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核苷酸能够调节细胞的代谢和生长,并作为重要元素参与细胞内的各项生物化学过程,在生命科学中具有不可替代的重要作用.核酸杂交过程的动力学和热力学都可以实现准确预测和合理设计,并随着筛选技术的发展,越来越多的功能性核酸被筛选出来.通过核酸结构设计并与新型纳米材料的复合,可以构建高选择性,高灵敏的成像探针.在众多的功能核苷和核苷酸中,ATP在胞内能量转移和能量传递过程中起到了转换基元的作用,是最重要的细胞内能量分子.ATP中的高能磷酸键是许多生物化学反应的能量来源,是调控肌肉收缩、生物分子的合成与代谢、细胞跨膜运输和信号传导的必要化合物.ATP的产生与消耗直接反应了细胞代谢的活性和生存状态,是判定细胞活性的重要因素之一.我们发展了石墨烯氧化物纳米片层(GO-nS)作为跨膜载体运输核酸适体探针的新方法,揭示了GO-nS的核酸适体吸脱附过程,首次实现了石墨烯引导的活细胞内小分子能量物质三磷酸腺苷的实时在线荧光成像研究,证明了GO-nS的探针负载和信号传感机制、跨膜运输能力及酶切保护效应,并深入开展了活细胞内的多元检测和双核苷酸细胞成像研究,为石墨烯在纳米生物分析中的发展起到了重要引导作用[1,2].miRNA是细胞内具有重要基因表达调控功能的短链RNA,在单细胞单分子水平上的miRNA原位成像对研究miRNA介导的基因调控通路及其疾病相关性具有重要意义.但由于miRNA序列短,序列相似度高以及表达量少,miRNA原位成像及定量面临挑战.我们通过设计一种具有开关结构的哑铃形核酸环模板,利用核酸的链置换反应启动滚环放大,实现了对目标miRNA的高特异性识别和原位放大.该方法能够在常温下实现对序列高度相似的与肺癌发生相关的let-7家族的特异性识别,并在3h内实现单细胞内单个miRNA的原位成像.此外,我们还构造了核酸适配体-石墨烯纳米片层的复合纳米结构,设计了特异性的核苷酸的荧光探针,并实现活细胞内多种核苷酸浓度的实时监控.这些方法将有助于我们认识miRNA、核苷酸等生物分子在细胞内的功能及其相关疾病发生的分子机理.