随着生命科学技术的持续革新,人类对生命活动的本质及其规律的认识日益深刻。于此同时,人类也正面临着来自外界以及人类自身的挑战,诸如生存环境恶化、疾病困扰等。因此,快速、准确的检测与生命活动相关的目标物对监测环境状况,以及疾病早期诊断具有重要意义,这也是现代生物分析研究的核心课题。在众多的生物分析手段中,荧光探针具有易于构建、响应速度快、灵敏度高、能实现原位成像等特点,而被广泛地应用。传统荧光探针通常采用抗体、酶等具有识别或催化功能的蛋白质,或者能与目标物结合或反应的有机小分子作为识别单元。由于制备和应用的局限性,传统的荧光探针已经无法满足现代分析技术的需求。功能核酸的出现极大地拓展了荧光探针的应用范围,为荧光探针的设计开辟了全新的途径。目前已被发现并广泛应用的功能核酸主要分为两大类:第一类功能核酸被称为核酸适配体（Aptamers）,核酸适配体能够行使与抗体相似的识别功能,能特异性识别金属离子、小分子、蛋白质、细胞、组织甚至是器官,因此常作为识别单元用于功能核酸探针的构建。另一类功能核酸被称为脱氧核酶（DNAzymes）,脱氧核酶可与辅酶因子结合（通常为金属离子）,行使与蛋白酶类似的催化功能。功能核酸探针由于序列简单、易于设计与合成、响应速度快、选择性好等优点,而受到广泛的关注。通过对功能核酸序列进行合理的设计,并结合核酸探针可编程的特点,研究人员已开发出诸多高效的功能核酸荧光探针用于复杂样品中目标物的检测。实时监测细胞生物分子的浓度变化与分布情况对于研究其生理、病理功能以及疾病的早期诊断具有重要意义。尽管功能核酸探针已被广泛地用于体外检测,其在细胞成像检测中的研究仍处于初级阶段。为了进一步发掘功能核酸探针在细胞研究中的潜力,本研究中论文构建了多种高效的新型功能核酸荧光探针,用于金属离子和RNA的细胞成像检测,并探究其用于疾病监测及治疗的可能性。具体内容展示如下:第2章构建了一种细胞膜锚定的核酸探针,用于细胞膜外微环境中K⁺的动态监测。该探针采用凝血酶核酸适配体序列（TBA）和荧光共振能量转移（FRET）荧光团作为K⁺的识别和信号报告单元,并在序列末端连接二酰基脂质作为细胞膜锚定基团。此外,这里通过对传统的TBA荧光探针序列进行优化,使探针获得了更好的信背比。基于该探针优良的灵敏度和选择性,以及快速的响应时间和可逆性的响应方式,我们实现了细胞膜外微环境中K⁺的动态监测。近年来,基因编码探针在细胞内金属离子成像的研究中取得重大进展,但是能与荧光蛋白融合的金属结合蛋白或多肽的种类较少,并且将金属离子的结合转化为荧光信号较为困难,目前这类传感器能检测的金属离子种类十分有限。为了拓展基因编码荧光蛋白传感器在金属离子检测中的应用,并且加强脱氧核酶在细胞生物学领域中的影响力,在第3章的研究中,我们利用Mg²⁺响应的脱氧核酶（10-23 DNAzyme）特异性地切割mRNA,从而调节荧光蛋白表达,以此构建了新型的金属离子荧光传感器。结果证明,通过10-23 DNAzyme剪切Clover2（绿色荧光蛋白的突变体）的mRNA可以抑制Clover2的表达,而红色荧光蛋白的突变体Ruby2的表达不受影响。通过体外筛选可以获得多种具有金属离子特异性的脱氧核酶,而且不同的脱氧核酶通常具有类似的二级结构和反应机理,如Mg²⁺、Na⁺、Cu²⁺、Zn²⁺,Pb²⁺,Hg²⁺,Ag⁺和UO₂²⁺的脱氧核酶。因此,本工作中描述的方法可应用具有一定的通用性,可用于多种金属离子的成像,从而显著扩展基因编码荧光蛋白的应用范围,使得这类传感器更好地用于探究金属离子在生物学中的意义。一直以来,杂交链式反应（HCR）信号放大策略被广泛地用于目标物的超灵敏检测,其在癌细胞成像和治疗方面的潜力尚待开发。在第4章中,我们报道了基于杂交链式反应（HCR）的荧光纳米探针,用于高选择性和灵敏度的癌细胞识别和放大光动力学治疗。该荧光纳米探针利用DNA杂交识别癌细胞内特有的mRNA,并以此激活HCR信号放大策略,实现高灵敏度的癌细胞成像检测。同时DNA序列上携带的光敏剂随着HCR的进行而被激活,从而实现放大的光动力学治疗。本课题充分利用HCR的优势,探究了核酸探针在癌症识别和治疗中的可行性。第5章构建了基于金属有机框架（MOFs）的核酸酶运载及可控释放体系,用于细胞内miRNA的放大检测。这里选择细胞外核酸探针放大检测常用的核酸外切酶III（Exo III）作为目标运输蛋白,并将其通过一步合成法包裹在金属有机框架（ZIF-8）内部,同时将DNA探针吸附在金属有机框架材料表面,从而实现Exo III和DNA探针的同步细胞运输。该纳米探针可在细胞微酸性环境中降解,释放出Exo III和DNA探针,通过DNA探针与细胞内miRNA-21（miR-21）杂交,再由Exo III将杂交后的DNA探针序列水解,从而实现信号放大。该研究课题有望为酶催化的DNA信号放大策略用于活细胞成像开辟新的思路。