脱氧核糖核酸(DNA)具有良好的生物相容性和化学稳定性,易于进行化学修饰,其碱基序列的互补配对杂交具有高度的特异性和可设计性,因此,在生物传感以及纳米自组装等领域受到越来越多的关注并得到重要应用。本博士论文围绕与DNA相关的新型自组装模块的构建、杂交性能研究以及其分析应用等几个方面展开研究工作,具体如下：DNA功能化纳米粒子在纳米材料自组装,药物传递,化学与生物传感,以及生物成像等方面获得了重要应用。银纳米粒子由于其等离激子光学特性,拉曼增强活性、抗菌性能以及在纳米催化和金属团簇发光等方面的性质与应用,已经成为一种重要的金属纳米材料。然而,银纳米粒子相对较差的化学和胶体稳定性使得其稳定、可靠的DNA修饰成为一个难题。因此,发展一种简单、有效、可批量合成高稳定性银纳米粒子的方法,并探索其价态(粒子表面DNA分子数目)可控的DNA修饰,对于纳米粒子超结构的DNA程序化控制组装以及相关性能研究具有重要的意义。面向这一目标,我们以短片段鱼精DNA为模板合成出高度稳定的水溶性银纳米粒子,所得银纳米粒子平均直径为2nm,且粒径分布相对均匀。由于鱼精DNA的保护作用,这种银纳米粒子具有非常好的耐盐性,可以在3M醋酸钠溶液,或者300mM醋酸镁溶液中稳定存在,不发生聚集。这种优异的耐盐性对于基于DNA的纳米粒子自组装非常重要,这是因为复杂的DNA结构通常需要高盐浓度以保证其碱基配对足够稳定。更重要的是我们合成的这种银纳米粒子在琼脂糖凝胶电泳中呈现窄分布的单一样品条带,十分有利于通过凝胶电泳对其不同价态的DNA修饰产物进行分离与纯化。基于此,我们使用易得的具有单巯基末端的DNA序列,成功实现了银纳米粒子表面特定数目DNA分子的功能化,通过不同价态的修饰产物在琼脂糖凝胶电泳时电泳迁移率的显著差异,首次成功实现了离散型DNA功能化银纳米粒子的电泳分离与纯化,得到了一种新的DNA功能化纳米组装模块,为进一步研究其自组装性能与应用提供了可能性。本工作还通过对纯化的单一价态DNA修饰产物进行表征,清楚地揭示了使用多巯基修饰DNA对于形成稳定的银纳米粒子DNA修饰产物十分必要,这一结论对于进一步探索银纳米粒子的生物和化学功能化以及发展相关应用具有重要的指导意义。监测并调控DNA在纳米粒子表面的杂交动力学在生物传感,纳米材料组装等领域具有非常重要的意义。传统方法采用高密度修饰的金纳米粒子研究DNA在其表面的杂交动力学行为,这种研究手段具有一定的局限性。例如,高密度修饰方法只能控制纳米粒子表面的平均DNA覆盖率,而不能控制纳米粒子表面DNA分子的精确数目,且在测定DNA修饰密度时由于需要多步实验操作容易产生较大的误差。另一方面,DNA多功能化金纳米粒子彼此之间发生杂交反应时,其产物具有很宽的分布,且杂交过程涉及较多的物理和化学因素,不适合对杂交反应进行定量研究和理论处理。为此,我们提出使用DNA单功能化修饰的金纳米粒子来研究DNA在纳米粒子表面的杂交动力学。除上述原因外,DNA单功能化纳米粒子同时也是利用DNA程序化组装各种精确、复杂的纳米材料与纳米结构的重要构建单元,并且在化学和生物传感方面逐渐受到关注。因此,研究单功能化纳米粒子表面的DNA杂交动力学具有十分重要的意义。我们设计了四种不同的DNA序列并实现了它们在金纳米粒子表面的单功能化,采用凝胶电泳分析和表征单链修饰策略与部分双链修饰策略所对应的DNA单功能化金纳米粒子的杂交动力学行为及二者之间的差异。得益于这一研究体系所对应的杂交反应物和产物明确且单一,可以非常方便地采用二级化学反应动力学模型对所得数据进行拟合和处理,得到不同DNA序列在单功能化金纳米粒子表面的杂交反应速率常数。实验结果揭示了纳米粒子表面DNA杂交动力学的复杂性,证明了杂交反应具有十分明显的序列依赖性和温度依赖性。这一结论可以为科研工作者提供DNA自组装和DNA生物传感等方面的实验设计指导,并为今后研究其他DNA序列在纳米粒子表面的杂交动力学行为提供一种可供选用的理想方法。近年来在DNA纳米技术中发展起来的以种子DNA链为“引发剂”的DNA自组装过程得益于一种新型的亚稳态DNA自组装模块的出现,目前已被成功用于模仿动态的化学和生物过程,并且在DNA纳米机器方面也具有重要应用前景。这种特殊的DNA自组装过程(也称为DNA自聚合反应)已经被用于构建荧光DNA传感器,但在电化学传感器中的应用尚未见报道。基于此,我们将这种可在表面引发的DNA自组装过程用作DNA电化学传感器的信号放大手段,从而可避免电化学信号放大策略中通常涉及的酶分子或者纳米粒子,避免了纳米粒子和酶使用所引起的各种问题,如：蛋白与纳米粒子在电极表面吸附较强,酶价格昂贵且容易失活,纳米粒子在使用和存放过程中容易聚集等等。本工作设计的这种电化学信号放大策略,实现了一次目标分子杂交事件引发多个DNA单体发生聚合反应,大大提高了单个目标分子杂交所产生的电化学信号。另外,这种DNA自组装是由结合在电极表面的种子链引发的,因此,整个自组装过程都限定在异相电极-溶液界面处进行,而均相溶液中单体之间发生的不可控组装可以被避免。在非最优的条件下,实现了目标DNA序列4.9pM的检测限,与传统的未经放大的三明治结构DNA电化学传感器相比,检测限降低300多倍,并且具有很好的单碱基错配分辨能力。这种新型的信号放大策略也可以应用到其他生物大分子(如蛋白质)或者小分子的检测。