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荧光蛋白作为一种重要的荧光探针，已经广泛的应用在了比如分子标定，非侵入基因表达标定以及细胞内蛋白定位等细胞生物学领域。另一方面，双光子荧光显微镜具有很多的优点，比如更高的成像对比率，能够减少光学毒性，增加了探测深度，同时减少背景光污染。它已经成为研究活体细胞和组织成像的很好的手段。许多荧光蛋白已经被广泛用于双光子显微技术上，为了更多地理解发色团结构和荧光蛋白双光子吸收性质(TPA)方面的关系，便于新的更适合双光子荧光显微技术的荧光蛋白的产生，仍然有许多这方面的工作需要去做。
在本论文的研究工作中，我们主要是通过理论计算，研究讨论了荧光蛋白生色结构和其双光子吸收性质间的关系。在Gaussian 03程序的帮助下，结合计算非线性光学性质的态求和SOS方法，我们计算得到了所研究荧光蛋白生色团结构构型的非线性光学性质。在计算过程中，我们首先采用密度泛函理论方法(Density Functional Theory,DFT)中的杂化泛函B3LYP在不同的基组水平上对所研究构型的几何结构进行模拟和优化，而后，在优化所得构型的基础上，采用含时密度泛函理论方法(Time-Dependent Density Functional Theroy,TDDFT对其激发态进行了计算，研究其单光子吸收光谱。最后，通过计算所得到的基态和激发态的偶极距、态-态间的跃迁偶极距及跃迁能，并结合态求和方法，我们得到了所研究分子的双光子吸收谱。通过分析对其所研究的非线性光学性质贡献最大的激发态及其对应的组态组成，并结合对分子轨道的分析，我们探讨了对所研究构型非线性光学性质的本质来源，研究了其结构和性能之间的关系。
在回顾了荧光蛋白的缘起、结构、应用前景，以及介绍了非线性光学的发展历程及其理论基础等之后，在第二章中，我们介绍了量子化学的发展及三个基本近似、回顾了密度泛函及含时密度泛函的起源及基本理论，最后介绍了计算微观非线性光学性质的理论方法。此后，我们对荧光蛋白生色结构和其双光子吸收性质进行了三个方面的研究。每个方面都用单独一章进行描述。
在第三章中，我们研究了作为荧光蛋白的发色团，当其自身结构由于周围环境微扰而使其桥键转动，从而发生发色团自身异构化时，对其双光子吸收性质的影响。我们模拟了绿色荧光蛋白发色团由于桥键转动而变换的动态结构，我们将发色团桥键形成异构变换分成三种过程，分别是苯酚环桥键(P-bond)转动，五元杂环桥键(I-bond)转动和hula-twist转动。我们计算了这三种过程的能量曲线，分析其结构异化的能垒，并讨论了发色团顺反异构的可能过程。我们通过计算发色团动态结构的双光子性质，讨论了桥键旋转导致结构异化对发色团双光子性质的影响。
在第四章中，我们通过人为的对各种荧光蛋白发色团进行人为操作(列如用5羟基色氨酸对芳香氨基酸进行替代)，以期延长其发色团的π共轭结构，从而研究新的发色团结构对其双光子吸收性质的影响。我们提出利用5羟基色氨酸来取代荧光蛋白发色团中的芳香氨基酸的位置构成5-HTP发色团这一新的发色团构型，以期构造出新的能够延长原荧光蛋白发色团的π共轭结构。并且通过与未替代5羟基色氨酸的原荧光蛋白发色团进行比较，我们研究了这种新的氨基酸其在单光子吸收和双光子吸收方面的特征。
在第五章中，我们利用了荧光蛋白发色团和周围的一些通过氢键和发色团存在质子转移联系的氨基酸构成的氢键复合物来研究发色团周围的这些氨基酸残基对该荧光蛋白生色结构的双光子吸收性质的影响。在这一章中，我们分别研究了两种荧光蛋白即野生型绿色荧光蛋白和长斯托克斯位移的mKate荧光蛋白，研究了它们的发色团和参与质子转移的氨基酸残基构成氢键复合物的双光子吸收性质。当发色团和其周围的氨基酸残基形成氢键复合物后，氢键分子间超共轭效应会增加分子间电荷转移，从而增强发色团的π相互作用。这些效应对于π-π*性质的电荷转移态特别有影响，引起复合物单光子吸收峰红移。对于氢键形式的超共轭相互作用的计算说明氢键的超共轭效应引起的电荷转移对氢键复合物的双光子吸收峰有重要贡献。