近年来，由于荧光分子探针具有操作简单、选择性好、成本低及响应快速等优点，引起了广大科学家们的广泛关注。此外，荧光探针法一般不会破坏样品，属于非侵入性检测，并且可通过荧光强度和检测物浓度之间的关系对被检测物进行定量分析，这使得荧光分子探针在生物、环境和医学等领域都显示出诱人的应用前景。本文的主要工作是设计和合成几种新型荧光分子探针，并将它们对阳离子和阴离子进行识别性能研究，通过实验初步评估了这几种探针在上述领域中的潜在应用价值。本论文的主要研究内容如下：第一章，介绍了本论文的研究背景。具体阐述了荧光分子探针的定义、结构及其常见的几种识别原理。本章重点介绍了基于蒽类、喹啉类和吖啶类衍生的荧光分子探针及Al3+、Cd2+、Hg2+、Cr3+和PO43荧光分子探针的研究现状。第二章，设计并合成了两种异构的蒽衍生的新型荧光分子探针（L1和L2）。由于S2N识别基团的存在，L1和L2在乙腈溶液中都通过抑制从硫原子和氮原子到蒽的光诱导电子转移过程实现了对Al3+的识别。但是，与L1相比，L2对Al3+具有更好的识别性能，这可能是因为L2的空间位阻比L1的小，L2对Al3+的识别作用具有更有效的光诱导电子转移过程。此外，L1和L2都可以在乙腈和水（9:1，V/V）的中性混合溶液中识别Al3+，这在环境检测中具有潜在的应用价值。第三章，设计并合成了一种基于2-甲基-8-羟基喹啉并修饰有S2N基团的新型荧光分子探针（L3）。探针L3可以在水的缓冲溶液中较好的识别Cd2+，荧光增强将近30倍，检测机理是荧光螯合增强。此外，在对Cd2+的干扰实验中发现，Hg2+对Cd2+的检测有明显的荧光猝灭现象，通过进一步的光谱实验发现：Hg2+和L3与Cd2+和L3的配位方式不同，因为Hg2+易于结合S2N基团，加入Hg2+后会把Cd2+从L3-Cd2+的化合物中替换出来，达到了识别Hg2+的目的。而且，L3对Cd2+的检测及L3-Cd2+对Hg2+的检测也可用于细胞成像，在生物体系中具有潜在的应用价值。第四章，设计并合成了一种基于2-甲基-8-羟基喹啉并具有C3对称性结构的席夫碱类荧光分子探针（L4）。与其它金属离子相比，L4在乙醇和水（1:1，V/V）的中性混合溶液中对Cd2+具有较好的识别性能并伴随明显的红移，其检测机理是激发态分子内质子转移和碳氮异构受到抑制形成大的共轭体系使得荧光显著增强。通过荧光滴定、Job曲线、核磁滴定和单晶结构都证明了L4-Cd2+的配比是1:3。此外，L4具有细胞渗透性，可以用于活细胞中Cd2+的检测。第五章，设计并合成了一种基于吖啶的席夫碱类荧光分子探针（L5）。L5在甲醇溶液中对Cr3+离子具有较好的识别作用。同时，L5-Cr3+在甲醇溶液中通过置换方法也可以对PO43进行识别。而且，对于Cr3+和PO43的识别，L5起到了抑制门的作用。此外，L5也可以用于甲醇和水的中性混合溶液中Cr3+和PO43的识别。更重要的是，L5和L5-Cr3+可用于MGC-803细胞中Cr3+和PO43的识别，这在环境检测和生物体系中都具有潜在的应用价值。