生物传感器由于其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能够在复杂的体系中进行在线连续监测,因而在实际分析检测和科学研究方面具有广阔的应用前景。核酸探针和纳米材料在生物传感方面的广泛应用和取得的成果,为研究者提供了更多的传感设计思路。本论文基于核酸探针和纳米材料在生物传感与生化分析应用方面的优势,同时结合巧妙的信号放大方式,致力于传感分析的研究热点,建立了多种生物传感和生化分析新方法用于小分子的高灵敏检测,组蛋白去乙酰化酶活性检测,生物分子的非标记检测,细胞表面蛋白标志物的免洗原位检测和成像以及mRNA的定量分析。本论文建立的分析方法操作简单,灵敏度高,特异性好且分析成本低,并初步显示了某些实际应用方面检测能力。其具体内容如下：裂开型核酸适配体是生物传感器的主要的机制之一。然而,目前的裂开型适配体传感设计由于缺乏耦合下游信号扩增方法而限制了分析方法的灵敏度。本论文第2章,我们发展了基于裂开型核酸适配体介导的内切酶扩增的适配体传感新方法(SAMEA)用于小分子的高灵敏检测。该设计思路依赖于我们的发现：以邻近杂交产生的DNA三通结构也能作为DNA核酸内切酶Ⅳ (Endo　Ⅳ)的底物,通过Endo Ⅳ循环剪切其中的检测探针,可以产生巨大的荧光激活式信号放大。基于此,通过对裂开型适配体的两条片段进行延长,利用分析物的诱导形成适配体片段夹心复合物,同时使得延长序列与检测探针邻近杂交,组装成DNA三通结构并结合Endo Ⅳ循环扩增,实现了分析物的高灵敏检测。利用腺苷和可卡因作为该方法的模型检测对象,结果显示,基于裂开型核酸适配体介导的内切酶放大用于腺苷和可卡因的检测限分别为3 pM以及7 pM。相比于无放大的裂开型核适配体检测方法,该方法改善了大于105倍的灵敏度。同时,从血清样品的回收率结果可以看出,该方法在复杂体系中也具有良好的分析性能。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)是重要的蛋白质翻译后修饰酶之一。鉴别和理解HDACs对于细胞生物学和疾病的治疗预防研究至关重要。然而,发展简单、通用的HDACs定量活性测定在生物分析领域仍具挑战性。在第3章,我们发展了基于氧化石墨烯-多肽纳米组装体通用的检测平台用于HDACs活性检测分析。以具有代表性的组蛋白去乙酰化酶1(HDAC 1)作为分析对象,对其底物肽N端修饰荧光团,C端部分设计的疏水多肽。该多肽探针能够通过π-π堆积吸附在氧化石墨烯表面形成氧化石墨烯-多肽纳米组装体,同时由于氧化石墨烯的荧光猝灭性能,多肽探针的荧光被猝灭。通过HDAC1对底物肽的赖氨酸乙酰化位点去乙酰化作用后,利用内肽酶rLys-C特异性水解产生的赖氨酸位点,使得多肽探针被切割成两段,使得其中一段荧光标记的多肽离开氧化石墨烯表面,释放出荧光信号。相比其他方法,本章建立的方法操作简单且不需要复杂的探针设计合成,同时该方法选择性好,灵敏度高,检测限为70 pM。同时该方法可实现酶活性的实时监测,并能用于复杂体系样中的HDAC1检测以及抑制剂IC50的测定。核酸适配体的荧光传感器在生物分子检测应用中较为广泛,然而许多信号转换机制都需要复杂的标记因而增加了分析成本。因此,有必要发展无标记且低背景的荧光核酸适配体传感器用于生物分子的检测分析。在第4章,基于核酸探针-氧化石墨烯纳米组装体平台,我们构建了生物分子的无标记检测传感器。