直接分析单个分子的微区结构,构象变化,动态行为,相互作用的单分子分析技术,能为理解分子的结构与功能机制提供更加丰富的信息。纳米通道作为一种有潜力的第三代基因测序技术,为分子生物学和纳米科学提供了实时、快速的单分子检测平台。本论文以α-溶血素蛋白（α-Hemolysin）的纳米级通道结构为基础,利用其对单分子精细结构高灵敏的分辨能力,提出了高特异性的分子识别策略,构建了新型单分子分析方法和传感器,应用于癌症标志物蛋白的高选择性富集与检测,小分子药物的作用机制与热力学分析,以及纳米簇结构的高灵敏识别。本文的具体研究内容如下:基于“邻近结合”核酸引发的DNA链置换反应,发展了一种高选择性检测癌症标志物蛋白血小板生长因子（PDGF）的新方法。两条具有特异性核酸适配体（Aptamer）和碱基互补序列的DNA链作为探针,同时识别一个目标蛋白引发核酸探针的“邻近结合”和DNA的链置换反应,释放的单链DNA被纳米通道识别并输出信号,实现目标物蛋白的定量分析。该方法选择性好,快速便捷,无需标记、化学修饰和信号放大,可运用于血清样品检测。在单分子尺度下对人端粒DNA序列与药物pyridostatin的相互作用进行了探究,以α-溶血素前厅空腔捕获并区分G-四联体结构。通过分析单分子信号阻断时间的不同,证明了药物对G-四联体结构机械稳定性的增强效应。发现了“两段式”单分子信号,通过自由能的分析,证明了K+和药物对G-四联体稳定的协同作用。同时,发展了快速、非标记热力学计算方法,无需改变受体和配体分子浓度,具有很好的重复性和准确性,有希望应用于小分子抗癌药物的筛选。在单分子层次上分析了包括杂多酸盐和金纳米簇在内的五种不同尺寸结构的纳米簇,通过结构相关的二维阻断时间-阻断电流谱图和归一化捕获速率,可实现多种不同纳米簇结构的实时识别和区分。相比传统分析方法,纳米通道对样品浓度检测的灵敏度高出3个数量级。通过分子动力学模拟,分析了纳米簇穿过纳米通道的动态过程和引起的离子电流阻断,理论模拟结果进一步证明了实验结果与纳米簇结构的关联。纳米通道分析平台可为纳米簇结构的分析表征提供新的工具。