氯离子是生命体内含量最丰富的阴离子。氯离子通道普遍分布于生命体细胞的细胞膜和细胞器膜中,是氯离子出入细胞的重要方式。氯离子传输过程在生理过程中非常重要,参与多种生理活动,如:维持机体酸碱平衡;维持细胞外液渗透压;稳定神经细胞膜电位等。氯离子传输的通量为兴奋性神经传递提供了基础,对维持神经元、心脏和肌肉细胞的生理功能必不可少,细胞膜上的氯离子通道对氯离子的低透过率、低通量可导致多种疾病,如囊性纤维化病等。然而,生物氯离子通道很不稳定,难以有效地用于体外研究。因此,构建高通量的人工氯离子传输通道,有助于我们更好地了解生命活动,为解决生理和病理问题提供新的思路,是一项具有意义且充满挑战的任务。仿生人工纳米通道具有性质相对稳定、表面易于修饰的特点。特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纳米通道,可以通过简单的方法控制通道的几何形状和尺寸、修饰多种功能的表面,因此成为实现仿生通道体外研究、离子传感、构建纳米流体器件等功能的优良材料。因而,本文采用PET膜作为设计高通量的氯离子传输人工纳米通道的基础材料。我们面临的关键问题为:如何构建氯离子通道?及如何提高纳米通道中的氯离子传输通量?本论文围绕此问题开展以下研究内容:1.氯离子受体分子功能化纳米通道的构建及其氯离子传输的研究。根据氨基基团可以与氯离子发生氢键相互作用的性质,通过设计并向纳米通道中引入不同结构的与氯离子有相互作用的氨基受体分子,研究并考察其对氯离子传输通量的影响。发现氨基柱[5]芳烃功能化后的纳米通道中氯离子传输通量最高,为1.33 × 10-6 mol·cm-2·min-1,相较于功能化前和其它受体分子功能化的纳米通道,氯离子通量发生很大提高。为解释其机理根据核磁滴定实验中氢的位移发现氨基柱[5]芳烃苯环上的氢与氯离子发生了较强的相互作用,说明其空腔和链长尺寸与氯离子最为匹配,与氯离子的相互作用也最强。最后利用多物理场模拟软件（COMSOL Multiphysics）对通道内的氯离子浓度分布进行模拟,发现氨基柱[5]芳烃修饰的纳米通道中氯离子浓度更高,说明在纳米通道内修饰与氯离子结合作用强的分子,对氯离子进入纳米通道有着促进作用。为设计构建更高通量的氯离子纳米通道提供了基础。2.漏斗形结构仿生纳米通道的构建及其对氯离子传输通量的影响。通过对细胞中离子通道仿生,构建了结构仿生漏斗形的纳米通道,并通过比较不同程度的漏斗形纳米通道中的氯离子跨膜电流和通量,考察了该结构对氯离子传输通量的影响。漏斗深度比λ=0.5的漏斗形纳米通道的氯离子传输通量最大,每个通道每秒可以传输2.8×106个氯离子,相比直形纳米通道提高了 31倍,且对K+保有很好的选择性。为探究机理,利用COMSOL软件对不同结构程度的纳米通道中的情况进行模拟,发现漏斗形结构对通道内离子分布、电位差有影响,离子传输的驱动力更大。因此漏斗形结构的纳米通道使得氯离子传输通量更高。这有助于我们提高并控制离子在纳米通道中的传输通量,更好地理解离子在自然界中的迁移行为。3.哑铃形纳米通道的构建及进一步提高氯离子传输通量。由人体肾脏细胞中的CLC氯离子通道的特殊结构得到启发,研究结构仿生的哑铃形纳米通道对氯离子传输通量的影响。并比较不同程度的哑铃形结构对氯离子传输通量的影响,最终将氯离子传输通量提高到平均每个通道每秒传输9.09× 106个氯离子,已达到生命体中的离子通道通量。最后,利用COMSOL理论模拟看出哑铃形结构的纳米通道更有利于氯离子从通道中离开,因此更有利于氯离子传输,从理论模拟的角度解释了哑铃形纳米通道提高氯离子通量的原因。