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重金属污染物具有毒性大、不易降解等特点,且低浓度的污染物也能通过食物链在人体内富集。近年来,国内外重金属污染事故时有发生,给人体与环境带来极大危害,因此亟需提高检测技术,实现更为准确的重金属污染物实时监控,同时为污染处理打下基础。目前国内外对重金属检测的手段主要为光谱法、色谱法等,这些方法需要依靠大型仪器实现检测,具有成本高、维护困难、操作繁琐且抗干扰能力差、检测精度不高等缺点。而传感器检测不仅成本低、操作简便、实验方便,而且能够定量、灵敏和快速地对目标物产生响应,这也是重金属污染物检测方法研究的重要方向。核酸相较于其他种类特异性生物分子,如酶、抗体、特异性蛋白等,易于合成与修饰,对目标物具有很高的特异性,且性质稳定,对复杂环境的抵抗力比其他类的生物分子更高,保存时间较长。因此,电化学DNA传感器更是成为了近些年的研究热点。针对水体中的重金属铅(Pb2+)、汞离子(Hg2+),本文主要研究了基于功能材料与不同构型的DNA构建电化学传感器及其检测的可行性与工作机制,重点研究方向是基于功能化电极的G-四聚体的铅传感器、富含鸟嘌呤（G）三链体的铅传感器、Y型DNA双链的汞传感器和基于DNA酶信号放大策略的铅传感器,具体研究工作及成果包括以下方面:（1）G-四聚体（G-quadruplex）是由富含鸟嘌呤（G）的核酸序列与Pb2+特异性结合,形成的平面四聚体（G-quarter）层层堆积形成的稳定结构。基于超薄石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片与电沉积纳米金颗粒（EAu）功能化的电极固定了巯基（-SH）修饰的富G的探针S1后,与碱基互补的探针S2杂交,形成DNA双链结构。当Pb2+存在时,双链断裂,S1特异性捕获Pb2+,形成更稳定的G-四聚体结构。同时,亚甲基蓝（MB）对G具有亲和性,可通过嵌插与静电作用,固定在G-四聚体表面与内部。结果表明,实验条件优化后,进行方波伏安法（SWV）检测,其检测线性范围为2.0×10-3至1.0×10-6 M,检测限为6.23×10–8 M,并且该传感器具有良好的特异性,可用于实际水样的检测。（2）在第（1）部分的基础上,构建了基于富G环状结构与胸腺嘧啶·腺嘌呤-胸腺嘧啶（T·A-T）一体的三链体电化学DNA传感器用于检测Pb2+。通过聚合酶链式反应（PCR）将末端修饰有巯基（-SH）的ssDNA合成为上端是富G的环状结构,下端是胸腺T·A-T的三重螺旋结构。将三链体的DNA由Au-S共价键固定于依次修饰还原性氧化石墨烯（rGO）与EAu的电极上,可特异性捕获Pb2+,形成G-四聚体,并以MB作为电信号指示剂。由实验结果可知,该传感器对Pb2+能够特异性识别,在浓度区间为0.01至10μM能够线性检测,检测限为3.62×10–10M。（3）Y型结构的DNA双链相较于其他特异性构型DNA探针,能够一步形成,合成与反应简单。此构型的电化学DNA传感器在制备过程中,可避免过多的试剂修饰导致传感器性能降低,也避免了多次清洗电极对传感器检测稳定性与再生性的影响。由第（1）部分的研究可知,g-C3N4经过长时间超声剥离之后,导电性及比表面积显著提高,能够应用于传感器构建。在此基础上,将石墨相氮化碳（g-C3N4）自掺碳后,合成电子传导率与水溶性更高的C-g-C3N4,通过长时间超声剥离处理,形成超薄C-g-C3N4纳米片,导电性、比表面积与水溶性进一步提高,传感器性能能继续提高。电极表面依次修饰超薄C-g-C3N4纳米片与EAu后,通过Au-S键将单链DNA（ssDNA）S1固定于修饰材料表面。当水体中同时存在两两互补的3条ssDNA探针（S1、S2与S3）及Hg2+时,S1与S3可特异性结合,形成胸腺嘧啶-Hg2+-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)错配;而S1与S2、S2与S3通过Watson-Crick碱基配对原则分别发生杂交反应,由“一锅煮”的方法形成Y型DNA,并以MB作为电信号指示剂,达到检测Hg2+的目的。其中,S3末端通过聚腺嘌呤（polyA）与柠檬酸钠还原制备的纳米金颗粒（nanoAu）的结合,形成DNA竖直且整齐排列的nanoAu-S2,能够有效促进电子传导,提高传感器检测性能。该构型传感器与基于碱基互补配对原则构建的电化学DNA传感器相较,选择性更好。结果表明,所构建的电化学DNA传感器简单、快捷,其线性检测范围为5至5000 nM,检测限为1.62×10-11 M,并且对自来水、湘江水及医疗废水水样中的Hg2+进行了检测。（4）当金属离子存在时,核酸中部分DNA与RNA具有金属酶性质,能够产生生物催化反应。（1）、（2）及（3）部分的研究都是单纯地利用DNA探针与目标物结合,引起DNA构型变化而产生有限的信号响应,达到检测目标物浓度的目的。基于以上考虑,开发一种DNAzyme（DNA酶）信号放大策略的传感器,可有效提高传感器性能。本章研究构建了一种基于氮杂化介孔碳（MCN）与EAu功能化电极搭配以MCN上生长的nanoAu及固定的MB作为电信号放大器策略构建的电化学电化学DNA传感器。8-17 DNA酶链探针S2可以与嵌合有一个核苷酸腺苷（rA）的基底链核酸探针S1碱基互补配对,形成双链。当Pb2+存在时,酶链催化基底链产生水解反应,使得双链断裂,同时基底链在rA处一分为二。信号放大器上的基底核酸残链与功能化电极上固定的探针S3碱基互补配对,形成双螺旋结构,产生电流响应,间接检测出铅离子。该传感器表现出了优异的铅检测性能与极宽的有效检测区间,其检测线性范围为1.0×10-3至1.0×10-14 M,检测下限为1.0×10-14 M,并能够对实际水样进行了检测。本研究构建的传感器在灵敏度与检测线性范围明显优于其他类型的铅传感器,表明MCN与EAu能够成功提高电极的导电性与比表面积,同时MCN、nanoAu与MB构成的电信号放大装置大大提高了传感器的检测性能。