构置了三类共11种基于氧化酶及其与过氧化物酶、碱性磷酸酶耦合诱导生成金纳米粒子、聚苯胺等纳米材料的新型电化学传感器，实现了在自诱导纳米材料促进下葡萄糖氧化酶的直接电子转移，提出了一种与众不同的消除电化学生物传感中抗坏血酸干扰的新模式；并将生物催化诱导生成纳米材料的研究思路扩展到DNA杂交分析和细菌催化诱导生成纳米材料的新领域；建立了葡萄糖、胆固醇、尿酸、H2O2和DNA等生物物质的高灵敏、高选择性测定新方法，使相关测定灵敏度提高1至2个数量级、线性范围达3至4个数量级。完成论文20篇，其中在《Biosens.Bioelectron.》、《J. Mater. Chem.》和《Analyst》等期刊上发表论文11 篇。项目中取得的研究成果，为生命科学中相关生物物质的电子传递作用机理、定量分析以及纳米材料生物合成的研究提供了新的手段，对丰富化学修饰电极技术与理论、拓展电化学分析技术在生物领域中的应用范围具有重要意义。协助培养博士生5名、硕士生4名。

借助酶催化反应诱导生成纳米材料是构建电化学生物传感器的一个新的研究领域。本项目拟以葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶、尿酸氧化酶和乙醇氧化酶四种氧化酶为模型酶，分别利用这四种酶对其底物葡萄糖、尿酸、胆固醇和乙醇的催化反应诱导电极表面生成金纳米粒子、利用氧化酶与过氧化物酶的双酶连续催化反应诱导电极表面沉积聚苯胺以及氧化酶催化反应对碱性磷酸酶催化反应诱导电极表面生成银纳米粒子的抑制，构置基于氧化酶和具有电化学活性纳米材料的生物传感器，建立评价酶活性和高选择性、高灵敏检测相应底物的电分析新方法。该研究对于扩展生物催化诱导生成纳米材料的应用领域、丰富化学修饰电极的研究内容以及开发新型仿生器件具有重要科学意义。

纳米金属有机骨架化合物（NMOFs）兼具纳米材料、多孔材料以及无机－有机杂合材料的优点，因此基于NMOFs构建电化学生物传感器（用NMOFs固定或模拟生物活性分子）可大大增加电极有效表面积并促进直接电子传递、增进分子识别和预富集功能，且具有电化学活性及生物相容性，从而可大大提高传感器的灵敏度和选择性；同时，利用NMOFs的高度有序性及可剪裁性，还可实现对其结构和性能的精细调控及对传感机理和构效关系的研究。目前有关NMOFs的研究才刚刚开始引起重视，有关其电催化和电传感的研究更只是初露端倪。本项目将设计合成由过渡金属和配体（生物配体为主）构成的系列NMOFs，用于构建性能优良的电化学生物传感器，并深入系统地研究NMOFs的组成、结构等因素与传感器性能之间的关系，探寻其中的规律和机理。这一研究将NMOFs引入电化学生物传感领域，发展新的传感器件，具有明显的科学意义和广阔的应用前景。

金属有机配位聚合物兼具金属及有机配体的性质，又具有多孔性和可调控性，因此在众多领域都有广泛应用，成为科学研究的热点材料。然而，基于金属有机配位聚合物的电化学传感还是一个崭新的研究领域，相关文献报道还很少。但是，由于此类材料自身的特性——金属中心的氧化还原活性、有机/生物配体的功能性、多孔性等——我们认为将其应用于电化学传感是很有前途的、值得努力的研究课题。 本项目执行期间，按照计划开展了相应的研究工作，进行了金属有机配位聚合物的设计、合成及表征，并基于该类材料构建了电化学传感器，研究了材料性质与传感器性能之间的关系。主要研究工作包括基于氨基酸配体的新型配位聚合物的合成、表征及电化学传感；同晶取代对配位聚合物性质的影响；纳米配位聚合物的制备及电化学传感；利用辅助配体构建多孔配位聚合物并用于电传感；基于Mn的配位聚合物的制备及其对过氧化氢的氧化还原双催化功能；基于卟啉衍生物的双金属配位聚合物的合成及电化学传感研究；基于腺嘌呤生物配体的配位聚合物的合成及电化学传感研究；以金属硫堇配位聚合物结合适配体用于肿瘤标识物的电化学生物传感；以及以纳米配位聚合物为前驱体制备纳米氧化物并用于电化学传感；和以配位聚合物为前驱体制备碳氮材料CNx并用于电化学传感等。 资助项目执行期间，研究工作取得了丰富的成果，圆满完成任务。已取得的主要研究成果包括：在国内外学术期刊上发表研究论文11篇（其中发表于国外SCI期刊的10篇）；参加了5个国际、国内学术会议，发表会议论文计7篇；申请相关中国发明专利6项（其中4项已公开或实审）；培养了4名研究生已获硕士学位，还有5名在读。

