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细胞色素P450酶系（CYP450酶）在药物代谢过程中发挥着关键作用。通过体外模拟揭示CYP450酶对药物的代谢机理和化学本质，研究药物对酶的诱导和抑制效应，检测代谢产物的基因毒性，可以为新药的设计和合成提供依据，对于人类健康具有重要的现实意义和实践价值。由于传统的体外药物代谢研究方法面临着耗时长、成本高等缺点，因此研究和建立廉价、方便、快速的体外药物代谢研究方法日趋迫切。 针对这一研究目的，本文利用电分析化学和纳米技术的创新成果构建CYP450酶体外代谢系统，借助氧化铟锡(ITO)纳米粒子良好的导电性或碲化镉量子点(CdTe QDs)优良的光电性能，研究了纳米材料上CYP450酶的电子传递机制，并用电极或QDs代替辅酶提供CYP450酶催化反应过程中需要的两个电子，实现了对药物的电化学或光驱动催化。此外，研究了掺氮碳纳米管(NCNTs)的电催化性能，并将其应用于生物小分子传感。具体研究内容如下: (1)通过结合ITO纳米粒子优良的导电性以及聚乙烯醇(PVA)良好的生物兼容性，采用包埋法在玻碳电极表面构建了基于电化学驱动的神经型一氧化氮合酶加氧酶区(D290nNOSoxy)电催化系统，实现了D290nNOSoxy与电极之间快速的电子传递过程，其异相电子转移速率常数（ket）为154.8±0.1 s-1。当四氢生物喋呤(BH4)和O2共存时，检测到了D290nNOSoxy/ITO/PVA/GCE对底物Nω-羟基精氨酸(NHA)的电催化信号。由于一氧化氮合酶(NOS)和CYP450酶同是一类含有亚铁血红素的酶系，在结构、性质上具有很大的相似性，这部分工作为构建CYP450酶电化学生物传感器做好了铺垫。 (2)同样采用包埋法将CYP2C9/CPR微粒体、ITO纳米粒子和壳聚糖(CS)混合均匀，配制具有优异酶活性的纳米复合物，构建基于电化学驱动的CYP450酶药物代谢系统，实现了CYP2C9/CPR微粒体与电极之间快速的电子传递过程，其异相电子转移速率常数(ket)为12.252 s-1。以药物甲苯磺丁脲作为模型底物，评价了该电化学驱动的药物代谢研究方法的可行性，CYP2C9/CPR微粒体/CS/GCE对底物甲苯磺丁脲具有良好的电催化响应，其表观米氏常数（Kmapp）为202.84μM。高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)检测结果证明，在该催化体系中生成的代谢产物与体内代谢产物一致。此外，通过该电化学系统检测到CYP2C9的特异性抑制剂磺胺苯吡唑对甲苯磺丁脲4-羟基化反应的抑制效应，其IC50值为1.592μM。 (3)基于CdTe QDs与CYP2C9之间光诱导的电子传递过程(PET)，构建了基于CYP2C9功能化量子点的光驱动的CYP450酶药物代谢系统。通过CdTe QDs与CYP2C9之间的共价键合制备了CYP2C9/QDs纳米复合物，随着CYP2C9相对于QDs摩尔比的增加，CYP2C9/QDs纳米复合物的荧光强度逐渐降低;将CYP2C9/QDs纳米复合物共价组装到ITO电极表面(CYP2C9/QDs/ITO)，CYP2C9/QDs/ITO上的阴极光电流相比于QDs/ITO明显增加，以上现象证明激态CdTe QDs能够给CYP2C9活性中心提供电子。以此为基础，选择药物甲苯磺丁脲作为模型底物评价了基于CYP2C9/QDs纳米复合物的光驱动的药物代谢研究方法的可行性。随着体系中底物浓度的增加，CYP2C9/QDs/ITO上的阴极光电流逐渐提高，说明光驱动的药物代谢行为的发生，其表观米氏常数（Kmapp）为76.28±3.59μM，同时测得特异性抑制剂磺胺苯吡唑对甲苯磺丁脲4-羟基化反应的抑制常数IC50值为1.16μM。此外，研究了该光驱动的药物代谢系统的催化机理，结果发现超氧化物歧化酶(SOD)的存在会大大抑制CYP2C9/QDs/ITO对底物甲苯磺丁脲的光电流响应，初步推测这是一个基于O2-自由基活化的催化过程。 (4)对比了掺氮碳纳米管(NCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)的电催化活性，结果表明碱性条件下氧气还原反应(ORR)在NCNTs上经历的是快速的一步四电子过程，而在MWCNTs上经历的是两步两电子过程。NCNTs对H2O2的氧化还原反应也表现出优异的电催化行为，以此为基础在+0.3 V构建了电流型H2O2传感器，它的灵敏度为24.5μA/mM，是MWCNTs的87倍。NCNTs膜具有很好的稳定性和重现性，无需电子媒介体的参与，通过检测葡萄糖氧化酶/葡萄糖或胆碱氧化酶/胆碱在酶促反应过程中生成的H2O2即可实现对葡萄糖或胆碱的灵敏检测。此外，对比了NO分子在NCNTs和MWCNTs上的直接电化学氧化行为。与MWCNTs相比，NCNTs对NO氧化反应的电子转移速率提高了0.5倍，安培检测NO的灵敏度提高了1倍多。以此为基础构建了基于NCNTs的NO电化学传感器，其线性响应范围为3.6～151.2μM，灵敏度为0.124μA/μM，检出限为0.729μM(S/N=3)。理论计算结果预测吡啶型N原子的存在是NCNTs对NO的氧化反应具有高催化活性的根本原因。 (5)合成了两种1-芘丁酸(PBA)功能化的碳纳米材料，分别为PBA功能化石墨烯(PBA/G)和PBA功能化掺氮碳纳米管(PBA/NCNTs)。通过溶液中的碳化二亚胺偶联化学，将葡萄糖氧化酶(GOD)共价固定在PBA/G和PBA/NCNTs表面，分别得到纳米复合物GOD/PBA/G和GOD/PBA/NCNTs，固定化酶在碳纳米材料表面具有较高的负载量，同时检测到了固定化酶与电极之间快速的电子传递过程。基于GOD/PBA/G和GOD/PBA/NCNTs纳米复合物构建的葡萄糖传感器具有较高灵敏度和较低检测限，并成功应用于人血清样品中葡萄糖的高精度检测。这种基于芘分子的碳纳米材料表面功能化方法不仅不会破坏材料原有的电子结构，而且为生物分子的固定以及生物传感器（如CYP450酶药物代谢系统）的构建提供了理想平台。