生物传感是基于生物分子特异性识别及其下游信号转换以达到目标物检测的一类分析方法,荧光生物传感是以荧光信号为基础的生物传感技术。核酸探针(Nucleic acid Probe)是基于核酸分子杂交原理的一种探针。核酸探针具有专一性强、灵敏度高、能快速准确得到测量结果等优点,使其在生物分子的检测成像、药物分析、临床疾病诊断和治疗等方面都拥有广阔的前景。纳米材料因其特有的量子尺寸效应、表面效应和体积效应等在生物传感领域尤其是荧光传感方面得到大力的发展。将核酸探针与纳米材料相结合在生物传感和检测方面的应用近年来已经得到了广泛的关注和发展,本论文基于核酸荧光探针和纳米材料构建了两种新型核酸荧光探针分别用于细胞外缺氧环境下pH的检测成像和细胞内mRNAs的检测成像。(1)基于FRET DNA-二酰基脂质体(DNA-lipid)实现细胞缺氧环境下细胞膜外pH的原位成像分析本章中,利用二酰基共轭物能够与细胞膜发生疏水的相互作用,将连有双标记的i-motif序列的二酰基脂质体插入细胞膜表面实现缺氧和常氧条件下细胞外pH的比率型检测。首先在i-motif序列两端标记两种荧光基团cy3和cy5,在pH较高的条件下,i-motif链两端的荧光基团处于分离状态,FRET效应很弱;在pH较低的条件下,i-motif链在细胞膜表面形成四聚体结构,两端的荧光基团相互靠近,产生较强的FRET效应。通过测定两种荧光基团的荧光强度比值可以实现pH值的定量检测。缺氧时,细胞内糖酵解产生大量的乳酸,这一过程打破了 pH的动态平衡,从而促使肿瘤细胞通过上调细胞质膜的H+转运蛋白,如钠氢交换蛋白-1(NHE-1)等将H+排出细胞外,最终造成细胞外环境pH降低而偏酸性。这一 pH值的变化对肿瘤的黏附、迁移以及耐药性等相关性质都有很大的影响。利用此探针对pH的灵敏响应实现对缺氧环境中细胞外pH进行精确测量,在生理病理学上都具有重大意义。(2)基于DNA三链分子开关纳米探针用于活细胞内的mRNAs的原位成像本章中,我们构建了一种新的程序性设计的金纳米颗粒介导三链纳米分子开关(triple-helix molecular switch,THMS)用于活细胞内多种mRNAs的同时成像检测。一般来说,在中性条件下,CGC碱基平行三链由于C碱基的质子化作用而不能够稳定存在,而TAT碱基三链中T碱基的去质子化作用能使其保持相对稳定,因此我们通过控制序列中TAT/CGC的比例来设计三链分子使其克服以往pH的依赖性而在中性甚至弱碱性环境中也能稳定存在,继而拓展其在细胞中的应用。另一方面,充分利用金纳米颗粒(AuNPs)-核酸构型的优势,例如独特的抗酶切能力以及高的内吞效率,以此为基础,我们构建了在AuNPs表面连接程序性设计的THMS实现了细胞内多种肿瘤相关的mRNAs的同时成像检测。当存在多种mRNAs时,只需要同时连接标记有不同荧光团的捕获探针就能实现多种分析物的检测。据我们所知,这是首次将AuNPs介导的THMS应用于活细胞进行多种分析物的成像检测。