本研究以新型功能材料的研制及新型生物传感器的研发为主要内容，致力于丰富和发展纳米功能材料的绿色合成、新型功能分子的创制与运用、生物分子的高灵敏光电检测分析等，属于分析化学学科基础领域范畴。
功能材料的制备与界面功能化是生物分析化学和生物传感的关键，为分析化学的发展带来了重要机遇。近十年来，课题组以纳米材料的合成与功能化为研究核心，针对生命分析中的关键问题和难点，以提高生物分析与生物传感的灵敏度与选择性为目的，设计与发展了一系列新型的纳米生物传感器，充分发挥电分析化学和荧光技术的简便、灵敏的特点，探索功能纳米界面与生物分子的相互作用机制，为生物分子的分析与检测提供灵敏度高和选择性好的分析新方法，成功应用于重要生物分子的实际检测，促进了分析化学和生物分析化学的发展。主要学术贡献如下：
1、发展了电化学蚀刻制备硅量子点的绿色合成方法，并将合成的硅量子点引入生物分析化学和生物传感的研究中。发展的电化学蚀刻法实现了对硅量子点的纳米尺寸、发光波长和荧光强度调控，将这种无毒环境友好且荧光量子效率高的硅量子点与生物分子进行耦合，突破了传统荧光量子点在生物分析中因其毒性问题难以实际应用的局限，建立了实时、快速的现场分析技术，成功用应用于葡萄糖、有机磷农药和饮用水等实际样品的检测，为农业发展、食品检测、环境监测和临床分析等提供了潜在的科技支撑。
2、以廉价的有机小分子和湖南特色生物质材料为前驱物，发展了碳量子点、石墨烯等纳米材料的绿色制备方法，建立了基于功能纳米碳材料的生物化学传感器。首次将分子导线化合物与电子媒介体偶联并与纳米碳材料复合开发出新型纳米复合物，有效地促进了电子传递，将其作为电化学生物传感器的有效结构基元，开发了一系列电化学传感器。显著地提高了电催化活性和检测灵敏度，实现了单组分和多组分的分析检测，拓展了分析化学的研究方法与实际应用。
3. 开展了贵金属纳米材料的可控制备、结构表征、构效关系和传感器构建等研究，实现了尺寸和/或形状控制合成，获得了优异的电学和新颖的光学性质，实现了生物小分子、生物酶和核酸的高灵敏检测。
以上研究发表SCI论文46篇（其中IF>5.0论文9篇；IF>3.0论文34篇）；10篇代表性论文发表在Anal. Chem., Chem. Commun., Biosens. Bioelectron.等学术期刊上。46篇研究论文，其中20篇主要论文被SCI他引430次，10篇代表作被SCI他引227次，他引论文主要发表在包括Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.，Anal. Chem.等在内的重要学术期刊上。本项目曾获1项国家自然科学基金的重点项目、5项面上项目以及2项青年基金的资助。项目部分成果于2011年获“中国分析测试协会科学技术奖”二等奖。
生物传感是由生物分子识别元件与各类物理、化学换能器组成的生化信息获取技术，是融生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术于一体的技术。生物传感器具有选择性好、灵敏度高以及快速、原位、微型化、低成本等优点，在生命科学研究、疾病诊断、食品安全等方面具有广阔的应用前景。随着社会的进步和科学技术的发展，检测对象日益多样化、复杂化，高灵敏度检测，高选择性乃至可鉴别分子的位点修饰与构象变化，无损伤、无接触乃至可进行活体原位检测等科学问题和技术需求应运而生。相对而言，功能材料的制备、生物传感界面的构建和灵敏检测方法的研制是满足分析发展需求、解决学科瓶颈的关键科学问题和解决手段，是目前生物传感和生物分析化学领域的科学前沿。
