生物信息学作为交叉学科的典型代表,研究内容涵盖计算机科学、生物学、数学、化学、物理学等多学科。DNA计算是生物信息学研究的一个分支,与传统的电子计算机相比有并行处理速度快、高度分子并行性的优势,因此得到了广泛关注。而生物传感器是可以将DNA计算的理论应用于实践的平台,虽然生物传感器的研究起步较晚,但近十几年来也得到了迅猛发展。现今在先进的科学思想及科学手段的帮助下,各种疾病的产生及伴随机制逐渐明朗化,相应地产生了很多具有针对性的检测手段,这一条件为生物传感器的设计及发展打开了新的大门。另外,生物传感器除了检测特定靶标外还可以构成简单逻辑元件,对DNA计算的发展具有一定的促进作用。本文首先对生物信息学、DNA计算、生物传感器及部分致病机制进行概括而叙述了本研究的研究背景及意义,之后将生物传感器以功能分类对国内外研究现状进行整理归纳,此部分内容是生物传感器设计的基础理论条件。其次对生物传感器的结构、研究重难点及性能指标进行了详细叙述,为我们后续实验的优化及对传感器的哪些性能进行测定提供了科学依据。后着重介绍生物传感器中生物层面上常用到的特性、特殊物质,以及一些常用的检测手段,主要包括生物研究中最常用到的链置换作用、具有信号放大功能的茎环结构以及特殊酶;检测手段则简要叙述了电子显微镜成像、电泳技术及荧光检测技术。此部分内容是我们生物实验方面不可或缺的技术支撑。基于以上理论性基础,我们先介绍了一个基于金属离子介导的碱基错配而设计的多功能分子探针,本设计可用同一模型同时检测汞离子与银离子,并构建了一个OR逻辑门。第一步我们介绍了模型的原理及OR逻辑门如何构建,之后以计算机仿真的方式进行了初步的可行性验证,随后用生物实验方式通过正交实验、各因素优化、目标选择性实验、特异性实验、实际样品检测等对传感器性能进行了详细测定。另一方面,我们还设计了一个基于新型纳米材料氧化石墨烯的生物逻辑模型,此部分内容主要是基于氧化石墨烯可以吸附单链DNA及猝灭荧光这一特性,而分别构建了一个YES逻辑门及一个AND逻辑门。与上一部分研究内容相似,所设计的基于氧化石墨烯的模型也经过了计算机仿真实验及生物实验的多方面验证。综上,研究结果表明:1、基于金属离子的传感器在极酸或极碱条件下会出现荧光异常现象,这一特性在实际样品检测中可用于初步判断水体是否为强酸或强碱性;经过实验证明了基于金属离子的传感器在目标选择性方面目标浓度与荧光强度线性相关,其函数关系式可用于检测未知目标浓度;在实际样品检测实验中,获得的回收率范围符合规定范围,证明所设计的传感器可应用于实践;通过与其他方法比较得出本设计有方便快捷、灵敏度高等优势。2、基于氧化石墨烯的生物逻辑模型经过NUPACK与电泳实验初步证明了所设计模型的可行性;荧光实验进一步证明了氧化石墨烯具有吸附单链、猝灭荧光的能力;电镜图及实验经验表明氧化石墨烯比石墨烯更易破碎在水中,且破碎时间越长胶体越稳定,实验效果越好。总的来说,本文以多种方式对所设计的生物传感器的可行性、性能、最优条件、实际样品应用能力等方面测试,并引入了新型材料进行实验,可能对生物传感器的研究提供一些新思路。最后我们对所设计的两个传感器进行了分析总结与归纳,概括了本研究的创新点与不足,并对生物传感器的后续发展进行了展望。