重金属和抗生素是环境和食品中典型的污染物,重金属具有生物毒性、致癌致突变以及产生变态反应,抗生素会诱导细菌耐药性、人体菌群失调、药物过敏反应以及器官损伤。重金属的积累和抗生素的过度使用都对人类健康和生态系统造成严重威胁。因而,对食品中的重金属及抗生素进行分析检测是监控和保证食品质量安全的有效技术手段。许多国家已经制定了食品和环境中的最大残留限量,以防止人们受到这些化学污染物的侵害。目前,重金属和抗生素的检测主要通过大型仪器分析方法,重金属的检测常采用原子吸收光谱法、原子荧光光度法、电感耦合等离子体质谱等分析技术,抗生素残留检测常采用高效液相色谱法、气相色谱法、色谱-质谱联用等分析技术。这些传统的检测方法,虽然灵敏度高、重现性好,但是存在前处理复杂、仪器庞大、成本高、耗时长、需要专业技术人员操作等不足,在一定程度上限制了其实际应用。因此,发展简单、快速、可靠的检测化学有害物的技术对环境保护、食品安全和人类健康具有重要意义。近年来,随着生物技术的发展,功能核酸的特殊生物功能和灵活的空间结构有效提升了检测的特异性,已被用于构建各种生物分子识别探针,基于功能核酸的生物传感与分析技术在环境和食品样品化学有害物检测领域中的应用越来越广泛。同时,核酸等温扩增技术作为一种在恒温条件下对核酸分子的灵敏、快速扩增技术,具有操作简单、无需复杂的变温系统等优点,已被广泛应用于各种靶标物质的检测,并在许多研究领域发挥重要作用。本论文结合食品、环境中重金属及抗生素残留问题的实际现状,针对四种典型的靶标物质,基于功能核酸和核酸无酶等温扩增技术,利用具有优良光学性能的荧光染料或银纳米簇作为输出信号,构建了四个操作简便、成本低廉、灵敏度较好的荧光“signal on”型生物传感器,用以检测分析环境、食品中残留的重金CL 318952作用属和抗生素,为建立和丰富环境、食品中有害物监测技术提供借鉴。研究内容主要包括:(1)基于T-Hg~(2+)-T纳米梯和荧光DNA模板银纳米簇/氧化石墨烯纳米复合材料(DNA-Ag NCs/GO)构建了一种无酶无标记的汞离子生物传感器。以P1-C_6G_5C_6为模板合成荧光银纳米团簇,所得到的P1-C_Medicopsis romeroi6G_5C_6-Ag NCs在570 nm处被激发,并在625 nm处发出强烈的荧光。富T序列(P1和P2)用来捕获Hg~(2+)并形成T-Hg~(2+)-T纳米梯。在汞离子存在的情况下,T-Hg~(2+)-T特异性识别介导P1和P2之间形成纳米梯,银纳米簇的荧光强度显著增强。在汞离子不存在的情况下,未杂交的P1-C_6G_5C_6-Ag NCs和P2通过氢键和π-π堆积作用吸附到氧化石墨烯表面的芳香环和疏水环上,氧化石墨烯作为能量受体,通过长程共振能量转移使能量供体Ag NCs的荧光猝灭,荧光背景降低。汞离子诱导的荧光增强能够实现对汞离子的定量检测,线性范围为0.1～30 n M,检出限低至7.35 p M。将该方法成功用于松花江水和草鱼加标样品中汞离子的检测,加标回收率分别为97.61%～103.79%和96.52%～105.58%,与原子荧光光谱法检测结果一致。本方法巧妙地设计核酸序列,将信号识别和无酶信号放大结合起来,实现了对汞离子的无标记“signal on”荧光检测。(2)基于8-17 DNAzyme诱导催化发夹自组装(Catalytic hairpin assembly,CHA)无酶等温扩增,建立了一种简单的用于铅离子检测的荧光“signal on”型传感策略。8-17 DNAzyme作为Pb~(2+)的特异性识别元件,在Pb~(2+)存在下酶链催化嵌入r A碱基的DNA底物裂解,同时释放部分底物链(S’)作为CHA引发剂。根据CHA的S’序列设计了两个发夹探针(H1和H2-FQ),其中H2-FQ用荧光团FAM和猝灭剂BHQ-1标记为基于荧光共振能量转移(F(?)rster resonance energy transfer,FRET)的荧光“分子开关”。S’可以与H1的环杂交,打开H1的发夹结构,将H1的茎序列暴露在溶液中,进一步打开发夹H2-FQ,使FAM远离BHQ-1,降低它们之间的FRET效率,从而实现“signal on”荧光策略。同时,由于双链H1/H2-FQ与S’/H1复合物相比更稳定,因此S’从H1中置换出来。置换后的S’可启动新的CHA循环,形成大量H1-H2复合物,实现无酶等温扩增。该扩增方法的线性范围为0.5～1000 n M,检出限为0.5 n M,与FQ-labeled 8-17 DNAzyme方法相比具有更好的检测性能。所建立的生物传感器具有良好的特异性,可有效用于河水、草鱼等真实加标样品中Pb~(2+)的检测。DNAzyme和CHA巧妙结合核酸序列设计,实现了无酶等温扩增和铅离子的灵敏检测,在食品监管和环境监测方面具有潜在的通用性。(3)基于toehold介导的三向催化发夹组装,结合FAM和氧化石墨烯之间的荧光共振能量转移,开发了一种无酶扩增荧光策略,用于灵敏检测卡那霉素。三个具有FAM荧光团的亚稳态发夹DNA探针被设计为组装组件来构建传感系统。通过适配体与卡那霉素的特异性结合,在辅助DNA(HD)的帮助下诱导发夹介导的链位移。通过CHA反应获得无酶信号放大,打开发夹并循环HD。形成含有DNA双螺旋的刚性DNA三角形,未反应的发夹的粘性末端将通过非共价疏水和π-π堆积紧密吸附在GO表面上以猝灭荧光信号。从而产生“signal-on”型荧光信号,实现卡那霉MLN4924核磁素的定量检测。该策略对卡那霉素具有良好的灵敏度和选择性,检出限为1 n M,已成功应用于加标牛奶样品的检测。所提出的适配体传感器操作简单方便,只需在室温下混合几种溶液即可直接检测,无需复杂的仪器,为食品安全分析中卡那霉素的监测提供了新途径。(4)基于杂交链式反应(Hybridization chain reaction,HCR)和荧光协同作用,制备了一种新型妥布霉素适配体传感器。妥布霉素存在时,能够与c DNA-FAM竞争结合固定在磁珠上的适配体,磁性分离后释放的c DNA-FAM作为引发子触发HCR扩增,由于SYBR GreenⅠ(SGⅠ)嵌入到形成的长双链DNA中,并与FAM产生荧光协同效应,使得荧光显著增强。在没有妥布霉素的情况下,引发子c DNA与适配体杂交互补而被分离,无法触发HCR,更重要的是氧化石墨烯可以猝灭过量发夹中的FAM及SGI的荧光,因此几乎没有检测到背景信号。该适配体传感器可以监测0.3～50μM范围内的妥布霉素,检测限为17.37 n M。由于结构转换适配体的潜在通用性和荧光协同作用的有效性,这种无酶扩增策略可以通过核酸序列的合理设计扩展到检测其他目标物的应用。