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水凝胶是一类具有三维网络结构的亲水聚合物材料，其内部互相连通的多孔结构和独特的溶胀性能，能够保持溶液中的分子、离子以及电子的有效扩散，而且其巨大的比表面积能够提供大量的离子/分子吸附活性位点，因此在微阵列芯片技术和超级电容器方面的应用研究十分活跃。水凝胶被广泛用于构建具有三维结构的微阵列芯片，使基底的生物亲和性更好，固定化效率更高;作为超级电容器的电极材料，水凝胶类的碳质材料具有更大的比表面积，为电解液中离子和电子的扩散与储存提供更多的空间。本文中，我们利用聚丙烯酰胺水凝胶发展了灵敏度高、选择性好的三维(3D)微阵列芯片，用于研究单核苷酸多态性、糖与相应的凝集素或细菌之间的相互作用，以及细菌检测。同时，我们通过分子自组装水凝胶和后续的碳化处理技术制备了碳纳米纤维材料，优化了电极材料的电化学性能。主要内容如下: 1、通过紫外光引发丙烯酰胺单体水溶液的聚合反应，在PEG修饰的玻片表面形成水凝胶微阵列，经戊二醛活化后用于固定氨基功能化DNA探针，制备3D寡核苷酸微阵列芯片，结合荧光标记方法用于检测单核苷酸多态性和等位基因频率。与二维(2D)微阵列芯片相比，该基底具有固定化效率高、稳定性好的特点。结果表明，此方法不仅能灵敏地检测靶标DNA，而且等位基因频率检测可达到2％。 2、利用上述紫外光聚合反应，在改进后的硅烷化玻片表面制备糖修饰的聚丙烯酰胺水凝胶微阵列芯片，用于发展高效捕捉大肠杆菌(E.coli)的微型反应器。在传统光学显微镜的亮场下，能够直接观察到3D糖微阵列芯片捕捉的细菌，研究糖微阵列芯片与细菌的相互作用。结果表明，吡喃甘露糖苷（Man-α）修饰的水凝胶点能够有效捕获E.coli，对E.coli的检测具有灵敏度高、线性范围宽的优点。此外，本文通过E.coli与溶液中10种糖的相互作用实现细菌吸附抑制剂的筛选实验。 3、应用上述水凝胶微阵列芯片基底的制备方法，发展了一种基于凝集素微阵列芯片的夹心模式实验方法，用于培养活体细菌和研究抗生素与金黄色葡萄球菌(S.aureus)的相互作用。将细菌固定微阵列芯片和药物载入微阵列芯片对齐，用LB培养基溶液连接两个对齐的水凝胶点制得细菌和药物共培养的微型培养室，通过药物诱导细菌的生长变化来研究药物的抑菌活性。抗菌药（阿莫西林、万古霉素、链霉素和氯霉素）的抑菌实验证明了这种方法能有效检测抗菌药药效并获得相应的最低抑菌浓度(MIC)值。与其他报道的方法相比，该实验方法能够进行高通量抗菌药筛选，有效地减少实验成本以及人力消耗。 4、发展了一种简单快捷并且能够大量生产碳纳米纤维的方法。在常温下，通过苝酰亚胺类衍生物水溶液的自组装性能产生纤维凝胶，经过冷冻干燥以及后续的碳化处理，制备出高性能的碳纳米纤维材料。该制备方法容易进行修饰和改性，从而获得不同元素掺杂的功能型纳米纤维材料。三聚氰胺和非离子型表面活性剂(Pluronics F-127)能够在水凝胶的自组装过程中嵌入材料中，产生高比表面积的碳纳米纤维材料。该材料用于制备超级电容器的电极材料，具有高电容以及稳定的充放电性能。