恶性肿瘤即癌症是严重威胁人类健康的主要疾病之一,发病率逐年上升,并且死亡率极高。因此,癌症的早期诊断与治疗是延长患者的存活时间和提高生活质量的关键。由于肿瘤成因和发生、发展的复杂性,通过对肿瘤标志物的高灵敏检测有望大大提高肿瘤早期诊断的准确率。因此,本文研制可以检测特异性基因(DNA)、miR-21(micro-RNA)、腺苷(小分子)等不同类型肿瘤标志物的高灵敏光学和电化学检测系统,希望为研究这些标志物对判断肿瘤发生和发展的响应性以及多元标志物之间的相互关联情况提供研究基础。第一章基于硫黄素T和G-四倍体构建一种无酶循环信号放大技术的非标记型荧光传感器,用于肝癌相关基因短片段的检测。设计含有特定碱基序列的发夹DNA探针,该探针与目标DNA杂交后产生循环过程,释放出信号探针。信号探针折叠形成的G-四倍体结构在一价离子的存在下与硫黄素T(THT)配位,使THT荧光增强。通过记录加入目标DNA前后体系荧光信号的变化,实现对肝癌相关基因短片段的检测。在最佳条件下,目标DNA浓度在10 fM~350 fM范围内,485 nm处的荧光强度与其浓度呈良好的线性关系,检测限达2 fM。第二章基于适体探针(Aptamer probes,AP)和发卡探针(Hairpin probes,HP)在腺苷(Adenosine,AD)存在时的新型结合模式来构建一种非标记型电化学阻抗传感器。固定在电极表面的AP在腺苷存在时会折叠成发夹结构,其发夹的环部与HP的环部部分互补杂交,二者通过环环相互作用(类似人类“亲吻”行为)形成一个“亲吻型适配体复合物”,由于复合物的空间位阻作用,使得电极的阻抗信号明显变大。相反,腺苷不存在时,AP呈舒展状态,无法与HP结合成稳定的“亲吻”结构,电极的阻抗信号没有明显变化,以电子传递电阻值作为响应信号来检测腺苷。最佳条件下,腺苷浓度在5 nM~1000 nM范围内,电阻值与其浓度对数呈良好的线性关系,检测限达0.6 nM。另外,该传感器具有良好的选择性,鸟苷、胞苷、尿苷不会影响腺苷的检测,有望应用于临床实际样本中腺苷的检测。第三章基于磁珠(Magnetic beads,MBs)和双链特异性核酸酶(Duplex-specific nuclease,DSN)辅助目标循环,建立一种信号增强型荧光生物传感器用于microRNA-21(mi R-2)的检测。当mi R-21存在时,捕获探针(Capture probes,Cps)与其杂交形成DNA/RNA双螺旋结构,DSN能特异性水解杂合双链中的DNA,同时释放出荧光标记片段和完整的miR-21。被释放出来的miR-21与另一Cp再次杂交并被DSN酶切,如此循环,从而实现恒温条件下一个mi R-21与多个Cps杂交、酶切,释放出大量的荧光标记片段的循环过程。最佳条件下,mi R-21浓度在100 fM~5×104 fM范围内,荧光强度与其浓度呈良好的线性关系,检测限达80 fM。第四章虽然第三章所构建的传感器相比其他基于DSN的方法灵敏度有了很大提高,但是该方法需要标记,导致较高的背景信号,灵敏度仍不够理想,不能用于实际生物样本的检测。因此,我们在第三章的基础上引入Tb3+,利用单链DNA可以显著增强Tb3+的荧光强度,建立一个新型的非标记型的荧光生物传感器,解决了由于标记所引起的背景信号高及成本高等缺点,并提高了灵敏度。在最佳实验条件下,miR-21浓度在50 fM~1 pM范围内,荧光强度与其浓度呈良好的线性关系,检测限达8 fM。另外,该传感器具有良好的选择性,甚至可以识别单碱基错配的靶miRNA,并成功应用于乳腺癌患者细胞裂解液miR-21的检测,有望为癌症早期诊断提供新思路。