荧光生物传感器是一种将荧光和生物科学相结合的分析传感技术,因其操作简单、响应快速和特异性强等优点得到了众多关注,并在细胞成像领域中的应用奠定了基础。为了在复杂细胞环境中实现对微量目标物的灵敏检测,本论文以DNA纳米结构可灵活设计为基础,结合3D DNA步行机器信号放大策略,设计高灵敏的荧光生物传感器以实现活细胞中痕量目标物的灵敏检测及成像。具体工作如下:1三分子螺旋开关（THMS）触发的自供能3D DNA步行机器用于活细胞micro RNA（mi RNA-21）成像为了提高检测的效率及灵敏度,本章创新性地构建了一种由THMS构象转化激活的自供能3D DNA步行机器,作为活细胞中mi RNA-21成像的荧光生物传感器。当3D DNA步行机器通过胞吞作用进入细胞后,目标物mi RNA-21存在时会使THMS结构迅速解离,并激活3D DNA步行机器的运行。同时,FAM-DNA1自杂交成发夹,并在Mg2+辅助下,3D DNA步行机器能够自发运行并释放出大量标记FAM的DNA片段,从而导致两种荧光染料（FAM和TAMRA）接近,继而产生高效的荧光共振能量转移（FRET）现象。该巧妙的设计避免了从外部添加DNA燃料链或蛋白酶,使DNA步行机器能够在复杂的细胞环境中自动运转,成功简化了实验步骤并提高了检测效率。同时,该方法对活细胞中mi RNA-21的监测及可视化表现出超强的适用性,为评估细胞内mi RNA-21水平提供一种新选择。2光激活且位置可控的3D DNA步行机器用于活细胞中谷胱甘肽（GSH）的灵敏检测及成像基于上述实验,为了进一步简化DNA步行机器的装配时间并提高检测效率,在此利用DNA四面体的可灵活设计性、机械刚性及方向可控等优点,通过一步合成法构建了光激活且位置可控的3D DNA步行机器。当使用紫外照射含有断裂点（PC-linker）的S1时,其自发地断裂成一端可以自由移动地摆臂链,并激活步行机器的运行。随后,被激活的摆臂链相继地和固定在DNA四面体上的S2、S3结合,并在Mn2+的辅助下,3D DNA步行机器能够自发运行并释放出大量标记FAM的片段,从而达到信号放大的目的。该设计降低了分子之间的非特异性结合,免除了摆臂链和底物因相对位置的不确定而产生的无效碰撞,在提高检测灵敏度的基础上,提高了检测的准确性,并实现了反应效率的稳步提升。同时,该纳米探针能够成功用于活细胞内GSH的灵敏检测及成像,并实现了正常细胞和癌细胞的区分,在疾病的早期诊断中显示出巨大的潜力。