荧光探针因其具有高分辨率和良好的机体相容性等优势,近年来已经成为生物传感和分析成像的有力工具。传统的荧光探针受限于聚集导致淬灭性质,在高浓度或者聚集状态下荧光强度发生衰减,从而影响其在特殊环境中的性能发挥。而具有聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)性质的荧光探针因其低背景干扰,高信噪比以及良好的抗光漂白等优点,逐渐成为生物分析检测领域的研究热点。由于在实际检测环境中样品成分复杂且不稳定,这就为设计AIE生物探针提出了高特异性且结构可控等要求。本文利用DNA组装、金属有机化学框架组装以及DNA walker系统并结合AIE信号发展了一系列结构可控的新型荧光探针,用于溶液、界面以及活细胞中的荧光检测与成像,具体包括以下四个工作:1.悬臂DNA四链体可控组装AIE体系的构建AIE是由分子内运动受限而引起的能量辐射释放现象。可控组装具有AIE性质的分子可为精确调控荧光信号传导提供新的思路。本工作设计了一种悬臂DNA四链体(G4)可控组装AIE分子并精确调控其荧光强度的策略,并应用于DNA的快速检测。首先通过点击化学反应将AIE分子与DNA末端偶联合成DNA-AIE复合物。在形成简单双链结构时DNA-AIE复合物的荧光不会被点亮。而当悬臂G4结构与DNA-AIE复合物杂交组装后,AIE分子被有序聚集,导致其分子内转动受到抑制而产生荧光。通过在悬臂G4结构的特定位置插入间隔链来调节AIE分子的聚集程度,或者增减G4结构中G平面的数量来控制G4结构稳定性的方式,可以达到精确调控组装体系中AIE信号强度的目标。此外采用悬臂i-motif结构也可以实现同样组装调控的效果。进一步以G4组装结构为基础,设计了一种2分钟内简便快速的DNA检测方法,目标DNA浓度与AIE信号强度成良好的线性关系。因此悬臂DNA四链体结构不仅为调控分子相互作用提供了概念验证,同时也为设计新型生物传感开关提供了一种通用工具。2.AIE金属有机框架的淬灭剂离域发光策略用于亚细胞谷胱甘肽的成像区分不同亚细胞环境的谷胱甘肽(GSH)含量对于研究细胞内抗氧化信号传导系统有十分重要的意义。传统的亚细胞谷胱甘肽分型方法主要建立在体外分离的细胞器或者固定细胞的层面。本工作提出了一种淬灭剂离域的发光策略用于活细胞内不同亚细胞环境下谷胱甘肽的原位分型。首先设计了一种不发光的金属有机框架(MOF)纳米探针,由聚集诱导发光分子(AIE分子)作为配体,Cu(Ⅱ)作为金属结点和淬灭剂而构成。在中性条件下由于GSH与Cu(Ⅱ)的竞争结合作用,使部分Cu(Ⅱ)从AIE-MOF离域,导致探针结构中的AIE分子被点亮并呈现绿色荧光。而酸性条件下由于配体AIE分子的质子化作用影响,AIE-MOF探针被GSH完全分解并产生黄色荧光。将细胞内探针的两种荧光信号进行双通道比率图像分析,发展了一种对细胞质和溶酶体中GSH的可视化成像策略,该方法可以进一步用于监控药物对不同亚细胞环境GSH水平的影响。3.基于细胞表面酶切循环的AIE组装用于特定膜蛋白检测细胞质膜表面特定蛋白的检测对于研究细胞关键信号通路及相关疾病的产生机制具有重要的指导意义。本工作结合细胞表面酶切循环以及G四链体组装产生的AIE现象构建了一种便捷的膜蛋白检测方法。首先合成了一种含有叠氮基团的新型AIE分子,并通过点击化学与含有炔基的寡核苷酸接枝,得到DNA-AIE复合物。之后利用核酸适体的识别作用将DNAzyme序列标记在细胞质膜的特定蛋白上。当加入超级茎环结构时,在Mn2+的辅助下DNAzyme剪切环部结构中的底物序列使超级茎环解离并从细胞表面释放。DNAzyme则可继续剪切下一个超级茎环结构从而达到循环放大的效果。剪切后的片段可以与含有DNA-AIE复合物的检测溶液反应,形成G-四链体框架下的DNA十字结构,从而可控组装AIE分子而产生荧光。因此本工作采用超级茎环结构在细胞表面的酶切反应将G四链体组装引发的荧光信号与待测膜蛋白含量相关联,发展了一种新型的细胞质膜特定蛋白的检测策略。4.DNA walker诱导的荧光像素计数方法用于核酸灵敏检测本工作基于DNA walker诱导形成的荧光点发展了一种像素计数策略用于核酸的高灵敏检测。首先设计了荧光标记的茎环结构DNA(hDNA)作为轨道链以及含有DNAzyme序列的摆臂链(sDNA)。同时设计了两种捕获DNA链并利用点击化学反应将其共价连接在玻璃片表面。之后将hDNA和sDNA分别与相应的捕获DNA杂交后得到二维平面的DNA walker基底。当加入target DNA进行链替代反应后,sDNA上的DNAzyme结构被激活从而在锰离子辅助下剪切附近hDNA环部的底物序列,导致hDNA上标记淬灭基团的片段从DNA walker基底上释放,而标记染料基团的片段荧光恢复。sDNA则继续通过DNAzyme结构剪切下一个hDNA,由此实现了一种自发的行走过程而产生信号放大作用。将这种基于DNA walker自构建微反应器产生的增强荧光点拍摄成像并用MATLAB进行像素提取,可以得到DNA浓度和荧光像素数量间的线性关系,并通过数学模型对定量关系进行了证明。由此构建了一种100 fM到10pM范围内高灵敏的核酸检测方法。本工作与传统的荧光均相反应法和荧光点计数法相比具有更高的灵敏度和精确度,也提出了一种新型生物传感的设计方法。