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电化学酶生物传感器是一种将电化学分析方法与酶生物技术相结合的生物传感器,已在临床检测、环境监测以及食品、制药等领域表现出广阔的应用前景。目前,在酶生物传感器的制备和应用过程中,所面临的最大问题就是酶电极的生物电催化活性较低,且稳定性较差,容易失活。然而,此类问题与酶电极制备过程中所采用的酶固定化方法、以及酶固定化所选用载体材料密切相关。此外,酶电极的生物电催化活性不仅与载体材料的亲水性密切相关,而且与载体材料的导电性也密切相关。基于此,本论文从新型二氧化钛(Ti02)纳米载体材料用于酶电极的构建以及酶的高效固定化方法等方面进行了探索性的研究。本论文研究工作主要是基于TiO2 NTAs酶电极的制备及其应用研究。设计合成了4种不同TiO2 NTAs基载体材料：二氧化钛纳米管阵列(TiO2 NTAs),二氧化钛纳米管阵列/银纳米颗粒(TiO2 NTAs/AgNPs),二氧化钛纳米管阵列/还原氧化石墨烯/银纳米颗粒(TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs),氮掺杂二氧化钛纳米管阵列(N-TiO2 NTAs)。基于以上所制备的TiO2 NTAs基载体材料构建了一系列具有较高生物电催化活性的TiO2 NTAs基酶电极,并研究了所制备酶电极在生物电催化领域中的应用。本论文研究的具体工作包括以下几个方面：1、TiO2 NTAs/GOx酶电极的制备及其生物电催化性能研究。TiO2 NTAs具有良好的生物相容性和良好的亲水性,并且具有较大的比表面积和较强的吸附能力：此外,高度有序的TiO2纳米阵列可以为电子传输提供单向通道,有利于电子传导。因而,TiO2 NTAs是一种理想的酶电极载体材料。探索研究了以TiO2 NTAs为载体材料,在其表面进行葡萄糖氧化酶(GOx)的固定化,以制备TiO2 NTAs/GOx酶电极。提出了一种可直接将GOx固定化于TiO2 NTAs表面以制备酶电极的新的酶固定化方法,即改进交联法。与传统的交联法相比,该种改进交联法可以直接将酶固定化于载体材料的表面,避免酶的活性中心在固定化过程中被包埋,因此可以有效提升酶电极的生物电催化活性。研究表明,基于TiO2 NTAs/GOx酶电极的生物传感器对葡萄糖浓度响应的线性范围为0.05-0.65mM,其检测灵敏度为199.61 μmM-1 cm-2。因此,TiO2 NTAs/GOx酶电极具有良好的生物电催化活性,可以作为葡萄糖生物传感器用于葡萄糖的检测。2、TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极的制备及其生物电催化性能研究。银不仅是导电性最好的贵金属材料,而且具有良好的生物相容性,基于AgNPs修饰酶生物传感器具有较强的检测灵敏度。探索研究了以TiO2 NTAs/AgNPs为载体材料的酶电极,通过提高载体材料电子传递能力来提升酶电极生物电催化活性。本研究采用了化学沉积法将AgNPs沉积于TiO2 NTAs表面,得到了TiO2 NTAs/AgNPs,单个银颗粒的尺寸大小在30到100 nm范围之间。然后,采用改进交联法将GOx固定化于TiO2 NTAs/AgNPs载体材料表面制备得到了TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极,并研究的该酶电极在生物电催化领域中的应用。研究表明,基于TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极的生物传感器对葡萄糖浓度响应的线性范围为0.05-0.65 mM,其检测灵敏度为207.43 μA mM-1。与TiO2 NTAs/GOx酶电极的检测灵敏度(199.61 μAmM-1cm-2)相比较为接近或者有轻微的提升,但重要的是TiO2 NTAs/AgNPs电极电子传递能力的提升,使得其在酶生物燃料电池领域中的应用成为了可能。基于TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极的生物燃料电池的开路电压为0.202 V,短路电流为0.197 mA cm-2最大输出功率密度为8.66μW cm-2。因此,TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极的生物电催化活性高于TiO2 NTAs/GOx酶电极,能够一定程度上提高葡萄糖生物传感器的检测灵敏度性能,并且可以应用于构建酶生物燃料电池。3、TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极的制备及其生物电催化性能研究。