生物分析以研究生物分子含量、结构和功能为主要内容,是现代分析技术的重要组成部分。其中,生物传感器作为多学科交叉的生长点,涉及物理、化学、生命科学和信息科学等众多学科和技术,是进行生物分析的主要方法之一。基于准确、快速、操作简便以及能够重复使用等特点,生物传感器在分析化学、生命科学研究、临床分析与诊断、环境质量监测以及食品科学等众多领域都有着广泛的应用前景。本论文首先对生物传感器的概念、原理和分类进行了系统地概括,然后介绍了功能性核酸及信号放大技术的基本概念和分类,并探究了它们在生物分析领域的应用潜力。最后,以提高生物传感器的性能为目标,我们利用功能性核酸和信号放大技术的特点并借助双偏振干涉和电化学等技术的优势,构筑了更为灵敏、准确且多功能的新型生物传感器,具体工作内容如下:1.将镉离子（Cd2+）的核酸适配体与双偏振干涉技术（DPI）结合并采用层层组装的方法,我们构建了具有双层传感平台的镉离子适配体传感器,用于探究Cd2+与适配体之间的相互作用机制并对Cd2+定量检测。结合其它光谱表征方法（紫外-可见吸收光谱、圆二色光谱、傅里叶变换红外光谱）,我们揭示了Cd2+与适配体相互作用机制对Cd2+浓度的依赖性,以及相互作用过程中适配体的实时构象变化。根据实时质量结合曲线,我们对Cd2+进行了定量检测并计算出二者结合的动力学常数。结果显示,该传感器在Cd2+检测方面表现出较高的灵敏度、特异性、以及较好再生性。依此发展的新型传感平台具有简单、灵敏、可再生、多通道同时检测以及同时获得相互作用的动力学信息等优点。2.将转导发夹（THP）引入立足点介导的链取代反应（TSDR）形成三足DNAzyme步行器,我们首次构建了免标记、灵敏的电化学生物传感器用于目标核酸的检测。首先,电化学和DPI技术详细验证了该生物传感策略的可行性。该传感策略利用TSDR的循环扩增和具有高效催化能力的三足DNAzyme步行器实现对输入信号的放大,使传感器灵敏度显著提高,对目标miRNA-155的检测限低至0.27 fM。THP的精准设计和引入使该方法具有较高的特异性和通用性。针对不同核酸序列的检测,无需改变传感器主回路,只需重新设计THP的部分序列。此研究为核酸生物标志物的灵敏和特异性检测提供了一种简单有效的方法。3.将等温无酶的催化发夹自组装（CHA）、杂交链反应（HCR）以及铜基金属有机框架（Cu-MOFs）等信号放大方法相结合,我们建立了一种免标记、高灵敏的新型电化学生物传感器。该传感体系主要包括均相溶液的CHA过程和电极表面的HCR过程。其中,金纳米颗粒修饰的Cu-MOFs和参与HCR过程的DNA偶联,使得Cu-MOFs被引入HCR过程,最终大量的Cu-MOFs被固定在电极表面产生强的电化学信号。我们把基于核酸的等温无酶信号放大技术和基于纳米材料的信号放大技术巧妙地结合在一起,不仅实现了对输入信号的级联放大,还通过Cu-MOFs实现了对输出信号的放大。该传感器准确且灵敏地检测了 miRNA-21,检测限低至0.02 fM,并在实际应用中表现出潜能。4.基于细胞外DNA（血清、血浆等体液中游离的DNA）是某些疾病或者早期癌症诊断的重要标志物,我们将等温、无酶的动力学DNA自组装信号放大技术（CHA和HCR）与功能性核酸（金属离子依赖的DNAzyme、G四链体）偶联,构建了一种高灵敏、新型的电化学/荧光双模式生物传感器用于准确地检测目标DNA。该传感体系包括涉及了 Mg2+依赖的DNAzyme（Mg2+-DNAzyme）的CHA-HCR级联放大回路和电化学/荧光双信号读出机制。为了证明该传感策略的通用性和有效性,我们选择与microRNA等核酸生物标志物具有相似序列长度的任意DNA片段作为目标DNA。当目标DNA存在时,级联放大回路被启动,最终产生大量亚甲基蓝标记的电化学信号链以及荧光信号单元（硫代黄素T/G-四链体复合物）,二者同时输出强的电化学和荧光信号。Mg2+-DNAzyme涉及的CHA-HCR级联循环放大过程、DNA四面体（DTN）修饰电极以及硫代黄素T与G-四链体的特异性结合使该传感器的灵敏度和特异性显著提高。两种信号在DNA检测方面均表现出优异的性能。该传感策略两个独立的信号读出体系保证了检测的准确性,为构建更优分析性能的双模式传感器提供了新思路。