近年来，申请者主要针对与生命相关的小分子和生物大分子的检测问题，设计并合成新型纳米生物探针，构筑功能生物纳米界面，在分子水平、纳米尺度上认识和阐明生物电化学中有关长程电子转移、分子识别和生物催化等基本规律，研制了高选择性、高灵敏度和高稳定性的生物传感器，发展了生物小分子、酶和核酸等生物分析新方法，取得了系统性、创新性成果，为湖南农业发展、食品检测、环境监测和临床分析等民生问题提供了潜在的重要科技支撑。
主要发现点一、发展了电化学蚀刻制备硅量子点的绿色合成方法，将硅量子点引入生物分析化学和生物传感的研究领域。实现了通过电化学蚀刻法调控硅量子点的纳米尺寸、发光波长和荧光强度，将这种无毒、环境友好和荧光量子效率高的硅量子点与生物分子进行耦合，突破了传统荧光量子点在生物分析中因其毒性问题难以实际应用的局限，建立了实时、快速的现场分析技术，成功用于葡萄糖、有机磷农药等实际样品检测。（所属学科：光电化学分析、生化分析及生物传感，证明材料见代表性论文1、2 和附件三：SCI 收录证明）
硅量子点具有良好的荧光性质、毒性低，是生物标记和分析的优良材料。但硅量子点的合成需要苛刻的条件和大量有机无机试剂，绿色合成方法尚待开发，硅量子点还有很多特性还不清楚。因此，如何实现硅量子点的绿色合成以及探究其独特的性质，是拓展硅量子点应用的关键。
课题组发展了电化学蚀刻制备硅量子点的绿色合成方法。在催化剂存在下，通过电化学调控蚀刻硅片，并在醇溶液中超声，即可获得纳米尺寸、发光波长和荧光强度可调的硅量子点。发现硅量子点的荧光能被双氧水猝灭的特性。研究了双氧水猝灭硅量子点荧光的作用机制，并利用此性质构建了灵敏的葡萄糖荧光传感器，检测线性范围为5-650 mM，检测下限为0.68 mM，实现了血清中葡萄糖的高灵敏检测。该方法具备便捷、经济、灵敏等优点，同时还不需要化学修饰和酶固定，为糖尿病的临床诊断提供灵敏的新方法 (代表性论文1，Chem. Commun., 2013, 49, 612-614)。利用胆碱氧化酶的高效催化效应，乙酰胆碱作为底物在酶催化下生成双氧水，双氧水能高效猝灭硅量子点荧光的特性，实现了对有机磷农药的高效检测。有机磷农药是胆碱氧化酶的重要抑制剂，对生命和健康极其有害，有机磷农药的浓度可有效影响硅量子点的荧光猝灭程度。因此，发展的该硅量子点的荧光传感器可灵敏检测目前广泛使用的农药甲萘威，并可用于实际样品检测，检测下限达到5 ng/L，远低于欧洲联盟和美国农业部门制定的最低残留检测标准。该方法属于便携式的现场廉价检测技术，明显优于高效液相色谱等传统质检方法，解决了传统分析中灵敏度低、过程复杂、费时、重现性差等问题，为生物分析化学的发展提供了新思路(代表性论文2，Anal. Chem., 2013, 85, 11464-11470)。
研究还发现硅量子点具有类过氧化氢酶的酶催化性质，详细研究了其类酶催化机理。利用其类酶催化特性，发展了一种新型非生物酶生物传感方法，解决了生物酶传感器中生物酶的昂贵和稳定性差等问题。该硅量子点非酶生物传感器具有廉价、稳定和适用范围广范等优势，实现了葡萄糖的可视化检测（Chem. Commun., 2014, 50, 6771-6774）。
通过以上研究，在硅量子点的制备和性质研究中有以下三个重要发展：①开发了一种硅量子点的绿色合成方法；②发现了硅量子点的荧光能被双氧水猝灭的特点，并将其应用于农药检测；③发现了硅量子点具有类过氧化物酶活性，并利用该性质实现了葡萄糖的可视化检测。
