生物传感器是一种用来监测生命体系或与之相关联的生物基元的器件,其完整的概念是由作为识别元件的固定化的生物敏感材料(包括酶、抗体、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质),以及作为理化换能器的适当的信号转换器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)所组成的体系。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、所需仪器简便等优点,是当前科学研究中普遍使用的检测技术之一,在临床诊断、环境监测、药物分析、食品和农业检测等方面得到了高度重视和广泛应用。纳米技术逐步引入生物分析化学和分子生物学研究领域,并显示了广阔的前景。纳米颗粒具有大比表面积,高活性、特异性等特点；作为传感器材料,具有高选择性、高灵敏度、快速方便检测等特点,改造传统的生物传感器,可以增加生物分子的固定量,从而增强响应信号,制得高选择性、高灵敏度的生物传感器能用于探测许多细胞化学物质,可以监控活细胞的蛋白质以及其他所感兴趣的生物化学物质。本论文的工作主要集中在制备多种功能性的纳米复合材料、聚合物材料及半导体复合材料,结合光电化学技术和电化学传感技术,开发新型的生物传感器,用于α-突触核蛋白和SirTl蛋白的检测研究,以及酶活性的检测及其抑制动力学的研究。本论文的具体工作包括以下几个方面：第一章绪论本章系统介绍了生物传感器的概念和工作原理,根据敏感元件的不同进行了分类比较,着重介绍了电化学酶传感器和电化学免疫传感器的特点。评述了纳米技术的发展及其在电化学生物传感器中的应用,简述了光电化学的概念、检测原理,光电化学中的材料,及其在生物传感器中的应用研究,介绍了电化学生物传感器在三种生物样品检测中的应用。最后阐述本论文的工作及意义。第二章：Au-TiO2光电化学免疫传感器的制备及其对α-突触核蛋白的检测α-突触核蛋白(a-synuclein, a-SYN)是一种与帕金森病密切相关的神经蛋白。本文制备了一种新型光电化学免疫传感器用于α-突触核蛋白的检测。首先采用阳极氧化技术,制备了高序排列的二氧化钛纳米管阵列(Ti02),并通过光电协同催化法将Au纳米颗粒嵌入Ti02中。沉积的Au纳米颗粒不仅能够提高光电流响应,而且为单抗(Ab1)的固定提供了良好的基底,使抗体保持高度的稳定性和生物活性。此外,将多抗(Ab2)和葡萄糖氧化酶(GOx)固定在Au纳米颗粒表面制备成{Ab2-Au-GOx}生物复合物,同样能够显著提高光电流响应。当测试体系中加入葡萄糖后,葡萄糖氧化酶能够催化葡萄糖产生H202,当光源照在Ti02未修饰蛋白的一侧时,H202能够捕获Ti02纳米管的光生空穴,表现为光电流强度升高。光电流响应与α-SYN在50pg/mL至100ng/mL呈良好的线性关系,检测限为34pg/mL。实验结果表明此方法具有灵敏度高、稳定性好等优点,有望成功应用于其它重要生物蛋白的分析检测。第三章：基于树枝状高分子化合物及功能化纳米金的电化学免疫传感器的构建及其对α-突触核蛋白的检测本文利用双重信号放大策略,制备了一种新型电化学免疫传感器,并将其用于α-突触核蛋白的定量分析。该传感器利用聚酰胺胺-金/聚邻氨基苯甲酸/玻碳电极(PAMAM-Au/o-ABA/GCE)为基底,通过共价键和作用固定α-突触核蛋白。另外,采用纳米金为载体固定辣根过氧化酶标记的二抗,制备了{H RP-Ab2-GNPs}纳米金标复合物。通过抗原-抗体特异性反应,将一抗、纳米金标复合物组装到电极表面。以固定在电极表面的硫堇为电子媒介体,通过测定辣根过氧化酶催化过氧化氢产生的电流信号对α-突触核蛋白进行检测。结果表明,在优化的实验条件下,本文所提出的检测策略具有宽的线性范围(20pg/mL-200ng/mL)和低的检测限(14.6pg/mL),且具有灵敏度高、选择性好、响应快速等优点,为生物分子的测定提供了新的方法。第四章：单分子聚合物纳米颗粒构建的光电化学免疫传感器用于SirTl蛋白的检测研究本文制备了单分子聚合物纳米颗粒和TiO2-Au复合纳米粒子,研制了一种新型光电化学免疫传感器,用于SirT1蛋白的分析研究。首先将超支化偶氮聚合物巯基化,通过Au-S键将胶体金牢固结合到单分子聚合物纳米颗粒上,制成单分子GC-HBAP(?)内米颗粒。单分子GC-HBAP纳米颗粒修饰于ITO电极表面,不仅可以显著提高光电利用效率,而且能够提高抗体的负载量,从而提高光电响应。采用“三明治”夹心结构,将捕获抗体(Ab1#1),目标蛋白(SirTl),检测抗体(Ab1#2),和{TiO2-Au/Ab2}生物复合物固定到电极表面。实验结果表明,光电流信号对SirT1呈较宽的线性范围为：1ng/mL～1000ng/mL,检测限为0.29ng/mL。同时,将该光电化学免疫传感器定量测定了不同细胞模型中SirT1蛋白的表达水平,获得了满意的结果。该传感器具有良好的分析性能,灵敏度高,选择性好,响应快速,为超支化聚合物和TiO2在电化学生物传感器方面开拓了新的应用前景。第五章：基于Au@SiO2核壳纳米材料的电化学免疫传感器的建立及其对SirT1蛋白的检测研究本文基于Au@SiO2核壳纳米材料、MWNTP-Au内米复合物材料制备了一种新型电化学免疫传感器,用于SirTl的分析测定。将酶标二抗分子(HRP-Ab2)巯基化后,通过Au-S共价键和作用固定到Au@SiO2核壳纳米材料表面,制成{Au@SiO2/HRP-Ab2}生物复合物。采用夹心免疫结构,首先将捕获抗体(Ab1#1)固定在M WNTP-Au修饰的玻碳电极表面,接着通过免疫反应结合SirT1,检测抗体(Ab1#2),进而吸附{Au@Si02/HRP-Ab2}生物复合物,最后用示差脉冲伏安法(DPV)检测电极表面的电流信号。结果表明,该传感器响应范围宽(0.02ng/mL500ng/mL),检测限低(12.5pg/mL),制备方法简单、响应迅速、灵敏度高、稳定性好,在免疫分析生物分子方面具有广阔的应用前景。第六章：基于TiO2-Au建立的光电化学方法用于内源性神经毒素对乙酰胆碱酯酶活性损伤的研究乙酰胆碱酯酶(AChE)是生物神经传导中的一种关键酶,它活性的异常变化与中枢神经系统损伤性疾病密切相关。本文利用电化学阳极氧化技术制备了排列有序的TiO2纳米管阵列,并通过光电催化法将Au纳米颗粒嵌入TiO2纳米管中,最后利用交联法将乙酰胆碱酯酶(AChE)固定到纳米管上,制得TiO2-Au-AChE半导体复合纳米材料体系,并将其应用于内源性神经毒素1(R),2-二甲基-6,7-二羟基-1,2,3,4-四氢异喹啉[(R)-NMSal]对AChE活性抑制的作用机理研究。实验结果表明,基于Ti02-Au-AChE酶传感器的光电化学方法用于(R)-NMSal对AChE活性抑制作用的研究是可行的,这为乙酰胆碱酯酶在神经退行性疾病的致病机理、药物筛选等方面提供了重要的实验依据。