过去二十年,聚集诱导发光（aggregation-induced emission,AIE）领域蓬勃发展,人们开发了丰富多样的AIE分子,为基础科学的研究提供了大量分子模型和素材,也为新型高性能功能材料的开发提供诸多机遇和选择。其中,杂原子的引入是AIE分子实现多样化和功能化的充要条件。本论文首先回顾了部分有代表性的含杂原子的AIE体系,介绍了其结构、性质与机理,并列举相关创新型应用。然后基于当下的研究进展,以折叠型四苯基乙烯（tetraphenylethylene,TPE）衍生物和氧化膦哚（phosphindole oxide,PIO）衍生物为研究对象,分别从空间效应和电子效应的角度出发,有目的地引入多样化的杂原子,研究其对分子的立体构型、电子结构以及光物理（与光化学）性质的影响,建立构效关系,揭示光物理（与光化学）机制,并拓展这些新型材料在光电器件和生物材料方面的功能和应用,为AIE相关的基础研究和应用开发提供了有价值的指导。具体内容包括以下两大方面:1)开发了一系列含杂原子的折叠型TPE衍生物:基于此分子骨架成功地构建了多种类型的分子内苯环-苯环或苯环-芳香（稠）杂环堆积模型,提出了一种分子轨道解构分析方法,证明了不同堆积模型对杂化共轭结构的调控作用,并系统地研究了共轭结构对光物理性质和跃迁特征的影响,对多维功能分子的认识、开发和优化具有重要意义,同时拓展了折叠型TPE衍生物潜在的应用价值。2)在氧化膦哚核心中引入具有不同推拉电子性质的杂原子取代基,开发了一系列新型PIO衍生物:首先,研究了杂原子取代基与分子的光物理性质之间的构效关系,结合理论计算建立了一套激发态“醌式转变”理论以解释PIO衍生物在溶液状态下的光物理行为,并提出了“醌式转变受限”机制以解释其AIE性质,同时开发了PIO衍生物在光电器件领域的应用潜力;其次,设计开发了一类新型的纯有机I型光敏剂,全面剖析了其中的光物理和光化学机制,从实验到理论角度提出了一套针对I型光敏剂的较为完整的研究方案;进一步地,评估了基于PIO的I型光敏剂在内质网应激介导的光动力治疗中的应用效果,探索了其生物学效应以展示其在癌症治疗中潜在的应用价值;最后,通过改变分子的亲脂性以调控阳离子PIO衍生物对细胞和细菌的侵入能力和生物毒性,筛选出一种高效的非细胞侵入型抗菌剂,同时证明了烷基链工程在小分子抗菌药物的设计开发中具有重要意义。