激光的出现使得在传统光源下不易被探测到的各种非线性光学现象得到了迅速的发展,在此背景下有机分子双光子吸收材料在医学、生物学等领域表现出良好的应用前景。双光子荧光显微成像技术作为检测生物体和环境中阴阳离子及各种小分子的有力工具,受到了研究者的广泛关注。目前已有大量的分子荧光探针在实验中实现了针对有机小分子物质的检测,然而相关的理论研究工作相对匮乏,尤其是对于荧光探针微观作用机制的解释不足。本论文在量子化学计算水平上,采用密度泛函理论（DFT）与二次响应理论相结合的方法,对实验室中合成的一系列新型分子荧光探针进行光学性质的研究和识别机理的表征,揭示了荧光探针光学响应的本质,为进一步设计和合成新颖、高效、性能优异的分子荧光探针提供了理论依据。论文的主要研究内容如下:1.基于螺二芴基的N2H4荧光探针的光学性质及识别机理研究基于DFT水平计算了两种基于螺二芴基的分子荧光探针与N2H4反应前后的单光子吸收（OPA）性质和荧光发射性质,并利用二次响应理论方法将两个探针与N2H4反应前后的双光子吸收（TPA）性质进行了计算。从理论上表征了分子体系内部的轨道跃迁分布和跃迁电偶极矩的变化,阐明了荧光探针光学性质改变的原因,揭示了分子内电荷转移（ICT）和光诱导电子转移（PET）过程。此外,我们结合两个探针与N2H4反应过程中的双光子跃迁矩阵元来揭示其TPA现象的响应机理。最后,结合分子从基态至最大单光子吸收态的电荷转移过程,在理论水平上表征了电荷转移对探针OPA性质的影响。2.用于阿尔兹海默症早期诊断的β淀粉样蛋白荧光探针的光学性质研究以实验室中新开发的PET型荧光探针为研究对象,采用分子对接模拟和量子力学/分子力学（QM/MM）计算相结合的方法,理论研究了β淀粉样蛋白对一系列具有不同供体-受体结构的荧光探针的光学性质影响。理论计算结果显示:与β淀粉样蛋白反应后,探针的荧光效应均出现了明显的增强现象。此外,我们对这一系列探针与β淀粉样蛋白反应前后的TPA性质进行了计算,结果显示:在β淀粉样蛋白环境中的双光子吸收截面比在真空中时出现了显著的提高,这是由纤维样环境中电子离域程度更大、电偶极矩增加导致的。以上计算结果均能够合理地阐明实验测量现象,同时,也能够说明该系列探针可以作为良好的荧光显微成像工具来实现检测β淀粉样蛋白的作用,并且以萘环为供体或间隔链中双键较多的探针会具有更好的检测能力。3.靶向内质网的双光子分子荧光次氯酸探针的光学性质研究在DFT水平上研究了三种以萘酰亚胺为荧光团且具有不同识别基团的PET型荧光探针（Probe 1、Probe 2和Probe 3）的OPA性质和荧光发射性质,并采用二次响应理论方法将Probe 1、Probe 2和Probe 3与次氯酸（HCLO）反应前后的TPA性质进行了计算。从理论上表征了Probe 1和Probe 2作为荧光“关-开”型探针及Probe 3作为荧光“开-关”型探针的可能性,同时结合前线分子轨道的分布情况阐明了荧光探针光学性质改变的原因。最后,结合分子从基态至最大单光子吸收态的电荷转移过程,在理论水平上表征了电荷转移对探针OPA性质的影响。重要的是,我们的计算结果与实验测量结果能够保持定性一致。研究结果表明:HCLO的存在使得荧光探针的TPA截面发生了明显的改变,且不同的识别基团对其光学性质也存在一定的影响。