纳米材料因其优越的物理化学特性,而被开发用于成像、给药、诊断和临床治疗等领域。但是,纳米药物的功能和效应仍然不能满足临床应用的需要,这主要是由于目前关于纳米材料的生物效应研究仅仅局限于从单一的角度进行体内或者体外研究,往往忽略了发生在纳米材料与生物大分子之间的物理化学相互作用,需从热力学和动力学角度进行综合分析和诠释。纳米材料与生物大分子之间的结合作用,不可避免地影响着纳米材料的原始生物特性,引起各种细胞和生物反应。而这些反应被认为是决定纳米药物靶向效率和生物应用的主要因素。目前,对纳米材料在生物学方面的认识不够,特别是关于纳米材料与生物大分子(如作为人体中含量最多的蛋白质之一的人血清白蛋白,还有作为遗传物质基本单位的核酸等)之间的相互作用及其机制研究仍有欠缺。因此运用热力学和动力学的方法探究纳米材料与生物大分子之间的相互作用及其机理迫在眉睫。本论文从分子水平上探究了黑磷量子点、氧化石墨烯、石墨烯量子点、碳点这四类不同功能的纳米材料分别与人血清白蛋白、胰蛋白酶、小牛胸腺DNA这三种不同的生物大分子之间的相互作用及其机制。本论文共分为五章:第一章:概述了不同功能的纳米材料,黑磷量子点、氧化石墨烯、石墨烯量子点和荧光碳点的性质、生物学效应研究现状。多种生物大分子(人血清白蛋白、胰蛋白酶和小牛胸腺DNA)的结构与功能。第二章:对黑磷量子点(Black phosphorus quantum dots,BPQDs)与人血清白蛋白(Human serum albumin,HSA)之间的结合相互作用进行了系统地表征,以深入说明受BPQDs影响的HSA的构象变化。荧光和分子对接结果表明:HSA的固有荧光主要通过范德华相互作用被BPQDs静态猝灭,并且BPQDs与HSA的site I牢固结合,形成摩尔比为1:1的基态复合物。圆二色光谱结果表明:HSA与BPQDs结合后,其二级结构发生了明显变化,HSA的α-螺旋结构转变为β-折叠结构。HSA与BPQDs结合后,其熔融温度和摩尔焓变均降低,表明BPQDs促进了HSA的热变性过程,降低了HSA的热稳定性。这些结果探索出了BPQDs与HSA的确切结合机制以及与BPQDs结合相互作用后HSA的构象变化,为人们日益关注的黑磷量子点对人体健康的潜在毒性风险提供有价值的信息。第三章:探索了胰蛋白酶与氧化石墨烯结合后的构象变化和酶活性,证明了氧化石墨烯通过范德华力、疏水作用力、氢键作用力和静电作用力有效的与胰蛋白酶结合,并猝灭胰蛋白酶的内源性荧光。而且氧化石墨烯能明显改变胰蛋白酶的二级和三级结构,通过米氏常数的计算证明了氧化石墨烯通过非竞争性方式与胰蛋白酶上的变构位点结合,细胞消化实验以及凝胶电泳实验证明了氧化石墨烯能有效地抑制酶活性,保护人血清白蛋白和Hela细胞免受胰蛋白酶的消化。这些结果探索出了氧化石墨烯与胰蛋白酶的确切结合机制,为氧化石墨烯可能对人类产生的生物学风险提供了更重要的信息。第四章:提出了一种通过一步水热法合成手性石墨烯量子点(L-GQDs,D-GQDs)的新方法。合成的石墨烯量子点具有两个对称性高的手性信号,分别位于230 nm和305 nm。结合手性、稳定性和生物相容性,手性石墨烯量子点与ct DNA相互作用的机理证明,手性石墨烯量子点与ct DNA之间存在较大的手性差异。由于空间位阻效应的影响,D-GQDs比L-GQDs更容易与右手B型螺旋的ct DNA结合。共聚焦显微镜成像和MTT分析的结果表明:手性石墨烯量子点可以成功地内化在细胞中,并具有良好的生物相容性。细胞形态观察表明:手性石墨烯量子点对细胞形态无明显影响。这些结论探索出了手性石墨烯量子点与DNA之间的相互作用模式,将化学与生命科学联系起来,为手性纳米材料在化学、生物学、医学等许多科学领域的发展提供有价值的信息。第五章:探索出三种不同性质的碳点与小牛胸腺DNA之间的作用及其机理。结合多光谱法、熔链温度法和粘度法,对三种不同性质的碳点与ct DNA的结合能力和结合方式进行探究,结果证明了掺杂元素的不同是这三种碳点与ct DNA的沟槽结合相互作用中产生差异的原因。元素的掺杂能使碳点与ct DNA之间的结合能力减弱,但是,加大碳点表面所携带的电荷,可增强碳点与ct DNA之间的结合。这些结果揭示了三种不同性质的碳点和ct DNA的沟槽结合相互作用的分子机制,这为将来在生物医学领域设计出具有针对性的碳点提供了理论参考。