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纳米技术是20世纪80年代发展起来的一门新兴学科,这项跨世纪的高技术,如初升的太阳在地平线上冉冉升起,引起各国家科技界、企业界及普通百姓的高度重视。该技术以多门现代科学技术为基础,是现代科学和现代技术结合的产物,代表着今后人类科学技术发展的趋势,也将成为现代高科技和新兴学科交叉发展的研究热点,并已渗透到现代科学的各个领域。当物质小到纳米数量级时,会产生独特的常规材料所不具备的优越性能,因此,纳米材料在催化、电子材料、微器件、增强材料等方面有着广阔的应用前景。如果将纳米材料用作电极表面修饰材料,由于其尺寸效应和介电限域效应等特性,能增大电流响应,大大提高检测的灵敏度并降低检测限;另外,由于许多纳米材料都具有特有的生物兼容性,因此可用于许多微量的生物活体样品的分析。蛋白质和酶等生物大分子是构成生命的主要基元,参与完成生命体中的新陈代谢等许多生理过程,同时在这些生命过程中很多蛋白质和酶都要经历电子转移过程,在其氧化型和还原型之间相互转化。从某种意义上讲,研究生命过程实质上就是研究生物体中的电子传递过程。因此,用电化学方法来研究蛋白质的电子传递过程有着特别的优越性。纳米材料独特的比表面积大、催化活性高、亲和力强的特点,使其能活化电极表面,加速蛋白质的活性中心与电极间的直接电子转移,同时最大限度地保持蛋白质的生物活性。因此,将纳米技术应用于蛋白质的电化学分析研究,是一个崭新而具有挑战性的领域,有利于创新性地建立一些新理论、新技术和新方法。本论文致力于新型纳米材料和纳米修饰电极的研究,在保持蛋白质的良好生物活性和电化学活性的同时提高氧化还原蛋白质与电极之间的电子交换速度,从而制备具有高灵敏度、低检测限和高稳定性的化学与生物传感器。研究工作着重在于选择和制备具有良好特性的纳米材料并在此基础上进行化学修饰电极的功能化设计。文中尝试以中空纳米球体、分子筛及二氧化硅等多种材料作为氧化还原蛋白质反应平台,通过蒸气滴涂、静电吸附、层层组装等方法构筑可以加速蛋白质与电极间电子转移过程的纳米材料修饰电极;以SEM、TEM等表征手段研究传感器表面物理状态,同时结合UV等技术探究其生物活性;以交流阻抗、脉冲伏安以及循环伏安等电化学方法作为主要研究手段,探讨蛋白质在纳米材料修饰电极上的电化学性质,研究蛋白质对过氧化氢的催化响应机理。通过以上工作,既获取了蛋白质分子中电子转移的动力学参数,也为研制新一代的生物传感器提供了理论基础和初步模型。本论文工作将努力实现纳米技术、生命科学和电分析化学三者的有机结合。全文共有四个部分:1.绪论（第一章）本部分内容主要包括纳米材料概况、化学修饰电极简介、氧化还原蛋白质的电化学研究三部分。文中简要介绍了纳米材料的分类、特性、制备等;简述了化学修饰电极的发展、制备和相关应用;综述了氧化还原蛋白质的电化学研究意义和进展。2.基于表面蒸气溶胶凝胶法制备二氧化硅及其在血红蛋白的直接电化学和电催化性质中的研究（第二章）首次创新性地尝试了在50℃pH=5.0的酸性条件下,基于表面蒸气溶胶凝胶法制备二氧化硅溶胶凝胶（SiO2）,并将其与血红蛋白（Hb）通过静电吸引力层层组装制备{Hb/SiO2}n薄膜修饰电极,研究了该薄膜中血红蛋白的直接电化学和电催化性质。该方法保持了传统溶胶凝胶材料的优点,所制备二氧化硅溶胶有较多孔洞结构,可以更好地传递物质,提供更大的蛋白质负载量,是较好的固定蛋白质的基质,同时该法大大缩短了制备过程且避免了在传统方法中酸环境和无机助溶剂带来的不良影响,使此修饰膜中的蛋白质能保持良好的原始结构且能在较宽温度范围内保持其生物活性。该修饰电极的循环伏安图呈现一对形状较好的准可逆氧化还原峰(ΔE=76mV,E1/2=-0.330V),为血红蛋白血红素中心FeⅢ/FeⅡ氧化还原电对的特征峰,说明该修饰电极上的二氧化硅溶胶凝胶确实有效地加速了血红蛋白和电极之间的电子传递。此外,该修饰电极还对过氧化氢表现出良好的催化活性,米氏常数(Kmapp)为0.155mmol/L。该方法不但为蛋白质的电化学与电催化研究提供了坚实的基础,还为第三代酶传感器的研制和开发提供了一种新的思路。3.MSU层层自组装膜中的血红蛋白直接电子转移和电催化行为的研究（第三章）纳米颗粒型材料与传统材料相比比表面积大大增加,表面结构发生较大的变化,在能量存储或转换、传感等方面存在广泛应用前景,近年来更是在化学修饰电极制备中有大量应用。本文中,我们首次用前驱体沸石Y以离子液体CMIMB为模板在碱性条件中合成Al-MSU-S材料,并将其用于固定氧化还原蛋白质,基于静电吸引力层层组装制备成{MSU/Hb}n/PDDA修饰电极。与用CTAB为模板制得的分子筛相比,用离子液体CMIMB为模板制得的MSU材料具有更大的孔径、孔体积和表面积,所以{MSU/Hb)n/PDDA修饰电极具有较大的蛋白质荷载量且能长久保持其生物活性,同时具有良好的电化学和电催化性质。我们还研究了组装层数和外界溶液pH值等条件对该修饰膜中血红蛋白电子传递过程的影响。此外,{MSU/Hb}n/PDDA修饰电极对过氧化氢表现出良好的催化活性,线性范围是1.0×10-6到1.86×10-4mol/L,检测限是5.0×10-7mol/L（S/N=3）,米氏常数(Kmapp)为0.368mmol/L。该研究扩大了分子筛材料的应用范围,也为电分析化学中化学与生物传感的深入研究开辟了新的途径。4.血红蛋白在中空金纳米球/壳聚糖薄膜中的电化学性质研究及其在生物传感器中的应用（第四章）本文成功制备了内径约为10nm,外径约为30nm的中空金纳米粒子并创新性地将其用于氧化还原蛋白质的固定修饰电极的制备。壳聚糖生物相容性好,亲水性高,能为血红蛋白分子提供特殊的生物兼容性微环境,降低由于蛋白质溶液吸附造成的电子传递受阻现象。同时,薄膜中小尺寸金纳米粒子能充当血红蛋白与电极之间的电子传递通道,且保持血红蛋白生物活性不变,更有利于氧化还原蛋白质在电极表面的直接电子传递。该修饰电极的电化学性质研究表明在-0.3V左右的一对准可逆氧化还原峰为血红蛋白血红素辅基FeⅢ/FeⅡ电对的特征峰,峰电位差（ΔEp）为+92mV。该修饰电极还对H2O2表现出良好的电催化还原效应,其还原电流与H2O2浓度在1.0×10-5～1.5×10-4mol/L范围之内呈良好的线性关系,最低检测限是5.0×10-6mol/L（S/N=3）,米氏常数(Kmapp)为0.388mmol/L。由于该纳米粒子易制备,易于附着生物分子且具有特殊的中空结构,有望在癌症治疗、药物靶分子、传感器以及药物释放研究中得到应用。