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分子识别与传感是分析化学的核心问题，在化学领域中占有非常重要的地位。光谱分析法是分析化学的重要研究手段之一。金属阳离子、无机阴离子以及生物小分子与生命科学、环境科学、医学等领域有着密不可分的联系，对它们的识别和检测是分析化学的重要研究内容之一。设计和合成各种同时具有分子识别能力和光学信号表达功能的光化学传感体系，以实现对生命和环境领域中重要物质如阳离子、阴离子、生物小分子以及生物大分子的实时、在线检测，已经成为当代分析化学传感器领域发展的一个重要方向。
本论文的研究工作是以螺吡喃化合物和β-二酮-铕离子配合物作为光化学传感体系的功能化主体分子，根据探针分子的光学特点和分析测定的要求，设计合成了多种新型的分子探针，实现了对生命和环境重要的阳离子(Cu2+)、阴离子(PPi)及中性生物小分子(Cys、GSH)的光化学传感检测，发展新的传感机理。主要工作如下：
(一)基于螺吡喃化合物的光化学传感与分子识别体系的研究以吲哚啉苯并螺吡喃为分子骨架，设计合成了4种新型螺吡喃衍生物，运用光化学传感的手段，实现了螺吡喃对金属离子的荧光传感识别以及对阴离子和中性生物小分子的识别与检测。
1.基于螺吡喃(SP1)对铜离子具有很好的吸收光谱响应、SP1-Cu2+络合物与锌-四苯基卟啉(zincmeso-tetraphenylporphyrin，Zntpp)之间的荧光内滤效应，构建了一个铜离子荧光传感器。在乙醇介质中螺吡喃SP1对Cu2+具有很好的吸收光谱响应、两者能够形成2:1的络合物，SP1在紫外-可见区的吸光度随着Cu2+浓度的的增加而增加。SP1-Cu2+络合物的吸收光谱(λabs=547nm)与ZntppQ带的吸收光谱(λabs=556nm)有很好的重叠，从而吸光体SP1与荧光体Zntpp之间能够发生内滤效应，在荧光光谱中Zntpp吸收的激发光的有效强度以及发射光强度将随着SP1与Cu2+作用后吸光度的变化而变化。基于螺吡喃衍生物SP1与金属卟啉Zntpp之间的内滤效应，构建了一个铜离子荧光传感器。由于吸光体的吸光度变化转化成了以指数形式变化的荧光体的荧光强度变化，分析信号变得更加灵敏。为了构建一个更加实用的荧光传感器，在溶液研究的基础上，将吸光体SP1和荧光体Zntpp固定在聚氯乙烯敏感膜中，研究了敏感膜对Cu2+的响应特征，该传感器对Cu2+测量的有效浓度范围为7.5×10-7～3.6×10-5mol/L、检测限为1.5×10-7mol/L。使SP1对Cu2+的识别通过Zntpp的荧光信号表现出来，扩展了螺吡喃化合物在荧光传感分子识别中的应用。运用内滤效应将基于吸收的螺吡喃对金属离子的识别转化成了荧光传感的方法，比吸收光谱法有更高的灵敏度。
2.基于金属协同配位作用，提出了一种用螺吡喃衍生物SP1在水溶液中识别和检测两性分子氨基酸的新方法，并对作用机理进行了探讨。基于金属协同配位作用，提出了一种在水溶液中用螺吡喃衍生物SP1通过比色法和紫外-可见吸收光谱法识别和检测半胱氨酸(Cysteine，Cys)的新方法，并对作用机理进行了探讨。在1:9(v/v)的乙醇-水溶液中(pH7.0)，游离的SP1为紫红色，加入金属离子或氨基酸没有明显的颜色变化，而当有Cu2+或Hg2+存在时加入半胱氨酸，溶液从紫红色变为亮黄色；对应紫外-可见吸收光谱中，最大吸收波长由532nm移至405nm，且两波长处的吸光度之比A405/A532与Cys浓度成正比；通过溶液颜色变化和紫外-可见吸收光谱的变化可以对Cys分别进行定性和定量测定。对Cys的测量范围非常宽，为1.0×10-8～1.0×10-mol/L，检测限达8.0×10-9mol/L。对Cys的响应具有很好的选择性，其它生物相关的氨基酸和阴离子的干扰非常小。通过光谱、核磁和质谱等手段证明，SP1、Cu2+或Hg2+与Cys是通过形成三元自组装络合物而发生作用的，金属离子起到了连接螺吡喃与氨基酸的桥梁作用，进而提出了一种螺吡喃衍生物识别两性分子氨基酸的新的作用机理。扩展了螺吡喃类化合物在两性分子氨基酸识别方面的应用。
