纳米孔单通道传感器技术是一种新颖的单分子检测技术。在过去的二十年里,纳米孔单通道传感器在各个领域取得了显著的进展,包括在DNA测序,生物传感,单分子化学,蛋白折叠,以及早期疾病检测等。由于纳米孔传感技术的单分子性,使得其在聚合物分子量,构象分析等方面具有广泛的应用前景。目前,纳米孔在有机聚合物方面的研究主要集中于对聚合物分子量的分析、穿越纳米孔的动态过程以及聚合物在溶液中复杂构象的研究。本论文利用纳米孔单通道传感技术,以α-溶血素纳米孔为通道蛋白,研究了 pH,盐溶度和盐的价态对聚苯乙烯磺酸钠构象及其穿越α-溶血素的过程的影响,并且利用三价离子和DNA的桥接作用,以及三价离子与纳米孔之间的相互结合对纳米孔内部电荷的影响,进一步提高了 α-溶血素对寡核苷酸的识别灵敏度,达到两个碱基的分辨率。本论文的具体内容如下。(1)在不同的两个pH(pH 7.5和5.0)下,研究单价盐浓度对聚苯乙烯磺酸钠构象以及其穿越纳米孔过程的影响。本体系中,聚苯乙烯磺酸钠在电泳力和电渗力作用下穿越纳米孔,在pH 7.5时,α-溶血素内部为弱的阴离子选择性,电渗力相对较弱。在低盐浓度时,聚苯乙烯磺酸钠的构象为溶胀的无规线团,其穿越α-溶血素时由于水合半径大和溶血素内部基本成电中性,其很难进入α-溶血素大腔,即使少部分进入也是很快从大腔逃逸,因此出现Type A信号。当盐浓度增加时,聚苯乙烯磺酸钠的构象变为收缩的无规线团,水合半径变小,更容易进入大腔,在大腔停留解链后穿越α-溶血素纳米孔,出现TypeAB信号。在pH 5.0,α-溶血素大腔收缩处带正电,对聚苯乙烯磺酸钠有静电吸引作用,加上α-溶血素内部表现为强的阴离子选择性,电渗力提高,更有利于其在纳米孔的穿越,因此出现直接穿过α-溶血素的Type B信号,当盐浓度进一步增大,聚苯乙烯磺酸钠构象更为紧实,加上高盐对电荷的屏蔽,直接穿越难度增大,电流信号逐渐转变为Type AB。(2)在相同盐浓度下,研究发现由于α-溶血素内部电量,随着pH的增加带的正电量逐渐减少直至不带电,引起聚苯乙烯磺酸钠穿越α-溶血素需要克服的能垒逐渐增加,信号逐渐由Type B转变为Type AB。(3)研究了多价金属盐离子对带负电聚合物的构象,穿越频率和分辨灵敏性的影响。实验发现三价金属离子不仅通过对聚苯乙烯磺酸钠的桥接作用改变其构象,并且可与α-溶血素相互作用,改变了纳米孔的内部电荷,使得聚苯乙烯磺酸钠穿越α-溶血素信号的阻滞电流、阻滞时间、信号频率明显增加。利用这一现象,本论文研究了三价离子对寡核苷酸识别灵敏度的影响。发现三价离子同样提高了 α-溶血素对寡核苷酸的识别灵敏度,将α-溶血素可以识别的最短寡核苷酸降至两个碱基的长度,并且实现了不同碱基个数寡核苷酸的区分。本论文利用纳米孔单分子技术研究聚电解质构象,弥补了传统研究手段的不足,从单分子角度更加深入的研究不同体系对聚电解质构象的影响。利用三价离子与纳米孔之间的相互结合,改变其内部的电荷分布,提高了 α-溶血素本身的识别灵敏度,可以实现待测物之间更灵敏的区分和更多小分子的检测,进一步扩展了纳米孔在分子识别领域的应用。