细胞膜界面涉及到诸多生理过程,比如分子穿膜、膜融合、催化反应、蛋白吸附等,是生命科学领域中一个很重要的研究方向。在过去的十几年,有多种实验技术用于细胞膜的研究,如分子动力学模拟、傅里叶变换红外光谱以及X-射线等。非线性光学技术也广泛应用于细胞膜研究,尤其二阶非线性光谱具有表界面选择性,对细胞膜表征具有优势。本文应用二阶非线性光学效应开发了一系列技术对物质与细胞膜相互作用过程以及模型细胞膜融合过程的研究。主要工作有应用二次谐波产生（second harmonic generation,SHG）光谱测量到了物质与细胞膜相互作用的动力学过程;应用二次谐波产生光谱和和频产生（sum frequency generation,SFG）光谱研究了金属离子诱导膜融合的机制;以及搭建了可以兼容SHG和双光子荧光（two-photon-excited fluorescence,TPEF）成像的双光子显微成像系统,具体工作内容分为以下几个部分:首先,研究了分子与细胞膜相互作用,应用基于SHG的二次谐波散射（second harmonic light scattering,SHS）技术研究了孔雀绿（malachite green,MG）分子与细菌、磷脂囊泡之间相互作用的动力学过程。应用SHS测量出Ca²⁺对MG分子穿膜的影响,并根据现象作出一定的推测;应用SHS测量出不同浓度的金属离子对穿膜过程的影响,Ca²⁺与Mg²⁺提高了MG分子穿膜速率,Cu²⁺则是会破坏细菌结构,使得SHS信号迅速下降为初始水平。在细菌以及模型细胞膜实验的基础上,也成功的应用SHS对穿膜肽与动物细胞的相互作用动力学过程进行了测量。其次,应用非线性光谱技术研究了金属离子诱导细胞膜融合机制。我们利用不同粒子大小的SHS信号出射方向不同,设计SHG光谱成功测量到了Ca²⁺诱导膜融合的过程。针对钙离子、镁离子与负电磷脂膜行为不同,应用SFG测量了磷脂分子与钙镁离子在反式络合、顺式络合等不同金属离子影响下磷脂分子的响应,对金属离子诱导细胞膜融合的机制进行了揭示。相对于钙离子,磷脂与Mg²⁺顺式结合,磷脂表面具有更强的水合层,磷脂端部有序度更高,这阻碍了细胞膜的进一步融合。最后,从硬件系统设计以及软件系统设计两个方面去论述双光子激发荧光显微成像系统的原理样机搭建过程。首先,设计并搭建双光子显微成像系统光路以及硬件控制系统。双光子显微成像系统的核心为激光扫描控制以及信号采集。本文采用双检流计型振镜控制激光扫描,设计以数据采集卡为控制核心的硬件控制方案,同时数据采集卡采集光电倍增管（photomultiplier tube,PMT）输出的信号用于图像重建;之后,设计双光子显微成像系统的软件系统。软件系统使用LabVIEW进行设计开发,配合数据采集卡可以高效地完成对硬件系统的控制。软件系统主要实现成像参数设置、振镜扫描方式控制、PMT增益级别设置、采集数据以及实时成像等功能。对于采集到的信号,在软件中嵌入MATLAB脚本代码对信号进行处理。应用双光子成像系统原理样机实现了小鼠耳朵部位胶原纤维的SHG成像,以及经DiO染色的里氏木霉膜的TPEF成像。