表界面性质在生物研究中具有极其重要的意义，如物质与细胞的相互作用都涉及到细胞膜表面，很多生物和化学反应也都和表界面性质息息相关。然而，由于本体信号的影响，大多数生物表征技术不能提取到表界面的信号。幸运的是，以表面和频光谱和二次谐波产生光谱为代表的二阶非线性光学技术，由于具有对称性约束和固有表界面特异选择的特性，可以原位表征表界面分子的结构、取向和有序度等信息。和频光谱技术已经有近30年的发展时间，在各种表界面科学领域有着非常成功的应用。此外，由于分子表面的各种理化反应非常迅速，传统的稳态和频光谱检测方法很难测量这些超快的动力学过程。得力于超短脉冲激光的超快和超高峰值功率特性，我们可以发展飞秒时间分辨的和频光谱技术。在本论文中，我们主要围绕时间分辨的和频光谱系统的搭建和应用做了以下工作:　　1.飞秒时间分辨的Pump-SFG探测系统的搭建　　我们搭建系统所用的光源是飞秒放大级激光器产生的激光（800nm，100fs），以及经光参量系统产生的宽频带红外脉冲激光。红外光束在感兴趣的样品界面上与窄频带的可见脉冲激光在时间和空间上重合，产生和频信号，再经CCD光谱仪并行采集，得到和频光谱。和频光源中的800nm激光利用4f系统进行光脉冲的展宽(~1ps)，以提升光谱分辨率。在此基础上，该系统引入另外一束可调谐的泵浦光与和频光源的两束激光在样品上重合。泵浦光用于激发分子，之后便可以使用SFG探测分子激发后振动态的变化，并可研究能量的弛豫等过程。通过延迟线我们可以改变泵浦光与和频光的相对光程，实现时间上的扫描。该系统的硬件控制和数据采集模块将使用LabVIEW虚拟仪器进行开发，利用计算机自动完成对泵浦光与SFG探测光之间延迟时间的改变，实现CCD光谱仪对数据的实时采集。此外，我们还扩展了CCD光谱的数据采集和数据读出模式，大大提升了实验的准确度、稳定性和可伸缩性，缩短了实验时间。　　2.时间分辨和频振动光谱研究几丁质的瞬态光谱　　我们应用搭建的时间分辨飞秒Pump-SFG探测系统，对复杂生物大分子几丁质振动能量的转移过程进行研究，并分析α-和β-几丁质同素异形体分子链的排列方式。实验结果表明，分子中基团振动的能量弛豫并不仅仅是直接从激发态跃迁到基态，同一基团不同振动模式间以及相互耦合过程中存在着非常强的能量相互转移过程。通过瞬态和频光谱和能量转移途径，我们可以推断分子基团间的耦合，并对指纹区复杂的振动峰进行归属。　　3.穿膜肽的跨膜动力学研究　　我们应用和频光谱技术研究了穿膜肽Pep1对磷脂分子翻转动力学的影响。应用十八烷基硅烷（OTS）-磷脂单分子层体系，研究了Pep1对磷脂结构和取向的影响。结果表明，在Pep1作用下，磷脂双分子层内外翻转的速度变快，且在翻转过程中出现内外层磷脂分子密度不对称的情况。这种内外层磷脂分子密度不对称的现象，可能是触发细胞内吞产生溶酶体囊泡行为的直接原因。我们还结合二次谐波产生光谱对穿膜动力学进行了测量，证实了磷脂双分子层内外磷脂的翻转与物质进入细胞的过程直接相关。