近年来,有机双光子吸收材料在诸多领域,尤其是在生命科学领域的应用引起了科学家极大的研究兴趣,如三维可控双光子光解药物释放,双光子生物荧光标记,双光子荧光显微成像（TPFM）等。TPFM是结合了激光扫描共聚焦显微和双光子激发技术的一种新技术。与传统的单光子荧光显微成像（OPFM）相比,双光子荧光显微成像具有突出的优点:定位准、穿透性强,分辨率高,同时可避免光损伤和光漂白,此外,双光子荧光显微还可以实现暗场成像和降低信噪比等。双光子荧光显微成像技术的这些特性使得其对于生物成像的发展应用具有重要意义。荧光探针与TPFM相结合,已经成为生物医学研究中不可缺少的成像工具。但是到目前为止,能够有效地用于实际应用的双光子探针分子十分有限,这严重限制了TPFM在生物、医学研究领域中的应用。因此,完善双光子荧光探针的理论基础及设计原则,设计合成各种有效的、特定应用的双光子探针分子对双光子荧光显微技术获得更大范围的应用十分重要。生命过渡金属离子双光子荧光探针材料是一个亟待深入和完善的研究领域,也是具有强大的发展潜力和广阔的应用前景的研究领域。本论文基于从头计算的量子化学理论,利用不同的理论模型和计算方法,对过渡金属有机化合物的双光子吸收性质以及生命过渡金属离子(Zn²⁺,Cu²⁺)的双光子荧光探针分子进行了深入、系统地研究。目的是进一步揭示探针分子结构与双光子吸收性质间的内在联系,为探索具有大的TPA截面值（δmax）和强上转换荧光的新探针提供指导原则和重要信息,并提供性能优良的双光子荧光探针备选分子。主要研究内容概括如下:1.通过密度泛函理论（DFT）和ZINDO-SOS方法研究了一系列D-π￠-A-π-[M]-π-A-π￠-D型和A￠-π￠-A-π-[M]-π-A-π￠-A￠型镍（II）、钯（II）、铂（II）乙炔基化合物的双光子吸收性质。结果表明,δT max值随着镍（II）、钯（II）、铂（II）的顺序依次增加,而金属钯（II）对单、双光子吸收光谱的蓝移有突出的贡献。中心金属和共轭有机片段之间的电荷转移在TPA跃迁中占主导地位,同时中心金属增加配体长轴方向的共轭长度,导致双光子吸收截面的增大。D-π￠-A-π-[M]-π-A-π￠-D型分子的最大双光子吸收截面值（δTmax）小于A’-π’-A-π-[M]-π-A-π’-A’型分子的截面值。在D-π￠-A-π-[M]-π-A-π￠-D型分子中,利用三苯胺端基、苯并噻二唑连接桥以及三甲基磷配体,可以得到一个大的δT max。（5）对于A’-π’-A-π-D-π-A-π’-A’型分子,利用2,2-并噻吩端基和2,1,3-苯并噻二唑桥可以获得较大的双光子吸收截面,4-甲基吡啶和三甲基磷是很好的配体。这项工作为寻找性质优异的双光子金属探针奠定了基础。2.对一系列细胞内自由锌离子(Zn²⁺)双光子荧光探针的几何结构,电子结构,OPA,TPA和荧光性质进行了详细的理论研究。对结合能（ΔE）,结合焓（ΔH）,吉布斯自由能（ΔG）,和稳定化能（E2）的分析表明,所设计的探针分子对Zn²⁺有高的灵敏度。OPA性质研究表明,结合Zn²⁺后OPA光谱几乎不变。对探针的荧光性质和PET机制研究表明,除了AZn5和AZn6,其他的分子荧光淬灭,与Zn²⁺络合后,荧光打开。这些结果表明,除了AZn5和AZn6分子外,这一系列的化合物可以成为较好的关-开型荧光成像试剂。双光子吸收过程中,大多数分子的TPA峰位于720-860 nm范围。同时,探针与Zn²⁺络合后,其δmax有3-7倍的增长。因此,合理改变和修饰荧光团,可以得到理想的细胞内Zn²⁺TP荧光成像探针。这系列拥有DCS基团的化合物拥有巨大的潜力,可望成为快速检测体内Zn²⁺的优良TP荧光成像试剂。3.在5,5’-bis（（E）-2-（9-methyl-9H-carbazol-3-yl）vinyl）-2,2’-bipyridine（GBC）探针分子的基础上,通过在不同活性位点的取代以及与不同端基的修饰设计了一系列新的联吡啶类锌离子双光子荧光探针。通过密度泛函理论（DFT）和含时-DFT（TD-DFT）对该系列分子在乙腈溶剂中的几何优化、NBO分析、产物分子的稳定性、OPA光谱和电子结构、TPA性质以及荧光性质进行了计算,表明以顺式-联吡啶为中心时GBC具有最稳定的结构。这些探针分子在300-390nm范围内具有明显的OPA光谱,在600-672nm的范围内有TPA光谱,在368-530nm范围内具有荧光发射。对于大多数分子,与Zn²⁺结合后,其OPA光谱,荧光光谱和TPA光谱红移,双光子吸收截面（d）增加。但Zn²⁺几乎不参与光学过程,仅仅增加了分子中心部分的吸电子能力。更重要的是,5,5￠位的取代可以得到最大的d值和近红外可见的荧光发射波长,这有利于Zn²⁺的准确识别。此外,5,5’位点端基给电子能力的增强有利于光谱的红移和d值的增加;端基受电子基团的取代可以导致光谱蓝移和d值下降。这些取代和修饰不影响探针螯合Zn²⁺的能力。值得一提的是,所设计分子T-1和T-3具有比GBC分子更大的TPA响应;T-6分子与T-6-Zn²⁺分子具有相同的最大TPA波长,这有利于Zn²⁺的识别以及简化实验方法。4.理论设计与研究了一个活体细胞内Cu（II）FRET机制的比率型双光子荧光探针2a,验证了该探针可通过F?rster共振能量转移（FRET）机理实现荧光成像的过程,并分析了FRET的效率。新的探针分子2a在450 nm处有OPA峰,并且在500 nm处有荧光发射。随着Cu²⁺的加入,探针2a被Cu²⁺催化水解,酰肼环开环形成2b分子,其发射光谱从500nm红移到630nm,荧光信号的明显变化显示了Cu²⁺的识别。FRET效率的分析表明,2a分子具有更高的能量转换效率。因此判定探针2a是更有效的基于FRET机制检测Cu²⁺的比率型荧光探针。更重要的是,我们预测新的探针分子2a在近红外光区域有一个大的TPA峰。因此,可以推断探针2a是双光子激发的FRET比率型Cu²⁺荧光探针,并验证了用于单光子探针的传感机制在双光子模式中同样有效。我们希望详细的研究结果可以为设计合成Cu²⁺响应的双光子荧光共振能量转移比率型荧光生物成像试剂提供一份理论依据。