海洋工程装备和船舶在服役过程中不可避免的要遇到各种腐蚀问题，其中微生物腐蚀（MIC）几乎可以在所有常用工程材料表面发生，微生物腐蚀约占整个腐蚀的20%。微生物腐蚀不仅影响着海洋工程设施的安全服役，还威胁着从业人员的人身安全，为国民经济带来巨大损失。采取有效手段现场、原位评估生物膜内微生物的代谢状态，研究微生物膜发展规律，能为深入揭示微生物在腐蚀过程中的作用机理，开发微生物腐蚀状态的快速监测技术提供重要依据。三磷酸腺苷（ATP）是生物膜活性的重要标志性物质，传统ATP的检测方法流程复杂、仪器昂贵、费时长、无法进行原位检测。荧光检测技术具有灵敏性高、选择性好、可实现原位检测等优点，在生物膜内微生物活性分析中的应用潜力巨大。锌基沸石咪唑框架（ZIF-90）是一种合成路线简单、孔隙率高、醛基丰富、生物相容性好、环境友好的材料，被广泛应用于生物系统中。本研究以金属有机框架结构（MOFs）为基础，构建了三种不同类型的非生物基荧光探针，并且将其应用于生物膜内ATP的检测。主要的研究结果如下：

（1）合成了ZIF-90特异性识别的材料，并构建了非生物基荧光增强探针CDs@ZIF-90。研究以细菌培养基的主要成分酵母粉和胰蛋白胨为原料，合成了一种具有聚集荧光抑制效应的蓝色荧光碳量子点（CDs），通过ZIF-90框架结构将ATP浓度和碳点荧光强度联系起来，实现了ATP浓度的快速、高稳定性荧光检测。实验表明，ZIF-90能够与ATP的特异性结合并发生裂解，进而使CDs@ZIF-90可对ATP进行灵敏度高、选择性好的检测，该非生物基荧光探针具有较好的光稳定性和化学稳定性，在固体基质表面生物膜内ATP的检测中展现出良好的可行性。

（2）构建了一种基于ZIF-90识别的双发射比率型荧光探针Cu NCs-Al@ZIF-90。研究合成了具有聚集诱导荧光发射（AIE）效应的铜纳米簇（Cu NCs），在铝离子的存在下，Cu NCs被诱导聚合从而荧光显著增强。Cu NCs-Al@ZIF-90探针可以在ATP存在时裂解，释放出发蓝色荧光的咪唑-2-甲醛（2-ICA），和发橙色荧光的Cu NCs，二者可分别在450 nm和620 nm处观察到荧光发射，两种荧光变化趋势相反。这种双发射比率荧光探针可以实现检测信号的自校准，具有更高的准确性，进而实现ATP的高效快速测定。研究进一步将Cu NCs-Al@ZIF-90探针应用于生物膜内ATP的检测，取得良好效果，测试了Cu NCs-Al@ZIF-90探针应用于四种不同金属材料表面生物膜的荧光成像分析，观察到Cu NCs-Al@ZIF-90双发射探针能够指示生物膜ATP的分布。

（3）构建了一种基于ZIF-90识别的检测-抑菌双功能荧光探针DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90。探针中的CeO₂纳米颗粒具有抑制细菌附着的功能，将ZIF-90的ATP识别特性与吸附DNA-FAM的特性结合，可以实现对ATP的特异性、高灵敏度检测。因此，DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90探针具有ATP荧光特异性检测和抑制细菌生长的双重功能，初步测试其在生物膜样品中检测的性能。

第1章  绪论......................................................................................... 1

1.1  海洋腐蚀........................................................................................................... 1

1.2  微生物腐蚀....................................................................................................... 1

1.3  ATP荧光探针的研究进展.................................................................................. 4

1.3.1  打开型荧光探针...................................................................................... 5

1.3.2  关闭型荧光探针...................................................................................... 6

1.3.3  比率型荧光探针...................................................................................... 8

1.4  ZIF-90框架结构.............................................................................................. 10

1.5  选题依据及研究思路....................................................................................... 11

1.5.1  选题依据............................................................................................... 11

1.5.2  研究思路............................................................................................... 12

第2章  快速、可靠检测ATP的非生物CDs@ZIF-90荧光探针的构建与应用............................................................................................... 15

2.1  引言................................................................................................................ 15

