本论文以G-四极子增强比色和荧光信号为基本信号报告装置，结合脚链介导的DNA链置换技术设计开发了一系列生物传感器和DNA逻辑计算体系。具体主要包括以下几方面的研究内容:　　(1)分裂G-四极子增强原卟啉(PPIX)荧光发射强度的研究。首先基于分裂G-四极子对PPIX的荧光增强作用受其两个富G片段间距离的直接影响，我们开发了一种分子测量工具，可以对DNA两段特定序列间，精确到个位数级别的碱基间隔数进行测定。其次，我们以T30695为模板，对其中12个G碱基按照不同比例进行切分，并详细对比了不同切分方式下的分裂G-四极子和PPIX作用的荧光发射情况，结果发现4∶8切分要优于大家经常使用的3∶9和6∶6切分。这项研究为大家在分裂G-四极子设计时提供了一种新的更佳的切分模式，而且加深了大家对分裂G-四极子的切分和形成的认识。　　(2)我们研究了G-四极子对银纳米簇的荧光增强作用，通过实验证明了T30695、AS1411和TBA等G-四极子也能有效增强银簇荧光，并尝试了其在生物成像中的应用。　　(3)非四极子富G序列DNA增强硫磺色素T(ThT)的荧光现象的发现和作用机理探究。我们首次观察到5端带有TG两个碱基的交替重复GA序列可以非常有效地增强ThT的荧光发射强度，并通过荧光、紫外、电泳、pyrene标记、CD等一系列技术手段探明了其作用机理。这一机制可用于金属离子检测方法和免标记荧光探针的开发。　　(4)比色DNA逻辑体系的构建。通过对分裂G-四极子结合血红素形成的DNAzyme的调控，我们构建了一种比色多位DNA密码锁体系和一系列比色DNA逻辑门。在多位密码锁中，我们利用分裂四极子DNAzyme催化变色产生信号，以银微球为载体并利用其进行分离，最终实现了多位DNA输入次序决定的变色反应。在比色逻辑门的构建中，我们以分裂G-四极子DNAzyme结构的形成和解离为基础建立了一种新型的分子催化信标，并由此设计的一系列免标记比色逻辑门(NOT, NOR，IMPLICATION，AND，OR和INHIBIT)。　　(5) DNA逻辑电路和传感平台的构建。首先我们建造了一系列无标记的DNA荧光逻辑门（包括YES，NOZOR，AND，INHIBIT, IMPLICATION和NAND门），然后利用脚链介导的DNA链置换反应，将它们串联成了电路，并利用该电路实现了对模型药物PPIX的可控释放。随后，我们设计开发了一种新型的DNA四通结结构驱动的链置换反应。在该模式中，不同的功能区域分布在四链结构的不同支链上，胶连链将他们重新组合灵活地构建成各个逻辑门。基于这一反应机制，通过将三个AND门和一个OR门的连接，我们设计构造了一个多数表决DNA逻辑电路。这是一次通过组合逻辑门构成电路并实现既定功能的成功尝试。最后，通过基于DNA链置换的逻辑体系与适配体技术的结合，我们又构建了两种以小分子目标物作为输入信号的DNA逻辑电路，同时它们也是两种适配体传感平台。适配体在DNA逻辑体系设计中的引入，使得逻辑电路的输出信号可以被小分子目标物所调控，扩宽了DNA逻辑体系可接收的输入信号的范围，这对于DNA逻辑计算体系在更广范围的应用是非常有意义的。