本论文紧紧围绕新型分子识别系统的设计及相关纳米材料的研究展开各项工作，主要包括用于气体分子检测的化学传感器系统以及用于生物分子检测的生物传感器两大方面。在化学传感器研究领域，我们制备了相关器件，搭建了完整的检测系统，设计制备了多种具有优良气敏特性的金属氧化物半导体气敏材料并评估了其性能，同时还设计实现了一种新颖的基于动力学信息的单传感器电子鼻系统。在生物分子检测方面，我们设计实现了一种纳米条形码自动电沉积系统，制备了多种具有复杂编码的纳米条形码，并成功将其应用到多通道生物分析之中，表现出了良好的实用前景。同时，由于我们制备的多种气敏材料也可做为高容量的锂离子电池负极材料，我们又在几种已制备的具有特殊结构气敏材料的基础上进行结构优化，成功设计并合成了两种复合高性能锂离子电池负极材料，大大提升了本体材料的电化学性能。文中的工作结合了化学，信息科学，生物学等多门学科，充分展示了纳米科学的多学科交叉性，具体内容如下：　　 1.气体传感器系统设计及相关纳米材料研究　　 单传感器电子鼻的设计通过深入挖掘被测气体分子与SnO2半导体相互作用的动力学过程，我们设计并实现了一种新颖的基于单个SnO2传感器的电子鼻系统，它能够识别被测气体而不受其浓度影响，即在被测物浓度不确定的情况下仍能够准确的识别被测气体，识别后该系统还可以进一步估算其浓度。传统的基于传感器阵列的电子鼻系统通常是基于各个传感器在平衡态时的响应，即热力学，而我们的策略是基于动力学的，这种策略较传统方法更直接，可以同时降低传统的阵列式电子鼻的硬件和软件复杂度。　　 传感器测试平台的搭建我们利用标准MEMS工艺，设计加工了传感器微电极阵列，并封装了相应的传感器器件。同时，利用诸如数据采集卡，模块化电源，质量流量控制器(MFC)等标准虚拟仪器模块自行搭建了相关传感器测试平台并编写了相关控制程序。通过该系统可以详细评估各种气敏材料在不同温度，不同气氛下的气敏响应。　　 各种敏感材料的合成及气敏表征基于上述的传感器测试平台，我们合成了多种具有新颖结构的SnO2，FexOy，Cr2-xTixO3，TiO2，MnO2等半导体纳米材料，并评估了其气敏特性。通过对金属氧化物半导体气敏材料进行结构优化，得到了多种性能优良的气敏材料，它们具有灵敏度高，响应时间快，工作温度低等诸多优点。　　 2.纳米条形码的制备和应用　　 随着人类基因组计划的完成，人们迫切需要在越来越少的样本中获得越来越多的基因信息。近年来发展起来的基因芯片技术可以利用很少的样品同时分析成千上万个目标基因，是现代基因研究的有力武器。多年来人们一直致力于发展更优越的基因芯片技术以应用于多通道的生物分析，而编码颗粒作为下一代基因芯片(由平板式发展为悬浮式芯片)的载体已经成为了目前研究的热点。如何简单，可靠，大量以及高重复性的制备易于解码的编码纳米颗粒成为了这一领域的关键问题。基于这个需要，我们结合计算机控制技术和脉冲电沉积技术成功设计并实现了一种纳米条形码自动制备系统，其主要工作包括：　　 纳米条形码自动沉积系统搭建及纳米条码制备利用计算机直接控制一个可编程的直流电源，我们设计实现了一个纳米条形码的自动电沉积系统，通过计算机，可以将我们输入的编码信息直接转化为电压或电流脉冲信号，通过脉冲电沉积系统直接在阳极氧化铝等模板孔道中沉积出纳米条形码的阵列。通过这个系统，我们制备了多种具有复杂形貌的纳米条形码，包括Co-Pt体系，Ni-Pt体系，Au-Fe体系等等。这些条码结构完整，通过SEM及能谱线扫描技术可以很容易的解码。同时，通过仔细控制条码的参数，还实现了纳米条形码在普通光学显微镜下的读出。　　 纳米条形码在多通道生物分析中的应用我们利用上述的自动沉积系统制备了多种体系，任意编码的纳米条形码，通过在这些条码上固定DNA探针分子，实现了多通道的DNA检测。由于纳米条码编码容量没有限制，产量大，成本低，重复性可靠性好，在多通道生物分析领域展示出了良好的实用前景。　　 3.新型高性能锂离子电池负极复合材料设计　　 半导体金属氧化物不仅可作为优良的气敏材料，它们还有许多其它的应用。例如很多过渡金属及其金属氧化物都可作为高性能的锂离子电池负极材料，基于之前纳米气敏材料的工作，我们通过进一步设计和优化其结构，得到了两种高性能的锂离子电池负极材料：　　 Sn@C高性能负极复合材料设计基于SnO2空心球气敏材料，设计了一种新颖的Sn@C复合体系高性能锂离子电池负极材料。它由均匀弹性的空心碳球及镶嵌在其内表面的多个Sn纳米颗粒组成。空心碳壳的直径约为500nm，其厚度约为20nm。而其中镶嵌在每个碳球内锡颗粒的数目约为5-10个，其直径均小于100nm。其中金属锡的质量含量约为70％，球内剩余空间占球内总空间的70-80％。这种结构的优点是锡含量高，保证了高容量，同时金属锡由碳壳隔开，并且球内的剩余空间可以允许金属锡在充放电过程中的体积变化，保证了高循环特性。这种复合材料在5小时充放电倍率下，前10个充放电循环中容量高于800 mAh g-1，循环性能也相当优越，在100个充放电循环之后容量仍保持在550 mAh g-1以上，仍是目前使用的石墨类负极材料理论容量的1.5倍。　　 Fe3O4-C高性能负极复合材料设计同时，基于Fe2O3气敏材料，利用与上一体系类似的策略，合成了一种更加廉价，适宜于商业化的高性能锂离子电池负极材料。它由一种包覆有均匀连续的C层的纺锤形Fe3O4组成。这种新的负极材料具有非常高的容量(5小时充放电倍率下约749 mAhg-1，2小时充放电倍率下约为600 mAh g-1)和非常好的循环特性。实验结果表明通过表面包覆碳层，这种复合材料的循环性能和倍率性能较商品Fe3O4颗粒以及具有相同形貌的Fe2O3颗粒都有很大提高。最后我们还详细分析了包覆C层对充放电过程的影响，发现表面的碳膜可以保持活性物质的完整性，同时由于碳材料稳定的化学性质，可以生成薄的SEI膜，并且可以稳定生成的SEI膜，这正是复合物电化学性能极大提升的原因所在。