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21世纪，纳米科学和技术已经成为人们关注和研究的重要领域。当物质的尺寸小到纳米数量级时，会产生独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，其电学、磁学、光学和化学性质也会相应地发生显著变化，呈现出常规材料所不具备的优越性能。蛋白质和酶等生物大分子是构成生命的主要单元，参与完成生命体中的新陈代谢等许多生理过程，同时在这些生命过程中很多蛋白质和酶都要经历电子转移过程，在其氧化型和还原型之间相互转化。从某种意义上讲，研究生命过程实质上就是研究生物体中的电子传递过程。因此，用电化学方法来研究蛋白质的电子传递过程有其特殊的优越性。氧化还原蛋白质在电极上的电化学研究是化学界和生命科学界非常关注的问题。它的研究对于人们获得蛋白质的热力学和动力学性质、深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用及电子传递反应机制以及开发新型生物传感器、新型生物燃料电池等生物电子器件具有重要意义。因此，寻找更有效的方法实现蛋白质的直接电子转移、通过研究蛋白质的电子传递以进一步揭示生物体系氧化还原过程的机制、构建性能优越的生物传感器以满足生物医学、环境检测和工业快速分析的需要，必将成为该领域今后的发展趋势。纳米材料具有高比表面积、高表面自由能以及优良的生物相容性等这些独特的物理和化学性质，它能活化电极表面，渗透到蛋白质内部并接触蛋白质的电活性中心，从而缩短蛋白质活性中心与电极表面的距离，加快直接电子传递的速度，同时能最大限度地保持蛋白质的生物活性。因此，对纳米界面上的生物大分子的直接电化学和电催化过程及其机理展开研究，以获得一系列具有高灵敏度和超高选择性的生物传感器及其分子器件，可以为生命科学提供有价值的检测手段，同时也能为揭示某些生物分子的生理功能提供科学信息。本论文的工作是导师顾海鹰教授主持的国家自然科学基金项目和作者主持的国家自然科学基金青年基金项目的部分工作内容，在对纳米材料、氧化还原蛋白质的电化学研究及电化学生物传感器等方面进行论述的基础上，致力于研制新型纳米材料和纳米修饰电极（电化学传感器），以纳米银、壳核型磁性纳米粒子、石墨烯等多种纳米材料作为血红蛋白的反应平台，构筑可以加速血红蛋白与电极间电子转移过程的单层和多层组装膜修饰电极。以电化学方法作为主要研究手段，结合多种表征方法，探讨血红蛋白在纳米材料修饰电极上的电化学行为，既获取了血红蛋白电子转移的动力学参数，也为研制无媒介体的生物传感器提供了初步模型。另外，对基于血红蛋白/纳米粒子层层组装膜的pH开关进行了初步的探索，实现了由溶液pH值调控的可逆电催化。同时，开展了环境中酚类雌激素电化学传感器的研究，建立了基于纳米材料的新型电化学检测方法，并将其应用于实际样品的检测，为环境科学及其相关领域的研究提供许多重要的分析方法。本论文工作努力实现将纳米技术、生命科学和电分析化学三者的有机结合。主要结果如下：1.血红蛋白在银纳米粒子上的自组装、表征及应用将血红蛋白（Hb）组装在银纳米粒子（AgNPs）壳聚糖膜修饰的玻碳电极表面，并基于该修饰电极研究了Hb的直接电化学及其在生物传感方面的应用。Ag NPs能极大程度地提高Hb在电极表面的电子传递。在pH7.0的磷酸缓冲溶液（PBS）中，Hb呈现一对峰形良好的氧化还原峰，式量电位（E0’）为0.33V （vs. SCE）。固定在薄膜上的Hb保持了其生物活性，其电子转移表现为一个表面控制过程，异相电荷转移常数（ks）为1.83s-1。在对氧气（O2）和过氧化氢（H2O2）的电催化还原反应中表现出类过氧化氢酶的性质，对H2O2测定的线性范围为7.5×10-72.2×10-4mol/L，检测限为5.0×10-7mol/L （S/N=3）。这种简单的组装方法可以为进一步研究其他氧化还原蛋白的直接电化学提供一个有利的平台，并可用于构建第三代无媒介体的生物传感器。2.血红蛋白在金包四氧化三铁纳米粒子表面的直接电化学将合成的金包四氧化三铁（Au@Fe3O4）纳米粒子与Hb组装在电化学预处理玻碳电极表面，构建了{Hb/Au@Fe3O4}自组装膜。Hb在该纳米薄膜上实现了其直接电子转移。