细胞是组成生命体结构和功能的基本单元,是除病毒之外所有生物的基本组成。在真核细胞中,亚细胞结构如细胞质、细胞膜、细胞核、线粒体、溶酶体、内质网和高尔基体等都是必不可少的功能单元。在调节细胞分化、生长、凋亡和细胞内运输中扮演着重要角色。正是由于细胞器在细胞生命活动中具有重要作用,其结构和功能的紊乱将导致各种疾病,如癌症、溶酶体贮积病及各种神经退行性疾病等。因此,对细胞器结构、功能以及微环境进行检测对深入理解其在生命活动中的作用以及对疾病的诊断与治疗十分重要。表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS）是一种可获得物质的分子结构信息并且具有超高检测灵敏度的光谱技术。由于SERS技术具有谱峰窄、光稳定性好、可实现多组分检测、对生物体系损伤较小等优势,已被广泛应用于生物体系的检测与治疗研究中。虽然SERS检测技术已初步用于细胞器相关检测与治疗研究中,但还面临着一些问题。例如,由于缺少有效的细胞器检测手段,研究对象比较局限,大部分是以细胞核研究为主,而且检测准确性有待验证。并且,对细胞器微环境的研究比较匮乏,有待进一步发展。除此之外,以细胞器为靶点,设计制备细胞器靶向探针用以高效地、选择性地杀伤癌细胞已逐渐成为癌症治疗的有效策略。然而,虽然各种治疗方法层出不穷,但其治疗机制尚未明确。因此,急需发展一种可实时追踪细胞器结构和微环境信息及其动态变化的方法去帮助我们更深入地理解细胞器结构和功能以及细胞器靶向治疗机制,并为发展和制备更有效的诊疗平台提供帮助。针对SERS技术在细胞器研究中存在的问题,本论文基于SERS标记和免标记方法,发展了一系列细胞器靶向探针,用于细胞器结构、微环境和治疗机制研究。主要研究内容如下:（1）设计制备了细胞核、线粒体和溶酶体靶向的pH SERS纳米传感器。该纳米传感器由金纳米棒（AuNRs）增强基底、对pH敏感的4-巯基吡啶（MPy）报告分子和细胞器靶向肽构成。通过监测在不同pH下MPy的SERS光谱变化来确定特定细胞器的pH值。并实现了对正常细胞和癌细胞中不同细胞器的pH检测。检测结果显示,HepG2细胞的线粒体、细胞核和溶酶体的平均pH值分别为7.9±0.2、7.5±0.1和4.7±0.3,而BNL.CL2细胞分别为8.2±0.3、7.8±0.2和6.5±0.2。表明细胞的细胞核pH近中性,线粒体为弱碱性,而溶酶体为弱酸性,且癌细胞的细胞器pH值都略低于正常细胞。（2）设计制备了一系列细胞器靶向SERS探针（包括细胞核、线粒体和溶酶体探针）用于深入研究细胞核、线粒体和溶酶体的结构和功能,并对基于不同细胞器靶向探针的光热治疗（Photothermal therapy,PTT）效果进行评估。这些细胞器靶向探针主要由AuNRs和细胞器靶向肽构成,探针不仅具有强的SERS增强作用,还有很高的光热转换效率,可同时用于细胞器分子靶向检测与光热治疗。基于此方法,我们获得了细胞核、线粒体和溶酶体三种细胞器的SERS光谱,并对三种细胞器的主要组成成分进行分析,表明细胞器主要由蛋白质、脂质和碳水化合物组成,而且细胞核具有很多遗传物质信息包括DNA碱基及磷酸骨架等。另外,我们还对三种细胞器之间的分子信息进行比较,加深了对各个细胞器的结构和功能的认识。除此之外,对基于这三种细胞器靶向探针的光热治疗效果进行评估,表明细胞核和线粒体靶向探针具有更好的PTT效果,为进一步研究细胞器靶向治疗机制奠定了基础。（3）设计并制备得到了用于细胞线粒体内活性氧（Reactive oxygen species,ROS）检测的无干扰SERS活性纳米传感器以实现对光热治疗过程中线粒体ROS的检测。该纳米传感器主要是由无干扰SERS探针分子巯基苯腈（MBN）和金核银壳（Au@Ag）核壳结构组成,通过线粒体靶向肽（MLS）实现线粒体靶向。传感机制主要是基于ROS对Ag壳刻蚀,引起MBN的SERS信号降低,进而实现ROS检测。本项研究中使用的报告分子在细胞拉曼静默区(1800-2800 cm^-1)有强的拉曼信号,这极大地避免了细胞内生物大分子的干扰,提高了检测的准确性。基于此方法,我们实现了对细胞线粒体内ROS的检测,并对光热治疗时线粒体中ROS的变化进行了监测。结果表明,随着光照时间的增加,细胞线粒体内的ROS明显增加,且到8 min时达到稳态,很好地揭示了ROS的产生也是PTT引起细胞凋亡的原因之一。（4）基于SERS光谱技术能够在细胞体系中实现生物大分子在细胞生命活动中动态监测的优势,我们以金球（AuNPs）为SERS基底研究了基于线粒体靶向的超碳点（Supra carbon dots,SCDs）探针的PTT机制。首先我们制备了一种在近红外有强吸收的SCDs,并将癌细胞膜穿透肽和线粒体靶向肽修饰在SCDs表面,用于癌细胞的选择性光热治疗。该碳点能够很好地到达癌细胞的线粒体,并在里面聚集,在808 nm激光照射下能有效引起癌细胞死亡而不损伤正常细胞,二者之间的死亡差异高达70%,表明线粒体靶向的SCDs对癌细胞具有高特异性和高选择性。此外,我们还发现该过程中线粒体膜电位降低、功能破坏。进一步通过SERS技术探究该过程中细胞分子的动态变化。结果表明,PTT会引起脂质、蛋白质和DNA的结构变化破坏,进而诱导细胞死亡。该项工作实现了对细胞器靶向光热治疗机制的深入理解。