硫醇等生物分子在调节各种正常生理病理过程中发挥着重要的作用,它们在体内的生理水平与许多疾病密切相关。因此,开发简便、灵敏、低成本的方法来实现这些重要生物分子的快速准确检测具有非常重要的意义。本学位论文在复杂体系中一些重要生物分子的测定及疾病诊断方面进行了较为深入地研究。借助化学计量学中矩方法的多分辨性和全局特征描述能力解决了复杂体系中多目标组分之间信号重叠及噪声干扰等问题。各章主要内容如下:第一章绪论主要概述纳米材料在一些重要生物分子检测方面的研究进展及化学计量学在复杂体系中定量分析及疾病诊断方面的应用研究,并对本学位论文的研究工作和创新之处进行了介绍。第二章谷胱甘肽自由基与药物白藜芦醇相互作用研究许多体外实验表明,在各种天然产品中发现的白藜芦醇（resveratrol,RES）与神经保护、心脏保护以及癌症的预防等有关。然而,临床试验得出的结果却各不相同,使得RES的作用备受争议。在本文中,我们首先研究了谷胱甘肽（reduced Glutathione,GSH）能以谷胱甘肽自由基（GS^·）的形式和内源性有毒代谢物丙烯醛（Acrolein,ACR）结合。同时,我们证明了药物RES也可与细胞中的GS^·结合。利用自由基捕获剂来捕获ACR、RES与GSH反应过程中的GS^·,并通过紫外-可见分光光度法、质谱法以及理论计算等对两种反应的机理进行了进一步研究。密度泛函理论结果表明,与GS^·与ACR之间的反应相比,GS^·与药物RES的反应比更容易发生。此外,在癌细胞培养过程中加入RES后得到了RES与GSH的加合物GS-RES;进一步的研究表明超过77.6%的RES在癌细胞中被GSH消耗。由于在许多癌细胞中都观察到GSH的浓度偏高,因此从本研究结果可以推断出细胞中内源性的GS^·可能是导致化疗期间抗肿瘤药物药效降低的重要因素之一,在临床治疗和药物开发中应予以特别关注。第三章基于多响应荧光探针同时定量分析癌细胞中的三种硫醇谷胱甘肽（reduced Glutathione,GSH）、半胱氨酸（Cysteine,Cys）和同型半胱氨酸（Homocysteine,Hcy）是生物体内非常重要的三种硫醇。由于它们在体内是共存的,为了满足实际需要,对它们的同时定量测定是非常有必要的。虽然目前已经研发了大量的荧光探针（包括多响应荧光探针）,但由于光谱信号的重叠以及细胞内环境的复杂性,同时准确定量分析细胞内多种硫醇仍然存在一定的困难。本研究采用多响应荧光探针同时定量分析细胞内的GSH、Cys和Hcy。利用密度泛函理论进一步研究了荧光探针与三种硫醇之间的作用机理,结果表明三种硫醇中Hcy与探针作用所需要的激发能量最低。为了实现对三种硫醇的同时定量分析,我们采用了Tchebichef图像矩（Tchebichef image moment,TiM）方法。作为目标组分的特征变量,TiM方法可以方便地提取多种目标组分的特征信息。从三维（three-dimensional,3D）荧光光谱灰度图像出发,我们计算得到了代表各个组分信息的Tchebichef图像矩值,然后采用逐步回归的方法建立定量线性模型。该分析方法的日内和日间精密度分别低于5.6%和8.7%,Cys、GSH和Hcy的检测限分别为0.11μM,0.35μM和0.18μM。回收率在97.0%到105.9%之间。此外,该方法还应用于MCF-10A细胞和MDA-MB-231癌细胞中Cys、GSH和Hcy的同时定量测定。结果表明,癌细胞中三种硫醇的浓度均高于正常细胞中硫醇的浓度。本研究不仅为复杂细胞环境中多目标生物分子的定量研究提供了一种有效的方法,而且进一步拓展了多响应荧光探针的应用范围。第四章血清中单胺类神经递质的同时定量分析研究神经递质是内源性的化学信使,在神经元和其他细胞之间传递和转换特定的信号。它们可以作为生物标记物用于许多疾病的诊断分析研究。在此,我们发展了一种电化学与化学计量学相结合的方法,可以同时定量分析人血清中单胺类神经递质,包括多巴胺（Dopamine,DA）、血清素（又名5-羟色胺,5-hydroxytryptamine,5-HT）、肾上腺素（Epinephrine,EP）以及去甲肾上腺素（Norepinephrine,NE）。