活性氧（ROS）分子和活性氮（RNS）分子是生物体系中两类重要的功能小分子,它们在肿瘤细胞的生长代谢过程中具有典型的两面性,在不同的分子浓度下具有促进肿瘤发生、发展和转移的作用,或具有诱导细胞周期阻滞、凋亡及显著影响肿瘤免疫治疗的作用。因此,若能准确、高效、定量获取肿瘤细胞ROS和RNS的分子信息,深入了解其作用机制和生物学特性,不仅能为研究肿瘤发生发展过程提供数据支撑,还有望获得癌症治疗的新策略。然而,肿瘤细胞在代谢过程中产生的活性小分子浓度低、活性高、半衰期短,导致在面向细胞水平上的活性小分子检测具有较高的技术挑战性。细胞ROS和RNS的检测方法主要包括荧光探针法,化学发光法,电子自旋共振法,分光光度法。这些方法基本上都是通过间歇性测量或间接测量ROS和RNS的反应产物,从而导致灵敏度和准确度均较低且无法真实反映细胞释放的小分子水平。相较之下,电化学方法具有连续采样装置,在细胞水平的活性小分子实时连续检测方面展现出独特的优势,已经成为一种高效的检测方法。本论文旨在解决电化学检测细胞活性小分子的两大关键问题:如何通过电化学技术对肿瘤细胞活性小分子开展实时原位测量;如何优化电极材料和细胞之间的空间构型以实现高灵敏检测。主要研究工作如下:1、通过一步法激光刻蚀构建了面向不同检测目标的电化学传感器。通过表面改性和预涂敷实现了一步激光混合刻蚀技术,快速制备了石墨烯-金属纳米颗粒（LIG-MNPs）电化学传感器,成功实现了药物作用下肿瘤细胞过氧化氢释放的实时连续检测以及水中硫化氢的残留测定。2、构建了基于含酶水凝胶和纳米复合材料的高灵敏过氧化氢传感器。本研究开发了一种具有生物亲和性的丝素蛋白-酶水凝胶（SF-HRP gel）材料,并与纳米复合材料（CNT-Pt NPs）协同作用于检测过氧化氢分子,通过在玻碳电极（GCE）上层层组装得到SF-HRP gel/CNT-Pt NPs/GCE传感器,实现了药物调控作用下肿瘤细胞过氧化氢分泌的实时高灵敏检测。3、集成细胞培养和传感器原位监测的活性小分子一体化检测系统的构建。本系统基于聚砜中空纤维管三维孔洞结构,在管外固定传感材料,在管内培养肿瘤细胞,该模式优化了细胞与传感器的空间构型,有效提高了电极对于活性一氧化氮的捕获效率,实现了药物调控作用下肿瘤细胞释放的高活性一氧化氮的实时、原位检测,并对不同模型药物调控下细胞微环境中的一氧化氮水平进行了长期动态监测。本论文是一个涵盖肿瘤细胞生物学、材料学、电化学、药学的多学科交叉研究。通过构建一系列具有良好性能的细胞电化学传感器和开发不同的细胞培养模式以提高检测准确度和灵敏度,成功实现了不同模型药物调控下肿瘤细胞释放的活性小分子的实时连续检测和长期动态监测,不仅有利于探究肿瘤细胞生理状态及药物的作用机理,还为后续抗肿瘤药物筛选研究提供了基础信息。