生物传感器是一种可以有效地将微观的生物化学反应信号以可视化、可量化的形式进行输出的高效生物电子器件,从而为人们的决策提供可靠的数据依据。生物传感器具有制备简单、特异性强、灵敏性高、响应速度快、便携化且易于集成化等优点,从而在生物医疗、环境监测、食品安全等方面表现出广阔的应用前景。一般而言,生物传感器以生物活性物质（如酶、抗体、微生物、细胞、组织、核酸等）作为分子识别基元（MRE）,而MRE在传感电极表面的有效固定化是生物传感器构筑过程中的关键。借助于载体材料可以实现MRE的有效固定,作为生物传感界面的一部分,载体材料的结构和性质对传感界面的分子识别反应、识别信号的传输都有着巨大的影响。其中,聚合物材料不仅可以改善传感电极的表面性质实现MRE的固定,还可以维持界面微环境的相对稳定以保持这些识别基元的生物活性,因此成为MRE在传感界面固定化的理想载体。然而,以聚合物作为载体材料构筑生物传感界面仍存在着一定缺陷:（1）非共价键固定作用力较弱,识别基元易于从聚合物基质中渗漏,长期稳定性较差;（2）共价键固定虽能增强MRE与载体的结合力,其操作过程复杂以致MRE的固定效率不高;（3）聚合物与MRE在传感器电极表面的组装主要是基于滴涂法,传感涂层结构与性能稳定性较差;（4）此外,传感界面聚合物对MRE的固定通常是以膜状或块状形式,深埋聚合物基质中的MRE与溶液中底物分子的传质阻力较大,从而限制了传感器的灵敏性与响应速率。因此,在构筑以聚合物为载体的生物传感界面的过程中,如何通过聚合物的分子设计及聚集形态的调控实现MRE在聚合物载体中以及传感电极表面有效、稳定的固定化,以构建稳定性好、灵敏度高的生物传感界面具有重大研究意义,这也是本文需要解决的主要问题。针对以上问题,本课题从聚合物分子结构与聚集体形态的设计出发,以功能化自组装胶体作为基本构筑基元实现对生物分子识别因子的负载,并通过电诱导（电泳沉积）多组分、多级次组装的方法实现分子识别基元在传感器电极表面的有效固定化,制备生物复合传感涂层并最终应用于生物传感器的构筑,为生物传感涂层材料的制备提供新策略与新思路。研究主线为:首先通过外电场诱导纯聚合物纳米粒子在传感器电极表面二次组装制备胶体粒子涂层,研究粒子涂层为基质对分子识别基元的固定化效果,验证大分子胶体代替聚合物分子链构筑生物传感界面的可能性与优势;其次,通过外电场诱导具有分子识别能力的酶/聚合物复合纳米粒子与导电银纳米粒子在电极表面同步共组装,制备0D/0D复合生物传感涂层,在解决酶在电极表面的固定稳定性差问题的同时提高传感涂层的灵敏性;进一步拓展,利用电场诱导酶/聚合物复合纳米粒子与2D氧化石墨烯片在电极表面共组装,制备具有级次纳微结构的0D/2D复合生物传感涂层,通过涂层材料性质与涂层级次结构的协同作用提高复合传感涂层的综合性能;最后,通过聚合物分子结构的合理设计,利用共组装的方法将分子识别酶、聚合物与无机导电碳纳米管（CNTs）制备兼具分子识别与导电能力纳米杂化组装体,并通过简单的电诱导组装制备复合生物传感涂层,拓展功能化大分子胶体-无机材料杂化组装体在生物传感涂层领域的应用。具体研究内容如下:1.基于自组装复合纳米粒子构筑免疫生物传感涂层以多巴胺（DA）改性天然聚多肽γ-聚谷氨酸（γ-PGA）制备改性聚谷氨酸（γ-PGA-DA）,随后与天然大分子壳聚糖（CS）通过静电作用自组装得到复合纳米粒子PGA-DA/CS NPs,系统研究溶液组装条件对粒子形态与性质的影响;通过电场诱导PGA-DA/CS NPs在电极表面二次组装形成粒子涂层,并对粒子涂层的形成机理与基本规律进行了系统探究;将粒子涂层用于锚定Au NPs并进一步固定分子识别抗体,制备出对目标抗原具有特异性识别的免疫传感涂层。结果表明:PGA-DA/CS NPs为球形形态,pH与盐浓度会影响粒子表面性质与稳定性。电诱导胶体粒子的迁移与沉积是基于电化学粒子凝聚机理,当沉积时间为120 s、沉积电压为1.0 V时涂层结构致密且均匀性较好。胶体粒子涂层独特的纳米微结构与DA粘附性位点的的存在,使得Au NPs能稳定分散在涂层表面,并通过Au-S键作用实现对抗体的高效固定化得到免疫传感涂层。所构筑的免疫传感器比同类型传感器具有更优异的传感性能,说明大分子胶体粒子构筑免疫生物传感涂层具有独特优势,也为免疫传感器的发展与创新提供了新的思路。2.基于载酶纳米粒子/银纳米粒子构筑复合生物传感涂层以光敏改性的生物大分子γ-PGA-AMC为聚合物载体,通过与分子识别酶（HRP）共组装制备得到酶-聚合物复合纳米粒子（HRP@PGA-C NPs）。