生命活动通过其基本单位-细胞来执行,细胞的某些特性,使得不同的生物具有不同的个性。为此,对于细胞的研究,尤其是细胞内微环境的研究逐渐展开。随着人们对于健康的追求,疾病的预防和治疗得到人们越来越多的关注,而荧光分子转子作为检测溶剂和生物流体内粘度的一种手段,对于细胞内微环境的监测具有更高的准确性和可靠性,所以迅速成为科技工作者研究的重点。尽管荧光分子转子的检测手段灵敏度很高,但是不同类型的荧光分子转子也存在很大的差异性,比如:不同种类的荧光探针有不同的特点,针对不同的生物体,各种荧光探针各有特殊的表现,这些都是本文要关注的。对此,本文基于一种特殊的荧光分子转子,进行了一系列的设计和改进,并且取得了一定的研究成果,具体如下:(1)新型荧光转子的设计和表征。最近Peng课题组合成了一个新颖的荧光分子转子RY3。与普通的荧光分子转子相比,它具有一个突出的特点:双光子模式。本文以它为模板,进行了一系列的新设计和改进,期望找到表现更好的分子转子来检测细胞粘度。在这项工作当中,首先对RY3进行量子化学计算。在B3LYP/6-31G**水平上得到了 RY3的基态和激发态,并观察它的光谱图,发现确实具有明显的双峰,和实验的结果比较吻合,验证了结果的可靠性;以此设计了四组不同类型的荧光分子转子:A组是在不改变模板分子主体结构的基础上,对醛基氢用不同的取代基取代(A1-甲基,A2-亚硝基,A3-羧基,A4-亚磺酰基)得到的系列化合物,B组分子是保持分子结构中醛基功能组不变,对碳链主链缩短和末端用别的取代基代替(B1-苯环,B2-醛基,B3-氰基,B4-亚硝基),C组在模板分子基础上,保持碳链的长度,设计了不同的取代基(C1-甲基,C2-羧基,C3-酰胺基,C4-嘧啶,C5-苯环),D组分子转子是在C组C5的基础上,对于苯环上邻位和对位进行取代(D1-对位甲基,D2-邻位醛基,D3-对位醛基,D4-邻位甲基)。运用密度泛函理论对他们的结构分别进行了优化,其中的前两组(AB)构型发生了一定的变化,B组的分子发生的变化比较大,在一个平面上的分子,构型发生了扭转;而A组的分子是在中间位置上,醛基组所连碳上的改变,增加了一个官能团,构型也发生了不同程度的改变;只有C组和D组的分子结构没有发生变化,其中D组的转子引起第二个发射峰的表现不好。通过对这些设计的荧光转子性能的比较,筛选出了其中表现最好的荧光分子转子C1(RY1),并对其机理进行了详细讨论,对其他新转子的特性也做了说明。(2)为了模拟细胞微环境,本课题设计了十个不同的溶剂环境,分别是甲醇,水,乙醇,乙腈,二甲基亚砜(DMSO),氯仿,二氯乙烷,四氢呋喃(THF),甲苯,丙酮。利用含时密度泛函(TDDFT)计算了它们的吸收光谱和发射光谱,其中C1在甲苯中的表现最好,发射峰也高,而D组的D1第一个峰很高,但是第二个峰没有起来,所以不具备双光子特性。基于荧光分子转子所特有的优势,不能选取,通过溶剂效应的计算,本文可以更直观的发现每一种分子转子在不同环境的表现,前两种荧光分子转子由于构·型的偏转,结构发生了改变,主要是第三种和第四种,看在溶剂效应计算中能否发现什么规律或者特点,本着这样的目的发现:双光子模式的分子转子,在不同溶剂中的吸收和发射有着不同程度的提高或降低,与传统的荧光探针有着更明显的优势,检测的手段通过双峰的变化使得准确性和可靠性大大提高。虽然这种荧光探针的模式,有着很大的优点,但是还有许多改进和发展的地方,一定还有更多、性能更好的荧光探针分子等待设计和开发,希望通过本论文的研究能起到抛砖引玉的作用。事实上已有许多有着丰富创造力的科技工作者正致力于这方面的研究和探讨,通过实验和理论证明,这类荧光分子转子,在这个领域取得的科技成果,对于疾病的预防和治疗及生物大分子方面的研究,都将有着重大的影响。