荧光传感器因其高灵敏度、高选择性、可实现原位、实时快速分析、以及对样品无损等优点，已经成为检测环境中各种金属离子、阴离子和小分子的理想分析方法，并已应用于活体样本和活细胞的分析检测。在过去二十年中，小分子荧光探针对金属离子、阴离子和小分子的检测研究获得了很大的发展。其中，信号增强型荧光探针尤为受到关注。相比于有着较大背景信号的淬灭型荧光探针，被分析物诱导的荧光增强型探针在荧光检测和生物成像应用方面表现出更高的灵敏度。那些基于单一发射峰强度的常规荧光探针容易受到各种因素的干扰，例如仪器的误差、检测环境的改变和人工误差导致的探针浓度变化。比例型荧光探针通过两个荧光发射峰的强度变化的比率作为最终信号输出，能够很好的消除上述一些因素的影响。因此寻找新的适用于实际样品和生物样品的增强型或比例型分子探针，仍然具有理论意义和现实意义。针对上述研究热点，为提高荧光分子探针在灵敏度、选择性、实际样品以及生物体系应用等方面的性能，本论文在研制增强型和比例型荧光探针方面做了以下几部分工作：1.在第2章中，我们设计并合成了一种简易的探针芘甲酰肼（PZ）用于Cu²⁺的定量检测。早在几十年前，Cu²⁺能促进酰肼的水解这一特性就已经广为人知，而这些信息很少被应用于对Cu²⁺定量检测的工作中。我们设计的探针PZ中，酰肼上的N原子对芘有着PET荧光淬灭机制，基于Cu²⁺特异性催化酰肼发生水解反应还原为羧酸这一反应原理，成功地禁阻了PET过程，实现了荧光增强。该探针对Cu²⁺具有很好的选择性和灵敏度。在pH=7.4，EtOH/HEPES（1:1，v/v）的探针溶液中，加入Cu²⁺后可以观察到明显的荧光发射强度增强。该探针对Cu²⁺浓度的线性响应范围为5.0×10^-8-1.0×10^-6M，检测限可达1.4×10^-8M。2.在第3章中，我们设计并合成了两个芘单体双酰肼键连呫吨衍生物（DP），成功地实现了对OCl^-的比例型检测。在该化合物中，两个芘单体被一个刚性的呫吨结构固定起来，在单分子内形成一个芘的激基缔合体，荧光上表现为一个较长波长的荧光发射宽峰。而OCl^-能够选择性地将双苯酰肼氧化为双苯酰亚胺，后者易于进一步被亲核性的溶剂（水）进攻并发生水解。基于这个特异性反应，探针DP能够在OCl^-的存在下发生氧化水解，芘单体分子被拆开分散于溶液中。495nm处的长波长荧光发生减弱，同时伴随着400nm左右的荧光增强，实现了对OCl^-的比例型检测，同时其他常见阴离子几乎没有任何干扰。3.在第4章中，相比于传统较为复杂的合成方法，我们用温和简单的方法合成了硫原子成环的罗丹明B螺环衍生物（RS）。与常见的罗丹明内酰胺螺环衍生物相比，我们使用一个硫原子来形成稳定的螺环结构对酸表现出一定的抗性，从而避免了常见的罗丹明内酰胺衍生物遇酸容易开环的弊端。同常见的罗丹明内酰胺螺环衍生物一样，我们的硫原子螺环探针RS也是无色，无吸收，无荧光的。Hg²⁺的存在能够结合硫原子，破坏螺环结构并还原罗丹明的共轭体系，探针进而发出强烈的荧光，由此实现了对Hg²⁺的检测。此外，针对Hg²⁺独特的强嗜硫性，我们仅引用一个硫原子作为识别基团，新探针在检测Hg²⁺时具有很好的选择性，且灵敏度非常高，检测限达到2.5nM。这些独特的优点使得我们的探针成功地应用于Hg²⁺在活细胞中的成像，并得到满意的结果，进一步展示了其在环境和生物系统的实际应用价值。4.在第5章中，我们设计和合成了一种新型的罗丹明硫代内酰胺螺环衍生物（RT-3），并将其用于水样中Hg²⁺的检测。探针中的硫代内酰胺螺环极易俘获Hg²⁺并形成一个碳正电中心，同时Hg²⁺的靠近促使苯酚环去质子化，形成的酚氧负离子具有很强的亲核性，并随之进攻碳正电中心发生亲核环化反应，生成苯并恶唑环并打开罗丹明的内酰胺螺环，此时罗丹明的共轭体系得到恢复，发射出强烈的荧光。该Hg²⁺触发的多米诺催化过程具有很高的特异性，响应非常快速，同时不易受到pH值变化的干扰，最重要的是该探针有着很高的灵敏度，对1.0×10^-8-1.0×10^-6M的Hg²⁺表现出良好的线性范围，检测限达到3.0nM。在进行活细胞中Hg²⁺的追踪成像中，该探针已经表现出了一定的定量效果，得到了令人满意的分辨率。5.常规单荧光发射峰的探针在进行应用时易受到仪器误差、环境变化以及人工误差的干扰。而利用两个发射峰强度的比值作为信号输出的荧光共振能量转移（FRET）比例型荧光探针则能够很好的排除这些因素的干扰。因此在第6章中，我们设计并合成了基于荧光素-罗丹明的比例型荧光探针（FR），并进行了Zn²⁺的细胞成像初步应用。该比例型探针荧光信号的变化是由特定的金属离子诱导罗丹明螺内酰胺螺环开环（作为触发），实现了分子内荧光共振能量转移。在该探针中，两个荧光团的发射峰有着较好的区分，很容易进行分辨，解决了常见的波谱位移比例型探针发射光谱重叠的问题，更有利于两个荧光信号变化的高分辨率观测，同时也可以提供较为可观的发射比例，从而提高对被分析物的检测灵敏度。在优化实验条件情况下，探针对2.0×10-7-2.0×10-5M的Zn²⁺表现出稳定的响应，检测限为4.0×10^-8M。最重要的是，相比于传统的Zn²⁺探针经常引用的双（2-吡啶甲基）亚胺作为识别基团，我们的新探针利用了一个全新的识别基团，很好地解决了一般过渡金属离子的干扰问题，同时具有可逆和快速响应的优点。6.在第7章中，我们设计合成了一种新型的香豆素-罗丹明衍生物探针（CR），并表明可以使用跨键能量转移（TBET）这种策略，来设计高效的能量转移比例型荧光探针实现对被分析物的检测。相比于常规FRET探针对给受体染料的波谱重叠要求，TBET在这一方面没有严格地限制，这就意味着有更多的给受体染料可供选择来设计TBET比例型探针。为了证明这个概念，我们选择Hg²⁺作为模型金属离子来进行研究。探针CR利用香豆素作为能量给体，罗丹明作为能量受体，在进行光谱检测时显示出两个完全区分的荧光发射峰，发射光谱位移达到110nm，能量转移效率高达97.4%，信背比为697.7。同时该探针对Hg²⁺具有很高的灵敏度，检测限达到7.0nm，可直接用于对河水样品中Hg²⁺的检测以及活细胞中的Hg²⁺成像，得到的结果令人满意。