基于DNA可编程碱基互补配对的性质,DNA纳米技术可以用来组装多种基于DNA结构的纳米材料,在生物检测和光电领域中具有广阔的应用前景。DNA纳米结构具有结构的精确可控性,可以通过特定位点精确修饰实现材料功能的拓展和特定的生物学应用。在过去的几十年中,研究人员发展了各种DNA纳米结构的设计规则和装配技术,用以提高DNA纳米结构的稳定性和复杂性,已被广泛应用于生物传感和肿瘤标志物检测中。肿瘤标志物的检测在不同临床阶段的患者诊断及治疗中具有重要意义。结合DNA纳米结构的独特优势,如良好的生物相容性及精确易修饰性,DNA纳米结构可以设计为检测单元或信号传感单元,构建用于检测肿瘤标记物或生理指标的生物传感器,可以有效提高传感器的检测性能及检测灵敏度。因此,本文基于DNA纳米技术,结合新型二维材料和DNA等温扩增方法,构建了基于DNA纳米结构的生物传感器,用于实现细胞内离子和肿瘤标志物的检测。具体的开展工作如下:1.构建了一种新型的双色四面体DNA纳米结构探针（TDNzymes）,在探针的侧链中嵌入对Cu²⁺和Zn²⁺具有特异响应的DNA酶结构,用来实现细胞内生理相关的Cu²⁺和Zn²⁺的同时定量检测。该探针通过一步退火反应得到,产率高达90%。有序的TDNzymes纳米结构的形成使荧光团和猝灭剂彼此接近,荧光被猝灭。在Cu²⁺和Zn²⁺的存在下,TDNzymes的结构被特异性裂解,释放出相应的荧光团。通过共聚焦显微镜观察活细胞中荧光的恢复情况,并通过流式细胞术定量分析,可以实现两种金属离子的低纳摩尔浓度的高灵敏检测。所提出的方法为活细胞中的多个靶标的同时定量检测提供了良好的应用前景。2.基于催化发夹组装方法构建了基于MoS₂的“三支形纳米探针（TB-CHA）,发展了活细胞中microRNA-21（miRNA-21）的扩增成像检测策略。MoS₂纳米片可作为纳米载体和优异的荧光猝灭剂,以非破坏性方式将荧光亚稳态发夹DNA转移到细胞中,并可以显著地降低背景信号。TB-CHA探针含有三条末端具有修饰Cy3的DNA分子信标。miRNA-21的存在将触发催化发夹组装（CHA）反应,并且形成“Y”形三支化双链纳米结构。由于吸附力降低,该结构可从MoS₂纳米片的表面释放,使体系中荧光增强。DNA纳米结构中多位点的荧光修饰和TB-CHA探针的循环反应使荧光恢复程度大幅增强,可以有效提高检测灵敏度。该探针对miRNA-21的检测限为75.6 aM,比基于简单链置换反应的检测方法的检测限（8.5 pM）低约5个数量级。该方法可以实现活细胞内miRNA的高灵敏检测,有助于更深入地了解miRNA在癌症研究和生命过程中的生理功能。