头发是人类的一个重要器官,是面积最大以及最容易让人注意到的器官之一。头发有提供隔热、保护皮肤免受有害的紫外线辐射等各种作用,研究头发中的细胞器分布及各部位化学性质有着重要的意义。红外光谱方法是一种很重要的表征手段,红外吸收峰位置对化学环境、分子内和分子间的相互作用非常敏感,可以对头发的结构和化学性质进行系统的研究。在红外光谱的研究中有两种主要手段,分别是傅里叶变换红外显微光谱技术（FTIR）和红外光热诱导共振技术（PTIR,也称AFM-IR）。傅里叶变换红外显微光谱技术使用傅里叶变换红外光谱仪和光学显微镜结合,可以探测分子的固有振动,对分子进行识别和检索分子的构象和组织信息,测量头发样品的光谱信息;同时利用红外显微镜来放大样品的结构细节,以微米级分辨率探测头发样品的空间化学信息。红外光热诱导共振技术结合了原子力探针和红外光热光谱技术,可以突破衍射极限,检测头发样品的形貌图和红外光谱,并对样品表面进行化学成像测量,揭示表界面红外光谱信息和纳米尺度下的空间化学信息。本文采用FTIR技术和AFM-IR技术,研究了头发切片中的微米尺度和纳米尺度上的结构和化学信息。使用微米FTIR技术,测量了黑色和白色头发横截面的三层结构的红外光谱,分析对比了皮质层和髓质层的脂质含量差别,并分别对黑白头发皮质层中的蛋白质二级结构进行了分析。使用纳米AFM-IR技术,在皮质层中研究了重要的细胞器黑素体,对黑素体在皮质中的分布进行了原位的表征,测量了黑素体的红外光谱并在20 nm左右的空间分辨率下进行了红外化学成像,还对皮质中的油脂分布情况进行了分析。实验结果表明,黑头发中存在白头发中所不存在的黑素体,黑发皮质中的黑素体为椭球形,长轴和短轴平均分别为423nm和337 nm,黑素体在黑头发横截面中的分布是由中心到外层逐渐增多的,并得到了黑头发中黑素体在指纹区域的红外特征光谱。皮质层缝隙中的脂质含量相对较大,蛋白质的含量相对较小。在髓质层中,研究了其中纳米尺度的结构,可以通过AFM形貌图看到髓质层中的孔洞结构,并分析了脂质在髓质层的分布。红外光谱以及化学成像结果显示髓质层区域的蛋白质含量较皮质层较少,油脂含量较皮质层较多。其中髓质层油脂主要集中在孔洞区域。对于表皮层,研究了表皮层的细致的层状结构。表皮层由六层表皮细胞组成,每层表皮细胞中还有四层微结构,通过红外光谱和化学成像的分析结果分析了各层结构的脂质和蛋白质含量的分布,并结合表皮层的结构联系了表皮层的功能和特性。本文分别在微米尺度和纳米尺度下探索了头发中三层结构以及每层结构细胞器的分布信息和化学信息,可以为更好地理解头发各个结构在头发颜色和生物功能中的参与提供实验基础。