疏水相互作用是一种非共价相互作用,在蛋白质折叠,配基和受体的结合,膜的形成等生命化学过程中发挥了重要的作用。疏水相互作用研究的一个重要方向是疏水自由能的计算。Lum,Chandler和Weeks等人提出的疏水自由能的尺度依赖理论（LCW理论）,使我们对疏水水合机制有了一个全新的理解。小尺度的疏水粒子水合,疏水自由能与粒子体积成正比,是一个熵效应主导的水合过程。大尺度的疏水粒子水合,疏水自由能与粒子表面积成正比,是一个焓效应主导的水合过程。1 nm附近的转变行为反映了微观水合机制独特的特点。大量模拟计算方面的研究在LCW理论之后取得了巨大的成功,但缘于实验设计的困难,还是没有从实验上直接去验证LCW理论,我们的实验研究刚好弥补了这一点。阳离子-π（Cation-π）相互作用也是一种非共价相互作用,在蛋白质折叠,分子识别,分子粘附,钾离子通道等方面发挥了重要的作用。研究者们在阳离子与π系统的结合能上做了大量的研究,并用静电力和诱导力去解释阳离子与π系统之间的吸引力,得到了广泛的认同。然而,结合能的测量大多都是用模拟计算的方法在气相中进行的,这是因为气相环境不会干扰阳离子和π键的结合。但是在生命化学过程中的cation-π相互作用,都是处于水溶液的环境。复杂的水溶液环境对cation-π的研究造成了巨大的困难。单分子力谱技术的应用,解决了实验设计难的问题,使得许多问题可以从实验上直接去研究。我们的工作正是基于单分子力谱技术,研究疏水自由能的尺度依赖关系,含氟聚苯乙烯与聚苯乙烯之间疏水疏油强度的差异和水溶液里的cation-π相互作用。本论文主要分为以下5个章节:第一章,我们对所要研究的疏水相互作用,疏水疏油现象以及cation-π相互作用做了一个系统的背景介绍,并据此说明了我们的工作的必要性。此外,考虑到研究的对象和方法,我们也对高分子和原子力显微镜以及单分子力谱做了简单介绍。第二章,我们计算了聚苯乙烯（PS）纳米小球的疏水自由能,给出了疏水自由能的尺度依赖曲线。我们用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合方法合成了两端具有官能团的PS。这一方法贯穿了整个论文。PS是一种典型的疏水高分子。修饰在基板上的PS分子在疏水驱动力作用下会坍缩聚集成一个致密的纳米小球。我们用原子力显微镜（AFM）解折叠PS纳米小球,将它从小球状拉伸为长链状,得到力谱曲线。PS纳米小球的初始半径是几个纳米,最后变为0,跨越了LCW理论预测的转变尺度1nm,这正是我们需要的。我们用重折叠实验和不同速度的解折叠实验证实了PS纳米小球解折叠过程是一个准静态过程,并据此用拉格朗日乘子寻找自由能极值的方法推导出PS纳米小球疏水自由能的表达式。结合实验采集到的力谱曲线,我们计算出了PS纳米小球的疏水自由能。结果表明,当半径在1 nm以下,疏水自由能与PS纳米小球体积成线性关系,当半径在1nm以上,疏水自由能与PS纳米小球表面积成线性关系。疏水自由能的转变尺度就在1 nm附近。第三章,我们研究了含氟聚苯乙烯（FPS）和聚苯乙烯（PS）之间疏水以及疏油强度的差异。我们用单分子力谱进行了微观上的研究,发现FPS与PS的疏水强度并没有差异。而对疏油强度的研究,则使我们意识到宏观上的疏水现象,在微观上有疏水力与之对应;而宏观上的疏油现象,在微观上很可能也有“疏油力”与之对应。疏水力与疏油力可能与熵力有关。我们用接触角表征了FPS与PS疏水以及疏油强度在宏观上的差异。我们发现,氟元素的引入,降低了材料的表面能,从而FPS上水和油性液滴的接触角都比PS上的大。这和杨氏方程表达的结果是一致的。第四章,我们研究了水溶液里的锂离子,钠离子,钾离子和铵根离子与苯环之间cation-π结合的强度。我们设计了聚五氟苯乙烯（PPFS）和聚苯乙烯（PS）纳米小球解折叠的单分子力谱实验。PPFS由于氟完全取代苯环上的氢,在水溶液里已经很难和阳离子形成cation-π相互作用,而PS上的苯环则可以和阳离子形成cation-π相互作用。通过比较两者解折叠平台力的大小,我们得出cation-π相互作用在这个体系里的影响,并给出了它们结合强度的顺序是K+>Na+>NH4+>Li+。我们发现解折叠的平台力与盐溶液的表面张力成线性关系。我们的实验能够在高盐浓度下进行,发现了cation-π结合并没有饱和性。第五章,我们做了总结和展望。