富含鸟嘌呤的DNA在配位阳离子如K+存在下,可以通过Hoogsteen氢键,折叠形成一种称作G-quadruplex(中文译为四极子)的四链螺旋结构。四极子DNA在分子生物学、生物医学和分析化学等领域具有广阔应用前景,尤其是,一些四极子DNA在辅助因子血红素存在下,展现出过氧化物酶活性,即四极子DNAzyme,在传感分析中得到广泛应用。本论文工作中,我们研究探讨了四极子DNA结构与功能间的内在联系,并利用一些功能化的四极子DNA结构来分析检测一些特定目标物以及构建一些新概念的分子逻辑门和DNA分子机器。主要研究内容与创新点可分为以下几个方面:　　 (1)系统研究了碱基配对作用对四极子DNA结构与功能的影响,发现悬挂在四极子DNA结构一侧的少量碱基对可以提高其亲和力和DNAzyme活性;据此,首次提出利用嫁接法来改善适配子、DNAzyme性能的设计思想,并将其用于提高蛋白质传感器的灵敏度;基于碱基配对对四极子DNAzyme活性的调节作用,构建一些高灵敏的DNA、金属离子、氨基酸比色传感器。　　 (2)首次研究报道了两种具有重要生物医学意义的四极子适配子AGRO100和T30695的DNAzyme功能,阐释了其多功能性,即能够同时结合血红素和相应的蛋白质配体;基于AGRO100的多功能性,将其用于化学发光检测HeLa细胞表面表达的蛋白质标志物一核仁素;并且,以AGRO100这种新发现的四极子DNAzyme来构建一些高灵敏、专一的金属离子传感器,用于比色检测水中的K-、Hg2+。　　 (3)研究探讨了四极子DNA与血红素、原卟啉等配体之间的作用机制,论证了四极子DNA提供的轴向配位作用、疏水环境能够显著促进血红素、原卟啉的催化活性或荧光强度;清楚地揭示了四极子DNA的结构与功能间的一些内在联系,指出四极子DNA结构的环长度、构像是决定其绑定血红素的亲和力和DNAzyme活性的关键因素,这一规律性结论还适用于四极子DNA与原卟啉间的相互作用。　　 (4)首次研究了Pb2+稳定的四极子DNA结构与血红素、锌原卟啉等配体间的作用,发现K+、Pb2+这两种配位离子可用来激活或关闭一些四极子DNAzyme的活性,据此设计了一类全新概念的DNA分子逻辑门,并进一步用于Pb2-传感分析中;基于Pb2+稳定四极子DNA的高效率,以Pb2+来诱导四极子DNA与互补链组成的双链结构发生变构现象,这种Pb2+驱动的DNA分子机器可用作pb2+荧光传感器,体现了一种新的传感器设计思想,也就是将传感器层次上的高灵敏度、高选择性与分子机器水平的可逆性、重复性有机结合在一起。　　 (5)利用外部刺激K+、H+来诱导DNA发夹结构转变成四极子和I-motif结构,对DNA保护的银纳米簇的荧光性质进行调节控制,从而发展了一类新型的多功能分子逻辑门,只需简单地切换激发波长,一种DNA保护的银簇粒子便可实现多个逻辑运算。