近年来，气/液界面因为在环境、吸附、催化、生物、地质、结晶等化学过程中扮演重要的角色而受到越来越多的关注。在分子层次上对气/液界面分子的结构和取向进行研究，有助于理解气/液界面所发生的反应的微观机理和动力学。磷脂Langmuir膜是研究生物膜的模型体系，其结构和取向受膜压、亚相组成等外界因素的影响。要深入认识这些外界因素对磷脂膜结构和取向的影响，首先必须要准确测量不同条件下磷脂膜的结构和取向。和频振动光谱作为具有界面选择性的二阶非线性光谱技术，不仅具有亚单分子层的灵敏度，还可以进行原位检测，因此被广泛应用于气/液界面的研究。本文利用和频振动光谱研究了磷脂分子在气/液界面的结构和取向。论文主要分为以下几个部分。　　第一章，回顾气/液界面研究的内容、意义以及研究现状。在此基础上重点综述和频振动光谱在气/液界面研究的最新进展。　　第二章，简述非线性光谱发展历程，并详细介绍了和频振动光谱的基本理论。　　第三章，用和频振动光谱(SFG-VS)研究了纯水表面磷脂分子DPPC单分子膜的结构和取向。和频光谱观察到烃链末端甲基基团的r-模式在ssp和PPP光谱中的分裂，证明了r-ip和r-op模式不再简并，烃链末端的甲基的对称性由C3v对称退化为Cs对称。借助氘代DPPC的光谱，重新归属了一个长期具有争议的位于2956cm-1处的峰。基于Cs对称性下的偏振选择定则和最新的光谱指认结果，求出了气/液界面DPPC烃链末端基团、胆碱头基以及丙三醇骨架的取向角进而得到DPPC分子在气/液界面的构象。本文所发展的方法为研究更复杂的体系铺平了新的道路。　　第四章，用SFG-VS研究了三氧化二铁(Hematite)纳米颗粒对DPPC和DPPG单分子层的影响。结果表明，相对于在纯水亚相，亚相为Hematite水溶液时DPPC单分子层变得更为有序，DPPC烃链末端的甲基的取向角分布也变得更窄（假设末端甲基的分布为高斯分布）。当平均分子面积(mean molecule area，MMA)较大时，DPPG分子烃链末端的甲基取向角在Hematite水溶液表面会变小（假设末端甲基的取向角分布为理想的δ分布）。结合对DPPC/水、DPPC/Hematite、DPPG/水以及DPPG/Hematite进行AFM表征，发现Hematite纳米颗粒分布在LC微畴间隙。　　第五章，用高分辨宽带和频振动光谱(HR-BB-SFG-VS)研究了气/液界面Ca2+对ESM单分子层的结构和取向的影响，得到了Ca2+与ESM相互作用的机理。Ca2+首先与PO2-基团结合，导致PO2-部分脱水并使得极性头基部分发生再取向。随着Ca2+不断加入，PO2-基团与鞘氨醇骨架上的3OH之间的分子内氢键也遭到破坏，使得鞘氨醇骨架变得更加有序，同时骨架末端的甲基基团的取向由指向液面变为指向空气相。本项工作在分子水平上给出了Ca2+与ESM膜相互作用的基本信息。本工作是世界上首次用高分辨宽带和频振动光谱研究复杂的磷脂体系，这充分证明了高分辨宽带和频振动光谱研究复杂体系的能力。　　第六章，用高分辨宽带和频振动光谱(HR-BB-SFG-VS)研究了气/液界面Ca2+对MSM单分子层的结构和取向的影响的微观机理。根据实验结果，提出了如下的微观机理。Ca2+离子首先与PO2-基团结合，导致头基构象发生变化。随后，鞘氨醇骨架中的3OH与头基上PO2-基团形成的分子内氢键被破坏，鞘氨醇骨架上的C=C刚性键发生旋转以降低势能来适应构象的改变。随着Ca2+浓度的增加，烃链上gauche defects数量变多，烃链变得更加无序。但是，钙离子的加入并不会影响烃链末端甲基的构象。本项工作提出了钙离子通过改变鞘磷脂膜的结构性质来调控蛋白功能的新机制。　　第七章，结论和展望。