对特异DNA序列的检测在基因相关疾病的诊断、军事反恐和环境监测等方面均具有非常重要的意义。DNA传感器的研究就是为了满足对特异DNA序列的快速、便捷、高灵敏度和高选择性检测的需要。近年来涌现出多种传感策略,根据检测方法的不同大致可以分为光学传感器、电化学传感器和声学传感器等。由于电化学检测方法本身所具有的灵敏、快速、低成本和低能耗等特点,电化学DNA传感器已成为一个非常活跃的研究领域并在近几年中得到了快速发展。纳米技术逐步引入生物分析化学和分子生物学研究领域,并显示了光明的前景。纳米微粒具有大比表面积和高活性、特异性等特点；作为传感器材料,纳米探针具有高选择性、高灵敏度、快速、方便检测的特点,改造传统的生物传感器,可以增加固定的分子数量，从而增强反应信号,制得的高选择性、高灵敏度的纳米传感器能用于探测很多细胞化学物质,可以监控活细胞的蛋白质和其他所感兴趣的生物化学物质。超分子化学是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。它的发展不仅与大环化学(冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60等)的发展密切相连,而且与分子自组装(双分子膜、胶束、DNA双螺旋等)、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。环糊精是超分子化学的重要主体化合物之一,对特定的有机分子具有识别和选择的能力,对其研究逐渐从主客体识别形成包合物的机理转移到对其在分析化学、医药、环境保护和传感器等领域的应用研究中。本论文的创新之处在于,将纳米技术、超分子作用与电化学分析技术结合,用于对核酸分子或凝血酶蛋白分析检测,研制出具有高选择性,非固定的新型电化学生物传感器,成功应用于特定序列DNA或目标蛋白质的选择性测定,以及对DNA链中碱基,尤其单碱基突变的快速、灵敏和准确的识别,为基因及蛋白质的快速分析与测定提供了多种简便、快捷、廉价的检测方法。这一章中首先介绍了DNA生物传感器及其研究进展,着重介绍DNA生物传感器的原理,基于不同标记物的电化学DNA生物传感器分类、研究进展,叙述了DNA电化学传感器在基因检测等方面的应用,接着介绍了核酸适配体技术、纳米材料,主客体识别技术在生物传感器中的一系列应用。最后阐述了本论文的目的和意义,简述论文的创新之处及研究内容。本章构建了一种基于目标蛋白引起DNA链替代机制的电化学适体传感器。该传感器首先将含有巯基的单链固定DNA(IP)与目标凝血酶(thrombin)适体碱基序列(aptamer)通过杂交反应得到双链DNA(dsDNA),通过Au-S键自组装于金电极表面,而另一标记有CdS纳米颗粒的单链DNA(DP-CdS)被用作检测探针。当预先制备好的dsDNA修饰金电极浸入含有目标蛋白和DP-CdS的溶液时,dsDNA中的aptamer更倾向与目标thrombin结合形成G-四分体,从而引起dsDNA离解,IP从而与DP-CdS碱基互补。将电极捕获的CdS纳米颗粒溶解,使用汞膜电极对溶出的Cd2+离子进行电化学检测,获得灵敏的电化学信号传递。Cd2+离子的峰电流相对thrombin浓度在2.3×10-9-2.3×10-12mol/L范围内有良好的线性响应,检出限为4.3×10-13mol/LBSA,溶菌酶等其他蛋白质共存不会影响thrombin的检测,检测具有良好的特异性。本章设计了一种基于DNA之间杂交替代机制的电化学DNA传感器。该传感器通过预先将3’修饰巯基,5’修饰二茂铁的发夹探针DNA与识别DNA杂交形成双链DNA,然后通过金硫键组装于金电极表面。此时二茂铁位于双链DNA的顶端,远离电极表面,呈现出"Switch-off"状态,仅产生一个小的背景信号。目标DNA加入后,由于与识别DNA之间具有更多互补碱基,在杂交竞争作用下,识别DNA离开探针DNA,与目标结合,探针DNA随之恢复原有的发夹状态,二茂铁靠近电极表面,呈现出"Switch-on"状态,获得一个较大的电化学信号。通过目标加入前后电化学信号变化,可实现对目标的检测。这种新型的电化学生物传感器对DNA和蛋白质的响应线性范围为6.4×10-10～6.4×10-7mol/L,相关系数为0.996,检出限为4.4×10-10mol/L。本章构建了一种新型传感器,将DNA杂交引起的探针DNA构型变化通过主客体识别技术与纳米颗粒标记转换为电化学信号。该传感器中,末端标记有4-4-二甲氨基苯基偶氮苯甲酸(Dabcyl,以下简称偶氮苯)和巯基基团的发夹DNA作为探针DNA通过金硫键组装于金电极表面,而表面修饰有β-环糊精的CdS纳米颗粒(CdS-CDs)则被用于电化学信号提供者和主客体识别元件。无目标存在时,固定于电极上的探针DNA保持茎环结构,此时由于空间位阻效应,Dabcyl被屏蔽难以触及溶液中的CdS-CDs,而当探针DNA与目标DNA杂交之后,探针DNA发生构型变化,使得Dabcyl远离电极表面。最初被屏蔽的Dabcyl则得以与CdS-CDs表面的β-环糊精发生主客体识别,从而使得目标杂交事件被转换为CdS-CDs给出的电化学信号。该主客体识别电化学传感器可检测pmol的目标DNA,对单碱基错配显示出良好的分辨能力。