核酸不仅是生命体遗传信息储存、传递和表达的载体,还是具有多种功能的分子材料。自1953年核酸碱基互补配对原则和双螺旋结构被发现以来,研究者在分子水平对核酸进行不断深入的研究,一系列具有特殊理化性质的功能核酸被发现和筛选,包括适体、RNAzyme/DNAzyme、G-四链体以及多种DNA组装体。这些功能核酸在生物识别、生物催化、信号增强和纳米结构的可控组装方面表现出独特的性质。通过将上述性质和功能的合理整合,能对特定物质信号进行转导,将不可测量信号转化为可测量信号,以实现生物传感。加之具有良好的生物相容性、高效的反应活性、独特的序列可编辑性和杂交可预测性,功能核酸在生物传感领域展示出巨大的应用前景。近年来,核酸扩增技术的引入使基于功能核酸的生物传感策略在灵敏度上有了显著的提高;另外,与微/纳米材料的整合使生物传感策略在信号多样性和设计灵活性得到一定的丰富。通过与上述技术和材料的整合,基于功能核酸的生物传感策略在多种疾病标志物的检测中表现了出色的性能,成为备受关注的疾病诊断方法。功能核酸能通过合理的序列设计实现其静态结构和动态循环的灵活变化,另外其末端羟基或氨基能与其他功能分子结合,进而实现功能的整合和拓展。设计的灵活性和作用的可拓展性为功能核酸在生物传感领域提供了巨大的潜力和发展空间。本论文旨在基于功能核酸的新型传感策略的设计及其生物传感应用。本论文主要应对当前基于功能核酸的传感策略面临的一些挑战:（1）如何克服酶促信号放大策略中非目标依赖模板导致的假性信号的问题;（2）如何克服信号放大反应中蛋白酶和荧光标记导致的检测稳定性差的问题;（3）如何构建信号稳定性更强的新型生物传感策略;（4）如何构建高通量、灵敏、准确的新型生物传感策略。为应对上述挑战,本论文开发了一系列基于功能核酸的新型生物传感策略用于疾病相关生物分子的检测。论文内容分为以下六章:第一章为绪论部分,本部分总结了多种功能核酸、基于功能核酸-核酸扩增的传感策略的设计及应用、基于功能核酸-微/纳米材料的传感策略的设计及应用。该部分还简要介绍了本文开展的四个工作。第二章,构建了一种基于引物-模板转换的级联放大策略用于灵敏和准确的PNK活性检测。本策略整合了滚环放大（RCA）、多重链置换放大（MRSDA）和基于G-四链体的荧光点亮开关。精细设计了一种5’端羟基的哑铃形探针,在两个环中分别包含G-四链体序列和内切酶的部分识别位点序列。在PNK的作用下,哑铃探针的5’末端首先被磷酸化,然后被T4连接酶催化形成RCA模板。RCA过程产生了延长引物的多个拷贝。之后,在内切酶的辅助下发生引物-模板转化,将RCA的引物和模板分别转化为后续MRSDA的模板和引物。MRSDA产生多个重复的单链DNA序列,这些序列含有G-四链体,通过点亮硫黄素T（ThT）的荧光来输出信号。RCA和MRSDA的级联信号放大提供了高检测灵敏度,级联信号放大所需模板的目标依赖性使检测背景得到控制。本方法在缓冲液中的检出限低至0.2×10-6 U μL-1,在细胞裂解液样品中的检出限低至5个细胞。本法成功用于细胞裂解液中PNK活性的检测,在临床诊断和医学研究中具有良好的应用前景。第三章,构建了一种结合介导的MNAzyme信号扩增策略,用于无酶和免标记检测DNA结合蛋白。本策略整合了结合介导的MNAzyme切割反应和基于G-四链体的发光荧光开关。设计了三种DNA序列以组装MNAzyme,其中DNA1（包括目标蛋白的一半结合位点和一个粘性序列）和DNA2（包括目标蛋白的另一半结合位点和一个MNAzyme部分酶）预先杂交。目标蛋白识别DNA1-DNA2杂交体上的结合位点,形成稳定的蛋白-DNA1-DNA2复合物。然后,在含有另一个MNAzyme部分酶和DNA1互补序列的DNA3存在下组装MNAzyme。组成的MNAzyme裂解DNA4,释放封闭在DNA4茎中的G-四链体。最后,N-甲基卟啉Ⅸ（NMM）被插入到释放的G-四链体结构中,荧光信号被点亮。以核因子-κB p50（NF-κB p50）为模型,本法检出限低至0.14nM。此外,NF-κB p50与DNA位点的识别表现出良好的选择性和特异性。本策略将是生物医学探索和临床诊断中DNA结合蛋白分析的一种有应用前景的工具。第四章,构建了一种基于树枝状DNA组装的磁性纳米结构用于核酸的放大检测。本工作通过整合树枝状DNA组装、磁分离和银纳米颗粒标记,构建了一种基于树枝状DNA组装的磁性纳米结构用于放大检测核酸。H5N1禽流感病毒是一种高传染性和高致死率的病原体,本研究选择H5N1病毒的核酸片段为检测模型。首先构建一种磁珠-dsDNA复合探针,其中dsDNA中含有目标核酸的互补序列和两个封闭的Trigger序列。当目标核酸存在时,与复合探针中dsDNA杂交。然后在辅助DNA作用下,通过Toehold介导的链置换反应组装形成磁珠-树枝状DNA结构。磁珠-树枝状DNA通过端点的生物素与链霉亲和素修饰的银纳米颗粒（SA-AgNP）结合形成磁珠-树枝状DNA-AgNP复合结构。经磁分离,磁珠-树枝状DNA-AgNP被收集并进行ICP-MS测试,107Ag作为输出信号用于目标核酸的检测。本检测方法中,由于磁珠-树枝状DNA能结合多个SA-AgNP且每个AgNP能释放多个Ag原子,使单个目标核酸识别事件转化为多个107Ag信号,实现显著的信号放大,这保证了检测的灵敏度。通过磁分离,没有与磁珠-树枝状DNA结合的SA-AgNP被去除,这保证了检测的低背景。本法成功用于血清样品中核酸的检测,为灵敏、准确、稳定的核酸检测提供了新的途径,将成为疾病诊断和预后中一种有前景的分析工具。第五章,构建了一种以金属纳米颗粒为元素标记的磁控适体传感器用于赭曲霉毒素A和伏马菌毒素B1的同时检测。本法以CdSe量子点和AgNP为元素标记,分别检测两种霉菌毒素。由于CdSe量子点和AgNP中分别含有大量Cd元素和Ag元素,且两种元素质荷比高,能释放强烈的ICP-MS信号,提供了高检测灵敏度。另外,通过在磁珠上整合不同种类的适体-元素标记复合物,本法能同时识别不同的霉菌毒素,并释放特定的元素标记,在ICP-MS分析中同时输出响应的信号,实现同时检测。第六章为结论部分,本部分对论文的创新进行总结并对前景进行展望。