核酸是生命的遗传物质,对生命体的生长、遗传、变异起着至关重要的作用。核酸检测在疾病诊断、基因表达分析、生物医学等领域有重要应用。因此,对核酸的检测一直是研究热点,而其中DNA荧光探针由于具有操作简单、灵敏度高等优点而受到人们关注。经典的核酸探针基本是通过插入或者嵌入到核酸的二级结构中来实现检测,因此主要应用于双链核酸的检测或者DNA杂交检测。实验室常用的染料溴乙锭(EB)对检测单链DNA,特别是没有稳定二级结构的寡聚核苷酸的灵敏度较低。近些年来,人们发展了以静电作用结合的核酸探针,如水溶性共轭聚合物和四苯乙烯分子检测体系,但是其测试过程需要借助DNA荧光标记,或者是灵敏度达不到应用的要求。因此,为了弥补现有DNA探针及染料的不足,需要发展一些对短链寡聚核苷酸的检测具有高灵敏度的体系。本论文基于分子内旋转受限的机理设计合成了一系列荧光分子,其中基于四苯乙烯的荧光探针实现了对短链的寡聚核苷酸的高灵敏检测与凝胶染色：另一方面,基于绿色荧光蛋白(GFP)发色团衍生物的初步研究与细胞成像方面的应用在一定程度上证实了我们对限制旋转的荧光传感体系的设想。本论文主要工作内容如下：第一章是文献综述。首先简要介绍了荧光的相关基础知识与几种经典的荧光传感机理,并着重综述了基于分子内旋转受限发光机理的传感体系,包括近来发展迅速的四苯乙烯检测体系和研究较少的GFP发色团体系；然后概括了用于核酸检测的荧光探针的发展,主要根据检测方式和发光机制的不同,分为经典的插入或嵌入式小分子荧光染料、水溶性共轭聚合物和四苯乙烯荧光探针三大类,并介绍了荧光分子在DNA凝胶染色上的主要应用；最后,阐述了本论文的设计思想。第二章设计合成了一种胺基修饰的四苯乙烯(TPE)衍生物,并且在水溶液和凝胶中实现了对双链DNA和寡聚核苷酸的灵敏检测。在成功分离四苯乙烯衍生物顺反异构体的基础上,我们首次证明了四苯乙烯衍生物的构型在DNA检测中具有显著的影响,即顺式四苯乙烯衍生物Z-TPE-2对DNA的检测灵敏度远高于反式四苯乙烯衍生物E-TPE-2对DNA的检测灵敏度,这是由于同侧邻位识别基团的协同作用更易导致分子内旋转受限的理论解释。基于如上结果,我们认为在DNA的凝胶染色方面Z-TPE-2可以取代商业化染料EB。第三章设计合成了侧链带不同胺基数目的四苯乙烯衍生物。研究了这一系列衍生物在水溶液和凝胶中对双链DNA和寡聚核苷酸的检测。对比实验表明,作为识别基团的胺基对DNA的检测有重要的影响。在带有1-4个胺基的四苯乙烯衍生物中,其中带有两个胺基的TPE-2的顺式构型对DNA的检测具有最高的灵敏度。第四章设计合成了带有不同疏水侧链长度的四苯乙烯衍生物,并研究了这一系列衍生物在水溶液和凝胶中对双链DNA和寡聚核苷酸的检测。实验结果表明,疏水侧链和构型对DNA的检测具有显著的影响。随着疏水侧链的延长,TPE-5和TPE-6的顺式和反式异构体的DNA检测灵敏度均比TPE-2相应的异构体高。在这几种不同侧链长度的衍生物中,TPE-5灵敏度最高。作为聚丙烯酰胺凝胶染料,Z-TPE-5可以染色1ng的双链DNA,并且可以染色长度仅为10nt的单链DNA,检测限为40ng,弥补了EB在寡聚核苷酸凝胶检测上灵敏度的不足。第五章设计合成了侧链分别带有伯胺、仲胺、叔胺和季铵的四苯乙烯衍生物。研究了这一系列衍生物在水溶液和凝胶中对双链DNA和寡聚核苷酸的检测。实验结果表明,随着侧链氮原子上取代数目的增加,相应的衍生物对DNA的检测灵敏度下降,这说明在四苯乙烯衍生物与DNA之间的作用中,位阻效应比静电作用更加重要。第六章设计合成了一系列绿色荧光蛋白(GFP)发色团的衍生物,并初步探究了其对DNA的检测。对比研究结果表明两端都修饰上二(2-吡啶甲基)胺(DPA)单元的p-BDI-6能在Zn2+存在的条件下和DNA发生相互作用,产生荧光响应。单边功能化的p-BDI-2与p-BDI-3, p-BDI-4与p-BDI-5虽然能够通过静电作用或配位作用与DNA作用,但是都没有荧光响应。相应的研究结果表明,我们对基于GPF发色团衍生物的检测设计思路是可行的,即通过与检测物作用锁住构型旋转使荧光恢复,从而达到检测目的。第七章设计合成了一系列间位带胺基的GFP发色团衍生物,并初步探究了它们对DNA的荧光响应。同时发现在DMF溶剂中,这类分子在加入DNA后荧光光谱蓝移了200nm,说明与DNA的作用能够改变检测分子周围的溶剂环境,同时进一步证实DPA-Zn与DNA之间的配位作用要明显强于季铵盐基团与DNA之间的静电作用。