自20世纪以来,人类进入了以“计算机”为代表的信息化时代,推动了人类社会的进步以及科学技术的发展。1936年,著名的英国数学家阿兰·麦席森·图灵提出了一种抽象的计算模型,可根据固定的程序进行相应的数学运算。该模型的提出为近代电子计算机的发展奠定了一定的理论基础。20世纪90年代,美国南加州大学伦纳德·阿德曼博士发表了轰动一时的关于DNA计算的研究文章,通过DNA链作为基础的计算材料,解决著名的NP完全性问题Hamilton Graph,并验证了计算模型在分子水平的可行性。DNA计算成为新一代的研究热点,获得了广泛的关注。本文首先介绍了 DNA计算领域的发展历程,重点介绍了各类纳米装置、纳米技术、以及以链置换反应为基础构建不同的纳米模型,接着介绍了新型纳米材料:DNAzymes、ATP适配体以及G四联体的实验设计思路以及反应过程,并且介绍了 DNA计算中所使用的分子信标:传统分子信标、量子点分子信标以及纳米金颗粒分子信标的实验设计思路以及反应过程。最后,通过对DNA计算领域进展的研究,以DNA链置换反应为基础,结合不同的纳米材料,构建了两个DNA纳米逻辑模型。具体工作如下:(1)本文首先构建了一个近距离结合效应以及酶促效应诱导的信号猝灭及信号恢复级联装置。我们以生物大分子链酶亲和素和脱氧核酶为基础,构建了一个可以灵敏控制信号强弱的级联反应逻辑模型。首先,我们以链酶亲和素作为媒介,构建了多重输入AND逻辑门,实现了结合诱发的信号猝灭装置。接着,我们以脱氧核酶作为媒介,实现了以酶切反应作为触发的信号荧光恢复装置。为了扩大这一模型的应用价值,我们引入了生物体内常见的能量物质ATP,将ATP适配体与脱氧核酶结合,构建了复合输入的AND逻辑门。最后,为了实现信号放大装置,我们以多级酶切结构为基础,构建了多重输入OR逻辑门,实现了信号的二次放大。(2)接着,本文构建了一个多级输入的结合效应与纳米颗粒分子信标介导的逻辑运算模型。本文结合了金颗粒分子信标,构建了五类的多级输入逻辑门,分别是:双输入与门G1、链酶亲和素介导的混合型输入与门G2、三输入与门G3、变换特异序列的三输入与门G4和利用自组装的DNA/AuNPs共聚物构建的双输入逻辑门G5。总之,我们以多级DNA链之前共同合作形成输入信号,通过结合诱导的机制构建了基于远程触发链置换反应的逻辑计算系统。并且,这一系统能够同时灵敏的识别DNA和链酶亲和素。