重金属离子由于生物不可降解与剧毒性对人类健康造成严重威胁,引起全世界人们的广泛关注。铅离子(Pb²⁺)、汞离子(Hg²⁺)和银离子（Ag⁺）是三种最普遍的污染物,即使低浓度的长期暴露也会对人体健康产生损伤,因此,构建新型高灵敏的重金属离子传感器具有重要的理论和现实意义。功能核酸具有选择性好、稳定性高、特异结合力强、生物相容性好、靶标范围广、可快速合成和易于修饰等优点,常作为识别元件来构建适用于复杂样品的生物传感器。脱氧核酶是一种经过体外筛选、人工合成的具有高效催化活性和结构识别能力的功能寡核苷酸片段。利用脱氧核酶对其辅助因子-重金属离子的高特异性识别,可以构建各种类型的重金属离子生物探针和传感器。目前,基于脱氧核酶重金属离子探针和生物传感器包括比色、荧光和电化学三种类型,其中,荧光和电化学研究最多。荧光核酸探针具有高灵敏度、高特异性、仪器操作简单、生物相容性好,对活细胞的损伤较小且能实现分辨成像等优势,多应用于活体成像和分析。DNA骨架的脱氧核酶荧光探针面对复杂多变的活体环境,会面临核酶的降解、蛋白的非特异性结合以及脱靶效应等问题,因此,对脱氧核酶的天然骨架进行适当的化学修饰将是解决上述问题的有效途径之一。电化学生物传感器具有成本低、高灵敏、易便携且电化学标记不易受检测环境影响等优点,通过信号放大提高此类传感器的灵敏度成为近年来的研究重点。针对基于脱氧核酶构建荧光探针和电化学生物传感器的上述瓶颈问题,本论文通过对GR-5脱氧核酶及其底物的3′和5′若干碱基骨架进行不同的化学修饰（硫代、2′-O-Methyl）,详细探讨化学修饰对GR-5脱氧核酶的催化活性、灵敏度及选择性的影响规律;研究其生物相容性、生物稳定性以及活体特异性等,为活体检测重金属离子。1.在第2章中,通过硫代修饰GR-5脱氧核酶构建一种高灵敏,生物稳定性好的荧光探针。该探针的熔链温度比GR-5脱氧核酶低5℃,降低了酶-底物复合物的稳定性,但并没有影响GR-5脱氧核酶的信噪比。骨架修饰改变了最佳检测条件,pH由原来的7.26变为8.0,Mg²⁺浓度由5 mM变为1 mM。在优化条件下,该荧光探针检测铅离子的线性范围为1⁵00 nM,检测限为0.3 nM（S/N=3）。PS GR-5DNAzyme能较好抵抗DNaseI的降解,耐降解时间长达72小时,具备了活体长期跟踪监测的生物稳定性。将该通过显微注射于青鳉胚胎细胞,成功应用于活体检测Pb²⁺。2.在第3章中,通过2′-O-Methyl修饰GR-5脱氧核酶构建一种高稳定,高灵敏的荧光传感器探针。2′-O-Methyl修饰GR-5脱氧核酶-底物复合物的熔链温度升高13℃,一定程度降低了信噪比,没有改变检测的最佳条件;不仅耐DNaseI降解,也可以在10%的FBS中保持较好的生物稳定性。该荧光探针的线性检测范围为1³00 nM,检测限为0.5 nM（S/N=3）。通过2′-O-Methyl修饰后的脱氧核酶探针具有较强的抗酶降解的特性,成功应用于青鳉胚胎细胞中外源Pb²⁺检测。3.在第4章以Pb²⁺-特异性脱氧核酶-底物复合物（GR-5）为识别元件,6-（二茂铁基）己硫醇（FcHT）为电子媒介体,构建了一种高选择性和高灵敏的铅离子电化学生物传感器。其中,FcHT作为电子媒介体激活了FcHT/HRP/H₂O₂整个催化循环,将电化学信号放大了近一个数量级,大大提高了该传感器的灵敏度。该传感器具有高灵敏度、较宽的线性范围（0.1¹000 nM）、低检测限（0.03 nM）（S/N=3）。该传感器成功应用于实际自来水样中Pb²⁺检测,其测定结果与传统的ICP-MS法比较相符。