在人类赖以生存的大自然中,铝是地壳中含量最丰富的金属元素,它在人类生活、工农业生产中都扮演着重要的角色。然而浓度过高的铝不仅会抑制动植物的生长,也会危害人类健康,引发一些神经退行性疾病,例如阿尔兹海默症、帕金森症等。所以,迫切需要开发出一种能够高效、简便的方法来检测Al³⁺。目前荧光探针以灵敏度高、选择性好且简单快捷等优点,受到了广泛的关注。在众多的荧光探针中,近红外（NIR,650～900 nm）荧光探针因其具有波长较长、对生物组织损害少、组织穿透性好、受生物自发背景荧光干扰较小等优点而备受关注。然而据我们所知,已报道的Al³⁺荧光探针的发射波长几乎都在可见光区,只有极少数Al³⁺荧光探针可以发出近红外光。因此开发出新的近红外Al³⁺荧光探针意义重大。对于金属离子荧光探针,传统的研究思路是先实验合成,然后测试其对金属离子的选择性。这种研究思路相对耗时、耗力、耗材,会造成资源浪费。本文的研究思路是先设计分子并对分子性能进行理论预测,从中筛选出性能好的分子,再进行实验合成。基于该研究思路,以实验上已合成的可见光区的Al³⁺荧光探针分子为基础,结合NIR荧光团,设计出能在NIR区发光的Al³⁺荧光探针,并从量子化学角度对探针的性能进行理论预测,初步判断该探针分子能否用于检测Al³⁺,然后有选择地进行实验合成。具体研究内容如下:1.基于水杨醛酰腙席夫碱衍生物的近红外Al³⁺荧光探针的理论设计采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）研究了水杨醛酰腙席夫碱探针分子e1的性质,找到了适合于研究该类探针分子的理论方法。然后用该方法研究了与e1结构相似的探针分子e2和e3,进一步验证该方法的准确性与可行性。考虑到苯并[h]喹啉衍生物HBQ/ABQ可在NIR区发光,结合HBQ/ABQ和e3设计了两种新的席夫碱HBQ-Th和ABQ-Th。采用以上方法对新设计的分子进行了理论研究,结果发现新设计的分子对Al³⁺表现出很高的选择性,并且它们相应的Al³⁺配合物可以发射NIR荧光。最后,理论预测了实验分子e1和设计分子HBQ-Th和ABQ-Th的水溶性,结果发现HBQ-Th和ABQ-Th的水溶性都优于实验分子。因此,新设计的分子有望成为潜在的水溶性的比率型NIR Al³⁺荧光探针。2.基于光诱导电子转移（PET）机理的近红外aza-BODIPY类Al³⁺荧光探针的理论设计考虑到NIR aza-BODIPY荧光团ABT具有光吸收能力强、荧光量子产率较高和发射带较窄等优点,结合Al³⁺受体PSI,设计了两种新的分子ABT-PSI和ABT-ASI。首先对PSI结合Al³⁺前后的性质进行了理论模拟,包括静电势、电子吸收和荧光光谱、前线分子轨道和能级变化、PSI与不同金属离子的热力学反应等,找到了研究该类体系的合适方法,并通过用其研究荧光团ABT的电子吸收光谱和荧光光谱验证了该方法的可靠性,最后将上述方法应用于新设计的分子ABT-PSI和ABT-ASI。研究结果发现,ABT-PSI和ABT-ASI本身都能发出强的NIR荧光;与Al³⁺配位后,ABT-PSI的发射波长和荧光强度几乎不变,ABT-ASI由于PET效应,荧光发生猝灭。为了研究其选择性,探究了ABT-ASI与不同金属离子之间的相互作用,并用自然键轨道的方法分析了ABT-ASI与Al³⁺的成键特征。结果发现探针与Al³⁺之间的相互作用最强,即ABT-ASI对Al³⁺表现出很高的选择性,是一种潜在的猝灭型近红外Al³⁺荧光探针。3.吡唑啉酮类Al³⁺荧光探针的理论设计与实验研究吡唑啉酮类化合物PIP合成简单,曾被用来制备催化剂。考虑到PIP与PSI结构相似,应具有与PSI相似的性质,有可能作为Al³⁺荧光探针。基于前面的理论研究方法,我们按照先理论预测再实验验证的思路,对PIP进行了以下研究:首先,采用DFT和TD-DFT方法预测了PIP的性能,结果发现其对Al³⁺表现出了高的选择性,在结合Al³⁺后其荧光显著增强,有望成为Al³⁺荧光探针;接着,我们实验合成了PIP,并得到了其单晶结构,通过荧光光谱对其选择性进行了分析,结果发现它对Al³⁺具有较高的选择性,特别是它与Al³⁺结合后其荧光显著增强,实验结果与理论预测相符,因此PIP可作为Al³⁺荧光探针分子。另外,为了能设计出近红外区（NIR）的Al³⁺荧光探针,我们通过扩展PIP的共轭结构来调控它的发射波长,设计出了一种新的探针分子PIP-CN。通过理论研究其光谱性质发现,PIP-CN结合Al³⁺之前几乎无荧光,结合Al³⁺之后,荧光显著增强,因此PIP-CN可能是潜在的增强型NIR Al³⁺荧光探针。