20世纪90年,纳米技术作为一门快速发展的新兴热点技术,在化学与生物学等交叉领域展现出了巨大的应用潜力。作为纳米技术的核心,功能纳米材料由于其独有的电学、化学、磁学及力学特性,为复杂的生物学研究提供了简洁的途径,解决了很多用传统的生物学方法难以企及的难题。通过将纳米材料应用到生物传感器中,形成了一种涉及生物学、化学、纳米科学等多学科交叉领域的纳米生物传感器,极大地促进了各种新型检测机理和传感机制的生物传感器的开发及其在疾病的诊断与治疗中的应用。同时,这些高选择性、高灵敏度、快速响应、低检测成本且易于操作的新型生物传感器的出现,也反过来推动了生物医学、生物化学、纳米科学和生命科学等各类学科的快速发展。本论文基于功能纳米材料及功能核酸放大策略开发了几种新型的生物传感方法,实现对无机焦磷酸酶活性、不同细胞内端粒酶活性、细胞及活体内microRNA的检测以及活细胞内的基因编辑研究,同时实现了对癌症等重大疾病的传感检测、活细胞及活体内的成像诊断以及通过基因编辑技术达到的疾病治疗。本论文具体研究内容如下:端粒酶（Telomerase）是一种特殊的逆转录酶,可通过利用其模板链引物（TS引物）将重复序列（TTAGGG）延长至端粒末端。到目前为止,多项研究表明端粒酶在介导多种生理过程中发挥着重要的作用,包括调节细胞生长、衰老以及致癌作用。通常,在正常细胞中,端粒酶活性会被有效地抑制;然而,几乎在所有的癌细胞中,端粒酶的活性处于被激活的状态,因此,端粒酶作为一种重要且可靠的肿瘤标志物,其活性的有效检测和原位监测对肿瘤的早期诊断以及更深入地理解疾病机制等生物医学类研究具有重大意义。第2章中,采用杂交链组装（Hybridization Chain Assembly）作为一种新型的DNA自组装技术,通过无酶核酸聚合的方式产生多价功能配体修饰的长链产物,并以此作为载体,通过肿瘤靶向作用携带着端粒引物序列和信号功能发夹进入细胞。在端粒酶的作用下,端粒引物序列被延长,产生与信号功能发夹环状区互补的端粒重复序列,使得信号功能发夹在原位上被逐渐打开,从而沿着长链DNA聚合物产生连续荧光信号。实验结果表明,所建立的方法能特异性地检测肿瘤细胞内的端粒酶活性,动态监测端粒酶在其抑制剂作用下的活性变化,以及有效地区分癌细胞和正常细胞。该新型策略为活细胞中端粒酶活性监测提供了一种有价值的工具,对生物医学和肿瘤的早期诊断具有重要的研究意义。癌症相关生物标志物相对表达水平的活体分子生物成像正迅速成为准确诊断疾病的有力手段。研发非侵入性成像探针对特定的生物标志物进行活体检测对癌症诊断是非常必要的。然而,在癌症的发病和发展过程中,动态生命系统的复杂性使得癌症相关的生物标志物在体内很难被跟踪和可视化,尤其是表达水平较低的生物标志物,因为他们输出的信号往往不足以被检测到。我们可以通过将各种目标包括RNA,小分子和蛋白质等生物标志物的检测转换成可以放大的核酸的检测,以此实现响应信号的高灵敏检测。在第3章节中,我们设计了一种新型的纳米平台,该平台可以在原位自组装DNA聚合物上进行催化杂交级联反应,从而实现快速且高灵敏的体内肿瘤靶向miRNA成像。结果表明,在有限而紧凑的空间下（即有限扩散）,DNA探针之间的级联会得到有效地速进,从而减少反应时间并提高灵敏度。当应用于体内肿瘤靶向miRNA成像时,可以在小鼠的MCF-7肿瘤位点快速实现荧光信号放大。与传统的催化发夹组装（CHA）相比,我们的方法可以大大减少响应时间且显著增强图像对比度。该设计可广泛应用于其他癌细胞特异性DNA探针在癌症的活体分子成像。CRISPR/Cas9体系是由规则间隔短回文重复序列（CRISPR）和CRISPR相关蛋白Cas9构成,它是一种有前景的基因组编辑技术,为遗传疾病及其他重大疾病提供了革命性的解决方案。基于CRISPR/cas9的基因编辑通常使用单向导RNA（sgRNA）来定位具有原型间隔序列毗邻区双链DNA序列（PAM,一段短的DNA碱基序列,其形式为5’-NGG-3’,其中N=任何DNA碱基）,随后与Cas9蛋白共同作用在基因组上引起双链断裂,从而达到基因编辑的效果。第4章节中,我们首次报道了一种DNAzyme控制的编辑系统,通过将负载Cas9/sgRNA的链霉亲和素（SA）蛋白支架纳米组装体和DNAzyme结合,使Cas9蛋白和sgRNA可调控地运输到细胞核中进行基因编辑。结果表明,SA作为支架的DNA纳米组装体通过内吞作用途径能够将Cas9蛋白和sgRNA高效地传递到细胞质中,随后进行溶酶体逃逸,同时由DNAzme调控释放并转运至细胞核,引起活细胞内高效的基因组编辑。这项工作可能为通过精确设计的生物相容性的SA支架CRISPR-Cas9纳米组装体用于特别改进的基因材料的传递提供了一条新途径。无机焦磷酸酶（PPase;简称为焦磷酸酶）是一种普遍存在的酶,在控制焦磷酸盐（PPi）在细胞内的水平上起着关键作用。而且,PPase已被证实与磷代谢、碳水化合物的代谢以及进化有关,在细胞的整个生长和分化过程中也起着举足轻重的作用。另外,PPase水平控制与一些严重疾病有关,如甲状腺功能亢进、肺腺癌和结肠癌等。因此,对PPase活性的分析具有根本上的重要性和意义。第5章中,我们提出了一种基于石墨烯量子点（GQDs）的分解和聚集的新型荧光测定方法,用于简单、高灵敏度且特异性地检测PPase的活性。该方法依赖于我们的新发现,羧基修饰的GQDs通过与Cu²⁺协调作用可以组装为大聚集体,而随着PPi的加入,它可以将形成的大聚集体反向解聚重新得到分散的GQDs。通过Cu²⁺和PPi在GQDs聚合和分解过程中对荧光信号的可逆调制,可以实现对PPase的灵敏检测。在Cu²⁺存在的条件下,由于Cu²⁺和羧基之间的交联配位,使得GQDs组装成大的聚集体,由于GQDs之间的自猝灭,导致了大量的荧光猝灭现象。加入PPi后,导致PPi与GQDs对Cu²⁺的竞争,由于PPi和Cu²⁺之间的强烈相互作用,诱导了GQDs的解聚分散,从而恢复了GQDs的荧光。在活性焦磷酸酶的存在下,PPi会被催化水解为磷酸盐,从而释放出Cu²⁺,介导GQDs重新聚集,使得信号荧光猝灭。而在F^-的存在下,PPase的活性会受到抑制。因此,PPase对荧光响应信号的调节为PPase的活性或抑制作用提供了一种新的定量方法。