作为全球高发疾病之一,癌症已成为全球健康问题的关注焦点。为了提高癌症的可控性,降低死亡率,通常需要尽早发现和准确诊断。根据已有的研究发现,一些癌症标志物常常可以指示癌症的早期发现、肿瘤分类及分期等状况乃至对癌症治疗过程进行风险评估。鉴于此,临床上急需开发简便、高效、灵敏、准确检测癌症标志物的方法。纳米生物传感技术作为一种基于功能化纳米材料的生物传感技术,不仅可以在传感器的基础上,出色地完成诸如生物小分子、多肽、蛋白、核酸等多种癌症标志物的检测任务,还可以直接进入细胞或活体,对活体内的标志物进行实时监控甚至对病灶精准给药。纳米生物传感技术克服了活体内癌症标志物的检测难度,促进了癌症的个性化治疗。本论文通过对多种纳米材料功能化并将其与等温核酸放大方法结合开发了几种新型的纳米生物传感器,实现对前列腺特异性抗原（PSA）、细胞内micro RNA及不同细胞内脱嘌呤/嘧啶核酸内切酶（APE1）活性的检测,同时实现了对活细胞内的癌症标志物成像分析,为癌症的早期诊断提供了新的示例。本论文具体研究内容如下:PSA是临床应用中诊断前列腺癌的首选检测标志物,对前列腺癌的诊断、疗效观察及预后监测具有十分重要的意义和作用。目前临床上对其检测多为传统的非均相免疫方法,检测步骤繁复,耗时过长,不利于疾病的即时诊断。因此,开发简便灵敏的检测方法具有重要意义。在第2章中,我们研发了上转换纳米极光,一种新的均相免疫分析方法,可以单步,超灵敏地检测蛋白生物标志物。该方法包含两种设计巧妙的抗体修饰的上转化纳米颗粒（UCNP）探针:在近红外激发下可以有效生成单线态氧（~1O2）的激发UCNPs,以及原本被淬灭基团包覆荧光淬灭,但经过~1O2的刺激可以切断淬灭基团恢复荧光的报告UCNPs。在目标的介导下,这两个探针之间会形成夹心复合物,在980 nm的近红外光激发下,夹心复合物中的激发UCNPs可以有效的产生~1O2并扩散到报告UCNPs并将其荧光从淬灭剂中解锁出来,从而实现特异性检测。通过发光强度的检测或通过数字成像模式对发光点进行计数的方法,对肿瘤标志物PSA进行定分析。该方法具有信背比高,动态范围广和检测限低的优点,特别是使用数字成像格式。这种方法可能为开发易用和超灵敏的生物标志物诊断工具提供一个范例。DNA四面体是一种新型的DNA纳米结构,由于其独一无二的内源性,它具有优于其他纳米粒子的生物相容性和生物稳定性。自被报道以来,DNA四面体已经广泛应用于活细胞内的药物输送、生物传感和基因调节等领域研究。在第3章中我们利用DNA四面体及Y形DNA构建了一种三维（3D）DNA纳米探针——DNA“纳米耀斑”（DNF）,DNF综合了DNA四面体及Y形DNA的所有末端,最多可以同时运送八个检测探针进入细胞,负载能力较普通的DNA四面体和Y形DNA支架都要有所提高。在探针表面有两组由荧光链（F链）和淬灭链（Q链）杂交而成的双链DNA荧光探针,DNF将双链DNA探针输送到细胞中,其中的目标mi RNAs通过链置换将F链置换下来,使体系荧光恢复,在细胞中形成“纳米耀斑”。我们构建的这种多通路“纳米耀斑”可以快速且灵敏地对细胞内多种肿瘤靶向mi RNAs同时进行成像分析,具有诊断癌症及指导癌症治疗的潜力。癌症标志物的检测往往也包括一些低丰度的目标,它们在细胞中的低表达将导致癌症的发生。对于这类目标,普通的检测方法由于灵敏度不够无法对其进行实时有效的检测,因此需要开发灵敏度高的检测方法。杂交链式反应（HCR）是一种简单高效的核酸等温信号放大技术,可以提高检测灵敏度。第4章节中,我们开发了一种结构明确的三维（3D）DNA纳米结构,并在活细胞中实现了交叉式杂交链式反应（C-HCR）,用于多种mi RNAs的信号放大和荧光成像。这种3D DNA纳米结构制备方式很简单,只需将单链寡核苷酸退火即可形成一个DNA四面体,随后利用Y形DNA在四面体每个顶点携带一对发夹探针形成TYH探针。该DNA纳米结构可以高效地将DNA探针输入细胞,并通过目标mi RNA特异地引发细胞内C-HCR,从而产生荧光信号。这种传感器提供了高效的细胞内信号放大,并可以实现多种mi RNAs同时超灵敏荧光成像。由于DNA纳米结构负载的发夹探针之间距离较近,大大提高了发夹之间碰撞频率,使得TYH-HCR比标准的HCR反应效率更高,缩短了反应时间,提高了检测灵敏度。我们开发的TYH纳米结构可以为低丰度和多重生物标志物的同时检测和成像提供一个有用的平台,也可以用于细胞生物学和诊断。APE1在细胞内碱基切除修复（BER）通路中起着关键作用,可以维持受损DNA基因组的稳定性。此外,它还参与调节细胞对氧化应激条件的反应。而APE1的异常表达/定位往往与肿瘤有关。因此,对APE1活性的成像分析对于理解复杂细胞内环境下的BER过程以及BER相关药物的筛选至关重要。第5章中,我们发展了一种新的随机双足DNA机器人,并首次利用它对细胞内BER过程进行荧光成像分析。在我们的设计中,机器人的双足催化链是由BER过程中的重要物质——APE1在细胞内环境中切割脱碱基位点产生的,且该催化链可以通过催化发夹组装（CHA）在球核酸（SNA）表面自主行进。我们的纳米机器人比传统的单脚机器人性能更好,具体表现为灵敏度更高、反应动力学更快和行走步数更多。此外,双足DNA机器人能够通过细胞内荧光信号的强弱判断APE1活性的高低,而单脚机器人无法实现,这表明双足DNA机器人在细胞中的灵敏度也比单脚机器人要高。这种双催化链驱动的双足DNA纳米机器人提出了一种简单且标准化的扩增机制,可以应用于细胞内低丰度癌症标志物的定性与定量检测,为癌症的准确识别和有效治疗提供了一个宝贵的平台。