生物传感器的出现在诸多领域引发了一场革命。它是利用生物或者生化反应检测目标分析物的分析装置,主要由生物元件和传感器组成。而与电化学结合而发展起来的电化学生物传感器因为具有简单、成本低、灵敏度高等优点,成为近些年来临床诊断、环境监测、食品分析和病原微生物探究等领域的研究热点。在构建电化学生物传感器时,借助一些新方法和新技术提高电化学生物传感器的各项性能实现对各种生物分子特异、灵敏的检测具有十分重要的科学意义和使用价值。本论文利用DNA纳米组装技术设计了多种DNA结构,结合多种高效信号放大策略,分别制备了几种高灵敏、操作简单及生物相容性好的电化学生物传感器。具体的工作如下:1.均相熵催化驱动形成的DNA凝胶作为强信号掩蔽剂用于对血小板生长因子的高灵敏电化学检测在生物传感器构建过程中,信号输入或者输出的通量都会影响对目标物的灵敏检测。因此,为了同时提高信号输入和输出的通量实现对目标物的灵敏检测,我们首先合成了成膜性良好的g-C₃N₄@Au@Fc-NH₂纳米材料作为信号物质。这种纳米材料具有低阻抗、高导电的性质,因此当其被直接固载到电极表面时能够产生强的初始电信号;然后,目标物诱导的均相熵催化驱动放大反应产生的DNA凝胶作为强的信号掩蔽剂被捕获到电极表面时,使得电化学信号明显降低。由此,我们制备了一种新型的电化学生物传感器用于检测血小板生长因子（PDGF）。最终,该传感器检测范围为0.01 pmol/L¹0 nmol/L,检测限可以达到3.5 fmol/L。该策略通过纳米材料探针和DNA大分子结构同时改善信号输入和输出通量的方式,为生物标志物的高灵敏检测提供了一种新的思路,并且在临床诊断、传感及其他相关学科方面具有潜在的应用价值。2.基于主客体识别辅助的电化学释放和DNA十字架结构构建可再生电化学生物传感器目前,生物传感器的可再生性效率一般都比较低,并且通常需要依靠加入外界物质才能完成。这在一定程度上浪费了资源,提高了目标物检测的成本。本工作精心设计了一种主客体识别辅助的电化学释放,并基于DNA十字架构型辅助的目标物循环放大和链置换反应构建了可再生电化学生物传感器用于前列腺癌生物标志物microRNA-182-5p的灵敏检测。通过这样的设计,可以将单一目标物microRNA的输入转化为大量的DNA单链S1-Trp和S2-Trp的输出,并且释放的S1-Trp和S2-Trp在主客体识别的作用下能够被CB-8-MV²⁺捕获,从而大大提高microRNA检测的灵敏度。其次,循环扩增过程中得到的核酸产物可以得到充分地利用,避免了浪费,节约了实验成本。更重要地是,通过重置一个固定电压,客体离子MV²⁺可以被还原为MV^+·并形成了一个更稳定的CB-8-MV^+·-MV^+·复合物,使得该传感器可以释放出S1-Trp和S2-Trp;而一旦引入氧气,MV^+·则被氧化成MV²⁺,仅需5 min,CB-8-MV^+·-MV^+·复合物就被转化为CB-8-MV²⁺再次捕获S1-Trp和S2-Trp。因此,基于电化学氧化还原反应驱动的组装和释放,我们成功构建了一个简单快速可再生的生物传感器,克服了传统可再生传感器中耗时、操作繁琐、实验成本昂贵的缺陷,更新了可再生传感器的构建方法。此外,该传感器可以利用10次以上（再生率:93.20%-102.24%）。总之,这个工作为构建高效的可再生生物传感器用于检测miRNA等生物标志物提供了一种新的思路,在需要释放核酸或蛋白质的领域有着巨大的应用潜力。3.构建级联反应驱动的DNA walker用于电化学生物传感器中快速超灵敏检测microRNADNA walker的行进通常需要依赖于外力的驱动才能完成,如酶、光、化学反应等,而且由于原有的驱动位点仍然存在,会促使其行进速度降低甚至停止。因此,如何避免持续不断地加入外界驱动物质并且阻断原有驱动位点,实现DNA walker的快速行进仍然是一个挑战。在本研究中,我们设计了级联反应驱动DNA walker解决了以上问题,并借助DNA四面体结构,将其应用于一种新型的生物传感器中实现对microRNA检测。DNA四面体结构实现了对DNA walker的高效捕获,提高了电活性物质二茂铁（Fc）标记DNA的捕获量,从而改善了目标物检测的灵敏度。值得注意地是,通过这样的设计不仅实现了DNA walker内部的快速驱动行进,而且掩蔽了原有的驱动位点来加快DNA walker的行进速度,实现对目标物的快速、灵敏检测。4.构建简单高效的分类货物卸载DNA机器:用于电化学超灵敏多组分检测的新型DNA纳米步行器平台传统的DNA walker通常功能比较单一,而功能复杂的DNA walker其组装效率又受到了一定的限制。在本工作中,我们基于类邻位触及反应（aPLA）的酶剪切策略设计了一种快速行走的分类货物卸载DNA机器,并基于此构建了一种新型的电化学生物传感器,实现了对双组分microRNA-155和microRNA-21的同时超灵敏检测。和传统的DNA纳米机器相比,这种多功能DNA机器的结构简单,具有高的自组装效率和行走效率。一旦与目标microRNA互相反应,这个DNA机器就可以在电极表面快速行走并实现对所设计的电化学生物传感器中分别标记有信号物质二茂铁（Fc）和亚甲基蓝（MB）的两条DNA链（A1-A2）的分类货物卸载。实验结果显示,该传感器的线性范围是100 amol/L¹00 pmol/L,对microRNA-155和microRNA-21的检测限分别是35 amol/L和39 amol/L。总之,本工作提出了一种新型高效的行走平台,实现了对生物标志物的超灵敏检测,并在癌症临床诊断中具有潜在的应用价值。5.构建高效内部构象转换DNA装置:用于电化学超灵敏分析多种microRNA的新型检测平台在这个工作中,我们基于H DNA链和四面体DNA纳米结构巧妙地设计了一个高效的内部构象转换DNA（ICSD）装置,并将其应用于电化学生物传感器超灵敏、快速、同时检测microRNA-155和microRNA-21。与传统的应用在生物传感器的DNA构象转换相比,该体系设计的内部构象转换DNA（ICSD）装置不仅可以通过目标物触发的标记有亚甲蓝（MB）和二茂铁（Fc）的H DNA链的反转实现在一个结构中多组分的同时检测,而且获得了两个目标物同时检测时的协同作用,更有利于内部信号的反转,提高局部反应浓度和捕获效率,改善多组分目标物的检测速度和灵敏度。实验结果显示,该策略可在10 amol/L至10 pmol/L的范围内实现对microRNA-155和microRNA-21的超灵敏检测,检测限分别为6.9 amol/L和5.3amol/L。并且该传感器可应用于实际细胞检测,具有良好的选择性和重现性。总之,这种内部构象转换DNA（ICSD）装置为设计新型的DNA结构提供了新的思路,并可以基于这些新型的DNA纳米结构构建具有超灵敏检测生物标志物和潜在癌症临床诊断应用的新型生物传感器。