光化学传感器具有选择性好、灵敏度高、简便快速等优点广泛应用于检测金属离子、阴离子以及中性分子。小分子荧光探针具有结构相对简单、对目标分子有高度选择性和灵敏度、与生命体系有较好的生物相容性等优点,受到研究者青睐而蓬勃发展。近年来,对细胞损伤及生物体系干扰较小的可见光和近红外光激发的荧光探针得到了较多关注。大环多胺(含氮杂环)化合物由于其丰富的氮原子和环形空腔是一类理想的金属离子识别基团,与金属离子形成配合物后可进一步地与阴离子或生物分子相互作用。故在大环多胺基础上引入荧光基团或染料即可构筑基于大环多胺的小分子荧光探针。本论文主要设计合成了以含吡啶四氮环为识别基团、蒽环和NBD为荧光团的化合物L1和L2,以及以乙基桥联双三氮环为识别基团、NBD为荧光团的化合物L3。通过荧光滴定的方法测试了它们的选择性识别功能,对它们在细胞成像和监控酶的催化活性等方面的实际应用进行了一系列的研究。主要内容包括:(1)设计合成了以含吡啶四氮杂环为识别基团、蒽环为荧光团的Zn2+增强型荧光探针L1(λex=368 nm),等摩尔的Zn2+在生理条件下可使L1荧光增强14倍,发光机理为光诱导电荷转移(PET)。通过荧光滴定的方法测得了 L1对Zn2+的检测限为1.1μM,结合常数为1.96X 105 M-1。L1与Zn2+形成的配合物对焦磷酸根PPi表现出优良的选择性和灵敏性,利用这一特性成功实现了对PCR过程中产生的PPi的检测。然后,建立了对三个有PPi参与的重要酶反应进行监控的方法:无机焦磷酸酶催化水解PPi水解成磷酸根Pi,ATP硫酸化酶可逆催化PPi转变为ATP及碱性磷酸酶催化PPi去磷酸化。此外,测得了在本荧光体系下碱性磷酸酶抑制剂Na3V04和ATP硫酸化酶抑制剂KC103各自的IC50值,分别为16.5 μM和844μM。(2)设计合成了以含吡啶四氮杂环为识别基团,NBD为荧光团的Cu2+淬灭型荧光探针L2,其机理为分子内电荷转移(ICT)。相比较于L1,L2的激发波长红移至可见光区(λex=470 nm)。通过荧光滴定的方法测定了 L2对Cu2+的检测限和结合常数分别为0.84 μM和2.09×104 M-1。L2能透过细胞膜且对HeLa细胞没有毒性。激光共聚焦荧光成像实验表明L2具有亚细胞定位功能,能选择性的定位于细胞溶酶体中,且具有广泛适用性。另外,成功实现了对细胞内溶酶体中Cu2+的荧光成像,结合ICP-MS,测得了 Cu2+孵育细胞后不同时间下细胞内铜离子的浓度与荧光强度的对应关系。(3)以乙基桥联双三氮环为识别基团,NBD为荧光团设计合成了化合物L3。L3在近生理条件下对Hg2+表现出优异的选择性和灵敏性,且反应十分迅速,加入Hg2+后数秒荧光即刻大大增强(80倍),其后荧光逐渐减弱至近10倍后稳定。L3对Hg2+的检测限为27 nM、与Hg2+的结合常数为4X 106M-1。L3与Hg2+形成的配合物L3-Hg2+对含巯基的生物小分子如还原型谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(Cys)具有识别作用。L3能透过细胞膜且对细胞无毒害作用。激光共聚焦荧光成像实验表明,Hg2+进入细胞后与L3结合使得荧光明显增强,随后加入GSH孵育后,GSH将Hg2+剥离,荧光大大减弱。与商业探针的共定位实验发现L3-Hg2+没有细胞器选择性。由于血清中GSH含量占总的含巯基物种含量的90%以上,我们利用L3-Hg2+成功测定了人体血清样品和胎牛血清中的GSH含量。