利用荧光传感器对化学和生物学中重要化合物和生物小分子的检测是荧光分析原理最活跃的研究和应用领域之一。荧光化学传感器能够提供快速简便和低成本的检测手段，其中基于待测物特有的化学反应过程设计合成的化学反应型荧光传感器利用化学反应的微量特性，相比基于超分子识别理论设计的化学传感器，具有更高的灵敏度，更好的特异选择性，成为近年来荧光传感领域的研究热点。　　吩嗪是天然产物及许多常见染料的骨架结构。吩嗪类染料在医药、农业中应用广泛，在荧光传感及生物荧光成像领域也得到了广泛关注。吩嗪及其衍生物在反应型荧光传感器领域的开发和应用仍处于探索阶段，在分子设计、合成及应用方面亟待进一步研究。　　本论文探索了吩嗪衍生物在氰离子传感器、巯基氨基酸荧光传感器和溶液pH荧光传感器三个方面的设计、合成与应用。通过引入二氰基乙烯、N-取代吲哚等不同的功能基团调节吩嗪类染料的光物理和光化学性质，使其能够应用于有机溶液、含水缓冲溶液体系，并实现了吩嗪类染料在细胞成像中的应用。通过结合氨基识别基团N-羟基丁二酰亚胺(NHS)酯实现了在缓冲溶液体系中对半胱氨酸的特异性识别。在此基础上，利用荧光共振能量转移原理，设计合成了基于吩嗪能量受体和萘酰亚胺给体的能量转移体系，利用胱胺双硫识别基团实现了Hela活细胞中对半胱氨酸的选择性识别。最后，利用N-羟乙基-2，3，3-三甲基吲哚基团的酸碱可逆变化，构建了基于吩嗪荧光团的pH荧光传感器。　　第一章，简要介绍了荧光化学传感器的历史渊源，化学反应型荧光化学传感器的原理、设计及荧光信号基团的主要特点。对化学反应型氰离子传感器、生物硫醇传感器进行了简要介绍，并在此基础上提出了本论文的研究内容。　　第二章以5，10-二己基吩嗪衍生物为基础，合成了两个具有近红外荧光发射的化学反应型氰离子荧光传感器PDCN和PCN。PDCN以双边二氰基乙烯基团作为氰离子识别基团，由于二氰基乙烯具有很强的吸电子作用，造成明显的分子内电荷转移，使PDCN的最大吸收波长达到545 nm，最大发射波长位于730 nm。氰离子加成识别反应破坏了双边的二氰基乙烯双键，影响分子内电荷转移，造成近红外荧光淬灭，具有‘on-off’型荧光响应以及肉眼可观察到的紫色向无色的颜色变化，同时具有良好的选择性，检出限达到5.77×10-8M。PCN在吩嗪核两侧分别接有醛基和二氰基乙烯两个不同的吸电子基团，其最大发射波长位于720 nm。氰离子加成识别过程使二氰基乙烯一侧的吸电子能力降低，在荧光光谱中，表现为720 nm处荧光发射强度下降，同时，由于醛基一侧形成新的分子内电荷转移，表现为630 nm处荧光增强，这一过程与PDCN明显不同，使探针PCN具有比率型荧光变化，从而提高了灵敏度，使PCN的检出限达到2.31×10-8M。通过核磁共振氢谱和高分辨质谱，结合密度泛函和含时密度泛函理论计算，证明了PDCN在与氰离子反应后，分子内电荷转移作用消失;而PCN在反应前后，电荷转移方向由吩嗪核向两侧吸电子基团的A-D-A'型，转变为向醛基单边的A-D-D'型，从而合理解释了比率型信号变化的来源。与其它荧光团相比，吩嗪衍生物通过对两侧吸电子基团的修饰，能够方便地构建出近红外荧光比率变化的信号基团，具有良好的应用前景。　　第三章除二氰基乙烯外，N取代吲哚基团，也具有一个活性缺电子双键。当2，3，3-三甲基吲哚的氮原子利用其孤对电子连接其它基团后，相应的C=N+双键具有一定的离子性正电荷特征，这一类基团具有较二氰基乙烯双键更强的亲电加成反应活性。本章设计并合成了一种以吩嗪为荧光团，吲哚磺酸作为吸电子基团和识别基团的反应型化学传感器PDSI。研究表明，PDSI表现出很强的分子内电荷转移(ICT)，当加入氰离子后，由于双键被破坏，吲哚基团上氮原子的正电荷被中和，吸电子能力迅速降低，最大吸收波长位于750 nm处的ICT吸收带吸光度相应下降，肉眼可明显观察到溶液体系的颜色由绿色逐渐变为淡黄色，实现了对氰离子直观的颜色响应;同时吩嗪荧光团荧光恢复，在580 nm左右表现出20倍荧光增强;另外，化合物PDSI具有良好的选择性，其它阴离子对体系的吸收和荧光没有明显影响。PDSI对氰离子的检出限达到0.02μM(20 nM)，低于世界卫生组织及美国环保局规定的饮用水中氰化物含量上限(MCL)0.02 ppm。　　第四章氰离子污染广泛存在于自然界含水环境中，同时，对生物体的污染也要求氰离子探针能够适应含水体系的检测环境。所以，提高吩嗪类氰离子荧光传感器的水溶性成为进一步研究的重点。