2.2  实验部分......................................................................................................... 16

2.2.1  实验试剂............................................................................................... 16

2.2.2  CDs@ZIF-90合成.................................................................................. 16

2.2.3  CDs性能优化........................................................................................ 17

2.2.4  CDs@ZIF-90荧光探针性能优化............................................................. 17

2.2.5  CDs@ZIF-90检测ATP........................................................................... 17

2.2.6  CDs@ZIF-90探针选择性检测................................................................ 17

2.2.7  血清样品检测和生物膜内ATP含量检测................................................. 18

2.2.8  CDs、CDs@ZIF-90和ZIF-90表征......................................................... 18

2.3  研究结果与分析.............................................................................................. 18

2.3.1  CDs、CDs@ZIF-90和ZIF-90表征分析.................................................. 18

2.3.2  CDs性能优化分析................................................................................. 23

2.3.3  CDs@ZIF-90荧光探针性能优化分析...................................................... 23

2.3.4  ATP检测标准曲线................................................................................. 24

2.3.5  血清检测及生物膜内ATP含量检测分析................................................. 26

2.4  小结................................................................................................................ 26

第3章 快速检测ATP的Cu NCs-Al@ZIF-90双光路比率型荧光传感系统的构建与应用............................................................................... 29

3.1  引言................................................................................................................ 29

3.2  实验部分......................................................................................................... 30

3.2.1  实验试剂............................................................................................... 30

3.2.2  Cu NCs-Al@ZIF-90合成........................................................................ 31

3.2.3  Cu NCs-Al@ZIF-90 荧光探针性能优化.................................................. 31

3.2.4  Cu NCs-Al@ZIF-90检测ATP................................................................. 31

3.2.5  Cu NCs-Al@ZIF-90 荧光探针选择性检测............................................... 31

3.2.6  血清样品检测和生物膜内ATP含量检测................................................. 32

3.2.7  生物膜双光路荧光成像.......................................................................... 32

3.2.8  Cu NCs、Cu NCs-Al@ZIF-90和ZIF-90表征.......................................... 32

3.3  研究结果与分析.............................................................................................. 33

3.3.1  Cu NCs、Cu NCs-Al@ZIF-90和ZIF-90表征分析................................... 33

3.3.2  Cu NCs-Al@ZIF-90 荧光探针性能优化分析........................................... 37

3.3.3  ATP检测标准曲线................................................................................. 38

3.3.4  Cu NCs-Al@ZIF-90探针选择性分析....................................................... 39

3.3.5  Cu NCs-Al@ZIF-90探针性能分析.......................................................... 40

3.3.6  血清检测及生物膜内ATP含量检测分析................................................. 41

3.3.7  生物膜双光路荧光成像分析................................................................... 42

3.4  小结................................................................................................................ 46

第4章  检测-抑菌双功能DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90荧光探针的构建与应用................................................................................................... 47

4.1  引言................................................................................................................ 47

4.2  实验部分......................................................................................................... 48

4.2.1  实验试剂............................................................................................... 48

4.2.2  DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90合成............................................................... 48

4.2.3  DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90荧光探针性能优化.......................................... 49

4.2.4  DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90检测ATP........................................................ 49

4.2.5  生物膜内ATP含量检测......................................................................... 49

4.2.6  CeO₂@ZIF-90抑菌效果检测.................................................................. 49

4.2.7  CeO₂纳米颗粒、CeO₂@ZIF-90、DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90和ZIF-90表征........................................................................................................................ 50

4.3  研究结果与分析.............................................................................................. 50

4.3.1  CeO₂纳米颗粒、CeO₂@ZIF-90、DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90和ZIF-90表征分析.................................................................................................................... 50

4.3.2  DNA-FAM-CeO₂@ZIF-90荧光探针性能优化分析................................... 53

4.3.3  ATP检测标准曲线和探针选择性分析..................................................... 55

4.3.4 生物膜内ATP含量检测分析.................................................................... 56

4.3.5  CeO₂@ZIF-90抑菌效果分析.................................................................. 57

4.4  小结................................................................................................................ 59

第5章  结论与展望........................................................................... 61

5.1  结论................................................................................................................ 61

5.2  创新点............................................................................................................ 62

5.3  展望................................................................................................................ 62

参考文献............................................................................................... 63

致  谢................................................................................................... 73

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果..................... 75