腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine Triphosphate,ATP）是地球上几乎所有生命体能量代谢的核心分子,也是生物系统中一种多功能核苷酸和重要的信号分子,参与各种生理活动。ATP在人体内稳态的失调与多种疾病密切相关,例如低血糖、缺血、帕金森病及恶性肿瘤等。如何实现在复杂生物微环境中对ATP的特异、灵敏的检测分析,一直是富有吸引力的研究课题。近年来纳米技术迅速发展,纳米材料以其独特的性质为探针的递送提供了良好的载体平台。目前已有很多基于金、碳、硅及量子点等无机纳米材料的光学传感器用于ATP的检测与成像研究应用。然而,这些无机材料一般具有细胞毒性,只有少数可以用于体内传感器应用,同时这些材料合成耗时繁琐,且探针是无规律地吸附或修饰在材料上,导致容易受到背景信号的干扰。目前,新型的DNA四面体作为最简单的DNA纳米结构可通过一步法快速合成,并且DNA本身即是生命体遗传物质,生物相容性很好,且具有结构稳定、细胞渗透能力好、可通过碱基设计进行程序化编辑、容易实现功能化修饰等优点,已经成为当前最具潜能的纳米载体材料之一,在小分子鉴定、生物传感以及肿瘤检测领域受到广泛应用。因此,本论文基于DNA四面体优良的特性构建了两种功能化DNA纳米结构用于胞内ATP的分析研究。主要研究内容概括如下:1.基于分子间FRET和DNA四面体介导的裂开型Aptamer探针用于细胞内ATP荧光成像针对常规DNA探针难以主动进入细胞并且容易被细胞内核酸酶水解导致产生假阳性信号等问题,本章利用DNA四面体纳米结构空间体积大、刚性强度高和生物稳定性强的特性,基于分子间FRET成像策略,将带荧光标记的裂开型核酸适配体片段分别修饰在两个DNA四面体纳米结构的顶点上,从而构建了一种DNA四面体纳米结构介导的裂开型核酸适配体探针用于细胞内ATP成像分析。该方法设计简单、灵敏度高,对溶液中的ATP的检测限可低至16μM,更为重要的是,该探针在细胞内的生物稳定性强,与ATP响应速度快,对人Hela细胞内的ATP稳定荧光成像可达8小时,有望为细胞内ATP的成像分析研究提供了一种新的高灵敏技术和方法。2.基于分子内FRET和DNA四面体介导的裂开型Aptamer探针用于细胞内ATP荧光成像在上一部分工作中,由于细胞内复杂环境影响,基于分子间的FRET信号转导方式两种荧光分子基团难以达到有效距离而使输出信号不是非常理想。针对这个问题,我们改用了分子内FRET策略,将裂开型核酸适配体的两个片段分别修饰在同一个DNA四面体纳米结构的不同顶点上,构建了一种基于分子内FRET和DNA四面体纳米结构介导的裂开型核酸适配体用于细胞内ATP分析方法。该方法与上个工作相比,对溶液中的ATP响应时间显著缩短,在20 s内基本完成,其检测限可低至3.9μM。该方法设计简单、灵敏高,生物稳定性好,可以实现对肿瘤细胞内ATP的动态变化水平进行荧光成像监测。