在生命体中,分布在细胞膜上的生物蛋白孔道负责生物分子、离子以及能量等传输过程,对于维持生命活动的正常运行起着至关重要的作用。受生物孔道结构和功能启发,研究者开发了一系列固态纳米孔道。目前,固态纳米孔道在基因测序、生化分析、单分子测量、能量转换、海水净化、纳米电化学以及纳米流体等诸多领域都展现出巨大的应用潜力。如何构筑更加高效的功能固态纳米孔道成为研究者关注的热点。科学研究发现,生物孔道的高效性是基于孔道中功能蛋白区域化分布及各区域功能蛋白之间相互协作实现的。因此,受生物孔道的结构与功能启发,本文以固态纳米孔道为载体,通过对纳米孔道内、外表面进行精准分区功能化,构筑精准分区功能化固态纳米孔道,探索纳米孔道内、外表面功能分子对纳米孔道离子传输性能的影响机制,为开发高效固态纳米孔道和拓展固态纳米孔道的应用范围提供了一种新的思路。具体研究内容如下:一、揭示纳米孔道内表面功能探针接枝密度对其离子检测信号的影响规律。通过精准调控纳米孔道内表面功能探针分子接枝密度,实验和理论上探索了纳米孔道内表面功能探针分子接枝密度对纳米孔道离子检测信号的影响规律。研究发现,随着探针接枝密度增加,纳米孔道检测信号由“信号关（Signal-Off）”向“信号开（Signal-On）”转变。理论研究发现,信号转变的原因是由于探针分子接枝密度的增加,改变了纳米孔道空间位阻和电荷密度与离子电流的相互作用。在此基础上,发现在低接枝密度下,使用长链探针分子和低的离子强度能增强离子检测信号。上述结果为开发高效纳米孔道生化传感器提供了一种新的思路。二、构筑具有外表面抗干扰、内表面离子门控的双功能纳米孔道。通过分层物理沉积,实现了纳米孔道内、外表面在空间上的精确分离。在此基础上,通过对纳米孔道内、外表面精准分区功能修饰,探索纳米孔道内、外表面功能分子对其离子传输信号的影响机制。为拓宽纳米孔道在复杂体系中的应用,通过在外表面修饰抗干扰分子、内表面修饰识别功能探针,构筑了具有外表面抗干扰功能、内表面离子门控的双功能纳米孔道。最后,系统研究纳米孔道在干扰分子存在时的抗干扰功能,并建立多指标评价体系用于评估孔道的抗干扰功能,为设计面向复杂环境使用的纳米孔道生化传感器件奠定了良好的基础。三、发展纳米孔道外表面功能分子独立作用的新策略。利用纳米孔道外表面易于修饰、表征以及不受空间尺度限制等优势,通过对纳米孔道外表面精准功能化,构筑具有独立外表面功能分子作用的固态纳米孔道。利用外表面功能分子精准可测量的物理化学性质,结合实验和理论计算,探索独立外表面功能分子对纳米孔道离子传输的影响规律,阐明外表面表面电势分布是影响离子传输的核心参数。最后,利用纳米孔道独立外表面功能分子,开发了一种高效的纳米孔道渗透能能量转换器件以及生化传感器件。