苝及其衍生物具有优异的化学、热和光化学稳定性,对从可见区到红外区的光有很强的吸收,是一类性能特异的分子电子学材料,在激光材料、液晶显示材料、电致发光器件、感光体及太阳能电池方面已经有着很广泛的应用,对它们的发光性质及其他光物理性质的研究一直以来都是异常活跃的课题。本文设计并合成了多种新颖的高荧光量子产率的苝系衍生物,并以其为信号单元构建新型荧光探针进行了研究。论文主要包括以下内容:第一章:概述了分子荧光探针的分类,机理以及苝系衍生物的合成、性质等研究现状,提出了采用以苝系衍生物作为荧光信号单元构建分子荧光探针为本文的主要研究内容。第二章:探索了高水溶性、高荧光量子产率苝系衍生物的合成方法,合成了水溶性达到mM,荧光量子产率达到100%的3,4:9,10-苝四羧酸铵盐,并对其结构进行了表征。通过理论计算分析了其具备高水溶性高荧光量子产率的原因,四个羧基阴离子使苝母体分子具有很好的平面性和很强的负电势,有效的防止了其聚集,实现了其在保持高荧光量子产率的同时获得了良好的水溶性。光物理性质及生物细胞荧光标记研究表明其是一种优异生物荧光标记物。第三章:基于高荧光量子产率的3,4:9,10-苝四羧酸铵盐,设计了一种新颖的响应范围可调的pH荧光探针。以3,4:9,10-苝四羧酸铵盐作为信号单元,在顺磁性的三价铁离子存在条件下,由于荧光团与铁离子之间的PET效应,使得荧光团的荧光淬灭。随着pH增大,当Fe³⁺离子与OH-离子形成Fe（OH）3沉淀,荧光团被释放,从而荧光恢复。在不同的Fe³⁺的良好配体存在条件下,Fe³⁺与信号单元分离的响应区间发生变化,实现了响应范围的可调。该探针具有很多优异的性能:高水溶性,高荧光量子产率,响应的pH范围可调且近中性,荧光和颜色变化明显,检测灵敏、响应快,在应用于生物体系时具有重要的意义。第四章:以顺磁性Fe³⁺/抗磁性Fe²⁺与3,4:9,10-苝四羧酸铵盐构建荧光开关,当以顺磁性的Fe³⁺存在时,荧光团和Fe³⁺之间发生PET效应,荧光淬灭,而当以抗磁性的Fe²⁺存在时,PET过程被阻止,荧光恢复,这样就实现了荧光的开关。氧化剂H₂O₂可以把Fe²⁺氧化成为Fe³⁺,而还原性的Vc则可以使Fe³⁺还原成为Fe²⁺,通过磁性的可逆变化,可以检测对于生物体有重要意义的H₂O₂及Vc。第五章:设计合成了三种连有吡啶基团的苝二酰亚胺的衍生物,都具有高的荧光量子产率,可以和多种金属离子发生配位作用并导致荧光淬灭。对三种化合物与不同金属离子之间的作用及在不同的溶剂中的溶剂效应做了比较和分析。其中二吡啶苝二酰亚胺除对二价铜离子具有良好的识别作用外,其对于酸性气体和氧化性气体也具有十分敏感的检测效果。设计了检测有害酸性气体的荧光探针并对作用机理进行了探讨。