氢键是自然界中普遍存在的一种弱相互作用,它是决定物质性质、结构等方面的重要因素之一,在生物、化学、材料等领域起着重要的作用。然而,因为氢键作用远比共价作用小,研究相对困难,目前对它的研究主要还停留在定性层面上。为了加深对氢键的认识,需要对其类型、强度、动力学以及影响在单分子水平上进行研究。本论文利用SMFS技术对不同类型的氢键作用进行了研究。首先,本论文在真空和壬烷中测量了不同醇解度的PVA分子的链内氢键强度,通过对比发现PVA分子链内存在氢键协同作用;随后,本论文对PVA在水环境中的结构进行了研究,经过一系列SMFS实验以及SMD模拟,提出了PVA与水分子形成的络合结构,为PVA的保湿性提供了解释;最后,本文从PEG结合水(氢键)的角度研究了其生物相容性,PEG结合水重排所消耗的能量(E_w)与生物大分子的E_w值接近,这可能是PEG具有出色生物相容性的重要因素。(1)本论文基于不同醇解度的PVA高分子的链内氢键强度呈非线性变化,在单分子水平上发现了链内氢键的协同作用。首先,本论文在二甲基亚砜(DMSO)和8M尿素溶液(氢键破坏剂)中得到了醇解度～99%的PVA单链的本征弹性。在真空环境中,PVA不受环境因素的影响,得到只受分子内氢键作用的F-E曲线。同时对醇解度为～80%、～89%的PVA分子进行相同的SMFS实验,并利用积分方法得到了三种不同醇解度的PVA在真空中的链内氢键结合能(醇解度由低到高),分别为2.88±0.05 kJ/mol、3.45±0.04 kJ/mol、4.75±0.04 kJ/mol。本文发现,链内氢键结合能与醇解度之间呈非线性比例关系。为了验证PVA在真空获得的链内氢键结合能的准确性,本论文对不同醇解度的PVA进行了非极性有机溶剂壬烷环境下的SMFS实验。三种不同醇解度的PVA分子之间仍然表现出与真空环境中同样的氢键结合能趋势,即醇解度的变化和氢键结合能之间呈非线性比例关系。这表明PVA链内氢键的强度主要取决于相邻氢键的协同效应。(2)本文利用PVA在不同水环境中进行的SMFS实验和SMD模拟,提出了PVA在水中的合理结构,给出了PVA具备良好保湿性的原因。首先,本论文将PVA在去离子水中的数据与量子力学计算的自由旋转链模型(QM-FRC)进行了比较,得到的结果与其他单分子在力拉伸过程中由于氢键作用消耗能量截然不同。针对这种反常现象,本文又在不同浓度的盐溶液中进行了SMFS实验,否定了PVA分子在水环境中类似聚电解质性质的猜想,即与环境中的离子结合带电。随后,本文对PVA-99在水环境中进行了SMD模拟,研究了氢键在水环境中具体的相互作用方式以及类型。结合SMFS及SMD实验结果,本文提出了PVA高分子在水中形成的类“电线塑胶外层”的氢键外膜结构。这种氢键外膜结构使得PVA分子链的外层始终有水分子包裹,这正是PVA具有良好的保湿性的原因。(3)本论文以PEG结合水氢键的结合能(E_w)与生物大分子具有相近的E_w这个全新的角度,解释说明了PEG具有生物相容性的原因。本论文首先在非极性有机溶剂壬烷中获得了PEG单分子链的固有弹性,并通过QM-FRC模型的证实。随后,在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中的SMFS实验表明,F-E曲线中的肩峰平台是由PEG延伸过程中结合水(水桥)的重排引起的,并通过了two-state QM-FRC模型(TSQM-FRC模型)的证实。比较PEG在两种环境下的F-E曲线发现,PEG的结合水消耗额外的能量(E_w)。通过积分计算F-E曲线的面积差,得到E_w为～1.59 k_BT/unit(3.93 kJ/mol)。PEG结合水的E_w值与生物大分子结合水重排的E_w值接近,因此本文推测与生物大分子接近的E_w值可能是PEG具有出色生物相容性的重要因素。该结论将为研究其他高分子的生物相容性提供重要参考。