生命科学技术的发展与生活中的疾病诊断治疗、食品品质安全及环境卫生等领域息息相关,如何利用生命科学技术来提高“生活质量”是全球研究工作亟待解决的问题之一。生物传感器技术是非常活跃的多学科领域交叉分析技术,可用于连续、快速和灵敏地监控这些领域的关键参数。纳米材料与技术的发展赋予生物传感器独特的光学性质和机械稳定性等优势,为研究者们在分子水平上更加深入地探索生物传感器。近年来,生物传感器与核酸信号放大技术和DNA纳米结构自组装技术相结合,为细胞内的检测提供了有效策略,推动了生物传感器在复杂生物环境中的发展。本文结合核酸等温无酶信号放大技术和DNA纳米结构自组装方法,建立了肿瘤相关mRNA和pH的荧光生物传感新方法,实现了活细胞内目标分析物的检测与成像。具体研究内容如下:一、催化发夹组装DNA探针用于活细胞内肿瘤相关的mRNA成像信使RNA(mRNA)是一种低丰度的疾病早期诊断生物标志物,在生命过程中扮演着重要角色。mRNA的表达水平能够为医学诊断提供有价值的信息,因此发展活细胞内快速准确检测分析mRNA的策略十分必要。在第2章中,我们设计了一种无酶信号放大的生物传感平台,利用催化发夹组装技术(catalytic hairpin assembly,CHA)进行荧光信号增强,实现了活细胞中肿瘤相关的mRNA成像检测。基于CHA的生物传感器主要依赖于H1和H2两个发夹探针。H1与mRNA杂交互补的碱基序列修饰有荧光团和猝灭团。当体系中不存在目标mRNA时,发夹由于自身碱基序列杂交成环而保持稳定的结构存在于溶液中,荧光被有效猝灭。一旦体系中出现目标mRNA,可引发两个发夹探针杂交组装,产生CHA放大反应,恢复荧光。当两个发夹进入活细胞,细胞内所含有的低丰度目标mRNA激活CHA反应,产生多个双链产物以响应单个mRNA,在活细胞内进行mRNA的检测与成像。因此这种基于CHA信号放大的生物传感器可作为疾病早期诊断的有效工具。二、DNA纳米探针用于活细胞成像pH是生命体的重要生理参数,与各种细胞事件和生命活动密切相关。pH的微弱变化会对生命进程中的新陈代谢活动产生巨大的影响,不仅会打破体内稳态平衡,还会引起生理活动失常。为解决这一问题,在第3章中,我们发展了一种可逆的刺激响应型DNA纳米探针,用于细胞内pH成像。DNA纳米探针生物传感器由两种Y形DNA双链组装模块(Ya和Yb)和一种线性DNA linker双链的连接模块(linker)构成。其中,linker含有猝灭剂标记的i-motif链和对应的互补链,互补链则用荧光团标记。弱酸条件下,i-motif链折叠成C四链体,从DNA纳米结构骨架上分离,荧光恢复,处于“信号打开”的状态;当体系处于弱碱性条件时,linker不会发生构象变化,且保持着刚性的双链螺旋结构,因而具有完整的DNA纳米结构,此时荧光团和猝灭团由于紧密邻近,荧光被有效猝灭,DNA纳米探针可以快速响应pH波动。这种设计赋予DNA纳米探针高灵敏的局部荧光响应,而且DNA纳米探针在生理pH范围内表现出可逆的动态响应,显示了其在体外检测和活细胞成像方面的优势。因此基于DNA纳米探针的生物传感平台在pH相关的疾病诊断、药物控释体系及其他领域有着巨大的潜力。