生物分子的构象对其功能性产生决定性的影响。例如,DNA分子在界面上的构象会影响其识别能力。DNA链与其固定的界面之间的相互作用力,比如碱基和界面的吸附作用等,可以改变DNA分子在界面的取向和构象,从而影响分子识别动力学机制及传感性能。因此,研究核酸分子在固体界面的取向、构象及其分子识别动力学机制将为我们阐述生物分子界面行为以及构建高性能生物传感器件提供坚实的理论基础和指导意义。纳米尺寸的金颗粒具有量子尺寸效应、表面效应、隧道效应等一系列纳米材料特有的属性,从而呈现出特殊的光学、磁学、电学等性质。金纳米粒子的表面等离子体共振效应既能通过表面纳米区域内电磁场的近场作用增强微弱化学信号,易于获取;而组装在金纳米粒子界面的生物分子又将影响金纳米粒子表面等离子体共振性能。因此,探索和阐述纳米粒子表面等离子体共振特性与吸附分子的相互作用规律,将为我们在微纳尺度上微弱化学信息的放大获取和新方法、新技术的建立奠定坚实的理论基础。本博士学位论文利用了金纳米粒子突出的生物兼容性,构筑了表面等离子体近场增强的生物-纳米结构界面。通过结合单颗粒等离子体共振光谱、暗场显微镜成像DFM、紫外吸收光谱以及电化学方法等众多分析技术,研究了生物分子构象变化对纳米结构表面等离子体光谱性能的影响,以及金属纳米结构表面局域化电磁场对生物分子构象变化过程以及纳米粒子表面的生物催化反应波谱信号的放大与调节机制。本论文的主要研究内容包括以下三个部分:1.基于i-motif DNA分子构象变化的pH探针及应用构建了基于i-motif DNA分子构象变化的新型纳米金比色pH探针。通过紫外吸收与共振散射光谱等手段,获取了纳米结构上组装的i-motifDNA的构象变化对表面等离子体共振特性的影响。在探针的制备过程中,引入DNA中性类似物吗啉核酸MO,利用其在低盐离子浓度下,和DNA链之间杂交效率高的特点,最大程度地规避了金纳米粒子容易在高盐离子浓度环境下聚沉的弊端;同时,MO可以有效保护与之配对DNA的抗酶切能力。AuNPs特殊的等离子体共振性质使得i-motif-MO-AuNP组装体能对体相溶液的pH变化作出灵敏而可逆的响应。同时,可以通过记录AuNPs的高强度等离子体共振散射光学信号,实现对微纳空间溶液pH值的检测。与i-motif-DNA-AuNP组装体相比,i-motif -MO-AuNP组装体具有更加突出的稳定性和可逆性,可作为pH探针应用于微纳尺度的生命分析中。2.金纳米粒子表面生物分子构象变化以及生物催化过程的研究发展了一种以纳米粒子共振散射光谱和暗场显微镜技术为基础的无需标记,且具有较高空间及时间分辨率的检测手段,研究了局域于金属纳米粒子表面的增强电磁场对生物分子构象变化、分子间特异性识别过程以及纳米粒子表面生物催化过程的作用与放大机制。通过纳米粒子表面等离子体共振(NPPR)光谱特征变化,我们在单个金纳米颗粒上直接观察到了 G-rich DNA分子在K+存在下形成G四聚体构象的变化过程及其与生物小分子hemin的特异性识别过程。此外,蛋白大分子凝血酶和其适配体TBA之间的识别过程也同样可以通过NPPR光谱的位移进行观测。另外,在单颗粒金纳米粒子表面共价键合的由G四聚体DNA和hemin分子复合而形成的DNA人工模拟酶DNAzyme以及金纳米粒子表面直接键合的HRP分子均能对局域在纳米粒子周围的H202的还原以及DAB的氧化有显著的催化作用,并且这种相对较微弱的化学信号会因表面等离子体的近场电磁场增强效应而被进一步放大。因此,结合纳米粒子共振散射光谱和暗场显微镜技术,我们实现了对单颗粒纳米粒子上生物分子构象变化以及分子识别和生物催化过程的分析,为单分子水平的生物分析提供了一个潜在的研究手段。3. DNA与Morpholino单层特性的研究利用快扫伏安法研究了金电极表面DNA与MO纳米单层的运动特性,考察了电极表面钝化层的荷电性以及链长对固定于界面的DNA、MO单层杂交过程以及核酸链段弯曲及运动特性的影响,同时研究了修饰在核酸链端的电活性小分子二茂铁的电子转移性能和钝化层性质之间的关系。由于DNA分子和MO分子被限制在具有纳米级厚度的表面单层中,其链状分子的纳米特性相比溶液状态更加凸现。中性荷电的钝化层对MO单链及MO-DNA双链的运动干扰最小,固定在电极表面中性钝化层上的MO单层和溶液中目标DNA分子之间具有最高的杂交效率,且目标DNA链上的电活性探针分子二茂铁在中性钝化层膜上具有最可逆的电子转移行为。此外,纳米单层膜内DNA链的运动还受到钝化层分子长度的影响,随着钝化层分子烷烃链长度的增加,位阻效应增大,DNA链的自由运动受到限制。实验结果表明,钝化层分子的碳原子数越少,其对DNA链运动的阻碍越小,DNA链的自由度越大,其布朗运动越容易进行。实验还发现,DNA链的基于布朗运动的“扩散”速度直接影响了修饰在其链端的电活性分子二茂铁的电子转移效率。