碳基复合材料因成本低廉、电导率高、稳定性好、电活性位点丰富、安全可靠等特点在电化学传感器领域被重点研究。然而,其大规模应用时面临制备过程复杂、使用有毒试剂、依赖昂贵设备、电催化性能稳定性差等瓶颈,难以满足高灵敏度、高选择性以及微型化电化学传感器的技术需求。因此,通过简便、环境友好的合成策略,调节复合材料组分和电活性位点,制备高电导率和电催化性能的新型碳基复合材料,并将其与优化的电极结构相耦合以提高电化学传感器性能。本论文即以0D纳米颗粒、1D碳纳米管、2D氧化石墨烯和3D膜片钳（nanopipette）为载体的碳基纳米复合材料简便、可调、环境友好的制备为基础,以化学修饰电极-微纳电极单元-微电极的合理设计为主线,系统研究了碳基复合材料组分、结构与电化学传感器性能之间的相互关系,揭示了新型传感器的检测机理及构效关系。具体研究内容包括:（1）基于简便、绿色的合成策略,成功制备了3D结构铜纳米颗粒（Cu NPs）修饰的氮掺杂石墨烯复合材料（GR-CN-Cu）。探讨了聚多巴胺（PDA）在材料制备过程中的多重作用,既是材料复合重要粘结剂,又是氮掺杂石墨烯（GR-CN）的氮源,还是原位吸附或还原Cu²⁺的吸附剂或还原剂。基于优异的电导率、电子转移能力和电催化活性的复合材料构建了检测苯二酚同分异构体的电化学传感器,展现出高的灵敏度、良好的选择性、宽的线性范围(0.5-720μmol L^-1)和低的检出限(81-131 nmol L^-1)。此外,该电化学传感器可用于同时检测实际水样（废水）中苯二酚同分异构体,结果与HPLC法相吻合,表现出令人满意的应用价值。研究结果证实GR-CN-Cu优异的氧化还原性能归因于3D结构GR-CN中碳原子和氮原子的电负性的差异以及Cu NPs与3D GR-CN协同效应。（2）在简便、绿色合成策略的基础上,氮（N）和磷化铁（FeP）共掺杂碳纳米管（N/FeP-CNT）被成功制备和表征,展现出多元素共掺杂、多活性位点及良好分散性等特点。研究揭示了氮掺杂碳纳米管（N-CNT）作为电子传输通道与均一分散的活性位点（FeP）的协同效应,显著提高了修饰电极（N/FeP-CNT/GCE）的电导率和电催化性能,为同时检测二羟基苯甲酸（DHBA）同分异构体提供崭新的分析平台,结果显示2,4-DHBA、3,4-DHBA和2,5-DHBA的线性范围分别为0.5-600μmol L^-1、0.5-560μmol L^-1和0.5-820μmol L^-1,对应的检出限分别为124、65和221 nmol L^-1。此外,该电化学传感器在实际样品中对DHBA同分异构体的检测展现了良好的抗干扰性能和稳定性。（3）以多掺杂复合材料独特的电学性能为基础,开发具有可靠性能便携传感设备成为可能。以氮（N）和磷化钨（WP）共掺杂碳纳米管（WP/N-CNT）为电极材料,提出了一种新颖的便携的可重复使用的抗癌药物甲氨蝶呤（MTX）电化学分析平台。研究证实高电催化活性的WP做为反应活性位点不仅与作为电子传输通道的N-CNT形成协同效应,还提供电负性差异有助于MTX氧化产物分离,使电极重复使用成为可能。利用便携的丝网印刷电极（SPE）做为载体,实现了样品量小,可满足现场检测的分析平台,实现了对MTX更快、更简单、更便宜的检测。实验结果表明构建的便携式电化学传感器对MTX的检出限低(45 nmol L^-1)、灵敏度高、线性范围宽(0.01-540μmol L^-1)、稳定性好、重现性令人满意。并展现了对体外血样可靠检测,有望成为低成本的现场诊疗新平台。（4）进一步拓展简便、绿色合成策略研究电极材料和结构,为电化学传感器检测模式革新提供机遇。利用磁性纳米粒子（Fe₃O₄）可回收特性,PDA对其表面功能化,并合理设计活性识别位点和信号源,构建了基于单分散功能磁性微纳米颗粒（Fe₃O₄@PDA/Cu_xO）电极单元的电化学传感器,研究了超灵敏检测D-半胱氨酸（D-Cys）的电化学方法。实验揭示了通过D-Cys与Cu²⁺形成稳定性强的D-Cys-Cu²⁺-D-Cys结构,进而屏蔽信号指示剂(Cu²⁺)的氧化还原电流的检测机理,以及利用Fe₃O₄@PDA/Cu_xO电极单元表面PDA层与Cys对映体共价结合的富集机制。结果证实提出的磁性微纳米电极单元传感器识别和定量D-Cys策略的可行性,具有高的灵敏度(102μAμM^-1 cm^-2),低的检出限(83 pmol L^-1)。与传统的电极结构相比,该方法有望推动新型电化学传感模式的发展。（5）将简便、绿色的合成策略与可定制的微纳尺寸载体相结合,可实现碳基微纳电极多样性制备。PDA和氧化石墨烯（GO）通过静电相互作用在膜片钳（nanopipette）表面实现层层自组装,高温热解后,即可获得氮掺杂石墨烯微电极（NGR ME）,提出了一种廉价的碳基微纳米电极的制备思路,为开发原位氮掺杂碳基微电极提供了方法选择。考察NGR ME的导电性和电催化性能,并以NGR ME构建了同时检测多种神经递质的生物传感器。结果表明NGR ME对多巴胺（DA）和5-羟色胺（5-HT）具有高的电催化活性、良好的选择性和稳定性,检出限分别达0.69 nmol L^-1和6.5 nmol L^-1。利用NGR ME的尺寸优势,设计了一种新型自吸进样的便携式微体积传感器装置,用于检测人血清中的神经递质,并获得可靠的分析结果。通过对以0-3D载体表面自吸附/还原和原位掺杂碳基复合材料,以及不同微纳结构电极性能的研究,加深了电极材料与电极结构耦合提升电化学传感器分析性能的认识。同时,这项研究也拓展了便携式和微型化电化学传感器在分析化学领域的应用,为集成式、智能化传感装置进一步研究奠定了基础。