准确描述复杂凝聚相体系的结构和光谱是理论化学的研究热点之一。然而,由于复杂体系的尺寸大、结构柔性、兼具复杂的化学环境,传统的量子化学方法难以对这些体系的结构和光谱性质进行描述,这是因为这些方法的计算量随着体系尺寸的增加呈幂次方增加。结合分子力学（molecular mechanics,MM）和量子力学（quantum mechanics,QM）的多尺度方法或低标度量子化学方法可以克服传统量子化学方法计算的困难,用以揭示溶剂和氢键（hydrogen bond,HB）等环境作用对复杂体系的结构和光谱性质的影响。本论文的工作结合分子动力学（molecular dynamics,MD）模拟、组合分子力学/量子力学（QM/MM）方法、普适的基于能量的分块（generalized energy-based fragmentation,GEBF）方法以及实验,从分子水平上揭示了凝聚相体系的结构和光谱之间的关系,包括DNA-小分子复合物和碱基的结构和电子光谱、结构变化及化学描述符对光谱性质的影响,以及DNA-小分子结合模式和位点的预测。本论文的主要研究内容如下:染料分子能与DNA形成具有独特荧光性质的复合物,可以作为荧光探针应用于传感,进行化学检测和生物成像等。在第三章中,基于QM和机器学习等方法的研究表明,在噻唑橙二聚体（TOTO）和单链DNA[poly（d G）n（n=2,4,6,8）]的结合中,n=6比n=2,4,8的复合物具有更强的荧光强度,约300倍,这主要是由TOTO分子与poly（d G）6链的长度相互匹配影响导致的。基于分子动力学轨迹的机器学习,发现TOTO分子的末端距离和折叠二面角是两个重要的描述符,可以将TOTO分子的构象分为全伸展型（分子间的末端距离大于或等于18（？））和发夹型（小于18（？））。基于含时密度泛函理论（time-dependent density functional theory,TDDFT）激发态计算,发现含有全伸展型TOTO的外部-堆积结合模式的复合物易产生p-p*局域激发的较强荧光。GEBF结合能计算表明含有发夹型TOTO的复合物的结合能更大,而大部分含有发夹型TOTO的复合物展现插入结合模式,易发生分子间的电荷转移,导致荧光淬灭。因此,通过调控染料分子与DNA的结合模式,可以调控电荷转移程度,进而设计能够识别特定DNA序列的荧光探针。在光化学和光物理中,DNA或RNA的激发态计算有助于深入理解复杂体系的光激发过程。由于碱基是核酸的光吸收区域,为了在不增加过多计算量的情况下考虑溶剂等环境效应的影响,可以直接使用碱基进行电子激发态性质的研究。在第四章中,通过结合GEBF、GEBF-QM/MM以及QM/MM这三种方法,研究了尿嘧啶分子在水溶液、无定型固体和晶体中p-p（9）跃迁的电子吸收光谱。研究结果表明,计算得到的三种凝聚相体系的吸收光谱均与实验值较为吻合,并且发现不同分子堆积下的分子间相互作用对尿嘧啶分子的吸收光谱有十分重要的影响:无定型尿嘧啶受HB和强p-p堆积作用的影响,吸收光谱发生了较大的红移;水溶液中的尿嘧啶由于HB、长程静电和极化的协同作用,仅发生了相对较小的红移;尿嘧啶晶体受HB和弱p-p堆积作用的影响,也只产生了较小的红移。因此,结合的GEBF和QM/MM方法可以用来准确地计算凝聚相体系的吸收光谱,并深入理解微观结构和分子间相互作用对光谱的影响。探究DNA和小分子的结合作用有助于设计新型药物分子和荧光探针,该研究在化学和生物领域具有重要的应用前景。然而,利用量子力学在分子水平上准确预测DNA-小分子的结合模式及结合位点仍然具有一定的挑战性。在第五章中,通过组合的分子对接（molecular docking）、MD模拟和低标度的GEBF量子力学方法进行了从头算（ab initio）高通量筛选,预测了DNA和三种药物或光电分子之间形成的结合模式及结合位点。研究发现这三种DNA-小分子复合物均呈现小沟槽结合模式,与实验结果一致。进一步,通过GEBF结合能计算筛选的最佳结合位点的结构与实验是匹配一致的,且优于完全基于分子力学或半经验量子力学方法筛选出的结构。对于其中的DNA-DAPI复合物,GEBF计算筛选的结构也可以较好地重现DAPI分子和周围的水分子（形成氢键网状结构）的结合位点。由于同时考虑了溶剂、静电和极化作用,DNA-DAPI复合物激发态计算得到的吸收光谱与实验结果较为接近。因此,基于GEBF量子力学方法的从头算结合能的高通量预测,可以更准确地揭示和理解DNA-小分子的结合作用及其相关性质。