自然界中很多生物,如海萤、萤火虫、水母、细菌、腰鞭毛虫、荧光鱿等,都拥有发光的能力。在这些发光生物中,由于海萤和萤火虫的发光效率较高,备受生物学家和化学家青睐。由于海萤和萤火虫结构简单、量子产率高、对环境敏感、光稳定性好、对质子有好的选择性和可逆性等优点,常用作荧光探针材料用于细胞p H的检测。但天然氧化荧光素的发射波长较短,荧光的组织穿透性较差,易被细胞组织吸收,要扩大海萤、萤火虫的应用范围,必须解决它们发射波长过短的问题。并且要将它们应用于荧光探针材料检测细胞p H,还需要研究它们在生理p H条件下对p H的敏感程度。因此,本文想要设计一些能发出荧光波长较长、对p H变化敏感的氧化荧光素衍生物用于细胞p H的检测。本研究在不改变海萤和萤火虫氧化荧光素分子骨架结构的基础上,改变某些官能团进而得到一些新的氧化荧光素衍生物。用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）方法优化基态和激发态的几何结构、计算吸收和发射光谱、基态和激发态解离常数（p Ka和p Ka*）。以这些结果为基础,得到一些可以发出红光且在生理条件下对p H有一定敏感程度的衍生物,这些分子可作为p H荧光探针、分子氧探针的备选材料。本文主要包括以下三个部分:1、无需辅助因子的海萤生物发光通常用于检测分子氧。天然的海萤氧化荧光素和大多数衍生物只能发出蓝光,这限制了海萤氧化荧光素衍生物在检测活性氧中的应用。为了克服这一限制,我们设计了两个系列的荧光素衍生物:2-乙酰氨基-5-芳基-3-（对甲氧基苯基）吡嗪、2-乙酰氨基-5-芳基-3-（对三氟甲基苯基）吡嗪。结果发现,海萤氧化荧光素衍生物的发出的光覆盖了整个可见光区域。特别值得一提的是,2-乙酰氨基-5-（反式-2,3,6,7-四氢-1H,5H-苯并[i,j]喹啉嗪-乙烯基）-3-（对-三氟甲基苯基）吡嗪（1h）可以发出红光。通过比较发射光谱和振子强度,发现C3位置的给电子基团取代使波长蓝移并提高发光效率。通过引入共轭双键,增加共轭长度,发射光谱红移,发光强度变强。除此之外,通过分析基态和激发态的相对稳定性发现,在生理p H值下,中性形式占主导地位。2、由于具有较高的生物发光效率且没有辅助因子,海萤生物发光已被开发为必不可少的分析工具。但是,海萤仅能发出蓝光,而某些生物材料可能会吸收蓝光。为解决这个问题,我们设计了三个系列的荧光素衍生物,分别对海萤氧化荧光素的三个位置,C5（R1）处的3-吲哚基,C3（R2）处的3-（1-胍基）丙基和酰基部分的（S）-2-丁基（R3）,用苯基、萘基和菲基进行取代。结果发现,海萤氧化荧光素衍生物可以发出紫、蓝、绿和黄光。在562nm处能观察到最大波长,其仅通过菲基的共轭作用而实现。而且,萘基在C5位的取代比苯基和菲基对发射波长有更大的影响。激发态解离常数的计算表明2-乙酰氨基-5-萘基-3-萘并吡嗪（B2）可能是p H荧光探针的备选材料。3、由于萤火虫荧光量子产率高、灵敏度高且信噪比低,其在荧光探针领域得到了广泛的应用。但是,萤火虫的氧化荧光素有六种化学形式可以在溶液中共存。溶液中不同形式的相对稳定性增加了分析其光物理性质的难度。为了解决此问题并深入了解实验中观察到的光谱性质,我们设计并研究了六种萤火虫的氧化荧光素衍生物。各氧化荧光素衍生物分别在基态和激发态的形式分布情况表明,对于所有萤火虫氧化荧光素衍生物而言,仅存在keto（0）,keto（-1）和enol（-2）这三种形式。出乎意料的是,大多数分子在基态时比在激发态时酸性更强,表明它们是光碱。物种在激发态的分布表明对p H最敏感的分子是2-（6’-羟基苯并噻唑）-2,3二氢-4-羟基吡咯（Oxyan-1）和1-（5’-溴化6’羟基苯并噻唑）-2-（4-羟基噻唑）乙烯（Oxyan-4）,因为它们的化学平衡由相同的三种形式组成:keto（0）,keto（-1）和enol（-2）。第一个去质子化发生在酸性p H下,第二个去质子化发生在碱性p H下,单个去质子化的物质存在于更中性的p H下。这表明Oxyan-1和Oxyan-4都是p H荧光探针的良好候选者。对水中发射光谱的详尽分析表明,萤火虫氧化荧光素衍生物能够发出的光有近红外光和紫外可见光。