电化学生物传感器具有高灵敏度、低检测限以及对生物识别过程的电化学信号传输呈现高度专一性等特点,并且传感器的设计简单、造价低廉、分析快速、重现性好、可重复使用,因而已被广泛应用于农业、医疗、食品、环保等方面的测定和生命科学研究。酶生物燃料电池在可再生氧化还原酶催化作用下,以日常生活中最常见的葡萄糖作为燃料、氧气作为氧化剂,生成无毒的葡萄糖酸及水的装置,基于此体系构建“绿色”的可再生能源。然而,半个世纪以来,酶生物燃料电池并未成为新一代电源,究其原因是因为酶与电极之间电子传递能垒及燃料缓慢传输过程为限速步骤,从而阻碍了酶生物燃料电池的功率输出。随着纳米技术的发展,各种新型纳米材料已应用到以上领域。本论文正是在这一研究背景下,致力于研发基于新型纳米材料的生物传感器和生物燃料电池,将纳米技术、分析技术、生物技术有机结合起来,主要内容如下：1.水溶性石墨烯-金点复合物的制备及其在电致化学发光方面的应用基于双层石墨烯模板原位合成了可分散的石墨烯-金点(AuNCs)复合物,此复合物与其它水溶性AuNCs相比,具有更接近近红外的发射波长,其电致化学发光(ECL)信号强于牛血清白蛋白(BSA)稳定的AuNCs。基于此复合物构建的过氧化氢(H2O2) ECL传感器,对目标分子的检测结果满意。石墨烯-AuNCs复合物可作为临床上构建H2O2传感器的潜在材料。2.基于石墨烯-纳米金复合物的葡萄糖电化学生物传感器原位合成了一种亲水性的,带有羧基官能团的石墨烯-金纳米粒子(AuNPs)复合物。该复合物中的AuNPs均匀分散于双层石墨烯表面,且其负载量可调控。葡萄糖氧化酶(GOD)通过其终端残留赖氨酸的氨基与AuNPs上的羧基发生缩合反应,将GOD键合在复合物表面。该复合物为保持GOD的生物活性提供了合适的微环境,且GOD与电极之间的直接可逆电子传递无需任何支持膜或电子媒介体。构建了一种基于该复合物电极的新型葡萄糖生物传感器,并用此检测了人血清中的血糖浓度,其检测结果与南京大学校医院提供的浓度相吻合,连续测量六种样品相对标准偏差为3.2%,基于该复合物组建的三个生物传感器模型稳定性好,在4℃下储存四个月后,传感器的信号仍然保持为原始信号的80%。此葡萄糖生物传感器模型有望用于临床检测血糖的浓度。3.构建连接血红蛋白活性中心和电极电子传递桥的PEDOT须状纳米线首次在离子液体[bmim][BF4]中用无模板法制备了PEDOT须状纳米线,其须端的最小直径仅为0.5nm,相当于PEDOT纳米线单分子链尺度,用原子力显微镜直接观察到了该PEDOT单分子链的分子结构轮廓。运用所制备的PEDOT须状纳米线成功地构建了血红蛋白(Hb)活性中心和电极之间的电子传递桥梁。由于构建了该“桥梁”,使得Hb活性中心的利用率和Hb三级结构的稳定性大大增加。基于这种技术构建的传感器对目标分子检测的灵敏度增强达19倍。4.高功率酶生物燃料电池的设计运用所制备的具有亲水性、羧基功能化的石墨烯-金纳米粒子复合物修饰阴阳两极,并将葡萄糖与漆酶化学键合在表面,构建生物燃料电池。同时优化条件设计,首次将该类电池的开路电压(OCV)提升至理论值1.20V,最大输出功率密度高达1.96士0.13mWcm-2,优于文献已报道的最好结果。串联两节生物燃料电池结构单元,能够成功点亮红色与黄色发光二极管(LED)。5.温度控制的酶生物燃料“开关”电池研究首次提出了“ON-OFF"温度控制的酶生物燃料电池的概念。在电极表面合成出了聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)聚合物膜,聚合过程中葡萄糖氧化酶或者漆酶同时被包裹在聚合物膜内。当外界温度在20℃和45℃之间切换时,PNIPAm聚合物膜在电极表面会发生扩张或收缩的可逆变化,从而导致电池“高”或“低”的开路电压,实现电池的“ON-OFF"状态可切换和功率输出可调。结果表明,当电池处于“ON”状态时,开路电压为0.70V,最大功率密度为20.52μW/cm2；而当电池处于“OFF”状态时,开路电压为0.28V,最大功率密度为3.28μW/cm2,并且电池开关响应时间较短,仅需数十秒钟。