石墨烯与纳米颗粒之间能够形成的较强的范德华力,可以有效防止其表面所沉积的纳米颗粒的团聚,在石墨烯的表面进行纳米颗粒的沉积可以得到较小尺寸的纳米颗粒。此外,r-GO表面富含亲水性基团,这些亲水性基团有助于酶电极构建过程中提升酶的固定化效率。为了解决TiO2 NTAs/AgNPs载体材料中AgNPs的团聚现象、粒径大小不一和分布不太均匀等问题,探索研究了以TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs为载体材料的酶电极,通过提高表面修饰AgNPs 5分散性能来提升酶电极生物电催化活性。采用化学沉积法将AgNPs沉积于r-GO修饰的TiO2 NTAs表面,得到了TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs。然后,采用改进交联法将GOx固定化于TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs载体材料表面制备得到了TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极,并研究了该酶电极在生物电催化领域中的应用。研究表明,与TiO2 NTAs/AgNPs相比, TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs表面AgNPs的覆盖密度更大,AgNPs颗粒尺寸又小又均匀,单个银颗粒的尺寸大小在20到30 nm范围之间。基于TiO2NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极的生物传感器对葡萄糖浓度响应的线性范围为0.05-0.3mM,其检测灵敏度为257.79 μAmM-1,比较TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极的检测灵敏度(207.43 μA mM-1 cm-2)有明显的提升；基于TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极的生物燃料电池的开路电压为0.225 V,短路电流为0.232 mA cm-2,最大输出功率密度为13.45 μW cm-2,比较基于TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极的生物燃料电池(8.66 μW cm-2)有一定程度的提升。因此,TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极的生物电催化活性优于TiO2 NTAs/AgNPs/GOx酶电极,可以进一步提高葡萄糖生物传感器的检测灵敏度和酶生物燃料电池的最大输出功率密度。4、N-TiO2 NTAs/GOx酶电极的制备及其生物电催化性能研究。氮元素掺杂改性Ti02不仅具有较好的亲水性,而且与Ti02相比具有较高的导电性。为了既能提升TiO2 NTAs载体材料的电子传递能力,又能保持其亲水性,采用氮元素掺杂改性TiO2 NTAs制备得到了N-TiO2 NTAs。TiO2和N-TiO2材料的接触角分别为39°和44°,因此,它们具有相近而优良的亲水性；N-TiO2 NTAs电荷转移电阻(Rct)为500.2 ohm,明显低于TiO2 NTAs的Rct (6431 ohm),因此,N-TiO2 NTAs与TiO2 NTAs相比具有更好的电子传递能力。采用改进交联法将GOx固定化于N-TiO2 NTAs载体材料表面制备了N-TiO2 NTAs/GOx酶电极,并研究了该酶电极在生物电催化领域中的应用。研究表明,基于N-TiO2 NTAs/GOx酶电极的生物传感器对葡萄糖浓度响应的线性范围为0.05-0.85 mM,其检测灵敏度为733.17 μA mM-1 cm-2,比较TiO2 NTAs/GOx酶电极的检测灵敏度(199.61μA mM-1 cm2)有非常显著的提升。此外,基于N-TiO2 NTAs/GOx酶电极的生物燃料电池的最大输出功率密度为23.92 μW cm-2,比较基于TiO2 NTAs/GOx酶电极(5.38 μW cm-2)和TiO2 NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极(13.45 μW cm-2)的生物燃料电池都有明显的提升。因此,N-TiO2 NTAs/GOx酶电极的生物电催化活性明显优于TiO2 NTAs/GOx和Ti02NTAs/r-GO/AgNPs/GOx酶电极,可以显著提高葡萄糖生物传感器的检测灵敏度和酶生物燃料电池的最大输出功率密度。