酶是一类具有生物催化活性的生物大分子,广泛存在于生物体内的细胞和组织中,在生物的新陈代谢、信号传导、能量转换等过程所涉及的所有反应中起着至关重要的作用。游离态酶虽具有催化效率高、专一性强等优点,但其结构极易受溶液pH、温度、有机溶剂等因素影响,且很难回收再利用。与游离态酶相比,固定化酶可大幅度改善酶的稳定性和可重复利用性。此外,通过某种方式(如别构调节等)改变酶的空间构象,进而改变酶的催化活性,可实现对酶活性的有效调控。纳米材料因其独特的物理和化学性质已被广泛用作酶的固定化载体,基于纳米材料的高比表面积和好的生物相容性,可提高酶的负载量和酶的稳定性,然而,纳米材料的形貌和性质如表面官能团的种类与数量、亲疏水性、机械强度等,很大程度上会影响固定化酶的催化性能。因此,合理设计特殊性质的纳米材料是高性能的酶基生物纳米催化体系构建的必要条件。本博士学位论文围绕生物纳米材料的设计与合成、高性能的酶/纳米材料生物催化体系的构建及其性能研究,具体开展了以下四个方面内容:1.3,4,9,10-苝四羧酸/石墨烯复合物的质子化与去质子化研究及其应用提出了以π-π stacking作用构建功能化石墨烯复合材料的方法,探索了构筑材料的性能。我们将3,4,9,10-苝四羧酸(PTCA)通过π-π stacking作用一步修饰于石墨烯表面,制得PTCA/石墨烯复合物(PTCA/G),并对其电化学行为进行了详细研究。循环伏安扫描结果显示,PTCA/G修饰电极呈现出四对不可逆的电流峰,分别对应于PTCA上四个羧基官能团的质子化与去质子化过程。四对电流峰的峰电位存在较大的差异,说明PTCA的四个羧基之间存在静电和氢键两种相互作用。同时,对于PTCA/G质子化与去质子化过程,其在低扫速时为一表面控制过程,而在高扫速时为质子的扩散控制过程。另外,提出了以酰胺化反应将葡萄糖氧化酶共价修饰于PTCA/G表面,构建了一灵敏的葡萄糖电化学传感器,对葡萄糖的检测线性范围为0.5-5 mM,检测限为0.02 mM,PTCA/G表面的葡萄糖氧化酶的表面米氏常数Km为23.6 mM,比游离态葡萄糖氧化酶的Km小,说明其对底物具有更高的亲和性。2. Mg-Al-LDH的制备及高催化活性HRP/Mg-Al-LDH纳米生物催化体系的构建提出了 一种绿色的共沉淀法一步合成具有3D分级结构的Mg-Al-C03型层状双金属氢氧化物(LDH)片层材料的新方法。实验中,以SEM、TEM、XRD等技术对制备的材料形貌、成分等进行了详细分析。通过对LDH纳米花生长机理的探究,推测调控LDH纳米花生长的关键过程是空气中二氧化碳的缓慢扩散和溶解,其很大程度上抑制了 LDH的快速生长。因该共沉淀法不涉及高温和有机物,可用于构建生物酶/LDH纳米催化体系。我们以HRP为模型体系,利用提出的合成方法一步合成了 HRP/Mg-Al-LDH纳米花,与游离态HRP相比,组装酶的催化活性和稳定性都得到了显著提高,较小的表观米氏常数(0.16 mM)表明组装酶对底物具有更高的亲和性。LDH纳米花原位生长于铝基底表面,可直接用作电极材料,且其比表面积大,生物相容性好,在生物催化、医药、超级电容器、阻燃剂等领域有着很大的应用前景。3.超高生物催化活性的β-gal/Mg-Al-LDH纳米复合物体系的构建及性能研究基于生物分子的别构效应成功构建了超高催化活性的β-gal/Mg-Al-LDH纳米生物催化体系。通过XRD、FTIR和CD谱的研究结果发现,因β-gal与其别构效应物Mg2+间存在别构作用,与LDH片层间存在氢键和亲疏水等弱相互作用,使限域于LDH层间的β-gal构象发生了明显的改变,进而大幅度改善其催化活性。催化动力学研究发现,β-gal/Mg-Al-LDH复合物的初始反应速率明显大于游离态β-gal,说明其具有更高的催化活性。同时,β-gal/Mg-Al-LDH较小的表观米氏常数(4.14 μM)说明复合物中的β-gal对底物具有更高的亲和力,使其在生物传感、生物燃料电池、生物医学上都有着潜在的应用前景。4.基于Fe(Ⅲ)催化过氧化氢还原的蛋白激酶活性分析及其抑制剂检测蛋白激酶是一类催化蛋白质磷酸化的酶,在真核细胞信号传导过程中起着非常重要的作用。快速灵敏的蛋白激酶活性分析及其抑制剂筛选,对疾病治疗和生物分析具有重要的指导意义。基于铁离子与磷酸根的特异性相互作用以及形成的配合物对H2O2具有高仿生催化活性,我们提出了一种免标记、高灵敏的蛋白激酶活性分析及其抑制剂检测的电化学策略。铁离子对磷酸基团的高亲和性使其可被固定于多肽的磷酸化位点,形成仿生催化活性中心,利用其对H2O2的高催化活性,实现对磷酸化信号的放大,进一步实现对蛋白激酶活性的高灵敏检测及其抑制剂的高效快速筛选。实验中,H2O2的电催化还原电流随着蛋白激酶PKA的浓度增加而增大,检测限为0.1 U/mL。我们提出的免标记方法具有较高的灵敏度,在生物化学研究和临床诊断方面有潜在的应用前景。