仿生催化与生物分子器件
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1.电极材料及其表面功能化
研究生物物质的电子传递和界面行为并加以测定，自然会遇到生物物质电活性中心难以暴露、电子传输缓慢及电极污染、钝化等基本难题。要解决这些问题，必然涉及电极材料的选择和电极表面功能化。
我们最初的工作是用电化学方法修饰碳纤维形成仿生微界面，使其对神经递质具有很好的伏安响应。1994年我们首先观察到并证实了裸银电极具有使蛋白质直接电子传递的能力，为此后将银电极用于生物体系的研究奠定了基础。同时，通过对电极表面的分子自组装、衍生、剪裁等功能化修饰，已在 A u、 Pt、 Ag、 Cu、碳纤维、玻碳、石墨、热解石墨和碳网等电极材料表面修饰多种功能分子，实现了三维有序组装，形成具高催化活性、高灵敏度、高选择性的仿生界面。而且，将超分子化学原理用于分子器件的设计，以人工超分子体系所表现的自组性、协同性、应答性来构建功能器件；并将纳米胶体粒子用于表面功能化设计，提供一种以简单方法装配出复杂有序结构的技术路线。据此，已研制出多种性能优良的生物传感器和生物分子电子器件。
2.蛋白质仿生界面―――蛋白质（直接）电化学
发现并证实了血红蛋白（Hb）在裸银电极上的直接电化学；表面活性剂 S DS有利于打开 H b的电荷活性中心，可使 H b在银电极上的测定灵敏度提高二个数量级。利用配位诱导反应即利用 N、 S与银的特殊的结合能力，将吩噻嗪、咪唑、苯并咪唑、巯基苯并咪唑、组氨酸、半胱氨酸、卡托普利等自组装在 A g表面，进一步研究了血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素 C等在这些修饰银电极上电子传递行为，为建立新的测试方法奠定基础。
通过4,6－二甲基－2－巯基吡啶和聚氨基蒽醌、亚甲兰修饰在金带电极和碳纤维电极上分别获得细胞色素 C和 H b的仿生电催化微界面，建立了直接电化学测定方法。
将肌红蛋白、血红蛋白作为修饰剂直接修饰在电极上，制成对 N O有良好催化作用的高灵敏的修饰电极。
3.辅酶Ⅰ（NADH）在仿生界面上的电催化
NADH是300多种脱氢酶的辅酶，据此建立的所谓“基础”传感器可架起仿生的桥梁，快速、准确地检测许多重要酶基分子。但 N ADH在裸电极上的氧化过电位很高，以至干扰很大，构筑仿生界面的目的之一就是降低 N ADH的氧化过电位。
（1）NADH仿生界面
最初我们以吸附在石墨电极上的染料为电子媒介体，使 N ADH氧化过电位下降500－600 mV，并发展了 N ADH的流动注射分析方法，检测限低至1.0pmol。但吸附型仿生界面的最大缺点是不稳定，为了提高稳定性，我们相继开展了聚合膜和自组装膜仿生界面的研究。
用现场电化学聚合方法将染料如硫堇、亚甲绿、灿烂甲酚蓝和 p―萘醌磺酸根固定在电极表面，研制成对辅酶工具有良好催化活性的仿生界面。无机聚合膜是一类性能稳定、坚固的修饰材料。在纳米金带电极上电聚合铁氰化镍、铁氰化钴等催化膜，可将 N ADH的氧化过电位降低340 mV，发展成一种新的微型无机膜传感器件。
将电子传递媒介体自组装、衍生到金或银电极上。这种仿生界面具有比有机聚合物更好的电化学行为和稳定性，使 N ADH氧化过电位降低达600mV之多，NADH的检测限也更低，用途更大；组氨酸修饰银电极能有效催化 N AD＋高效还原再生为具有生物活性的 N ADH，这种高效再生体系有望用于生物反应器中。
（2）与 N ADH相关脱氢酶的检测
