单分子光谱学发展至今已有三十年的历史,由于这项技术在纳米尺度上的独特优势使得相关研究一直经久不衰。2014年和2016年的诺贝尔化学奖分别授予与单分子研究有关的超分辨成像和分子马达,更是为这一领域带来了新的契机。单分子研究与许多其他学科的交叉同时也为单分子研究注入了新的生命:在物理方面,单分子可以作为单光子源用于量子保密通讯,同时对单分子相干态的制备与操控使其成为量子计算机中单量子比特的潜在候选者,而且在基于单分子的量子传感器,光电器件等许多方面的研究都取得了重要突破。单分子研究还涉及到化学反应的催化过程,纳米材料的合成等,特别是在生物方面,基于单分子光谱的超分辨成像和分子马达为理解生命行为、发展生物技术提供了不可或缺的研究技术。特别是近年来量子生物学的兴起,使得单分子量子相干特性的研究引起了越来越多的关注。本论文主要开展单分子量子相干动力学特性测量及其应用研究。论文首先讨论了单分子动力学的研究背景,然后着重介绍了单分子量子动力学的相关研究进展,包括单分子的量子相干动力学的观测和操控,然后简要介绍了近几年关于量子相干动力学在生物学和材料学中的应用研究。之后论文介绍了实验中涉及到的单分子动力学测量的基本原理,以及基于单分子荧光探测技术发展起来的单分子量子相干调制光谱技术,这种技术是结合了单分子量子相干动力学和超快光学的全新技术。通过分析单分子的量子相干调制光谱强度,获取了单分子的量子相干信息,并且通过定义量子相干可视度来定量描述单分子量子相干信息,最终实现了单分子量子相干信息的可视化和实时观测。我们利用这种技术实现了生物体的量子相干成像,并观测到传统荧光强度成像无法获得的细胞生理活动过程。之后,基于单分子的量子相干调制特性,开展了单分子量子相干调制成像以及在生物成像和能量转移中的应用研究。我们利用相位可调的超快脉冲对操控单分子的相干叠加态,通过对单分子激发态布居几率的调制和荧光光子序列的解调,实现了单分子成像和生物成像对比度两个量级的提高。同时,基于这种方法研究了单分子与二维材料之间的能量转移,突破了传统荧光测量方式的限制,实现了对极微弱能量转移信号的测量。本论文工作的主要创新点:1.提出了一种测量单分子量子相干动力学特性的新原理。单分子荧光探测具有零背景特性,然而自发辐射产生的荧光丢失了单分子相干信息。我们通过对单分子量子相干态的制备与探测,调节激发脉冲对之间的相位差,实现了对单分子量子相干态进行有效操控,将单分子的量子相干信息反映到了单分子的激发态布居几率中,通过荧光测量实现了对单分子量子相干动力学信息的提取。2.实现了单分子量子相干动力学的实时观测和可视化。单分子量子相干信息可由拟合单分子荧光信号随超快脉冲对的延时来获取,这种方法需要长时间的光子统计,难以实现对相干信息的实时观测。我们采用单分子量子相干调制方法,通过定义量子相干可视度,将单分子量子相干信息的获取时间由原来的几十秒缩短到了几百毫秒,从而实现了单分子量子相干信息的实时观测和可视化。3.发展了基于单分子量子相干调制增强显微成像的新方法。生物体系中的单分子荧光成像经常会受到生物组织自荧光等背景光的干扰,阻碍了人们对感兴趣结构的研究。实验通过操控超快脉冲对之间的相位差实现了单分子激发态布居几率的调制,通过频域解调单分子荧光的调制光谱,实现了基于单分子量子相干的调制增强显微成像,将成像对比度提高了515倍,有效抑制了背景及干扰光的影响。4.开展了单分子量子相干动力学的应用研究。基于单分子量子相干调制方法,我们研究了单分子与二维材料之间的能量转移,克服了二维材料自身荧光对微弱能量转移信号的干扰,观测到了能量转移效率随距离的变化规律,为有机-无机杂化材料的能量转移提供了有效的技术手段。此外,还研究了单分子染料标记的小球藻、大肠杆菌等生物细胞的量子相干成像,观测了量子相干时间随细胞活动过程的变化,揭示了被传统荧光成像所掩盖的细胞活动过程;为开展基于单分子量子相干的基因表达、信号传递、癌症诊断等生理过程的研究奠定了重要基础。