随着生物技术的发展,DNA的序列信息不但是医疗诊断的靶点,而且能够做为数据信息的载体,在合成生物领域具有重要的作用。链置换反应具有设计灵活、操作简易、成本低等优势,在病原核酸的即时检测、生物计算及存储等医疗诊断、合成生物技术领域具有很好的应用前景。然而,基于链置换反应在应用于生物传感以及DNA文库的扩增方面仍然存在很大的不足,例如在无细胞DNA（cf DNA）的特异性识别以及DNA文库扩增方面缺乏系统的研究,包括识别的特异性和灵敏度、以及扩增的偏好性和错误率等问题。本文研究了链置换反应的灵敏度、精准度等生化分子机理及特性,设计了链置换探针;同时构建了适用于DNA文库恒温扩增反应,促使DNA材料更好地应用于生物传感和DNA信息存储。通过将toehold引入锁式探针技术构建toehold辅助的锁式探针的新型传感系统,用于ct DNA的精准分型。该系统包括锁式探针和一条阻遏链,通过调整阻遏链和锁式探针的toehold区域,实现了对该传感系统的全新的可控性,抑制了85%的交叉连接、促进了靶标循环、实现了在平均只有29 nt的序列窗口内进行低至0.1%单碱基变异的检测。同时,将dd NTPs引入不平衡PCR体系开发了单引物dd NTPs介导的不对称PCR扩增系统,该富集方法结合toehold辅助的锁式探针可显著提高cf DNA的基因分型,其检测到的突变频率是传统方法的2倍。同时,利用酶介导的链置换扩增技术构建低能耗、低序列偏好性的DNA恒温扩增反应,实现了MB级别数字信息的实用DNA分子存储,这是首次将恒温扩增技术应用于DNA信息存储。i DR实现以可控的方式产生单链或双链DNA产物,且产物的5’端携带磷酸基团。相比传统方法,恒温的扩增方式可节约98%的能源以及降低80%的深度错误。经过10次重复扩增后,相比传统的方法,i DR实现成功解码所需的测序资源减少了70倍。同时,基于“条形码”策略开发了一种经济高效且可扩展的DNA文库均一化方法,DNA文库的均一化结合i DR方法实现了对大型DNA文库更完美的操纵,可节省数百倍的测序资源。综上,本研究基于链置换反应,构建了核酸分子的特异性识别系统和大型DNA文库的富集方法,促进DNA材料在生物传感和信息存储中的应用。