本论文主要利用荧光小分子受激后由弱荧光信号转化为强荧光信号来监测化学催化反应过程,生物体内金属离子的时空分布以及监测基于纳米氧化石墨烯的药物递送系统在癌细胞内释放药物的过程。化学催化反应是一个复杂的过程,涉及多步反应,多种中间产物。捕获中间产物的动态变化过程有助于弄清催化反应机理。由于中间产物含量低、寿命短,常规方法难以实时动态地监测中间产物的生成与转化。其次,生物体内的微量元素锌,参与了蛋白结构调控,神经信号传导等生命过程,其含量在正常细胞内存在动态平衡变化。实时动态地监测体内Zn²⁺的时空动态分布过程可以为调节和维持Zn²⁺在体内稳态提供重要依据。另外,药物递送系统将药物递送到癌细胞后,释放药物是一个动态变化过程。荧光标记技术可以实时动态地对药物递送系统递送过程以及释放药物过程进行监测。荧光技术分辨率高,灵敏度强,检测速度快,非常适用于监测含量低,寿命短,且存在动态变化的样本。因此,本论文利用荧光技术实时动态地研究了金纳米催化剂催化反应过程,监测Zn²⁺在阿尔兹海默症中的时空分布以及监测基于纳米氧化石墨烯的药物递送系统在癌细胞内释放药物的过程。具体如下:1.利用荧光小分子研究纳米金（Au NPs）在富集浓缩后的催化活性。500 nm硅烷化-SiO₂通过静电相互作用吸附5 nm Au NPs,自组装形成Au NPs@SiO₂复合物。这种自组装方法不仅能富集Au NPs,而且有效阻止了Au NPs集聚。我们进一步利用荧光小分子研究Au NPs@SiO₂复合物的催化活性。催化活性研究结果显示,Au NPs@SiO₂的催化活性是同浓度Au NPs的3倍。该复合物颗粒重复使用5次后,催化转换效率仍能保持在80%左右。并且,通过调节Au NPs在SiO₂表面的组装密度,可精确调控Au NPs@SiO₂催化活性。2.利用单分子荧光技术实时动态地研究局域表面等离子体共振（LSPR）增强光催化反应。等离子体介导的光催化提供了一种利用太阳能的新策略。在等离子体介导的光催化反应中确定决速步骤及其活化能,有助于理解热载子（热电子-空穴）的作用,有助于合理设计具有高光化学转化效率和催化性能的催化剂。然而,由于缺乏能够捕获中间产物的高时空分辨率研究工具,确定光催化反应中的决速步骤及其活化能仍然是一个挑战。因此,我们利用单分子荧光技术实时动态地研究局域表面等离子体共振（LSPR）增强光催化反应。通过在等离子光催化中引入可变温度作为独立参数,可以清楚地区分级联反应步骤的活化能,包括中间产物生成过程,产物生成过程和产物解离过程,并且发现中间产物生成过程是限速步骤。等离子体增强催化性能的原因是等离子体能够有效降低中间产物生成的活化能。这项研究为等离子体增强光催化中的光化学能转化途径提供了新的见解,并为设计高性能等离子体催化剂提供了理论依据。同时,也表明了单分子荧光技术在揭示纳米催化反应中具有显著作用。3.构建一种基于框架核酸（FNA）的荧光探针监测阿尔兹海默症中Zn²⁺的时空分布。锌是人体健康的必需元素。在生物体内,Zn²⁺的含量升高往往会引发神经衰退性疾病,比如阿尔兹海默症（AD）。实时动态地监测Zn²⁺在阿尔兹海默症发展进程中的时空分布对于理解Zn²⁺在发病中扮演的角色具有重要意义。因此,我们设计并合成了具有固定形貌,大小的FNA-Zn²⁺荧光探针。FNA-Zn²⁺荧光探针能够灵敏地监测Zn²⁺的浓度变化,实现了细胞内源锌的准确检测。用FNA-Zn²⁺荧光探针进一步监测了Zn²⁺随AD细胞发病进程的时空分布,我们发现在AD发病过程中,Zn²⁺浓度快速上升,Aβ发生聚集。最终,Zn²⁺含量和Aβ聚集体都趋于稳定,但仍高于正常水平2-3倍。该方法能够准确反映细胞内Zn²⁺的含量变化,为诊断和治疗阿尔兹海默症提供了新思路和新方法。4.采用荧光标记的方法研究响应谷胱甘肽（GSH）的纳米氧化石墨烯（NGO）药物递送系统（DDS）对肿瘤靶向治疗的过程。我们设计并制备了以二硫键作为谷胱甘肽响应开关的基于生化还原反应的NGO药物递送系统（DDS）,并对其进行荧光标记。该DDS只有在癌细胞中才能被激活并使其释放疏水性抗癌药物。为了获得更好的生物相容性和多重功能,该DDS通过基于双功能化NGO平台,在NGO边缘修饰了六臂聚乙二醇,在NGO基平面修饰了巯基。该DDS具有合适的横向尺寸（180 nm）,高载药率（²0 wt%）,选择性药物释放能力（在10 mM GSH中为⁹0%）,高生物利用度。该DDS对正常细胞（293T）和癌细胞（A549）的毒性存在显着差异。因此,我们的实验结果证实了由GSH触发的这种生物还原反应性DDS及其使用二硫键作为双功能NGO开关的构建方法显示出对肿瘤靶向治疗的潜力。