实验目的：　　天然酶具有特异性和高效性的特点，能够催化生物化学反应。但其结构易受外界条件影响发生变化，而且存在储存成本高、不稳定和生物体内含量低等缺点，使得天然酶在实际应用中受到了极大的限制。因此，寻找一种具有高催化活性可重复利用、稳定的模拟酶显得极为重要。石墨烯是一种以sp2杂化碳原子排列而成的具有单原子厚度的新型二维材料，有研究表明羧基化氧化石墨烯具有一定的过氧化物酶模拟物活性[1]，而在石墨烯中掺入杂原子例如氮，能够有效提高石墨烯的催化活性[2]。研究表明，磁纳米颗粒也具有过氧化物酶模拟物活性[3,4]。因此，本论文通过构建磁-氮掺杂石墨烯复合纳米材料，结合磁纳米颗粒和氮掺杂石墨烯的协同作用，进一步促进了复合纳米材料作为过氧化物酶模拟物的催化活性。在此基础之上，构建了高性能的光学生物传感器，能够直接检测过氧化氢（H2O2）或葡萄糖浓度,为临床血糖检测提供了新的方法。　　实验方法：　　（1）氮掺杂石墨烯（NG）及磁-氮掺杂石墨烯（MNP/NG）的制备　　首先采用边缘功能化球磨法，将石墨粉和含氮生物材料壳聚糖经过球磨，转移，离心，透析，冷冻干燥等步骤制备得到纳米厚度的NG；然后通过简单的共沉淀法合成MNP/NG复合材料，分别用无水乙醇和水洗涤三次之后，冷冻干燥成固体以备后续实验。　　（2）氮掺杂石墨烯（NG）及磁-氮掺杂石墨烯（MNP/NG）的表征　　通过原子力显微镜（AFM）和透射电镜（TEM）对制备的样品进行形貌表征；使用拉曼光谱（Raman）对纳米材料进行结构分析；采用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）和磁滞曲线对MNP/NG的结构和性能进行表征。　　（3）MNP/NG的过氧化物酶模拟物催化活性及稳态动力学分析　　采用2，2-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）作为显色底物，对H2O2氧化 ABTS的反应进行检测。通过对比 H2O2、ABTS、MNP/NG、ABTS+H2O2、ABTS+H2O2+ MNP/NG等五组实验组，利用显色反应和紫外分光光度计法来考察MNP/NG作为过氧化物酶模拟物的催化活性。然后通过控制变量法对影响MNP/NG的催化活性的温度和pH条件进行优化，找出最佳反应条件。最后通过稳态动力学进行分析，对比 MNP/NG,MNP和NG三者在催化反应中的米氏常数 Km值，探讨MNP/NG作为过氧化物酶模拟物的催化机理。　　（4）光学生物传感器对过氧化氢及葡萄糖的检测　　以MNP/NG作为过氧化物酶模拟物，ABTS作为固定MNP/NG的底物，构建高性能光学生物传感器。分别通过比色法和紫外分析法来分析光学生物传感器对于不同浓度的H2O2和葡萄糖的检测能力。随后，根据反应后的氧化ABTS在417 nm处的紫外吸收值做吸光度与H2O2（或葡萄糖）浓度的校准曲线，确定所构建的光学生物传感器的各项性能。通过将吸光度拟合到米氏方程（Mmichaelis-Menten equation）中计算得到米氏常数Km。　　实验结果：　　（1）NG及MNP/NG的表征结果　　AFM与TEM结果表明所制备的NG具有很好的片层结构，片层厚度约为1.8 nm。将MNP沉积到NG表面后，所得到的MNP/NG的厚度增加到15.7 nm。拉曼结果显示，NG和MNP/NG具有典型的石墨烯特征峰，且MNP在NG上的沉积在石墨烯结构中引入了更多的缺陷，表现为MNP/NG的D峰与G峰的强度比ID/IG随着MNP的沉积而增大。XRD，FTIR及磁滞曲线结果进一步证实了MNP在NG上的沉积，且MNP/NG保留了良好的磁性。　　（2）MNP/NG的过氧化物酶模拟物催化活性及稳态动力学分析结果　　MNP/NG的过氧化物酶模拟物催化活性检测结果表明，MNP/NG能够很好地催化ABTS与H2O2之间的氧化还原反应，可以作为一种优异的过氧化物酶模拟物。此外，MNP/NG在40℃和pH=4.0条件下具有最佳的催化活性。稳态动力学分析结果显示，MNP、NG和MNP/NG的米氏常数Km分别为0.785×10-3mol/L、0.6×10-3mol/L和0.47×10-3mol/L，MNP和NG的Km值均大于MNP/NG，表明MNP/NG与底物 H2O2之间具有更高的亲和力和更强的催化活性。　　（3）光学生物传感器在过氧化氢和葡萄糖检测方面的应用结果　　反应液比色结果显示，随着H2O2（或葡萄糖）浓度的增加，反应液颜色由无色到墨绿色逐渐加深，表明被氧化的ABTS量逐渐增多。氧化态ABTS的紫外吸光度与H2O2（或葡萄糖）浓度的校准曲线结果表明，该光学生物传感器在H2O2浓度为0.05-10 mmol/L范围内，吸光度相对H2O2浓度呈现良好的线性关系，检测限为17.1×10?6 mol/L（S/N=3）。在葡萄糖浓度为0.1-18 mmol/L范围内，吸光度相对葡萄糖浓度呈现很好的线性关系，检测限为57.9×10?6 mol/L（S/N=3）。另外通过对不同糖类进行检测表明该光学生物传感器具有优异的选择性。　　实验结论：　　本论文通过高效简便的边缘功能化球磨法制备了生物相容性好、催化性能优的氮掺杂石墨烯NG，结合共沉淀法进一步合成了MNP/NG纳米复合材料，具有优异的过氧化物酶模拟物活性，能够高效地催化H2O2与ABTS之间的氧化还原反应，基于所研制的MNP/NG的优异催化活性，本论文进一步构建了高性能的光学生物传感器，能够高效快捷地检测过氧化氢和葡萄糖浓度，在生物传感器和生物医学工程领域具有巨大的科研意义和应用价值。