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比率型探针分子是在两个不同波长下测定荧光强度(或吸光度),并将其比值作为测定信号,从而使分析结果不受光源强度和仪器灵敏度的影响,克服了传统荧光探针所存在的缺点,因此比率型探针分子可以得到更精确的测定结果,进而提高测定方法的灵敏度。氧杂蒽类荧光染料具有摩尔吸光系数大,荧光量子产率高,激发波长较长等优点,因此分析工作者已开发出各种以其为母体的比率型荧光探针。这类比率型探针大都利用氧杂葸类衍生物的螺环开环反应,并主要结合荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)或跨键能量转移(through-bond energy transfer, TBET)机理对目标分析物进行测定。文献报道,2-(2’-羟基苯基)苯并噻唑(2-(2’-hydroxyphenyl)benzothiazole, HBT)类荧光分子在紫外光的激发下,能发生激发态分子内质子转移(excited-state intramolecular proton transfer, ESIPT),并且其存在两种异构体(烯醇式和酮式)的互变平衡,因此HBT分别发射两个不同的荧光峰,即烯醇式的荧光峰(短波长)和酮式结构的荧光峰(长波长)。另一方面,在含有酚羟基的氧杂蒽类荧光染料(如荧光素)中,其存在一个互变异构平衡体系—“开环”荧光醌式和“闭环”无荧光的螺内酯形式。由此我们设想,在这些染料的酚羟基的邻位引入一个苯并噻唑基团,当该化合物以螺环形式存在时,其结构中有游离的羟基,在紫外光的激发下,酚羟基可以与邻位的苯并噻唑上的N原子之间发生ESIPT过程,因此羟基上的质子将转移到噻唑环的氮原子上,此时该化合物主要发射HBT的酮式结构的荧光峰；当该化合物以荧光醌式结构(开环形式)存在时,由于其结构中没有游离羟基,ESIPT过程受阻,因此该分子只能发射氧杂蒽类染料的特征荧光峰,所以这种螺环结构的“开-关”变化能够导致该分子的荧光性质发生改变,基于以上原理,因此本文以氧杂蒽类荧光染料为基础分别构建了测定Cu2+、Hg2+的比率型荧光传感体系。另外,本文中的化合物5能与Cu2+发生配位反应,生成一个新的络合物5-Cu2+,导致体系的荧光发生明显的降低,所以基于以上原理,本文设计合成了测定Cu2+的荧光探针。同时,HS-能使以上络合物溶液(5-Cu2+)的荧光强度得到恢复,据此本文设计合成了一种高选择性测定H2S的荧光传感体系。本论文分为以下五章：第一章绪论。主要介绍了基于氧杂蒽类衍生物螺环开环反应机理设计比率型荧光探针分子的研究进展,并提出了本文的研究设想。第二章以氧杂蒽为母体构建具有双重荧光发射性能的Cu2+比率型荧光探针(化合物4),该荧光探针是由本章中的氧杂蒽类荧光染料(化合物3)和水合肼通过一步反应而得到的。本章通过调节化合物4中HBT的“酚-醌”转换,设计合成出一种测定Cu2+的比率型荧光探针。化合物4以螺内酰胺环形式存在,结构中有游离羟基,在紫外光的激发下,其可以发生ESIPT过程,此时该分子只能发射HBT的酮式结构的荧光峰(450nm)。然而该化合物4中的螺内酰胺能够与Cu2+发生水解反应,导致该分子的螺内酰胺环被打开,释放出原来的荧光染料分子(化合物3),此时该化合物3以荧光醌式结构存在,其结构中没有游离羟基,ESIPT过程受阻,所以其主要发射氧杂蒽结构的特征荧光峰(575nm),因此在加入Cu2+前后,反应体系在575nm和450nm处的荧光强度发生了明显的改变,其比值变化I575/I450与Cu2+在0.5-10.0μmol L-1范围内呈线性关系。基于以上原理,本文设计了一种测定Cu2+的比率型荧光传感体系。同时,该设计思路还可应用于构建其它物质的比率型荧光传感体系。第三章以氧杂蒽为母体构建具有双重荧光发射性能的Hg2+比率型荧光探针(化合物7),该探针是由本章中的氧杂蒽类荧光染料(化合物5)和水合肼通过酰胺化反应后得到化合物6,6再与异硫氰酸苯酯发生反应得到目标探针分子7。本章通过调节化合物7中的HBT的“酚-醌”转换,设计合成出一种测定Hg2+的比率型荧光探针。本章的化合物7以螺环结构存在,由于其结构中有游离的羟基,故可以发生ESIPT过程,此时该分子只发射HBT酮式结构的荧光(510nm)。而该化合物7中的氨基硫脲可与Hg2+发生脱硫反应,生成相应的1,3,4-噁二唑环类荧光产物(化合物8),此时该反应体系的最大发射波长由510nm红移至595nm,并且随着Hg2+浓度的不断增加,510nm处的荧光强度不断降低,而595nm处的荧光强度不断增强,并且其比值变化I595/I510与Hg2+在0.01-0.10μmol L-1范围内呈线性关系,基于以上原理,本文构建了一种测定Hg2+的比率型荧光传感体系。第四章基于Cu2+-诱导荧光染料(化合物5)形成分子内螺内酯原理测定Cu2+的研究。荧光染料5在中性水溶液中以“开环”强荧光的形式存在,当向5的水溶液中加入Cu2+时,5与Cu2+以2：1的方式发生配合反应,生成了一个新的络合物(5-Cu2+),此时5以稳定的螺内酯形式存在,从而导致反应体系的吸收信号及荧光强度均显著降低。基于以上机理,本章建立了一种高选择性测定Cu2+的荧光分析法。第五章基于络合物5-Cu2+测定硫化氢(H2S)的荧光传感体系。本章设计了一种基于置换机理测定H2S的传感体系(5-Cu2+),由第四章研究结果可知5-Cu2+在中性水溶液中无荧光,但当其与HS"(H2S在水溶液中存在的主要形式)反应后,该传感体系5-Cu2+中的Cu2+能被HS-置换出来,生成一个稳定的物质CuS,释放出游离的染料分子(化合物5),因此体系在575nm处的荧光显著升高,并且该方法测定H2S的线性范围为0.05-0.7μmol L-1。同时该体系具有很好的选择性和较高的灵敏度,其他生物硫醇如谷胱甘肽(glutathiose, GSH)、半胱氨酸(cysteine, Cys)和高半胱氨酸(homocysteine, Hcy)等对该反应体系几乎没有干扰,因此该方法可用于生物体系中H2S的测定。