近几十年来，随着具有红色及近红外光子（长波长、低能量）发射特性的有机小分子在信息加密、有机发光二极管、光电通讯、夜视设备等光电领域以及生物荧光成像、生物荧光标记与探测等生物科学领域应用需求的增长,开发综合性能（光物理特性、生物兼容性等）更优异的红光及近红外有机小分子成为当前研究人员迫切需要解决的问题。与金纳米颗粒、半导体量子点、碳量子点、稀土掺杂纳米粒子等无机材料相比，有机红光及近红外小分子在摩尔吸光系数（光吸收能力）、响应灵敏度、分子结构及光物理特性的可裁剪性、根据特定需要的官能团化、生物相容性等方面具有明显优势，在生物荧光成像和活体荧光成像方面更具有应用前景。另一方面，红光及近红外有机染料分子普遍存在结构稳定性及光稳定性差、荧光量子产率相对较低等不足;设计具有长波长荧光发射特性的新型有机小分子，研究其光物理特性和分子结构之间的构-效关系具有非常重要的意义。本论文以合成具有低能量光子发射特性且在稳定性和荧光量子产率等性质上得以提升的有机功能分子为目的，以基于激发态分子内质子转移(ESIPT)和分子内电荷转移(ICT)两种机制的A-π-D-π-A型分子为对象，探究了其作为荧光探针的响应特性、传感机理及潜在应用，具体的内容主要包括以下三个部分:　　1通过将2-（2-羟基苯）苯并噻唑(HBT)衍生物与具有强吸电子特性的基团二氰基亚甲基-4H-苯并吡喃(DCM-BP)以π-共轭桥键方式相连接、并在分子骨架中引入特定识别基团，合成了能对零价钯(Pd0)进行荧光响应的A-π-D-π-A型近红外荧光探针ADCMBT。系统研究了该探针对零价钯传感特性、响应速率、识别选择性并确认了其内在的响应机制。实验结果确认了该探针的近红外荧光发射特征（发射峰波长～717nm）、对Pd0的迅速响应（响应时间～3分钟）、超高的探测灵敏度（检测限低至5.1ppb）、以及相对一系列干扰组分而言的识别特异性;表明该探针具有在临床药物和生物医学上快速、高灵敏性检测残留钯的应用前景。还基于核磁及光谱分析等手段确认了该探针对Pd0的响应机制，即Pd0介导的烯丙基氧化加成、以及随后的发色团脱保护基团，由此形成最终反应产物的A-π-D-π-A分子骨架并使得ICT过程得以发生。　　2通过将HBT衍生物与另一类具有强吸电子特性的基团三氰基呋喃衍生物(TCF)，以π-共轭桥键方式相连接，合成了可以在较宽pH范围内(pH=2-10）对环境的pH值变化作出响应的近红外荧光探针HBT-TCF。对探针HBT-TCF在不同pH值条件下的光谱演化、在不同干扰物质存在条件下的pH响应特性进行了系统研究。基于同步核磁滴定、二维核磁表征、紫外可见吸收光谱、稳态与时间分辨荧光光谱等手段确认了该探针在不同酸碱条件下截然不同的响应机制，即酸性条件时酚羟基的质子化-去质子化过程以及碱性条件下羟基对π-共轭双键的加成反应;这两种过程均对探针的ICT过程造成影响并使其荧光发射特征发生变化、进而探针得以对pH变化发生荧光响应。以HeLa细胞为对象的初步生物成像实验结果表明HBT-TCF探针能用于对细胞内的pH成像和实时监测细胞内pH值的动态变化。　　3通过将HBT衍生物组份与可基于可逆质子化过程而改变其电子给受特性的苯并吲哚基团以π-共轭桥键方式相连接，构建了可在酸性条件下对环境pH变化(pH=1-6)做出荧光响应的苯乙烯菁类染料pH探针HBT-Scy。在酸性条件下该荧光探针的红色荧光与蓝色荧光随pH值的改变而呈现此消彼长的变化，因而提供了对pH变化的比率式荧光响应。对HBT-Scy探针在酸性范围内不同pH值条件下的吸收和荧光光谱演化、在不同干扰物质存在条件下的pH响应特性、以及其对pH响应的内在机制进行了系统研究。基于一维、二维核磁表征、紫外可见吸收光谱、稳态与时间分辨荧光光谱等手段明确了该探针在酸性条件时的吲哚基团的质子化-去质子化机制。以HeLa细胞为对象的双通道荧光成像实验结果表明:探针HBT-Scy能用于对细胞内的pH成像和以比率荧光变化的方式对细胞内pH值的变化进行荧光传感--细胞内pH值6到4的变化导致蓝、红色荧光强度比值变化高达470％。