近年来,构建高灵敏、高选择性、快速和经济的光学传感器在生物医药分析、食品安全、环境监测和危险品检测等领域越来越重要。因此,建立不同功能性的光学传感器受到了研究者的广泛关注。本论文通过将信号放大策略和磁性分离技术联用,建立DNA光学生物传感器,实现对痕量目标生物分子的特异性检测。同时,利用DNA和碳点调控金属纳米颗粒的合成,并将其应用于生物分子识别的研究。本论文还进一步探究了性能优异的碳点的不同合成路径。与此同时,结合分子荧光和紫外-可见吸收光谱技术,探讨了水溶液中碳点的光学性质及应用研究,建立了检测生物分子、食品添加剂和环境污染物的光学传感器,并研究了传感器的性能和响应机理。本论文的主要研究内容总结如下:1.基于DNA-CoOOH纳米片复合物构建焦磷酸根的“turn-on”型荧光传感器本章基于DNA-CoOOH纳米片复合物,构建“turn-on”型荧光传感器实现对焦磷酸根（PPi）的检测。其中,羧基荧光素标记的单链DNA（ssDNA）通过静电作用,吸附在CoOOH纳米片的表面,引起荧光猝灭。但是,当目标物PPi存在时,由于PPi具有较高的阴离子电荷密度和较小的位阻作用,因此PPi将CoOOH纳米片上的ssDNA竞争下来,使其荧光恢复。随着PPi浓度增加,溶液的荧光信号逐渐增强,基于此原理实现了PPi的检测。该荧光传感器对PPi具有较高的特异性和灵敏度,其检出限低至0.3μM。此外,该传感体系已成功应用于人血清样品中PPi的检测。2.基于切刻内切酶和磁性纳米颗粒构建突变DNA标志物的荧光传感器本章基于切刻内切酶（NEase）辅助目标DNA的循环和磁性纳米颗粒（MNPs）进行磁性分离,构建新型的、信号放大的超灵敏DNA传感器,实现对人类p53突变基因的检测。首先,设计了功能性的发夹探针（HP）,HP的两端分别标记有生物素和异硫氰酸荧光素（FAM）。目标DNA存在时,和发夹探针（HP）杂交互补配对并形成能被NEase识别剪切的dsDNA。NEase发生剪切反应后,dsDNA由于稳定性降低,将解旋成三段ssDNA,即目标DNA,剪切后的FAM标记的ssDNA和生物素标记的ssDNA。其中,目标DNA能够参与到下一轮循环,实现荧光信号放大。加入MNPs后,生物素标记的DNA（ssDNA和HP）将吸附在链酶亲和素包被的MNPs上。磁性分离后,溶液中只含有剪切后的FAM标记的ssDNA,荧光信号较强。该传感器的检出限低至198 fM,并且具有区分单碱基错配的能力。该检测方法在临床诊断和生物医药研究等方面具有较高的潜在应用价值。3.基于杂交链反应和Fe₃O₄-聚多巴胺纳米颗粒构建目标DNA的荧光传感器在本章中,借助杂交链反应进行无酶信号放大和Fe₃O₄-聚多巴胺纳米颗粒（Fe₃O₄@PDA NPs）进行分离,构建用于高灵敏检测目标DNA的荧光传感器。首先,设计两条HP探针,HP均具有6 nt的粘性末端,其中一条HP标记有羧基荧光素（FAM）。目标DNA不存在时,两条HP能够稳定存在。但是,当加入目标DNA后,能够触发杂交链反应（HCR）。形成的HCR产物具有24 nt的粘性末端,比HP的粘性末端（6 nt）长很多,使得HCR产物和Fe₃O₄@PDA NPs相互作用更强。加入Fe₃O₄@PDA NPs后,HCR产物的粘性末端和Fe₃O₄@PDA NPs发生较强的π-π堆积,吸附在其表面。