目前生物荧光成像新技术的开发是分析化学与生命科学领域的热点前沿。发展用于选择性好、灵敏度高的单细胞分析技术的生物传感新方法在成像分析肿瘤细胞以及细胞内重要的信号分子、蛋白、离子等方面发挥着重要作用。众所周知,核酸分子除了其存储和传递遗传信息,并使用信息来指导蛋白质的合成而在生物体中起重要作用,还具有特异性结合配体的能力。寡核苷酸探针对不同目标包括核酸、蛋白子、小分子和离子具有高度特异性和亲和力,因此在建立基于核酸的生物荧光探针方面也受到了广大研究者的高度重视。基于有机小分子的荧光探针由于其技术简单性易于合成、响应快速、选择性高、灵敏度好等优点使其成为生物成像中不可或缺的强大工具。纳米材料具有纳米级可调的大小尺寸和形状、较好的生物相容性、表面可修饰各种生物分子如抗体、DNA等独特物理化学性能,利用纳米材料与生物传感器相结合有效地提高了生物传感器的灵敏度、稳定性,多功能化等性能,为生物荧光探针的发展提供了新的思路和技术支持。此外,利用纳米技术对恶性肿瘤的大小、位置以及对其早期的诊疗进行实时可视化监测,是目前生物医学领域中的前沿课题,纳米药物及基因载体等纳米治疗在临床研究已取得重要进展。本论文结合基于核酸分子的荧光探针、聚合物纳米材料和有机小分子荧光探针建立了一些生物传感新方法用于KRAS基因点突变的原位分析与测定、microRNA原位表达水平分析、溶酶体内pH成像分析以及细胞内活性氧HOC1的成像分析,以及利用高生物相容性的多肽纳米材料对肿瘤细胞进行了靶向治疗和荧光成像。其主要内容如下:开发用于精确治疗和成像癌症的生物相容性化学工具在化学和生物医学领域具有领先地位。第2章中,我们发展一种基于高生物相容性自组装多肽纳米线的可激活式癌症治疗探针,该探针可被肿瘤相关的肽酶激活从而实现肿瘤靶向治疗和荧光成像。这种多肽纳米线探针包括自组装序列Q11,毒性肽蜂毒肽,肽酶底物序列和聚阴离子序列四个部分。该多肽纳米线通过设计的探针与带荧光基团标记的自组装多肽Q11进行混合自组装,并用聚阴离子序列排列在纳米线的表面封闭毒性肽的毒性。排列在纳米线表面的肽酶底物序列可被金属基质蛋白酶MMP2酶切释放出中和毒性肽的聚阴离子序列部分,该激活的多肽纳米线探针实现对癌细胞的靶向治疗和荧光成像。本章发展的可激活式探针对肿瘤的诊断和有效治疗具有极大潜力。超灵敏、特异性原位成像基因的表达在分子生物学和临床诊断中具有重要意义。第3章中,我们基于一种新的支化杂交链式反应(bHCR)用于原位高效信号放大以及连接酶介导特异性突变检测的识别发展了一种新型荧光原位杂交方法(ligation-bHCR)用于mRNA点突变的原位成像分析。据我们所知,这是第一次将HCR技术用于原位突变检测。体外结果表明,ligation-bHCR方法对mRNA中单碱基变异的识别具有高特异性,并能够产生一个高度支化聚合物产物与HCR相比其放大效率更高、灵敏度更好。成像结果表明,ligation-bHCR产生的高亮信号斑点用于定位单个mRNA分子,并且不同颜色的亮点信号特异性的基因分型点突变。因此,该方法为各种诊断和研究应用发展高灵敏度和特异性的FISH方法提供了一个新的平台。microRNAs(miRNAs)是小的调控RNA,具有多种生物学功能并与各种疾病密切相关。单个细胞原位定量和可视化miRNA的空间分布和表达水平对于考察miRNA介导的调控网络和复杂的生物学功能具有十分重要的意义。第4章中,我们利用支化杂交链式反应(bHCR)用于单分子水平原位检测肿瘤细胞中miRNA。为了减少传统多聚甲醛固定方法对miRNA的损失,我们通过EDC和多聚甲醛相结合将miRNA共价交联到细胞中的蛋白质上,以目标miRNA作为引发链进行bHCR支化反应用于原位检测miRNA表达水平。成像结果表明,该技术实现了在单细胞单分子水平上的高灵敏高选择特异性的miRNA可视化检测。与传统的荧光原位杂交技术相比较,本方法大大提高了原位成像检测的灵敏度和成像分辨率。因此,我们认为目标引发的基于bHCR-FISH原位检测方法为研究疾病相关的miRNA表达分析提供了一个可靠的分析检测平台。细胞内pH平衡在细胞行为和病理过程中起到关键作用,为了更好地了解生理和病理过程中与pH值变化的密切联系,发展用于传感和检测细胞溶酶体内pH值变化的有效工具是非常重要的。第5章中,我们通过结合微乳液聚合和表面修饰技术构建一种靶向溶酶体的比率荧光聚合物纳米颗粒pH传感器(RFPNS)用于高灵敏的选择性成像分析细胞溶酶体中的pH。FRET对包括EANI供体和对pH特异性响应的异硫氰酸荧光素(FITC,受体)。这个基于纳米颗粒的传感系统,随着pH增加,FITC变成开环形式。在蓝光激发下,纳米颗粒中心供体EANI激发态的能量可以转移给颗粒表面开环的荧光素,实现基于FRET比率检测水溶液中的pH值。该RFPNS具有良好的水溶液分散性,好的pH诱导的光谱可逆能力。随着细胞的内吞,所制备的RFPNS选择性富集在活细胞的溶酶体内,从而可视化检测细胞内溶酶体pH的变化。该纳米传感器为靶向检测其他分析物例如:离子,代谢物,其他生物分子等提供了新的方法。生物体内的活性氧分子次氯酸(HOC1)已成为生理过程中的关键信号分子。内源性HOC1主要由髓过氧化酶催化白细胞中的氯离子发生过氧化反应而产生,它与免疫防御系统紧密相连。在生理环境下,HOC1的存在是高活性而且短暂的。然而,过量的HOC1会导致组织损伤和疾病,例如动脉粥样化、骨关节炎、类风湿性关节炎和癌症。第6章中,我们基于HOC1触发甲醛恢复的反应,发展了一种新型激活式荧光探针用于成像分析细胞内HOC1。该荧光探针具有分子内效应而具有长发射波长的特征。此外,该探针对目标物响应速度超快(1秒内完成反应),其检测限达到50 nM。活细胞成像结果表明该探针能成功应用于成像分析细胞外源和内源HOC1。