随后通过外电场诱导HRP@PGA-C NPs与银纳米溶胶粒子（Ag NPs）在传感器电极表面一步共组装得到二元粒子（0D/0D）复合涂层,经紫外光照交联后得到HRP@PGA-C/Ag NPs复合生物传感涂层;系统研究了酶与聚合物的共组装行为、二元粒子组分在固体界面二次组装行为,揭示了载酶纳米粒子与Ag NPs共沉积的基本规律与共沉积机理,并探究涂层结构与传感性能之间的关系。结果表明:γ-PGA-AMC能很好地保持酶的生物构象,酶浓度、pH、盐浓度会影响载酶纳米粒子的聚集体形态;在沉积电压为1.0 V,沉积时间为120 s时,复合生物传感涂层具有均匀平整的形貌,多组分共沉积过程包含粒子累积絮凝机理与电化学粒子凝聚机理共同作用。Ag NPs的存在提高了复合传感涂层对底物的灵敏性与快速响应性,而光交联可以有效增强复合传感涂层的结构稳定性,从而提高酶生物传感器的传感稳定性。3.基于载酶纳米粒子/氧化石墨烯构筑复合生物传感涂层本章继续通过大分子结构设计,以可光交联的改性生物大分子-甲基丙烯酸羟乙酯改性γ-聚谷氨酸γ-PGA-HEMA（PGH）为聚合物载体,通过其与分子识别酶（HRP）在溶液中共组装制备酶-聚合物复合纳米粒子（HRP@PGH NPs）;通过外电场诱导HRP@PGH NPs与氧化石墨烯片（GO NSs）在电极表面一步共组装制备得到二元组分复合涂层（0D/2D）,随后利用电化学方法将GO NSs还原为导电石墨烯片（G NSs）,最后经紫外光交联制备得到复合生物传感涂层（HRP@PGH/GNSs）;系统研究溶液组装条件对复合纳米粒子的影响,研究外电场诱导条件对二元组分涂层形成的影响,研究GO NSs含量对复合传感涂层的影响,探究不同复合传感涂层结构与性能之间的构效关系。结果表明:当HRP浓度为0.2 mg mL^-1时,载酶复合纳米粒子尺寸较小（约40⁷0 nm）且分散性好,pH与盐浓度会影响粒子的聚集体形态与性质;通过电诱导HRP@PGH NPs和GO NSs可形成0D纳米粒子修饰2D GO NSs的复合涂层结构,在沉积电压为1.5 V、沉积时间为120 s及以上时,复合涂层结构完整性较好,共沉积依赖于二者在电泳迁移中的相互牵制作用与电极表面电荷中和作用。紫外光交联不仅可以有效防止酶分子的渗漏,同时提高了复合涂层的结构与性能稳定性。得益于组分材料与0D/2D级次结构的协同作用,复合传感涂层具有优异的综合传感性能。4.基于载酶纳米粒子-碳纳米管杂化组装体构筑复合生物传感涂层从聚合物结构设计与组装体的实用性出发,通过分子识别酶—葡萄糖氧化酶（GOx）、双亲性无规聚合物（PAVE）与多壁碳纳米管（MWCNTs）三者的共组装制备载酶聚合物-碳纳米管杂化组装体（GOx@PAVE-CNTs NCs）,利用外电场诱导二次组装制备复合生物传感涂层并用于生物传感器的构筑;优化聚合物分子结构以及聚合物/CNTs质量比对PAVE与MWCNTs的共组装行为,研究光交联、溶液pH对二元杂化组装体PAVE-CNTs聚集体形态的影响;研究GOx含量对三元载酶聚合-碳纳米管杂化组装体形成的影响;通过探究沉积电压与沉积时间对载酶杂化组装体二次组装行为的影响,揭示沉积过程中的基本规律与沉积机理。结果表明:PAVE与MWCNTs共组装可得到“串珠状”杂化组装体PAVE-CNTs NCs,PAVE分子结构与PAVE/MWCNTs的质量比会影响组装体形态,光交联会增强PAVE-CNTs NCs的结构与分散稳定性;在GOx浓度在2.0 mg mL^-1以下时,所形成三元杂化组装体仍能保持规整的“串珠状”,当GOx浓度过高时会破坏三种组分之间的作用平衡;通过外电场诱导杂化组装体二次组装,当沉积电压为3.0 V及以上、时间为5 min及以上时,可得到均匀连续、相互交错的三维网络结构的复合生物传感涂层,组装体迁移与沉积主要机理为电化学组装体凝聚机理,其特殊的线性结构使得界面组装发生相互牵制;光交联会通过增强酶的固定化效果提高其整体催化活性,且使涂层长期稳定性提高,纳米尺寸的聚合物纳米粒子提高了酶的固定量并增加活性位点的比表面积,而MWCNTs作为长程“电子桥”加快响应速率并提高传感器的灵敏度,所构筑的传感器具有优异的综合传感性能。综上,本课题以功能性大分子胶体为基本组装基元,结合外电场诱导二次组装技术,实现生物分子识别基元在传感界面的高效、稳定的固定化,同时通过引入无机导电纳米材料制备出具有结构级次、性能强化的复合生物传感涂层,解决了生物传感器构筑过程中的诸多问题;并通过对聚合物分子结构、涂层纳米结构与传感性能之间的构效关系研究,揭示了基于大分子胶体与其他功能组分的多组分、多级次组装规律与机理,不仅为生物传感涂层材料的发展与创新提供了有效的新策略,同时也拓展了大分子胶体在传感涂层领域的实际应用。