光纤生物传感器技术发展了近 30 年的时间，在国外，已经被广泛用于物质测定，比如除草剂、尿蛋白中的刺激性药物、与 VIII 因子相关的抗原、人体 IgG 和 IgM、牛血蛋白—包括牛血红蛋白和牛血清蛋白、 人体细胞中的红细胞和 T 淋巴细胞核粒细胞、血清 HIV 特异性抗体和血管内皮生长因子等。在国内，检测诸如葡萄球菌肠毒素、胰岛素、 甲胎蛋白和日本吸血虫抗体等物质也有采用光纤生物传感器的方案。然而常用的光纤生物传感器还是基于标记方法， 免标记光纤生物传感器还处于实验室研究阶段 。

目前得到广泛研究的免标记光纤生物传感器按照工作原理不同可以分为： 光纤表面等离子体共振生物传感器、光纤倏逝波生物传感器和光纤光栅生物传感器等 。

1 光纤表面等离子体共振生物传感器

光纤表面等离子体共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 生物传感器主要是基于光纤表面等离子体共振传感原理， 通过探测光纤表面倏逝场区内折射率的变化来分析被测生物分子的特性。当倏逝场的区域内生物分子发生识别反应时， 金属薄膜表面的折射率会随之变化从而改变表面波的共振角度。 共振角度变化的幅值取决于倏逝场区的平均有效折射率， 通过检测这一变量就能够确定分析物在该区域的结合数量。由于该传感器具有生物样品无需标记且可实时监测反应动态过程的特点， 特别适于生物分子的检测以及分子之间相互作用的研究 。

2009 年，比利时 Jeroen Pollet 等用环氧树脂将长为 3 cm，直径 400 m，数值孔径 0.39 的多模光纤粘于注射器针头处，在光纤端部 1 cm 区域涂覆 50 nm 的金膜实现光纤表面等离子共振。光纤端面可以看作金属反射镜，将光波反射回光谱仪。传感器系统由光源、光谱仪、光纤耦合器和传感头构成 。

生物传感头的制作方法如下： 首先利用一夜孵化的方式将单层自组装羟基/羧基巯基混合聚乙二醇固定于金传感头表面，然后吸附链锁状球菌，利用 NaCl 和 NaOH 混合溶液冲洗传感头，将未固定的多余链球菌清洗干净就制成了生物传感头。 利用这一传感头对生物素单层 DNA 进行了探测，观测到了 5.0±1.0 nm 的波长漂移。研究结果表明，该传感器能够检测到的 DNA溶液的浓度范围是 0.5~5 M，对免疫球蛋白 IgE的检测精度能达到 2 nM。同时，利用这一传感器还可以实时监测 DNA 分子的杂交与分解运动，实验中检测到了 DNA 分子的分离常数为 30.9±2.9nM 。

2011 年，该课题组又制作了顺磁性材质修饰的纳米光纤 SPR 生物传感器，实现坚果过敏源的精确快速检测。 利用顺磁性材料修饰的光纤 SPR传感器对 Ara h1 探测的灵敏度为 0.09 g/mL，比普通的光纤 SPR 传感器的灵敏度 9 g/mL 高了两个数量级。该传感器能够在 1.0~2 g/mL 的范围内线性动态测量，并且能够重复使用 35 次而不降低传感灵敏度 。

