生物分子（Biomolecule），是自然存在于生物体内的分子的总称，是组成生命的基本单位，其类型包括单体、聚合物、小分子等。生物分子是构成生命体、维持生命现象、参与生命活动的最基本的物质。随着科学与技术的发展，生物分子的检测在医疗诊断、食品安全、反恐等领域变得日益重要。功能核酸（Functional nucleic acids）是基于体外筛选或指数富集配体系统进化法（systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX）筛选得到的能够与生物小分子、蛋白质分子、细胞、金属离子等物质高特异性结合的DNA或者RNA片段。功能核酸通常包括两大类具有特殊功能的核酸分子：一类具有类似于蛋白酶的催化活性，称为DNA酶（DNAzymes），另一类能够像抗体一样特异性结合目标分子，称为核酸适配体（Aptamer）。纳米材料因为其特有的表面效应、量子尺寸效应和体积效应而被大力发展，纳米技术也成为了各国科技界所关注的焦点。纳米技术在陶瓷领域、微电子领域、生物工程领域、光电领域、化工领域和医学领域等方面已经取得了长足的进展。功能核酸和纳米材料的出现为生物分子的检测提供了新的设计思路和平台。而提高检测体系灵敏度的方法通常有两种：一种是降低背景信号，另外一种是采用信号放大技术。在第2章中，利用分子信标低背景、高灵敏的优点，设计了一种能够通过酶切反应放大信号来检测目标DNA的“Y型”DNA结构的探针。该探针灵敏度高，且具有较强的单碱基错配识别能力。该探针由三部分构成：分子信标、目标DNA和辅助探针。当存在目标DNA时，三者相互杂交，形成了“Y型”结构，且“Y型”结构中包含能够被限制性核酸切口酶Nt.BbvCI识别的双链。加入切口酶Nt.BbvCI后，分子信标被切断，“Y型”结构被破坏，释放出辅助探针和目标DNA。释放出的辅助探针和目标DNA可以继续和下一个完整的分子信标杂交，重复上述反应，达到酶切信号放大的效果。与第一代基于中间标记的直线型信号探针构建的“Y型”探针相比，本传感系统更加灵敏，对目标DNA的检测下限为5pM。在第3章中，利用水溶性苝衍生物阳离子（以下简称苝衍生物）作为G四联体的荧光指示剂，实现了Pb²⁺的无标记、简单、快捷的检测。因为DNA探针的诱导，苝衍生物形成自聚体发出微弱的荧光。加入Pb²⁺后，DNA探针由于Pb²⁺的诱导形成了G四联体，减少了苝衍生物的自聚合，苝衍生物发出较强的荧光，从而实现了荧光的增强。在第4章中，设计了基于偶氮苯修饰的核酸-介孔纳米材料的可控光响应药物释放系统。将合成的偶氮苯的亚磷酰胺，嵌入DNA序列中获得含有偶氮苯的光控DNA马达分子。通过DNA双链杂交获得了偶氮苯DNA链修饰的介孔硅纳米功能材料。以偶氮苯修饰的单链DNA作为“分子阀门”控制孔道内的药物分子释放，利用偶氮苯在不同波长光照下的构型变化，控制DNA的杂交与解离，改变“分子阀门”的开关状态，从而实现孔道内药物的可控释放。该研究可用于抗癌药物在生物体内的输送以及释放。