细胞作为生物体的形态结构和生命功能的基本组成单元,在其新陈代谢的过程中会产生两类重要的生物活性小分子:活性氧种类（ROS）和活性氮种类（RNS）。它们在细胞内不断的产生和消耗,从而控制细胞的分化与增殖,介导细胞内的信号传导和决定细胞的生存与凋亡,对生物体的病理和生理过程产生了关键性的作用。一方面,其可以作为信号型和功能型分子参与细胞的正常运转和帮助细胞进行自我修复;另一方面,诱导细胞发生非正常程序的死亡,使生物体发生病变。而这些生物利害过程的发生取决于活性小分子在细胞内产生的位点,数量和类型,另外这些活性小分子具有半衰期短,产生量少,扩散速率快和反应活性高的特点,因此,对产生的ROS和RNS的实时,快速和灵敏的检测就变得尤为重要。而相对于普遍的群体细胞探究,只有逐一分析单个细胞的ROS和RNS在产生和作用位点以及成分含量之间的差异性,才能揭示被传统的平均值的分析方法掩盖掉的细胞的特殊性,对由ROS和RNS引起的细胞生理和病理过程的产生机制有新的理解,更深层次的了解细胞的某些特殊的功能和致病因子。此外,单细胞的分析方法可以对纳米尺度的亚细胞器进行识别和访问,探究ROS和RNS发生在亚细胞水平的产生和释放的空间分布的同时研究与之相关的蛋白质分子的表达和分布,从而精确描绘亚细胞水平的细胞结构和反应发生的亚位点区域。这对于目前细胞生物学和病理学的发展具有重要的借鉴作用,而且对ROS和RNS小分子物质引起的相关疾病的预防,诊断和治疗,特别是药物传输路线的设计和确定靶向药物的作用位点起到了指导性的意义。这就要求我们构建一种具有高时空分辨率,高灵敏度和选择性的传感探针来实时检测单细胞中产生和释放的ROS和/或RNS。本论文以单个细胞为研究对象,构建了不同类型的具有高空间分辨率,灵敏度和抗干扰性的传感探针,以光学和/或电学两种检测模式来探究单细胞甚至是亚细胞水平产生或释放的ROS和/或RNS的量,并且对其产生和释放的动力学过程进行分析,了解其在细胞内产生和释放的时间差异性和空间异质性以及推断与之相关的细胞器,酶,蛋白质以及信号传导的空间分布的规律和高效运转的过程,进一步地解释与其相关的生物过程的产生机制,并对相对应的病理过程提出指导性的建议。研究内容和结果简要归纳如下:（1）本研究基于物理气相沉积（PVD）直接镀金膜的方法构建了一个具有高分辨率光学检测的纳米光纤探针。该纳米光纤探针用来实时监测单个HepG2细胞在不同浓度的氧化石墨烯（GO）的诱导下,细胞内产生的氧化应激的信号分子ROS的变化,并进一步通过细胞内抗氧化水平的生物标志物还原的硫醇的变化对这一过程进行了验证。同时,长时间暴露于GO的细胞的生理形态也发生了明显的变化。最终结果表明,GO会诱导细胞内的氧化应激,对细胞产生纳米毒性,并阐述了该纳米材料对细胞生长产生毒性的机制,为GO在生物领域的安全应用提供了可参考的指标参数。为高安全性能的纳米材料的制备及其在生物领域的进一步应用提供了一种可靠和快速的评估手段。（2）在上一个对单细胞实施光学信号检测的基础上,通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）的方法直接生长均匀分布和连续自支撑的石墨烯纳米片,即石墨烯纳米墙（GNWs）在纳米光纤探针的尖端,构建了一个可以对单细胞实现光电两种信号同步收集的双功能纳米光纤探针。同时这种制备方法具有良好的重复性和稳定性。该探针中功能化的石墨烯纳米环电极具有优异的结构性能和电催化性能可以实现对NO分子的高灵敏度,低检测限和无干扰的快速检测。在紫外B波段光（UVB）的诱导下,纳米探针的中心孔径将激发光传输到细胞的特定区域并激发NO的特异性荧光探针,获得NO诱导的胞内氧化状态,同时纳米石墨烯电极实时记录由单个细胞释放的NO分子引起的电化学信号并进行定量的计算。此双功能纳米光纤探针不仅对皮肤正常和癌细胞的NO的产生和释放进行检测,而且实现了细胞膜的指定区域进行局部检测。结果表明,癌细胞比正常细胞且细胞的核中心区域比膜边缘区域产生更强烈的氧化应激,反映了不同细胞中一氧化碳合成酶（NOS）的表达活性以及同一细胞中的NOS的空间分布的异质性。这一双功能纳米光纤探针的设计一方面保证了消逝场的光学检测,另一方面实现了对UVB的诱导下实现具有高信噪比和无干扰的电化学检测,并阐述了相应的紫外诱导的氧化损伤的机制。（3）通过PECVD竖直生长在纳米光纤尖端石墨烯纳米片,也就是GNWs,不仅可以作为电极基底,也是一种高效的药物载体,从而使纳米光纤探针可以将药物传输至精确的亚细胞位点,并且在此分辨率下监测生物标志小分子的动态变化来评估药物的亚细胞作用位点。我们将槲皮素通过π-π堆叠和疏水的作用成功的负载在石墨烯纳米光纤上,并对其负载量和释放量进行了探究。进一步将槲皮素传输到三个选定的亚细胞位置:细胞核,细胞核边缘和细胞质,并同步检测在氧化损伤的作用下,三个位置的ROS生成和Ca²⁺浓度的实时动态变化,根据初步得到的数据显示的结果表明该石墨烯探针可以高效的负载槲皮素药物并且监测到细胞质区域可能是槲皮素的最佳作用位点。同时阐述了该药物的作用机制并验证我们的实验结果。该方法的构建为亚细胞水平的药物负载方式和传输提供了新的平台,并对临床的靶向药物传输路线的设计提出了新的借鉴方法。（4）基于之前构建的仅可以用于细胞内的单组分的检测的传感探针,我们制备一种环盘电化学微传感器来实时同步的检测单细胞产生的两种生物活性小分子H₂O₂和NO的含量。其中,盘状的传感器是由具有大表面积的CNT纤维构建的,通过电沉积CTAB-nafion的复合材料实现对NO的检测,而环状部分是采用磁控溅射镀的金膜来进一步用作H₂O₂的电极,修饰Pt纳米颗粒在金环电极上用于提高检测的灵敏度,选择性和响应时间。制备的此电极具有高时空分辨率和独立的检测能力且相互之间无化学串扰效应,被用于检测赭曲霉毒素A（OTA）诱导下,细胞内产生的H₂O₂和NO的实时动态变化,并对两者的释放量,释放时间和达到峰电流的时间间隔进行分析和计算,进一步来阐明两者之间的产生机制和相互作用的关系。此方法设计的双电极传感器可扩展并应用到单细胞中其他双重分析物的检测。本论文构建的传感探针技术,一方面用于高时空分辨率和灵敏度的检测在特定诱导条件下细胞产生的活性小分子;另一方面主要是用来分析细胞内这些生物活性小分子的产生机制,探究其诱导产生的疾病的病变条件,并对疾病的预防诊断和药物治疗手段提供一些基础的生物学和病理学上的科学借鉴和指导。