随着化学品使用的日益增多,化学物质释放而引起的环境污染问题已经成为全球共同关注的焦点,因此开发低成本且能够准确检测环境中低浓度有毒有害物质的化学传感器就显得尤为迫切。本文主要以开发卟啉类衍生物的化学传感器为背景,从实验和理论两个方面研究了：卟啉衍生物分子在固体基片上的自组装形式；卟啉与相应金属卟啉的电子跃迁性能；金属卟啉与氨气的相互作用；以卟啉衍生物为响应材料制备了质量传感器和复合传感器,并检测了它们对有毒气体的响应；利用香豆素大环分子聚合物膜制备了复合光学传感器,并考察了它们在汞离子浓度检测中的应用。主要内容如下：(1)合成并分离了“栅栏状”卟啉衍生物(三甲基乙酰胺苯基卟啉,简称αααα-PivPP)以及它的三种异构体(简写为αβαβ-PivPP,ααββ-PivPP和aaaB-PivPP).利用Langmuir-Blodgett (LB)技术,紫外可见吸收光谱和原子力显微镜研究了它们在固体基片上的自组装行为。结果显示,在低表面压下,四种分子的卟啉环平面几乎垂直于固体基片,并以肩并肩的方式排列形成均匀的单分子层；在高表面压下,αβαβ-PivPP, αααα-PivPP和αααβ-PivPP分子的排列方式没有发生较大变化,仅仅表现为单分子层排列更加紧密,而ααββ-PivPP由于分子取代基之间位阻较小形成了双层膜结构。(2)利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)预测了不同取代基的卟啉衍生物(meso位四硝基苯基/四氨基苯基卟啉)及其相应的锌卟啉衍生物(meso位四硝基锌苯基/四氨基苯基锌卟啉)的紫外和近紫外光谱特征,并使用两种不同泛函(B3LYP和PBE)计算了相应的电子激发能量和振动强度。结果表明,卟啉的取代基对吸收光谱有较大影响,这与大量的电子跃迁有关；与B3LYP泛函预测的光谱相比,PBE泛函所得B带以及Q带的位置与实验值更为接近；硝基取代卟啉的B带相对于氨基取代卟啉的B带发生了红移,这与实验结果也有很好的一致性。(3)应用密度泛函理论(DFT)研究了八种金属卟啉衍生物MPs(M=Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni, Cd)与氨气的相互作用行为。利用电荷自然布局分析(NPA)和前线轨道理论预测了金属卟啉MPs及其复合体系MPs-NH3的原子电荷、电荷转移量以及电子分布结构。结果表明,MPs-NH3间存在的电荷转移以及分子轨道的杂化,使得MPs-NH3体系间存在明显的电子分布结构差异。Fukui函数计算结果进一步显示,钴卟啉和氨气之间具有最大的结合能和最大的Fukui函数值。这表明钴卟啉最易与NH3发生相互作用,因此在实际应用中CoP可以作为潜在响应氨气的气敏材料。(4)应用基于卟啉以及相应金属卟啉的质量传感器检测了多种有毒和挥发性气体。结果表明,具有规整结构的卟啉衍生物分子组装体对气体具有较好的响应,而金属卟啉比相应的非金属卟啉在气体响应方面的效果更佳。另一方面,从传感器中转换器的角度比较了两种金属卟啉衍生物对挥发性气体的响应。结果显示,与基于同种卟啉材料的质量传感器相比,光学传感器具有较短的响应时间和恢复时间,且具有较高的选择性。此外,两种金属卟啉衍生物在不同的传感器中对气体的响应结果也不同,说明响应材料与转换器的搭配至关重要。(5)利用具有香豆素结构的大环分子聚合物膜为响应材料制备了复合光学传感器(荧光传感器和CSPT传感器),并检测了实际水样品中汞离子的浓度；考查了pH值、聚合物膜中各组分比例以及曝光时间等实验参数对响应的影响；使用偏最小二乘法PLS处理CSPT传感器输出的多变量数据,并应用弃一交叉法对数据处理模型进行验证。结果表明,利用本实验中所设计的复合传感器检测所得的汞离子浓度与标准原子吸收光谱所得结果较接近,说明香豆素大环分子可以作为检测汞离子较好的响应材料。