近年来,基于微纳通道的电化学生物分析得到了快速的发展。微纳通道主要包括蛋白质纳米通道、固态纳米通道、固态纳米通道阵列以及微流控通道。而分析物则包括小分子、核酸、肽、蛋白质、酶以及生物分子复合体等。利用微纳通道进行电化学生物分析为临床诊断、生命分析、环境和工业研究等提供了新的途径。论文利用电化学技术,结合多种分析方法,发展了三种基于固态纳米通道阵列和两种基于微流控通道的新型分析器件,分别用于研究纳米空间内酶催化反应、免疫反应的动力学,检测适体响应的生物小分子,表征水合蛋白质膜的成分和结构、电极-电解液界面上的电化学反应中间体。具体内容如下:(1)构建与实时检测系统相结合的纳米分析器件,来评估受限纳米空间或界面上的酶催化反应动力学,已经受到了越来越多的关注。因此,论文构建了一个纳米通道阵列-酶体系,结合电化学方法研究了酶催化反应。通过将葡萄糖氧化酶(GOD)共价修饰到多孔阳极氧化铝(PAA)膜的纳米通道内壁上,并将金盘贴附在PAA膜纳米通道的一端作为工作电极来检测酶催化反应的产物过氧化氢(H2O2),实验研究了离子强度、酶固定量、纳米通道孔径等因素对酶催化反应动力学的影响。结果显示,受限于纳米通道内的GOD表现出了高稳定性和高反应活性。将葡萄糖加入该纳米通道-酶体系,其电流响应与葡萄糖浓度在0.005 mM到2 mM之间具有线性关系。受限于纳米通道内的GOD表观米氏常数(Km app)为0.4 mM。论文为实时监测受限纳米空间内的酶催化反应动力学提供了一个平台。该纳米通道-酶体系可以为设计先进且高灵敏度高效的生物分析器件和酶催化反应器提供帮助。(2)评估受限纳米空间内的生物反应动力学,对于研究生物体内分子级的生物过程有着重要的意义。因此,论文提出了一个基于纳米通道阵列的电化学生物反应器和一个相应的动力学模型,并通过简单的电化学方法来研究受限纳米通道内的免疫反应。将一端带有两个地高辛抗原分子的单链DNA修饰到PAA纳米通道内,当地高辛抗体穿过纳米通道并被地高辛抗原捕获时,纳米通道内的指示离子流将会受到调控,同时其还受到许多其它实验条件的影响,例如溶液的离子强度和pH、纳米通道的孔径、指示物质的带电性质等。依据这些特点,提出了定量描述纳米通道内免疫反应的数学模型。结果显示,除了已被研究的反应动力学常数,论文还定量揭示了更多有意义的动力学信息,包括纳米通道内抗体的移动速度以及免疫反应的进程等。论文为深入研究受限纳米空间内的生物反应提供了新的视角。(3)发展基于纳米材料体系来方便检测各类生物小分子的平台,仍然是一个巨大的挑战。因此,论文构建了一个基于纳米通道阵列的电化学平台来方便、定量检测生物相关的小分子,例如钾离子(K+)和三磷酸腺苷(ATP)。通过适体上的醛基(-CHO)与PAA纳米通道上修饰的氨基(-NH2)之间的席夫反应,K+或ATP的G-四联体适体可以在温和条件下共价组装到PAA纳米通道的内壁上。在目标分子出现的情况下,受限纳米通道内适体的构象将发生转换,并导致纳米通道内空间位阻的增加。而空间位阻的变化则是由指示分子穿过纳米通道形成的阳极电流来进行监测。结果显示,该平台成功实现了 K+和ATP的定量检测,其可检测的浓度范围分别为0.005 mM到1.0 mM和0.05 mM到10.0 mM。该平台不仅具有优异的选择性、良好的重现性以及普适性,还表现出了对其它基于适体的分析物的检测能力,这将推进其在生物检测和临床检测等方面的应用和发展。(4)蛋白质的水合作用是蛋白质分子保持其正常空间构象和生物活性的一个关键性因素。了解水合蛋白质膜的成分和结构,特别是其内部水分子的分布则显得尤为重要。因此,论文提出了一个微流控分析器件,即液体-真空界面分析系统(SALVI),结合时间飞行二次离子质谱(ToF-SIMS)等表面分析技术,可以对液体表面和固液界面进行直接分析。基于SALVI的原位液体SIMS实现了固体表面水合蛋白质膜的分析。论文研究了五种代表性的水合蛋白质膜和纯水,结果表明,水簇和氨基酸碎片的半定量质谱揭示了水合蛋白质膜中水分子和氨基酸的详细成分,而水簇和氨基酸碎片的三维图则进一步展现了水合蛋白质膜中水分子和氨基酸的空间分布和立体结构,为蛋白质的分子动力学模拟提供了实验依据。论文不仅可以推进生物分子水合作用的研究,还可以推广至生命分析和生物研究等其它领域。(5)固态电极与液态电解质之间的电化学界面已被广泛研究,然而,对该动态界面上离子或分子中间体的实时空间成像仍然是一个巨大的挑战。因此,论文发展了一个利用质谱成像技术对电极-电解液界面进行原位时间分辨动态表征的方法,并由一个适用于真空环境的电化学微流控反应器来实现。通过同步进行循环伏安法(CV)和动态SIMS,可以探索碘离子(I-)在金电极表面的氧化反应机理。结果表明,金电极表面存在复杂的表面反应,特别是金-碘化合物吸附层形成,这为探索更多的瞬态物质和了解基本的电极反应提供了新的途径和视角。这些发现进一步证明了利用高分辨化学成像技术对电化学反应产物和中间体进行直接实时观测的重要性。该创新的平台适用于固液界面上电化学反应的基本动力学研究,并为设计固液界面上电能存储、材料合成、电催化、能源转换等方面的应用提供了全新的思路。