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吸收和发射光谱在可见或近红外区域的荧光染料是许多不同领域的研究热点，特别是吸收和发射波长位于650～1000 nm这一被称之为“生物窗口”范围内的近红外荧光染料，它们在细胞标记、生物成像、分子开关和分子器件、激光媒介和光电材料等相关领域有广泛的应用。硼-二吡咯亚甲基(BODIPY or BDP)荧光染料近几年引起了人们广泛的关注，由于其优异的光谱性质，在一些应用领域已经取代了荧光素和罗丹明。BODIPY具有较高的摩尔吸光系数、较高的荧光量子产率、荧光对溶剂的极性和pH均不敏感、荧光光谱峰窄而尖锐、具有适中的氧化还原电势、结构易于修饰、荧光寿命长和光稳定性好等特点。而经典的BODIPY染料的吸收波长局限在480-540 nm范围内。因此，设计合成吸收和发射光谱位于650-1000 nm范围内的BODIPY染料将会有巨大的应用前景。 一些微量金属元素在生命过程中具有非常重要的功能，如已知铜离子是生命系统中重要的微量元素和必须的营养元素，铜离子在细胞中平衡的改变会导致神经性疾病。染料聚集以及由其产生的变化在化学工程，非线性光学，生物化学等领域产生重要影响，聚集是生物体系中分子自组装的主要机制之一，因此，研究专一性离子诱导的聚集也是生物学家研究热点之一。 重汞和汞盐对环境的污染和对人类的危害也日益引起科学家的关注，美国环境保护局(EPA)规定饮用水中汞离子浓度最大不超过2 ppb。近年来，汞离子探针的设计和合成取得显著进步。然而，从机理和理论计算的角度深入探讨和解释探针识别汞离了而对其他离了没有响应的原因还没有报道，这样的研究可以更好的指导设计新一代染料。 荧光染料的固定化研究是将荧光染料推向实际应用或扩大应用的有效途径，荧光小分子染料固定于基质表面制备成检测试剂盒可以实现传感器的重复使用，减少污染。 针对以上重要的前沿问题，我们设计合成了一系列BODIPY染料，比如，通过“meso-位杂原子取代”的方式得到了近红外的aza-BODIPY染料，研究了它们的光物理性质，并通过理论计算分析了aza-BODIPY的结构与性质的关系;采用“meso-取代”的方法合成了功能化的BODIPY染料，研究了它们的离子识别性质和离子诱导的聚集。另外，通过点击反应和自组装多层膜分别将两种功能化的罗丹明染料装载到石英片表面，成功用于水中汞离子的检测。 取得的主要研究成果如下: 一、在BODIPY化合物的中位苯环上引入羟基和氨基（化合物15），发现在Cu2+存在下，可以诱导J-聚集体的形成，导致吸收光谱和荧光光谱发生显著红移，而且Cu2+诱导的J-聚集体的形成具有高度灵敏性和专一性;另外，加入Hg2+后，该化合物还显示出荧光增强。由于旋-轨耦合和重原子效应，大多数的荧光探针在Cu2+和Hg2+存在下，荧光发生淬灭，这两种离子的检测往往相互干扰。而化合物15显示出对Cu2+和Hg2+不同的响应，且具有很高的灵敏度和选择性，具有很好的应用前景。 二、在BODIPY化合物的中位苯环上引入羟基和氨基吡啶(化合物16)，在水相体系中检测汞离子的极限为2 ppb，达到了美国环境保护局规定的饮用水中汞离子的上限，并成功用于活体细胞中汞离子的检测。 三、两个BODIPY分子通过中位苯环上的二氨基吡啶相连(化合物17)，发现只有对汞离子有荧光增强，而其它离子没有响应。采用理论计算，用比较简化的分子轨道能级解释了对不同离子识别的机理，计算结果与实验数据非常一致，因此，这样的研究可以指导设计更好的新一代传感器。 四、设计合成了一系列吸收和发射在近红外的芳环共轭的aza-BODIPY染料。在aza-BODIPY平面3，5位苯环的对位引入供电子基团使吸收和发射光谱显著红移，在极性溶剂中，由于分子内电荷转移，荧光量子产率较低。随着溶液PH值的减小，吸收光谱和发射光谱发生蓝移，且荧光增强。这样的过程可用于计量比和荧光增强型传感器的理性设计。苯环、[1，2]萘和[2，3]萘环稠合所产生的光谱变化的趋势和酞菁的类似物光谱变化相同。凶此，可以用近红外吸收酞菁的性质作为指导，来设计合成吸收和发射在近红外的具有应用价值的aza-BODlPYs染料。 五、通过1，3-偶极环加成反应（“点击”反应）制备了荧光单分子膜SAM-1用于汞离子的检测。由“点击”反应修饰表面可以在不同的溶剂和各种温度范围内进行，能承受的pH值范围宽，表面高度有序，由此产生的荧光单分子膜具有热稳定，抗水解，氧化和还原等特点，并成功地应用于在有机溶液或水中检测汞离子。由于叠氮和炔基在合成化学上可以方便的引入，因此，通过“点击”化学来组装功能化的单分子膜将有广泛的应用前景。 六、利用自组装多层膜来装载罗丹明染料用于汞离子检测，这种的类型薄膜传感器，容易构造，成膜基质没有特殊限制，而且可以装载不同类型染料，该技术可以制备具有不同功能的薄膜传感器。