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酶生物燃料电池(EBFC)可以将生物体液中的化学能或生物化学能转化为电能,因而备受关注。EBFC具有传统燃料电池无法比拟的优点,例如燃料来源广泛、环境友好、反应条件温和等。导电纳米材料具有导电性好、比表面大、生物相容性好等特点,已在EBFC研究中得到了广泛应用。目前EBFC研究主要集中于两方面：一方面为探寻性能良好的纳米材料用于构建高性能的EFBC;另一方面为基于EBFC开发新应用。本论文的主要工作也主要集中于这两方面。主要内容如下：1、氮掺杂石墨烯在以NAD+为辅酶的脱氢酶电化学传感器及酶生物燃料电池中应用平台的构建氮掺杂石墨烯(NG)由于氮原子的孤电子对与sp2杂化的碳骨架形成共轭离域体系,表现出了比石墨烯更好的电催化活性,我们发现NG具有类似于NADH脱氢酶(CoI)活性。其类似于CoI中黄素单核苷酸(FMN)可有效催化NADH的氧化。同时由于NG优异的导电性,其还起到电子传递桥的作用,将电子从NADH传送至电极表面,因此NG修饰电极对于NADH具有良好的响应,并对其催化机理进行了系统的研究。以甲酸脱氢酶(FDH)作为NAD+为辅酶的脱氢酶模型,基于NG/Au NPs/FDH复合物电极,我们构建了甲酸电化学生物传感器,该传感器对甲酸表现出良好的电化学响应信号。并且基于NG/Au NPs/FDH生物阳极与NG/Au NPs/laccase生物阴极构建了一种新型的高功率输出的无隔膜甲酸/O2酶生物燃料电池(EBFC),其表现出优异的输出性能,串联两个EBFC可以点亮红色LED。由于NG/Au NPs/FDH构建的传感器与生物阳极在甲酸催化氧化过程中可有效循环辅酶NAD+/NADH,因此我们构建了以NAD+为辅酶的脱氢酶在电化学生物传感和EBFC中的应用平台。2、基于碳纳米管/石墨氮化碳纳米片/金纳米粒子三元复合材料的酶生物燃料电池的研究鉴于NG在酶生物传感及其EBFC中表现出良好的性能,我们探寻了一种更高含氮量的碳材料—石墨氮化碳纳米片(g-C3N4 NSs)。但g-C3N4 NSs存在导电性差的缺点,限制了其在电化学传感方面的应用,而将其与导电性纳米材料复合可以解决这一问题。因此我们制备了一种新型的碳纳米管/石墨氮化碳纳米片/金纳米粒子(CNTs/g-C3N4 NSs/Au NPs)三元复合材料,并将其作为一种有效的基底电极用于构建葡萄糖/O2EBFC。基于三元复合材料构建的EBFC表现出比CNTs/Au NPs二元复合材料更优异的性能,功率输出与稳定性均有所提高,证明将g-C3N4 NSs引入到复合材料,可以有效改善EBFC性能。3、基于EBFC的超灵敏可再生自供能细胞传感器的研究开发了一种EBFC的新应用,即构建了一种基于EBFC的超灵敏自供能细胞传感器用于检测急性白血病CCRF-CEM细胞。EBFC细胞传感器的核心组成为适配体(Sgc8c)功能化的阴极和氮掺杂石墨烯/金纳米粒子/葡萄糖氧化酶(NG/Au NPs/GOD)修饰的阳极,此EBFC产生的最大功率密度输出(Amax)为115μW cm-2。当带负电的CCRF-CEM细胞被适配体识别并捕获在阴极时,细胞的位阻效应和与氧化还原探针[Fe(CN)6]3-的静电排斥作用会显著阻碍探针和阴极表面的电子传递,从而导致EBFC功率输出显著降低,据此可用来灵敏地检测细胞。另外,提高阴极温度可以改变适配体的特定构型,从而使捕获的CCRF-CEM细胞在适配体功能化的阴极上释放,进而恢复EBFC细胞传感器的功率输出。重新活化的阴极可以再次捕获CCRF-CEM细胞实现EBFC细胞传感器的重建。该传感器有望成为早期癌症诊断的有力临床工具。