目前,碳及其复合材料已被广泛应用于科研及人们生活的各个领域。由于碳材料自身具有多样性、优异的化学稳定性、很高的机械强度、优良的电子传导能力、独特的光学性能和环境友好等特点,各种碳纳米材料已经广泛地应用于电子设备、能量存储、生物医疗、药物缓释及生物传感等领域。越来越多的科研人员认为碳纳米材料是解决未来能源危机、环境污染、医疗技术更新等技术难题最具发展潜力的材料。因此各种碳及复合纳米材料的合成、修饰及应用等的研究是近年来最活跃的课题。近年来,碳材料如碳纳米管、石墨烯、活性炭及碳凝胶等在传感领域也得到迅速发展。由于这些材料具有优良的导电性和催化性能,是制备传感器的理想材料,在气体传感、生物小分子、蛋白质、细胞及疾病诊断等领域得到广泛应用。本论文旨在研究和发展新型碳材料,制备碳基电化学传感器用于各种生物小分子的检测,主要内容概括如下:（一）采用冷冻干燥法一步成型制备具有三维连续蜂窝状结构的碳气凝胶,并研究其在传感领域的应用。我们利用氧化石墨烯（GO）、多壁碳纳米管（MWCNTs）及Nafion的三元体系,采用冷冻干燥的方法制备多孔碳气凝胶（CAGs）。在这个复合体系中,氧化石墨烯独有的片层结构为三维碳气凝胶的形成提供了骨架,MWCNTs主要起到了增加碳气凝胶比表面积、导电性能以及增强机械性能的作用,Nafion用于粘结GO形成稳定有序的三维连续蜂窝状结构,同时增加材料的亲水性能,最主要的是通过调节Nafion的含量能实现三维碳气凝胶中孔径形态和尺寸的可控。这三种组分的协同作用使我们制备的三维碳气凝胶具有低密度、高比表面积、优异的机械性能等特点。研究发现经过高温还原的碳气凝胶具有很好的导电性,且对丙酮蒸汽、DA等具有很好的电流响应,因此,在DA等生物小分子和有机气体传感领域均具有很大的应用潜力。本工作主要展示了一种通过控制Nafion含量来实现碳气凝胶内部孔径形态和尺寸可控的冷冻干燥一步成型制备传感用碳气凝胶的方法。该方法不仅具有绿色环保、成本低廉、简便易行等特点,还解决了碳纳米材料在构建电极过程中极易出现堆叠的问题,采用这种方法可以大批量、大规模的制备碳气凝胶。（二）优化改进三维碳气凝胶的制备方法,并系统研究其在多巴胺检测中的应用。我们在前一个工作的基础上做了进一步的改进,优化了实验条件,采用氢碘酸蒸汽还原法与水合肼蒸汽还原法制备了多孔碳气凝胶电极,并考察了两种不同化学还原法对碳气凝胶的影响。实验结果表明,两种方法还原的三维CAGs传感器对DA均具有很强的电催化活性,其中水合肼蒸汽还原法制得的电化学传感器对DA的检测灵敏度更高,能实现DA的快速、高灵敏检测,检测限达到20 nM,这可能是由于水合肼蒸汽还原法对CAGs中的GO成分还原的更加彻底。通过冷冻干燥一步成型法制得的CAGs传感器对DA的检测灵敏度比前人报道的模板导向法制备的CAGs传感器高两个数量级,这是由于CAGs良好的连续蜂窝状三维微孔结构极大的增加了传感器的有效工作面积。此外,该传感器还被进一步应用到健康人血清中DA的检测,并取得了满意的效果。本项研究工作为构建碳基生物小分子电化学传感器提供了一个通用的方法,可以广泛应用于基础研究、药物治疗效果筛选和临床诊断。（三）DNA诱导三明治结构Graphene/DNA/Mn₃（PO₄）₂碳基电化学传感器的合成及细胞分泌O₂^·-的快速、特异性、高灵敏度检测。实时检测O₂^·-对于研究各种细胞的生理过程极其重要,但是目前报道的工作大多是将催化因子直接滴在碳基材料表面,他们之间的连接并不紧密,这极大地阻碍了电子在他们之间的有效传递,从而极大地限制了传感器的检测灵敏度和选择性。