我们设计了一段包括核酸适配体另一段包括富G序列的核酸探针,并将该探针吸附在氧化石墨烯表面,形成核酸探针-氧化石墨烯纳米组装体。目标分子与核酸探针中的适配体部分的特异性结合,导致了探针的构象变化,并使其从氧化石墨烯表面脱附。利用硫磺素T (ThT)诱导脱附后的探针富G序列部分形成G四链体结构,并能嵌入在其中产生荧光增强信号。该方法利用氧化石墨烯对目标诱导探针构象的吸附能力差别以及ThT特异性诱导富G产生荧光信号的性能,通过监测ThT的荧光强度变化,实现了对人α-凝血酶和单磷酸腺苷(AMP)两种生物分子的非标记检测。其中,凝血酶的检测下限为180 pM, AMP的检测限为6μM。该方法灵敏、简便、快速、分析成本低,为无标记的生物分子定量分析提供了新的设计思路。原位检测细胞表面的蛋白质对疾病的诊断和治疗具有非常重要的意义。第5章,我们利用小分子连接的可编程的DNA,建立了免洗的原位检测和成像活细胞表面蛋白标志物的新方法。通过小分子配体与细胞表面的蛋白标志物特异性结合,将3’修饰了小分子连接的DNA标记在细胞表面,由于末端保护作用,外切酶I(Exo Ⅰ)不能降解结合了蛋白的小分子连接的DNA,而非特异性吸附的DNA将被Exo Ⅰ降解,保证检测方法的高特异性。利用DNA的可编程性质,将小分子连接的DNA探针设计成：血红素结合序列,qPCR的模板,银簇的DNA合成模板,从而产生三种基于DNA信号转换和信号放大方式：将DNA结合血红素后的酶催化作用用于比色检测分析,利用荧光定量PCR用于定量结合在细胞表面的DNA以确定细胞表面蛋白表达量,以DNA为模版合成的银簇实现免洗成像。该方法首先利用小分子连接的DNA以及末端保护性质,将没有结合在细胞表面的探针通过Exo Ⅰ灭活,提高了分析方法的信背比,接着利用DNA的可编程性质结合DNA的功能作用设计了不同的信号产生方式,提高了信号报告设计的灵活性。利用细胞表面的叶酸受作为模型蛋白,我们成功实现了对肿瘤细胞中的叶酸受体的高灵敏和高选择性定位和定量。该免洗的细胞表面蛋白的分析方法消除了非特异性吸附的干扰,检测手段多样化,在临床和生物医学应用检测膜蛋白中具有很大的潜力。定量mRNA的表达水平对于鉴别疾病亚型和临床诊断具有非常重要的意义。因此,有必要发展一些操作简单且假阳性低的分析方法用于mRNA检测。在第6章,我们建立了基于杂交链反应(HCR)诱导银簇荧光增强用于mRNA的检测。该方法将目标mRNA设计成HCR的引发链,为了实现银簇增强检测目的,我们设计了四条发夹探针H1,H2, H3,H4,以及包含有银簇DNA合成模版的P5探针,并对发夹探针H1的3’端设计了富G序列、H3的5’端设计了能与P5探针的非银簇模板部分互补的序列。mRNA引发链能够启动HCR反应,打开发夹H1,露出的H1能够打开H2,露出H2打开H3,露出H3打开H4,最后露出的H4的序列与mRNA引发链一致,因而不断的杂交与打开下一个发夹,最后形成长链DNA聚合体结构,在该结构中不断的甩出H1和H3的延长序列,于是两部分延长序列能够与P5探针合成好的银簇产生邻近杂交使得银簇由于靠近富G序列而得到荧光增强的信号,因而实现对]mRNA的定量分析。该方法灵敏度高,分析检测限为7pM,能够实现mRNA的突变分析。与传统的mRNA检测方法相比,本章建立的方法操作简便,不需要任何化学标记。同时该方法能够用于复杂的细胞RNA提取物中mRNA的测定。