功能DNA主要包括催化细胞内化学反应的脱氧核酶(DNAzymes)以及特异性靶向结合配体的核酸适配体(aptamers)。功能DNA经过不同的修饰可用于生物传感,细胞成像和治疗。近年来,功能DNA在生物医学上的发展面临一些挑战,比如细胞摄取率低,快速被核酸酶降解以及假阳性信号的产生。为了克服这些缺陷,诸如金属、碳和上转换发光纳米粒子或纳米囊泡等其他纳米材料被用于运输和协助功能DNA。纳米材料可以根据需求设计合成不同的尺寸和形状,且它们拥有独特的化学和物理性质,既可以作为DNA的运载体,也是优秀的信号体、传感器和放大器。本论文将功能DNA与纳米材料结合用于细胞成像和生物传感,扩大了二者在生物医学领域中的应用。在第二章中设计了一种简单而通用的方法用于上转换纳米粒子(UCNPs)的转相,用核酸适配体修饰的DNA四面体纳米结构作为相转换试剂,在对疏水性上转换纳米粒子进行相转换的同时也将其进行了表面生物功能化。四面体的其中三个顶点修饰羧基基团,另一个顶点修饰一段适配体AS1411,该适配体可以特异性结合核仁蛋白并在肿瘤细胞的原生质膜上过量表达。不仅如此,在四面体DNA上结合适配体增加了 UCNPs的靶向能力且提高了被细胞摄取的能力。转相后的UCNPs具有亲水性能,并对癌细胞具有选择性,因此可用于生物成像。鉴于这些优点,本章所设计的相转换和表面修饰功能化方法有望扩展疏水性纳米粒子在生物分析以及生物医学上的应用。第三章中,发展了一种选择渗透性的聚甲基丙烯酸(PMA)纳米囊泡来封装功能DNA用于活细胞中ATP的生物传感。功能DNA高浓度聚集在纳米囊泡中,可以增加其在体外的反应速率。通过内吞作用,PMA纳米囊泡的存在可以保护DNA结构不被破坏。更重要的是,选择性渗透允许目标小分子自由扩散通过囊泡壳,但会限制生物大分子的扩散,比如核酸酶以及非特异性蛋白质,从而减少假阳性信号的产生,增强检测的准确性。不仅如此,纳米囊泡具有很好的生物相容性和可生物降解能力。鉴于这些优点,PMA纳米囊泡有望在生物化学和生物传感领域得到广泛应用。