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荧光分子探针由于其无创性、高灵敏度以及实时可视化监测等优点,已越来越成为检测生物体内各种分析物的有效手段。当探针分子与各种细胞、组织以及生物有机体内的分析物相互作用后,输出吸收和发射信号,实现对各种活性物种的检测。同时也有越来越多的小分子荧光探针染料,被特定化设计成细胞内的荧光标记物,用来研究细胞生理活动和追踪细胞内药物释放过程。其中近红外荧光探针由于其长波长的吸收和发射,能减少测试过程中组织的自发背景荧光、高的荧光量子产率和光稳定性以及好的生物相容性等优点,近年来被越来越多的开发设计。溶酶体是每个真核细胞的细胞质中一种重要的细胞器,是细胞代谢的一个指挥和控制中心,尤其在细胞消化系统中起着重要作用。设计开发新的近红外溶酶体定位探针可以直观的可视化溶酶体在细胞生理活动中参与的各项活动。二氧化硫含量通常被认为评定空气污染等级的重要指标之一,同时也是形成酸雨等恶劣天气的污染物。随着化工原料在我们生活中燃烧使用的普遍,二氧化硫会被人体吸入溶解在人体体液中,并产生其衍生物亚硫酸盐(SO32-)和亚硫酸氢盐（HSO3-）,这会对我们的人体造成很大的毒害作用;亚硫酸盐也存在于日常生活的食品添加剂中,过量的吸入亚硫酸盐也会对我们人体健康产生很大的危害。因此,开发新的溶酶体靶向和亚硫酸盐的近红外荧光探针,对它们的有效定位和检测不仅便于了解其在细胞内的生物学作用,而且对于解释生命现象、疾病的诊断等领域也会发挥更加重要的作用。本论文以噁嗪和苯并吲哚半菁为母体设计和合成了三类荧光分子探针,并对其光学性能和生物学性能进行了深入研究,具体内容如下:1、合成了七个基于吩噁嗪通过酰胺缩合反应连接不同含氮基团的近红外探针1a-g,对比评估了不同含氮基团对探针1a-g的光学性能以及溶酶体靶向能力上的影响。七个荧光探针中只有1b-d三个探针表现出随pH变化的荧光发射响应,都在675nm左右表现出最大的荧光发射,pKa分别为3.99、5.57和2.46,并且随着含氮基团的给电子能力的增加,荧光强度的淬灭程度也增大。通过细胞实验证明了探针1c和1d选择性标记了HeLa癌细胞和Ges-1正常细胞的溶酶体。因此,1c和1d中含有的芳香族N,N-二乙基苯胺基以及喹啉基团被认为是新的溶酶体靶向基团。2、设计合成了六个基于苯并噁嗪近红外pH探针2a-f,利用荧光团反应的光致诱导效应（FBR-PET）机理,比较了低聚乙二醇链对探针2a-f的光学性能以及细胞溶酶体定位的影响。pH滴定实验表明三个探针2a-c都在700 nm左右表现出近红外的最大荧光发射,并随着pH变大呈现近乎“ON-OFF”型发射响应,pKa分别为5.03、4.92和4.90。探针2d-f随着pH变大（1.0-4.0）在691-717 nm处表现出近红外最大荧光发射,但是探针2d-f未表现出明显的“ON-OFF”型荧光发射响应,pKa分别为2.26、2.23和2.26。细胞实验表明探针2a-c在癌细胞（HeLa）以及正常细胞（Ges-1）中都是溶酶体靶向探针。探针2a对质子表现出非常好的选择性和可逆性,可以通过荧光成像来监测氯喹诱导引起的pH升高,以上实验结果低聚乙二醇对适合pKa值的探针具有提升溶酶体定位的能力。3、设计和合成了一种基于苯并吲哚花菁的亚硫酸氢盐探针3c,并详细研究了其对亚硫酸氢钠的光学响应和在HeLa细胞中的应用。对亚硫酸氢盐的滴定实验表明探针3c对HSO3-有比色型以及OFF-ON型的荧光响应。在pH为5.0-8.0时,探针3c随着pH升高荧光发射增强。为了进一步研究探针在生理环境下的检测应用,所有的测试都是在含有10%的DMSO的pH=7.4的PBS缓冲溶液中进行,当没有加入NaHSO3时,探针3c在460 nm显示极弱的发射,当加入8.0当量的NaHSO3时,荧光发射得到显著增强,在460 nm处的荧光强度增强了468倍,响应时间为180秒,并且当NaHSO3浓度为0.0-0.3当量范围内,探针3c的荧光强度和NaHSO3的浓度之间具有线性关系,其检测限低至13.9 nM。HeLa细胞成像实验表明,探针3c能够用于选择性地检测线粒体中的外源亚硫酸氢盐。