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荧光探针分子可被分为三大部分：识别部分、信号部分以及连接部分。识别部分可以有选择性的与被分析物结合从而触发探针结构或内部电子排布的变化，而选择性是衡量荧光探针性能好坏的主要标准之一，因此，在设计荧光探针分子时应选择具有一定的空腔结构的基团作为识别部分，常见的这一类化合物有冠醚、杯芳烃、环糊精等。信号部分则是将识别部分与目标物结合后引起的结构或电子排布的变化转化为容易观察或检测到的荧光信号，通常情况会选择荧光发射强的化合物作为信号部分。强荧光物质具有大的共轭π键结构，刚性平面结构，取代基为给电子基团的特点，常见的有罗丹明、荧光素、香豆素。连接部分所起的作用就是将识别部分与信号部分连接成为一个整体，并将识别的信息转化传递到信号部分，使其发出荧光。
2.3 荧光分子探针识别机理
根据荧光基团的荧光发射方式，可以将金属离子荧光探针的识别机理分为光诱导电子转移(PET)，分子内电荷转移(ICT)，荧光共振能量转移(FRET)，单体-激体缔合物(Monomer－Excimer)等。近年来，聚集诱导发光(AIE)、C=N异构化(C=N isomerization)等新的识别机理相继被报道。因为新的识别机理还不够成熟，也明显没有传统识别机理那么完善，所以应用不够广泛，远远比不上传统识别机理。但新的识别机理在一定程度上解释了一些现象的发生，弥补了传统识别机理的不足，为我们设计新型荧光探针开辟了新的道路。
2.3.1 光诱导电子转移(Photoinduced Electron Transfer, PET )
光诱导电子转移(PET)是指当受到光的激发后，电子给体会进入激发态，从而与电子受体发生电子的转移，或者电子受体被激发进入激发态与电子给体间发生电子的转移。一般地，PET荧光探针主要是由受体部分(receptor)、荧光部分(fluorophore)以及间隔基(spacer 如亚甲基、乙烯基等)构成。受体部分带有可被激发的电子给体；荧光部分带有可被识别的荧光信号；识别机理为：当受体与客体分子没有结合之前，荧光团的荧光容易被受体上的孤对电子淬灭，因此探针分子只会发出弱荧光甚至不会发出荧光；而当受体与客体分子结合后，光诱导电子转移过程被减弱或抑制，荧光团的荧光增强或恢复。荧光分子探针在与客体分子结合的前后，荧光信号由无荧光或弱荧光转变为有荧光或强荧光，类似于荧光的开光，因此这类荧光分子探针也被称为荧光分子开关。
为了进一步解释PET探针的作用机理，可以用前线轨道理论来解释：在受到光的照射时，荧光基团中处于HOMO轨道的一个电子会被激发跃迁至LUMO轨道，而能量介于两轨道之间的识别基团的HOMO轨道上的电子会向荧光基团的HOMO轨道转移，位于LUMO轨道上的电子无法释放能量回到HOMO轨道，体系也就不会产生荧光信号，处于“关闭”(OFF)的状态；但当探针分子与目标离子结合后，识别基团的给电子能力降低，氧化还原电位增加，导致识别基团的HOMO轨道的能量低于信号基团的HOMO轨道，不会再出现电子由识别基团的HOMO轨道向信号基团的HOMO轨道转移的过程，信号基团LUMO轨道上的电子可以通过释放能量重新回到HOMO轨道，体系产生并发射出荧光信号，处于“开启”(ON)的状态。
曾宪顺课题组[12]合成了一种基于PET机理的荧光分子探针1，探针1以N和S作为PET的电子给体，以S作为PET的电子给体是非常少见的，与A13+ 结合前后，探针1的荧光变化达到110倍。
De silva课题组[13]设计了一个简单的基于PET机理的荧光分子探针2，该探针与K+ 在甲醇溶剂中，荧光量子产率发生了较大的变化：从0.003增加至0.141。