生物体经过亿万年的自然选择,进化出特定的生物酶以实现高效选择性反应,维持其自身生长,但在反应过程中能源利用效率较低,如传统作物只有1～2%的太阳能-生物质的转化效率。相比之下,无机半导体化学材料具备了更广泛的光吸收范围与更高效的转化能力。将无机半导体材料的高转化效率与微生物的特异选择性能力相结合,构建无机半导体-微生物复合体系,是实现能量高效转化与特定化学物质合成的有效途径。近年来的研究显示无机半导体-微生物复合体系依然面临一系列艰难的挑战,例如:无机半导体材料与微生物体系的有效复合,无机半导体材料与微生物复合过程中能量转换效率以及反应机理的探究。基于以上问题,本论文构建了无机半导体-微生物复合体系,协同无机半导体高效光吸收,优异导电性的特点和微生物体特异性选择的优势,实现太阳能到化学能的高效转化。本论文的主要内容包括以下几个部分:第一章绪论本章首先系统的介绍了无机半导体-微生物复合体系的研究背景及意义,然后介绍了无机半导体-细胞复合体系和无机半导体-细菌复合体系的构建,复合体系的工作原理及实际应用。最后阐述了本论文的研究意义,研究内容和研究的创新点。第二章生物识别-空间限制协同捕获MCF-7细胞的光电化学检测本章工作构建了无机半导体-细胞复合体系,提出了一种适配体生物识别/纳米立方体空间限制的协同策略,实现了高效捕获和灵敏检测MCF-7细胞。设计了核/壳结构的Cu2O@Zn O纳米立方体,该纳米立方体的尺寸大小和间距合适,可以在空间上限制流动的癌细胞,提高细胞捕获率。通过溅射法在纳米立方体的表面修饰Au纳米粒子,以Au-S键形式键合适配体。适配体生物特异性识别MCF-7癌细胞表面的蛋白,进一步提高细胞捕获率,最后在光电化学（PEC）的平台上实现高灵敏检测。癌细胞的捕获率高达47.6%,检测限为2 cells/m L。本章工作不仅提供了一个有吸引力的适配体传感检测MCF-7癌细胞的方法,而且还开辟了一条通用可靠的生物分子识别和纳米结构合理设计的生物检测新途径。第三章Cu2O@TiO2 NWs复合Azotobacter vinelandii高效光电催化氮还原为了实现特定化学物质的合成,从无机半导体-细胞复合体系拓展至无机半导体-细菌复合体系。本章工作采用原子层沉积（ALD）的方法制备了Cu2O@TiO2纳米线（NWs）,然后复合Azotobacter vinelandii（A.vinelandii）,构建了无机半导体-固氮细菌复合体系。核/壳结构的Cu2O@TiO2 NWs收集太阳光,产生光生电子。吸附在纳米线中的A.vinelandii作为生物催化剂,接受光生电子,细菌内部的固氮酶利用光电子实现高效催化N2还原。在0.1 M Na2SO4溶液中,产氨量高达1.5×10–9 mol s–1 cm–2,比目前报道的大多数无机催化剂提高了一个数量级。此外,Cu2O@TiO2 NWs/A.vinelandii复合体系还具有自我修复能力,能够实现长期的光电化学稳定性和可重现性。第四章C3N4 QDs复合Escherichia coli实现高效产氢体外无机半导体-微生物复合体系中,无机半导体材料吸收太阳光,产生光生电子,转移至吸附在其表面的细菌,加快物质合成的速率。但是光电子在转移至细菌内部的过程中需要穿越细胞膜,造成部分能量损失,降低了光电子转移效率。为了进一步提高光电子的转移效率,本章工作构建了一种体内无机半导体-微生物复合体系。有效收集太阳能并将其转化为化学能,特别是将太阳能转化并存储在氢气的化学键中是一项全球性挑战。对可再生、可持续和高效制氢的迫切需求推动了先进技术的快速发展,基于全细胞微生物的生物制氢是最有前途实现高效产氢目标的策略之一。本章工作首先展示了太阳光对未经基因工程编辑的非光合细菌的生物制氢具有增强作用,该实验结果推翻了光照对非光合细菌不产生作用的传统结论。为了进一步提高光吸收和转化能力,提出了一种体内无机半导体-微生物复合体系,C3N4量子点（QDs）复合Escherichia coli（E.coli）。细菌内部的无机半导体-生物结的形成促进了光电子的分离和转移,从而获得更加优异的产氢效率。本工作揭示了体内无机半导体-微生物复合体系在高效太阳能转化方面的优势,并指出了一种更复杂和多功能的方式提高太阳能转换的策略。