作为超分子化学最为活跃的研究领域,化学传感器特别是其固载化的传感材料在环境科学、工业生产和生物医学等领域的应用正日益受到研究者的重视。而光致变色化合物在光致异构化过程中,相应的光化学和光物理性能均会发生变化,可应用于分子开关和光信息存储等诸多领域。其中,将光致变色与超分子化学的客体识别概念相结合已成为新的研究热点而受到广泛关注。本论文在基于2,1,3-苯并噻二唑荧光团识别Hg2+和CH3Hg+的荧光化学传感器分子的合成和性能研究的基础上,制备了具有检测和吸附Hg2+性能的新型多功能介孔材料及其形成的无机膜材料,旨在对荧光化学传感器的定量检测待测物以及传感材料的工业化做进一步的探讨和发展。此外,本论文设计合成了一系列具有不对称结构的二噻吩乙烯类光致变色材料,发现其具有离子识别能力和离子调控光致变色性能,并以此为基础成功构建了支持复杂逻辑运算的单分子逻辑电路和具有序列响应功能的分子逻辑键盘锁以实现分子层面的数据保护。本论文的主要内容概括如下：第一章重点介绍了荧光化学传感器的基本原理和光致变色的概念,并对反应型金属离子荧光化学传感器和具有离子识别功能的二噻吩乙烯类化合物的最新研究进展进行了综述,并且提出本论文的课题。第二章设计合成了两个以2,1,3-苯并噻二唑为荧光团和硫脲为识别基团的新型反应型化学传感器BTA1和BTA2,并充分研究了它们对各种金属离子的荧光响应。BTA1具有出色的光学特性并且在水溶液中可以高选择性的识别Hg2+(?)(?)CH3Hg+。虽然BTA2对Hg2+(?)(?)CH3Hg+的荧光响应速率低于BTA1,但BTA2仍不失为优秀的化学传感器以用于特异检测Hg2+和CH3Hg+。吸收光谱、荧光光谱,特别是氢谱核磁(1H NMR)滴定实验和高分辨质谱(HRMS)实验均证实BTA1和BTA2对Hg2+(?)(?)CH3Hg+的响应原理是Hg2+和CH3Hg+促进的脱硫反应。第三章将2,1,3-苯并噻二唑类衍生物和巯基衍生物通过共价键嫁接于MCM-48型介孔材料,制备了新型有机-无机复合硅材料(MCM-3T),并通过多种光谱手段对其进行了结构表征。MCM-3T具有非常优秀的光学性能,在水溶液中可以高选择性的识别Hg2+,对Hg2+的最低检出限达到8.0×10-6M,并且可以在pH 5.0-11.0范围内对Hg2+进行检测。MCM-3T还是理想的Hg2+吸附材料,其对Hg2+吸附的动力学过程符合弗罗因德利希(Freundlich)吸附方程,由此得出Hg2+的最大吸附量高达234.88 mg·g-1。进一步在α-Al2O3陶瓷管上制备了新型多功能介孔材料无机膜,并通过扫描电镜(SEM)表征了膜的形态。在自制的膜渗透装置上实验发现,当Hg2+溶液渗透通过膜后,溶液中多达90.7%的Hg2+被膜所吸附、过滤,同时膜的颜色和荧光颜色均发生明显的变化。这样简单的制备策略,经济便宜的起始原料,显著的输出信号变化都说明MCM-3T及其形成的无机膜可以作为检测和分离Hg2+的多功能材料而广泛应用于环境和工业领域。第四章设计合成了两个具有不对称结构的二噻吩乙烯衍生物P1和P2。P1具有“门控”光致变色性能：在紫外/可见光交替照射下,其在乙腈等多种有机溶液中均不发生光异构化反应；但是在Cu2+或H2O存在下,P1可发生可逆的光致异构化反应,即具有光致变色性能。在紫外/可见光交替照射下,P2展现出二噻吩乙烯类化合物典型的光致变色特性。P2及其Cu2+络合物的光致变色性能和荧光信号可以分别通过与Cu2+和CN-络合的方式来调控。进一步以P2为平台构建了具有三输入信号和三输出信号的复杂逻辑电路和具有序列响应、记忆存储功能的分子逻辑键盘锁。这些工作均为将来设计具有特殊结构的光致变色功能分子提供了重要思路。第五章设计合成了两个以二噻吩环戊烯为核心单元的光致变色化合物P5和P6。充分研究了P5和P6对各种金属离子和阴离子的光谱响应,发现它们在乙腈溶液中可以高选择性的检测Hg2+和F-。工作曲线(Job’s plot)证实Hg2+的加入会使P5或P6与Hg2+形成1：1配位比的络合物。从光谱变化和氢谱核磁(1H NMR)滴定实验可知,硫代酰胺基团的脱质子化作用是P5和P6对F-的识别原理。在紫外/可见光交替照射下,P5和P6可以发生可逆的光异构化反应。而且,它们的光致变色性质可通过在溶液中加入Hg2+或F-来调控。实验发现,P5和P6的光稳态产物也可以作为Hg2+和F-的化学传感器。