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量子点（QDs）是一种生物光子学纳米材料,具有高荧光量子产率、高抗光漂白性、宽带吸收、窄带发射和发光颜色连续可调的光学性质,易于电荷/能量转移的电子性质,以及表面易修饰的化学性质。因此,基于QDs的纳米荧光分析体系具有设计灵活、灵敏度高、特异性好以及成本低等优势,对发展高效的生物分析和疾病诊断方法具有重要的意义,成为近年来生物医学领域中研究的热点。第一代QDs荧光分析体系为“always-on”型,第二代为“off-on”型,均以单一波长荧光强度作为靶标定量依据,易受到环境因素的影响,产生假阳性结果。新一代QDs荧光分析体系为比率型,即利用2个及以上波长的QDs荧光强度比值作为靶标定量依据,提高了靶标定量的准确性和可靠性。同时,QDs比率荧光分析体系通过呈现连续的颜色变化具有高可视化检测的能力。因此,QDs比率荧光分析体系特别适用于复杂生物环境中的靶标检测。基于QDs独特的物理化学性质,本论文可控构建了多种结构、比率型的QDs荧光探针/传感器,系统研究了其电荷/能量转移机制,成功用于了核酸/离子的高灵敏、可视化分析,并开发了复杂的键盘锁逻辑器件。主要研究内容包括:1.以双色量子点“core-satellite”纳米结构为基底,可控构建了一种用于核酸可视化检测的量子点-配体（QD-L）型比率荧光探针。双色量子点“core-satellite”纳米结构（rQD@SiO2@gQD）通过静电组装构建,电中性双链DNA配体（L）2吡啶[3 a:2’,3’-c]吩嗪（dppz）通过相转移方法组装到gQD表面,通过电荷转移机制猝灭其荧光。由于尺寸匹配性,靶标双链DNA（dsDNA）特异性识别dppz,能够将dppz从gQD表面取代下来,打断gQD-L之间的电荷转移过程,导致gQD荧光恢复,同时rQD@SiO2的荧光保持稳定,从而产生比率荧光响应。该探针成功用于了双链DNA（dsDNA）的定量分析。进一步,以互补单链DNA（cDNA）为模板,利用DNA杂交,该QD-L探针实现了致癌基因rs1801133片段单核苷酸多态性（SNP）的比率荧光分析。依dsDNA浓度/SNP变化,该QD-L比率荧光探针的发光颜色呈现出从橙色到绿色的变化,实现了高可视化检测。2.以氧化石墨烯（GO）为基底,双色量子点包括绿色的包硅量子点（gQD@SiO2）和红色的适配体修饰量子点（apt-rQD）为荧光团,可控构建了用于铅离子(Pb2+)和pH可视化检测的比率荧光传感器。gQD@SiO2静电组装于亲水性的GO边缘,aptrQD通过π-stacking组装于疏水性的GO表面,构建出了“芝麻饼”状的纳米结构,GO通过纳米表面能量转移（NSET）机制猝灭apt-rQD荧光。适配体识别Pb2+发生“单链—G-四链体”构象变化,导致apt-rQD从GO表面脱附,NSET过程被打断。利用apt-rQD在GO表面的吸附—脱附过程,该纳米传感器实现了Pb2+比率荧光检测:apt-rQD荧光恢复,而QD@SiO2荧光保持不变。适配体/Pb2+复合物具有环境响应性质:随pH值降低,发生“G-四链体—单链”构象变化,导致apt-rQD重新吸附于GO表面。利用apt-rQD在GO表面的脱附—吸附过程,该纳米传感器实现了pH值的比率荧光检测:apt-rQD荧光猝灭,而QD@SiO2荧光保持不变。在优化条件下,该比率荧光传感器实现的Pb2+检测灵敏度为11.7 p M,pH检测分辨率为0.1 pH单位。同时,随Pb2+/pH变化,该比率荧光传感器呈现出绿—黄—红颜色变化,从而能以荧光“信号灯”方式实现靶标的可视化检测。该比率荧光传感器成功实现了活细胞内Pb2+的“信号灯”式半定量检测。通过在纤维素纸表面固定纳米传感器,可方便制备荧光试纸,并成功用于了血清中Pb2+以及尿液中pH值的现场、实时“信号灯”式裸眼检测。3.基于双色量子点,以poly（dA）或dsDNA为间隔层,四甲基苯磺酸卟啉（TSPP）为识别分子,可控构建了一种新型的量子点双荧光共振能量转移（QD-Bi FRET）锌离子传感器。传感器通过表面带正电的双色QDs,连续吸附负电性的poly（dA）或dsDNA和TSPP。绿、橙双色QDs发射光谱与TSPP两个分立的吸收谱带重叠,实现Bi FRET（FRET-1和FRET-2）;控制poly（dA）或dsDNA间隔层的厚度≤2 nm,有效提高了FRET-1和FRET-2效率。TSPP识别Zn（Ⅱ）引起其吸收光谱两个谱带变化,导致FRET-1和FRET-2效率发生相反变化,从而传感器产生比率荧光响应。该QD-Bi FRET传感器实现的Zn（Ⅱ）检测限低至1 n M。同时,该QD-Bi FRET传感器呈现出Zn（Ⅱ）浓度依赖的黄色到亮绿色的连续颜色变化,显示出良好的可视化检测能力。该传感器通过纤维素纸固定,可实现Zn（Ⅱ）的现场即时可视化检测;通过细胞培养,可实现活细胞中外源性Zn（Ⅱ）的半定量检测。4.以蓝、绿双色包硅量子点“core-satellite”纳米结构为基底,通过共价连接TSPP,可控构建了gQD@SiO2/bQD@SiO2-TSPP纳米器件,实现了以比率荧光信号为输出的键盘锁逻辑运算。该纳米器件运算的机制为bQD@SiO2-TSPP间FRET效率的调控:顺序输入可导致Zn（Ⅱ）TSPP、TSPP、Fe（Ⅲ）TSPP连续的结构变化,引起其soret吸收带发生迁移,从而与bQD@SiO2发射光谱重叠面积变化。以Zn（Ⅱ）络合剂N,N,N’,N’-四（2-吡啶甲基）乙二胺（TPEN）、Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）、紫外光为顺序输入,可实现以蓝光为输出的键盘锁解锁操作;以Fe（Ⅲ）络合剂抗坏血酸、Zn（Ⅱ）、紫外光为顺序输入,可实现以绿光为输出的键盘锁锁定操作。借助离心方法,该纳米键盘锁可进行多次重复的解锁/锁定操作。此外,将该纳米器件固定化或与细胞共培养,实现了具有现场信息识别功能的纸质键盘锁与细胞键盘锁。