生物膜界面尤其是细胞膜界面,它涉及到物质传输、信号传导、蛋白吸附与脱附等众多生理过程。因此,揭示细胞膜界面的生物学效应至关重要。由于细胞膜的复杂性,磷脂单分子层和磷脂双分子层常常当作模型细胞膜被广泛研究。过去几十年来,多种实验和模拟技术用于模型细胞膜的研究,例如X-射线和中子衍射、傅里叶变换红外光谱、分子动力学模拟等等。然而,这些传统的表征技术由于缺少表界面选择性,并非理想的表界面表征技术。幸运的是,和频振动光谱迅速发展起来,成为探测表界面最强有力的手段之一。其具有超高的单分子层灵敏性、高度的表界面选择性,能够实时原位地提供表界面分子结构、取向以及取向分布等信息,以上这些优点是其它表征技术所难以达到的。本论文采用传统以及相位敏感和频振动光谱技术,开展了模型细胞膜和高分子膜表界面的研究工作。首先解决了有关磷脂膜的两个重要基本问题。第一,研究了磷脂单层膜在不同接触介质(空气和水)中的分子取向结构与SFG信号强度。发现棱镜上的磷脂单层接触水面上的磷脂单层形成磷脂双分子层后,棱镜上磷脂单层的SFG信号显著增强,原因主要是由于界面菲涅尔系数增大所引起的。第二,研究了磷脂单层在不同实验几何构型(外反射和全反射)下SFG光谱特征,发现其ssp光谱是相同的,而ppp光谱是不同的。ppp光谱不同的原因在于有效二阶非线性极化率与菲涅尔系数之间的相干。这两个基本问题的解决对于理解不同接触介质和不同实验几何构型下的磷脂分子取向结构以及SFG光谱的研究具有重要意义。基于以上两个研究为基础,进而从分子水平上定量以及定性地研究了治疗阿尔茨海默型痴呆症的药物分子盐酸美金刚与磷脂双层膜的相互作用,发现盐酸美金刚与PC磷脂双层无明显相互作用;然而其与PG双层的下层有强烈的相互作用,原因是静电相互作用,使得下层磷脂分子的甲基基团倾向于平躺在界面上,经计算其平均取向角约为82°。这为更好的理解盐酸美金刚与细胞膜的相互作用机制、药代动力学以及开发用于治疗神经退行性疾病的药物分子具有潜在的重要意义。鉴于和频振动光谱的表界面选择性和灵敏性以及高分子膜材料的广泛应用,将SFG技术进一步拓展到了高分子膜表界面的研究。研究了聚丙烯酸酯类薄膜在金属基底以及夹心在金属基底与二氧化硅基底之间的玻璃化转变温度。发现在金属基底上,Tg随着薄膜厚度的降低而降低;而薄膜夹心在金属基底与二氧化硅基底之间时,Tg随着薄膜厚度的降低反而升高。这表明无自由表面的情况下,二氧化硅与薄膜之间的相互作用对薄膜Tg有较大影响。本研究发展了一种SFG结合金属表面等离子体激元的新方法探测高分子薄膜的玻璃化转变温度。为了将SFG技术继续向前推动一步,实现精准测量,成功搭建了共线相位敏感飞秒和频振动光谱系统,接着以聚苯乙烯薄膜为模型,采用此系统研究了其去润湿行为,发现去润湿后聚苯乙烯分子主链和链端基倾向于更加有序,且朝向空气的一侧,而侧基苯环则倾向于平躺在界面上。总之,本论文采用世界先进的和频振动光谱技术从分子水平上定量以及定性地研究了模型细胞膜和高分子膜表界面。这有助于理解生物膜以及高分子膜的宏观性质与微观结构之间的关系,从而推动了和频振动光谱技术在软物质领域的应用与发展。