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本文论文的研究工作主要分两个部分：
1.花菁分子的光物理和光化学性质的研究；
2.水溶性的聚对苯撑乙烯共轭聚合物的光谱特性的研究。
第一部分花菁分子的光谱特性的研究
Cy3、Cy5和Cy7分子是发光在近红外、商业化的花菁染料分子，广泛应用于荧光探针和荧光成像中，特别是在生物体系中的应用更为广泛。本文用单分子探测和系综光谱测量的方法研究了Cy3、Cy5和Cy7分子的光谱特性。
1.固定在聚乙烯醇(PVA)薄膜中的单个花菁分子的荧光涨落的研究
本文利用远场的共聚焦荧光显微镜结合MCS(Multichannel Scaler)和TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)技术，研究了固定在聚乙烯醇(PVA)薄膜中的花菁分子Cy3、Cy5、Cy7的单分子荧光涨落。单分子荧光强度time-trace中出现的on/off闪烁的动力学特征反映了分子的单重态和三重态之间的转化以及异构化和反向异构化过程。分析Cy3、Cy5、Cy7的off-time发现Cy3和Cy5有一部分分子的off-time服从双指数分布，而Cy7的off-time服从单指数分布。双指数分布的长off-time部分(几个到几十毫秒)不随激发光强度的变化而变化，归属为反向异构化时间；短off-time部分(几十到几百微秒)随激发光强度的增强而降低，归属为分子的三重态寿命。笔者同时还分析了off-time服从单指数分布的Cy3、Cy5和Cy7分子，排除了光异构化对分子荧光涨落的影响，发现随激发光强度的增加，on-time变长，off-time变短，从而导致从Tn到Sn的反向系间窜越(reverse intersystem crossing)的几率增加。高的激发强度下，笔者建立了五能级的模型合理描述了分子激发跃迁过程。
2.Cy3和Cy5之间反向的三线态能量传递
单分子对荧光共振能量转移实验中发现当Cy3和Cy5的距离小于3nm的时候，给体Cy3的荧光在受体Cy5漂白后要经过一段时间的延迟才能恢复；单独激发Cy5，Cy3可以加速Cy5在发光态与暗态之间的转化，这些实验现象在过去没有合理的解释。本文通过在双链DNA末端标记Cy3和Cy5，使两个分子之间的距离小于3 nm，用635 nm的激光激发样品在低温下(77 K)观测到了Cy3的磷光，并通过纳秒激光闪光光解在635 nm激发下探测到Cy3的三线态吸收。研究结果表明，当Cy3分子与Cy5分子之间的距离在小于3 nm的范围内变化时，Cy3和Cy5之间可以发生反向的三线态之间的能量转移，即由Cy5的高的激发三线态到Cy3的第一激发三线态的能量转移。由于Cy3的三线态寿命远远低于Cy5，所以Cy3和Cy5之间反向的三线态能量转移使Cy5的三线态寿命大大的缩短，解释了过去人们在单分子实验中观察到Cy3加速Cy5在发光态和暗态的转化的困惑现象。实验结果对了解花菁分子的光物理性质非常重要，特别是对于它们在单分子检测中的应用有很重要的指导意义，这种反向的三线态能量转移有望应用于探测生物分子小于3 nm的结构变化。
第二部分水溶性的聚对苯撑乙烯共轭聚合物的光谱特点及其在探测生物大分子的构象变化方面的应用
本文利用系综和单分子光谱测量的方法研究了水溶性的阳离子聚对苯撑乙烯(BH-PPV)的光谱特性。BH-PPV在空间上具有较大的自由度，与带负电荷的生物大分子通过静电作用结合，柔性结构的BH-PPV分子可以在生物大分子表面形成与生物大分子形状相关的结构。本文利用钾离子敏感的端粒DNA调控BH-PPV的构象，随DNA形状的变化，BH-PPV的空间构象发生变化，主链被压缩或伸展，导致其荧光强度变化。通过测量BH-PPV/DNA复合物的荧光寿命和单分子荧光强度time trace，我们发现BH-PPV的光谱特性与主链上形成的“片段聚集体”和“独立片段”密切相关。当BH-PPV的主链处于高度聚合状态时，“片段聚集体”的数量较多，重复单元之间形成examer和exciplex，导致荧光淬灭，荧光强度降低；当BH-PPV的主链处于伸展状态时，主链上的“独立片段”数量较多，而“片段聚集体”的数量减少，导致荧光强度增强。由于BH-PPV只含有17个重复单元，分子构象的变化不会引起明显的吸收和荧光发射峰位置的改变，利用这个特点，笔者将BH-PPV作为荧光共振能量转移的给体，应用于探测DNA-发卡的构象变化，成功的实现了生物大分子构象变化的探测。研究结果对于利用共轭柔性高分子材料作为生物传感器研究生物大分子结构变化及其生物大分子之间的相互作用提供了新的途径。