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作为重要的生物大分子之一，核酸相关的材料，包括核酸适配体、四极子DNA及核酸保护的纳米材料等，已广泛应用到分子生物学、分析化学、材料科学及生物医学等领域，显示了其重要的研究价值和巨大的应用前景。其中，核酸适配体常常能够弥补抗体的不足或与抗体互补，被广泛应用于新型生物传感器的研制中。金属纳米簇具有许多独特的物理化学性质，使其在生物传感领域、生物成像及分子计算等领域发展迅速。在本论文工作中，研究探讨了DNA模板对金属纳米簇荧光性质的调控，并利用DNA保护的金属纳米簇作为信号探针来构建简便、灵敏的生物传感器及分子密码锁。主要内容包括以下几个部分: 1.利用DNA保护的金属纳米簇构建新型的荧光适配体生物传感器。我们使用双链DNA(dsDNA)保护的铜纳米粒子作为信号探针，实现了对小分子三磷酸腺苷(ATP)的高灵敏度、高选择性检测。由于dsDNA可以作为铜纳米形成的有效模板，而ssDNA不能用于保护铜纳米的形成，因此我们可以通过简单的DNA杂交反应构建免标记的适配体生物传感器。由于铜纳米的合成对DNA模板的变化很灵敏，从而保证了传感器的高灵敏度;同时，选用不同的适配体链，我们可以实现对不同目标物的检测。另外，我们还利用DNA模板对银纳米簇荧光性质的调控，发展了一种基于DNA保护的银纳米簇的荧光适配体生物传感器，实现了对可卡因的灵敏检测。这是一种“信号开”模式的适配体传感器，因此可以克服许多“信号关”模式传感器的缺点。 2.DNA/银纳米簇作为信号转导的分子密码锁。DNA保护的银纳米簇的荧光性质在很大程度上依赖于DNA模板的序列、组成、微环境和结构等，利用这一性质设计了使用DNA保护的银纳米簇作为信号转换器的免标记分子密码锁系统。我们首次将核酸外切酶Ⅲ催化的DNA水解反应引入到分子密码锁系统中，实现了密码锁的复位功能。 3.DNA保护的银纳米簇用于研究蛋白质-DNA反应。研究探讨了DNA保护银纳米簇的作用机制，清楚地揭示了蛋白质通过与DNA结合，可以有效增强某些DNA模板保护银纳米簇生成的能力，并极大地改进了银纳米簇化学稳定性差的缺陷。根据这些结论发展了免标记分析蛋白质-DNA相互作用的新方法。 4.基于G-四极子DNA的生物传感器及癌细胞治疗应用研究。我们首先设计了一种新奇的G-四极子DNAzyme分子信标结构，用于免标记的DNA和限制性核酸内切酶的检测。该设计解决了传统分子信标的一些缺点，例如需要信号探针的双标记，背景信号高等。另外，在DNA检测中，我们引入核酸酶催化的信号放大策略，有效地提高了传感器的灵敏度。我们还使用G-四极子DNA构建了免标记的S1核酸内切酶活性分析及K+检测的新方法。利用G-四极子DNA作为酶切基底，结合G-四极子增强原卟啉(PPIX)荧光的性质，实现了对S1核酸酶活性的快速、灵敏分析。另外，由于K+可以比Na+更好地稳定四极子结构，从而增强了四极子DNA对核酸酶的抗性。利用这一特性可以实现对K+的检测。目前K+检测面临两大挑战，一是Na+的干扰，二是检测灵敏度差。本方法中，Na+稳定的四极子DNA可以被S1核酸酶切割，从而提高了K+检测的选择性。而且S1核酸酶有效地降低了背景信号，为K+检测提供了“零背景信号”，从而提高了K+检测的灵敏度。同时，在实验中我们发现四极子DNA T30695具有很好的抗核酸酶水解能力。利用这一特性，我们又发展了基于T30695/PPIX纳米复合物的高性能光动力治疗平台。其中T30695与PPIX高效结合，避免了PPIX聚集成低荧光胶束;而且T30695可特异性识别核仁素（癌细胞过表达），通过核仁素在细胞质与细胞核之间的穿梭，可实现T30695/PPIX复合物在癌细胞表面及细胞核中的聚集。最后通过光照，T30695/PPIX复合物产生的活性氧可有效杀死癌细胞。这种方法不仅设计简单，而且在很大程度上解决了光动力治疗过程中的许多问题，包括光敏剂的肿瘤特异性、细胞有效摄取及生物分散性等。 5.基于石墨烯的实时荧光核酸酶活性与抑制分析。石墨烯氧化物可以通过疏水相互作用及π-堆积效应与DNA结合，我们发现其对不同结构DNA的结合能力是不同的，即长的ssDNA＞dsDNA＞短的DNA片段。利用石墨烯氧化物对dsDNA和短的DNA片段结合能力的差异，结合石墨烯氧化物超强的荧光淬灭能力，我们发展了一种实时、简单、灵敏的脱氧核糖核酸酶Ⅰ(DNaseⅠ)活性分析新方法。