随着DNA纳米技术的飞速发展,核酸作为基础材料广泛用于构建复杂多样的纳米结构。所构建的DNA纳米结构除继承核酸本身的特性外,还具备高生物相容性、易于多功能化修饰及纳米级寻址能力等突出优点。以此为基础,DNA纳米结构广泛应用于分析化学,化学生物学,分子医学以及材料科学等领域。框架核酸作为一类典型的DNA纳米结构在不同的领域展现出巨大的应用潜力。除了对纳米结构的精准设计与合成外,框架核酸可以通过定价与定点分子修饰（如功能识别单元、荧光信号分子以及生物反应底物等）,实现对分子的精准空间重排。更重要的,基于框架核酸支架对识别分子精准排布,可有效提高生物分子信号转导。因此,框架核酸作为基底,广泛应用于分子识别探针的设计以及生物传感器的构建。本论文基于框架核酸对分子的精准排布作用,进一步结合框架核酸的拓扑与机械性质,提出了新的框架核酸分子识别探针的设计方案,提高其分子识别性能并用于构建高性能生物传感芯片,具体内容为:（1）基于框架核酸的代数拓扑性质,构建一系列拓扑核酸适体探针,实现了对细胞表面受体的有效识别,并成功用于细胞受体-配体结合强度的人工调控。通过框架核酸DNA纳米技术与适体的特异性识别结合,研究了框架核酸DNA纳米探针与细胞受体结合强度的定量关系。依托于我们的定量结果,构建了基于拓扑核酸适体的细胞分选体系。相较于传统抗体识别体系,框架核酸拓扑结构分选可以实现更高效,无损,简便的细胞亚型分选。这些探针在生物医学、生物技术、诊断和癌症治疗等领域显示出巨大的应用潜力。（2）受生物过程中对卷曲单链拉伸过程的启发,构建以四面体框架结构二聚体为基底的桥结构探针,充分利用框架核酸的力学性能,实现了对超长靶标二级结构优化。与电化学技术结合,构建双桥夹心结构、抗二级结构的生物传感平台,并成功用于新型冠状病毒生物标志物的检测,实现了单分子拷贝数的检出限以及5个数量级的检测范围。该探针有望用于基因组检测,病毒细菌感染以及疫情防控等领域。（3）利用四面体支架进行了等离子荧光增强效应的优化,构建了距离矫正等离子荧光芯片,并用于mi RNA的痕量检测。我们通过合成了一系列四面体框架结构作标尺,通过纳米级精度的距离调控,获得了最佳的等离子基底荧光增强。结合DNA杂交链反应,建立了低成本、高灵敏度、高选择性的mi RNA痕量检测芯片。在优化的四面体支架的距离矫正作用下,所构建的等离子荧光检测芯片具有更低的检出限（1 a M）,更宽的工作范围（8个数量级）以及区分单个碱基错配的高特异性。该荧光芯片可直接应用于复杂的生物样本分析,如细胞提取液以及异种移植瘤模型等。该四面体支架荧光芯片成功用于前列腺癌患者的血清中mi RNA的检测,并与Gleason评分的正向相关。该芯片在生物医学、生物技术、诊断和癌症治疗等领域的应用显示出巨大的潜力。