磁性分离后,得到的清液中FAM标记的DNA较少,因此溶液荧光较低。该无酶传感器灵敏度高、选择性好,已将其用于实际样品分析,实现了人血清样品中目标DNA的检测。4.DNA和碳点介导金纳米颗粒的合成及其在检测目标DNA和蛋白质中的应用研究本章利用DNA和碳点实现对金纳米颗粒（AuNPs）的调控,并将其应用于目标DNA和蛋白质的检测。当目标生物分子不存在时,探针ssDNA将吸附在金纳米种子的表面,加入碳点进行还原,将得到蓝色的枝状AuNPs的溶液。当目标DNA存在时,和探针ssDNA互补配对,形成不会吸附在金纳米种子上的dsDNA。加入碳点进行还原,将得到红色的球形AuNPs的溶液。检测目标物凝血酶（TB）的原理也是类似的。凝血酶和适配体（探针ssDNA）形成复合物,碳点还原后生成球形AuNPs。因此,通过颜色变化和吸收光谱峰位置的移动,可实现对生物分子的检测。该体系对目标DNA和凝血酶的检出限分别为5和1.8nM,并具有较高的特异性。实验结果表明,DNA和碳点能够共同介导金纳米颗粒（AuNPs）的合成,为构建普适性的生物传感器提供了基础。5.基于碳点和银纳米颗粒构建三聚氰胺的比色、荧光双信号传感器本章实验使用碳点作还原剂和稳定剂一步法合成银纳米颗粒（AgNPs）,构建比色、荧光双信号传感器实现三聚氰胺的检测。实验结果表明,随着AgNPs的形成,溶液中碳点的荧光不断降低。但是,当三聚氰胺存在时,Ag⁺和三聚氰胺中氨基和三嗪基团的N原子相互作用。加入0–2μM三聚氰胺时,碳点还原后生成聚集的AgNPs,溶液的颜色和吸收都会发生变化。加入三聚氰胺的浓度继续增大时（2–20μM）,AgNPs的形成和聚集均会受到抑制,溶液中碳点的荧光逐渐增强。该比色、荧光双信号传感器对三聚氰胺具有较高的选择性和灵敏度,检出限低至30 nM。此外,该双信号的光学传感平台能够应用于牛奶样品中三聚氰胺的检测。6.腺苷衍生的N/P共掺杂碳点的制备及其在检测苦味酸中的应用研究碳点的各种合成途径使其在化学传感器和生物技术等方面有广泛应用。在本章中,通过引入N、P元素,合成荧光性质优异的N/P共掺杂碳点。分别使用腺苷、单磷酸腺苷、二磷酸腺苷和三磷酸腺苷作为前驱体,讨论了N/P共掺杂对合成碳点的荧光发射的影响。以单磷酸腺苷合成的碳点发射强烈荧光,荧光量子产率为33.81%。然后,将该碳点作为荧光探针,应用于构建快速、高灵敏和特异性的苦味酸（PA）传感器。碳点的荧光能被PA迅速猝灭,且PA的检出限低至30nM。探讨了荧光猝灭的可能机理,主要为内滤效应和动态猝灭。而且,该方法能够应用于环境水样中PA的检测。7.高能磷酸化合物辅助合成碳点及其在检测H₂O₂和葡萄糖中的应用研究本章实验通过引入高能磷酸化合物PPi,制备得到强荧光的碳点。实验结果表明,PPi能够充当碳点的成核抑制剂,阻止碳点自组装形成大尺寸的碳纳米颗粒。同时,高能磷酸键的设计为碳点的合成提供能量。此外,将合成的碳点作为荧光探针,用于构建H₂O₂的生物传感器。荧光猝灭主要是由芬顿反应过程中产生的高活性的·OH和Fe³⁺引起。该传感器具有宽的线性响应范围（0.5-100μM）和低的检出限（0.195μM）。该探针在氧化酶存在时,也能够用于H₂O₂相关的生物传感。在葡萄糖氧化酶存在时,实现了对葡萄糖的检测,检出限为0.254μM。此外,通过和医院常用的检测血糖的方法作对比,该传感器能够应用于人血清样品中葡萄糖的检测。