手性是自然界的基本属性之一,构成生命体的生物大分子大多是以手性小分子为基元构成的。因此,生命体内的绝大多数生理和生物行为都与分子手性息息相关。为了探索生命体内手性选择性的奥秘,揭示自然界中手性现象的本质,本论文将生物大分子的自身属性——手性与自然界的普遍现象——核酸自组装有机结合,研究分子手性对核酸自组装的调控作用,并应用于生物传感器中,探索分子手性对特定目标分子检测性能的调控(包括检测限、灵敏度和线性范围等),为开发新型纳米生物材料和器件开启新的方向,并为临床疾病的早期诊断提供新的思路。本论文的主要内容包括四个方面：(1)以巯基和亚甲基蓝修饰的DNA为模型分子,探讨其在N-异丁酰基-D(L)-半胱氨酸(NIBC)修饰的金表面的组装行为,由于L-NIBC修饰表面对DNA有更强的吸附作用导致亚甲基蓝离金表面距离更近,所以其在L-表面的峰电流比对应的D-表面的峰电流大。进一步地,在手性表面引入与模型分子互补的核酸分子,通过方波伏安法(SWV)、石英晶体微天平(QCM)和电化学阻抗谱(EIS)等手段研究了表面手性对DNA杂交效率的调控作用。结果表明D-表面的杂交效率比L-表面的杂交效率高,并实现了分子手性对灵敏度的调控。此外,将该体系引入到复杂基质中,以满足复杂生物样品测试的需求,为临床诊断、基因治疗及相关领域研究提供帮助,并有助于更深层次理解自然界中手性现象的本质。(2)将具有信号放大机制的“三明治”结构DNA与手性分子有机结合,以电化学生物传感器为平台,探索分子手性对“传统三明治”和“超级三明治”结构DNA检测效率的调控作用。结果表明,D-NIBC构筑的“超级三明治”结构DNA的检测效率比L-NIBC构筑的“超级三明治”结构DNA的检测效率更强,检测限相差2个数量级。该体系通过“超级三明治”结构DNA不仅放大了分子手性对杂交效率的调控能力,而且不同手性分子修饰的“超级三明治”结构对“传统三明治”结构检测核酸时的信号放大能力差异显著,即使在复杂生物体系中检测效率的差异仍然存在。证明了手性有望成为核酸杂交调控的新手段,并为进一步揭示生命体手性选择性的奥秘开启新的方向。(3)研究了分子手性诱导的DNA探针用于超灵敏单核苷核苷酸多态性(SNP)分析。在检测完全互补靶分子时,L-色氨酸孵育的传感器比对应的D-色氨酸孵育传感器的检测效率低,且二者检测效率的差异较大：而在检测单碱基错配靶分子时二者检测效率的差异不显著。利用手性传感器检测效率差异的不同,实现了高灵敏的SNP分析,SNP检测的区分因子中值为7.21。此外，我们还通过“超级三明治”结构进一步提升了特异性,区分因子的中值增加到38.71,“超级三明治”结构不仅改善了灵敏度,还提高了特异性。手性是生命体系中最重要的生化属性之一,因此该成果将有助于发展新的生物器件,并对复杂体系中的临床诊断提供新的方法和思路。(4)利用碱基错配的原理设计了不同亲和力的双链探针,并调控了ATP适配体传感器的线性范围。通过共组装不同亲和力的双标记双链探针,成功实现了线性范围的同步拓宽,线性范围对应靶分子浓度跨度从81倍增加到6400倍：通过组装无标记的高亲和力探针和双标记的低亲和力探针,实现了线性范围的同步缩窄,线性范围对应靶分子浓度跨度缩小至10倍;通过组装单标记的高亲和力探针和双标记的低亲和力探针,实现了线性范围的异向调控,同时拓宽了线性范围并提高了灵敏度。适配体传感器线性范围的可控调节将有助于克服生物分子识别在生物燃料电池及生物电子逻辑门中的局限性,更有助于拓展生物传感器在临床诊断中的应用范围。