纳米通道单分子传感是一种无需标记、无需扩增、高通量和高灵敏度的分析技术。固态纳米通道以其良好的机械性能、尺寸可调、易于修饰和易集成等优势,已被广泛应用于DNA测序、蛋白质构象分析、生物分子间相互作用、酶动力学以及单分子传感等研究领域,是目前最具前景的单分子分析技术,并有望成为精准医疗的重要手段。但该技术在纳米通道的精准制备、信噪比、分子易位速度控制、灵敏度与选择性等方面依然面临一系列重大挑战。基于此,本论文从聚合物纳米通道的制备及性质研究出发,系统地研究了影响纳米通道整流效应的主要因素及规律,并掌握了对纳米通道性质的调控机制,实现了对纳米通道的精准制备。以该聚合物纳米通道为传感器件,成功地应用于重金属离子去除作用的研究,小分子量蛋白的高辨识性传感,循环肿瘤DNA片段的高灵敏度、高选择性传感分析,并系统地阐述了分析物在纳米通道中的动力学过程以及对应脉冲信号的产生和调控机制。具体研究内容如下:1.聚合物纳米通道的制备及其性质研究受生命体中离子通道的启发,本论文以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜为基材,通过不对称离子径迹刻蚀法制备了圆锥形PET纳米通道。采用两步刻蚀法来微调纳米通道的孔径尺寸,并利用皮安计来监测跨膜电流的大小,实现了对纳米通道的可控和可重复制备。本论文系统地研究了纳米通道的尺寸、表面电荷密度、电解质溶液浓度对纳米通道的离子传输性质和离子整流特性的影响。另外,基于聚乙烯亚胺(PEI)与纳米通道羧基的共价键合作用,制备了PEI修饰的聚合物纳米通道,并以离子整流曲线为输出信号,构建了对重金属离子响应的纳米通道传感器。该纳米孔传感器在纳米级尺寸下实现了对金属离子去除作用的研究,这将为生命体内过多重金属离子的有效去除具有一定的指导意义。2.纳米孔双脉冲分子器件的构建及应用本研究设计并构建了一种纳米孔双脉冲生物传感器,成功的应用于小尺寸蛋白分子的高辨识性研究。以溶菌酶作为迁移分子,系统的研究了双向脉冲信号的产生、调控及其形成机制。实验结果表明:纳米孔的尺寸、表面电荷和迁移分子的电荷性质对纳米孔双向脉冲信号的形成尤为重要。以溶菌酶-PET纳米孔模型为指导,通过对膜材料与迁移分子进行匹配设计,可以实现其他双向脉冲纳米孔传感器的构建。针对蛋白分子在纳米通道中迁移速度快、信噪比与分辨率低等问题,本文制备了孔径大小与蛋白分子尺寸相匹配的锥形PET纳米通道,通过调节纳米通道和蛋白分子的表面电荷极性与电荷密度,成功实现了对蛋白分子迁移速率以及易位特征信号的有效调控。按照预期,在电流-时间曲线上观测到了明显、规整的双脉冲电流信号。与传统纳米孔输出的单峰脉冲信号相比,双向脉冲信号可以提供更为丰富的指纹信息。基于蛋白分子与纳米通道独特的相互作用,实现了对溶菌酶分子的高特异性辨识。该双脉冲纳米孔传感器有望被开发为单分子传感器件,在蛋白质相关疾病的检测和诊断方面具有潜在的应用价值。3.基于杂交链式反应(HCR)的纳米孔信号放大及应用本研究构建了杂交链式反应基纳米孔信号放大体系,并成功应用于模拟血清样品中循环肿瘤DNA(ct DNA)的超灵敏检测。由目标ct DNA引发的杂交链式反应(HCR),将小片段ct DNA通过自组装形成长链的双链DNA聚合物,并将其作为纳米孔传感器的识别单元,克服了短链ct DNA在固态纳米孔传感中信噪比低、捕获率低等条件的限制。基于HCR的序列特异性,本方法实现了ct DNA的高选择性检测,且对完全匹配序列与单碱基错配序列之间具有较好的区分。该方法有望被发展成为一种通用的单分子分析方法,用于核酸、蛋白质及其生物小分子的超灵敏检测分析,在临床诊断分析方面也将具有广阔的应用前景。4.基于介电泳(DEP)富集的纳米孔超灵敏检测本研究将介电泳富集技术与纳米通道单分子检测技术相结合,显著提高了DNA分子的富集与检测效率。本实验探究了交流电压频率、蔗糖含量对介电泳富集的影响,通过改变交流电压频率来调节Clausius-Mosso因子,进而实现对DNA分子的正向富集。实验结果表明:介电泳富集后,DNA分子的易位事件频率提高了5倍。