金属离子在环境和生命科学领域凸显出重要的作用,设计和合成对金属离子具有选择性识别功能的受体分子近年来备受关注。荧光检测技术具有极宽的响应范围、高的灵敏性、及时检测性能、抗干扰以及低检测限等特性,已经在生物和环境领域得到应用。但是大部分荧光探针主要溶于有机溶剂,在水中的溶解性差,限制了探针在环境及其生物领域中的应用。为了解决上述问题,我们利用荧光素好的生物性能和高的荧光特性,设计两种水溶性探针分子:荧光素探针小分子和荧光素探针聚合物,并研究了他们探针机理以及在环境与生物中的应用性能。本文的主要研究内容如下:1、综合了荧光探针材料的发展,讨论了荧光小分子和高分子分子结构对他们性能的影响。2、设计合成了以荧光素为母体的荧光素类小分子探针ACFH,通过紫外,红外,核磁等对其结构进行表征,深入研究了探针的光学性能,在纯水溶液中探针ACFH能够选择性识别Hg2+,其他离子的加入不能干扰探针对Hg2+的检测,选择最佳的检测条件,在pH=7时,探针的荧光性能最好。线性范围为1-100 nM,检出限0.86 nM。通过Job-Plot曲线和探针加入Hg2+前后的核磁对比图对探针检测Hg2+的机理进行了研究,发现探针与Hg2+的络合比为1:1,探针检测Hg2+主要是通过诱导荧光素内酰胺开环,离子与探针络合,之后再发生水解产生强荧光。3、在小分子的基础上,ACFH与丙烯酰胺聚合合成水溶性更好的高分子探针PAFM,通过紫外,红外,核磁等分析手段对分子结构进行表征,研究探针的光学性能。研究发现发现探针PAFM在纯水溶液中同样对Hg2+进行特异性识别,其他离子并不能影响探针对Hg2+的检测。高分子探针在3 min内能够快速识别Hg2+,最佳的pH条件为中性水溶液。线性范围为1-10 nM,检出限0.4 nM。通过Job-Plot曲线和探针PAFM加入Hg2+前后的核磁对比图对探针检测Hg2+的机理进行了研究,研究发现探针与Hg2+的络合比为1:1,探针检测Hg2+的机理与小分子类似,主要是通过络合开环机理。4、基于小分子探针和高分子探针均具有较好的水溶性,将探针应用到复杂环境中检测湖水和自来水中的Hg2+,在线性范围内两探针都可对湖水和自来水中的汞离子进行定量分析。探针ACFH和PAFM对湖水和自来水检测的回收率均在92%以上。由于探针具有良好的水溶性、细胞膜通透性,可以应用到生物细胞实验中,用于细胞成像。与小分子相比高分子探针在水中溶解性更强,检测限更低。对探针的细胞毒性进行测试,发现两探针浓度达到100 μM时对细胞毒性都很小。同时对活细胞内汞离子进行荧光追踪成像。