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众所周知,细胞是自然界中最复杂、精密的体系之一。细胞内时刻发生着大量维持生命体系功能的生化反应,包括信号传递和能量代谢等。因此,参与生化反应的各种生物分子通常是生物体健康及疾病状况的标志物。例如,生物体内的葡萄糖浓度水平与能量代谢的正常维持密切相关,葡萄糖浓度的异常升高会导致糖尿病(即葡萄糖为糖尿病的标志物)。标志物分子所参与的生化反应大都是在酶的级联催化下执行的。在“拥挤”的细胞内同时执行种类繁多的生化反应主要依赖于细胞的多室化结构特征,即细胞中的各种细胞器可视为细胞结构中不同的区室。近年来,国内外科学家们针对细胞多室化结构特征,构建了多种简化的人工细胞模型以探索细胞生命活动的各种规律。本文中,我们构建了一种新型的仿生多室化体系,并结合布尔逻辑门的原理,以高效灵敏的化学发光为输出信号,一方面可以通过逻辑输出信号对生物标志物进行检测分析,另一方面可以使得我们对细胞进行生命反应过程的理解更加简单化。本论文的内容包括以下部分:第一部分,基于酶的生物级联反应和细胞的多室化结构,对国内外近些年来对生物级联反应和多室化结构体系的研究进展进行概述,并介绍了逻辑运算和化学发光分析方法在生物领域的应用,为下面我们的研究提供理论基础。第二部分,我们首先合成具有亲疏水区交替的特殊结构的聚离子液纳米颗粒,用于装载在水溶液中不稳定的过氧化草酸酯化学发光试剂。为了解决聚离子液封装化学发光试剂之后在水溶液中的分散性问题,我们构建了一种以聚离子液为核心,介孔二氧化硅为壳的新型的纳米容器。基于这样一个化学发光功能化的纳米容器,我们研究了过氧化草酸酯和染料红荧烯的最佳封装摩尔比,同时对该化学发光功能化纳米容器的发光动力学进行了考查,发现该化学发光功能化纳米容器具有良好的发光性能并能有效维持发光效率。第三部分,脂质体是一种人工膜,脂质膜的双分子层结构也是最接近细胞膜的结构,以脂质体制备仿生多室化结构体系更接近自然细胞体系,并且脂质体在相变温度和乙醇存在的条件下会发生结构的交错与融合。因此,这一部分我们主要利用脂质体制备仿生多室化体系,并结合第一部分制备的化学发光功能化的纳米容器,在纳米容器表面覆盖一层脂质体膜,再与另一脂质体相互作用,从而构建成一个大的脂质体包裹数个纳米容器的多室化结构体系,并通过溶血素嵌插进脂质体膜形成蛋白孔,来促进不同区室生物分子的跨膜传递与交换。第四部分,将布尔逻辑门的概念引入到我们前面合成的仿生多室化体系中,将不同的氧化酶作为输入端,化学发光信号作为输出端,通过化学发光信号对仿生体系中的生物标志物进行分析。基于该研究,可以依据化学发光逻辑信号判断不同生物标志物浓度水平的正常与否,这可用于疾病的评估诊断和预防。由于在细胞中发生的反应复杂多样,也为了探索更加复杂的生命过程,因此我们扩大了逻辑操作规模,将多个逻辑体系相互串联整合,并通过对不同逻辑状态下的反应进行分析,可以简化对生命过程发生反应的了解。本论文首次将逻辑门概念与仿生多室化体系和化学发光体系相结合,对生物标志物以及生物标志物在酶催化下发生的级联反应做了简单的分析,并成功构建了AND、OR、INHIBIT、AND+OR、AND+INHIBIT、OR+INHIBIT和AND+OR+INHIBIT几种逻辑体系。从对生物标志物的检测分析到模仿自然生物级联反应,我们这一仿生多室化体系的构建和逻辑门概念的引入将在对疾病的诊断和预防以及在仿生领域有着重大的作用。