随着人类全球化进程的不断推进和现代化社会的高速发展造成了日趋严重的海洋环境污染,有害藻华的频发导致鱼类和其它海洋生物因缺氧而死亡,并同时释放大量有害气体和可使人类中毒甚至死亡的生物毒素。这不仅严重破坏了湖泊河流和海洋的生态系统,还严重危害了人类的健康和生活环境。在生态环境的治理和保护过程中,工作人员需要快速、操作简单的技术手段对各种重要物质进行日常监测。本论文针对目前对有害藻华及其生物毒素定量检测方法中的不足,利用电子科学与技术的学科优势,把新型二维纳米材料与微纳加工芯片相结合,构建了生物传感器,实现了有害藻华及其生物毒素的高灵敏定量快速检测。论文通过荧光基团标记探针捕获有害藻华特异性基因前后荧光在氧就石墨烯纳米材料体系中能量的转移,实现了基于荧光信号的有害藻华高灵敏定量检测分析。有害藻华特异性基因检测限0.1 fM,检测时间1小时,并实现了双层微纳生物芯片上多样本、多种类有害藻华的同时检测。利用核酸适配体捕获毒素分子前后与金纳米颗粒结合强度的变化,实现了对有害藻华产生的海洋生物毒素的快速定量分析,整个检测可在40分钟内得到结果,通过颜色变化即可快速获得检测结果,海洋生物毒素检测的线性范围在10 fM-0.1μM,检测限可达10 fM。本文的主要研究工作和创新点主要包括如下:1、将新型二维纳米材料与传统分子生物学方法相结合,设计并构建出高性能的生物传感器,并将其应用在对海洋生物学常见物种、物质的定量检测中,为海洋生物学提供了新的检测方法和检测思路,促进了海洋学科与其他学科的交叉融合。2、设计并构建了一种基于氧化石墨烯纳米材料的高灵敏有害藻华定量检测生物传感器,将有害藻华核酸浓度转换为光学信号,通过荧光信号的强度进行藻类浓度的定量检测。提出了基于Stern-Volmer方程的生物传感器检测性能评估方法。通过对检测条件的优化,整个检测过程可在1小时内完成。赤潮异弯藻18S rDNA基因检测的线性范围在0.1 fM-100 nM,检测限可达0.1fM,而且能够识别一个碱基错配的目标基因,实现了有害藻华的高灵敏、高特异性、快速识别检测。该检测方法处理过程简单、实验耗材少、成本低。3、通过纳米传感材料与微纳加工生物芯片的结合,研发了一种可用于多样本、多种有害藻华同时检测的高灵敏、高可靠、快速定量检测的双层微纳生物传感芯片。双层微纳生物传感芯片可在1小时内完成至少6种有害藻华的检测。与传统分子生物学方法相比,减少了检测试剂的用量,降低了分析费用和贵重生物试剂的消耗,大大节约了检测成本;密闭的检测体系减少了外界的污染和操作误差,提高了检测的可靠性。4、设计并构建了一种基于金纳米颗粒的高灵敏海洋生物毒素定量检测生物比色传感器,以有害藻华分泌的海洋生物毒素为目标检测分子,通过金纳米颗粒的聚集状态变化将海洋生物毒素浓度信号转换为光学信号。通过实验条件的摸索和优化,整个检测过程可在40分钟内完成;海洋生物毒素检测的线性范围10 fM-0.1 μM,检测限可达10 fM。与传统检测方法相比,具有操作简单、成本低廉、无需繁琐的样本前处理、检测快速、肉眼即可分辨检测结果等优点,在海水环境污染状况的监测和海产品安全评估方面具有广阔的应用前景。