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红外光谱技术是研究分子结构的最常见实验手段之一。对于分子的特定振动模式，其红外吸收频率由于分子内和分子间相互作用的影响而发生移动。因此振动光谱可以作为探针来研究分子体系的结构及其所处溶剂环境构象的分布。得益于超短脉冲激光器和三阶非线性光学技术的发展，二维红外光谱技术能以飞秒的时间分辨率对分子振动激发频率与探测频率的相关性进行采样，并给出振动模式之间的耦合强度信息，从而为研究分子的快速结构演变、能量传递、质子转移等超快过程提供直接的实验分析手段。
本论文围绕二维红外光谱技术展开。利用这一手段研究了:1）典型小分子纯液体体系的氢键结构动力学;2）一个可发生β-折叠和自聚集的多肽体系在不同骨架结构下的酰胺Ⅰ带振动模式的光谱特征。在以下三个方面取得了进展:
a)首次利用倍频二维红外实验方法对纯甲醇液体体系进行了研究。获得了纯甲醇液体在不同等待时间下C-O伸缩振动的倍频二维红外光谱。发现C-O伸缩振动的v=2→v=0跃迁频率的时间自相关函数的时间常数与v=2→v=0/v=4→ v=2跃迁频率的时间互相关函数的弛豫时间常数明显不同。利用量子化学计算方法证明了C-O伸缩振动的倍频跃迁吸收峰对纯甲醇液体中氢键结构更具敏感性。利用倍频二维红外光谱实验和瞬态光栅实验所获得的动力学常数，对一维倍频跃迁吸收光谱进行了拟合，得到0-2跃迁频率-时间相关函数，发现运动窄化效应在0-2跃迁的光谱展宽机制中起了重要作用。研究表明频率-时间相关函数的两个时间常数与这一纯液体体系中氢键结构变化的时间尺度有关。
b)以第一性原理分子动力学模拟方法对两个小分子纯液体体系(HOD∶H2O以及CH3OH）进行了模拟，得到了与实验相符的结果。并采用小波分析法和键长-频率转换模型从分子动力学模拟结果中提取瞬时振动频率和跃迁频率，计算了静态频率分布及频率-时间相关函数，为研究这两个体系的超快结构动力学打下了基础。
c)测量了一个典型多肽分子MAX1发生自聚集前后的溶液相和结晶后的晶体相中的酰胺Ⅰ带振动模式的一维和二维红外光谱，获得了非谐性常数，并分析了谱线展宽机制。发现:1）聚集前的MAX1水溶液中除了无规则卷曲结构外，还有少量的呈α-螺旋结构的分子存在;2）聚集后的MAX1水溶液与MAX1晶体中的分子结构都为β-片层结构;3）聚集体在溶液相中的β-片层结构内含有水分子，且这些水分子与多肽分子之间的氢键造成了其光谱的整体红移。
最后，介绍了一套基于窄带泵浦-宽带探测的二维红外光谱实验光路的设计与搭建，以及如何利用LabView软件编写其控制程序。