随着生物技术和纳米材料科学的发展,越来越多新型纳米材料被应用于生物计算、生物医药、生物传感器以及生化分析等诸多领域。近些年来,DNA纳米分子作为生命遗传物质的载体,其严格的碱基互补配对结构特性、超强的并行处理能力、超大的存储容量和可编辑性等材料优势使其已经成为生物分子逻辑门和生物传感领域的研究热点。其中,功能性DNA分子——G-四链体(G-quadruplex)探针凭借其结构多态性、技术多样性以及在生物基因组中的重要作用,激发各领域研究人员开发了诸多基于G-quadruplex探针的生化分析模型,实现了金属离子、miRNA、关键蛋白等生物分析物的检测。同时,单原子层纳米材料——氧化石墨烯(GO)被研究发现不仅拥有无法媲美的化学、物理特性,还具备可贵的生物相容性、稳定性。因此,GO也正在被引入逻辑计算、智能诊断、药物装载等领域的研究工作中,成为了新型纳米材料里的“宠儿”。本研究在对纳米材料及相关纳米技术充分学习的基础上,主要开展了以下工作:(1)本文构建了一种基于G-quadruplex探针的无酶、无标记的生物传感器,实现了凝血酶蛋白的定量检测。该模型利用凝血酶与其适配体特异性识别结合,循环触发一组特殊设计的发卡DNA不断参与到自组装反应中。大量生成的G-quadruplex结构可以借助多种方法得到检测。基于此模型设计原理,我们首先利用NUPACK仿真工具结合人工调整,完成了模型修正和序列设计,并从分子热力学角度对其合理性进行了解释。接着,我们对该模型进行了仿真实验并对其结果做出初步分析。通过Visual DSD反应过程仿真初步证明了该模型的理论可行性,且对立足点长度、DNA链浓度等条件进行了优化,为试管内生物实验的初始条件设定提供了参考依据。然后,该模型通过聚丙酰胺凝胶电泳实验、吸光度测量实验和荧光实验三种生物检测方法进行了有效性和可行性验证。最后,在对实验条件优化处理的基础上,我们对模型的灵敏度、血清样本检测效果等性能进行了测评,进一步完善了本文中构建的传感模型。(2)利用新型碳纳米材料GO的单链吸附特性以及荧光猝灭性能,本文设计了一种基于G-quadruplex结构的逻辑计算平台,并通过构建六种常见的逻辑门和逻辑器件初步证明了其可行性和通用性。该信号转换平台主要由GO和吸附在其表面的两端包含G-quadruplex分裂序列的BGG单链构成。不同的DNA链的存在与否作为相应的输入真值,其与平台上BGG链间的DNA杂交反应或链置换反应即为信号转换过程。最终,G-quadruplex和NMM产生的荧光作为报告信号,并根据设定的阈值判断其强度输出值。基于此设计思路,本文利用G-quadruplex/NMM复合物和GO这两种天然的荧光体、荧光猝灭材料,实现了“OR”、“AND”、“INHIBIT”和“XOR”逻辑门构建,并完成了仿真实验和试管内实验验证。同时,其他两个基于同一个BGG平台的组合逻辑门——半加器和半减器,借助银纳米簇(AgNCs)辅助也被成功地设计并加以展示,为后续级联、反馈型等复杂分子逻辑电路构造奠定了基础。