随着工业革命、生物技术革命的不断推进,全世界的环境污染问题正变得日益严峻,而造成上述问题的关键原因之一就是各工业部门可控和非可控排放的大量有害污染物。众所周知,有害污染物中的重金属、肼、偶氮染料、酚类、TMB等都会对人类健康造成不良影响,导致人类生殖系统、神经系统、内分泌系统和心血管系统等发生各种疾病。这些有毒污染物在环境中的浓度虽然较低,但其中的大多数都会对人类造成严重伤害。因此,世界各国的环境监测部门都加强了对环境中有毒污染物的监测。许多传统的监测手段,包括电化学传感器、电感耦合等离子体原子发射光谱、原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱等方法都被用于有毒污染物的监测当中。虽然这些方法可以非常有效地检测环境中的有毒物质,但是每种方法自身也存在一些缺点,如较高的成本,时间密集,操作程序复杂等,从而限制了它们的应用范围。因此,迫切需要实时监测。基于此,急需开发更加便捷、高效的检测方法来监测环境中的有毒污染物。而针对有毒污染物的各种检测方法中,与光谱特性相关的可视化检测方法（如比色法）是最具实际应用价值的检测方法。罗丹明及其衍生物被证明是非常有应用前景的候选物质。然而,大多数基于罗丹明的传感器只在有机溶剂或有机/水混合溶液表现出良好的灵敏度、高的选择性和低的检出限。而在水溶液中它们的检出限通常在μM级,表现并不令人满意。为了解决这一问题,我们开发了基于聚合物囊泡的传感器。囊泡化学传感器的优势在于:首先,由于聚合物囊泡具有良好的水溶性和稳定性,可以有效地应用于水中有毒物质的检查;其次,将探针引入囊泡中,可以增加探针分子在局部体积中的浓度,从而大大提高了探针的检测灵敏度和选择性;第三,聚合物囊泡大小可控,稳定性好,易于功能化,具有可设计性。然而,尽管聚合物囊泡传感器在识别重要生物物质领域取得了较大的进展,但对工业废弃物中有害污染物的检测却很少受到重视。在本论文中,我们设计、研制了系列基于罗丹明和交替共聚物囊泡的化学传感器,并对它们可视化定量检测有毒污染物的性能进行了表征。1.检测溶液中或细胞内Hg²⁺和Cr³⁺的新型罗丹明基化学传感器罗丹明及其衍生物具有优良的光物理性质,是一种高效的有毒重金属视觉检测系统。它们与含有高电负性元素（N、O、S等）的有机小分子结合,可用于Hg²⁺和Cr³⁺的目视检测。这里我们设计开发了一种基于罗丹明-2-氨基-5-溴嘧啶（RBP）的化学传感器,可选择性检测混合金属离子溶液中的有毒金属离子,例如,检测含有Al³⁺、Ag⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Cd²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Li⁺、K⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺等竞争性金属离子溶液中的Hg²⁺和Cr³⁺。在乙腈/HEPES缓冲液（1 mM,3:2 v/v,pH 7.3）中,RBP化学传感器具有可视化性能好、灵敏度高、选择性好、结合能力强和检出限低等诸多优点,其与Hg²⁺和Cr³⁺的结合常数分别为1.09×10⁷ M^-1和8.3×10⁴ M^-1。与已有的研究报道相比,我们开发的RBP化学传感器具有目前最低的检出限（LOD）,对Hg²⁺和Cr³⁺的最低检出限分别为1.6 nM和4.9 nM。当有乙二胺四乙酸盐（EDTA）存在时,RBP化学传感器还表现出与Hg²⁺和Cr³⁺的动态可逆结合特性。此外,我们还采用密度泛函理论（DFT）对RBP化学传感器络合金属离子进行了模拟计算,理论计算结果与实验结果非常吻合。更为重要的是,RBP化学传感器还可制成试纸盒,直接通过试纸的颜色变化（裸眼可见）检测Hg²⁺和Cr³⁺的浓度,极具实际应用前景。激光共聚焦显微镜测试结果表明,RBP化学传感器还具有良好的细胞透过性和较低的细胞毒性,可作为生物成像剂用于人乳腺癌细胞MCF-7胞内Hg²⁺和Cr³⁺的检测。2.可视化定量检测水中Hg²⁺的交替共聚物囊泡化学传感器近几十年来,两亲性分子自组装成各种形貌的聚集体在化学、物理和生物科学等领域引起了广泛的关注。