迄今为止,随着荧光传感器技术的飞速进步,科学家已发展了具有优良性能(包括低毒性、广泛的pH响应范围、高荧光强度、良好荧光稳定性等)的不同类型荧光pH传感器。在过去几十年中,有机荧光染料、荧光纳米材料等已经被用来制备不同类型的荧光pH传感器,并且进一步应用于活细胞水平甚至于活体水平的pH定量研究。近年来,荧光硅纳米材料由于其良好的光电性能、优良的生物相容性、大的比表面积及表面易修饰等特点,被广泛应用于从电子学到生物学等相关领域。值得指出的是,荧光硅纳米材料的低毒性、高荧光强度、良好的荧光稳定性等优异性质是构建具有优良性能的荧光pH传感器的关键因素。因此,利用荧光硅纳米材料的独特性质,构建新型荧光pH传感器引起了研究者的广泛关注。在本篇硕士论文中,我们将着重于利用零维荧光硅纳米颗粒和一维荧光硅纳米棒构建荧光pH传感器,并将其进一步应用于活细胞内pH的定量研究。具体内容如下:第一章:首先,简要概述了细胞内pH对于调控细胞生理活性的重要性,以及细胞内pH定量研究的背景介绍。其次,简要介绍了荧光硅纳米材料的制备方法及其在生物成像和生物传感领域的研究进展。最后,阐明了本论文的立题依据、研究目的和研究内容;第二章:系统地阐述了基于零维荧光硅纳米颗粒pH传感器的构建,及其在活细胞内pH的定量研究。具体而言,通过在零维荧光硅纳米颗粒表面同时修饰多巴胺分子和罗丹明B氰硫酸盐分子,成功合成了基于零维荧光硅纳米颗粒的荧光pH传感器。值得关注的是,罗丹明B氰硫酸盐分子的红色荧光对于pH的变化不敏感,因此其发出的红色荧光可以作为该类型荧光pH传感器的内标。研究结果表明,所制备得到的荧光pH传感器拥有良好的选择性(例如:传感器荧光信号只对pH的变化作出响应,而不会受到其他离子或者分子的干扰)、较低的细胞毒性(例如:细胞与传感器共孵育24 h后,其细胞活性依然高于95%)、广泛的pH响应范围(pH响应范围:4-10)以及优良的荧光稳定性(例如:经过40 min持续的紫外光照射处理,该荧光传感器荧光强度仅减弱大约9%)等优异的性能。进一步的研究发现,基于零维荧光硅纳米颗粒的荧光pH传感器能够长程实时地示踪活细胞内溶酶体pH的变化过程。在此基础上,研究进一步发现尼日利亚菌素调节活细胞内溶酶体pH的过程主要分为两个阶段:第一个阶段为平稳变化阶段,即溶酶体内的pH值变化缓慢且上下波动;第二个阶段为指数变化阶段,即溶酶体内的pH值快速变化且呈现上升趋势。这一发现有利于我们直观了解和深入探索活细胞内多种pH的变化过程。第三章:具体地阐述了基于一维荧光硅纳米棒pH传感器的构建,及其在活细胞内pH的定量研究。具体而言,利用掺杂稀土元素铕的一维荧光硅纳米棒,成功构建了基于一维荧光硅纳米棒的荧光pH传感器。其中,稀土元素铕受到硅元素的敏化而发出强烈的红色荧光,并且此红色荧光不会对pH的变化做出响应。因此,来自于稀土元素铕的红色荧光能够用作该类型的荧光pH传感器的内标。研究结果表明,基于一维荧光硅纳米棒的荧光pH传感器同样拥有较好的选择性、优良的重复利用率、良好的生物相容性、高荧光强度和良好的荧光稳定性等优异的性能。此外,值得关注的是,相比较于第二章论述的基于零维荧光硅纳米颗粒的荧光pH传感器,在波长为405 nm紫外光激发的条件下,本章节所介绍的荧光硅纳米棒荧光pH传感器的荧光光谱呈现出两个明显的特征峰:第一个特征峰为蓝光特征峰,其发射波长范围:450-520 nm,最大发射波长:470 nm;第二个特征峰为红光特征峰,其发射波长范围:580-650 nm,最大发射波长:620 nm。进一步的研究发现,基于一维荧光硅纳米棒的荧光pH传感器能够应用于活细胞内细胞质pH的定量研究,并且其能够长程实时地示踪活细胞内细胞质pH的动态变化过程。此研究结果同样证明了尼日利亚菌素调节活细胞内pH的过程存在两个阶段(包括平稳变化阶段和指数变化阶段)。综上所述,本硕士毕业论文主要利用荧光硅纳米材料(包括零维荧光硅纳米颗粒和一维荧光硅纳米棒)发展了荧光pH传感器,并把它们应用于长程实时地示踪活细胞内pH的变化过程。上述研究结果对发展具有多种优良性能(包括良好的生物相容性、广泛的pH响应范围、良好的荧光稳定性等)的荧光pH传感器具有较为重要的科学意义和潜在的应用价值。