近年来,不同类型的传感策略已经取得了快速发展并展现出了巨大的应用潜力。第一类是基于特异性识别的单分子传感策略,具有强的特异性、强的抗干扰能力、较好的选择性等优点,已经广泛应用于细胞、组织和活体水平上分析物的检测和成像研究。但是,此类探针的一个局限是需要对每个目标分析物使用特定的探针,这限制了多种分析物检测。第二类是基于多分子探针组合的部分识别阵列传感策略,具有同时识别复杂基质中结构、性质相似的多种分析物的优势,已经广泛应用于食品安全、环境检测、疾病诊断等领域。然而,相比于特异性小分子探针,阵列由于缺乏各分子探针间在物理上的整合,限制了其在局部微环境的原位监测。为了增强其功能、扩大应用范围,通过将多种识别单元整合于同一分子骨架上构建了单一结构的模式识别探针。但此类探针设计难、构建难、更是难以集成。纳米探针具有较大的比表面积、较好的光学性能、较强的细胞穿透力、良好的生物相容性、易于制备、修饰和功能化等优点,为提高探针检测的灵敏度和准确性提供了新的途径。本论文构建了三类传感策略不同的纳米探针,并详细地研究了它们在分析检测、生物成像和疾病诊断方面的应用。此外,本论文还对这三类传感策略的检测原理、适用范围、应用场景等方面进行了详细的讨论,并对比了它们各自的优缺点,为后期实验的设计、检测对象的选择和研究领域的确定提供参考和指导。具体开展以下三个方面工作:（1）基于特异性识别的单分子传感策略的研究以层状二硒化钨为原料,设计和制备了两种基于特异性识别策略的光学纳米探针,有效地排除其它共存分子的干扰,实现了细胞内特定生物分子的识别与检测。1)在第二章中,受大量含硒次氯酸分子探针的启发,制备了一种未经任何修饰的次氯酸荧光探针（WSe2 QDs）。与分子探针相比,该纳米探针在次氯酸的检测中表现出了更好的性能,如低检测限（1.1 n M）、高选择性、快速响应、良好的水溶性、友好的操作、优异的光稳定性和p H不依赖的响应。此外,这种高特异性和高灵敏度的光学纳米探针不仅成功地用于活细胞中外源性和内源性HClO的检测,还进一步成功地根据细胞内基础HClO水平的不同来区分正常细胞和癌细胞。2)在第三章中,为了赋予特异性识别纳米探针多功能性,通过将手性分子修饰到WSe2 QDs上构建了一种光学活性可逆的手性纳米探针。该纳米探针具有特异性强、抗干扰力强,实现了细胞内氧化还原状态的指示。此外,还成功地将其用于指示药物诱导谷胱甘肽和活性氧失衡细胞模型中氧化还原态随时间的变化趋势。除了具有氧化还原态指示功能外,该手性纳米探针还具有氧化还原态调节功能。即利用其自身的谷胱甘肽过氧化物酶活性,催化还原活性氧来调节细胞内氧化还原状态,其催化能力远大于以往报导的谷胱甘肽过氧化物酶模拟物。（2）基于组合部分识别的阵列传感策略的研究虽然上述特异性识别纳米探针擅长高灵敏度和高选择性地检测细胞内某一种特定的分析物,但在实际中往往是多种目标分析物共存且同时控制某一识别事件,而要设计多个强特异性的传感探针往往是不切实际的。为了实现多种分析物的同时识别,在第四章中构建了一种基于三种单糖功能化的三色量子点共轭MoS2纳米片的荧光阵列。与特异性探针相比,该荧光阵列在凝集素检测中表现出了更好的性能,如多分析物检测、较低的检测限。此外,进一步在实际体系中证明了该荧光阵列可以通过识别细菌表面的凝集素来区分和定量不同种类的细菌,对大肠杆菌和屎肠球菌的检测限分别为87 CFU/m L-1和66 CFU/m L-1。（3）基于单一结构探针的模式识别策略如上文所述,多探针组合荧光阵列弥补了特异性探针无法同时识别多种分析物的局限,但各探针单元仍需要对平行样品进行多次重复测试,往往耗时、耗费样品。更重要的是,该荧光阵列无法实现细胞内多种分析物的原位监测。为了实现细胞或体内特定的多种分析物的原位识别,设计和构建了一种基于单一DNA四面体的纳米探针,首次实现了细胞和体内甚至是血清样本中多种micro RNAs的识别。1)在第五章中,通过将多种荧光团整合至同一DNA四面体上构建了基于单一DNA四面体结构的模式识别探针,实现了五种序列高度相似let-7 micro RNA的准确识别。与文献报道的DNA探针检测核酸相比,该探针无需繁琐的信号放大步骤就能实现let-7a、let-7b、let-7c、let-7e和let-7f的灵敏检测,其检测限分别为0.059、0.104、0.156、0.074和0.067 n M。另外,相比于组合的传感阵列,该DNA探针不仅能产生类似的独特指纹样信号,而且还实现了多个荧光探针在微观结构上的集成。2)在第六章中,进一步将DNA四面体的模式识别探针应用于不同种类细胞的识别。相比于DNA线纳米探针,该纳米探针具有更稳定的刚性结构、易于进入细胞。根据不同种类细胞之间let-7家族种类和表达水平的差异,六种癌细胞（Hela,MDA-MB-231,MCF-7,Hep G2,Hep3B,Bx PC-3）和一种人正常肝细胞（L02）得到了有效的识别,训练集和未知样本的识别正确率均为100%。更重要的是,该纳米探针不仅能用于同一种细胞中不同种类let-7家族的原位成像分析,还成功地在活体上展示了该纳米探针的原位成像能力,从而扩大了模式识别策略的应用场景。3)在第七章中,鉴于单一DNA四面体模式识别探针准确和灵敏的分析性能,进一步将其用于临床血清样本分析。利用不同血清样本之间let-7家族的成员和表达水平的差异,该纳米探针不仅成功地用于7种类型癌症的有效识别（93.9%正确率）,还成功地用于乳腺癌早期的诊断和预后,拓宽了模式识别探针在疾病诊断方面的应用。因此,这种临床可行和经济适用范围广的单一结构模式识别纳米探针的出现为早期癌症筛查和分类甚至是临床监测等领域提供了一种可能。本论文为开发新型基于特异性识别的单分子传感策略、基于组合部分识别的阵列传感策略、以及基于单一结构探针的模式识别策略的纳米探针发展了新的设计理念,为实现对不同环境条件下特定分析物的识别提供了指导思想。