自组装是自然界以及生命体系中广泛存在的独特现象,例如脱氧核糖核苷酸组装成DNA双螺旋结构,蛋白质的聚集与折叠,控制细胞分裂过程的纺锤丝的形成等等。因此,研究自组装过程具有重要意义。相比于物理或者化学方法诱导的自组装过程(如改变温度,酸碱度,离子强度,配体-受体相互作用等),生物分子诱导的自组装过程具有很好的生物选择性,其过程也更为温和,能够使人们了解并控制生物体系中的一些重要的生物过程。目前,已有多种方法被应用于表征生物分子诱导的自组装过程。总结来说,对自组装的过程和结构的表征技术可分为波谱类方法,显微学方法,衍射学方法,流变学方法和理论模拟等。相比于这些传统分析手段,生物成像(光学成像,核磁共振成像,核医学成像等)分析具有无创伤、实时、活体、特异性、精细显像等优点,能够反映出生物分子的空间和时间分布,从而了解活体内的生物分子的相关生物学过程。因此,生物成像也被用于表征生物分子诱导的自组装过程。然而,由于自组装是个动态过程,想要实现灵敏地追踪这一过程仍具有很大的挑战。因此,本课题旨在通过多种生物成像的手段,对生物分子诱导的超分子水凝胶组装过程进行机理研究及成像分析,以更好地了解生物分子诱导的分子自组装过程,进而为控制生物体系中的一些重要的生物过程提供思路。本论文第一部分中,我们通过溶液扫描隧道显微镜(L-STM)首次直接观察到了酶促超分子水凝胶组装与解组装的微观过程。我们设计了两种多肽小分子化合物,可以分别用于观察碱性磷酸酶(ALP)诱导的超分子水凝胶的组装过程以及EGFR诱导的超分子纳米纤维的解组装过程。通过自制的L-STM,我们得到了纳米纤维2的静态高分辨率L-STM图像,在该高分辨率L-STM图像观察的基础上,我们建立了计算模型,其理论计算的尺寸,均符合我们的L-STM观测结果。此外,这些超分子纳米纤维的自修复行为也第一次被直接观察到。本论文第二部分中,我们设计了一种通过19FNMR的方法来检测磷酸酶和酪氨酸激酶的新方法,其设计为一组含氟原子的功能化小分子水凝胶前体化合物,可以分别对磷酸酶和酪氨酸激酶响应发生组装和解组装,通过核磁共振波谱可以实时跟踪该过程中的19FNMR信号"开-关"过程,进而反映酶的活性。该无创成像方法可作为实时探测肿瘤生长和迁移过程的潜在有效工具,并用于相关药效评估。本论文第三部分中,我们设计并合成了能够识别的含碘的凝胶因子前体小分子,可以在细胞中磷酸酶活跃的部位引发分子自组装形成含碘的纳米纤维结构,并利用同步辐射软X射线对这一酶控成胶过程直接成像。本章通过小分子自组装行为达到造影剂在细胞内主动富集的策略,有望发展出一种"智能"酶活研究新方法。本论文第四部分中,我们设计并合成一种功能化超分子水凝胶前驱体,用于细胞内外环境区分。该小分子的磷酸根在胞外的磷酸酶的作用下被切除,引发第一级自组装形成线性纳米纤维。而当这些小分子进入细胞内部时,由于GSH的存在,小分子上的双硫键被GSH还原,从而露出半胱氨酸上的巯基硫醇结构。裸露的氨基硫醇结构又可以和小分子结构中的氰基苯并噻唑发生高效的点击缩合反应,生成环状的二聚体。由于π-π堆积作用,该二聚体分子之间会相互吸引,引发第二级自组装形成环状的纳米纤维。通过新型点击缩合反应的引入,这项工作提供了一种智能的超分子纳米纤维网络后调控的方法,并实现了同时区分细胞内外环境一石二鸟的设计。