石墨烯是一种单原子厚度的二维纳米材料,具有独特的电学、光学、热学和力学特性。石墨烯及其水溶性衍生物氧化石墨烯己经在纳米电子学和纳米复合材料领域得到广泛关注。本论文对生物分子(核酸和蛋白)和这种平面结构的纳米材料之间的相互作用进行了研究,同时设计了多种基于氧化石墨烯或者石墨烯的生物传感器。主要的研究结果如下:　　 (1)基于氧化石墨烯纳米探针的DNA传感器。我们通过理论和实验论证了氧化石墨烯具有很高的荧光淬灭效率,并且与单双链DNA之间的相互作用存在差异性。基于这个新的发现,我们设计了一种新型的生物传感器用于靶DNA的快速、灵敏和特异性检测。由于氧化石墨烯特殊的高效率的淬灭能力,荧光标记的DNA探针呈现很低的背景,而加入靶DNA之后可以观察到强的发射光。该方法具有很高的信噪比和检测灵敏度。该DNA传感器的检测线性范围为0-25 nM,在没有对靶分子进行信号放大条件下的检测限为100 pM。更重要的是,由于氧化石墨烯大的平面表面结构,它可以同时淬灭不同的荧光染料基团标记的多种DNA信号探针,从而可以作为一种多元传感器用于同一溶液中三种不同靶DNA的检测。同时,我们论证了这种基于氧化石墨烯的传感平台与核酸适配体结合也适用于对腺苷A的检测。这种腺苷传感器具有很高的特异性,对腺苷A的检测限为10μM。　　 (2)基于氧化石墨烯和蛋白相互作用的传感平台。利用标准动力学曲线和圆二色谱光谱技术,我们研究了辣根过氧化物酶吸附到氧化石墨烯表面之后的结构和功能。实验结果显示,氧化石墨烯对辣根过氧化物酶的最大负载量约为600μg辣根过氧化物酶/mg氧化石墨烯。而且,辣根过氧化物酶吸附到氧化石墨烯表面之后的活性为原始活性的78%,同时其a螺旋结构的量是原始辣根过氧化物酶的77%。基于这些结果,我们利用氧化石墨烯、免疫球蛋白抗体和辣根过氧化物酶设计了一种信号放大探针。该探针作为传统比色偶联产品的替代物在三明治夹心结构的免疫反应中起信号放大作用,可以应用于癌症标记物蛋白甲胎蛋白的检测。该方法对甲胎蛋白的检测限为10 pg/ml,比常规的ELISA方法的灵敏度要高。　　 (3)基于纳米金颗粒修饰的石墨烯的表面增强拉曼散射平台用于DNA多元分析。我们利用化学气相沉积方法制备石墨烯并在其表面原位生长纳米金颗粒,基于此我们研制了一种均一、具有高效表面增强拉曼活性的基底。实验结果显示,不同的染料分子(Cy3,ROX和R6G染料)在这种新型的基底上的拉曼信号得到显著增强。利用石墨烯表面原位生长的纳米金颗粒以及其电磁增强效应,荧光染料基团标记的信号探针DNA可以组装到基底上,并且在该基底上信号探针DNA的拉曼信号得到明显增强。该平台用于DNA检测具有非常高的灵敏度和出色的特异性。对靶DNA的检测限为10 pM。更重要的是可以在同一块基底上采用一种激发光就可以实现两种不同的靶DNA的同时检测。