水是地球上最重要的物质之一,是包括人类在内所有生命生存的重要资源,也是生物体最重要的组成部分。对于生物高分子(如蛋白质、DNA等)来说,水是它们赖以生存的环境,对其保持稳定的结构和实现相应的功能具有至关重要的作用。近年来,关于水和高分子之间的相互作用研究也一直吸引着人们的关注,但是这些研究都是基于水环境的,这使人们无法单独考虑水对于高分子结构的重要影响。因此,如果以纯有机溶剂作为其微环境,就可以单独研究水对于这类高分子结构的重要作用。本论文采用单分子力谱、基于QM的理论模型、以及分子动力学模拟作为主要研究工具,系统地研究了几种生物高分子在非水溶剂中的单链拉伸行为,通过与水环境中的单链拉伸行为相比较,从单分子水平上详细地揭示了水环境对于高分子结构稳定性的重要影响。在第二章,研究了非水溶剂对于DNA结构稳定性的影响。通过UV-Vis吸收光谱研究发现,当DNA在99%醇类溶剂中时,由于疏水作用的缺失,导致其结构在不同程度上失稳。并且随着极性降低,憎溶剂作用变弱,导致DNA的稳定性也降低。通过对DNA在纯甲醇和甲醇/水混合溶剂中的单分子力谱研究发现,在水中时,DNA在水环境的保护下处于稳定的双螺旋状态；随着甲醇含量上升至50%时,甲醇分子可以与DNA上的结合水分子形成氢键,从而使DNA失稳,这在力曲线上反映为“B-S”转变平台的缩短；当甲醇含量继续上升至70%时,DNA链上大部分的结合水分子被甲醇分子“占据”,使DNA结构进一步失稳,在这种情况下,DNA以两种状态存在：失稳的双螺旋DNA和解螺旋的单链DNA；最后当甲醇含量上升至90%至100%,DNA已经完全变性成为单链DNA。又通过重水中的单分子力谱研究发现,重水对于DNA的结构稳定性具有增强作用,此机理可能正是重水对于人体产生致命危害的原因所在。另外,DNA在重水中的“B-S”转变平台过程中并没有发生氢键的破坏。这将为过拉伸态DNA的结构争议提供了一个有力的证据。在第三章,研究了非水溶剂对于蛋白质结构稳定性的影响。通过单分子力谱研究发现,当蛋白质从水中拉伸至非极性有机溶剂中时,由于最外层的溶剂化层受到破坏,它将会发生解折叠,形成一个无规卷曲的聚多肽链。这一现象随后被1278从水中拖曳到辛烷中的分子动力学模拟所证实,并详细揭示了其在水/非极性溶剂界面的解折叠机理。基于这些实验结果,提出了一种新的QM-WLC模型并用它来拟合这些曲线。拟合结果表明,当持续长度lp为单个氨基酸结构单元的长度0.38 nm时,它能够很好地描述蛋白质的单链弹性行为。随后通过对一个典型的蛋白酶系统ClpX的氨基酸极性分布研究,发现该变性机理可能用于体内的蛋白质分子机器中。在该蛋白酶的入口处,存在一个极性/非极性界面,可以使蛋白质在在分子马达所产生的微弱力的作用下发生解折叠。此外,通过对聚多肽和水之间相互作用的单分子力谱研究,提出了水在蛋白质长期分子进化中可能发挥了重要的作用。在第四章,研究了非水溶剂对于两种聚乳酸的单链力学性能的影响。在辛苯中,左旋聚乳酸(PLLA)和外消旋聚乳酸(PDLLA)的本征弹性是一致的。通过对比PLLA在水和辛苯(两者均是不良溶剂)中的力曲线,发现在PLLA链和水之间并没有特殊的相互作用。然后提出了一个新的QM-FRC模型并用来拟合这些力曲线。拟合结果表明,当旋转单元长度lb等于PLA的一个重复单元长度0.36 nm时,PLA的本征弹性可以很好的被该模型描述。而在良溶剂中时,由于高度规整性,PLLA链以α螺旋结构的构象存在,而PDLLA链则由于链上的L型和D型单元的随机分布以无规卷曲的构象存在。总之,当蛋白质/DNA被拖曳穿过水/非极性界面时,其超分子结构都可以在一个微弱力的作用下发生解折叠/解螺旋。而当变性结构重新返回至水环境中时,先前的折叠/螺旋结构可以重新形成。这种基于水/非极性界面的变性方式不仅对于DNA、蛋白质等高分子同样适用,而且是个可逆过程。该变性方式简单易操作,过程绿色环保,并且结果可控,为将来变性分子器件的设计提供一个很好的思路。