由于荧光探针可以简单、快速和高效地对分析物进行实时定位、进行检测分析,因此,荧光探针在生物、化学的分析检测中具有独特的优势,尤其在生物组织医学研究领域,成为了科研人员高效地研究分析的工具。与单光子荧光探针相比,双光子（TP）荧光探针凭借其高空间分辨率、深层组织成像和准确定位等优势成为目前荧光探针领域的潮流,同时规避了单光子荧光探针易产生的光损伤、光干扰和光漂白等劣势。因此,双光子荧光探针的研究具有重要的学术意义和良好的应用前景。迄今为止,具有理想的双光子吸收（TPA）性质的荧光探针分子能够在实际中应用的很少,归根到底,对双光子荧光探针的研究还不够深入,双光子探针理论基础还有待完善,深入探讨双光子荧光探针的理论基础、设计开发新的TPA性质良好的、可实际用于检测各种识别物的生物荧光探针分子已经成为当前研究的热点问题之一。基于大量的文献调研,发现生物硫醇在原核生物和真核生物中发挥着重要的作用。作为生物硫醇天然存在的含巯基的化合物,半胱氨酸（Cys）,高半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH）在细胞中的蛋白质反应过程中起关键作用。其中低分子量的Cys是人体蛋白质合成中的必需氨基酸,同时在氧化还原平衡,解毒和代谢中也起到至关重要的作用。若其水平异常会引起水肿,肝损伤,生长缓慢,肌肉松弛和肥胖,身体虚弱,脱毛和造血功能减退等人类疾病。因此,开发出性能优异的检测生物硫醇的方法迫在眉睫。本论文利用第一性原理的量子化学计算手段,对半胱氨酸的TP荧光探针的光物理学性质以及相关识别机制进行了系统的研究。为实现对半胱氨酸的有效识别,我们基于香豆素分子优良的荧光性能,借助于零星稠环香豆素可作为荧光探针的实验事实,设计了几种新型的稠环香豆素双光子荧光探针,其识别依靠“开启”光诱导电子转移（PET）和分子内电荷转移（ICT）机制完成。针对探针分子和相应的产物分子,我们首先计算了电子转移（ET）和电荷转移（CT）两个过程的速率,从动力学角度成功地解释了实验现象。然后,理论预测了它们的双光子性质,分析了它们的结构-性质的关系。结果表明,稠合香豆素与单体香豆素的跃迁偶极矩明显不同,这可使稠合香豆素在矢量方向和幅度上突破了单体香豆素跃迁偶极矩线性增加的极限,而且稠合香豆素的衍生物具有大的共轭平面,最有可能拥有大的双光子吸收（TPA）截面值,因此有可能成为优秀的TP荧光材料。同时,根据所研究分子的不同跃迁偶极矩矢量的相对方向,采用三态模型分析出TPA过程中的决定因素。研究发现双光子截面值的大小取决于跃迁通道的态偶极矩(μ^jj（μ^{i i}）)和相干通道的跃迁偶极矩(μ⁰ⁱ)。通过以上研究,我们提出:可以通过（1）沿着稠合香豆素骨架的7位增加π共轭链长（2）沿不同路径延伸π共轭链,去改变目标分子的跃迁通道的态偶极矩和相干通道的跃迁偶极矩矢量的方向来改善探针分子的TPA横截面值(δ^T_max)。此外,对于设计的探针分子,最大TPA波长可以达到700 nm-1000 nm,有效地避免了诸如生物组织的自发荧光和背景干扰等因素。设计的CCy-1-OH?CCy-3-OH和CCy-7-OH分子性能优异可作为双光子荧光探针的候选物。我们希望该研究能够为半胱氨酸成像研究提供有用的理论依据。