生物发光是自然界中最奇妙的现象之一。该现象在自然界中普遍存在且在多个领域得到实际应用,如食品污染的快速分析、基因调控和表达、以及体内成像等。目前研究最广泛的两种发光生物是萤火虫和水母。二者发光的机理在本质上都是荧光素酶催化荧光素发光的过程。首先在生物体内发生一系列的化学反应,产生有机过氧化物中间体;随后,该中间体通过过氧键的断裂生成激发态的羰基化合物:最后激发态的羰基化合物回到基态,能量以光的形式放出。对生物发光现象的研究在实验和理论上都是极大的挑战。实验的困难在于:很难确定荧光素酶的蛋白结构,特别是荧光素分子和荧光素酶的结合点;发光体寿命很短,无法直接观测:反应复杂多步且受蛋白环境的影响。理论研究的难度在于:反应过程涉及到双自由基、电荷转移的激发态以及近简并态,这些激发态的精确计算都是理论化学的难点;蛋白环境对反应及发光波长都有重要影响,在计算中必须考虑。本文综合运用完全活化空间自洽场及其二阶微扰方法(CASSCF/CASPT2)、含时密度泛函理论(TD-DFT)以及量子力学与分子力学相结合的方法(QM/MM),研究了萤火虫和水母的生物发光,解决了一些悬而未决的问题,对它们的发光机理有了更清晰的认识。主要工作如下:　　(1)运用高精度的多参考态量子化学方法,在真空、溶液和蛋白环境下系统地研究了萤火虫生物发光中可能涉及到的所有发光体。确认萤火虫发光的唯一发光体是第一激发单重态(S1)的酮式苯酚盐阴离子(phcnolate-keto-OxyLH-),结束了长期以来对该问题的争论。该结论被随后的研究从不同角度证实。　　(2)采用CASSCF、CASPT2和TD-CAM-B3LYP量子化学方法计算了酮式氧化荧光素分子(keto-OxyLH2)在激发态上的化学性质,探讨了萤火虫多颜色发光的调制机理。研究发现,环境的极性是调节发光波长的主要因素。理论计算结论与最新实验报道一致。　　(3)在TD-CAM-B3LYP/6-31+G(d,p)水平上,考虑真空和溶液环境,计算了氧化腔肠素在不同荧光态和化学发光态的结构和光谱性质。结果表明,所有的荧光态都具有较小电荷转移和平面氨基结构的特征;而化学发光态的电荷转移却大得多,并具有一个非平面的氨基结构。提出了一个新的发光机制:氧化腔肠素分子通过内转换过程从化学发光态弛豫到某个荧光态,随后在荧光态上发光。