将葡萄糖脱氢酶固定在可催化氧化 N ADH的电活性聚甲苯胺蓝膜中，建立了葡萄糖的电分析新方法；利用无机仿生界面对 N ADH氧化的电催化作用，实现了对乳酸脱氢酶活性的测定，提供了纳米级微电极在临床生化分析中应用的实例。提出了谷氨酸转氨酶在 N AD＋仿生界面上的电分析方法，为临床肝炎疾病诊断提供了新方法。
4.核酸仿生界面的构建及其检测
利用电化学预处理玻碳电极对热变性 D NA的吸附特性，定量检测热变性 D NA，判断 D NA的变性程度。利用吸附态单、双链 D NA与电化学探针亚甲蓝作用差异建立起长链 D NA序列检测方法及对单、双链的识别。将 D NA修饰在 I TO电极表面，研制成测定药物米非思铜传感器。
5.生物小分子仿生界面
系统地研究了锇配位聚合物仿生界面对神经递质催化响应的动力学，将现有检测灵敏度提高了2 3个数量级，线性扩展至5个数量级范围。构建的氨基酸聚合膜仿生界面可同时检测抗坏血酸与多巴胺；并提出了检测限可低达 n mol ／L几级的尿酸检测方法。
6.酶基仿生催化体系
利用衍生、接枝，集修饰剂和脱氢酶于一体研制出无试剂乙醇传感器；将 G OD与依沙哑啶、对氯苯酚在 P t电极表面进行电化学共聚及利用阴阳离子的相互作用形成多层有序 G OD膜修饰电极，研制成抗干扰能力强、响应快、稳定性好的葡萄糖传感器；利用自组装单层的衍生、聚合，在 A u电极上形成 H RP嵌入的聚硫堇单层，发展成 H2O2传感器。
7.纳米生物功能仿生界面
将纳米技术、自组装方法和生物技术汇成一体，构建成高活性的酶―纳米金胶载体三维有序膜，研制成基于金胶纳米粒子和细胞色素 C、血红蛋白和 H RP修饰金、碳糊电极的无试剂过氧化氢和 N O2―传感器。由于纳米金胶的生物相容性和方法的改善使固定化的 H RP的米氏常数比溶液中降低了2 3个数量级，大大提高了酶的活性，为发展新一代高性能生物传感器件和生物分子电子器件创造了良好条件。
8.微传感器与生物分子器件
我们在研制微传感器的同时对微电极的基础理论开展了系统深入的研究，其中所提出的微带阵列电极的计时电流公式、屏蔽因子的算法及 E E反应机理的判据，对微阵列器件的研制有重要的指导意义。
（1）微电极与纳米超微电极的修饰及其在蛋白质、酶等研究上的应用
用电化学聚合、共聚合、聚合膜涂层法或几种方法的结合，成功地制备了多种新型的电活性聚合膜修饰微电极。如氨基蒽醌聚合物修饰碳纤维微柱电极已满意地用于血样中 H b的灵敏测定； G OD在金纳米超微电极和微铂电极上的固定；在微型铂基电极上运用 N afion阳离子交换膜同时固定葡萄糖氧化酶和电子媒体高氯酸二茂铁，制作成第三代葡萄糖传感器。无机聚合膜修饰金微带电极对 N ADH氧化测定等。
（2）阵列微电极、开关器件的研制与应用
利用共聚法在苯胺链上镶嵌“－COO－”基团，在中性和弱碱性溶液液中显著改善了母体聚苯胺膜易失活的缺点，研制成抗坏血酸“开关”器件。将聚吡咯电化学沉积在间距为8.0微米的十组阵列微带金电极上，其 I D― VD的响应曲线具有二极管的开关功能。利用这一功能，在 I DA电极上构建了 P Py ／硫辛酰胺脱氢酶仿生界面，利用 N ADH及其浓度对该界面开关状态的影响，提出了分析测定的新途径。
21世纪是生命科学的世纪，随着人类基因组计划的圆满完成和蛋白质组学计划的启动，仿生催化将保持继续发展的态势；众所周知，自然界是生物催化最好的设计师，仿生催化和生物分子器件的研究将促进微全分析系统（g－TAS）和生物分子检测技术的发展，为生命科学作出新的贡献。我们有关的研究工作将在新的挑战和机遇下继续向前。
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