线粒体具有重要生理功能,为细胞提供能量,参与细胞分化、信息传递、凋亡等过程。线粒体功能异常与衰老、肿瘤、神经退行性疾病、代谢性疾病等密切相关。在线粒体中生物无机物种如氧气、质子、H2S等参与重要生化反应,它们的时空分布影响并体现了线粒体的生理过程和状态。对这些物种的检测,有利于促进线粒体相关生理、病理过程的研究。但这些物种在线粒体中含量低、变化快,需要具有高灵敏度、能快速原位响应的测试手段。荧光成像具有选择性好、灵敏度高、分辨率高的特点,能对生物样品原位检测,在细胞成像、活体成像以及临床上得到广泛应用。部花菁类染料具有独特的亲核反应性能和荧光光谱性质,分子内存在亲脂性阳离子,常用来设计线粒体靶向的亲核性物种的荧光识别探针。本论文以线粒体靶向的部花菁类荧光探针为主线,设计了一系列部花菁类荧光探针,研究了取代基对探针与底物的响应能力和线粒体靶向能力的影响,并在细胞器层面和活体层面研究了探针对底物的成像能力。硫化氢是继CO和NO之后被发现的第三大气体信号分子,参与细胞信号转导、调控组织功能,如扩张血管、降低血压等。硫化氢生理功能的发挥与线粒体息息相关,它参与呼吸链电子转移、氧化磷酸化、ATP合成等过程,对线粒体内H2S成像具有重要意义。以吲哚盐与香豆素杂合的部花菁为荧光团,通过改变吲哚N上的取代基,我们设计合成了Cou系列探针,探究了吲哚N上不同取代基对探针的H2S响应和线粒体靶向能力的影响。Cou Pa探针中吲哚N上的取代基为丙羧基,生理条件下羧基以负离子形式存在,阻碍H2S对Cou Pa的亲核进攻,导致探针不能对细胞中H2S有效检测,但促使探针有效靶向线粒体。吲哚N上的丙羧基取代基变成丙酰胺衍生物后,探针对H2S的响应能力提高,Cou Ma、Cou Ea及Cou DE探针都能够对细胞内H2S进行比例计量成像。三个探针对线粒体的靶向能力有较大区别,Cou DE探针能较好地靶向线粒体,Cou Ma探针和Cou Ea探针都没有线粒体靶向功能。这可能是因为Cou DE探针的N,N-二乙基酰胺取代基具有更强的疏水性。这说明吲哚氮上的取代基对探针的亲核响应行为和线粒体靶向能力具有较大影响。乏氧对线粒体具有双重作用,一方面会导致线粒体自噬,另一方面会促进线粒体的生物合成,主导作用取决于乏氧的剧烈程度、持续时间和细胞环境。据报道大多数的实体肿瘤中存在乏氧区域,线粒体功能出现异常,而且肿瘤微血管中红细胞通量的变化会导致高频率的乏氧-复氧循环,使得乏氧诱导因子HIF-1含量远远高于慢性乏氧状态,导致肿瘤的治疗成功率下降。线粒体靶向的可逆型乏氧识别探针有助于肿瘤等疾病的诊断和治疗。以吲哚盐和氧杂蒽杂合的近红外部花菁为荧光团,偶氮基为识别基团,变换偶氮苯上的供电子/吸电子性取代基,分别设计合成了两例识别乏氧环境的荧光探针HDMA和HDSF。供电子取代基使探针HDMA识别乏氧的能力较弱,吸电子取代基使探针HDSF具有较好的乏氧识别能力。更重要的是,探针HDSF还具有可逆性识别乏氧环境的能力。探针HDSF在生理pH条件下荧光信号稳定,对乏氧的识别选择性高,能够靶向线粒体。利用HDSF实现了对三维细胞球中乏氧区域的成像,同时在溶液、二维细胞以及活体斑马鱼中都成功实现了对乏氧-复氧多次循环的可逆成像。HDSF是首例可逆型的偶氮类乏氧识别小分子荧光探针,同时探针的激发和发射波长都位于近红外光区,在分子层面和活体层面都具有极大的应用前景。pH在生命体中发挥着关键性作用。线粒体基质呈弱碱性,其质子浓度梯度关系到ATP生成和Na+、K+、Ca2+离子调控,具有重要生理作用,对线粒体中pH动态成像有重要意义。以香豆素与吲哚盐杂合的部花菁为荧光响应基团,在吲哚盐上共价连接疏水性脂肪长链,设计出探针Cou Da。该探针在生理pH条件下能与OH-离子发生亲核加成反应,同时吲哚氮正离子结构使得它具有线粒体靶向功能。Cou Da的p Ka值在7.5左右,线性相应范围在pH 6.5-8.5,具有较好的特异性。利用Cou Da实现了对细胞线粒体内的pH变化进行成像。