DNA不仅可以作为生命的密码,同时因为其具有高度可编程、可自动化合成、易于修饰等特点,使得以DNA分子作为基元材料的DNA纳米技术在最近十多年得到了飞速的发展。伴随着DNA纳米技术的发展,基于DNA纳米技术构建的核酸生物传感器在环境监测、食品安全、药物分析、疾病检测等领域都发挥着越来越重要的作用。特别是,随着核酸适体、脱氧核酶等功能核酸体外筛选技术的不断进步,越来越多具有卓越分子识别功能的核酸分子被逐渐开发出来,这进一步促进了核酸生物传感器的应用范围。然而,在一些资源有限或者复杂的分析体系下,由于核酸分子本身的一些固有缺陷以及核酸生物传感器构建策略上的不完美,使得所构建的核酸生物传感器在这些动态复杂分析体系下的表现往往不能尽如人意。因此,进一步拓展核酸生物传感器的应用范围以及提高其在复杂分析体系下的工作性能依旧是科研工作者面临的重要挑战。为了解决这些问题,本论文旨在通过合理的DNA分子工程手段来降低核酸生物传感器的应用成本、改善核酸生物传感器的工作性能,使核酸生物传感器在资源有限地区、动态复杂分析体系等发挥重要的应用潜能。其具体内容如下:（1）DNA G4/Hemin作为一种很好的人工过氧化物纳米酶,能够在过氧化氢的存在下催化四甲基联苯胺（TMB）的氧化,使得TMB-H₂O₂体系的吸收光谱发生明显的变化。因此,基于此原理,许多基于DNA G4/Hemin纳米酶的比色核酸生物传感器被构建。然而,为了得到定量的输出结果,人们常常需要借助昂贵的光学仪器,这极大地限制了该类核酸生物传感器在资源有限地区的进一步推广。在本章中,我们发现,DNA G4/Hemin纳米酶能够催化TMB-H₂O₂体系氧化,使其吸收光谱发生明显的变化。同时,氧化后的TMB具有良好的光热转换性能,在近红外光的照射下,体系的温度明显升高,而该温度的变化可以利用便携式的温度计进行有效的读取,而不需要借助大型光学设备。这暗示DNA G4/Hemin模块可用于构建便携式的核酸光热传感器,服务于资源有限区域。为了实现这一目的,我们通过DNA G4双末端封闭的策略构建了第一代免标记型核酸光热生物传感器。利用该传感器,我们能够通过便携式的温度计实现对靶标的定量检测。这个工作为构建核酸光热生物传感器提供了新的设计思路。（2）为了进一步扩展基于DNA G4/Hemin核酸光热生物传感器的可应用范围,在本章中,我们致力于通过合理的DNA分子工程,将更为复杂的靶标信息转化为易读取、可定量的温度输出信号。为了实现这一点,我们尝试将不同的DNA分子电路与上章发展的DNA光热传感器进行合理的耦合,从而构建功能更为复杂多样的先进核酸光热传感器。作为概念性的研究,我们首先通过合理的DNA分子工程手段,将熵驱动的核酸无酶放大分子电路与上章发展的DNA光热核酸传感器进行耦合,仅通过便携式的温度计成功实现了超低浓度靶标的检测,其检测灵敏度相比于上章单纯的DNA光热传感器提高了将近2个数量级。同时,为了实现复杂多比特输入信息的检测,我们通过合理的DNA分子工程的手段,进一步实现了不同DNA逻辑电路（AND逻辑电路,OR逻辑电路）与上章发展的DNA光热传感器的耦合,成功地实现了分析物的逻辑识别与处理。该传感设计理念对促进下一代先进核酸光热传感器的发展产生重要的指导价值。（3）针对传统核酸生物传感器细胞穿透能力弱以及在复杂细胞内环境中易产生假阳性信号的问题,在第四章中,我们基于DNA纳米技术构造了一种新型的DNA四面体生物传感器,该三维的DNA四面体生物传感器,显示出良好的细胞摄取能力以及生物稳定性。同时,结合荧光共振能量转移技术,通过设计靶标诱导的荧光共振能量转移“off”到“on”的光学开关,使得即使在非常高的生物干扰环境下,该核酸生物传感器也几乎能够完全避免由核酸酶降解、温度波动、蛋白非特异性吸附等引起的假阳性信号,使得检测结果更加准确。DNA三维纳米结构建造技术与荧光共振能量转移“off”到“on”的信号输出联用策略,为发展在细胞内更准确成像的核酸生物传感器提供了新的思路。（4）由于细胞内很多重要分析物的浓度处于较低的水平,有些疾病标志物随着疾病的发生其含量可能还会进一步降低,而传统的细胞内工作的核酸生物传感器与目标物主要是基于1:1的信号转换比率,因而显示出比较低的信号增益。这对于成像细胞内低丰度的疾病标志物非常不利。因此,为了获得更高增益的信号输出,实现细胞内低丰度靶标的高灵敏的测量,这就要求我们设计的生物传感器能够对有限的输入信号进行高效的信号放大。因此,在第五章中,我们通过分子工程的手段构建了熵驱动的三维DNA纳米放大器,该放大器由两个DNA四面体模块组成,在无靶标存在的情况下,两个模块互不干扰,荧光信号始终处于淬灭状态。而当靶标分子存在时,靶标分子会不断催化两个模块的相互作用,最终导致荧光标记的核酸链与其部分互补的淬灭链不断分离,从而荧光信号得到不断地增强。我们以肿瘤相关的mRNA作为我们的研究对象,我们的实验结果显示,该熵驱动的DNA纳米放大器能够实现细胞内肿瘤相关mRNA的超灵敏检测,该DNA生物传感器设计策略为DNA纳米技术在细胞内的进一步应用开拓了新的思路,同时也为细胞内低丰度疾病标志物的发现提供了有潜力的分子工具。