近年来,具有识别功能的分子与纳米材料的结合发展已经成为以特异性识别为基础的分析化学的一个非常重要的分支方向,同时随着化学生物传感在环境、生物、医药等领域受到越来越多的科研工作者的关注,具有可调控、低背景等优异特性的生物传感器也取得了较大的发展。其中对于目标物具有高特异性的功能化核酸分子与有机小分子的发展,为新型探针的设计提供了许多新的思路和手段。通过合理的设计和筛选,研究者得到了许多可以针对不同检测对象的功能化核酸分子,例如分子信标、DNA酶等,而功能化核酸分子与低维碳纳米材料的结合可以起到降低背景信号,促进检测信号的转换,放大检测信号的作用。有机小分子探针因其检测灵敏度高、选择性好和使用方便等特点,已经成为设计新型生物化学传感器的另一有力工具,基于有机小分子探针分析目标物中的传感策略是影响小分子探针传感性能的最主要因素,因此研究与发展新型的可调控、检测灵敏度高、对目标物选择性好的小分子有机探针,以及开发新的探针、检测方法一直是构建小分子有机探针的值得探索的方面。有机分子和纳米材料相结合应用于生物传感体系设计,可以提高分子识别的能力,产生并放大检测信号,有助于将分析方法和检测体系进一步应用于活体分析和疾病相关诊疗。但是在目前的相关研究中,存在荧光检测信号强度较弱、抗光漂白能力低、核酸探针分子的设计合成较为复杂以及检测信号的生物背景干扰较强等问题。为了解决上述问题,本论文的研究重点集中在有机小分子探针与低维碳纳米材料的非共价相互作用、可调控的有机分子电化学探针及功能化DNA探针逻辑门的构建。具有芳香环的有机分子和碳纳米管之间具有较强的π-π共轭作用,因此可以通过碳纳米管将有机分子固定在电极表面,利用有机分子与目标物的识别事件产生的具有电活性的基团进行电化学的检测。此外,在有机分子中引入可以在不同条件下发生异构化的功能分子螺吡喃,设计成了具有可调控功能的电化学传感器。而一些特定的分析对象可以改变核酸探针分子的结构和杂交状态,影响修饰在核酸分子上的荧光基团及其相应的性质,利用此性质可以实现多重功能化DNA逻辑门的切换。本文研究内容如下：1.通过氟离子与硅氧键的亲核反应构建新型氟离子电化学传感器。有研究表明Si-O键在氟离子的作用下可以发生断裂,本文设计了一种硅烷化的螺吡喃衍生物探针SPS并通过碳纳米管将之修饰在玻碳电极表面,SPS中的硅氧键可以特异性地被氟离子切断,在6号位产生一个酚氧阴离子,然后在极性溶剂中产生从闭环螺吡喃结构到开环部花青结构的异构化,并导致具有电活性结构对苯二酚的产生,同时在循环伏安扫描下产生一对可逆的电化学氧化还原峰,从而实现水溶液中氟离子的快速和灵敏检测。2. DNA模版合成银纳米颗粒用于电化学检测二型糖尿病。把连接生物素的capture核酸与接有亲和素的硅纳米微球相结合,形成与微球相结合的capture核酸。当微球capture核酸与野生型目标DNA或者突变型目标DNA (Targetl或Target2)杂交后,加入RNase HII后反应一段时间,体系中与正常人DNA片段相结合的capture核酸片段的RNA位点不会被切割；而与突变型目标DNA片段相结合的capture核酸,其RNA位点会被切割,其余的DNA片段由于不稳定而解离并进入离心后的上清液,作为合成银颗粒的模板。DNA模板通过共轭作用吸附在修饰有单壁碳纳米管的电极表面,将含有银离子的溶液与DNA模板孵育一段时间后,加入还原剂NaBH4,可以在玻碳电极表面原位合成银颗粒。通过银颗粒在含有氯离子的溶液中的固态电化学信号可以检测不同浓度的DNA模板,进而实现突变型DNA的浓度分析。3.基于光信号及目标物调控的螺吡喃衍生物电化学探针与电极表面之间的电子转移研究。本文在螺吡喃分子的6号位碳原子上面通过糖苷键键合一个半乳糖分子从而设计了一个新型的螺吡喃探针SP-β-gal。SP-β-gal的糖苷键可以被半乳糖苷酶特异性水解,导致6号位上出现酚羟基,接着在紫外光的照射之后,由于螺吡喃探针开环导致螺吡喃分子上形成对苯二酚结构,对苯二酚是一种经典的电活性物质,电极表面在循环伏安扫描下可以产生一对可逆的氧化还原峰。该探针的特性是必须同时满足光照和酶水解这两点要求,缺一不可,因此可以基于这一点,实现对于半乳糖苷酶的可调控检测。4.基于功能化DNA的多重逻辑门的设计。本文设计了一条功能化双链DNA探针,双链DNA上修饰有三个荧光基团FAM、ALEXA和TAMRA,同时将铅离子特异性的DNA酶和富T序列引入双链DNA探针,以铅离子和汞离子的四种不同的混合加入方式作为逻辑门的四种输入信号,仅仅通过改变激发波长和观测波长,就可以实现三种逻辑门之间的自由切换。