在细胞中,蛋白质通过氨基酸侧链与特定的金属离子结合形成特有的结构域（Motif）,这种结构域在维持细胞正常的生物学功能中起着至关重要的作用。比如锌指蛋白（Zinc finger）是蛋白中的组氨酸和半胱氨酸结合锌离子形成的一个手指形折叠蛋白质,它与基因的转录和调控密切相关;EF手形（EF-hand）,一个螺旋-环-螺旋的结构基序,由天冬氨酸和谷氨酸提供和钙配位的螯合位点,它参与了细胞增殖、分化、凋亡等重要的生物学过程;金属蛋白酶（Metalloproteins）的活性中心含有金属离子,失去这些金属离子的酶将失去催化活性;铁离子和铜离子是光合作用和氧化磷酸化电子传递链的重要组成部分。这些重要的生物大分子结构特征给我们提供了大量的化学信息,通过模仿天然蛋白与金属离子结合位点进行多肽荧光化学传感器的设计,是研究细胞中金属离子重要作用的有效手段之一。近几年,多肽荧光化学传感器的设计与应用得到了研究者的广泛关注,国内外多个课题组相继报道了多种类型的多肽荧光化学传感器。相比于其他荧光传感器,多肽荧光化学传感器具有自身的优势:（1）固相多肽合成与侧链修饰技术比较成熟,多肽荧光化学传感器的灵敏度和选择性可以通过改变肽骨架来优化;（2）多肽荧光化学传感器的水溶性、生物相容性和低毒性都优于有机小分子传感器,可以实现纯水检测和生物应用;（3）多肽荧光化学传感器的识别模式很容易通过不同的识别机理来实现,如光诱导电子转移（PET）、荧光共振能量转移（FRET）和螯合增强荧光（CHEF）等。基于这些优势,我们设计合成了一系列新颖的多肽荧光化学传感器,并研究了其对生物小分子(Zn²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、S2-、H2S)的识别选择性及其在细胞成像和斑马鱼成像中的应用。本文共分为七个部分。第一章:简述了荧光化学传感器的设计原理和研究背景,并着重总结了多肽荧光化学传感器的研究进展。第二章:基于Fmoc-Lys（Fmoc）-OH的骨架机构,我们设计合成出一个新颖的多肽荧光化学传感器L1,实现了纯水体系中Zn²⁺、Cu²⁺和S2-的荧光响应,并成功在细胞内实现应用。第三章:在L1的基础上,通过改变氨基酸,基于光诱导电子转移机理,我们合成了在纯水体系中识别Cd²⁺的多肽荧光化学传感器L2,L2具有良好的细胞渗透性和低毒性,实现了HeLa细胞中Cd²⁺的检测。第四章:基于光诱导电子转移机理,我们报道了一个四肽荧光化学传感器L3,该传感器在纯水体系中实现了“Turn-On”型Zn²⁺检测,进一步,我们利用螯合剂EDTA置换出了L3-Zn配合物体系中的Zn²⁺,实现了EDTA的检测。L3能够穿透HeLa细胞,从而实现了HeLa活细胞内的Zn²⁺和EDTA的成像检测。第五章:我们设计并合成了一个多肽荧光化学传感器L4,L4在纯水体系和活细胞中可以利用不同激发实现Zn²⁺的检测。在290 nm激发下,基于荧光共振能量转移效应（FRET）,荧光呈比率型增强模式;在330 nm激发下,基于荧光螯合增强效应（CHEF）,荧光呈“Turn-On”型增强模式。第六章:我们成功地开发出一种新颖的多功能四肽荧光传感器L5,在纯水体系中,随着Cu²⁺和S2-的添加,L5呈现出“On-Off-On”型响应模式。L5具有良好的细胞渗透性和低毒性,可在HeLa活细胞内实现“On-Off-On”型连续性检测。第七章:在L5的基础上,通过荧光团的改变,我们报道了一个新颖的多肽荧光化学传感器L6,基于Cu²⁺的淬灭传感机制,L6提供和Cu²⁺配位的螯合位点而形成L6-Cu体系,从而实现荧光快速淬灭;当向L6-Cu体系加入H2S形成CuS沉淀之后,L6的荧光实现恢复。因此,L6-Cu体系既可以在纯水溶液中检测H2S,也能在活细胞和斑马鱼幼崽模型中实现生物成像。