纳米技术和生物技术是二十一世纪的两大新兴科技领域。纳米材料是基于纳米技术和手段而产生的材料,将纳米材料的用途多功能化是纳米材料在各个研究领域中最具有前景的方向之一,纳米材料的功能化使用已经对多个高科技领域产生了重大的影响,在各大科学研究领域、技术应用领域都具有广阔的应用前景。复合纳米材料由于其性能在原有基础上得到相当程度的改良和提升,使其拥有多方面的可适应性和可调控性。将复合纳米材料作为一种新型的功能化基质和电子传导介质引入电化学生物传感器领域,使电化学生物传感器能更大程度地发挥纳米材料的和传感器本身的优势,此项技术将纳米技术与生命科学技术相互融合,可以从纳米维度空间出发在分子水平上研究目标物的分析检测,为纳米技术在生物医学、卫生化学、环境与食品检测等领域中的应用提供了切实可行的新技术和新方法。本论文就复合纳米材料的制备方法和性能优化、基于复合纳米材料的生物传感界面的构建以及生物传感器的制备、及以此建立的生物大分子和细胞生物传感器应用于分析检测领域展开研究。本论文的研究内容包含以下三个部分:第一部分:构建了基于壳聚糖/Fe3O4复合纳米粒子为基质的血红蛋白（Hb）生物传感器并用于三氯乙酸（TCA）的检测。采用能量色散X射线分析（EDS）和X射线衍射法（XRD）等方法研究了壳聚糖/Fe3O4复合纳米材料的结构,结果表明与壳聚糖复合的Fe3O4纳米材料不仅提供了有效的负载能力,使其结合更加牢固,同时对血红蛋白具有更好的生物相容性。根据电化学测试结果,固定在复合纳米材料修饰电极上的Hb的电子转移速率常数（ks）为3.12 s-1,表明该过程为快速的电子传递过程。Hb对TCA的还原表现出优异的电催化还原活性,在该传感器上,TCA的响应电流在其浓度从5.70 μM至20.5 mM范围内呈线性相关,检出限为1.90 μM（S/N=3）,该传感性能完全满足环境、食品、医疗等领域对TCA检测灵敏度的要求,并尝试应用于地表水、环境水、血液、尿液等实际样品的测试,所得回收率在99.1%-99.6%之间,满足检测准确度要求。第二部分:用三种方法在玻璃碳电极（GCE）表面构建CS@Fe3O4功能界面并进而组装Hb分子,分别得到为天然无序Hb、天然有序Hb和磁性有序的Hb,最终实现Hb分子在表面的有序化固定,从而提高Hb的稳定性、携带及储存氧的能力。通过SEM、XRD和UV-vis等方法对Hb-CS@Fe3O4的形貌和结构进行表征。结果表明,Hb与CS@Fe3O4有充分的结合,且通过施加磁场对其实现了有序化并能保持其生物活性。在无氧氛围中,电极表面的由吸附控制的电化学过程的电子转移速率（ks）为2.14 s-1。GCE修饰电极上的有序Hb显示出良好的氧储存能力,经实验测定约为6小时,较无序Hb的有显著增加。用其中第三种方法在GCE上进行修饰构建的有序Hb-CS@Fe3O4对氧气具有最好的电催化还原活性。构建的有序Hb修饰电极对O2的线性检测范围为1.21×10-7～2.01×10-4mol L-1,检测限为4.04×10-8 mol L-1。该研究结果有望应用在临床、急诊、航空航天等特殊领域,可以快速高效地提升人体携带和储存氧的能力,让某些极限运动或极端环境也能有更好的工作条件。第三部分:基于藻酸盐-聚赖氨酸微囊化血红蛋白（AP@Hb）和Au纳米颗粒（AuNPs）的功能,构建了用于快速检测1-芘丁酸（1-PBA）的高灵敏度和高稳定性基于电流的库伦型生物传感器。AP@Hb简单地通过两步模板方法制备,用扫描电子显微镜表征其形貌和尺寸,结果表明该微胶囊结构有效实现了对Hb的包裹,从而有利于Hb在传感界面上的固定,同时AP为Hb提供良好的生物相容性,有利于Hb活性的保持。AuNPs对基础电极表面的功能化,不仅提供了负载微囊化血红蛋白的可行性,且有利于促进电极和Hb之间的电子转移,通过AuNPs的电子隧道效应和Hb的催化还原作用,所构建的传感器实现了快速电子转移和对1-PBA的高灵敏度检测,其库伦响应线性范围为23.5 fM～64.2 μM,定量检出限低至23.5 fM,优于现有的各种检测方法,回收率在100.6%-103.0%之间,满足痕量分析准确度要求。因此,该传感器有望应用于实际样品中1-PBA的定量检测;并可能有助于公共卫生机构控制和预防由此引起的某些疾病。第四部分:致力于研发一种新型传感界面,用于研究活细胞的氧代谢。以壳聚糖@TiO2纳米复合材料为载体基质,对氧化铟锡玻璃（ITO）表面进行功能化,该复合材料不仅可通过具有优异生物相容性的壳聚糖有效吸附固定A549细胞于传感界面,其中的TiO2纳米材料作为一种高效的光敏催化剂可有效增强鲁米诺的电化学发光（ECL）,且这种增强作用与活性氧（ROSs）直接相关,两者的复合有效地实现了细胞传感器的构建,同时提高了传感器的输出水平。在此平台上,ECL的输出信号强度取决于细胞代谢所产生活性氧的水平,这通过白藜芦醇（一种典型的ROSs清除剂）干预的水平得以证实。结果表明,白藜芦醇在0.10 nM至2.97 μM的浓度范围内猝灭ECL信号。因此,鲁米诺的ECL信号在此活细胞平台上对含氧物质敏感度响应结果是可信的,可有效应用于对细胞的氧代谢监测。上述研究工作重点关注于生物活性材料（血红蛋白、细胞）与有机材料、无机纳米材料之间的复合和协同作用,对电化学反应界面进行功能化,以获得优异的生物传感性能,作为应用实例,分别实现了对三氯乙酸、1-芘丁酸和活性氧的快速高灵敏传感。研究结果在一定程度上阐明了生物大分子或细胞在传感界面上的响应机制、有机材料及无机纳米材料对传感器构建及响应性能的作用,为应用更多生物活性材料构建生物传感器提供了有意义的借鉴,对拓宽生物传感器的研究领域和应用具有较为明显的促进作用。