功能核酸是指具有特殊功能的核酸分子，一般来说包括两大类：一类是与抗体性质相似，能够与目标分子特异性结合的DNA/RNA，称为核酸适配体（Aptamer）[1]；另一类与蛋白酶催化活性类似的核酸分子，称为DNA酶（DNAzymes）[2-4]。功能核酸的出现突破了人们观念中核酸只能作为遗传物质和转运载体的认识，为科员人员的研究提供了新的平台。近年来，纳米材料由于其独特的光学和电化学性能，已成为当前研究的热点，得到越来越广泛的应用。尤其是，DNA本身也可以组装成纳米材料，为生命科学、材料科学、环境科学等领域带来前所未有的推动作用，因此备受广大科研工作者的关注。例如，DNA分子可以作为强大的合成积木单元用于纳米材料的组装。然而，传统的方法组装尺寸较大且复杂的DNA纳米结构需要大量的不同序列的DNA链，导致其设计过程复杂。大量的DNA需求量也会导致其准备过程过长。并且，在变性条件（如尿素，酶）下，以及极低浓度条件下，会伴随着DNA结构的解离。如何使用简便的方法合成稳定的DNA纳米材料仍是亟待解决的问题。同时，核酸的稳定性和适应性高，并可以快速的通过商业的DNA合成仪合成。鉴于纳米技术和功能核酸两者研究取得的巨大进步，本论文很自然地结合这两个领域，创造新的跨学科领域，合成新的DNA纳米结构，开发低成本、操作简便以及高灵敏的新型纳米生物传感技术，并成功实现抗癌药物的运输。其主要内容如下：第2章描述了一种基于DNA酶的酶联免疫（ELISA）法，称为DLISA，用于代替蛋白质酶用于ELISA的检测。这种三重扩增的DLISA平台运用分子信标体系和离子交换扩增反应，是一种可以替代经典ELISA的免疫测定法一般来说，ELISA使用一种酶，通常是过氧化物酶或碱性磷酸酶，催化底物转化成有色的或高荧光的产物从而进行定量分析。传统的ELISA是一种配体结合测定法，它需要在固体表面固定一个连接试剂，这个连接试剂需要使用蛋白质酶做为生物催化剂来达到信号放大的检测。然而，在一些苛刻的条件下，例如在高温或重金属离子（如汞）存在时，蛋白质酶的活性会发生不可逆的变性，导致ELISA在实际样品中的应用大大的降低。为了验证这个想法，人IgG同种型抗体和前列腺特异性抗原（PSA）作为模型抗原/抗体检测体系。所提出的DLISA免疫测定方法对人类IgG检测具有超高的灵敏度，检测下限为2fg/mL (3×10-17M)，这个灵敏度相当于在100μL体系样品中能够检测到1800个分子，这种DLISA检测方法比传统的ELISA或其他报道免疫测定方法的灵敏度高很多。DNA酶是源于自组合的寡核苷酸库体外筛选分离的核酸序列。相比于蛋白质，核酸的稳定性和适应性更高，并且它们可以通过市售的DNA合成仪容易的制备。此外，DNA酶的催化和裂解活性在溶液中进行。因此，在检测过程中，它不需要酶的固定，稳定性能够大大的提高。DLISA检测平台构建了传感阵列，可实现多个目标物的瞬时检测。以人IgG，兔IgG，鼠IgG作为目标分子，都得到了满意的实验结果，证明所提出的DLISA免疫测定法拥有多目标检测的能力。第3章基于双链DNA-铜纳米颗粒荧光探针，本文构建了一种非标记且高灵敏的生物传感器用于核酸酶活性的检测。当低浓度的Cu2+存在时，双链DNA能为铜纳米颗粒的形成提供模板，所合成的铜纳米颗粒具有较高的荧光；而单链DNA不能进行这个反应。利用这一特性用于核酸酶活性的检测。在实验中，以S1核酸酶为模型分析物，S1核酸酶是一种单链高度特异的核酸酶。当体系中S1核酸酶存在时，核酸酶会切割DNA成为短链DNA或单核苷酸，因此铜纳米颗粒不能形成，传感系统的荧光强度低。在最优的实验条件下，该传感器对S1核酸酶的检测下限为0.3U/mL。第4章在本章中，首次报道了将阳离子聚集态的苝（PDI）作为无标记的光谱猝灭剂。当它聚集在DNA时，PDI能够有效地猝灭DNA上标记的发射波长在可见光到近红外范围内的荧光基团的荧光，并且这种广谱猝灭剂可通过无标记的方式。基于聚集态的苝与外切酶Ⅲ辅助的目标循环放大相结合，本文构建了一个后添加、灵敏检测DNA的多目标检测分析平台。这种光谱猝灭剂不影响酶的活性。不论是后添加或前添加的方法法，该传感体系获得相同的对DNA检测的检测下限。此外，该传感体系具有较好的选择性。在均相溶液中，通过所提出的感测系统能够同时实现多目标DNA序列的分析。第5章基于大自然的启发，应用于生物医学领域。本章中，基于滚环复制反应(RCR)，本文提出了一种非经典的、自组装的DNA纳米花结构。这种DNA纳米花结构的自组装方法只需要两条DNA链，它的自组装通过液体结晶的方式，不依赖于Watson-Crick碱基配对，避免了传统DNA结构通过复杂设计来达到链间和链内的杂交而进行的自组装。调节滚环复制的时间可以控制DNA纳米花的尺寸从200纳米到4微米间变化，不同尺寸的DNA纳米花将使它的应用更为广泛。并且，DNA纳米花能抗酶降解，在低浓度，高温和尿素变性的条件下都能稳定的存在。DNA纳米花的高稳定性归因于它独特的性质：包括长链的、无缺口的DNA积木结构单元，DNA的密度凝聚，大量的链间和链内DNA结构单元的交织。高度稳定的DNA纳米花结构能够使它在复杂环境下广泛的应用，例如：临床诊断、生物医学和生物技术等。通过合理的设计，在DNA的自组装过程中，各种功能团分子能够嵌入DNA结构中。并且所合成的DNA纳米花可以进一步用于生物荧光成像、选择性的识别肿瘤细胞和靶向药物传递等。在第6章利用相似的原理，本文报导了一种基于滚环复制反应合成核酸适配体修饰的荧光能量共振转移的DNA纳米花的简便方法，并且将这种DNA纳米花应用于单一波长激发的多色成像和可跟踪的药物释放。三种荧光染料，荧光素FAM，花箐素染料Cy3和罗丹明ROX，通过化学方法修饰的脱氧核苷酸（FAM-dUTP，Cy3-dUTP和ROX-dUTP）嵌入到DNA纳米花中。在滚环复制的酶促反应中，可以改变荧光染料的比例调节荧光能量共振转移介导的荧光发射。在单一波长激发下，DNA纳米花能够显示出多个荧光发射光谱。与第5章类似，DNA纳米花自组装通过DNA液体结晶的方式，不依赖于Watson-Crick碱基配对，避免了传统DNA自组装结构需要的复杂设计来达到链间和链内的杂交。DNA纳米花大小分布均匀，具有很高的荧光强度和优异的耐光漂白性。结合可追踪靶向药物释放的能力，这种多色的DNA纳米花提供了一种新的荧光纳米粒子体系，在荧光多色成像，疾病诊疗和有效的药物筛查中有潜在的应用前景。