荧光探针作为一种重要的标识方法,已成为痕量物质检测和生命科学研究中必不可少的技术手段,并已广泛应用于生物成像、疾病诊断与光治疗以及发光材料等领域。设计和开发基于高的荧光量子产率、大的斯托克斯位移、长的荧光发射波长以及良好生物相容性染料的荧光探针是当前该领域研究的热点。本论文利用螺环“开-关”荧光控制机理、通键能量转移机理和高能态激发机理,设计合成了系列荧光功能材料,并应用于荧光探针领域。本研究主要内容包括：　　⑴将金属键合基团8-羟基喹啉引入到罗丹明B骨架,设计合成了荧光探针分子2-1,通过Hg2+诱导的罗丹明螺环“关—开”机理,实现了对Hg2+高选择性、高灵敏性的检测。结果表明,向2-1的乙腈-水(95:5,v/v,pH7.2)溶液中,加入Hg2+后,探针溶液在586 nm处荧光明显增强,溶液颜色由无色变为粉红色;当加入7当量Hg2+后,荧光强度基本保持稳定,达到饱和状态,荧光增强1200倍。探针2-1与Hg2+键合常数为2.18×106 M-1(R2=0.9916)。通过Job’s plot实验证实,探针2-1与Hg2+形成了1:1的配位模式。在信噪比为3的情况下(S/N=3),测得检测限为1.14 ppb。该探针也被成功应用于HeLa细胞内Hg2+的荧光成像。　　⑵选择具有优良光物理性质的香豆素作为能量供体,近红外荧光发射的BODIPY染料作为能量接受体,通过有机合成手段构建了4个具有大斯托克斯位移的通键能量转移体系(TBET cassettes),分别为3-5、3-6、3-7和3-8。吸收光谱和荧光光谱研究表明,其类斯托克斯位移分别为172 nm、318 nm、410 nm和297 nm,能量转移效率分别为96.0％、98.5%、98.5%和98.6%。并且,该类荧光材料具有明显的荧光增强效应,与以能量接受体的最优波长激发时的荧光强度相比,直接激发能量供体时的荧光强度分别增强了3.00、1.63、2.74和5.45倍。进一步,利用3-7芳香胺上氮原子可以作为质子接受体,实现了对pH的荧光检测。在氢离子的作用下,632 nm处荧光密度增强1460倍。　　⑶荧光染料的高能激发态在生物体系中扮演了重要作用,它能吸收太阳光的高能部分,进行能量转化,提供生物体必须的能量,而且该过程也能有效地避免太阳紫外光对生物体的损伤。近年来,该光物理过程引起了化学家的重视,并在能量转移体系中得到了应用。本论文利用双苯乙烯BODIPY染料在吸收光谱350 nm-450 nm之间有一个高能态跃迁(S0→S2)吸收峰的特点,通过Knoevenagel反应,在弱碱哌啶催化下,将3和5位为甲基的BODIPY染料与对甲氧基苯甲醛反应,合成了一个含有双苯乙烯基BODIPY衍生物B1。以B1为模型化合物,通过紫外—可见光谱仪、荧光光谱仪和理论计算化学研究了B1的高能态激发的光物理性质。吸收光谱和荧光光谱表明,B1在以370 nm(S0→S2跃迁对应吸收峰)和640 nm(S0→S1跃迁对应吸收峰)为激发波长时最大荧光发射峰都在655 nm处,并且与以640 nm为激发波长时的荧光强度相比,B1在以370 nm为激发波长时的荧光强度增强了2.5倍。以B1为平台,通过引入键合基团,设计合成了一个Hg2+荧光探针B-HG。研究表明,B-HG与B1有相似的吸收峰,以640 nm为激发波长时,由于光诱导电子转移作用(PET),B-HG几乎不发射荧光;加入Hg2+后,抑制了PET过程,含有B-HG的溶液发射655 nm处的荧光,与以640 nm为激发波长时相比,当以370 nm为激发波长时探针溶液的荧光强度实现了2.5倍增强。由于探针B-HG溶液在Hg2+存在时,以640 nm为激发波长,发射655 nm处近红外荧光,因此本研究将探针B-HG应用于细胞内Hg2+的荧光成像,获得了满意的结果。