颗粒还需要结合同步辐射先进技术来确证。关于其稳定性依旧是一个开放性问题。其稳定性不好的主要原因之一是气泡之间的融合,因此如何避免融合,是制备高浓度体相纳米气泡的关键。稳定性好浓度高的体相纳米气泡在生物学上具有广阔的应用前景,例如气体如果聚集成纳米气泡或团簇是否可以为研究生理惰性气体特有的生物学效应机制提供新的思路呢?因为纳米气泡有一个重要特点,优先吸附在疏水的表面。这样,当这些气体分子因为疏水作用而形成团簇与蛋白质表面的疏水表面将产生较强的相互作用,从而克服了单个气体分子与蛋白质弱相互作用的弱点?这有可能解决困扰了人们数百年的麻醉机制问题。我们前期的研究已经得到了非常有意义的实验结果,但还有许多关键科学问题没有解决。首先,此前的研究局限于理论模拟,实验部分也受限于体相纳米气泡的制备手段而未进行定量分析,测量的蛋白活性抑制程度误差也很大;另外,在分子水平上气体聚集成纳米气泡怎样抑制蛋白的活性?气体分子如果形成大量的纳米气泡后是否对蛋白活性抑制更明显?量效关系如何?它的抑制机制是否有所不同?除了生理惰性气体的麻醉效应以外,生理惰性气体在许多生理过程中可能还扮演着重要的角色。比如惰性气体纳米气泡可以开发应用于治疗减压病,缺血再灌注损伤,开发用作麻醉药等。那么在多种生理缓冲体系中生理惰性气体形成体相纳米气泡的浓度和尺寸分布又如何?这些问题都需要进行深入而系统的研究。因此,本研究从开发气源类型可控、浓度尺寸相对可控、清洁度标准较高的体相纳米气泡制备方案着手,进一步引入具有多个疏水结构域的生物相容性较好的蛋白,改变溶液PH等手段来制备出浓度更高、稳定性更好的体相纳米气泡。并结合纳米粒子示踪分析系统与硬X射线荧光成像和吸收谱学技术对其进行表征来确定其浓度、尺寸分布与内部化学信息,并通过严格脱气对照来排除纳米液滴、纳米固体颗粒等污染物的污染。之后将其应用于调控蛋白酶的活性,探究体相纳米气泡浓度与胃酶活性的量效关系。以期提出一种新的或者多种机制来诠释生理惰性气体的生物学效应。为揭示惰性气体导致麻醉的机理提供了更深层次的认识。本研究的主要进展包括以下几部分。首先利用加压减压的方法造成液相局部气体过饱和,产生气源可选择的体相纳米气泡。通过结合纳米粒子示踪分析系统与硬X射线荧光成像和吸收谱学技术对其进行表征来确定其浓度、尺寸分布与内部化学信息证明该方法确实可以产生体相纳米气泡,并且其浓度依赖于恢复常压的速率。这一方法的优点是气源可控、操作简便、浓度可通过改变恢复常压的速率来调控,清洁度较高,所制备的体相纳米气泡适于应用在生物学研究中。其次,对于加压减压法制备的体相纳米气泡我们提出更高的要求,希望其浓度更高,稳定性更好,这样将其应用于生物学研究更方便观察到效果,以及进行定量研究。而该方法的缺陷就是制备的体相纳米气泡浓度有限,气泡之间的融合使得其稳定性不够高,容易形成大气泡上浮消失,为了解决这一问题,我们引入了具有不同疏水结构域的蛋白来对气泡进行附着修饰起到防止气泡之间气体交换融合的作用。实验结果表明相对于普通生物学研究中常用的缓冲溶液中产生的体相纳米气泡,该方法提高了体相纳米气泡的浓度,延长了其半衰期,有利于后续应用。与此同时我们知道生理惰性气体具有诸多重要的生物学效应,但是其起作用的机制我们还未可知,因为其化学性质极其的稳定,不易发生反应,且极容易受轻微扰动从靶标受体上脱落,所以本研究猜测其是以纳米气泡的形式起作用。所以本研究将制备的体相纳米气泡引入与蛋白酶相互作用,研究氪气纳米气泡对于蛋白酶活性的影响。结果表明,体相纳米气泡可以显著的抑制胃蛋白酶的活性,并且其对于蛋白酶活性的抑制程度依赖于其浓度。且该抑制效果可逆,通过脱气操作可以使被抑制的活性恢复程度几乎接近于被抑制之前。该研究对于我们理解生理惰性气体诸多生物学效应的机理开阔了新的视野。对于体相纳米气泡的潜在应用也提供的新的思路。