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生物分子的识别和定量技术是生命科学、医学、食品分析化学等领域能够得到迅速发展的基础。传统的分析工具和方法由于在灵敏度、特异性、操作简便性、快捷性等方面存在缺陷，因此难以满足日益发展的生物分子高灵敏检测的需求。电化学发光是一种灵敏度高，特异性好，仪器装置简单的新型化学发光分析技术，结合分子标记以及生物学特异性识别原理，电化学发光技术已经广泛应用于生物学检测领域。荧光相关光谱是一种能从单分子层面解析分子间相互作用、分子动力学特性、以及分子定量化信息的光学技术。本论文主要以这两种技术为基础，结合新型研究工具和材料，以解决生物学热点、难点问题为出发点，发展新的灵敏度高，特异性好生物分子检测技术及其应用。
本论文主要研究内容包括以下几个方面：
1）人端粒酶是一种广谱的癌症分子标记物，通过对端粒酶活性进行检测能够给肿瘤诊断、治疗、抗癌药物筛选、以及明白细胞的生理过程等方面提供有意义的信息，常规的端粒酶活性检测方法主要利用端粒重复扩增然后电泳检测，因此费时、灵敏度相对较低、且难以定量化。本研究对端粒重复扩增方法进行改进，通过对扩增引物对进行生物素化修饰和三联吡啶钌标记，然后进行扩增。结合本课题组发展的磁珠平台电化学发光技术，扩增产物能够进行一步的磁原位检测。本方法由于极大的减少了手工操作，因此比较传统的端粒酶活性检测方法，本方法获得了极好的检测精确性。此外，由于磁平台电化学发光技术的高灵敏度，本方法检测限较常规方法提高两个数量级。灵敏度达到实现单个细胞的检测水平，动态范围为1-1000个宫颈癌细胞。
2）基于端粒重复扩增技术的端粒酶活性检测方法尽管灵敏度高，但是由于往往扩增过程出现的错误可能会导致假阴性或者假阳性的结果。在本论文前期的基础上，本研究又发明了一种新型的实现无扩增的端粒酶活性检测技术。该方法通过发明一种新型的基于纳米材料的电化学发光纳米探针，通过对电化学纳米探针的设计和标记优化，并通过与线性的电化学发光探针检测效率进行评价，发现其检测效率提高约100倍。通过结合端粒延伸反应、磁珠分离技术、及原位的电化学发光测量，本研究实现了无扩增、定量化的端粒酶活性分析。该方法检测灵敏度达到了500个癌细胞。
3）本研究前期开发了一种高效率的电化学纳米探针，这种电化学纳米探针通过在金纳米颗粒上标记上大量的基于核酸序列的钌信号分子从而放大信号。本研究发展了一种新的电化学纳米探针，这种纳米探针以金纳米颗粒为载体，标记上大量基于生物小分子半胱胺的钌信号探针。比较基于核酸的电化学纳米探针，这种改进的探针的主要优点在于（1）：大大缩短了标记时间；（2）：具有更好的灵敏度；（3）：具有更好的稳定性；（4）更加经济。
4）结合探针标记，电化学发光技术能被应用于核酸和蛋白等生物大分子的检测，但是检测小分子仍然存在技术的局限性。本研究通过结合高效的毛细管电泳分离技术和电化学发光检测，对牛奶样品中的喹诺酮抗生素恩诺沙星和其代谢物环丙沙星进行检测。本研究优化了影响毛细管电泳电化学发光的参数，恩诺沙星和环丙沙星的检测动态范围分别为0.03到1 μg ml-1和0.05到1.2μg ml-1，检测限分别为10 ng ml-1和15 ng ml-1，检测峰和电泳迁移时间的相对标准偏差均低于4.13％，通过结合有效的样品处理手段，本方法应用于牛奶样品中两种抗生素的检测，其检测限低于欧盟规定2377/90标准。
5）荧光互相关光谱技术能够高特异的分析分子间的相互作用。本研究内容发展了一种新的基于荧光互相关光谱的蛋白检测方法，该方法以人凝血酶蛋白为靶分子进行原理验证。设计一对适体（aptamer）探针，分别标记上两种光谱上分离的染料分子Cy5和RG6，当这两种适体探针与凝血酶结合之后导致产生了荧光互相关光谱信号。该方法检测灵敏度低至纳摩尔浓度。由于采用了双探针检测，因此方法具有好的特异性性。此外，该方法是一种均相的、非分离的检测方法，因此操作上十分简便。理论上本方法能应用于任何蛋白分子的高灵敏检测。
6）发展一种快速、灵敏、可靠的转基因物种检测方法可为食品安全检测提供有力的工具。本研究发展了一种基因磁捕捉技术并结合单分子荧光相关光谱检测的方法，实现了非PCR的检测转基因物种。本方法首先设计了一条生物素化的捕捉探针特异性的捕捉转基因物种特有的35S启动子基因序列，通过磁珠进行富集，捕捉的序列通过与Cy5和RG6标记的两条探针杂交后，检测荧光相关光谱信号。该方法的两层面，三探针策略保证了检测结果极好的特异性。此外，该方法不需要对样品进行PCR扩增，因此可以避免PCR方法中存在的假阴性和假阳性的问题。
7）金纳米粒子是一种广谱的荧光淬灭剂，且具有非常好的淬灭效果。当应用荧光相关光谱进行高灵敏度生物分析的限制之一在于其浓度检测限通常为纳摩尔或者亚纳摩尔水平。为了进一步提高荧光相关光谱的检测灵敏度，抑制荧光背景是有效的手段之一。本研究演示了一种利用荧光相关光谱进行高灵敏度的核酸检测方法，该方法利用金纳米粒子能吸附单链DNA而不能吸附双链DNA的特性，因此核酸检测中未杂交的荧光DNA探针能够被纳米金所吸附，因此荧光产生淬灭，而杂交产物由于为双链DNA结构因此不能被纳米金吸附从而被淬灭。本方法极大的抑制了荧光背景，检测灵敏度提高了一个数量级以上，本方法检测的灵敏度达到了皮摩尔浓度水平，因此拓广了荧光相关光谱的应用。