由于生物系统中的低丰度和高样本复杂性,肿瘤生物标志物检测难度极大,然而肿瘤生物标志物检测在疾病的诊断、药物筛选、预后评估和治疗手段选择等多方面有着重要作用。蛋白类和肿瘤细胞类作为两种主要的生物标志物在体内发挥着重要作用。多种技术如电化学传感器、质谱、蛋白质印迹法等方法应用于生物标志物的检测,然而,以质谱技术和蛋白质印迹法技术为例,受限于高昂的设备成本和复杂繁琐的操作。由于电化学方法其高灵敏、检测快速、操作简便等显著特点,被广泛应用于蛋白类生物标志物的检测。但在检测复杂生物样本中的低浓度生物标志物时,传统电化学传感器受限于有限的灵敏度和严重依赖昂贵且不稳定的抗体,因此开发新型高效无抗体电化学传感器用于蛋白类生物标志物的检测意义重大。循环肿瘤细胞是一种特殊的肿瘤细胞类生物标志物,其筛选方法一般需要先对血液中低浓度的细胞进行有效富集,再通过荧光等方法进行鉴别,主要需要解决以下问题:i)单细胞或者稀有细胞的高灵敏检测;ii)假阳性率;iii)细胞荧光成像低信噪比;iv)细胞荧光成像窄动态范围。与传统的循环肿瘤细胞筛选方法不同,富集的循环肿瘤细胞在磁力挤压过程中可以有效地调节细胞表面的生物标志物分子与等离子共振芯片之间的距离,从而更进一步增强循环肿瘤细胞的荧光强度,有效地提高循环肿瘤细胞的检测灵敏度并降低假阳性率。针对本领域尚未解决的科学和应用问题,本论文开发新型电化学传感器用于蛋白类生物标志物检测和循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTC)的筛选方法,用于深入研究肿瘤细胞及其生物标志物的检测与分析,主要的工作如下:(1)我们报道了一种新型传感器界面设计,主要基于配体-蛋白相互作用的无标记电化学传感器(ITO-MWCNTs-PDDA-HA),用于蛋白类生物标志物CD44和CD44~+肿瘤细胞的无标记高灵敏检测。该传感器界面具有以下主要优点:i)使用HA(hyaluronic acid)配体以无标记方式捕获CD44;ii)组装MWCNTs-PDDA纳米复合材料以提高传感器性能(过电势降低~77 mV和的电化学信号增强~6.2倍);iii)优化了电化学传感器制备条件;iv)在宽检测范围内检测蛋白类生物标志物CD44和CD44~+肿瘤细胞;v)高特异性、重复性(相对标准偏差=2.57%,n=5)、长期稳定性(14天)。基于配体-蛋白特异性检测界面,该电化学传感器可以推广到多种蛋白类生物标志物的检测。(2)我们介绍了一种纳米金岛界面用于肿瘤细胞的荧光增强成像,和传统方法相比,该方法检测肿瘤细胞的其近红外荧光强度提高了50-120倍。同时我们采用时域有限差分法对等离子体荧光增强的重要参数进行模拟,包括i)金属种类,如银、金、铝和铜;ii)金岛岛状结构的密度;iii)金岛岛状结构的厚度。在此基础上,我们重点分析了等离子体金芯片上在不存在和存在磁力条件下的荧光增强效应产生的机理,并且通过近红外荧光扫描仪、近红外荧光显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜手段验证了在等离子体芯片上,免疫磁力富集是三类肿瘤细胞(MCF-7、SKBR-3、COLO-205)进一步荧光增强效应的主要原因(增强系数依次为4.679倍、6.670倍、6.022倍),为下一步工作打下了基础。(3)我们介绍了一种纳米金岛功能化芯片用于循环肿瘤细胞高效筛选,大大提高了循环肿瘤细胞筛选的准确率和灵敏度,同时在近红外扫描仪的辅助下,循环肿瘤细胞筛选方法可以摆脱传统方法依靠人工计数的不足,大大地拓展了CTC筛选的应用范围。总之,我们报道了单细胞水平癌症患者的CTC近红外荧光筛选方法。基于该筛选平台,此技术可以推广到用于多种肿瘤细胞类生物标志物的高效检测。综上,本文以功能化界面设计为基础,开发了一种无标记的高灵敏电化学传感器和一种新型循环肿瘤细胞筛选的芯片,不仅开发了肿瘤细胞及其生物标志物的高效分析新方法,同时也有助于用于高灵敏检测的功能化界面设计。