在过去的十余年中,基于元素标记策略的电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术逐步兴起,并发展成为定量生物分析中的一项革命性技术。其具有灵敏度高、动态线性范围宽、分析速度快、重现性佳、可多目标分析物同时检测、耐受复杂基质干扰等优点,同时所使用的元素标签廉价易得、性质稳定且生物相容性好,在有机小分子、生物大分子以及生命有机体的定量分析中表现出良好的应用潜力。然而,目前基于元素标记策略的ICP-MS技术还存在一些不足,如元素标签功能单一,无法提供原位高分辨的图像信息,对细胞胞内生物分子的定量分析尚存在一定困难,常规以元素标签信号强度进行定量的方式容易带来较大误差等,在一定程度上限制了其在生物医学分析中的应用。为了使这项技术更好地满足当前生物医学基础研究和临床应用的实际要求,亟需对该项技术进行完善、改进和发展以克服其目前存在的缺陷,使其发挥更大的作用。本论文的研究目的在于设计并构建新型多功能标签,发展新型多功能探针以跨越ICP-MS定量技术和光学成像技术之间的屏障,利用不同技术之间的优势互补提供更综合更全面的信息;设计新型分析策略,实现细胞胞内小分子与大分子的定量和成像双模式检测;将比率定量模式引入基于元素标记ICP-MS定量生物分析,降低信号波动、减小测定误差。本论文的主要研究内容包括:（1）建立了一种基于商品化硒化镉量子点（CdSe QDs）和铯掺杂多核磁性纳米粒子（MMNPs）的新型磁免疫分析方法,实现了HepG2细胞的ICP-MS比率定量及荧光成像。实验中制备了掺杂内标元素铯的多核磁性纳米粒子,将其与anti-EpCAM抗体偶联制备得到捕获探针（MMNPs-anti-EpCAM）用于捕获HepG2细胞。然后以CdSe QDs标记的anti-ASGPR抗体作为信号探针,对MMNPs-anti-EpCAM捕获到的HepG2细胞进行特异性标记。基于CdSe QDs的光致发光性质,借助激光共聚焦扫描显微镜实现对HepG2细胞的荧光成像;同时CdSe QDs中包含了大量的镉原子,MMNPs中掺杂了内标元素铯,通过ICP-MS对114Cd和133Cs进行同时检测,以114Cd/133Cs的信号比值对HepG2细胞进行计数。采用这种比率定量的方式降低了由于分析过程中磁性纳米粒子损失引起的信号波动,减小了测量误差。在最优的实验条件下,方法对HepG2细胞的检出限（3σ）为61个细胞,线性范围为2×10~2-3×10~4个细胞,相对标准偏差（RSD,n=7,cell number=8×10~2）为5.4%。将本方法应用于人全血样品中HepG2细胞的测定,加标回收率为86-104%。本方法借助单一探针实现了肿瘤细胞的ICP-MS计数与荧光成像,为其在生物医学基础研究和临床中的应用开辟了一条具有发展前景的新途径。（2）基于稀土上转换发光纳米粒子（UCNPs）,设计并构建了一种新型的多功能探针（UCNPs-Ab2-Cy3）,实现了基于元素标记ICP-MS细胞计数与荧光成像以及上转换发光成像的结合。该探针包括羊抗鼠Ig G识别单元（用于识别并标记鼠源anti-EpCAM抗体附着的细胞）、荧光染料（Cy3）单元（用于细胞荧光成像）,以及用于ICP-MS细胞计数和细胞上转换发光成像的稀土上转换发光纳米粒子（UCNPs）标签。实验中,anti-EpCAM抗体首先与HepG2细胞表面过量表达的EpCAM特异性结合,然后以UCNPs-Ab2-Cy3探针作为信号探针,对结合了鼠源anti-EpCAM抗体的HepG2细胞进行特异性标记。由于Cy3和UCNPs具有光致发光性质,借助激光共聚焦扫描显微镜可以实现HepG2细胞的荧光成像和上转换发光成像;同时UCNPs中包含了大量的钇原子,通过ICP-MS对89Y进行检测可以实现HepG2细胞的计数分析。在最优的实验条件下,该方法对HepG2细胞的检出限（3σ）为1×10~2个细胞,线性范围为4×10~2-3×10~4个细胞,RSD（n=7,cell number=1×10~3）为7.1%。所建立的方法为基于元素标记策略的ICP-MS技术与多模态成像相结合提供了一种切实可行的方案。