分子探针因其灵敏度高、检测对象广、响应信号丰富等特点，在环境科学和生命科学中的应用中受到人们高度关注。设计、合成新型的性能优良的分子探针已成为当今有机化学与分析化学交叉领域的研究热点之一。针对分子探针的设计，分子识别和信号表达是决定探针性能优劣的至关因素。本论文工作以发展新型光化学分子探针为目标，选择了具有优良光学性能的螺吡喃、花菁染料等作为探针主体结构，设计合成了一系列功能性分子探针，基于比色和荧光分析方法应用于与生命活动密切相关的阴阳离子、生物分子的定量检测，具体开展了以下几方面工作：（一）基于化学反应的螺吡喃探针比色检测硫醇氨基酸和氟离子。以吲哚啉苯并螺吡喃为分子骨架，设计合成了两种新型螺吡喃衍生物，利用螺吡喃光化学信号的变化，实现了螺吡喃对阴离子和中性生物小分子的识别与检测。（1）设计合成了6,8-二硝基螺吡喃分子（DNSP）用于比色检测硫醇氨基酸，并提出了亲核取代反应和静电协同作用分子识别的新机理。巯基的亲核进攻作为反应的动力，有效的切断螺碳氧键，静电作用促进电子的重排，从而释放出两性氨基酸分子，实现了螺吡喃分子从闭环到开环的异构，从而产生信号的变化。与文献报道的螺吡喃分子检测氨基酸相比，此协同作用方式大大提高了检测的灵敏度，其对GSH的检测下限可达到10nM，并且此体系可以实现在水溶液中GSH检测。另外，从检测对象硫醇氨基酸在螺吡喃异构过程中的作用来看，硫醇氨基酸起到的是模拟酶的作用，对此模拟酶的活性进行了探讨。（2）基于氟离子（F-）与硅醚特异性的亲核取代反应，设计合成了6-叔丁基二甲基硅氧螺吡喃（SPS）。在乙腈/Tris-HCl缓冲体系中，探针分子以闭环体形式存在，溶液为无色。当存在F-时，由于F-与探针分子中的硅氧键发生特异的切割反应，硅醚键断裂，进而发生电子重排导致螺吡喃异构开环，495nm处有明显的特征吸收峰。基于此构建了一个新的F-识别与传感平台，并且发展了一种调控螺吡喃光学性质的新机理。（二）基于化学反应的吲哚菁探针荧光检测Cys/Hcy和抗坏血酸。以五甲川吲哚菁为荧光染料，设计合成了两种近红外吲哚菁能够探针，可以有效的避免生物环境引起的干扰，实现了具有生物活性的中性生物小分子的识别与检测。（1）基于分子内电荷转移原理，以醛基作为识别反应基团，热力学反应作为指导思想，设计合成了Cys/Hcy的荧光比探针Cy5-A，该探针与Cys/Hcy作用后，作为吸电子基团的醛基变为五元环噻唑啉或六元环噻嗪烷，减弱了醛基的拉电子能力，使得荧光发射光谱红移了40nm，实现了对近红外区对Cys/Hcy的荧光比检测。而且，Cy5-A被成功应用于小牛血清中半胱氨酸的定量检测。（2）基于Cu²⁺可以水解酰肼键原理，设计合成了近红外的花菁探针Cy5-HD，在水溶液中，Cu²⁺可以有效的水解掉氮氮键，生成氨基花菁，由于氨基孤对电子的PET效应，使得花菁染料的荧光被猝灭。同时，由于Cu²⁺可以与抗坏血酸发生氧化还原反应，使得Cu²⁺被还原成Cu+，从而抑制水解反应的发生，进而减弱探针分子荧光的猝灭。当体系中存在的抗坏血酸的量足以将Cu²⁺全部还原时，体系荧光不变，如果体系中存在的抗坏血酸的量不足以将Cu²⁺全部还原时，剩余的Cu²⁺仍然会促使探针分子发生水解，使其荧光猝灭，此时体系中既含有探针分子Cy5-HD，又含有水解产物Cy5-Am。（三）双功能探针设计。设计合成了两种单分子多分析物检测探针。探针分子分别可以通过不同的信号表达同时检测两种分析物，实现了混合体系中多组分的同时检测。（1）基于螺吡喃在酸性条件下，螺C-O键容易被质子化，设计合成两人一种新的“pH开关”探针Rhod-SP，用于pH调控检测Co²⁺和Cu²⁺。在酸性环境下，当Co²⁺和Cu²⁺均存在的时候，由于螺吡喃释放的酚氧羟基，Rhod-SP与Cu²⁺的结合力远远大于Co²⁺，当在碱性环境下，Rhod-SP只对Co²⁺有响应，表现为螺吡喃开环信号。并且，通过pH的调控，可以实现Rhod-SP对Cu²⁺的结合和释放。由于部分癌变细胞的pH范围在4.0～6.0，细胞成像实验表明，通过对细胞内Cu²⁺的检测，可以有效的区分正常乳腺细胞和乳腺癌细胞。（2）基于分子内的光诱导电子转移和荧光共振能量转移机理，设计了双功能探针GCP同时检测细胞内的β-D-葡萄糖苷酶和磷酸二酯酶I的活性。GCP包括两个特异性对应于β-D-葡萄糖苷酶和磷酸二酯酶I的酶切位点，三个荧光信号报道基团，分别为糖苷香豆素、7-羟基香豆素和四苯基卟啉。当单独存在一种酶或两种酶同时存在时，产生不同的信号输出且灵敏度高。而且GCP在复杂的生物介质中化学稳定性很好。相关的金属离子，阴离子，氨基酸和蛋白质对探针荧光信号输出没有影响。利用不同的光学成像模式对细胞内β-D-葡萄糖苷酶和磷酸二酯酶I活性进行实时成像实验。本论文为研发新型光学分子探针发展了新的设计理念以及新的识别机理，为实现对复杂体系中特定分析物的识别提供了指导思想。