该部分研究工作被国内外学术同行广泛应用和评价。例如，美国哈佛大学Daniel G. Nocera教授在Inorganic Chemistry（2014, 53, 1900−1915）（附件四SCI引用证明文件论文[1]的引文8）的论文中介绍了我们的葡萄糖传感器方法。杰出青年基金获得者，长江学者，中国科学技术大学俞书宏教授在Nanoscale（附件二代表性引文2）综述中指出该工作“利用过氧化氢能猝灭硅量子点荧光的特性，发展了基于硅量子点荧光的葡萄糖传感器”。Skryshevsky在“Hydrogen in Porous Silicon”（附件二代表性引文1）综述中肯定了该研究工作：“利用硅量子点开发了新的葡萄糖检测体系”等。
主要发现点二、以廉价的有机小分子和湖南特色生物质材料为前驱物，发展了碳量子点、石墨烯等纳米材料的绿色制备方法，建立了基于功能纳米碳材料的生物化学传感器。首次合成了系列具有电子媒介体特性的分子导线化合物并与纳米碳材料结合，将其作为电化学生物传感器的有效结构基元，有效地促进了电子传递能力，显著地提高了电催化活性和检测灵敏度，并实现了多组分的分析检测，拓展了分析化学的研究方法与实际应用。（所属学科：光电化学分析、生化分析及生物传感，证明材料见代表性论文3, 4, 9, 10；主要论文19和附件三：SCI收录证明）
碳量子点、石墨烯均为优良的碳纳米材料，广泛应用于开发高性能电池、化学生物传感器。但无需有机无机试剂参与的绿色合成碳量子点的方法还是空白，另外，利用石墨烯构建化学生物传感器的研究很多，但开发的传感器主要应用于单组分的检测，限制了其在复杂体系中的应用。合成新的电活性物质并与石墨烯耦合制备复合物，将是获取构建高灵敏多组分传感器的电极修饰材料的有利途径。
课题组以湖南廉价的甜辣椒为原料，发展了绿色、经济和低温的水热合成碳量子点的新方法，对湖南省资源有效利用具有重要意义。该方法仅仅以甜辣椒和去离子水为原料，是一种绿色环保的制备方法。制备得到的碳量子点具有上、下转换的强荧光性质，其荧光量子产率高达19%，明显高于传统方法制备的量子点的荧光效率，是一种具有显著优势的生物荧光探针，为提高荧光生物传感器的灵敏度提供了新机遇，并成功实现了次氯酸的高灵敏检测，以及完成了长沙市自来水中残余氯的测定，为湖南省的环境监测和人类健康等可持续发展提供了可靠的方法学和技术支撑（代表性论文10，Analyst, 2013, 138, 6551-6557）。
通过亲电取代、加成、消去及Sonogashira偶联方法合成了一系列对亚苯基亚乙炔基共轭化合物，如以含二茂铁的亚苯基亚乙炔基类衍生物等系列分子导线化合物作为电子媒介体，将其与石墨烯复合，有效促进了电子传递能力，获得了比表面积大、催化性能强的石墨烯复合材料，为电化学生物传感器的研究打下基础。利用分子导线（4-二茂铁乙炔基）苯胺优良的电化学性能，作为电子转移媒介体与石墨烯、纳米金、四氧化三铁纳米颗粒等复合合成新型纳米复合材料，构建了诸多性能优越的化学修饰电极和电化学生物传感器，获得了能用于单组分、双组分、三组分以及四组分分析物检测的生物传感器。（代表性论文3, 4, 9）
以二茂铁（4-二茂铁乙炔基）苯胺为模型化合物，选用紫外光谱、红外光谱以及电化学技术详细地研究了亚苯基亚乙炔基类共轭化合物与石墨烯作用机制。研究发现二茂铁（4-二茂铁乙炔基）苯胺与石墨烯之间存在很强的π-π堆积作用，使其能很好地固定在石墨烯片的表面，获得具有很好催化性能的石墨烯复合材料，有效地防止了电子媒介体二茂铁的泄露，成功解决了电子媒介体泄露问题（主要论文19，Electrochim. Acta, 2013, 92, 216-225）。
