本论文致力于结合新兴的石墨烯衍生物和G-四链体，利用光学检测法建立多种生物传感器用于金属离子的检测，核酸酶活性的检测，氨基酸的检测，另外还研究了四苯乙烯衍生物与G-四链体的相互作用。所有研究的具体内容如下所述：　　第一章，详细介绍了G-四链体在生物传感和生物探针的应用，并介绍了石墨烯的衍生物的制备方法以及在生物传感方面的研究进展。简要叙述了本论文的选题思路和研究内容。　　在第二章中，我们发展了一种无标记的金属离子传感器，基于双DNA酶：G-四链体-Hemin DNA酶和DNA金属离子切割酶的传感器用于高灵敏和高选择性的检测Cu2+和Hg2+。在这个设计中，DNA金属离子切割酶的底物链设计成一个分子内的茎-环结构，将富G序列引入底物链，包埋在茎-环结构的茎部，因此不能形成具有催化活性的DNA酶。加入金属离子后，DNA金属离子切割酶的底物链在特定位点切割，富G序列释放出来，继而形成具有催化活性的G-四链体-Hemin DNA酶。在没有金属离子存在时，体系处于自淬灭状态，不能形成G-四链体-Hemin DNA酶，因此背景较低。更重要的是，这种双DNA酶的传感系统提供了两个信号扩增步骤：第一，由于一个检测的金属离子能够参与多个底物链的切割，释放多条G-四链体，从而完成具有催化活性的G-四链体-Hemin DNA酶的富集。第二，得到的G-四链体-Hemin DNA酶能催化H2O2氧化ABTS的反应，实现检测信号的放大。经过两次信号扩增后，传感器能达到很高的灵敏度。我们设计了Cu2+和Hg2+的传感器，这样的传感器能高灵敏和高选择性的检测Cu2+和Hg2+，得到的Cu2+和Hg2+的检出限都是4nM。同样的，我们可以通过替换金属离子特异性切割酶的序列或者可以通过DNA与金属离子的配位络合作用来实现其它金属离子的检测。　　在第三章中，我们研究了两种四苯乙烯衍生物（TPE）与G-四链体的相互作用，我们发现两个带有不同数目侧臂的TPE衍生物对多倍体G-四链体有不同的识别能力。在人类基因组序列中，有些序列理论上可能形成多倍体G-四链体，后来实验也证明端粒区可以形成多倍体G-四链体。筛选一种能特异性识别多倍体G-四链体的配体对研究G-四链体的结构和探针都非常重要。配体能特异性识别多倍体G-四链体，尤其是端粒区的G-四链体，但对其它的单体G-四链体没有识别作用，因此对基因组中其它能形成G-四链体的区域副作用较小，有希望用作为抗癌药物。DATPE是有两个侧臂的TPE衍生物，只对多倍体G-四链体有荧光响应，对细胞有较小的细胞毒性，对G-四链体的结构和稳定性几乎没有影响，因此可以用于体内或者生物样品中检测多倍体G-四链体的探针。QATPE是有四个侧臂的TPE衍生物，与DATPE相比，它对多倍体G-四链体的识别能力较弱。QATPE与多种 DNA结构的亲和力看出与多倍体G-四链体的亲和力较强，对G-四链体有较大的稳定作用，能促进G-四链体向平行结构的方向移动。因此QATPE有望发展成一种靶向端粒的抗癌药物。总之，这个工作对于设计靶向多倍体G-四链体的探针和抗癌药物的研究提供一些有用的信息。　　在第四章中，我们发展一种基于Cu2+金属离子切割酶和GO的传感器用于荧光检测Cu2+。在这个传感器中，GO作为纳米淬灭剂，重构了Cu2+金属离子切割酶：将原始的金属离子切割酶的全部底物链和部分酶链用碱基相连，形成一个发卡结构，将荧光标记在发卡结构的茎部。另外的一部分酶链设计成一条单链，与发卡结构的环部互补配对，并在末端悬挂出一小段单链序列。这种结构可以有效的吸附在GO，使其荧光淬灭。加入Cu2+，会在双链部分的特定位点切割，释放出一小段挂有荧光基团的序列，这段序列不能有效的吸附在GO上，致使荧光信号恢复。这个传感器可以用于高灵敏和高选择的检测Cu2+，检出限是0.05nM，这个检出限比第一章中紫外检测法的检出限要低两个数量级。　　在第五章中，用GO作为纳米淬灭剂，我们设计了一种基于GO对不同长度的单链有不同的吸附能力的传感器。该传感器用于高灵敏和高选择的检测核酸内切酶和核酸外切酶的活性。在这个工作中，我们选择了一个单标记的寡核苷酸链作为荧光探针，该探针的结构可以是单链或者是有一个大环的发卡结构。单链或者发卡结构的探针能吸附在GO的表面，由于荧光共振能量转移或者电子转移导致探针荧光淬灭。当向单链探针中加入核酸外切酶或者向发卡结构探针中加入限制性内切酶，都会导致核酸探针中与荧光基团相连的碱基水解，从探针上释放出来。这么短的单链或者碱基不能有效的吸附在GO的表面，因此导致传感系统荧光信号升高。基于这个原理，我们设计了三个传感器分别用于检测外切酶1（Exo1），限制性内切酶EcoRI和HindIII的活性。实验结果证明这三种传感器均可以用于高灵敏和高选择检测酶活性。依据3σ/s计算得出的检出限分别为0.03U mL-1,0.06U mL-1 and0.04U mL-1。该传感器也可以用目视检测法。　　在第六章中，我们发展了一种基于石墨烯量子点（GQDs）的通过简单混合就可以检测的传感器用于高灵敏和高选择性的检测酸性氨基酸。首先我们利用溶剂热法合成了具有上转换和下转换荧光的GQDs。合成的GQDs表面所带的羧基不仅能增加GQDs的水溶性，还可以用于与Eu3+配位结合，促使GQDs聚集，导致GQDs荧光淬灭。当加入酸性氨基酸后，氨基酸与GQDs竞争与Eu3+的反应，导致荧光恢复。镧系金属离子能与氨基酸的未质子化的羧基强烈反应。酸性氨基酸，谷氨酸和天冬氨酸，包含两个羧基官能团，这两个官能团能协同与Eu3+反应，另外氨基酸中的氨基N也可以参与配位反应。因此，与GQDs相比，酸性氨基酸跟Eu3+有更强的亲和性。基于上述原因，在有酸性氨基酸存在时，Eu3+能优先与酸性氨基酸反应，导致Eu3+从量子点的表面释放出来，GQDs/Eu3+的聚集态也消失，GQDs的荧光恢复。在选择的最佳条件下，可以利用上转换和下转换两种模式，通过GQDs荧光的变化来定量检测酸性氨基酸。实验结果表明，跟下转换荧光相比，上转换荧光模式得到的检出限更低。另外，两种酸性氨基酸检测后的线性曲线基本重合，这意味着我们发展的这种方法不仅可以定量检测单个的酸性氨基酸，还可以用于酸性氨基酸总量的检测。