为了实现电磁辐射在心脏病治疗、神经衰退修复、肿瘤消融、微生物灭活等生命科学与生物医学领域的应用,新兴的电磁辐照下非热电磁生物效应的研究日趋活跃。本文以电磁辐照下无机离子跨细胞膜输运为研究课题,重点对纳秒脉冲电场和太赫兹电磁场辐照下钙离子经生理通道跨膜输运的生物物理过程、以及钡离子跨膜输运对细胞膜纳米孔检测的实验方法进行了研究,主要工作和创新点如下:1.提出了细胞膜生理通道钙离子输运流体模型,给出了钙离子经细胞膜压控通道、主动运输通道的跨膜输运、以及纳秒脉冲电场作用下跨膜输运的钙离子流引起细胞内钙离子浓度变化的数值模拟算法,依此对纳秒脉冲电场作用下钙离子经细胞膜生理通道的输运进行了数值模拟,通过将数值结果与报道的实验现象进行比较,侧面验证了理论模型的正确性,并给出了纳秒脉冲电场的脉宽和电场幅值对生理通道输运的钙离子流、以及相应的细胞内钙离子浓度变化的非线性调控关系。2.从相对论电磁理论出发,提出了细胞、及离子通道层面上生理离子与太赫兹场电磁互作用理论,并结合热力学原理,给出了细胞生理环境对太赫兹电磁辐照的吸收损耗的数值计算方法;然后,利用细胞层面生理离子与太赫兹场的电磁互作用理论,结合上述提出的细胞膜生理通道钙离子输运的流体模型,以太赫兹正弦波为例,对太赫兹电磁辐照下钙离子经压控通道的跨膜输运进行了数值模拟,数值结果显示太赫兹电磁辐照能够打开钙离子压控通道,通过与报道的一系列分子层面的离子压控通道模型进行比较,侧面说明了这一数值结论的正确性,并给出了太赫兹正弦波的电磁参数对压控通道的钙离子流及系统温度变化的调控关系。此外,利用上述建立的太赫兹电磁辐照下钙离子经压控通道跨膜输运的数值仿真程序,提出了比太赫兹正弦波辐照对压控通道钙离子流的调控性能更好、伴随的热效应更低的太赫兹高斯脉冲辐照方式。3.建立了分子层面离子溶液模型,利用水溶剂对分子层面微观电场的非线性响应理论,修正了传统的布朗动力学方法对溶液离子热运动模拟中离子电场的数值计算方法,并给出了数值模拟算法,依此对离子溶液的动态平衡状态进行了数值模拟,通过与未修正的动态平衡状态的数值模拟结果进行比较,说明了理论模型修正的合理性,同时,数值结果显示了离子溶液中分子层面水溶剂的介电常数分布为空间非均匀分布;然后,对纳秒脉冲电场作用下分子层面水溶剂的介电常数分布进行了数值模拟,数值结果揭示了当电场幅值足够大时纳秒脉冲电场能够显著降低分子层面水溶剂的介电常数的现象。4.基于上面提出的离子通道层面生理离子与太赫兹场电磁互作用理论,建立了太赫兹电磁辐照离子通道的物理模型,从麦克斯韦方程组电场边界条件出发,通过计算通道蛋白与溶液分界面上的极化电荷,推导出太赫兹电磁辐照下离子通道中溶液环境的电介质响应,然后,利用布朗动力学方法,对太赫兹电磁辐照下离子在通道轴线上的运动及跨膜输运的动力学过程进行了数值模拟,数值结果揭示了太赫兹电磁辐照能够驱动生理离子跨越通道内的能量势垒进行跨膜输运的生物物理过程。5.利用离子荧光标记检测的实验技术,通过对镉、锌和钡离子在细胞外作用下细胞膜不存在钙离子压控通道的生物细胞的荧光稳定性进行测试,分析了这三种非生理的二价阳离子对细胞膜纳米孔检测的实验可行性,然后,提出了钡离子跨膜输运对纳秒脉冲电场作用下细胞膜纳米孔检测的新实验方法,并与应用钙离子、YO-PRO-1染料分子的纳米孔实验检测方法进行了比较。本文的研究工作为应用纳秒脉冲电场及太赫兹电磁场对细胞内离子浓度调控的研究奠定了基础。