本文利用吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱等技术,对类囊体中的叶绿素聚集体和溶液中的类胡萝卜素聚集体的结构特征及激子态演化过程进行了研究,探讨了温度、磁场及微环境对聚集结构、光谱性质和能量转移产生的影响。并结合Frenkel激子理论,研究了不同聚集体结构参数下系统的吸收光谱和激子演化规律,分析了影响光合作用天线系统中能量吸收和转移的内在和外在因素。检测了含有Chl a和Chl b的溶液中加入β-紫罗兰酮前后的激发和发射光谱,并利用高斯软件优化了 Chl分子与β-紫罗兰酮的配位结构,在此基础上,通过计算得到了Chl a与Chlb之间的能量转移效率。结果表明,叶绿素与β-紫罗兰酮配位形成复合分子的结构可提高Chl分子体系中π电子的共轭程度,使吸收谱红移,荧光强度增强,该结构也能促进Chl a和Chl b之间的能量转移。采用激发光谱和偏振荧光光谱技术,研究了不同温度和磁场下,菠菜和苏州青类囊体溶液的光谱,得到天线系统中色素聚集体结构特点。结果表明,温度和磁场可通过作用于溶液中的氢键,来改变聚集体的结构,进而影响到天线系统的能量捕获和转移。研究了叶黄素和β-胡萝卜素分子聚集体光谱特征,得到了不同浓度酪氨酸中两类胡萝卜素的聚集体结构信息。分析表明酪氨酸通过与类胡萝卜素分子两头的酮环相互作用,增加了类胡萝卜素分子的共轭长度,有利于聚集体内激子转移;探测和模拟了不同温度下两色素聚集体吸收光谱的变化,探索了温度改变色素聚集体结构和能量转移功能的分子机理。结果表明在较低温度(15℃)时,β-胡萝卜素形成H-聚集结构,随着温度的增加H-聚集结构逐渐转化成J-聚集结构。最后采用Frenkel激子理论,模拟了三类典型的色素聚集体的吸收光谱和激子动力学过程。结果表明色素聚集体中分子间距和取向是决定其激子动力学过程的主要因素,由色素聚集产生的协同效应是天线系统能量高效捕获和超快转移的原因之一。基于分析结果,获得了天线系统位点能梯度变化的色素聚集体能量捕获模型。本文的研究结果有助于进一步理解光系统能量吸收和转移的物理、化学过程,推进对光合作用中激子能量长距离高效率转移机制的研究,并可能对开发高效率光电转换高分子材料具有指导意义。