荧光生物传感分析是常用的生命分析化学方法之一,它具有分析灵敏度高、选择性好、使用简便和适于原位分析等优点。将纳米材料优良的物理和化学性质与荧光生物传感技术相结合是近年来的研究前沿之一。聚多巴胺作为一种新型材料,由于其通用化的粘附能力、方便简单的化学修饰和优良的生物相容性等特点,在化学、生物医学和材料等领域得到了广泛的应用。聚多巴胺纳米材料的荧光性质研究对于其在生命分析领域的快速发展具有重要意义。本论文在合成聚多巴胺纳米球的同时,对聚多巴胺纳米球的猝灭荧光的能力及其猝灭机理进行了研究。发展了一些基于聚多巴胺纳米材料和核酸探针的荧光生物传感分析方法,实现了对一些生命相关物质的检测分析。主要研究成果如下:1.聚多巴胺纳米材料的猝灭荧光特性研究在本章中,我们合成了四种不同粒径的聚多巴胺纳米球,并对其猝灭荧光的性能及机理进行了研究。其结果表明聚多巴胺纳米球对多种不同发射波长的荧光分子具有良好的猝灭性能。聚多巴胺纳米球的猝灭荧光能力与目前应用最广泛的纳米荧光猝灭剂相当。猝灭机理的研究结果表明聚多巴胺纳米球对荧光探针荧光的猝灭是动态与静态相结合的过程,并通过能量转移和/或电子转移进行。实验结果显示了磁性纳米颗粒-聚多巴胺核壳(MNP@PDA)纳米复合材料同样具有优良的猝灭荧光性能。聚多巴胺纳米材料的优良猝灭荧光能力将促使其成为新型的纳米荧光猝灭剂,可用于荧光传感器的构建及多种荧光分析方法的建立。同时,聚多巴胺纳米材料猝灭荧光能力的研究将极大地拓展该材料的应用领域。2.基于聚多巴胺纳米材料的荧光传感分析方法的构建与其应用在本章中,基于聚多巴胺纳米球优良的猝灭荧光性能以及与不同构象的单链DNA分子之间亲和力的差异,我们将聚多巴胺纳米球与荧光标记的核酸探针相结合构建了一个生物传感新方法。当不存在靶标分子时,探针被吸附在聚多巴胺纳米球的表面,探针的荧光被聚多巴胺纳米球所猝灭。而目标物分子加入后与探针发生特异性反应,导致探针的构象发生变化而远离聚多巴胺纳米球,其荧光得到恢复。基于这一原理,该方法实现了对目标DNA和凝血酶的特异性灵敏检测分析,其检测限分别为0.1 nM和0.5 nM。且基于该平台的逻辑运算系统也很好地实现了其功能。同时,基于MNP@PDA纳米复合材料构建的传感技术也可对DNA和蛋白质进行灵敏的检测分析。这一传感方法快速简单,无需其它试剂和复杂的实验操作,其原理可应用于分子诊断生物传感器的构建。3.基于聚多巴胺纳米球荧光传感的目标物循环放大方法的研究在本章中,我们发展了一种基于聚多巴胺纳米球(PDANS)与核酸外切酶Ⅲ(Exo Ⅲ)相结合的荧光生物传感技术。由于单链DNA与聚多巴胺纳米球之间的相互作用,探针上标记的羧基荧光素(FAM)的荧光被聚多巴胺纳米球通过荧光共振能量转移而猝灭。然而,当存在目标DNA时,它将与探针杂交而形成双链DNA复合物,而Exo Ⅲ将会催化探针DNA中的碱基逐个从其3 ’端移除,同时释放目标DNA。由于FAM从探针上释放出来,其荧光将不再被猝灭,进而产生荧光信号。由于一个目标DNA分子可以参与一系列的循环,引起大量探针的分解,Exo Ⅲ辅助的目标物循环带来了信号的实质性的放大。该方法检测DNA的检测限是5 pM,比不使用Exo Ⅲ的要低20倍。同时,由于更快的信号恢复动力学,分析的用时也大大缩短。此外,该目标物循环的策略也可以运用于构建基于核酸适配体的生物传感平台。该传感平台用于检测三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate,ATP)时,其荧光信号也得到了增强。基于Exo Ⅲ辅助的目标物循环放大策略,可以快速、灵敏地特异性检测DNA和ATP。这一工作在发展应用于生物医学诊断的简单、快速、经济和灵敏的生物传感方面具有广阔的前景。4.适配体/聚多巴胺纳米球复合探针用于细胞内分子传感的研究在本章中,我们构建了基于荧光标记的核酸适配体和聚多巴胺纳米球的复合探针,实现了对细胞内分子的传感分析。由于单链DNA与聚多巴胺纳米球之间的作用,适配体被非共价吸附在聚多巴胺纳米球的表面,同时其标记的荧光分子的荧光也被聚多巴胺纳米球通过荧光共振能量转移猝灭。在多孔板内分析时,三磷酸腺苷(ATP)的加入使得适配体从聚多巴胺纳米球的表面脱离,荧光信号得到恢复。复合探针的荧光信号与ATP的浓度在0.01-2mM的范围内成线性关系,且该复合探针具有良好的选择性。由于聚多巴胺纳米球的良好的生物相容性及对核酸的保护作用,复合探针被输送到细胞内并对细胞内的ATP实现了“signal-on”的特异性传感分析,并可以实现半定量检测。这一设计将为发展新的基于纳米材料的传感器用于细胞内分子的分析提供借鉴。而聚多巴胺纳米材料也将在生物医学领域得到更广泛的应用,如基因和药物的输送、细胞内的成像以及体内监测等。5.聚多巴胺纳米球信号放大在荧光偏振检测小分子中的研究荧光偏振技术是一种可靠、灵敏和稳定的用于许多生命相关物质检测的手段。但由于小分子的分子质量较小无法产生明显的荧光偏振的变化,荧光偏振技术一般不被用于小分子的检测。为了解决这一问题,在本章中,我们利用聚多巴胺纳米球作为信号放大器发展了一种荧光偏振的信号放大策略。将聚多巴胺纳米球与荧光标记的适配体相结合来检测三磷酸腺苷(ATP)。由于聚多巴胺纳米球与单链DNA以及DNA/目标复合物之间的亲和力的差异,适配体与聚多巴胺纳米球作用时,表现出大的偏振值;而当适配体与三磷酸腺苷特异性作用时,荧光偏振明显变小。采用这一方法可以在40分钟内,高选择性地检测出低至280 nM的ATP。由于荧光偏振方法基本不受环境的干扰,可以高通量地在人血清中检测出低至1.02 μM的ATP。当与其它功能化核酸结构结合时,这一策略将可以实现一系列生物分子的通用化灵敏检测。