生命体内的细胞受到刺激后,通过门控机制,能够实现细胞内的物质代谢、信号传递和能量转换的功能。生物膜由磷脂双分子构成,镶嵌在其中的跨膜蛋白与生物膜共同构成生物体通道,这一类纳米孔级别的蛋白通道称为生物传感器。仿生的生物纳米通道需要镶嵌在磷脂双分子层中,由于其物理化学性质不稳定以及容易破损,限制了它在体外的应用研究。因此,使用人工合成的有机膜进行纳米通道的仿生研究应运而生。近几年来,人工仿生纳米通道因具有稳定的物理化学性质、易进行通道表面化学修饰以及形状大小容易调控等特点而被广泛研究。在已见报道的研究中,研究者构建了具有不同离子或分子响应功能的纳米通道,及用于小分子的检测、传输以及分离的纳米通道。目前通常采用的修饰方法是化学修饰或自组装修饰法。然而,化学共价修饰的纳米通道往往存在难以实现可逆循环利用的问题,而自组装修饰的纳米通道存在稳定性较差的问题。如何解决稳定性与可逆循环以及实现小分子物质的可控释放,是一项有科学意义的任务。在实现小分子控制可控的基础上,又将如何实现生物大分子的传输分离。本论文将围绕以上的科学问题,开展了以下的三个研究工作:(1)还原型谷胱甘肽(GSH-)是细胞内的清除自由基的关键分子,防止细胞内物质被自由基氧化。由于GSH在细胞内合成,而其发挥作用的活性位点在细胞外,因此对其跨膜传输的研究显得尤为重要。在第一个工作中,通过将主客体系统与共价键相结合,我们成功构建了反应型的二硫键纳米通道,可精准控制GSH分子的释放。该工作系统研究了表面电荷密度不同的通道对分子传输释放的影响,通过对GSH在巯基乙胺柱[5]芳烃/GSH通道及MEP5/氧化型谷胱甘肽(GSSG)通道中传输释放的定性和定量的实验,实现了 GSH分子在限域空间中的高通量的传输性能。通过对传输释放通量的计算可得,MEP5/GSH通道的通量是MEP5/GSH通量的22倍,且该通道实现了可逆循环的特性。通过测试,与酸性氨基酸相比,GSH具有更高的传输释放性能。该方法为今后开发反应型通道用于离子或分子的传输提供了新的思路。(2)由于血红蛋白(Hb)含有铁卟啉,因此GSH的存在可保护其中配位的二价铁离子不被氧化。生命体通道传输蛋白是先吸附后释放的过程,通道表面对蛋白质分子的亲和力作用强,有利于蛋白进入限域空间,完成吸附释放过程。在第二个工作中,我们使用PET膜构建的反应型二硫键纳米通道,实现了对大分子血红蛋白的传输行为。同时对Hb分子在MEP5/GSH通道和MEP5/GSSG通道中进行了传输的定量及定性实验,实现了蛋白分子在限域空间中高通量传输性能。通过对传输通量进行计算,可以得知MEP5/GSH通道传输Hb分子的通量是MEP5/GSSG通道的12.8倍,此研究结果为提高生物大分子的传输通量提供了新的思路和方法,并可通过氧化还原反应实现通道的可逆循环。通过测试,Hb与其他蛋白相比,具有更高的传输性能。因此,该研究结果证明了二硫键仿生纳米通道对蛋白分子具有传输能力。(3)生命体内有一类机械力敏感通道(OSCA通道),在压力的驱动下,使通道打开或关闭。在前两个工作中,分子的控制释放行为通过电压驱动而实现。但是电压分离的方式难以投入工业生产,为了进一步探究二硫键仿生纳米通道在蛋白方面分离的应用,我们尝试引入压力驱动。在Hb,牛血清蛋白(BSA)和卵清蛋白(OVA)这几种蛋白中选择性实现了Hb分子的分离。首先,我们使用直形纳米通道构建二硫键纳米通道,并搭建了压力装置,利用GSH与蛋白之间的亲和力相互作用进行蛋白分离。实验结果显示GSH与三种蛋白分子的结合比均为1:1,而其中GSH与Hb的结合常数最大。进一步通过荧光共聚焦与接触角的实验结果,均证明Hb分子在MEP5/GSH通道中完成了 Hb分子的初步分离。因此,通过压力的策略可以为纳米通道应用于蛋白分离提供了新的思路。