中文摘要：

活性氧在生物体内及自然界中无处不在并且发挥着相应的作用，但在燃料电池中出现却是研究者所不期望的。本工作选择性合成贵金属、碳金属簇和碳非金属合金纳米材料修饰电极，结合分子光谱分析方法，研究各类纳米结构催化分子氧还原的催化活性及产生活性氧的反应过程，并对催化反应过程中产生的活性氧采用特定结构的荧光探针进行定量检测。以贵金属纳米材料的组成、尺寸、表面性质的可控性，氧化石墨和石墨烯的可修饰性为基础，采用电化学、化学及离子溅射微加工技术，制备特定序列、特定结构的贵金属和碳基质纳米材料。本项目重点考察不同种类的纳米材料以及具有不同表面物理参数的同类纳米材料作为电催化剂，催化分子氧还原的反应机理以及产生活性氧的途径。该工作将为燃料电池新型催化剂的开发和利用提供有力的理论及实验依据；对优化催化剂设计、提高电极和电池材料使用寿命具有实际意义，并为催化剂的改性和可控性地产生活性氧提供新思路、新方法。

结论摘要：

利用Au、Pt等贵金属纳米材料和Fe3O4磁性纳米材料与生物大分子复合，组装了多种新型的传感器，分别采用电分析化学方法，共振光散射、荧光共振能量转移和荧光偏振技术，研究了各种传感器的作用机制和实用价值。包括两部分内容。 第一部分，碳和Pt基质纳米材料的合成及催化氧还原反应机理研究。该工作为设计新型电催化剂以提高其氧还原活性而降低羟基自由基的产量提供了理论依据。 一、石墨烯负载的Pt-Ni纳米合金的电化学催化分子氧还原的性质研究。获得了不同组成的Pt-Ni/石墨烯纳米材料，在酸性和碱性条件下催化分子氧还原的结果，发现Pt1Ni1@石墨烯催化氧还原活性最高并且反应过程中产生了较多的羟基自由基。 二、新型碳纳米材料的合成和分离及对分子氧还原反应的电催化活性研究。通过二茂铁与三聚氰胺发生共聚合反应，获得了三维花形状的氮掺杂碳材料，数据显示，C-N的结合方式有三种吡啶型、吡咯型和石墨型。结果表明，吡啶型的N在碳材料中是催化分子氧还原的活性位点，有助于促进分子氧还原反应。采用经典的Hummer方法获得混合型的氧化石墨烯，利用密度梯度离心分离技术，得到不同尺寸、厚度和形貌的氧化石墨烯纳米材料，并研究了各种材料的电催化分子氧还原的性质。 三、分子动力学模拟低指数铂表面分子氧吸附机理。在催化氧还原的过程中，氧分子的吸附是一个非常重要的步骤。采用经典的分子动力学模拟考察了（111），（100）和（110）三个低晶格指数Pt表面的氧分子的吸附过程，发现Pt（111）最适合吸附氧分子，而Pt（100）却最适合吸附水分子。 第二部分，几种新型生物传感器的设计与应用 一、可重复使用的Hg2+生物传感器的设计，分别采用共振光散射和荧光偏振技术，利用磁性纳米材料为增强因子，设计并组装了检测Hg2+的生物传感器。 二、基于纳米材料增强荧光偏振的方法设计了简便的三明治式凝血酶生物传感器。 三、以纳米金为受体组建了荧光共振能量转移体系，利用不同尺寸的纳米金为受体，组建了检测DNA序列的生物传感器。 此外，分别合成了具有荧光性质的ZnO纳米颗粒和Au纳米簇，并研究了ZnO-溴百里酚蓝和Au纳米簇-NO2-的作用机制。这项工作为环境和食品中重金属离子的检测，以及生物样品中DNA、蛋白质的检测提供了新思路。