氨基酸和肽是蛋白质及生物分子的基本组成单元，对于他们的结构和性质的理论计算研究具有重要意义。在本论文中，我们不仅研究了二肽精氨酰甘氨酸和四肽苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸-缬氨酸的结构及性质，还对使用碳纳米管筛选生物分子以及用氨基酸笼状分子进行药物传递进行了探索。　　 在第一章中，我们对量子化学计算的基本原理以及几种计算方法进行了介绍，包括Hartree-Fock理论，半经验方法，微扰理论，组态相互作用以及耦合簇方法。同时介绍了本论文中使用到的密度泛函理论、分子中的原子理论，、分子轨道理论及态密度理论。最后对本论文中使用的计算软件(Gaussian和DFTB+)进行了简要说明。　　 在第二章中，我们分别对二肽精氨酰甘氨酸的中性、质子化、去质子化及其金属络合物的结构和性质进行了研究。为了使分析比较清楚，我们将其分为三部分进行讨论。在第一部分中，我们系统地研究了精氨酰甘氨酸的中性构型和双电性构型，并且发现最稳定的构型具有双电性结构。由于两性离子在肽和蛋白质的结构和功能中起着重要作用，而在气相中这种两性离子结构是不稳定的。因此，精氨酰甘氨酸可能成为气相最稳构型为双电性结构的、最小的肽。我们对单点能计算中低能稳定构型的性质进行了系统分析，包括转动常数，偶极矩以及垂直电离能等。在第二部分，我们对精氨酰甘氨酸的质子化和去质子化(ArgGly±H+)的构型进行了系统研究。得到了二肽的热化学参数，例如质子亲和势(PA)，气相碱性(GB)，质子解离势(PDE)和气相酸性(GA)。这些分子的热化学性质是对其反应活性的理解的基础。另外，金属离子的络合作用可以显著地影响分子内的氢键和静电相互作用。因此，对金属离子同氨基酸及肽的络合物的研究已经引起人们的广泛兴趣。在第三部分，我们探讨了金属离子Na+，Rb+和Mg2+与精氨酰甘氨酸(ArgGly)络合的复合物。结果表明，对钠离子和铷离子的复合物，盐桥结构(SB)比较稳定；而对镁离子的复合物，电荷溶剂结构(CS)则比较稳定。我们还对二肽的金属离子亲和势(MIA)进行了计算，得到的ArgGly·Na+，ArgGly·Rb+和ArgGly·Mg2+之金属离子亲和势分别为69.0kcal/mol、43.9kcal/mol和283.8kcal/mol。最后我们通过红外振动谱分析以及分子中的原子理论计算，发现精氨酰甘氨酸及其质子化和去质子化构型中同时存在红移、蓝移、以及二氢键。而金属络合物的红外谱的计算则显示，相同类型的单价金属离子的复合物具有类似的振动谱，而二价镁离子络合的复合物的振动谱与他们则是非常不同的。为了便于同实验上进行比较，我们还对精氨酰甘氨酸的中性、质子化、去质子化、以及金属络合构型在不同温度下的构型分布做了研究。　　 由于生物分子的功能往往由分子的结构决定，对肽或蛋白质分子结构特征的研究具有重要意义。对大多数生物分子而言，在自然界中是在溶液环境中存在的，和气相中的结构往往有所不同。但是，对气相中分子的研究却可以揭示分子本身的内部性质，在一定程度上能够反映分子的主要特点。众所周知，对小肽分子的研究有利于对生物大分子以及蛋白质分子结构的预测。因此，已经有许多对气相缩氨酸的理论和实验的研究出现。第三章中，我们系统地研究了四肽苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸-缬氨酸(FGGV)的中性构型，并且发现，最稳定的构型具有顺式的羧基结构。根据主链结构的不同，四肽的构型可以分为13类，并且具有γ-转角的结构是最稳定的。我们对四肽稳定构型的相对能量、偶极矩、以及在不同温度下的构型分布进行了分析。对四肽红外谱的计算有助于在实验上的理解。我们还将FGGV的结构同其它的四肽构型(GGGG、GVGG和GFGG(G：甘氨酸；v:缬氨酸；F：苯丙氨酸)）进行了比较，结果发现，重要的稳定构型都具有相同的主链结构。如果将此发现推广到其他多肽的构型寻找之中，可以大大减小初始构型的数目，从而可以提高计算效率。　　 对不同氨基酸分子乃至生物分子的识别与探测具有重要的科学与技术意义。作为一种理想的一维纳米材料，碳纳米管具有各种新奇的性质，这使得其在纳米科学与技术领域具有很大的研究价值。碳纳米管可以通过弱相互作用吸附不同的功能分子，功能分子可以在不丧失自身活性的情况下环绕在碳管表面。因此，利用不同吸附体系的不同结合能，可以利用纳米碳管对功能分子进行挑选。在第四章中，我们通过系统的量子力学计算对三种芳香族氨基酸（苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸）在不同尺寸的单壁碳纳米管的表面吸附进行了研究。计算采用紧束缚近似的密度泛函理论，并加入了经验的色散修正。文中分别选取扶手椅型碳纳米管(n，n)(n=3-12)和锯齿形碳纳米管(n，0)(n=4-12)进行了研究。对于不同的碳纳米管，最稳定的氨基酸／碳纳米管复合物具有类似的稳定结构，并且氨基酸分子和碳纳米管之间的距离大约为3埃。由于二者之间的π-π和H-π堆垛效应，芳香族氨基酸中的苯环或吲哚环和碳纳米管之间并不是完全平行的，而是具有一定的倾斜角度。我们还研究了氨基酸分子和碳纳米管之问的结合能随着碳纳米管的直径尺寸和手性不同而带来的变化，并且发现(5，0)碳纳米管与芳香族氨基酸之间具有较大的结合能。我们相信，对于芳香族氨基酸与碳纳米管相互作用的研究有利于解释大的生物分子与碳纳米管之间的相互作用。并且，根据不同氨基酸分子结合能的不同还可以对氨基酸分子进行识别。　　 作为蛋白质分子的构成单元，氨基酸和肽构成的生物材料的应用已经引起人们的广泛关注。在这些生物材料包裹下的药物具有可控性及靶向性，可以最大效用的发挥药效，并且，纳米尺寸的药物传输系统还可以在不破坏药物结构的前提下增加药物的可溶性等。在第五章中，我们选择20种自然氨基酸中的丝氨酸用来进行研究，对由八个和十个丝氨酸组成的可能的笼状分子结构进行了计算。计算同样采用密度泛函的紧束缚近似，并用经验的色散参数进行修正。丝氨酸之间通过氢键连接组成笼状。通过结合能大小和分子动力学模拟得出，由氢键-COOH…O=C-连接的结构是最稳定的，并且笼状结构的分子具有较好的对称性。我们还对各种稳定结构的相对能量、结合能以及振动模式进行了分析与比较。为了模拟我们所设计的笼状分子的可能的应用，我们把最小的富勒烯分子C20置于丝氨酸的十聚物中。优化之后发现，十聚物和C20的复合物是非常稳定的，这意味着笼状结构在小分子的传输中具有重要意义。我们期望，本工作可以为纳米药物的应用提供一种构造超分子的策略。　　 在第六章，我们对本文所做的研究工作进行了总结。