随着集成电路的快速发展,电子芯片技术的开发也越来越接近极限,研究和开发全新原理的新型逻辑器件势在必行。其中,分子计算机具有并行性高、存储容量大以及耗能低等优点,并且可以与光学、化学、电学、生物等学科相结合,已经作为一种新型的交叉学科得到了广泛的关注和研究。DNA就是一种可在纳米尺度上构建逻辑模型的生物分子,DNA四种碱基之间强大的互补配对功能使DNA表现出惊人的信息存储功能,通过DNA杂交或DNA链置换等反应可以快速地实现大规模的、复杂的逻辑计算。同时,基于DNA的特殊结构以及DNA与纳米材料之间的相互作用,可以构建实现多种功能的逻辑运算系统。如今,基于DNA的生物计算已经从实现简单的逻辑运算逐渐发展为能够实现更多复杂功能的逻辑运算,为生物计算提供了更多的可能性。本论文基于DNA/DNA以及DNA/纳米材料之间的反应基底,结合荧光共振能量转移的特性,以荧光法作为检测手段,实现了新型光学逻辑器件的开发,并探索了其在生物传感领域的应用。论文主要完成了以下工作:1.基于DNA的特殊结构,构建了逻辑比较系统基底,利用DNA杂交反应和链式取代反应,结合荧光检测的方法,构建了多种逻辑系统,并基于该逻辑系统的反应原理,实现了对HIV以及HCV的选择性检测。在该工作中,首先设计两端修饰有荧光分子和淬灭分子的DNA分子信标结构,以及富含G碱基的G4结构,以这两种DNA结构构建了数学逻辑比较系统的反应基底。利用DNA碱基互补配对原理和DNA链式取代反应,通过真值表中陈列的输入与输出信号之间的逻辑关系,对DNA输入序列进行DNA编码。最终,根据对输入信号与反应基底之间的相互作用而得出的输出信号的分析,依次构建了“2输入-3输出”、“3输入-3输出”和“4输入-3输出”的荧光数学逻辑比较系统,实现了复杂的逻辑比较功能,包括“>”、“<”和“=”。另外,基于“2输入-3输出”逻辑电路的反应原理,构建了基于“2输入-3输出”逻辑系统的DNA生物传感器,通过分析传感系统中加入携带有HIV或HCV基因的DNA序列后的荧光输出信号的变化,研究了该传感系统对HIV基因和HCV基因的高灵敏度检测,且检测极限达到500 f M,并具有较好的选择性。2.通过构建DNA/氧化石墨烯的反应基底,利用编码DNA之间的杂交反应和荧光共振能量转移的特性,开发了大规模的数学运算体系。首先制备氧化石墨烯(GO)纳米材料,并通过π-π键非选择性吸附单链DNA序列。由于荧光共振能量转移作用,GO能够淬灭吸附其表面的DNA上的荧光基团信号。基于此,通过编码输入DNA序列以及其与GO/DNA反应基底之间的相互作用,并对得出的荧光输出信号进行归一化分析,构建了“6-bit”的开平方根和“9-bit”开立方根的数学逻辑运算器件,实现了50以内开平方数学计算以及500以内的开立方数学运算。