高灵敏的生物分子识别及检测,是生物分析化学领域中的前沿研究课题,其在疾病的诊断和治疗、环境监测中有着非常重要的应用。近年来,纳米分子识别材料因其可以与生物分子在纳米尺度相结合,对目标分子特异性识别效率高,被广泛应用于生物大分子分离、催化反应、药物缓释、酶的固定化、天然产物提取等众多领域。目前,纳米分子识别材料研究较为深入,但是仍然存在一些不足和可改进之处:首先,分子印迹技术是一种制备对某一特定分子具有高选择性识别能力的聚合物的技术。但是将传统印迹聚合物的分子识别过程转化为可视化信号,常用的荧光标记方法价格昂贵。而印迹聚合物与光子晶体相结合,可以发展出具有响应速度快,信号自表达等性质的光子晶体生化传感材料。其次,在纳米分子识别材料选择性与吸附容量方面仍有提高的空间,通过改变材料微观结构可以有效的提高其对目标物的选择性和识别性能。再次,对纳米识别材料的吸附容量和选择性研究较为广泛,但是验证纳米材料吸附机理的研究较少。针对上述研究现状和发展瓶颈,本文从纳米识别材料的制备和光子晶体传感器的应用两方面入手进行了较为深入的研究,具体研究内容和结果如下:(1)采用可逆加成-断裂链转移聚合(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization,RAFT)可控聚合法,制备了温敏性的聚合物亲和配体,首次将线性聚合物亲和配体应用于蛋白质的分离,发展出了对目标蛋白具有较高选择识别能力的纳米材料。研究表明,所制备的线性聚合物的分子量分布较窄(D<1.4),分子量为15 k的线性聚合物在pH 7.3的缓冲液中,对溶菌酶的吸附率高于90%。SDS-PAGE实验显示,所制备的线性聚合物亲和配体可以从鸡蛋蛋白中分离溶菌酶。另外,通过圆二色谱证明,该聚合物对溶菌酶的吸附过程并没有破坏溶菌酶的二级结构,说明该材料具有很好的生物相容性。(2)采用RAFT聚合法,创新性的将线性结构与交联水凝胶结合,制备了具有线性聚合物刷的水凝胶,发展出了对目标蛋白具有较高选择识别能力新型纳米材料。研究表明,每毫克纳米水凝胶对溶菌酶的吸附量达到0.42 mg。SDS-PAGE实验显示,所制备的含有聚合物刷的水凝胶可以从鸡蛋蛋白中分离溶菌酶。通过圆二色谱证明,该聚合物对溶菌酶的吸附过程并没有破坏溶菌酶的二级结构。(3)通过比较线性聚合物、交联水凝胶和改性水凝胶三种不同微观结构的聚合物对目标物的吸附性能,探讨了水凝胶吸附蛋白的机理。研究表明,纳米水凝胶在吸附蛋白的过程中,蛋白质不仅仅吸附在聚合物表面,部分蛋白质分子进入了高分子网络内部。该机理的提出为研制具有较高吸附容量的分子识别材料提供了理论依据。(4)将线性聚合物接枝于纳米二氧化硅表面,并将其组装成光子晶体传感器,构建了对溶菌酶具有光学响应的蛋白石结构的光子晶体传感器。实验结果表明,在pH7.3的溶液中,随着溶菌酶浓度由0μM增加到144μM,光子晶体阵列的衍射峰红移量达到23 nm,硅球表面的聚合物刷构象灵活,赋予了光子晶体传感器较高的检测灵敏度(0.36μM)。(5)将表面印迹技术与光子晶体结合,制备了具有信号自表达特性的印迹光子晶体传感材料。以二氧化硅纳米球为基质,制备了蛋白质表面印迹硅球,并通过垂直沉降自组装的方法,直接将表面印迹硅球组装成光子晶体阵列。结果表明,在pH 7.0的缓冲液环境中,15μM的牛血红蛋白引起印迹光子晶体衍射峰红移量23 nm,检测限为0.075μM。随着目标物浓度的增加,印迹光子晶体的结构色由绿色变为蓝色,可以简单的通过衍射峰红移的情况检测目标物的浓度,检测手段成本低,而且简单可靠。(6)为了提高印迹光子晶体传感材料的响应性能,通过模板法制备了蛋白质印迹空心球,并创新性地将印迹空心球自组装成光子晶体阵列,简化了传统反蛋白石光子晶体传感器的制备过程。实验结果表明,其空腔结构明显提高了印迹光子晶体传感器的吸附容量和响应性,15μM的牛血红蛋白引起印迹空心球阵列衍射峰43 nm的红移,伴随着明显的结构色的变化,实现了对牛血红蛋白的比色检测。(7)为了扩展印迹光子晶体阵列检测目标物的种类,制备了对环境雌激素具有较高选择识别能力的传感材料,实现了对β-雌二醇的高选择性识别。研究表明,500μM的β-雌二醇引起印迹光子晶体衍射峰22 nm的红移,检测限为5μM,实现了对β-雌二醇的高选择性比色响应。(8)将表面印迹硅球和分子印迹空心球应用于固相萃取填料,结合高效液相色谱分析技术,建立了分离复杂样品中的β-雌二醇和牛血红蛋白的方法,并优化了固相萃取条件。总之,纳米分子识别材料因其独特的结构和性能,引起了人们的广泛关注,我们希望上述工作为纳米分子识别材料的有效制备提供方法借鉴,并拓展该种材料在生化传感体系中的应用。