二次谐波现象作为非线性光学中重要的二阶非线性光学过程，近年来在生命科学、材料研究等领域都具有十分重要的应用。研究表明，一些氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等含有Π电子结构的分子具有很强的非对称性，会产生较强的二次谐波效应;具有非中心对称结构的蛋白质如胶原蛋白、微管蛋白、肌凝蛋白、荧光蛋白等，也具有很强的二次谐波信号;同时像脂肪类非中心对称的组织也会产生很弱的二次谐波信号。利用生物组织中激发的明显二次谐波信号，而发展起来的二次谐波显微成像技术，由于具有空间高分辨率、无需荧光标记，对生物样品的光损伤小，在介质中的穿透度深，适合对活体进行动态测量等优点，已成为生物学领域重要的研究手段之一。然而，目前对于生物组织二次谐波的产生机理尚没有一种理论能够完满解释，仍有许多工作需要去做。因此本论文主要是从原子、分子结构角度出发，利用量子化学计算方法和简单模型（氨基酸、生物多肽、生物蛋白模型等），研究生物结构与它们的二次谐波非线性光学性质之间的关系，并探讨它们的二次谐波响应的电子起源，希望能够为进一步理解生物组织光学二次谐波效应的产生机制提供一定得理论依据。　　在本论文的研究工作中，我们主要是通过理论计算，研究讨论生物多肽及蛋白质的二次谐波非线性光学性质。在Gaussian03程序的帮助下，结合计算非线性光学极化率的态求和(SOS)方法，我们计算得到了一系列生物分子的二次谐波非线性光学性质。具体的计算过程，我们首先采用密度泛函理论方法(DensityFunctional Theory, DFT)中的杂化泛函B3LYP在不同的基组水平上对所研究分子构型进行几何优化，然后在优化所得构型的基础上，采用单激发组态相互作用(CIS)方法或含时密度泛函理论方法(TDDFT)对其激发态性质进行了计算，最后通过计算所得到的基态和激发态的偶极距、态-态间的跃迁偶极距及跃迁能，并结合态求和方法，得到他们的非线性光学极化率、动态极化率的色散曲线、与态数目相关的极化率收敛曲线等。并通过分析对其非线性光学性质贡献最大的激发态及其对应的组态组成，并结合分子轨道的分析，探讨了其非线性光学性质的来源。通过比较分析，总结了被研究的生物体系结构和非线性光学性能之间的关系。　　在论文第一章中，我们介绍了非线性光学的发展历程及其理论基础、生物组织的二次谐波现象，产生机理及其应用等。在第二章中，我们介绍了计算方法及相关理论:量子化学的发展及三个基本近似、ab-initio从头计算方法、半经验方法、密度泛函及含时密度泛函，同时也对微观非线性光学极化率的计算方法做了简单介绍。　　在第三章中，我们研究了一系列苯丙氨酸分子及其形成的多肽的二次谐波非线性光学性质。首先优化单个苯丙氨酸的分子结构，在得到稳定构型的基础上，以此结构作为基础单元，构建了含有2-8个苯丙氨酸残基的多肽体系。运用不同的计算理论结合态求和方法，研究苯丙氨酸多肽体系的二阶极化率随着肽链增长的变化规律。计算结果表明，该体系口(Phe）n(n=1-8)的二阶极化率值随着苯丙氨酸多肽链的增长而增大。同时通过分析它们的贡献态及对应的轨道组成探讨其二次谐波光学响应来源，我们发现氨基酸残基芳香环上π→π*的电子跃迁对分子的二阶极化率有着最重要的贡献。　　在第四章中，我们进一步把蛋白质二级结构中常见的α-螺旋构型作为研究的基础结构，利用由17个丙氨酸分子组成的α-螺旋多肽，通过对它的第十个丙氨酸残基（为了减小端基效应的影响）用其他的19种常见氨基酸进行取代，从而研究中心氨基酸发生取代之后对α-螺旋多肽(Acetyl(ala)9X(ala)7NH2)的线性和非线性光学性质的影响。并通过与纯丙氨酸分子构成的α-螺旋多肽的线性极化率和二阶极化率进行比较，我们发现芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）取代的α-螺旋多肽，它们的线性极化率和二阶极化率都有明显的增加。深入分析其二次谐波非线性光学响应的电子起源，我们发现芳香性侧链上π→π*的电子跃迁，对二阶极化率有较大的影响。因此我们认为在α-螺旋结构中，如果取代的氨基酸侧链中含有芳香环，会对体系的二阶极化率有重要的作用，产生更强的二次谐波响应。　　在第五章中，我们把具有强二次谐波信号的荧光蛋白作为研究对象。选取了6种荧光蛋白（GFP, BFP, eBFP, CFP, YFP和DsRed），通过截取它们的发色团结构来研究荧光蛋白的二次谐波非线性光学性质。我们计算了不同荧光蛋白发色团的电子结构及电子吸收性质，并且运用含时密度泛函理论并结合态求和方法，对所研究的6种荧光蛋白发色团的二阶极化率进行计算，讨论不同发色团结构对其二次谐波光学响应的影响，同时通过分析它们的贡献态及对应的轨道组成探讨它们非线性光学响应的来源。我们认为针对所研究的荧光蛋白体系，它们的二阶极化率主要由中心共轭结构π→π*的电子跃迁引起的，同时侧链R1到中心共轭结构p→π*的电子跃迁对二阶极化率也有一定得影响。　　在第六章中，我们通过两种不同的方法截取胶原蛋白的分子片段，它们分别包含1到3个三肽重复单元(Pro-Pro-Gly)，构建了6种胶原模型多肽，从分子角度来研究这些胶原模型多肽的二阶非线性光学极化率，同时讨论选用不同模型多肽对计算得到的二阶极化率有什么影响。计算结果表明，随着选取的三肽重复单元的增多，胶原模型多肽的二阶极化率也表现出规律性的增加。同时，我们发现在螺旋轴方向上的二阶极化率值对整个模型多肽的总二阶极化率具有主导作用，并且随着选取胶原片段的增长，这种主导作用越来越明显。因此，我们认为对于胶原蛋白而言，可以把整个胶原蛋白的二阶极化率近似认为成胶原片段上螺旋轴方向上的二阶极化率的加和，并且通过这种加和方法得到的胶原蛋白的二阶极化率与实验测得的数据还是十分接近的。