2012 年，加纳的 Akowuah E K 等理论研究了光子晶体光纤 SPR 生物传感器，利用 HE11和HE11模对生物膜检测。HE11和 HE11模振幅检测灵敏度能够达到 4×10 5 RIU 1和 8×10 5 RIU 1，而波长检测灵敏度达到 5×10 5 RIU 1和 6×10 5 RIU 1。2013 年，重庆理工大学的刘盛平等研制了一种用于心肌肌钙蛋白 I (cTn I) 检测的局域 SPR光纤传感器。 在光纤局部腐蚀掉包层后利用纳米银膜形成 SPR，用葡萄球菌 A 蛋白作为鼠抗人 cTn I的连接体，实现对 cTn I 浓度的检测。结果表明，当 cTn I 浓度在 20~120 ng/mL 范围内时，消光峰位移的对数与浓度呈线性关系， 线性系数为 0.9962，利用夹心法能实现 10 ng/mL 的检测灵敏度 。

2 光纤倏逝波生物传感器

光纤倏逝波传感器是基于倏逝波原理工作的，光纤中的倏逝波是光在纤芯与包层间进行全内反射式传输时产生的。当光以一定角度入射时，在纤芯与包层的分界面上就会产生全反射， 部分光会垂直于分界面透射至包层中， 但透射波的幅值随着透射深度的增加而呈指数衰减， 所以只能存在一段很小的距离，一般在波长量级，这种波就称之为倏逝波。作为生物传感器使用时，要将传感段的光纤包层去除，当分析物与识别分子发生生化反应时，会被吸附于纤芯表面，从而影响倏逝波的透射深度，这时传输光能量就会发生变化，通过检测传输光的特性就能得到被测生物分子的特征。按照光纤倏逝波生物传感器的结构， 可以将其分为 3 种：第 1 种是直型 (是光纤纤芯直径)，直接剥去光纤的包层，在光纤纤芯固定识别分子， 实现对被测分子的检测。这种结构中传输段和传感段之间由于结构的突然变化会出现模式的不匹配，增加传输损耗，从而影响到测量的灵敏度。2010 年，印度 Sai V V R 等人利用 280 nm 的紫外光 LED 作为光源对生物分子进行检测。将 200 m 直径的光纤 15~30 cm，中间 5 cm 利用机械方法剥去包层，再用 0.3 m 的抛光纸抛磨端面。 传感部分表面用铬酸溶液浸泡产生羟基组团，再用去离子水冲洗后置于 115 ℃烤箱中烘干 2 h，浸入 1%的酒精硅烷溶液将传感区进行硅烷化。 经过化学处理的传感头在 0.1 mg/mL 的人IgG 抗体溶液中孵化 16 h，再用磷酸盐缓释液(phosphate buffered saline, PBS) 冲洗干净就制成了生物传感头。 实验室中利用该传感器对 50 g/mL的羊抗人 IgG 进行探测， 吸光率能够达到的最大值为 0.036。第 2 种是锥型， 这种结构可以避免光纤探针结构的突变，纤芯以锥形区过渡至传输段。这种结构增加了传感区的面积和倏逝波的透射深度，提高了灵敏度，是目前最常用的一类倏逝波传感器。 2010 年， 伊朗 Mohammad IsmailZibaii 等人通过将单模光纤拉锥的方法测量溶液中大肠杆菌的增长速度。 锥形光纤是用热拉的方式实现的，光纤的锥腰直径是 6~7 m，锥形区长度为 3 mm。在光纤的锥区通过涂覆多聚赖氨酸(Poly-L-Lysine, PLL) 来吸附细菌。在适当的条件下当细菌逐渐增长时， 锥区吸附膜层的折射率也在增加，从而影响了倏逝波的穿透率，测量灵敏度达到了 60 E. coli mm 2。第 3 种是 U 型。为了进一步提高探测的灵敏度， 人们通过使传感部分的纤芯发生弯曲的方法来提高倏逝波的透射深度。研究表明， 这种结构比起直型传感器的灵敏度有很大的提高，且随着弯曲半径的减小灵敏度迅速增加。但这种结构体积比起前面几种要大很多，而且制作相对困难，由于弯曲后内外两面受力不均，光纤也容易折断 。