葡萄糖、多巴胺（DA）、过氧化氢（H₂O₂）、一氧化氮（NO）、尿酸（UA）等生物分子在体内的失衡会引起糖尿病、痛风、阿尔兹海默症、癌症等诸多疾病,严重影响人体健康。因此,及时、准确地获取人体内生物分子的浓度信息至关重要。电化学检测是当前公认的一种最具应用前景的检测手段,尤其是基于生物酶的电化学传感器现已实现了商业化应用。但是,生物酶活性极易受环境影响,这严重限制了酶传感器的进一步发展,因此仿生酶电化学生物传感器应运而生。仿生酶电化学传感器的检测性能主要由电极材料所决定。贵金属纳米仿生酶具备优异的电催化性能,因此被广泛用作仿生酶电化学传感器电极材料,但其应用严重受制于高昂的价格和稀少的储量。研究表明,过渡金属基纳米仿生酶可替代贵金属用于仿生酶电化学检测,一方面是因为其类贵金属的催化活性;另一方面是因为其材料来源丰富、价格低廉、制备过程简单可控。现有研究主要集中于镍、钴、锰三种过渡金属基纳米仿生酶,侧重于解决它们自身导电性能差、利用率低、本征催化能力较弱等问题。纳米材料的功能化设计是一种行之有效的提高催化性能的方法。例如,杂原子的引入可以改变基体材料自身的电子结构,尤其是表面电子结构,从而极大提高材料对生物分子吸附和转化的能力,进而实现对基体材料催化性能的改善。构建特殊界面（如异质结）能够有效降低电荷转移阻抗,提供更充分的反应活性位点,进而提高表面反应动力学。此外,多组分材料的复合能够通过优势互补实现改善其催化性能的目的。本论文通过掺杂、界面优化、复合等途径进行功能化设计,制备了一系列过渡金属（镍、锰、钴）基纳米仿生酶,并利用其构建仿生酶传感器,实现对生物活性小分子及其生物样本的电化学检测。主要的研究内容和结果如下:（1）血液中的高浓度葡萄糖是造成糖尿病的主要原因,因此,准确便捷的血糖检测对糖尿病的诊断和治疗意义重大。目前,NiO已被用于葡萄糖仿生酶电化学检测研究,但单一的NiO并不能满足高性能检测的需求,仍需进行改善和优化。因此,本工作利用掺杂和形貌调控方法,通过水热和煅烧过程成功合成了具有银耳状结构的Mn掺杂NiO纳米材料,并在NaOH溶液中研究其对葡萄糖的检测性能。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）测试结果表明银耳状形貌是由大量的纳米片组装而成;能量色散X射线光谱（EDS）,X射线衍射（XRD）,和X射线光电子能谱（XPS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的结果证实了Mn元素掺杂成功。进一步的研究结果表明:银耳状结构提供了充分的比表面积,有利于电荷的快速传输;而Mn掺杂导致电子结构发生改变,使反应活性位点增加,进而增强催化性能。得益于二者的协同作用,Mn-NiO修饰电极表现出较快的电流响应（响应时间<5 s）,较高的灵敏度(3212.52μA·mM^-1·cm^-2),良好的稳定性和重现性,并且对血液样本的检测展现出较高的可行性。（2）作为体内一种重要的信号分子,H₂O₂的强氧化性能破坏细胞内的DNA等分子而引发病变。因此,H₂O₂的准确实时检测至关重要。本工作通过控制液相反应时间成功合成了具有不同形貌的MnOOH-MnO₂异相结构仿生酶,并用于H₂O₂的电化学检测。利用SEM,TEM,XRD和XPS等测试手段对MnOOH-MnO₂异相结构的形成机理进行了研究,结果显示通过改变反应时间可很好地实现对异相结构的调控。电化学测试表明:相比于MnOOH和MnOOH/l-MnO₂（层状分布）,MnOOH/i-MnO₂（岛状分布）表现出更优异的催化性能,具体表现为更高的响应电流,更大的电化学活性面积（ECSA）,更高效的电荷转移和电催化反应。此外,MnOOH/i-MnO₂修饰电极用于H₂O₂检测,表现出较高的灵敏度(265.40和97.90μA·mM^-1·cm^-2),较宽的检测范围（10μM-19.44 mM）,良好的选择性和重现性以及优异的稳定性,并且成功实现了对人前列腺癌细胞DU145释放H₂O₂的原位检测。（3）基于上述研究,为了解决氧化物自身导电性差和过电势高等缺陷,本工作利用多巴胺聚合物优异的粘附性,通过原位聚合包覆和碳化过程成功制备了MnO@C纳米线复合材料,并对其包覆量进行优化。结果表明,多巴胺与MnOOH质量比为3:4时所得MnO@C纳米线复合材料对H₂O₂的催化性能最佳（更高的响应电流,更大的电化学比表面积,更快的电荷转移和催化反应速率）。而且,该复合材料修饰电极对H₂O₂的线性检测范围为1μM–1.731 mM和1.731–5.831 mM,检测限为0.45μM,响应时间小于5 s。此外,该电极还展现了优异的稳定性和抗干扰性,并成功实现了对人前列腺癌细胞DU145释放H₂O₂的原位检测。（4）超氧阴离子自由基(O₂^·-)是细胞内另一种具有强氧化性的小分子,也是体内一种重要的信号分子。非正常水平的O₂^·-会造成体内的氧化应激,进而损坏细胞,引发病变,故O₂^·-的实时定量检测对疾病的诊断和预防极为重要。因此,我们采用简单的一步水热法成功制备了具有球形结构的Co₃（PO₄）₂纳米材料,并对其结构和形貌进行表征。研究发现:尿素是合成球形Co₃（PO₄）₂纳米材料的必备条件,但其用量对纳米材料的形貌尺寸无显著影响。得益于快速的界面电子转移速率和较大的电化学比表面积,球形Co₃（PO₄）₂纳米材料修饰电极对O₂^·-的仿生酶检测表现出优异的性能,包括较宽的线性检测范围（27 nM–6.132μM）,较低的检测限（1 nM）,较高的灵敏度(1280.14μAμM^-1 cm^-2)以及优异的稳定性和抗干扰性。此外,该纳米材料修饰电极成功实现对人前列腺癌细胞DU145释放O₂^·-的原位检测。综上所述,利用掺杂、复合以及界面调控等功能化设计可有效提高材料的活性面积,暴露更多的活性位点,降低电荷转移阻抗,加快电荷转移动力学,实现对仿生酶电化学反应活性和对生物活性小分子催化性能的提高,从而获得性能较为优异的仿生酶电化学检测器件。本论文有望为后续高性能仿生酶电化学传感器材料的设计提供有益参考。