现代生物技术在近几十年发展迅猛,由于一般生物反应器在发酵和细胞培养中价格、体积及菌株筛选、培养基配方和确立关键参数方面的限制,廉价、高通量、快速、可靠的微型生物反应器已引起了国际社会的高度重视。根据生物技术发展需要,希望微型生物反应器可以进行多参数、平行在线监测和具有高通量分析功能。在微型反应器内进行各种参数的分析、测定,如pH、溶解氧(DO)、pCO2等,常规的技术已经无法满足需要,而基于荧光测量方法可以解决这样的困难而受到广泛重视。将荧光传感单元通过共价键引入聚合物是一种非常实用的办法,可有效避免相分离和聚集态荧光淬灭,且很容易小型化和器件化,并可以重复利用。本论文基于微型生物反应器的在线检测需要,合成并研究了具有pH、溶解氧传感性质的亲水性聚合膜,主要包括以下几方面内容：第一章在介绍有关荧光传感器的理论基础上,概述了pH、溶解氧探针以及将荧光传感器用于微型生物反应器的研究进展,并提出了本论文的研究课题。为了适应水溶液环境的检测,采用聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)为传感器的骨架,主要考虑到：1)该类聚合物支链含有羟乙基,具有很好的亲水性；2)该类聚合物对生物体无毒性,非常安全；3)在玻璃或石英上显示出很好的成膜性。在第二章将具有较强碱性的吡啶引入苯并咪唑设计pH比率荧光传感器P(BIPy-HEMA)。通过与甲基丙烯酸羟乙酯单体共聚合成了适用于酸性范围的亲水性聚合物。在水溶液中,当酸性逐渐增强时,吡啶氮原子和3-位咪唑氮原子先后进行质子化,聚合物薄膜的吸收光谱和荧光光谱均发生两次红移过程,并出现两个等吸收(荧光)点。根据I462/I423和I536/I462与pH值的线性相关曲线,发展了基于苯并咪唑荧光团的亲水性聚合型比率荧光探针。考虑到其在水溶液中的亲水性、稳定性和重复性,该比率荧光探针薄膜适用于pH值为1.7-4.5的酸性范围内。4-位甲基哌嗪取代的1,8-萘酰亚胺在接近中性范围内对pH具有较好的线性响应性能,第三章将该荧光分子引入PHEMA聚合物中,合成了共聚物P(NI-HEMA)。在pH为5.8-8.0的水溶液中,该聚合物薄膜显示出非常明显的荧光变化和极好的线性响应。使用等吸收点406 nm作为激发波长,可以避免紫外线的辐射和光密度的影响。基于PET机理,当pH从8.0降至5.8时,荧光增强了将近一倍。该聚合型传感膜具有很好的热稳定性、时间稳定性和重复性。考虑到萘酰亚胺的吸收波长较短,即使用等吸收点(400 nm)进行荧光激发,还是会受到反应器中本体的影响,在应用上受到限制。第四章选择了具有更长吸收波长的2-甲基哌嗪取代的萘四酰二亚胺NDI,该荧光分子的吸收波长可达570 nm,荧光波长为628 nm,很大程度上克服了本体的背景影响。含有该荧光传感单元的共聚物P(NDI-HEMA)薄膜在pH为4.6-8.0的水溶液中的荧光强度对pH值显示出非常好的线性响应性能。而且,当pH从8.0变化至4.6的时候,荧光强度增强了2倍,比P(NI-HEMA)具有更大的增强幅度,其线性响应的pH值范围也比萘酰亚胺更大。第五章将具有对溶解氧敏感的红光金属铱(Ⅲ)络合物引入聚合物,合成了共聚物P([Ir(DPQ)2phen]-HEMA)。研究了该聚合物和单体的荧光及荧光寿命随溶解氧的变化,发现随着溶液中溶解氧量降低时,其荧光强度得到明显地增强,同时荧光寿命变化更为.显著,单体和聚合物的甲醇溶液的荧光寿命增幅分别达6倍和3倍。在第六章设计合成了具有双光子诱导非线性荧光的TPA-BODIPY,并通过单晶衍射和理论计算确定了其空间构型和前线轨道。该化合物在756和653 nm有两个很强的吸收峰。在甲苯溶液中,用756和644 nm的波长进行激发得到非常强的荧光,而用紫外区波长进行激发,可以很明显地看到能量部分转移,在680 nm左右和820 nm有两个不同强度的荧光峰,而在二氯甲烷和四氢呋喃中均不发生该能量转移行为。采用800 nm波长的激光对其进行双光子荧光激发,发现其荧光光谱出现两个吸收带,分别位于673和594 nm,分析荧光强度与激发光强度的关系,说明该激发波长下化合物显示双光子吸收诱导荧光,而不需要共聚焦就可以观察到强烈的双光子荧光。此外,合成了比率型聚合物荧光传感器P(PT-HEMA)和近红外聚合物荧光传感器P(PDI-HEMA),但是由于荧光光谱变化较小和荧光强等方面因素其作为pH荧光传感器的性能未能达到预期目标。在合成双光子荧光分子TPAP-BODIPY的时候由于提纯遇到困难未能得到最终产物。