课题组设计、合成一种新型二茂铁亚苯基亚乙炔基类衍生物，4-(二茂铁基-2-乙炔基)硫代乙酸苯硫醇酯（Fc-SAc）。将该化合物的水解产物4-(二茂铁基-2-乙炔基)苯硫酚（Fc-SH）通过金-硫键固定在金纳米粒子（AuNPs）修饰电极表面，结合石墨烯/壳聚糖构建了新型和高灵敏的芦丁电化学传感器。该传感器稳定，实现了在复杂体系中芦丁的高灵敏、高选择性的检测（代表性论文4，Biosensor &Bioelectronics, 2013, 41, 275-281）。
制备了4-(二茂铁基-2-乙炔基)苯硫酚自组装的Au@Fe3O4纳米粒子，与高导电率的石墨烯纳米片复合，应用它们之间的协同效应制备了具有双重信号放大功能的生物传感器，提高了检测的灵敏度和选择性，并能很好地区分抗坏血酸、多巴胺、尿酸和乙酰氨基酚这些电化学氧化电位很接近的化合物，实现了对此四组分物质的同时、灵敏检测，其检测范围分别为6-350, 0.5-50, 1-100和0.2-30 μM, 最低检测限分别为1, 0.08, 0.1和0.01 μM, 该法为与神经系统和神经疾病相关的重要多组分的临床检测提供了新方法(代表性论文3，Biosensor & Bioelectronics, 2013, 48, 75-81)。
通过以上研究，对生物传感器的研究有三个重要发展：①解决了电极表面电子媒介体泄露难题。②通过调节电极修饰材料，有效地防止了干扰，提高了传感器的选择性。③通过改变电极的修饰材料或者对修饰材料进行功能化，调节检测物在电极表面的氧化还原电位从而实现性质相近的多组分的同时检测。
该工作受到国内外同行的广泛关注，被Anal. Chem., Biosensor & Bioelectronics等重要国际期刊引用。如Yu等在Organomentallics（附件二代表性引文3））论文中指出“该传感器能很好地将分析物四个峰分开，展示了宽检测范围、高灵敏度、低检测限和良好稳定性”。Pandikumar教授在RSC Advances（2014, 4, 63296–63323）（附件四SCI引用证明文件中论文[9]的引文9）综述中肯定：“刘等发展了通过一锅法混合石墨烯和亚苯基亚乙炔基二茂铁制备的石墨烯和二茂铁衍生物的复合材料的方法。该方法制备的复合材料制备的修饰电极可用于检测多巴胺，二茂铁衍生物植入石墨烯纳米材料中有效地增强了电子传递能力，增加了稳定性，有效地防止了二茂铁的泄露。该传感器可以用于实际样品如血清，尿样中的多巴胺检测”。
主要发现点三、开展了金属纳米材料的可控制备、结构表征、构效关系和传感器构建等研究，实现了尺寸和/或形状控制合成，获得了结构、电学和光学性质优异的贵金属纳米材料；构建了多信号、多组分响应的生物传感器，实现了对生物小分子，生物酶和核酸的高灵敏检测。（所属学科：光电化学分析、生化分析及生物传感，证明材料见代表性论文5, 6,7, 8和附件三：SCI收录证明）
贵金属纳米材料是构建光、电化学生物传感器的优良材料。纳米材料的形貌和结构对传感器均有影响。课题组开展了贵金属纳米材料的可控合成以及开发了基于贵金属纳米材料的多信号、多组分响应的传感器。
发展了新型纳米金材料的合成方法，引入聚酰胺-胺型树枝状大分子作为（Polyamidoamine, PAMAM）为配体，发展了有序三维网状纳米金的合成方法。氯金酸根离子与聚酰胺-胺形成稳定络合物，在硼氢化钠还原作用下，原位生成了呈三维有序网状结构的金纳米簇，与羧基化多壁碳纳米管共修饰，构建了辣根过氧化物酶生物传感器。纳米粒子的三维有序网状结构有效地提高了辣根过氧化物酶在电极表面的负载量，保持了酶生物分子在电极表面的生物取向。结果表明其具有高效的酶催化活性和快速的电子转移效率，获得了酶的直接电化学。利用其对底物的催化放大作用，以对苯二酚为媒介体，实现了凝血酶的超灵敏检测，检测灵敏度为5.5 fM，且响应时间短（< 3 s），稳定性、重现性好和抗干扰能力强（相关论文Analyst, 2012, 137, 3488-3495，附件三SCI收录证明文件中论文22）。
