在自然界中有许多不同的生物,例如细菌、单细胞生物、鱼、萤火虫等,虽然他们的荧光素不同,都有发光的能力。在这些生物发光有机体中,萤火虫是被研究最多的。据统计世界上有2000多种萤火虫分布在不同的国家和地区。他们用同一种荧光素(LH2)底物,(S)-2-(6-羟基-2-苯并噻唑基)-2-噻唑-4-羧酸自然的发出从绿(≈530nm)到橙,甚至红色(≈635nm)多种颜色的光。这种生物发光现象已经引起了生物学家和化学家的广泛关注。他们对多色生物发光的起源问题进行了大量的实验和理论研究并取得了相当大的进展。但仍有两个方面的问题没有得到很好的解释。一个就是荧光素转化成氧化荧光素的化学机理,另一个就是多色生物发光的化学起源问题。这些也是我们本论文研究的重点。1,研究了萤火虫高能中间体dioxetanone(DO)在气相及适当介电常数溶剂模型中的形成及分解机理。DO的形成经过一个逐步反应机理：首先在单重态而不是三重态势能面上形成四元环,然后PO4CH32-基团离去。对DO的分解提出了两种可能的反应路径,其中的一种从来没有报道过。2,酮式氧化荧光素阴离子的共振结构是否是多色生物发光的化学起源,它能否把绿光调节为红光,在理论和实验研究中一直都没有得到确切的答案。我们通过在活性位点处加入钠离了和氨根离了来模拟可能的共振结构。进而研究基态和激发态几何及电子吸收和发射光谱。在气相时共振结构区分的特别明显,二者的吸收和发射光谱明显不同,一个在蓝光区而另一个在红光区。但是在水溶液中两种结构的光谱差别很小,吸收和发射光谱均在黄绿光区。由此我们认为酮式氧化荧光素阴离子共振结构可能是引起发光红移的一个因素,但不是解释从绿光(≈530nm)转化为红光(≈635nm)的唯一因素。此外我们还研究了酮式氧化荧光素阴离子质子化的各种可能形式的几何结构及吸收和发射光谱,进而提出了一种新的红光发射体keto(-1)’-H。3,酮式氧化荧光素还是烯醇式氧化荧光素使萤火虫发出黄绿色光的问题在理论和实验上始终处于争议中。本章通过选择精氨酸220(Arg220)、组氨酸247(His247)、单磷酸腺苷(AMP)、水324(Water324)、苯丙氨酸249(Phe249)、甘氨酸343(Gly343)、丝氨酸349(Ser349)这些对荧光颜色调节起主要作用的基团来模拟荧光酶环境,从而进一步阐述萤火虫生物发黄绿光起源问题。首先我们考虑了这些基团各自对氧化荧光素的作用及综合作用,并用B3LYP。B3PW91、PBE1KCIS方法研究了其电子吸收和发射光谱。通过气相和水中各自作用的比较我们发现在气相时其发射跃迁是禁阻的,而在水中则是允许的。而考虑综合作用后,及Arg220,His247,AMP,Water324,Phe249,G1y343,Ser349全部包含在模型中时的优化结构显示氧化荧光素以酮式[keto(-1)]存在。此外keto(-1)+Arg+His+AMP+H20+Phe+Gly+Ser的最大发射波长与实验值(560nm)非常接近。通过以上分析我们认为酮式氧化荧光素是导致黄绿色发光的发光体。我们还发现AMP对酮式氧化荧光素的烯醇化起重要作用；显性水分了Water324也是荧光素环境中一个不可或缺的重要因素。4,研究了显性水分子对萤火虫颜色调节机理的贡献。通过对几何参数的研究发现显性水分子使keto(-1)在气相和水中均存在两种不同的结构。且对吸收和发射光谱的影响比较大。当只在苯并噻唑环一侧加入水分子时光谱发生蓝移；而只在噻唑环一侧加入水分子时光谱发生红移。总之,发光颜色的调节取决于keto(-1)电荷的重新分布,特别是苯并噻唑环和噻唑环末端的电荷改变。