3.基于取代基对螺吡喃光学性质的影响，发展了一个对Cu2+具有比色和荧光比响应的新型螺吡喃探针(SP2)。与以往的在多数有机溶液中具有光致变色性质的螺吡喃不同，该螺吡喃探针在有机溶剂中对光稳定；在乙醇-水介质中，只有在Cu2+的结合作用下才能够形成有色的开环体。且该螺吡喃的闭环体具有较强的荧光，与Cu2+结合时，SP2本身的荧光发射降低，但长波长处出现新的荧光发射。从而可以通过比色法对Cu2+进行定性检测，用荧光比法进行定量测量，在最佳的实验条件下，对Cu2+测量的浓度范围为5.13×10-7～3.81×10-4mol/L，检测限为1.06×10-7mol/L。在生物相关的底物存在下，对Cu2+响应的特异性很好，满足生物样品测定的选择性。将该探针用于血清样品中Cu2+含量的测定，结果在文献报道的正常人血清Cu2+含量范围内，且与ICP-AAS的方法测定结果相一致。从而进一步发展了螺吡喃化合物在荧光传感识别金属离子方面的应用。荧光光谱和核磁光谱证明，新的发射带的形成是由于Cu2+与SP2络合，致使SP2形成开环体、且限制了构型改变，从而减弱了开环体的分子间电荷转移。
4.设计合成了一个新型的具有双螺吡喃结构的螺吡喃衍生物SP3，该探针分子对谷胱甘肽(Glutathione.GSH)有很好的荧光响应。两个螺吡喃单元通过一个哌嗪基团连接起来，SP3的开环体含有两个两性的部花菁基团且具有刚性结构，只有合适大小、形状和多个键合位点的分子能够有效的与其结合，从而在分子识别的选择性方面有所提高。研究证明，在1:1的乙醇-水介质中，SP3的溶液颜色和荧光光谱受GSH的调节，加入GHS溶液由无色变为黄色，探针在640nm的长波长处产生新的荧光发射。进一步通过荧光共聚焦显微成像实验证明，该螺吡喃探针能够进入细胞与细胞中的GSH作用产生光致变色。从而开创了螺吡喃化合物对活细胞中生物小分子识别和检测的应用。
5.基于金属协同配位作用，首次实现了用螺吡喃在水溶液中对阴离子焦磷酸根(Pyrophosphate，PPi)的荧光法识别和检测。在522nm的可见区激发，螺吡喃探针SP4的Zn2+络合物在560nm和620nm具有双波长发射，当向含有SP4-Zn2+络合物的1:1乙醇-水溶液中加入焦磷酸根时，620nm的荧光发射降低，而560nm的荧光发射增强，且两波长处的荧光强度之比F560/F620与PPi浓度成正比，从而SP4-Zn2+络合物可以作为测定PPi的荧光比探针。对PPi的检测限为1.0×10-6mol/L，有效测定范围为2.0×10-6～5.0×10-4mol/L。探针对PPi响应的选择性非常好，生物相关的阴离子的干扰很小。该方法可用于尿样中PPi的测定，且是一种简单易行的方法，成人尿中PPi的含量2.24mgP/L。从而开拓了螺吡喃类物质在阴离子识别和检测中的应用。
(二)基于铕离子配合物的光化学传感与分子识别体系的研究设计合成了4种β-二羰基化合物作为镧系离子Eu3+的配体，基于分析物阴离子与β-二羰基配体对中心金属离子的竞争结合，通过选择与中心金属离子具有适当结合力的配体，实现了对焦磷酸根(PPi)阴离子的高灵敏度和高选择性识别，伴随着PPi的加入，β-二羰基-Eu3+配合物在612nm的发光强度降低；对PPi的检测限达2.5×10-8mol/L。将β-二羰基-Eu3+配合物对PPi的高选择性识别用于焦磷酸酶活性的测定。另外，通过PPi与β-二羰基-Eu3+配合物作用后，各不同寿命组分含量的变化，可以基于发光寿命的变化对PPi进行测定。从而发展了镧系离子配合物对阴离子识别的机理，新的设计理念将为镧系离子配合物用于阴离子光化学传感识别提供更加广阔的前景。
新型探针的设计理念以及新的传感机理，为它们的更广泛应用开拓了广阔的前景，进一步的研究可以将它们用于生命体系中的识别和检测；也为开发新的探针、实现对复杂体系中特定分析物的识别提供了指导思想。