近年来，重金属离子的污染越来越严重，导致动植物和人重金属感染和中毒的情况每况愈下，同时随着金属离子在体内的沉积富集会引发一系列病变，其中具有人类“头号杀手”的癌症是病情之一，所以对于重金属和体内癌细胞的检测尤为重要。荧光技术具有高灵敏性，高选择性，强抗干扰能力，同时荧光量子产率高，消光系数大，并且操作简单，成本低等优点倍受研究者青睐。目前荧光探针方法在检测金属离子时最低检测限可以达到0.001nM，在实际水样和生物血液检测中具有很好的应用前景。但是荧光技术依然面临着诸多挑战：有机荧光团聚集和光稳定性不足，导致在实际样本检测中容易聚集荧光猝灭；细胞毒性和渗透性达不到临床应用标准；无法对离子中毒进行解毒恢复；同时携带药物诊疗肿瘤的多功能靶向荧光分子更有待开发。克服这些问题的关键在于利用简单温和环保的方法来设计合成结构可控的新型有机荧光探针。共价键链接的高分子荧光探针和有机-无机杂化纳米荧光探针可以提高改善荧光传感器的光学稳定性，降级细胞毒性提高材料渗透性，解决聚集现象的同时可以实现金属离子中毒后的解毒，并成功应用于癌细胞的诊疗中。本论文主要围绕如何提高分子荧光探针的生物性能出发，通过环境氢键诱导增强发光，共聚策略和点击化学一锅法三种方法设计合成一系列不同结构的荧光探针，主要研究内容如下：
　　(1)荧光素酰肼类分子识别离子开环后具有高度的旋转自由度，这将导致荧光性能降低。为了克服这一现象，通过环境氢键诱导增强发光的方法，实现了PCFH在血清中的高灵敏，高选择性的Hg2+检测。采用牛血清蛋白(Bovine albumin， BSA)作为理论模型，深入研究了环境氢键诱导增强发光的机理，同时对体内外Hg2+进行跟踪成像。采用紫外可见吸收光谱和荧光光谱研究荧光传感器PCFH的光学性能，通过傅里叶变换红外，紫外可见吸收光谱，核磁共振氢谱和理论计算研究PCFH与BSA之间的氢键作用机理。并将PCFH用于跟踪Hg2+引起的细胞形态变化，同时也对小鼠体内Hg2+进行跟踪成像。结果表明，探针分子PCFH中自由旋转的羟基与BSA间发生氢键作用来抑制荧光素基团的自由旋转，增加探针分子的平面性，增强Hg2+识别的灵敏度，并淬灭Cu2+荧光的干扰。通过体外实验发现汞离子浓度在0.47μM和0.88μM时分别导致细胞变形和凋亡，同时也对小鼠体内汞离子进行跟踪成像。
　　(2)为了克服有机荧光团的聚集，提高光稳定性，降低细胞毒性和增强材料的渗透性问题。通过一种简单的共聚策略方法改善材料的双亲性，从而提高其光学稳定性和生物渗透性并且降低细胞毒性。利用丙烯酰胺单体分别与荧光素类荧光单体和席夫碱类荧光单体共聚制备两种高分子PAFH和PSAM。采用红外光谱和核磁氢谱积分面积表征聚合物的结构，结果显示两种聚合物均可以按照投料比进行可控的制备合成。室温下，用1000W碘钨灯照射不同时间，并且将材料制备成薄膜和溶液两种状态后，采用紫外可见吸收光谱和荧光光谱来研究聚合物和其相应聚合单体的聚集效应和光稳定性，发现PAFH和PSAM光照5h后荧光强度依然保持在80%以上。同时基于理论模拟计算材料生色团的间距为9.650?。最后通过MTT，H&E染色和体内体外生物实验研究聚合物和其聚合单体的生物性能。PSAM和PAFH两种高分子实现了生物体内的高灵敏离子检测。
　　(3)为了实现重金属离子中毒后的解毒效果，以多面体笼型低聚倍半硅氧烷(polyhedral oligomeric silsesquioxane , POSS)为纳米平台，采用高效环保的点击化学一锅法设计多功能智能纳米机器人，并应用于体内外Zn2+中毒的高灵敏检测及自驱动清除，并详细分析了检测清除机理。将聚乙二醇和席夫碱通过共价键链接起来开发出一系列基于POSS的纳米智能机器人用于锌离子中毒的解毒剂。通过调节智能机器人的脚(PEG-400)个数(POSS：PEG为1:2,1:4和1:6)来改善纳米机器人的细胞相容性和渗透性。通过红外，核磁，质谱和TEM表征机器人的结构，结果表明，机器人的大小分布在14nm。通过细胞渗透性，溶血现象和细胞毒性测试，发现智能纳米机器人的渗透性非常好特别容易被细胞摄取，细胞存活率在95%以上，体外细胞实验表明，对于锌离子中毒的圆形细胞，加入纳米机器人5天后，细胞形态会好转为正常的梭形细胞，同时我们设计了小鼠急性锌离子中毒模型。通过MR和病理切片，我们发现纳米机器人可以使锌离子中毒24h后的小鼠的肝脏水肿程度由原来的8.8mm降低到不至于小鼠死亡的6.6mm。
　　(4)为了克服目前肿瘤手术中的光学导航问题，通过共聚策略方法设计具有荧光和靶向识别能力的水溶性多位点靶向荧光成像的双亲性聚合物。实现了对结直肠癌细胞的靶向影像功能。利用丙烯酰氯改性过的荧光素和叶酸为聚合单体，通过自由基聚合成功地合成了两亲性聚合物PFLAC。通过红外，核磁表征双亲性聚合物的结构，荧光光谱确定聚合物的光学性能。结果表明聚合物具有高的荧光发射光谱和量子产率。由于叶酸和荧光素作为聚合物中骨架碳链的分支所以该聚合物具有多靶点，多荧光点。使用两种细胞系SW620细胞和FHC细胞研究了两亲性分子的生物性能，通过体内外成像及H&E染色结果表明，聚合物中酰胺基团和叶酸可以改善聚合物的生物相容性，同时无毒，并且可以用于靶向成像以区分癌细胞和正常细胞。
　　(5)为了提高化疗药物的精准性和高效性，减少其副作用，实现多功能材料对癌细胞的诊疗一体化，以笼型低聚倍半硅氧烷POSS作为纳米平台，采用高效环保的点击化学一锅法设计制备影像，靶向治疗于一体的有机无机杂化纳米多功能分子。将叶酸，荧光素，硫鸟嘌呤，聚乙二醇和己烯通过共价键连接在一起，制备合成出一系列多功能分子。其结构和性能通过红外光谱，核磁共振谱，质谱，荧光光谱，紫外可见吸收光谱，细胞毒性，体内外实验及H&E染色表征。讨论了不同结构对癌细胞和正常细胞的作用。结果表明，在这个多功能分子中，除了具有靶向性，影像性和治疗效果外，PEG-400和己烯的引入用来调节多功能分子的细胞渗透性。同时多功能分子具良好的光稳定性和解聚集效应。比较了不同结构多功能分子对体外细胞毒性和相容性的情况，设计建立小鼠肿瘤模型，静脉注射POSS多功能分子15d后，荷瘤小鼠的肿瘤消失，通过解剖肿瘤消失的小鼠，并对小鼠的主要器官(心，肝，脾，胃，肾，肺和肠)进行H&E染色观察病理情况，并未发现对正常组织细胞有所伤害。