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生物分子和有害物质的准确且快速的检测方法是支持生命医药科学发展的有力工具。伴随着社会的快速发展，实现人类恶性疾病的早期诊断，食品安全以及环境问题的可靠监控愈发成为社会关注的热点。然而传统的分析工具和方法由于存在灵敏度、特异性以及检测成本昂贵等不足，大大限制了其在这些焦点问题中的应用。
电化学发光是近二十年开始快速发展起来的分析方法。它融合了电化学法和化学发光法分析适应性广、成本低、仪器构造简单的优点。荧光检测方法则是一类安全性高，可以应用在生物活体内，以及提供多元的分子定量化信息的光学技术。这两种灵敏的光学检测技术结合特异性的分子识别与标记技术已广泛的被用于生物诊断分析领域。此外，值得注意的是，纳米技术在近些年的兴起，为生物分析技术开拓了新的研究方向，为其提供了更大的发展空间。本论文中涉及的工作则是以这两种光学检测技术为基础，使用特殊的纳米材料为载体，结合特殊的生物学信号扩增方式，构建新型的核酸生物传感技术。
本论文主要研究内容包括以下几个方面:
(1)食品是人类赖以生存和发展的物质基础，其安全事关政府威信、社会发展、民众健康和人类繁衍。近年来，由微生物引起的食品安全事故的发生率也呈不断上升的趋势。特别是在炎热潮湿的中国南方，常见的食源性致病菌（单核细胞增生李斯特氏菌、副溶血性弧菌等）流行引发的问题显得更为突出。因此发展一种理想的食源性致病菌的检测方法将为食品安全的监控提供有力的工具。本研究首次构建了一种新型的基于磁原位扩增与电化学发光原位检测平台相结合的生物传感技术，实现了对食品致病微生物的快速、灵敏、特异的检测。其基本原理是设计特殊的三条引物和使用纳米磁性粒子作为扩增载体，将PCR信号放大和电化学发光检测两个过程都直接在磁性粒子表面上完成。因此避免了后续的产物孵育、捕捉、分离等繁琐步骤，不仅降低了由于手工操作引起误差的概率，而且大大提升了检测效率。我们以牛奶中提取的单增李斯特菌基因组为例，可以在一个小时内达到0.2 pg/μL的检测限。
(2)在过去的十年中，与生物的发育、免疫反应、细胞增殖和凋亡等过程密切相关的micro RNA(miRNA)的研究取得了长足的进步。miRNA是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA（长度在20-25个核苷酸）。安全可靠的检测miRNA对癌症的早期诊断和药物治疗过程的监控有着重要的意义。最近，随着氧化石墨烯(GO)，这种在机械、电学及化学特性等方面具有优异性质的纳米材料的相关研究不断深入，基于其开发的生物传感技术也受到了广泛的重视。本研究首先利用GO、特异的荧光染料SYBRGreenⅠ(SG)和核酸发卡探针探讨并成功构建了全新的能量共振转移检测平台。在这种非标记的，高信噪比的检测平台上，我们将高效的基于碱基堆积力原理设计的核酸链置换恒温扩增方式与其结合，发展出一种灵敏、快速的miRNA分析方法。我们以miRNA-21为例，验证了此核酸传感技术的检测限为400 amol。
(3)随着工业化的进程以及人们环境保护意识的增强，人们越来越认识到重金属离子对生态环境的极大危害性。其中汞离子(H92+)便是其中最具代表性的剧毒物质，可以对生物体的神经系统造成不可逆的伤害。由于传统的检测方法往往依赖于昂贵的仪器，并且检测时间较长，因而限制了它们的实际应用。本研究发展了一种非修饰的基于Hg2+作为分子开关的核酸扩增技术。其基本原理是:当体系中存在检测目标物Hg2+时，它会诱导单链核酸探针5端的胸腺嘧啶(T)之间产生T-Hg2+-T碱基错配现象，产生一段双链DNA的发卡结构。在合适的条件下，探针的3端便会以探针作为模板，完成整条核酸链的恒温扩增。此时，体系加入高效荧光染料SG，其会选择性的插入这些由Hg2+由触发反应的复制产物中。根据体系荧光强度增强的程度，便可以定量的反映Hg2+的浓度。由于此方法是一种非分离、非修饰的检测模式，操作上十分简便，检测灵敏度可以低至皮摩尔级。