本设计中我们利用具有优异导电性的纳米Graphene作为基体材料,以单链DNA作为模板,利用了Graphene和DNA之间的π-π键共轭吸附作用使其均匀组装在石墨烯表面用于Mn²⁺的吸附及Mn₃（PO₄）₂纳米粒子的沉积。然后利用该材料修饰玻碳电极（GCE）构建了O₂^·-传感器。实验结果表明,该传感器对O₂^·-的歧化反应具有良好的催化活性,可以用于O₂^·-的高灵敏检测。检测灵敏度达到50.6μA·μM^-1·cm^-2,最低检测限是1.67 nM（S/N=3）。主要原因是在这个独特的三明治结构中,DNA/Mn₃（PO₄）₂作为一种生物仿生酶对O₂^·-具有高效的电催化活性,并且Graphene具有良好的导电性,能及时地将Mn₃（PO₄）₂催化O₂^·-产生的电荷转移到GCE表面,从而显著的缩短了响应时间,提高了检测灵敏度和选择性,降低了检测限。此外,该传感器可以在室温条件下,对药物刺激乳腺癌细胞（MCF-7）释放的O₂^·-进行实时高灵敏度检测。本工作为构建具有高催化活性和选择性的O₂^·-传感平台提供了一种有效的材料修饰方法,在生物医疗等领域具有极大的应用前景。（四）镶嵌MnO纳米粒子的CNF纳米复合材料的制备以及在癌细胞分泌O₂^·-检测中的应用。自从Barnese等人研究了含锰化合物中锰离子的催化机制,并且证实碳酸锰、磷酸锰对O₂^·-具有类似于超氧化物歧化酶（SOD）的电催化活性,许多生物电化学传感器都是基于这一理论来检测O₂^·-,包括我们上一个研究工作也是利用了这一催化机制。而据我们所知,目前还没有关于使用一氧化锰（MnO）纳米粒子做为生物仿生酶用于癌细胞释放的O₂^·-检测的研究报道。在本工作中我们利用细菌纤维素为载体吸附高锰酸钾,利用高温煅烧的方法,合成了三维多孔碳纤维/一氧化锰气凝胶复合材料,构建O₂^·-传感器,用于检测皮肤黑色素瘤细胞A₃₇₅释放的O₂^·-。实验结果表明,该传感器在5 nM²500 nM检测范围内,响应电流和O₂^·-浓度之间具有很好的线性关系,线性方程为I（μA）=5.36c（μM）+0.3868,R²=0.999,检测灵敏度为76.2μA·μM^-1·cm^-2,最低检测限为1.2 nM（S/N=3）,响应迅速（平均不超过5s）。并且对AA、UA、葡萄糖等干扰物质具有很好的抗干扰能力。此外,该传感平台对药物刺激活细胞释放的O₂^·-的定量检测表明,该传感器在生物医学分析中具有很大的应用价值。该实验提供了一种新的合成CNF-MnO复合纳米材料的方法,合成原料成本低、方法简单,复合材料分布均匀,合成的材料催化活性高,而且易于工业化大批量生产,是一种很好的复合材料合成方法。综上所述,我们通过不同方法合成了几种不同的碳基纳米复合材料,并用于制备电化学传感器来检测DA和O₂^·-等生物小分子。实验结果证明,碳纳米复合材料可以很好地改善电极的电子传输,并提高纳米材料的催化性能,是制备电化学传感器的理想材料。利用这些材料制备的电化学传感器都呈现出非常好的检测性能:灵敏度高、响应迅速,并且对复杂体系具有较好的抗干扰能力,可以用于生物体系中小分子的检测。总之,合成的碳复合纳米材料在医疗及生物领域具有很大的应用潜力。为多功能碳基材料的发展、碳基生物仿生酶的制备以及碳纳米材料的修饰等提供了一些新的思路和方法,对碳基电化学传感器的制备和生物医学研究具有很大的参考价值。