此外,该方法将多种不同功能的标签整合到单一探针中,充分发挥各项检测技术的优势,可提供更全面、更有价值的信息,有望成为癌症早期精准临床诊断和生物医学基础研究的强有力分析检测平台。（3）基于核酸适配体构建了双功能探针（MB-Apt-FAM-AuNP）用于快速、特异性的MCF-7细胞ICP-MS计数及荧光成像。该双功能探针包含用于分离和收集目标细胞的磁珠、适配体识别单元（用于识别目标细胞）、荧光染料（FAM）单元（用于细胞荧光成像）,以及用于ICP-MS定量和猝灭荧光的金纳米粒子（AuNPs）标签。起始状态下,FAM的荧光被AuNPs所猝灭。而当有目标细胞存在时,目标细胞将与磁珠上固载的适配体结合,将AuNPs从探针中释放出来;由于荧光猝灭剂AuNPs的释放,探针中FAM的荧光得到恢复,从而可以借助荧光显微镜实现MCF-7细胞的荧光成像;此外,通过磁分离的操作,游离的AuNPs便可以快速与磁珠结合的目标细胞和过量未反应的探针分离。通过ICP-MS对上清液中的197Au进行检测可以实现MCF-7细胞的计数分析。在最优的实验条件下,该方法对MCF-7细胞的检出限（3σ）为81个细胞,线性范围为2×10~2-1.2×10~4个细胞,RSD（n=7,cell number=8×10~2）为5.6%。将该方法应用于人全血样品中MCF-7细胞的测定,加标回收率为98-110%。该方法为MCF-7细胞的快速简便、灵敏、特异计数和成像提供了双模式检测平台,有望成为用于癌症早期临床诊断的强有力手段。（4）构建了一种新型的双功能探针（AgNC@MoS2）,实现了细胞胞内ATP的荧光成像及ICP-MS定量检测。该探针以MoS2纳米片为纳米载体,将硫辛酸聚乙二醇叶酸和以ATP的适配体为模板合成的银纳米团簇（AgNCs）负载到其表面上。起始状态下,AgNCs的荧光被MoS2纳米片猝灭。当探针借助叶酸靶向作用于肿瘤细胞后,胞内ATP与适配体结合后,AgNCs从MoS2纳米片表面释放,AgNCs的荧光得到恢复,从而实现了细胞胞内ATP的原位荧光成像;此外,将细胞裂解后,通过离心的方式将过量的探针除去,利用ICP-MS对上清液中游离的AgNCs进行测定则可以换算得到细胞胞内ATP含量水平的定量结果。在最优的实验条件下,该方法对ATP的检出限（3σ）为0.18 n M,线性范围为0.5-2000 n M,RSD（n=7,c=2.0 n M）为6.7%,且定量结果与采用化学发光法检测的ATP试剂盒测定结果吻合良好。该方法借助单一探针实现了细胞胞内ATP含量水平的ICP-MS定量与荧光成像双模式检测,提高了方法的可靠性并简化了操作,为今后生物医学基础研究提供了新的技术手段,同时也为基于元素标记ICP-MS生物定量技术应用于细胞胞内生化标志物的定量分析提供了新的策略。（5）构建了一种肿瘤治疗及疗效自监测一体化纳米平台,以实现抗肿瘤药物的靶向传输及成像/定量双模式疗效自监测。该纳米平台以金属有机框架化合物（MOFs）材料作为载体,将叶酸与金纳米团簇（AuNCs）修饰到其表面,其中AuNCs与MOFs通过细胞凋亡标志物caspase-3的特异性底物DEVD肽段相连,并在MOFs的空腔中负载化疗药物喜树碱。起始状态下,由于光诱导电子转移,AuNCs的荧光被MOFs猝灭。当纳米载体借助叶酸靶向作用于肿瘤细胞后,在肿瘤细胞酸性微环境中,喜树碱从纳米载体中释放,从而启动了细胞的凋亡程序激活caspase-3。Caspase-3将纳米载体上的底物水解释放出AuNCs,使其原本被MOFs猝灭的荧光得到恢复,从而实现caspase-3的原位荧光成像;将细胞裂解后,通过离心的方式将过量的纳米载体除去,利用ICP-MS对上清液中游离的AuNCs进行测定,可换算得到细胞内活性caspase-3含量水平的定量结果。在最优的实验条件下,方法对caspase-3的检出限（3σ）为0.12 ng m L-1,线性范围为0.3-150ng m L-1,RSD(n=7,c=1.0 ng m L-1)为6.5%。本方法弥补了以往实时评估肿瘤治疗效果过程中,以单一成像检测手段无法给出定量的结果,而基于ICP-MS的定量生物分析手段又无法给出实时直观的图像信息的缺陷,为今后肿瘤治疗机理的研究提供了一种新的手段。