它们在生物领域的应用被广泛报道。然而,将它们用做化学传感器用于有毒污染物(Hg²⁺)检测的报告还很少。现有的少数可检测水中Hg²⁺的化学传感器,其性能也难以令人满意。在本章中,我们开发了一种囊泡化学传感器,其可高效高选择性地检测水中的Hg²⁺。该聚合物囊泡由接枝荧光探针（2-（5-溴吡啶-2-甲基）-3’,6’-双（二乙氨基）螺环（异吲哚-1,9’-氧杂蒽）-3-硫酮,PST）的两亲性交替共聚物聚（2,3-二羟基丁烯-交替-2,3-二羟基丁烯二硫醚）,P（DHB-a-DHBDT）在水中自组装得到。当该囊泡的水溶液加入Hg²⁺后,不仅溶液由无色变为粉红色,而且580 nm和559 nm处的发射峰和吸收峰的强度显著增强,这种显著的颜色变化可帮助我们通过“裸眼”直接检测水中的Hg²⁺。此外,该囊泡型化学传感器对混合金属离子溶液中的Hg²⁺检测也具有很高选择性,最低检出限（LOD）约为53.0 nM,比检测水中Hg²⁺的传统化学传感器高1-2个数量级。机理研究表明,对Hg²⁺作出响应的发射峰和吸收峰强度的显著增强可归因于PST探针中氧杂蒽部分光诱导电子转移（PET）导致其螺内酰胺环开环。更重要的是这种新型聚合物囊泡化学传感器,在定量检测实际水样中Hg²⁺时,表现出极其出色的选择性,具有实际应用前景,其回收利用率高于98%。3.用于水样中肼定量检测的囊泡型显色传感器肼是一种有毒的环境污染物,污染水和土地,对人体健康构成严重威胁。在即时评估时,采用定性方法（比色法）识别这类分析物是更好的选择。然而,低于阈值,需要精确测量时,需要采用定量方法。在这点上,荧光法和比色法因其高灵敏度、高选择性和优异的生物相容性而备受研究者关注。与有毒金属离子的检测相比,环境中高毒性肼污染的选择性检测更具挑战性。这是因为肼可与大多数有机溶剂形成强氢键相互作用,使检测反应受到限制而导致肼的检测困难。为此我们设计开发了一种基于交替共聚物聚（聚乙二醇二缩水甘油醚-交替-二巯基丁二酸）接枝对甲氨基酚P（PEGDG-a-DMSA）-g-RL的囊泡型显色化学传感器,实现了环境中有毒污染物肼的高选择性、高灵敏和可视化检测。这种新型囊泡显色传感器主要由交替共聚物P（PEGDG-a-DMSA）-g-RL在水中自组装得到,并通过肼氮原子上孤对电子与对甲氨基酚上带正电羰基碳原子之间的强配位相互作用,使聚合物囊泡表面的荧光发色团分子发生脱保护,导致囊泡的光谱性质发生巨大变化,如荧光和紫外可见光强度急剧增加,同时囊泡溶液发生从无色到粉红色的颜色转变。这种裸眼可见的颜色转变可用于环境中污染物肼的现场可视化检测,其最低检出限仅为3 nM。最后,采用囊泡型显色传感器对含肼蒸馏水和含肼原水样品进行了定量检测,结果表明,该囊泡型显色传感器定量检测肼的能力十分突出,肼的回收率大于96%。4.交替共聚物自组装构建人工过氧化物酶及其对污染物的显色检测酶在温和的条件下,在各种生物和环境场所中,高底物选择性、高活性、高产量地催化各种反应高效地进行。但是,天然酶的成本高、操作稳定性低、对环境敏感等缺点不容忽视。因此,开发能够克服天然酶缺点的人工酶是迫切需要的。受天然过氧化物酶的启发,我们构建了一种模拟辣根过氧化物酶（HRP）的人工过氧化物酶。具体而言,通过交替共聚物自组装并封装血红素而得到具有过氧化物酶活性的功能性囊泡。交替共聚物聚（聚乙二醇二缩水甘油醚-交替-二巯基噻二唑）P（PEGDGE-a-BTT）和聚（1,7-丁二烯-双环氧化物-交替-二巯基噻二唑）P（BDD-a-BTT）中的噻唑单元极易与血红素分子进行配位而形成复合物。该复合物中的血红素以五配位配体的形式存在,具有与底物结合的开放位点,这与天然过氧化物酶中的微环境极其相似。当采用过氧化氢（H₂O₂）氧化橙色II（偶氮染料）或酚类化合物（如邻苯二酚和3,3’,5,5’-四甲基联苯胺,TMB）时,与辣根过氧化物酶HRP相比,我们所制备的功能性囊泡（人工过氧化物酶）表现出更好的稳定性和更优异的催化活性。此外,它们（封装血红素的交替共聚物囊泡）还可用于有色物质的识别检测以及具有特定功能的新型生物催化剂。