光学传感器具有成本低、操作简单、响应速度快、灵敏度高以及选择性好等优点,在现代生物传感分析中占据着重要的地位。随着纳米技术的出现,光学传感技术得到了显著的发展。与传统材料相比,纳米材料具有独特的物理和化学性质,这是由于材料尺寸减小到纳米级后,表面面积、表面粗糙度以及比表面积的显著增加使纳米材料呈现出优异的理化性能,如机械、电学、光学、催化、磁性性能等。纳米材料经过几十年的发展,已经得到了广泛的应用,尤其是在光学传感器领域取得了巨大的成就。目前,二氧化锰(MnO2)纳米片、聚多巴胺纳米粒子、金属有机框架纳米材料、碳量子点以及贵金属纳米簇等各种纳米材料已经被广泛用作光学传感器中的光学转换单元,通过结合小分子配体、生物大分子和特异性化学/生物反应等识别单元,基于纳米材料的光学传感器对目标分子表现出特异性的响应。除了将目标物的传感方式转换为光信号的功能外,这些新型纳米材料的使用还可以赋予光学传感器较高的灵敏度。本论文利用MnO2纳米片的猝灭性质和类氧化酶性质、荧光聚多巴胺(F-PDA)纳米粒子的荧光性质以及铈基金属有机框架(MVCM)纳米材料的类氧化酶性质,发展了一系列低价、简单、合成温和的光学生物传感器用于酶活性的检测,并在实际样品中也有很好的应用。具体内容如下:一、我们首次发现了 F-PDA纳米粒子与MnO2纳米片之间可逆的荧光猝灭效应,并通过透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱、傅里叶变换红外光谱以及荧光寿命实验证明了 F-PDA纳米粒子与MnO2纳米片之间的FRET猝灭效应。F-PDA纳米粒子作为荧光供体,MnO2纳米片作为荧光受体,F-PDA的荧光很容易被MnO2纳米片以指数衰减的形式的猝灭。当碱性磷酸酶(ALP)存在时,ALP可以催化抗坏血酸-2-磷酸(AA2P)的水解生成抗坏血酸(AA),使MnO2还原为Mn2+,导致MnO2纳米片的降解,并伴随F-PDA纳米粒子的荧光恢复。基于上述反应过程,我们设计了一个免标记、低价、快速的荧光探针用于特异性检测ALP活性。此生物传感器展示了优异的传感性能,如宽的线性范围(1-80 mU/mL)、低的检出限0.34 mU/mL以及好的选择性。此外,在人类血清样本中的优异实用性显示了此传感器在临床诊断和生物医学研究中具有潜在的应用价值。二、基于MnO2纳米片的类氧化酶活性,我们发现MnO2纳米片在没有其他氧化剂的参与下可以直接将硫胺素氧化成强荧光的脱氢硫胺素。当硫代乙酰胆碱(ATCh)和乙酰胆碱酯酶(AChE)加入到MnO2和硫胺素的混合溶液中时,AChE可以催化ATCh水解产生硫代胆碱(TCh),而TCh可以很容易地将MnO2纳米片还原成Mn2+,导致MnO2纳米片的降解并失去其类氧化酶活性,同时伴随着荧光强度的降低。但在他克林的存在下,酶的活性受到抑制,阻碍了 TCh的生成和MnO2纳米片的降解,从而使该体系的荧光得以恢复。根据上述机制,我们成功地建立了一个简单、低价、免标记、简单快速合成的荧光生物传感器用于AChE的活性检测及其抑制剂的筛选。此荧光探针显示了优异的传感性能,如良好的选择性、超低的检出限(15μU/mL)、灵敏的抑制剂筛选以及实际样品测试。此外,这种低毒性、良好的生物相容性以及温和合成的生物传感器在生物成像和疾病诊断方面具有广阔的应用前景。三、基于MVCM的类氧化酶活性,我们发现MVCM在没有其他氧化剂的参与下可以直接将邻苯二胺(OPD)氧化成2,3-二氨基吩嗪(OPDox),当ATCh和AChE加入到MVCM和OPD的混合溶液中时,AChE可以催化ATCh水解产生TCh,而TCh可以抑制OPDox的生成,导致荧光强度和UV-vis吸收降低。但在他克林的存在下,酶的活性受到抑制,阻碍了 TCh的生成,从而使该体系的荧光得以恢复。根据上述机制,我们成功地建立了一个简单、低价、免标记的荧光和比色双信号传感器用于AChE的活性检测及其抑制剂筛选。此探针显示了优异的传感性能,如良好的选择性、低的检出限(87 μU/mL)、以及实际样品测试。这些结果表明,我们所提出的方法在监测疾病进展方面具有巨大潜力。