从生物体系到各种人工材料,纳米孔或纳米通道无处不在,介孔二氧化硅材料因其具有高比表面积、均匀的孔分布和可调的孔径等特殊的结构而引起了人们的极大兴趣,尤其,该介孔材料垂直取向的纳米通道有利于物质向基底的迁移,在分析科学中有着广泛的应用。由于离子和分子与二氧化硅纳米通道之间存在着多种相互作用,利用尺寸限制和对内部元件的裁剪,可以实现多种功能,如选择性、渗透性等,从这一角度出发,根据总结出的二氧化硅纳米通道中离子和分子传输过程中的尺寸/形状、电荷、识别和其他相互作用等关键原理,本文介绍了三个主要应用领域:模拟生物膜研究细胞膜上的离子转移过程;利用扫描电化学显微镜（SECM）定量评估该纳米通道中分子的选择渗透性;构建传感器,快速、灵敏地检测药物分子。因此,理解“结构-性能关系”对于发展基于介孔二氧化硅材料的高性能分析方法和认识、理解生命现象具有重要意义。本论文主要包括以下四部分内容:1.简单叙述了不同维度的人工纳米孔和纳米通道,主要介绍了二氧化硅纳米通道体系在结构和性能方面表现出的优势,涉及尺寸效应、形状效应、电荷效应和亲/疏水效应等关键原理,这些原理可以成功地应用于各种体系,如构建液/液界面模拟生物膜,离子和分子选择性传输,单分子电化学,高灵敏检测等。2.本章中,利用St?ber溶液生长方法,通过控制恒温加热时间,成功制备了不同厚度的二氧化硅纳米腔阵列电极（SNCA/ITO）,其厚度控制在70-120 nm之间;然后用该纳米腔阵列电极构建一种新型的液/液（L/L）界面阵列来模拟生物膜,对其进行跨相研究。由于纳米腔表面的特殊电荷性质,它对电负性较低的离子具有较好的选择性和调控性;小而均匀的腔直径（2-3 nm）使其具有明显的限域效应,更有利于调节离子的转移;进一步运用扫描电化学显微镜（SECM）技术,揭示了该界面上的离子转移机理,为研究生物膜中的离子转移提供了良好的平台。3.本章用方便、廉价、简单的方法制备了具有两种不同表面电荷的二氧化硅纳米腔,即带负电的二氧化硅纳米腔（SNCA）和带正电的氨基功能化的二氧化硅纳米腔（ASNCA）。选取了三种带不同电荷的氧化还原探针分子:铁氰化钾(Fe（CN）₆^3-)、六氨合钌(Ru（NH₃）₆³⁺)和甲醇二茂铁（FcCH₂OH）,其中,Fe（CN）₆^3-带负电荷,FcCH₂OH显中性,Ru（NH₃）₆³⁺带正电荷,采用四电极体系,利用SECM技术对比研究了三种氧化还原探针分子在带不同电荷的纳米腔中的扩散能和扩散速率常数,实验结果表明,Ru（NH₃）₆³⁺、FcCH₂OH和Fe（CN）₆^3-在SNCA/ITO电极上的扩散速率常数呈下降趋势,而在ASNCA/ITO电极上呈上升趋势。4.本章采用三电极体系,其中二氧化硅纳米腔阵列电极（SNCA/ITO）作为工作电极,Ag/AgCl电极作为参比电极,Pt电极作为对电极,利用差式脉冲伏安法（DPV）,根据二氧化硅纳米腔的选择渗透性,快速、灵敏、高选择地检测了阳离子β-阻滞剂盐酸普萘洛尔药物分子,得到较低的检测限（LOD=0.76±0.01μM）和较宽的动态浓度范围（0-400μM）,该传感器还兼容现场检测和即时检测,在传感、分子分离等许多领域具有广阔的应用前景。