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激发态分子内或分子间质子转移（ESIPT）是一种光致异构化过程,通常利用氢键桥的搭建而进行反应,经历四级光循环系统产生双荧光发射。光激发会促使氢键增强,因此质子转移在激发态更容易进行,实验和理论也多偏向于激发态质子转移的特性研究。ESIPT分子对环境介质具有显著的光谱敏感性,可以作为荧光探针用于生物分子、化学物质和离子的检测。基于ESIPT机理设计的探针分子也常涉及其他的光物理机制,例如分子内电荷转移（ICT）和光诱导电子转移（PET）等。对这些机理进行深入分析可以使其应用于更多的研究领域,为实验探索获得更深层次的理论支撑。本文对几种荧光团的传感机制进行了理论分析,其中ESIPT反应是我们着重研究的对象。全部的分析过程均是基于密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）进行的。1.2-羟基-1-萘醛-（4-吡啶甲酸）-腙（HL）的ESIPT机理及其对Al3+的检测研究基于激发态分子内质子转移和光诱导电子转移过程,我们研究了HL对Al3+的传感机理。通过分析前线分子轨道（FMOs）和红外（IR）振动光谱,可以发现氢键在第一激发态（S1）是增强的。约化密度梯度（RDG）分析为氢键提供了可视化的图形表达。计算的电子光谱与实验结果一致。势能曲线的走势显示质子转移在S1态更易于进行。分子构型和荧光强度的改变表明HL与Al3+配位后,激发态分子内质子转移和光诱导电子转移过程是被禁止的。2.新型肼（N2H4）传感器TAPHP的传感机理以及它的ESIPT和ICT过程研究基于DFT和TDDFT方法研究了TAPHP以及TAPDP（TAPHP与N2H4进行环化反应的产物）的分子特性。分析表明,TAPHP和TAPDP中皆存在激发态分子内质子转移和分子内电荷转移现象。空穴-电子分布的特征显示TAPHP和TAPDP的激发形式属于电荷转移激发。氢键的强弱变化通过独立梯度模型（IGM）和拓扑分析进行了表征。计算的键临界点（BCP）参数和内核-价层二分点（CVB）指数也用来考察氢键强弱。反应物和生成物之间的自由能差是负的,这意味着环化反应是自发进行的。原子电荷和核磁共振氢（1H-NMR）谱分析确定了反应位点。此外,与实验吻合良好的电子光谱证实了TAPHP是肼的优良传感器。3.HOF体系中分子内质子转移被分子间氢键打破的一种新型机制研究实验中报道了2-（4-（二甲基氨基）苯基）-3-羟基-6,7-二甲氧基-4H-铬-4-酮（HOF）的光物理和光化学性质,然而缺乏相应的理论解释。因此我们模拟了HOF在不同溶剂中的化学反应。研究发现HOF与甲醇的混合体系（HOF-2M）中存在分子间氢键,基于此我们对HOF的醇监测机理进行了深入探讨。拓扑分析和约化密度梯度可视化分析表明,HOF-2M的分子内氢键被强分子间氢键破坏,这导致质子转移被禁阻。HOF在甲醇溶剂中的荧光淬灭现象为检测醇类物质提供了合适的传感机制。前线分子轨道和红外光谱的分析验证了激发态氢键增强机理。HOF的质子转移路径也通过观察势能曲线的变化趋势获得。4.不同取代基对3-羟基色酮衍生物（3HCs）的激发态分子内质子转移的影响研究具有不同取代基的3-羟基色酮衍生物被优化计算。四种3HCs在第一激发态的氢键强度通过红外光谱、前线分子轨道以及约化密度梯度分析进行了比较,得到的一致结论为:FM>BFM>BFBC>CCM。对以O-H键长为坐标变量得到的势能曲线进行分析获得了3HCs的质子转移过程,比较势垒大小可以发现氢键越强则质子转移越容易进行。此外,BFBC因具有大的吸光度被认为是四种3HCs中监测细胞的最理想荧光团。本论文共由七章组成:第一章为绪论,主要介绍了电子激发态、氢键动力学、激发态质子转移和荧光探针的有关内容,第二章为理论方法,主要介绍了密度泛函理论、含时密度泛函理论的相关知识以及Multiwfn程序的应用,第三章到第六章是基于以上理论方法开展的研究工作。第三章研究了HL的质子转移过程以及它对Al3+的检测机理,发现氢键在激发态增强会促进质子转移发生。第四章理论研究了新型肼传感器TAPHP的传感机理,发现反应物TAPHP和产物TAPDP都会经历激发态质子转移和分子内电荷转移过程。第五章研究了HOF探针对醇的检测机理,提出体系中分子内质子转移被分子间氢键打破的机制。第六章研究了不同取代基对3-羟基色酮衍生物的激发态分子内质子转移的影响并总结了四种衍生物发生质子转移的能力。第七章是对所做工作的总结以及对未来研究工作的展望。