细胞膜是细胞内外环境的分界,参与多种基本生理反应过程。物质与细胞膜的相互作用是其进入细胞发挥功能或造成细胞毒性的第一步。一些具有生物活性的聚合物和多肽分子具有良好的生物适应性、靶向选择性、膜结合亲和力和细胞内化能力,在抗菌、药物和基因递送、生物检测等方面具有应用潜力。然而由于细胞环境的复杂性和研究手段的局限性等因素,这些活性分子与细胞膜发生界面相互作用的过程和机制尚不明确。传统的细胞膜界面研究的实验方法大多聚焦整个体系系综平均的效果、或某一时刻体系状态的研究,缺乏对其实时相互作用的时间信息的刻画。在本工作中,我们利用和发展了自主研发的光电压瞬态技术,原位、实时、无标记地追踪了几类典型的膜活性分子与模型细胞膜发生界面相互作用的动力学过程;并结合单层巨囊泡泄漏动力学检测、细胞毒性检测等手段,揭示了其相互作用的机制,尤其是给出了不同作用状态之间转变的时间信息;在此基础上,我们设计了一类具有双亲结构的多肽分子,实现了高效率地破膜杀菌效果,并研究了其膜作用过程和分子机制。本论文各部分的主要内容如下:（1）在第一章中,我们从细胞膜组成和功能、常用的细胞膜模型等内容出发,介绍了相关研究领域的概念基础;聚焦于生物活性分子与细胞膜的界面相互作用,综述了几种典型性的膜活性分子（包括膜活性聚合物和膜活性肽）与细胞膜的界面相互作用研究。然后,我们总结了目前用于细胞膜界面研究的技术现状,讨论了各种技术的优势和局限性。（2）在第二章中,我们详细介绍了本论文重点使用的三种膜界面研究技术,总结了相关的研究进展。光电压瞬态技术可实时、整体、原位、无标记地追踪膜界面相互作用过程,尤其能提供分子间作用方式发生转变的时间信息。激光扫描共聚焦显微术可用于亚细胞水平上细胞、囊泡形态的观察。原子力显微术可用于直接表征平面模型膜的表面形态,了解活性分子对膜结构的扰动效果。（3）第三章中,我们以高分子表面活性剂聚氧乙烯十二烷醚（Brij35）和高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVPk30）为例,实时研究了 Brij35/PVPk30与模型细胞膜发生界面相互作用的过程。实验发现,Brij35分子的膜作用呈现显著浓度依赖性;其作用过程大致分为三步,首先,Brij35吸附于膜表面,造成膜的结构扰动,该过程发生于t=0-11 min时间阶段（浓度为1μM）;之后,Brij35导致脂膜透化,该过程伴随多种竞争机制并存,并发生脂质重组,该过程发生于t＞11 min（浓度为1 μM）或t=0-8 min（浓度为10 μM）时间阶段;最终,Brij35导致膜结构的破坏,该过程发生于t＞8 min（浓度为10μM）或t＞4 min（浓度为100 μM）时间阶段。原子力显微镜图像和细胞毒性实验验证了 Brij35在不同作用状态下对膜的不同程度的结构扰动和细胞毒性效果。PVPk30作为电中性聚合物分子,在膜表面表现出持续的竞争性吸附和解吸附状态。然而在整个实验浓度范围内（1～100 μM）,PVPk30没有造成明显的膜结构破坏或细胞毒性。实验结果展示了 PVPk30与Brij35不同的膜作用过程和机制。（4）第四章中,我们基于天然抗菌肽特征性的正电双亲α螺旋结构,选取在天然抗菌肽中广泛存在的赖氨酸和色氨酸残基,设计出具有高抗菌活性的多肽K7W6自组装纳米粒子。结合光电压瞬态和巨囊泡泄漏动力学实验,揭示了多肽阶段性作用于细胞膜的过程,并解释了其选择性作用于细菌细胞膜的机理。研究发现,在低浓度（例如0.5 μg/mL）和电中性磷脂膜体系中,多肽分子能够立即形成跨膜缺陷（t＜3 min）、之后发生复杂的跨膜缺陷愈合和重新产生的竞争性过程、最终完全破坏脂膜结构（t＞58 min）。负电磷脂体系会加速和加剧这一过程。然而,多肽浓度的增大会带来复杂的影响,其膜扰动效率先降低（由于自组装纳米结构的形成）、再升高。纳米粒子组装结构的出现,能够帮助多肽实现更高的膜扰动效率和实现选择性作用于负电磷脂膜的效果。总之,本论文利用和发展了光电压瞬态技术,将其应用于高分子聚合物及多肽与细胞膜界面相互作用动力学过程的实时研究中。结合光电压瞬态技术与单层巨囊泡泄漏实验、原子力显微镜形貌表征、细胞毒性及抗菌测试等多种实验方法,我们实时研究了三种典型的生物活性分子与细胞膜的界面相互作用,给出了时间信息。本论文工作为细胞膜界面问题的研究提供了一类普适性的方法,本工作的研究结果对于深刻认识生物活性分子的膜作用机制并加以调控具有指导意义。