海水中的钙离子、生物体内的微量元素以及环境中的重金属离子的识别、检测、浓度测量等,在生化医学领域和环境科学领域具有至关重要的意义。荧光传感器以其选择性好、灵敏度高、简便快捷的优点被广泛应用于生化医学、环境监测等诸多领域。本论文以识别检测海水中的钙离子、生物体内的锌离子以及生物和环境体系中的微量重金属离子(如Cd2+、Hg2+)为目的,基于荧光传感光致电子转移(Photo-induced Electron Transfer, PET)原理与分子识别(Molecular Recognition)机制,从荧光化学传感器的设计、合成入手,制备了多个识别检测海水中的钙离子、生物体内的锌离子及生物和环境体系中的微量重金属离子(如Cd2+、Hg2+)的荧光化学传感器,并对其分子结构、全金属离子选择性、灵敏度以及细胞成像应用等进行了一系列详细而全面的性能研究。所合成的目标化合物的分子结构均通过核磁氢谱(1H-NMR)、碳谱(’3C-NMR)和质谱(MS)表征确定,纯度均通过高效液相色谱(HPLC)检测达到99%以上。1、通过对基于4-氨基-1,8萘酰亚胺金属离子荧光传感器的设计、合成及其性质初探,发现基于N2和N4的4-氨基-1,8萘酰亚胺荧光探针对金属离子的选择性优于基于N1和N3的4-氨基-1,8萘酰亚胺荧光探针,为4-氨基-1,8萘酰亚胺金属离子荧光探针的进一步研究奠定了基础。2、设计合成了一系列新型钙离子传感器,并对其紫外-可见吸收光谱、荧光光谱响应性能进行了研究,其中基于4-氨基-1,8萘酰亚胺的可逆钙离子荧光传感器,不受海水中Mg2+、Sr2+及海水pH的干扰,首次实现了海水中钙离子浓度的在线检测和自动化连续监测。3、设计合成了一系列共14个未见文献报道的基于4-氨基-1,8萘酰亚胺的新型锌离子荧光传感器,并对其金属离子荧光响应性能及细胞成像应用进行了全面研究,其具有选择性好,灵敏度高,良好的细胞膜渗透性等特点,成功应用在细胞成像中。4、设计合成了一系列新型汞离子传感器,并对其紫外-可见吸收光谱、荧光光谱响应性能(全金属离子选择性滴定、灵敏度)以及在活体细胞中的生物成像应用进行了详尽的研究,其中基于4-氨基-1,8萘酰亚胺的可逆汞离子荧光传感器首次实现了对环境中汞离子浓度的自动连续检测；基于罗丹明B和二氯荧光素的汞离子荧光探针可穿透细胞膜而进入细胞内成功成像,可以用于有效检测活体细胞中的Hg2+含量,在生物体系中具有很高的实际应用价值。5、设计、合成了首例不受锌离子干扰的、基于4-氨基-1,8萘酰亚胺的新型镉离子荧光传感器,并对其全金属离子选择性滴定、灵敏度以及在活体细胞中的生物成像应用进行了全方位研究。该镉离子荧光传感器具有选择性好、灵敏度高以及易透过细胞膜进入细胞内成功成像等优点。首次合成了不受锌离子干扰的镉离子荧光传感器,为镉离子荧光传感器开发实现了突破性进展。同时,该镉离子荧光传感器在细胞成像实验中还表现出具有识别正常细胞NIH-3T3和癌变细胞PC-3的特性,在细胞生物学上具有潜在应用价值。