采用电沉积法制备了还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide,RGO）修饰的玻碳电极RGO/GCE,并用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）和电化学技术对该修饰电极进行了表征。差示脉冲伏安（Differential Pulse Voltammetry,DPV）测试结果表明四种神经递质之间存在比较严重的伏安信号重叠现象。为了实现这四种神经递质的同时测定,我们利用课题组提出的Tchebichef曲线矩（Tchebichef curve moment,TcM）方法从伏安图中得到每个目标组分的特征信息,并通过逐步回归建立定量模型进行多目标组分的同时定量分析。该分析方法的日内和日间精密度分别低于3.5%和8.1%,四种神经递质DA、EP、NE和5-HT的检测限分别达到0.074μM,0.104μM,0.084μM和0.097μM。回收率在83.5%到111.6%之间。以上结果表明,我们提出的方法简便、可靠,可实现人血清中多种神经递质的同时测定。第五章一锅法合成CuNCs/RGO纳米复合材料及其对人血清中肝素的灵敏检测利用简便的一锅法来合成铜纳米簇（CuNCs）修饰的还原氧化石墨烯（CuNCs/RGO）纳米复合材料,其中CuNCs通过与GSH功能化的还原氧化石墨烯之间的配体交换作用附着在石墨烯表面。我们对合成的纳米复合材料进行了紫外、红外、质谱以及透射电镜等表征,同时利用密度泛函理论对CuNCs的结构进行了详细的研究,发现Cu₃R₂簇结构(R=C₁₀H₁₆O₆N₃S)能量最低,推测是CuNCs的主要组成结构。由于CuNCs和还原氧化石墨烯（RGO）之间存在光诱导电子转移过程,致使CuNCs/RGO纳米复合材料的荧光很弱。发现该纳米复合材料在肝素（Heparin,Hep）的作用下,波长为595 nm处的荧光会明显增强。基于此我们构建了CuNCs/RGO纳米复合材料荧光传感平台来灵敏检测人血清中的Hep,并对复合材料荧光猝灭的机理以及Hep的传感机理作了进一步的研究。另外,在含有2%人血清样品的缓冲溶液中Hep的检测限可以达到26 nM;线性范围在0.1-10μM之间,加标回收率结果满意,在96.6%¹04.7%之间。以上结果说明我们制备的CuNCs/RGO纳米复合材料能够应用于人血清样品中Hep的灵敏检测。第六章基于血浆三维荧光光谱对结肠直肠癌的早期诊断分析研究结肠直肠癌（colorectal cancer,CRC）是胃肠道中常见的恶性肿瘤。由于CRC的早期症状不明显以及对该病缺乏有效的筛查方法,导致CRC筛查率在一般人群中仍然较低。因此,急需发展一种快速、可靠的方法来进行CRC的早期诊断。恶性组织上相关的生物分子如嘌呤核苷酸和卟啉等会在紫外可见区域产生一个宽的荧光发射光谱范围。本章提出了一种基于Tchebichef图像矩的偏最小二乘-判别分析（TiM-PLS-DA）方法,可以从三类血浆样本（CRC患者样本、腺瘤患者样本和健康受试者样本）的三维荧光光谱中进行快速诊断。建立的分类模型对CRC癌症样本预测的准确率达到了84%。我们采用Venetian blinds交互检验方法对建立的模型进行了验证。交叉验证集和测试集的分类误差率均低于0.16,CRC检测的灵敏度和特异性分别为0.95和0.88。另外,我们利用受试者工作特征曲线（Receiver Operating Characteristics,ROC）对模型诊断能力进行的进一步的检验,CRC样本的ROC曲线下面积（Area Under Curve,AUC）达到0.94。和已有方法相比,血浆荧光光谱结合TiM-PLS-DA方法对CRC的早期诊断具有较大的优势,将为临床癌症诊断分析提供一种潜在的替代方法。第七章总结与展望