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近年来，利用分子基荧光开关对客体分子特征识别所产生的光谱响应信号，人们已经在单分子层次上实现了对二进制信息的处理。相对于传统的电子平台，分子基信息处理平台具有能耗低、尺寸小、生物相容性好等特点。研究表明，基于荧光开关对于多元输入信号的协同识别作用，可以进一步增强分子基信息处理平台的运算能力。但这一新兴的分子基材料研究领域还有很多不完善的地方，需要人们进一步地探索。
正是基于这一目标，本论文设计合成了一系列具有多重客体结合位点的新型毗啶噻唑基荧光开关，并借助光谱测试、理论计算等研究手段对它们的光谱性质及内在发光机理进行了系统的研究，揭示了具有推、拉电子能力的取代基与吡啶噻唑荧光体发光性质之间的内在关联。在此基础上，通过利用配位反应、氧化还原反应及质子化反应对荧光开关发射状态的不同调控作用，我们在分子水平上实现了诸如二进制代数运算、数据存储及用户身分识别等数字逻辑功能，从而初步探索了所合成的荧光开关在信息处理领域中的应用潜力。
本论文的第一部分工作以合成具有多重结合位点的吡啶噻唑基荧光开关为目标。选择吡啶噻唑分子2-MPT(5-甲氧基-2-(2-吡啶基)噻唑)作为荧光团，以具有配位化学反应活性的羟基、氨基，或电活性的四硫富瓦烯(TTF)等基团作为取代基，以在拓展荧光体前线轨道的同时，引入新的结合位点。利用金属有机反应中的Sonogashira及Stille耦联反应，本论文获得了三键桥联MPT及TTF取代MPT这两类共八种新型分子基荧光开关，为进一步的机理研究和应用拓展提供了研究对象。所采用的荧光开关合成步骤简单(仅需一到两步催化反应)、产率高(全程反应收率大于40％)、适用性好(取代基可以从强电子受体吡啶环，到强电子给体的氨基)等特点。
本论文的第二部分工作集中于对所获得的荧光开关分子的光谱性质及发光机理进行探讨。在三键桥联MPT体系中，光谱测试表明，具有给电子能力的取代基并没有在体系中诱导产生光致电子转移过程，而是改变了构象异构体在溶剂中的稳定化能。激发态荧光分子可以通过取代基绕键轴的旋转降低能量，并诱导荧光发射峰的红移。当温度降到溶剂凝固点以下时，由于溶剂分子对于激发态猝灭作用的减弱，将使荧光开关分子更容易发生旋转异构，从而导致带有不同取代基的荧光分子具有相同的激发态旋转构象，并表现出相似的荧光发射行为。在TTF取代MPT体系中，本论文报导了一例具有高开启电位的TTF基荧光开关。当TTF基团处于中性或阳离子自由基氧化态时，分子无荧光发射；仅在TTF基团处在正二价氧化态时，分子的荧光发射被激活。光谱测试表明，衍生物分子在近红外吸收光谱中对应于电子从荧光团向TTF基团的电荷跃迁吸收谱带。因而在不同氧化态时，TTF基团不仅可以起到光致电子给体的作用，还可以起到电子受体的作用。当分子处于正二价阳离子氧化态时，MPT与TTF基团间的扭曲构象也降低了分子内的不同基团之间的电荷转移速率，从而有利于荧光发射的恢复。
本论文的第三部分探讨了所合成的荧光开关在数字逻辑中的应用。通过调节配位反应与氧化还原反应、质子化反应等过程的协同作用，本论文报导了在双发射荧光分子DMPTE内集成全部双输入单输出布尔逻辑门的策略。同时，通过进一步调节反应体系中的沉淀-溶解平衡与质子化平衡，本论文实现了对化学输入信号进行重置。而利用荧光开关内的不同电子转移过程，本论文报导在一个亚纳米尺度上代算运算功能的集成，从而在在单一分子体系内完成半加法器与半减法器的运算操作。为了解决分子逻辑器件的安全性问题，本论文提出了一种对荧光开关结合模式进行认证激活的策略。即荧光开关只有完成特定原位反应后，才能与客体分子结合。以此为基础，本论文以MPTEA荧光开关为底物，报导了在分子尺度上对二进制代数运算、光通讯及信息存储进行加密的方法。
综上所述，本论文设计合成了一系列新型吡啶噻唑基荧光开关，并探讨了这些荧光开关中不同的电子转移过程。同时，从这些荧光分子开关出发，利用化学反应对电荷转移过程的诱导与调控，本论文还利用荧光分子在亚纳米尺度上对信息实现了储存、计算、传输等处理。