近年来,随着荧光检测技术在生命科学和医疗诊断等领域的重要应用,菁染料对核酸、蛋白等生物分子的荧光标记,对粘度、极性、pH、温度等环境敏感因素的探测尤其成为关注的焦点。因此,对染料结构和性能关系的研究显得更为重要。本论文主要以菁染料激发态能量释放调控为主要手段,利用理论计算方法,揭示了菁染料分子体系在限制性环境中(DNA和粘度)不同敏感度的本质：测试了对称性和非对称菁染料在水、DNA和粘度环境中量子产率。实验结果表明在DNA环境中,非对称菁染料(TO)相比对称性菁染料(Cy)有着更为明显的荧光增强；菁染料的甲川链长度不同,环境敏感度不同。染料激发态势能曲线计算揭示了甲川链上C-C键的旋转调控着染料的激发态势能,甲川链上不同C-C键的旋转有着不同的转动能垒,转动能垒的高度决定非辐射失活的效率。对称性菁染料(Cy)相比非对称菁染料(TO)有着高的转动能垒和大的能隙。非对称菁染料(TO)靠近喹啉环键的C-C键的旋转让染料沿着最低的旋转路径到达最小能隙位置,降低了染料的本底荧光量子产率和背景荧光。通过实验分析显示,中位取代和未取代的对称性菁染料在限制性环境(DNA和粘度)中有着不同的环境敏感度。分析了Cyan46和Cyan2激发态势能曲线,发现了中位甲基取代基降低了甲川链的旋转能垒,从而降低了Cyan2的本底荧光量子产率,增强了Cyan2环境敏感度。通过对Cy5、 Cy5-CH3和Cy5-CHO系统的实验对比和理论分析进一步支持了提出的机理。在这个机理之上,设计预测了中位取代的Cy3模型,通过粘度测试证明了我们机理的正确性,从而促使Cy3模型的开发和应用。对Cy7、Cy5和Cy3氨基菁染料进行了系统的光谱分析,这三类染料有着大的斯托克斯位移和不同的粘度敏感度。理论研究揭示了氨基的扭转在双荧光现象和不同粘度敏感度上起着重要作用。势能曲线结果推测了在低粘度条件下,氨基可以看成是一个转子,光激发后与甲川链的耦合消失,可发射出长波长荧光；在高粘度条件下,氨基旋转受到抑制,几乎与甲川链共平面,氨基上的孤对电子可与甲川链上π电子耦合,发射出短波长的荧光。甲川链上C-C键也可以参与旋转,推断氨基和甲川链旋转能力的平衡影响着染料在粘性环境中激发态荧光形式和非辐射失活形式之间的竞争。对Caz-Cy2、PCaz-Cy2和BCaz-Cy2三个带有不同杂环的半菁染料进行了粘度测试,三个染料的本底荧光量子产率不同,进而有着不同的粘度敏感度。理论计算分析了三个染料的激发态势能曲线,发现靠近咔唑环的C-C键的旋转驱使着染料朝向激发态和基态间低能系的位置,从而实现超快的非辐射失活。最低的单重激发态的振子强度随着角度从0°到95°变化,振子强度逐渐减小,到达95°时候几乎成为了暗态。从结构变化和轨道能级变化的水平上,给出了粘度敏感机理示意图,展示了半菁染料粘度感应机理。C-C键旋转的能垒和能隙依赖于杂环的选择,影响着染料的本底荧光量子产率,进而使染料有着不同的环境敏感度。