生物传感器是一个典型的多学科交叉产物,是分析生物技术的重要领域之一,经过30多年的发展,已经成为一个涉及内容广泛、多学科介入和交叉、充满创新活力的领域。电化学生物传感器研究内容十分丰富,一直处于生物传感器的主导地位,取得大量研究成果,并已经获得广泛应用。纳米技术的引入,使生物传感器的研究发展到更加高级的阶段,表现在性能的极大提升。纳米材料的纳米效应所带来的大比表面积、良好化学稳定性和生物相容性、强吸附能力等特性能显著改善生物传感器敏感元件的固定与信号放大。本论文从组装有序纳米体系出发,采用模板法和种子法,构建性能优良的新型电化学生物传感界面,以提高生物分子的固定效率、有序取向和保持良好的生物活性,同时提供良好的电子传递。所发展的生物传感器具有制备方法简单,性能优良,可靠性良好,再生容易等优点。具体内容如下:(1)利用聚碳酸酯模板的空间阻碍和导向作用,直接在玻碳电极表面电沉积三维有序金纳米簇;并以人IgG为分析模型,将该修饰电极用于构建夹心免疫电化学传感器。电沉积金纳米簇提供了直接的蛋白分子固定和电子传递界面,而不需要任何再修饰和有序调节。扫描电镜、循环伏安、交流阻抗等方法被用于研究修饰界面的特性。所制备的金纳米簇具有稳定性好、比表面积大、生物相容性和电子传递性能好的特点。在优化的实验条件下,人IgG的检测线性范围为1 ng mL-1至10μg mL-1,覆盖四个数量级,检测下限为0.5 ng mL-1(3 S/N)。校准曲线为二次拟合曲线(R2=0.9914)。基于金纳米簇免疫传感器具有组装方法简单、响应快速、检测下限低、线性范围宽、容易再生、重现性和稳定性好等优点(第2章)。(2)利用聚碳酸酯模板结合电沉积方法首次合成了平均直径约200 nm,长度约5μm的聚甲苯胺蓝纳米线(PTBNWs)。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行形貌表征。辣根过氧化物酶(HRP)通过原位电聚合,包埋在聚甲苯胺蓝纳米线中(PTBNWs-HRP),应用于过氧化氢电化学生物传感器。在PTBNWs-HRP修饰的玻碳电极催化过氧化氢的还原反应中,PTBNWs作为优良的氧化还原电子媒介在HRP和GC之间展现出高效率的电子传递,此传感器对过氧化氢的线性范围为1μM至28 mM,线性相关系数为0.996,检测下限为1μM(3 S/N),响应时间小于5 s(第3章)。(3)提出了一种简单、生物友好型的基于羟基磷灰石纳米线阵列(HANWA)的生物传感器制备方法。采用模板法电化学沉积,制备了生物相容性好、表面积大,具有空间取向和大量吸附位点的HANWA,并将之应用于氰化物生物传感器的构建。排列有序的羟基磷灰石纳米阵列由平均直径为200 nm,长度为1μm的呈垂直分布的羟基磷灰石纳米线组成。辣根过氧化物酶(HRP)通过壳聚糖(CHIT)包埋固定于羟基磷灰石纳米线阵列表面,利用氰化物对HRP活性的抑制作用实现该目标物的电化学测定。这种有机/无机复合材料不仅可以使酶生物分子与底物充分接触,同时使固定的酶保持良好的生物活性。分布密集的羟基磷灰石纳米线阵列具有大比表面积和大量吸附位点,是优良的电化学生物传感界面。该HANWA/CHIT-HRP氰化物生物传感器具有空间取向好、检测灵敏(检测下限达0.6 ng mL-1)、响应快、再生迅速的优点。这种新的分析装置有望应用于环境和食品工业中的毒物监测(第4章)。(4)首次将种子法运用于铁氰化钴纳米颗粒(CoNPs)的生长。以粒径为3.5 nm的金颗粒作为种子,以多壁碳纳米管(MWCNTs)作为生长支架,成功制备CoNPs /CNTs修饰玻碳电极,该复合纳米材料对还原过氧化氢具有协同作用。通过金种子,一步法合成CoNPs,不需其它偶联试剂的情况下修饰在玻碳电极上,修饰方法简单,巧妙地发挥了铁氰化钴的电化学属性。固定葡萄糖氧化酶,该传感界面可用于葡萄糖传感器。CoNPs的形成是在小金种纳米颗粒上的化学沉积过程。金纳米种子桥连了铁氰化钴纳米颗粒和碳纳米管从而形成一种巧妙的纳米复合物。球形CoNPs比较均匀的分散于碳纳米管三维网状结构中,平均粒径为100 nm。在没有金种子的控制实验中,铁氰化钴形成连续的薄膜,其尺寸远大于纳米水平,催化性能也大大减弱。该合成/制备/修饰方法简单、快速,无需预先制备铁氰化钴纳米颗粒和费时的交联过程。实验优化了种子量、碳纳米管量及生长时间、生长溶液的浓度。采用了扫描电镜(SEM)和电化学方法进行表征(第5章)。(5)提出了一种以金纳米颗粒(AuNPseed)作为种子,复合碳纳米管与铂纳米颗粒修饰电极的新方法。首先将3.5 nm的纳米金溶液滴加在修饰了碳纳米管(CNT)的电极表面,然后将电极浸泡到含氯铂酸和抗坏血酸的溶液中原位还原生长铂纳米颗粒(PtNP)。采用电沉积方法固定葡萄糖氧化酶,所制得的AuNPseed/PtNP/CNT葡萄糖电化学传感器具有灵敏度高(4.49μA mM-1)、响应快速(2 s),检测限低(0.5μM)和线性范围宽(1μM—4 mM)等优点。该修饰方法为设计其他基于氧化酶的电化学传感器提供了一种思路(第6章)。(6)提出了一种基于珊瑚状纳米金高灵敏检测生物小分子的亚甲基蓝嵌入式可再生适配子电化学传感器。金电极首先组装己二硫醇,接着组装纳米金(12 nm),然后放入生长溶液(含氯金酸、十六烷基溴化氨和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)使12 nm金种生长,用于固定捕获探针。以腺苷为分析模型,通过电化学阻抗、交流伏安、扫描电化学显微镜、扫描电子显微镜和表面增强拉曼散射等手段研究修饰界面的性质。阐述了电化学信号的产生缘于腺苷和亚甲基蓝竞争结合适配子的机理。该生物传感器具有以下优点:灵敏度高、选择性好、检测范围宽(4个数量级)、检测下限低(1 nM)、对适配子结构无特殊要求,易于推广,可通过使用不同的适配子检测相应的目标物(第7章)。