水的性质在许多物理、生物和化学过程中发挥着重要作用。作为双电层的主要组成部分之一,界面水的结构和取向对许多界面过程均具有重要影响。目前,双电层的研究重点通常集中在溶剂化离子在带电界面的排列上,而溶剂分子的结构、取向和氢键网络却少有报道。在分子水平上探究界面水的结构和功能为电催化、膜科学及蛋白质工程等诸多领域提供理论指导,但由于现有技术手段的限制,原位揭示水的结构与功能仍存在巨大挑战。在本论文中,主要采用表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）结合电化学的方法开展了系列工作。利用电位,离子,光照等多重扰动,先后探究了双电层中水的结构对界面电位和电容的影响,进而利用界面水的结构变化调控模型电压门控离子通道多肽的取向,揭示其电压门控机制;并基于上述工作,发展了将水分子分散于非水相基质内部的限域策略,实现了对界面相互作用力的精准解析与调控。本论文的工作内容和创新点主要体现在以下四个方面:1.以固体支撑的混合磷脂双层膜为模型,利用SEIRAS结合电化学技术探究了仿生膜界面局域水结构随跨膜电位的演变。在衰减全反射模式下,SEIRAS能够直接探测带电界面处的溶剂分子而避免了体相的干扰。通过电位和离子的双重扰动,发现与负电性的磷酸基团键合的水呈现出强氢键的特征,并且具有较强的机械强度,可以在一定的电化学窗口内抵抗外部电场的干扰。此外,使用与磷酸基团特异性结合的离子去除与其键合的强氢键水会极大地影响磷脂膜的静电性质。光谱及电化学的结合为仿生膜界面局域水结构随外部电场的演变提供了新的研究方法,加深了对仿生膜/溶液界面处双电层结构的基本理解。2.在上一个工作的基础上,进一步利用SEIRAS结合电化学技术揭示了界面处弱键合的四配位水对仿生膜的界面电容的潜在影响。在电位,离子及光照的三重扰动下,发现紧密层的氢键环境对于光诱导四配位水的结构转变以及光信号向电信号的转换具有重要作用,去除与磷酸基团键合的强氢键水可以重构界面氢键环境并促进弱键合的四配位水在光照下断裂。通过构筑光电模型体系验证了光照调控磷脂膜静电性质的可行性,解决了传统电刺激低时空分辨率的科学难题。我们的工作提供了一种探究界面水结构与生物电界面电容之间构效关系的新方法。3.上述工作先后揭示了双电层中水分子结构与界面电位和电容的关系。在此,通过巯基分子自组装和囊泡融合的方法构筑了一种新的具有离子储库的脂质双层膜模型以容纳电压门控离子通道多肽-丙甲菌素,进一步利用界面水的结构变化调控模型电压门控离子通道多肽的取向。利用SEIRAS结合荧光光谱及电化学技术,发现插入膜内多肽的取向受离液阴离子调控的膜偶极电位的影响。离液阴离子通过破坏界面水的氢键网络引起偶极电位降低,而较低的偶极电位降低了多肽插入膜内的能垒,这有助于多肽在膜中采取更直立的取向。我们的研究为未来探索电压门控离子通道蛋白的门控机制提供了一种新方法,对设计新型离子通道相关药物分子具有重要的指导意义。4.在以上工作中,尽管采用了一系列实验方法,界面处仍存在多种相互作用力相互交叠,包括电极-水、电极-离子、离子-离子、离子-水、电极-水之间的相互作用。基于这一挑战,我们发展了纳米限域策略,利用非水相离子液体与不同浓度的水及不同特性的阳离子混合,形成一系列大小不一的纳米反应器,将水分子限域在纳米结构域中以分离界面处复杂的相互作用。利用SEIRAS,核磁共振氢谱及电化学技术对分散于离子液体基质内部水的结构和解离活性进行了探究。研究发现位于电极表面处不对称的四配位水网络的形成主导了水的解离活性,负的极化电位诱导孤立的水逐渐转变为界面处不对称的四配位水网络,以保证氢析出反应高效地进行。并且,阳离子与水分子间相互作用的强弱能够调控该网络形成的能垒,疏水性季铵盐与水分子间不利的相互作用,导致水-电极相互作用增强,促进了界面氢键网络的形成,而亲水性锂盐与水分子间的强相互作用则在一定程度上起到抑制作用。通过调控水的浓度与阳离子的性质实现了对界面处复杂的相互作用力的精准解析,这对于电催化反应机制的理解具有重要意义,为开发更高性能和选择性的催化剂提供了理论指导。