活性氧（ROS）是生物代谢过程中获得的副产物,其中羟基自由基（·OH）具有很强的氧化能力,很容易与相邻的核碱基发生反应,导致细胞功能的损害和年龄依赖性疾病的发展。而花青素是最强大的天然抗氧化剂之一,具有很强的清除自由基的能力。但花青素的稳定性不仅受p H值的影响,还受温度的影响。因此研究温度和p H对花青素抗氧化活性的综合影响尤为重要。其次,花青素类常见化合物与自由基反应动力学机理的缺乏严重制约了对其抗氧化活性的深入理解。因此本文选取了花青素中含量较多的矢车菊色素与·OH的反应,采用密度泛函理论（DFT）方法研究矢车菊色素分子清除自由基的能力,从理论上对其抗氧化活性进行详细分析。天然染料敏化太阳能电池（NDSSC）是一种利用天然染料作为光敏剂的太阳能电池,其中染料敏化剂起着非常重要的作用,因此高性能的天然光敏剂的设计和合成至关重要。而花青素这种天然色素在515 nm下的摩尔消光系数高于N719光敏剂。因此,花青素及其衍生物成为了近年来天然光敏剂研究的一个重要课题。本论文以花青素分子光电材料分子设计及载流子迁移率理论模拟为主要研究内容,在分子层面上深入分析了所有研究化合物的几何结构、电子性质、光吸收和光伏参数。为设计和合成具有高载流子迁移率和稳定性的有机光电材料提供了理论参考。1.采用M06-2X方法研究了温度和p H对花青素自由基清除能力的影响。结果表明,在p H值1～8的条件下,四种不同形式的花青素与OH自由基反应活化吉布斯自由能垒存在一定差异,与实验观察到的花青素在人体不同器官的自由基清除能力不同是一致的。同时花青素与羟基自由反应的准一级速率常数与温度呈正相关。2.采用M06-2X/def2tzvp//M06-2X/6-31G（d,p）+ZPE水平对矢车菊色素清除·OH的气相抽氢反应机理进行了研究,并采用极化连续介质模型考察了极性溶剂对该反应机理的影响。结果表明,在气相和水相中·OH抽取矢车菊色素五个酚羟基中的氢,从热力学和动力学角度分析均极易进行。该研究以期从理论角度深入考察矢车菊色素分子的抗氧化机理,为开发天然抗氧化剂提供一定的理论基础。3.本文通过在染料A分子（即花青素母体）中引入不同的供体基团和受体基团,设计了一系列具有D-π-A结构的新型有机染料。然后通过密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函（DT-DFT）理论计算了染料分子的几何结构、电子性质、光吸收和光伏参数。染料分子A的PCE值为6.43%,染料分子A5的PCE值为23.75%。结果表明,引入二苯胺作为供体,双氰基磺酸作为受体可以显著提高染料的光吸收能力,值得进一步的实验研究。