DNA传感器是当今生物传感器中的前沿性研究课题,加强对DNA传感器的研究和应用开发具有重要的科学意义和应用价值。我国开展DNA传感器研究已有十余年的时间,然而大部分应用研究还停留在实验室阶段,要真正进入实际应用领域,还需要在多学科交叉领域继续探索。纳米金(GNP)是一种尺度为纳米级别的金属粒子,它具有优异而独特的表面等离子共振效应和良好的表面化学性质。利用GNP的特性已经成功发展了众多优异性能的DNA传感器,如比色传感器、SERS传感器和荧光传感器等。然而在大多数基于GNP的光学DNA传感器中,GNP会发生由分散态到聚集态的变化,这种变化会使GNP在溶液中的稳定性下降,并且会对结果的重现性带来一定的干扰。本文为了解决上述问题,提出了基于非聚集态纳米粒子的比色和SERS传感器的设计方法。此外,DNA逻辑计算已成为最近十年来学术研究的热点,将DNA功能化的GNP与现代信息技术结合起来,实现DNA纳米传感器在DNA计算领域的价值,已经成为DNA传感器应用研究的一个重要前进方向。目前大多数纯DNA计算体系的报道以荧光方法作为结果读取手段,除此之外,已有少数将DNA-GNP引入DNA逻辑计算体系的前沿研究。由于GNP粒子具有较好的分散性和生物相容性,加之其本身的特性特别适用于比色法和表面增强拉曼光谱(SERS)法的检测,可以避免荧光分子固有的不足(如光漂白、光谱重叠等)。因此将以GNP为基础的新型光学读取手段引入到DNA计算研究中已经成为了重要的课题之一。基于以上考虑,本文将DNA-GNP引入到DNA逻辑计算领域,以期推动此方向研究的发展。本论文简要综述了围绕GNP材料的光学DNA传感器和逻辑门,在此基础上主要开展了以下方面的工作：第二章：研究了表面活性剂和拉曼信号分子对GNP探针制备的影响；尝试了使用较低浓度巯基化DNA制备GNP探针。结果表明信号分子与表面活性剂之间会在GNP表面发生竞争反应,在表面活性剂存在的情况下染料分子几乎不能够通过吸附作用与GNP结合。使用100nM的DNA修饰浓度亦可制备稳定的DNA-GNP探针,同时具有更佳的经济性。第三章：对GNP和磁珠(MB)表面进行DNA修饰,构建了基于非聚集态GNP的比色法DNA传感器。采用UV-Vis光谱研究在目标DNA加入后特征吸收峰强度的变化,实现了在50pM至5nM范围内对目标DNA的目视检测和定量检测。第四章：以DNA修饰的GNP、纳米金银核壳粒子(SNP)和MB为探针,构建了双路复用的比色法DNA传感器。利用GNP和SNP在可见光谱区域的性质差异,实现了对两种目标DNA的分别定量,并在与非负矩阵因式分解技术联用后,实现了双路复用模式下对pM水平DNA混合样品的定量检测。第五章：分别制备标记有两种拉曼活性分子的DNA-GNP探针,与DNA-MB探针联用后,构建同时检测双组份DNA的SERS传感器。通过与拉曼活性分子上的羧基基团交联,氨基化DNA成功负载在GNP上,这种SERS探针避免了两者于GNP表面的竞争。探讨了自制MB与商业化MB在表面非特异性吸附性质上的差异。最终利用SERS探针之间光谱特征峰的区分,在nM水平上实现了对两种DNA的同时检测。第六章：以SERS空间距离相关性质为基础,构建了SERS DNA分子开关和NOT逻辑门。较系统地研究了银含量对纳米粒子SERS增强能力的影响,并在增强效果最佳的粒子表面实现了DNA分子开关。这种基于"turn off’的分子开关同时也是一元输入的NOT逻辑门。第七章：将DNA-GNP引入到双输入DNA逻辑计算领域中,并研究了一系列以此为基础的DNA逻辑门,如与非门、或非门、异或门和禁止门,此外还构建了一个半减器逻辑电路。反应体系中的两组GNP之间的关系与主客体化学类似,将DNA逻辑门复合结构建立在主体GNP的表面,而客体GNP上只有DNA单链.两者在输出为“1”的情况下会形成聚集体,输出结果通过UV-Vis和SERS检测。这种结构拥有灵活多变的特点,随着逻辑门结构中保护链的变化,能够实现多种分子水平的逻辑功能和计算。利用SERS光谱峰宽较窄的优势,实现了半减运算结果的一次读取。