胆红素是人体胆汁中的主要色素和检测肝功能的重要指标之一,与人体健康密切相关。结合荧光蛋白的胆红素分子代表了一类新型荧光发色团,在生物成像和生物传感领域有着重要应用。由于胆红素分子独特的电子结构和激发态性质,引起了研究者们的广泛兴趣。一系列实验研究表明胆红素分子的激发态动力学行为与其激发态构型变化密切相关,但是对于胆红素发色团的荧光发光机理,仍然缺乏系统的理论研究,首要挑战来自于缺乏一种计算效率高且计算精度高的电子结构理论方法来描述胆红素分子的电子结构与激发态性质。本论文结合隐式溶剂模型和线性响应含时密度泛函理论方法,计算了胆红素分子最低单重激发态的垂直跃迁能,包括垂直激发能和垂直发射能。以实验测量值和高水平方法RI-ADC(2)的计算值作为参考,系统考察了一系列密度泛函方法的预测表现,结果发现最优化调控密度泛函方法整体表现最优,预测的绝对误差和相对误差最小,这得益于泛函中包含适宜的准确交换项比例,能够产生既不离域也不局域的电子结构。此外,还计算了藻青素和四环霉素分子最低单重激发态的垂直激发能,验证了最优化调控理论方法的普适性。在最优化调控密度泛函方法计算的波函数基础上,基于空穴-电子分析和片段间电荷转移分析方法,定量表征了胆红素分子在氯仿溶剂、二甲基亚砜溶剂和碱性水溶液中的最低单重激发态,发现其具有杂化局域-电荷转移的激发特征。因此相信本论文的工作,可以为今后研究胆红素分子的激发态动力学过程和光谱性质提供重要理论依据,该最优化调控理论方法也可以为其它生物分子体系的激发态性质研究提供可靠、高效的理论工具。本论文内容主要分为以下四个部分:第一章,介绍了胆红素分子的结构特征和国内外研究状况。第二章,概述了理论与计算化学和密度泛函理论的发展,并介绍了最优化调控密度泛函理论方法。第三章,利用多种密度泛函方法,对胆红素分子、藻青素分子和四环霉素分子的最低单重激发态的垂直跃迁能进行了计算,并借助空穴-电子分析和片段间电荷转移分析方法,分析了在不同溶剂中胆红素分子的激发态性质。第四章,对本论文研究内容做出总结与展望。