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氢酶是一类高效的催化氢气氧化及质子还原的氧化还原酶,在藻类和细菌的能量代谢过程中发挥着重要的作用。在面临全球环境和能源危机的形势下,模拟生物体系来利用太阳能通过光活性蛋白和氢酶直接分解水催化制氢具有重要的研究价值。氢酶有序复合体系的组装对于从分子层次研究以氢酶作为催化剂,构建生物产氢分子和纳米器件,开发氢能源,研制生物燃料电池具有重要的意义。因此,本论文从分子层次上设计和组装含蛋白质的复合结构,利用Langmuir-Blodgett（LB）膜法、自组装法等分子组装方法组装了含蛋白质（氢酶和细胞色素c）的有序超薄膜,并表征了上述薄膜的结构和性质,主要内容和结果如下;1.首先将碳纳米管酸氧化处理以使得其表面覆盖大量的羧基,并利用拉曼光谱、红外光谱和紫外光谱等表征了氧化处理后的碳纳米管的表面及碳纳米管的结构特征。然后将水溶性的酸氧化处理后的碳纳米管与氢酶混合形成碳纳米管-氢酶复合物,并通过LB技术,将碳纳米管-氢酶复合物形成的有序单分子膜转移到ITO电极、石英基片表面上制备成有序超薄膜。通过红外光谱技术表征了有序分子膜中氢酶分子的结构变化;利用透射电镜观察了有序薄膜的表面形貌。讨论了碳纳米管—氢酶之间的分子间作用力的特征。进而重点研究了氢酶、碳纳米管-氢酶有序薄膜修饰电极的电化学性质。结果表明,碳纳米管—氢酶复合物可在气液界面形成稳定的单分子膜。复合物的聚集体主要以碳纳米管的细长结构为主,氢酶吸附在碳纳米管的表面。碳纳米管的存在不仅会使得LB膜更加稳定,同时能够提高电极表面与H2ase活性中心之间的电子转移效率。2.利用涂膜法制备了碳纳米管-氢酶修饰的玻碳电极,并详细研究了它们的电化学性质。在本节中碳纳米管的处理采取了以下两种方法;一是将碳纳米管溶解在磺化四氟乙烯共聚物（Nafion）溶液中形成碳纳米管—Nafion的悬浮液;二是将碳纳米管氧化处理后溶解在水溶液中。将上述溶液通过涂抹的方法先固定到电极表面,干燥后再滴涂上氢酶溶液最终形成（Nafion）碳纳米管/氢酶复合材料修饰的玻碳电极。利用扫描电子显微镜技术表征了氢酶、酸化碳纳米管—氢酶以及（Nafion-）碳纳米管—氢酶等形成的薄膜的表面形貌。并通过循环伏安和计时库仑技术等电化学手段研究了氢酶、酸化碳纳米管—氢酶以及（Nafion-）碳纳米管—氢酶修饰玻碳电极的电化学性质。结果表明,虽然纯氢酶难以在玻碳电极表面形成稳定的薄膜,但碳纳米管—氢酶复合物可以形成比较稳定的薄膜。共存的碳纳米管能够增强氢酶活性中心和电极表面的电子转移效率,电荷扩散系数明显增加。由于Nafion具有一定的电阻,用Nafion溶解碳纳米管形成的复合膜的电荷扩散系数比酸化处理后的碳纳米管与氢酶形成的复合膜增加幅度小。另外,由于多壁碳纳米管形成的复合膜比单壁碳纳米管形成的复合膜更加稳定,所以多壁碳纳米管与氢酶形成的复合膜修饰电极具有更大的氧化还原电流和电荷转移扩散系数。3.采用自组装和层层组装的方法,将光敏剂（锌卟啉）、催化剂（氢酶）和电子授受体（紫精衍生物）组装到石英和ITO基片表面形成三元复合结构。首先将亲水化处理的石英或者ITO基片表面通过共价键作用嫁接上一层对氯甲苯基硅烷（O3SiC6H4CH2Cl）分子层,其次通过价键作用结合上锌卟啉（ZnTMPyPyP）分子或者N-甲基-4,4’-联吡啶（VIO）从而整个基片显示正电性,通过静电作用吸附上氢酶分子层,然后再吸附上一层聚紫精（PXV）或者锌卟啉（ZnTMPyP）,最终形成两种三元复合薄膜,ZnTMPyPyP-H2ase-PXV和VIO-H2ase-ZnTMPyP。文中利用紫外一可见吸收光谱、扫描电子显微镜和X-射线光电子能谱跟踪了薄膜的组装过程和基片表面薄膜的组成,证实了所获得的薄膜正是我们所预期的三元结构。存在于三元多层膜中的氢酶仍然保持了良好的催化活性。对每一层组装后的薄膜的电化学结果显示,随着氢酶和紫精衍生物的组装,氧化还原电流均有一定程度的增加,进一步证实了三元结构的形成。该复合结构中包含了可模拟光活性蛋白的锌卟啉、生物催化剂氢酶以及人工电子授受体紫精,所以它们是从分子水平上模拟光吸收和能量/电子转移过程的比较理想的模型,并且在研制和开发人工生物产氢分子器件、氢气生物传感器和生物燃料电池方面具有一定的指导意义。4.将酸化处理的饱和水溶性碳纳米管溶液与电子转移蛋白质细胞色素c溶液混合均匀形成复合物,在气液界面铺展形成稳定单分子膜。通过LB技术将单分子膜转移到石英和ITO导电玻璃基片表面形成有序超薄膜;通过紫外可见吸收光谱研究了LB薄膜中细胞色素c分子结构的变化;通过循环伏安电化学方法研究了细胞色素c、碳纳米管-细胞色素c复合物LB薄膜修饰电极的电化学性质。研究结果表明碳纳米管和细胞色素c之间形成了稳定的复合物,并能够在气液界面形成稳定的单分子膜,并且能够转移到基片表面成为LB膜。Cyt c、CNTs-Cyt c复合物修饰LB膜电极的循环伏安研究表明,碳纳米管能够增强修饰在电极表面的Cyt c的氧化还原电流强度。这表明碳纳米管的加入不但有助于蛋白质（Cyt c）单层膜的形成,而且能够增强电极表面与细胞色素c分子之间的电子转移效率。细胞色素c是天然的电子载体,在生物电化学过程中输送电子,提高它的电子转移效率,具有重要的理论意义。5.以光敏剂四甲基卟啉（TMPyP）溶液为亚相,将催化剂氢酶在亚相表面扩散成单层膜,通过LB组装方法转移到基片表面形成TMPyP-H2ase复合膜。利用紫外可见吸收光谱对其进行了表征,结果表明亚相中的TMPyP分子成功转移到了基片表面形成TMPyP-H2ase复合膜。对TMPyP-H2ase复合膜测量循环伏安曲线,在-0.3和-0.7V（vs.Ag/AgCl）附近观察卟啉和氢酶的的特征氧化还原峰,进一步证明了TMPyP分子插入到氢酶LB膜分子层后形成TMPyP-H2ase复合LB膜。扫描电子显微镜照片显示吸附TMPyP后的氢酶的聚集体的微观形貌发生了很大改变,聚集体也由球形变成了更大的无定型。这是由于亚相中TMPyP分子带有正电荷,能够与界面上带有负电荷的氢酶分子发生作用,从而与氢酶一起转移到LB膜中。该体系中既含有光活性单元（卟啉）,也含有催化剂氢酶,因而可用于研究光激发催化产氢。