利用纳米金的生物相容性与蛋白质的强吸附性，建立了纳米粒子和酶催化信号放大检测核酸的新方法。金纳米粒子固定于γ-球蛋白修饰的96微孔板，通过巯基组装将5’端和3’端分别用巯基和生物素标记的“茎-环”DNA探针固定在金纳米粒子上作为检测探针。当样品中存在目标核酸时，因核酸的特异性作用使检测探针的结构变化，亲和素标记的辣根过氧化物酶与探针上的生物素结合，并催化底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺产生颜色变化，基于酶和纳米粒子的双重信号放大模式，实现了fmol级核酸的灵敏检测。该设计中分子识别部分依赖“茎-环”结构变化，可根据“茎-环”的序列的设计检测不同的DNA传感器，因此，该设计是一种普适性的方法。因其优异的特异性可以区别目标物核酸的单碱基错配，在医学和食品检测方面具有重要意义（代表性论文8，Anal. Chem., 2010, 82, 6440-6446；代表性论文6，Biosensors & Bioelectronics, 2009, 24, 2339-2345)。制备了金-壳聚糖纳米复合材料，利用其对酶和巯基化适体的高效固定作用以及适配体与其配体的特异性作用，构建了基于该复合物的三明治型凝血酶电化学适体传感器，实现了超敏电化学信号的输出，该适体传感器可检测低至5.5 fM的凝血酶（Analyst, 2012, 137, 3488-3495，附件三SCI收录证明文件中论文22）。以Au@Fe3O4磁性纳米粒子中的金纳米粒子催化和Fe3O4磁性分离富集特性，以及去铁蛋白纳米粒子和辣根过氧化物酶的催化性能，构建了一种三明治型的核酸电化学生物传感器，成功用于凝血酶的高灵敏检测，检测线性范围为0.8-100 pM，检测限达到0.17 pM。该方法具有操作简单、响应快、灵敏度高、特异性强等优势，在蛋白质检测和疾病诊断中具有潜力价值（相关论文Anal. Chim. Acta, 2013, 759, 53-60，附件三SCI收录证明文件中论文21；代表性论文5，Biosensor & Bioelectronics, 2011, 26, 2297-2303）。
合成了系列荧光小分子探针，将纳米金与荧光小分子以及上转换纳米材料耦合，利用巯基化合物的亲核进攻，纳米金聚集的颜色变化、能量共振转移等开发了系列比色和荧光双信号传感器。实现了细胞中的谷胱甘肽和半胱氨酸成像、鱼精蛋白和肝素、血小板衍生因子和腺苷等的比色和荧光双信号检测。（相关论文Talanta, 2013, 116, 951-957，附件三SCI收录证明文件中论文25；代表性论文7，Chem. Commun., 2013, 49, 4640-4642）。
通过对纳米金的合成法以及应用研究，获得了如下几个重要发展：①发展了纳米金可控合成的新方法，获得了网状结构的纳米材料；②利用纳米金对DNA和蛋白质的高效固定作用构建了放大平台，提高了检测灵敏度；③建立了比色和荧光双信号检测方法，解决了单一信号的局限，提高了检测的可信度；建立了多分析物同时检测的方法，克服了光谱分析中只能单一组分检测的局限性；将上转换材料与纳米金耦合，解决了生物样品背景高，灵敏度低的局限性，实现了血清中分析物直接检测。