荧光检测由于其快速、灵敏的特点，广泛应用于分析化学，生物化学，细胞生物学等领域。与单光子荧光相比，双光子荧光由于长波激发短波发射，所用激发光的波长在常见有机分子无线性吸收、色散较小、光稳定性较好的区域(比如红外或近红外)，对生物组织的损伤小而受到人们的广泛关注，具有更好的空间选择性和发展潜力。 本论文旨在合成新颖结构的双光子化合物并拓展双光子化合物在化学传感器中的应用，合成了ZM 1-ZM 20共二十个新颖的化合物，从中筛选了分别对Cvs/Hcy、Fe3+、Zn2+、F具有高选择性的单/双光子化学传感器分子，并将其应用到细胞成像中。具体来说，本论文研究内容包括以下五部分： 1、咪唑核体系双光子化合物的合成、表征与光物理性质 设计、合成了以咪唑环为中心核的两个系列八个Y型结构的化合物ZM 1-ZM 8，详细研究了这两个系列化合物的光物理性质，可以得出以下结论：(i)第一系列化合物ZM 1-ZM 4与第二系列化合物ZM 5-ZM 8，随着Y型结构下端基团的吸电子性逐渐增强，化合物的荧光光谱发生红移；(ii)含有醛基的化合物都具有比较明显的溶剂化效应，随着溶剂的极性增加，化合物的荧光峰位都有不同程度的红移，而在醇溶液中，却表现出显著的蓝移，这种特殊的溶剂化效应是其它文献中未见报道的；(iii)以罗单明B为参比，计算了化合物的双光子吸收截面，其中Y型结构上端是吸电子基-COOCH3的第一系列化合物ZM 1-ZM 4具有较大的双光子吸收截面，有望成为一类重要的双光子材料。 2、基于咪唑核体系双光子化合物对氟离子的检测 利用F比其它阴离子具有更强的碱性，构建具有F响应的基于咪唑核体系的双光子化学传感器分子ZM 1-ZM 4，从中筛选了化合物ZM 3，重点研究了其对F的单、双光子响应。F的加入可以导致化合物ZM 3的紫外吸收和荧光发射光谱发生显著红移，实现了肉眼识别，并且引起了双光子吸收与荧光的显著变化，成功地实现了用双光子荧光比度的方法来识别溶液中的氟离子。 3、基于咪唑核体系双光子化合物对半胱氨酸和高半胱氨酸的检测 利用醛基能与Cys/Hcy发生特定的化学反应，构建具有Cys/Hcy响应的基于咪唑核体系的化合物ZM 4和ZM 8，以及结构类似而水溶性较好的化合物ZM 9和ZM 10。加入Cys/Hcy后，ZM 4溶液的荧光颜色由绿色变成青绿色，荧光峰位从535nm蓝移到498nm；更为重要的是，化合物ZM 4能够实现对Cys/Hcy的双光子荧光检测。结构相似的化合物ZM 8显示出比化合物ZM 4对Cys/Hcy的检测具有更好的荧光响应，不但引起了荧光颜色从红色变成蓝色，荧光峰位蓝移的更加明显(150nm的蓝移)，而且可以引起469nm处荧光强度的显著增加，是一个优秀的荧光探针。 4、基于杂环体系化合物对半胱氨酸及高半胱氨酸的检测 利用Cys/Hcy中-SH的亲核能力，设计、合成了能选择性识别Cys/Hcy的杂环化合物ZMll，考察了化合物．ZM11和ZM11结合Cys/Hcy后的单、双光子性质的变化。加入Cysh-Hcy后，ZM11溶液的颜色由黄色变成了红色，吸收峰位从430nm红移到580nm；荧光峰位从566nm红移到582nm，在红光区域显示出75倍的荧光增强。并且与Cys/Hcy所形成的化合物具有双光子的性质，适用于生物样品中Cys/Hcy的单、双光子荧光检测，是一个优秀的Cys/Hcy的荧光探针。更为重要的是，以ZM11为探针首次实现了活体细胞中Cys/Hcy的共聚焦成像以及双光子荧光成像，可望为观察Cys/Hcy在细胞内的动态变化，更直观的研究Cys/Hcy对人体生理功能的影响提供了一种便捷的方法。 5、具有金属离子响应(Fe3+，Zn2+)的荧光化学传感器 我们利用无荧光的闭环状罗丹明化合物结合金属离子后可转化为强荧光的开环结构，通过引入亚胺结构构建了能选择性识别Fe3+的罗丹明衍生物ZM14，并将ZM14应用于细胞中Fe3+的荧光成像，成像实验表明化合物ZM14可以穿透细胞膜，并且可以迅速和细胞中的Fe3+进行反应，是一种可应用于细胞中Fe3+检测的荧光探针。同时，我们还合成了三个Schiff碱化合物ZMl8-ZM20，考察了水溶性良好的化合物ZM20对金属离子的响应，发现ZM20可在水中对Zn2+有很好的选择性识别。