用透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）对合成的Au@Fe3O4纳米粒子进行了表征，用电化学交流阻抗（EIS）、循环伏安法（CV）研究了Hb和Au@Fe3O4纳米粒子之间的相互作用。在pH7.0的PBS缓冲溶液中，在0.35V和0.13V处可观察到Hb的一对峰形良好的氧化还原峰。另外，组装的Hb对H2O2的还原表现出良好的电催化活性。催化电流与H2O2浓度在3.4μmol/L3.6mmol/L范围内呈良好的线性关系，检测限为0.68μmol/L （S/N=3），米氏常数（Kmapp）约为2.0mmol/L，有望用于构建第三代H2O2生物传感器。3.{血红蛋白/铂包四氧化三铁}n多层膜的构建、表征及应用利用层层组装技术将合成的铂包四氧化三铁（Pt@Fe3O4）纳米粒子与Hb层层组装到玻碳电极表面，构建{血红蛋白/铂包四氧化三铁}n多层膜。合成的复合纳米粒子通过X射线光电子能谱（XPS）来表征。紫外可见光谱（UV vis），EIS，CV以及AFM用来表征多层膜的组装过程，结果表明多层膜的形成是一个规则有序的过程。同时，{Hb/Pt@Fe3O4}n多层膜中的Hb保持了其良好的生物活性，并实现了其与电极之间的直接电子转移，且对H2O2和亚硝酸盐保持着很好的催化活性。对H2O2与亚硝酸盐的检测的线性范围分别为0.125μmol/L0.16mmol/L和1.5μmol/L0.12mmol/L，检测限分别为0.03μmol/L和0.29μmol/L（S/N=3）。实验结果表明，层层组装由于其组装膜表面吸附了更多的生物分子，因而在构建高灵敏度的无媒介传感器方面更有优势。4.基于{血红蛋白/银纳米粒子}n多层组装膜的pH开关效应在合适的pH值下，将带正电荷的Hb与带负电荷的AgNPs交替吸附，构建了具有pH开关性质的层层自组装膜。该{Hb/AgNPs}n膜对于电活性探针Fe（CN）63具有很强的pH敏感开关效应。在pH值为3.0时,{Hb/AgNPs}4膜对于带负电荷的探针Fe（CN）63有电化学响应，表现为“开”的状态，而在pH为9.0时，该多层膜对探针没有响应，表现为“关”的状态。完全可逆的开关行为可以简单地通过调节溶液的pH值来实现，且该开关行为可以应用于pH控制的Hb对H2O2可逆电催化。实验中构建的具有pH灵敏的开关智能界面有望为制备具有信号控制功能的特殊电化学生物传感器提供一个新的思路。5.亚硝酸盐在金包四氧化三铁纳米粒子上的电催化氧化及其测定通过将Au@Fe3O4纳米粒子固定在L半胱氨酸修饰的玻碳电极表面构建一种亚硝酸盐电化学传感器，并用扫描电子显微镜（SEM）、XPS、EIS和CV进行表征。该传感器对亚硝酸盐的氧化具有良好的电催化活性。对电极反应过程的动力学参数进行计算，（1α）na为0.38，ks为0.13cm/s。对测定条件如支持电解质及其pH值进行了优化。在优化条件下，亚硝酸盐测定的线性范围为3.6×10-61.0×10-2mol/L，检测限为8.2×10-7mol/L （S/N=3）。此外，构建的电极在实际应用中显示出良好的稳定性，重现性和选择性。6.基于壳聚糖四氧化三铁纳米复合物的双酚A电化学传感器研究了用壳聚糖四氧化三铁（CS Fe3O4）纳米材料修饰玻碳电极对双酚A（BPA）进行安培测定。实验中发现CS Fe3O4复合纳米粒子可以显著增强BPA的电流反应，同时降低其氧化过电位。实验优化了测定参数如修饰剂的量、富集电位、富集时间及缓冲溶液的pH值等。在优化条件下，BPA的氧化峰电流与其浓度在5.0×10-8mol/L3.0×10-5mol/L范围内呈良好的线性关系，检测限为8.0×10-8mol/L（S/N=3）。将构建的传感器成功地应用于塑料产品中BPA的测定，加标回收率在92.0%到106.2%之间。7.己烯雌酚在石墨烯修饰电极上的电化学行为及其测定将氧化石墨烯（GO）组装在电沉积壳聚糖膜的玻碳电极表面，构建的修饰电极对己烯雌酚（DES）进行了伏安测定。实验研究了DES在该修饰电极上的电化学行为。与玻碳电极相比，DES在GO CS/GCE上的氧化峰电流显著增强。在优化条件下，修饰电极对于DES的氧化表现出良好的电催化活性。采用示差脉冲伏安法，测定DES的线性范围为1.5×10-83.0×10-5mol/L，最低检测线达到3.0×10-9mol/L。并用该方法测定了DES片剂中的DES含量。结果表明实验提出的测定方法可用于实际样品中DES的检测。