DNA的双螺旋结构特征的揭示使现代生物科学发生了革命性的变化,而随后发现的DNA单链自组装形成的超分子纳米结构、金属离子协同稳定的双链结构等进一步激发了研究者们对DNA生物聚合物的研究兴趣。此外,由于DNA具有互补链之间的精确编程能力、生物学功能、生物相容性等特点,DNA纳米技术在近几十年中蓬勃发展,已经广泛应用于生物传感、DNA水凝胶、功能化酶、DNA机器、DNA纳米结构、分子运输、计算等领域。生物体中的核酸、蛋白质、生物小分子在复杂的生命过程中发挥着重要作用,它们的表达水平,含量水平等往往反映出一系列的生理与病理过程,因此被广泛地用作各种人类疾病,如恶性肿瘤、心脑血管疾病等的生物标志物。此外,生物体内环境的理化性质稳态是维持生物体自由和独立生存的首要条件。因此,构建疾病相关的生物标志物的生物传感平台或开发对内环境的理化性质(如pH、渗透压、温度)具有响应的生物相容性材料具有十分重要的意义。本论文利用DNA纳米技术及其与贵金属纳米粒子/纳米簇的结合应用,构建了几种灵敏、快速且具有通用性的光学生物传感平台。此外,我们还通过引入DNA三链结构发展了一种pH响应的智能水凝胶。具体内容如下:一、杂交链反应(HCR)具有优异的信号放大性能,而酶的多重级联能够有效提高酶级联反应的催化性能,从而提高检测的灵敏度。基于此,我们设计出了一种基于杂交链反应和酶级联反应的双重信号放大平台。两种可以发生级联的酶(GOx,HRP)被分别修饰在可以发生HCR的两个发卡DNA(H1,H2)上形成酶修饰的发卡DNA(GOx-H1,HRP-H2)。目标核酸链(T)的加入可以引发GOx-H1和HRP-H2的HCR反应,同时形成酶的多重级联,大大提高酶级联的催化性能,从而实现T的高灵敏检测。此外,通过引入蛋白或生物小分子(如ATP)的适配体,该平台可用于生物物质的分析。我们的检测平台具有良好的灵敏度,对核酸和ATP的检出限分别为5.2 fM和0.8 pM,为核酸及具有适配体的目标物的超灵敏检测提供了一种通用方法。二、DNA适配体与目标物的高特异性结合在生物传感中具有无可比拟的优势,而金纳米粒子(AuNPs)由于其高消光系数,可以与各种荧光物质发生荧光共振能量转移(FRET),还具有独特的距离相关光学性质,可以同时作为荧光粹灭剂和比色指示剂。我们通过荧光染料FAM修饰的DNA适配体(FAM-Apt)对ATP和其互补DNA(cDNAs)的特异性识别能力,设计了一种荧光比色双通道方法来检测ATP。其检测限和线性范围与其它需要昂贵设备或复杂操作的ATP检测平台有可比性。更重要的是,我们的设计可以提供一种检测具有适配体的生物小分子、金属离子和蛋白质的通用方法。三、我们成功构建了一个可以检测微小RNA-21(以miR-21为例)的荧光生物传感器。我们的方法不仅对单链DNA探针进行了合理设计(富C序列作为DNA/银纳米簇(DNA/AgNCs)的合成模板、互补序列(com)与miR-21杂交、富G序列形成G-四链体/血红素复合物),还合理利用了 DNA/AgNCs(电子供体)和G-四链体/血红素复合物(电子受体)之间光诱导电子转移(PET)的距离依赖性。与以往的基于PET的检测方法相比,我们首次利用PET的距离相关性质构建了 miRNA生物传感器,而且只需对互补序列进行调整即可实现对不同miRNA的检测。四、我们利用经典的三链分子信标(tMB)构建了 miRNAs检测平台。我们通过将miRNA的互补序列引入分子信标的环结构中,且茎由典型的三链结构(C-G·C+和T-A·T)组成。加入目标miRNA后,三链结构中的Hoogsteen配对将打开,阻断荧光团与猝灭团之间的FRET,同时伴随着荧光的“开启”。此外,我们还通过将荧光团替换成银簇或将血管内皮生长因子的适配体互补序列引入三链分子信标的环结构中实现了对分子信标的拓展应用。这种三链分子信标是一种对miRNAs和具有适配体的生物标记物的通用检测策略,在早期临床诊断疾病方面具有很大的潜力。五、通过pH来控制DNA结构的策略已经被成功地开发和完善,并应用于各种基于DNA的结构的构建。为了进一步探索pH控制的纯DNA水凝胶,我们通过引入两个三链DNA结构,提出了一种新的构建pH控制的可逆纯DNA水凝胶的模块化策略。基于胞嘧啶-鸟嘌呤-质子化胞嘧啶(C-G·C+)的三链结构在pH=5.0时形成,在pH=7.0时分解,而胸腺嘧啶-腺嘌呤-胸腺嘧啶(T-A·T)的三链结构在pH=7.0时形成,在pH=10.0时分解,实现了 pH控制的纯DNA水凝胶的可逆自组装。更重要的是,我们通过在水凝胶中引入荧光团(FAM)和猝灭团(BHQ1),为荧光技术监测水凝胶的自组装和解离过程提供了一种创新的方法。