氧化应激作为生命体内重要的生理过程,其水平与很多疾病密切相关。例如癌症、神经退行性疾病以及心脑血管疾病等。因此,实现对氧化应激相关过程监控的研究具有重要意义,实现氧化应激相关过程监控的重要途径是对与氧化应激密切相关物质的分析与检测。目前已报道多种方法用于氧化应激相关物质的检测与分析,其中荧光法因能实现原位、动态监控活体或细胞内物质变化而得到广泛应用。然而,实现这些相关物质的实时、动态、高选择、高灵敏的荧光分析仍然具有挑战。目前的挑战主要在三个方面:（1）在活体、细胞中,成分复杂、共存物质多,实现活体或细胞层次中氧化应激相关物质的荧光检测与分析对探针的选择性要求很高;（2）与氧化应激密切相关的物质浓度处于动态变化中,实时、动态的监测这些物质的变化能够更准确的理解氧化应激相关过程。这对探针的时间分辨率提出更高的要求,因而需要制备具有快速响应动力学的探针;（3）不同物质之间存在关联,实现多物质同时检测与分析能够更好理解氧化应激相关过程。然而,混合探针进入活体或细胞的动力学不同、分布不均匀,而不同荧光探针的共修饰容易导致荧光共振能量转移和交叉干扰,因此,需要发展高效探针实现多物质的同时检测与分析。为解决以上关键科学问题,本人博士论文主要开展了以下三个方面工作:（1）通过合成对Fe²⁺或Ca²⁺特异性识别的有机配体分子来提高探针的选择性,并在此基础上合成金属纳米簇构建无机-有机复合纳米探针,实现探针快速的响应动力学,从而提高探针的时间分辨率。此外,进一步修饰参比分子构建比率型荧光探针,实现了神经元内Fe²⁺和Ca²⁺高选择性、高准确度的实时成像与分析。研究发现神经元内Fe²⁺分布不均匀,并且缺血会导致神经元内Fe²⁺浓度明显升高。另一方面,发现组胺诱导的神经元内Ca²⁺浓度增加在不同部位是不一样的。（2）系统总结并研究了影响碳量子点发光的因素。通过调研和研究发现,影响碳量子点发光的因素主要包含两方面,即内部因素和外部因素。内部因素主要包括尺寸效应和掺杂效应,其中碳量子点的荧光发射峰会随着其尺寸的增加而逐渐红移。此外,碳量子点的荧光量子产率可以通过掺杂而得到有一定的提高。外部因素主要是指影响碳量子点表面态的因素,通过研究发现给电子基团对于碳量子点的荧光影响最大,碳量子点表面修饰分子给电子能力越强,碳量子点荧光越强。该工作为碳量子点荧光机制解析以及功能化碳量子点的设计与制备提供支持。（3）在解析碳量子点荧光增强机制后,进一步构建基于碳量子点的新型Ca²⁺高选择性荧光探针,并引入边长为¹2 nm的DNA四面体纳米结构,进而与pH响应分子、参比荧光分子以及线粒体靶向分子同时修饰到DNA四面体的顶点,构建DNA复合纳米探针,避免不同响应探针之间可能发生的荧光共振能量转移和交叉干扰,实现了神经元线粒体内pH和Ca²⁺的同时成像与定量分析。研究发现线粒体pH和Ca²⁺具有密切联系,超氧阴离子和Aβ蛋白诱导的神经元死亡与酸诱导的线粒体Ca²⁺过载密切相关。这些研究结果表明Fe²⁺、Ca²⁺以及pH与氧化应激密切相关,为从细胞层次解析氧化应激在相关脑神经疾病中的作用及分子机制提供新方法。