荧光小分子探针作为一种良好的检测工具,因其对生物体或细胞中的特定物种的快速反应和优异的选择性受到广泛的关注。位于近红外区域的探针由于对样品损害较低,并且可以有效地避免生物体内的背景荧光,所以在生物成像应用中具有独特优势。半胱氨酸(Cys)是一种生物硫醇,参与了生命体众多生理过程,Cys水平异常变化会诱发多种疾病,其中也包括癌症。线粒体是Cys的重要生产源,细胞进行生命活动时会产生很多活性氧(ROS),而过多的ROS可导致细胞死亡,为了避免这种氧化损伤,Cys可作为抗氧化剂清除线粒体中多余的ROS。因此,为了检测线粒体中Cys的含量变化,设计具有良好光学性能和线粒体靶向性的Cys探针是非常必要的。另外,细胞粘度在调节生物过程中起着关键作用。线粒体粘度异常可能会引起神经退行性疾病、动脉粥样硬化和糖尿病等,而溶酶体粘度异常可能会诱发心脏病、衰老和溶酶体贮存疾病等。由于细胞内各个细胞器组分不同,而且每个细胞器都需要最佳粘度来发挥其功能,因此细胞内粘度分布是不均匀的。粘度的异常波动可为早期疾病诊断提供信号,因此需要开发可靠的细胞器靶向粘度探针来监测粘度变化。本文的工作可分为两部分,第一部分基于苯并吩噁嗪和氧杂蒽骨架设计合成了四个Cys荧光探针;第二部分以半菁为母体结构设计制备了九个粘度荧光探针。系统地探讨了它们的光学性能及在细胞中的应用。具体如下:1、第一部分第一节设计合成了三个基于苯并吩噁嗪(苯并试卤灵和尼罗红)的Cys探针1a-c,并系统比较了它们的光学性能。光学实验表明,带有丁烯酸酯基团的探针1b对Cys没有响应。而探针1a和1c虽然具有相同的反应位点(丙烯酸酯),但它们对Cys的光学反应信号是完全不同的。基于苯并试卤灵的探针1a在631 nm处对Cys显示出OFF-ON型荧光响应(荧光增强118倍),并且有低的检测限(DL=19.8 nM)。而与探针1a相比,基于尼罗红的探针1c在665 nm处随着Cys浓度的增加,荧光强度逐渐减弱。用密度泛函理论(TDDFT)计算可以解释探针1a和1c对Cys的不同荧光响应机理。同时,探针1a和1c可成功被应用于HeLa细胞中的Cys检测。第二节设计并研究了一个线粒体靶向的比率型Cys荧光探针7。探针7是由氧杂蒽衍生物和一个含有丙烯酸酯部分的苄基组成。该探针水溶性良好,对Cys表现出很好的选择性,并且其检测限数值低至33.7 nM。同时,细胞实验表明探针7具有良好的线粒体靶向性(皮尔逊相关系数为0.96),并能通过双通道比率型监测活HeLa细胞中的内源性亦或外源性Cys,显示了它在生物应用中的巨大潜力。2、第二部分第一节基于氮阳离子菁类骨架设计合成了六个线粒体靶向的粘度探针10a-f,并系统研究了它们的光学性能,光学实验表明,探针10a-f在近红外区域(652-690nm)对粘度表现出明显的OFF-ON型响应,而且与粘度变化呈现出良好的线性关系。不同溶剂测试和选择性实验表明溶液极性及各种竞争性物种不能干扰探针10a-f对粘度的检测能力。细胞成像分析表明,探针10a-f能选择性聚集在线粒体中并能用于细胞内线粒体粘度检测。第二节在上一节工作基础上,通过对氮阳离子菁类骨架进行了简单修饰,设计合成了三个溶酶体靶向的粘度探针12a-c。探针12a-c在近红外区域(662-690 nm)对粘度表现出明显的OFF-ON荧光响应,并与溶液粘度变化呈良好的线性关系。利用瞬态吸收光谱研究了染料12a在不同粘度下的激发态寿命,发现激发态寿命随着粘度的增加而延长,这可能由于中间的C-C单键旋转受限导致的。此外,细胞成像分析表明,探针12a-c能运用于HeLa细胞中溶酶体的粘度波动检测。总之,本工作设计合成了三种不同类型(OFF-ON型、减弱型和比率型)的Cys荧光探针(1a、1c和7)以及两种不同细胞器靶向(线粒体和溶酶体)的粘度荧光探针(10a-f和12a-c)。每个探针都具有优良的检测性能,显示出未来在生物领域应用方面巨大的潜力。