氨基酸/短肽小分子绿色安全、灵活可调、功能多样、廉价易得等优点使其在分子自组装领域获得了极高的关注度。通过合理设计分子结构以及给予特定的动力学刺激,氨基酸/短肽小分子可以组装成具有特异形态和不同功能的纳米材料。这些基于氨基酸/短肽自组装的纳米材料制备工艺简单、比表面积大、生物相容性良好、生物活性高,这些独特的优势是传统无机纳米材料无法比拟的。随着电活性组织工程、新一代荧光成像以及无损光学医疗等新兴领域的快速发展,生物基光热、光电、光致发光等光转换体系的构建和开发变的日趋重要。光合作用中,蛋白质协调色素分子有序组装来进行高效的光能捕获、电子传递以及光能转换的现象打开了生物同源的氨基酸/短肽分子在光能转换领域的大门。模仿自然界光合作用的光转换过程,构建与天然光转换体系类似的生物相容性光转换体系成为了氨基酸/短肽分子自组装领域的热点研究方向之一。然而,如何通过简单的氨基酸/短肽分子结构设计和组装来实现有效的光能转换以及深入了解这些组装体系的形成机理,实现功能材料的可定制化开发仍然是目前研究的热点和难点。本文设计了Fmoc-L、Fmoc-W、Fmoc-L-OMe、Fmoc-W-OMe、Fmoc-L2、Fmoc-L3以及Fmoc-L3-OMe等多种两亲性氨基酸/短肽小分子。以这些氨基酸/短肽分子为组装体的协同组份或者组装基元,成功构建了多种氨基酸/肽基生物光转换体系。通过改变氨基酸序列、C端装配基团、亲疏水性、浓度等条件,对氨基酸/短肽光转换体系的组装体结构和光转换性能进行了有效调控。同时,深入讨论了氨基酸/肽基光转换体系的影响因素、形成机理以及组装驱动力,为生物基光转换体系的可定制化开发提供了一定的理论基础。首先,通过氨基酸/短肽与染料分子共组装,在水相中构建了有效抵抗氧分子猝灭的三重态-三重态湮灭光子上转换（TTA-UC）体系。以Fmoc-L、Fmoc-L2、Fmoc-L3为协同组份,通过与光敏剂Pt OEP和湮灭剂DPA共组装,制备了有氧水体系中具有高效上转换发光能力的四面体微米棒。上转换微米棒的长度和稳定性随氨基酸/短肽分子疏水性的增加而增加。Fmoc-L3基上转换微米棒体系所带的大量负电荷令其具有最强稳定性,在Pt OEP:DPA:Fmoc-L3=1:41:9的摩尔比下,Fmoc-L3基上转换微米棒在有氧条件下的上转换发光效率可以高达6.1%,而激发阈值低至16.26 m W/cm~2。机理分析表明Fmoc-L3 C端的-OH对于上转换微米棒的形成具有决定性作用。C端-OH可以为组装体提供广泛而定向的氢键作用力,从而引导三种分子有序排列形成规则的微米棒结构。在氢键、疏水作用和π-π堆积等弱分子间作用力的相互协同下,Fmoc-L3可以调控上转换染料分子对在组装体内的排列方式,使其既不会排列过于紧密,引起上转换发光猝灭,又能保持两种染料分子的分子间距离＜1 nm,确保微米棒内三重态-三重态能量转移（TTET）和三重态-三重态能量湮灭（TTA）过程的有效发生。当Fmoc-L3分子C端-OH被疏水性-OMe取代后,由于氢键形成受阻,Fmoc-L3-OMe基共组装体系无法获得规则的组装结构以及显著的光子上转换效果。更重要的是,亲水性的-OH可以令Fmoc-L3的线性侧链在上转换微米棒的外侧形成致密的钝化层,有效保护了上转换荧光不受空气中氧分子的猝灭。与除氧水体系相比,分散在未除氧水体系中的微米棒的上转换发光效率几乎没有衰减。本工作为有氧水中上转换发光体的构建提供了新的思路,对上转换发光在生物医药领域的应用有明显的推进作用。其次,在无染料分子的条件下,通过两亲性氨基酸的自组装构建了可见光区域内宽吸收的生物半导体光电转换体系。以Fmoc-L、Fmoc-L-OMe、Fmoc-W、Fmoc-W-OMe氨基酸/短肽小分子为组装基元,研究了氨基酸种类和分子间氢键对氨基酸组装体热稳定性、刚性以及半导体特性形成的影响。研究发现C端为-OH封端的Fmoc-L和Fmoc-W可以形成具有高热稳定性、高刚度的微米条带和微米线结构,并产生典型的半导体特性。而C端为-OMe封端的Fmoc-L-OMe和Fmoc-W-OMe则只能形成热稳定性和刚度较差的常规聚集体。光谱分析表明两类氨基酸组装体结构的差异主要源于氢键的形成能力。亲水性的-OH基有利于形成更强的分子间氢键,增加组装体的热稳定性和刚性,并引导长程有序分子结构的形成。所制备的Fmoc-L和Fmoc-W自组装半导体的光电转换强度可达2.2μA/cm~2和2.3μA/cm~2,远远高于Fmoc-L-OMe和Fmoc-W-OMe组装体。机理分析表明Fmoc-L微米条带和Fmoc-W微米线的组装基元为氨基酸二聚体。氨基酸的二聚降低了HOMO与LUMO间的能隙,从而允许电子高效传输。值得注意的是,Fmoc-W芳香环侧链的有序堆积能够引起Fmoc-W微米线发射波长的红移。发射波长红移至415 nm处的Fmoc-W微米线具有稳定的蓝光发射性能,被成功用于发光器件的集成。热力学分析结果表明Fmoc-L微米条带和Fmoc-W微米线的形成驱动力为焓驱动,分子间氢键是氨基酸半导体形成的主要影响因素。本工作在电活性组织工程和绿色生物电子器件制造等方面具有潜在的应用价值。最后,以Fmoc-L和Fmoc-W为组装基元,构建了具有红边激发荧光位移（REES）效应的氨基酸下转换发光体系。在0.05 m M的低浓度条件下,Fmoc-L和Fmoc-W分别形成纳米球和纳米片的组装结构。两种组装结构均具有显著的红边激发荧光位移效应,这种特殊的下转换光致发光具有发射波长随激发波长的增加而增加、发射强度逐渐减弱、发射峰窄、荧光寿命短的特性。在0.42 m M的高浓度条件下,Fmoc-L和Fmoc-W分别形成了微米条带和微米线的组装结构,分子间的紧密堆积令其REES光谱产生轻微红移。当氨基酸C端被疏水性-OMe基团取代后,相同浓度下的Fmoc-L-OMe和Fmoc-W-OMe组装体的红边激发荧光位移效应几乎消失,表明红边激发荧光位移效应产生的原因与分子间氢键有关。与传统的有机荧光染料相比,氨基酸组装体这种特殊的下转换发光现象在新一代荧光成像方面具有潜在的应用前景。