在前两章研究的基础上，设计并合成了两个以N-甲基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚作为识别基团的氰离子荧光传感器PDMI和PMI。吲哚强吸电子基团造成分子内电荷转移致使两者的初始荧光都处于淬灭状态。PDMI具有双边对称的两个识别基团，在HEPES缓冲溶液(30％ DMSO，pH7.4，37℃)检测体系中，PDMI对氰离子的亲核加成反应识别过程导致吲哚吸电子双键被加成，荧光淬灭作用消失，580 nm处荧光增强，实现了在水溶液中对氰离子的荧光增强型响应，检出限达到1.4μM。PMI将PDMI中的一侧吲哚识别基团替换为醛基吸电子基团，在同样的缓冲溶液体系中，醛基对氰离子没有响应，单边识别基团使PMI能够对更低浓度的待测氰离子表现荧光增强信号，同时醛基一侧的吸电子作用使荧光最大发射波长红移至630 nm，并延伸至近红外区域，使PMI具有红光到近红外荧光增强型检测信号，也使吩嗪类氰离子探针对含水体系中的氰离子检出限达到200 nM。检测过程的光谱变化机理，通过核磁共振氢谱和高分辨质谱，结合密度泛函和含时密度泛函理论计算得到了进一步的验证。得益于大斯托克斯位移(Stokes Shift)和红光到近红外荧光增强信号，通过共聚焦激光扫描显微实验，PMI被成功应用于Hela活细胞内氰离子的检测和荧光成像，使吩嗪类氰离子荧光传感器的应用范围拓展至生物体系。　　第五章将吩嗪小分子荧光传感器的应用范围拓展至生物小分子巯基氨基酸的检测。首先通过氰基乙酸与醛基的缩合反应在吩嗪苯环上引入2-氰基丙烯酸基团，然后以羧基酰胺化反应的活性基团N-羟基丁二酰亚胺(NHS)与羧基的酯化反应，合成2-氰基丙烯酸NHS酯，得到了基于吩嗪荧光团的氨基酸荧光识别基团PHS。在HEPES缓冲溶液(50％DMSO，pH7.4，25℃)中，PHS的最大吸收位于616nm，最大发射位于740 nm，与半胱氨酸反应后，溶液颜色由墨绿色变为淡黄色，616nm吸光度迅速下降，同时最大发射波长蓝移至692 nm，具有比率型的荧光信号变化。与高半胱氨酸、谷胱甘肽和其它不含巯基的氨基酸对比发现PHS能够特异性识别半胱氨酸，检出限低于2.5μM。通过核磁共振氢谱，发现该识别过程是由于巯基加成至乙烯双键，之后氨基进攻丙烯酸酯羰基，发生加成消除，脱去NHS基团，影响分子内电荷转移效应，从而引起吸收光谱和荧光光谱的变化。相比其它巯基氨基酸，PHS与半胱氨酸的反应速率最快，从而能够区分溶液中的半胱氨酸、高半胱氨酸和谷胱甘肽。此外通过共聚焦激光扫描显微成像发现PHS能够均匀分布于Hela细胞的细胞质内，从而为进一步拓展至细胞内巯基氨基酸的检测打下了基础。　　第六章通过带有双硫键的胱胺连接基团将萘酰亚胺荧光团和吩嗪氰基乙酸衍生物结合，构建了对半胱氨酸具有特异性识别能力的反应型荧光传感器PHSN。萘酰亚胺作为荧光能量给体，能够和吩嗪受体之间发生高效的分子内荧光共振能量转移，从而淬灭萘酰亚胺的荧光。胱胺双硫链接基团，同时充当巯基识别基团，通过与巯基发生氧化还原反应发生断裂，从而破坏能量转移过程，实现萘酰亚胺荧光增强。通过光谱研究发现，PHSN位于540 nm的荧光发射强度对半胱氨酸具有特异性增强型信号响应，同时在此过程中，吩嗪受体位于670 nm的荧光发射强度基本保持不变，整体荧光变化呈现比率型的信号增强。由于双硫键对半胱氨酸具有更高的反应速率，使得PHSN能够在HEPES缓冲溶液(50％ EtOH，pH7.4，37.4℃)中区别半胱氨酸和其它两种巯基氨基酸及其它非巯基氨基酸。PHSN具有良好的灵敏度，检出限达到500 nM。同时由于双硫键氧化还原反应具有良好的生物相容性，PHSN能够对Hela细胞中的半胱氨酸实现特异性识别。　　第七章利用吲哚嗯唑烷（N-羟乙基-2，3，3-三甲基吲哚）作为pH识别基团，设计并合成了基于吩嗪荧光团的pH荧光传感器POH。在不同酸碱条件下，吲哚噁唑烷的羟基与碳氮双键上的季碳原子发生开/闭环的可逆结构变化，改变了其拉电子能力，从而引起POH分子内电荷转移作用以及相应的荧光发射强度的可逆变化。在Britton-Robinson缓冲溶液(50％ DMSO，25℃)中，POH能够通过紫外吸收光谱，荧光发射光谱，实现对pH的检测。在pH6.0～8.0的范围内，位于680 nm处的POH最大吸收波长吸光度和600 nm处荧光发射强度随pH值呈线性变化，肉眼可明显观察到溶液颜色由墨绿色变为橙黄色，而橙色荧光增强，并且可通过肉眼观察。通过共聚焦激光扫描显微成像实验，发现POH能够顺利进入Hela细胞并均匀分布在细胞质当中，为进一步实现细胞内微环境的pH检测打下了良好的基础。