生物检测和生物成像对聚集诱导发光(AIE)材料的设计制备提出了与普通AIE材料不同的要求,具有水溶性的材料具有较高的检测的分辨率和可靠性;而具有红光发射的材料能够获得较高的信噪比和成像灵敏度;同时,具有双光子性能的荧光染料能够在双光子荧光显微镜下获得比普通单光子显微镜更深的成像深度。然而由于设计合成上的困难,目前这类材料的种类和数量还十分有限,本论文通过改造传统荧光生色团、在AIE分子中引入D-A结构、制备水溶性纳米粒子和在四苯基乙烯(TPE)基团中引入正负电荷等方法制备红光AIE材料和水溶性AIE材料,并且研究它们在生物检测和生物成像中的应用。首先,作为实验室前期工作的延续,本毕业论文在花酰亚胺的亚胺位修饰TPE基团,合成了 TPE-N-PBI和DTPE-N-PBI,并且发现它们具有与海湾位修饰TPE基团的苝酰亚胺衍生物截然不同的光学性质和聚集行为。由于TPE基团较大的分子体积和刚性,这两种化合物在混合溶剂体系中会形成X聚集体,并且在稀溶液中、聚集态下和固态薄膜中均只有微弱的荧光,这是它们分子结构中电子给体TPE基团和电子受体PBI基团之间的光致电荷转移过程导致的。因此,这类通过亚胺位修饰TPE基团得到的花酰亚胺衍生物是二元染料。其次,本毕业论文通过在分子中引入推拉电子结构的方法,使用强吸电子基团修饰TPE,通过简单高效的Knoevenagel缩合反应合成了 TPE-TCF和TPE-DTCF。它们均为兼具TICT和AIE性质的红光染料,在稀溶液中、聚集态下和固态薄膜中的发光波长在620 nm以上,且其固态量子效率分别高达24.8%和13.8%,在已被报道的红光AIE分子中处于较高水平。TPE-TCF和TPE-DTCF都存在溶致变色效应,当溶剂极性从低到高转变时,它们的最大荧光发射波长分别具有120和80nm的红移。此外,且由于分子的晶态/非晶态转变,TPE-TCF在机械力作用下能够表现出荧光发光波长和发光强度的双重响应;而TPE-DTCF由于其A-π-D-π-A结构具备双光子荧光性能,在溶液中和聚集态下的双光子吸收横截面分别为150和280 GM。再次,本毕业论文使用两亲性聚合物包裹上述两种红光AIE化合物,制备了水溶性AIE纳米粒子,并且在其表面修饰了具有细胞膜穿透功能的穿膜肽。通过对制备条件的优化,得到的两种红光纳米粒子均具有100 nm以下的粒径和较窄的粒径分布;同时,由于两种化合物的红光AIE性能,它们在水溶液中均具有长波长发射和较大的Stokes位移,适用于细胞染色。当与HeLa细胞共同培养2 h后,在激光共聚焦显微镜下能够观察到细胞质内的明亮的红色荧光,说明它们具有较好的细胞膜穿透功能和染色效果。同时,由于TPE-DTCF具有双光子性能,当其纳米粒子与A549细胞共同培养2 h后,在双光子荧光显微镜下能够观察到细胞质内的双光子荧光,说明它有望成为一种新型双光子成像的红光染料。接着,本毕业论文通过在TPE基团上引入正负电荷分别制备了季铵盐和磺酸盐修饰的TPE衍生物。荧光测试结果表明,前者能够对肝素进行特异性检测,其检测灵敏度高,选择性好,且当肝素浓度在0-1.0μg/mL范围内时,溶液的荧光强度与肝素的浓度存在良好的线性关系。通过对照实验的对比研究,我们认为这一体系的检测机理为静电相互作用,这种作用不存在饱和性和方向性,但对被检测物质的电荷密度存在依赖性,同时具有空间效应。后者被用于研究与肝素/鱼精蛋白自组装体系的相互作用过程,荧光测试结果表明它与鱼精蛋白之间的结合是静电吸引和非静电结合共同作用的结果,并且混合溶液的荧光变化受到溶液中物质添加顺序的影响。最后,本毕业论文合成了双硼酸基团修饰的TPE衍生物并且分离了它们的顺反异构体,通过一维、二维核磁共振氢谱和理论计算模拟确定了其分子结构。顺、反异构体均具有AIE性质,但由于溶解性的不同,它们的AIE行为有所区别。两种异构体在pH为10.5的强碱性缓冲溶液中都具有良好的水溶性,但与β-环糊精存在不同的荧光响应。结合前期文献报道和荧光光谱、圆二色光谱数据,我们认为这种区别性荧光响应与两种异构体和β-环糊精之间的不同相互作用模式有关。疏水作用驱动的主客体识别、硼酸与反式邻二醇之间的动态化学键合、空间距离的匹配性在荧光响应过程中都发挥了作用,这是一个靠多重弱相互作用协同实现特异性识别的典型案例,一方面给研究弱相互作用带来一种新的手段,另一方面有望为有机合成中异构体的分离提供新的方法。