随着经济社会不断发展,人们对生命健康的诉求日益提高。生命活动相关的生物医学问题,如疾病早期诊断与治疗,也越来越受到人类重视,已成为现代生物医学重要发展方向。基于此,科学家们在生物医学领域进行了不断探索,并在疾病生物标志物灵敏检测和恶性肿瘤诊疗新体系构建方面取得了重要进展。其中,功能核酸作为一种具有特殊功能的核酸元件可以为生物医学研究和发展提供全新思路。纳米材料凭借其优异的物理化学性质在生物传感和肿瘤诊疗领域越来越受到关注。此外,功能核酸和纳米材料两者相互结合构建的一系列新型多功能纳米体系可用于生物成像和治疗,是一类理想的生物传感工具。功能核酸作为具有特殊功能的核酸分子,具体包括DNAzyme、核酸适体、i-motif结构、反义DNA、siRNAs等。其中核酸适体是通过SELEX技术筛选得到的单链RNA或DNA,能够选择性和特异性识别与结合靶标。另外DNAzymes是一类可以通过体外筛选获得的具有催化活性的单链DNA,具有与核酶相似催化功能,例如催化RNA或DNA切割或者连接,光切割胸腺嘧啶二聚体等。由于具有较强识别和结合能力、水溶性和生物相容性好等特性,功能核酸在生物传感、环境分析、药物释放和癌症诊疗等研究领域得到广泛应用。然而,功能核酸在实际应用中仍然存在很多限制。例如,功能核酸与靶标的结合在复杂体系中易受干扰、很难进入细胞、易被核酸酶降解以及在体内循环时间短等。纳米材料是指几何尺寸达到纳米量级的一类具有特殊性能的材料。由于具有比表面积大、负载能力强、生物相容性好等特性,纳米材料已被广泛应用于生物传感和肿瘤诊疗等领域。介孔二氧化硅纳米材料、二氧化锰（MnO2）纳米材料、金纳米颗粒、上转换纳米材料、DNA纳米材料等便是其中典型代表。尤其是具有磁性、带电性、荧光性质或者光热效应等特性的纳米材料,其本身就可以作为成像分子或药物应用于癌症诊疗领域。基于以上研究背景,围绕如何提高核酸适体在复杂体系中效能及如何将功能核酸修饰的纳米材料应用到肿瘤诊疗中,本论文开发了一系列基于功能核酸的分子探针和纳米生物传感体系用于肿瘤诊疗领域。具体包括以下内容:（1）为了提高在复杂体系中核酸适体与靶蛋白间相互作用的抗干扰能力,我们合成醛基基团和F-羧基基团修饰的核酸适体,发展蛋白质-核酸适体模板（PAT）技术,实现了核酸适体在靶蛋白上定点交联,得到蛋白质-核酸适体共轭物。实验结果表明PAT技术能有效促进核酸适体与靶蛋白之间形成特异性共价键,为细胞膜蛋白分离鉴定提供有力手段。（2）除了在复杂体系中与靶标蛋白间的相互作用易受干扰这一问题外,功能核酸还存在很难进入细胞的缺点。基于F碱基独特的疏水性和自聚特性,我们将F碱基整合到DNA分子序列中,并研究了不同数量和位点修饰的功能核酸细胞内在化性能。实验证明由于疏水性F碱基配对诱导保护效应,相比茎部形成F-F碱基对的发卡型DNA,单链F碱基修饰的线型DNA具有更强的细胞内在化能力。由此证实构象转换能够增强F碱基修饰功能核酸的细胞内在化能力。（3）为了进一步提高功能核酸进入细胞的效率,我们利用DNAzyme放大和催化发卡自组装（CHA）放大相结合策略,构建了一种基于级联放大反应的CAR纳米探针。该纳米探针由MnO2纳米片、DNAzyme和CHA等组分构成。MnO2纳米片既可以做为载体将DNAzyme和CHA递送到细胞内,又可以在细胞内被降解,进而将所有DNA链释放到胞内同一位置。降解产生的Mn2+通过质子海绵效应能促进DNA链溶酶体逃逸,同时作为DNAzyme辅助因子实现对DNA链的酶切,通过细胞内级联放大反应,实现细胞内端粒酶活性灵敏检测。该方法为细胞内生物分子灵敏检测提供了新思路。（4）我们进一步将光敏剂PcC4装载入介孔二氧化硅颗粒中,用DNA链O1堵孔,构建了一种基于双蛋白驱动激活的新型纳米光敏剂。该新型纳米光敏剂在d NTPs存在时,颗粒表面DNA链O1可以被端粒酶延伸,在DNA链3’端产生端粒重复序列,与5’端序列互补。互补产生的杂交链会形成具有刚性的发卡型DNA结构,并从颗粒表面脱离下来,释放出PcC4。释放出的PcC4与胞内白蛋白结合,激活自淬灭状态PcC4,使其在光照条件下,产生ROS,实现肿瘤特异性成像和光动力治疗。