近年来,具有灵敏度高、可实时和空间分辨成像、对活细胞或组织光损伤小及背景干扰低等特点的荧光探针标记成像技术,是监控活细胞与活体中生物分子及其生物过程的重要手段,同时,该技术对于从分子水平上研究各种疾病的发病机制具有重要前景。荧光成像技术在本质上是一种弱光成像技术,成像质量非常依赖荧光染色所使用染料的光物理性能。本论文针对罗丹明荧光染料作为光学信号报告基团在荧光成像中的缺陷,以及已报道荧光探针在亚细胞层次细胞器荧光标记检测的不足等关键科学问题。本论文从新型氧杂蒽荧光染料的结构创新入手,主要开展了以下工作:通过直线延长氧杂蒽共轭体系合成出一类荧光性能可以通过“开-关”环结构调控的近红外荧光染料TJ730,系统研究了其光物理性能和细胞标记成像性能以及在荧光探针设计合成中的应用。TJ730最大吸收波长大于600 nm、最大发射波长处于近红外光区（3730 nm）、斯托克斯位移大（>100 nm）;在活细胞荧光成像实验中,TJ730展示出较好的生物相容性,低的细胞毒性,具有靶向定位溶酶体的功能。利用该类染料共轭体系中S原子与ClO-发生氧化作用后引起共轭体系电子能级改变,从而导致荧光信号变化的原理,通过对其简单酯化衍生化后获得了探针1和2。探针1和2实现了对ClO-高选择性和高灵敏度的比率型荧光检测;同时实现了活细胞中外源次氯酸的真时间荧光成像检测。另外,基于染料TJ730螺环内酯“关-开”可以控制荧光信号“关-开”机制,设计合成了一系列对金属离子(Hg²⁺,Cu²⁺)具有专一选择性的近红外荧光探针LC1、LC2、LC3和LC4。制备了一系列具有溶酶体靶向定位功能的荧光探针,并对荧光识别性能和细胞器靶向定位性能做了系统研究。首先,开展了针对溶酶体ClO-检测的荧光探针设计合成与性能研究。利用吩噻嗪结构单元同时作为对ClO-的识别位点和PET荧光机制的电子给体对萘二酰亚胺荧光基团的发光信号进行调控,设计合成了荧光探针PT-1和PT-2,系统的光谱研究和细胞标记成像研究表明探针对ClO-具有选择性强、灵敏度高（检测限分别为0.32 nM和0.88 nM）、响应快速等优良的荧光识别检测性能;实现了溶酶体内外源和内源ClO-真时间的荧光成像检测。基于PT-1的靶向定位检测模型,以染料TJ730为光学信号报告基团,进一步设计合成了具有长波长荧光发射性能和溶酶体靶向定位功能的比率型荧光探针PT-3。探针PT-3实现了对ClO-高选择性和高灵敏度（3.2 nM）的比率荧光检测;细胞标记荧光成像检测工作表明该探针具有细胞膜透性好、生物毒性低等性能,可以实现溶酶体中外源次氯酸的真时间荧光成像检测。其次,开展了针对溶酶体Cu²⁺检测的荧光探针设计合成与性能研究。在设计合成具有FRET发光性能的萘二酰亚胺-罗丹明双荧光基团和对溶酶体具有靶向定位功能吗啉官能团的通用染料分子平台III的基础上,利用该染料中螺环内酯“开-关”结构控制荧光信号“开-关”的结构基元设计合成了荧光探针V,光谱研究结果和细胞标记荧光成像表明探针V对铜离子具有高选择性、高灵敏度（检测限达到1.45 nM）的FRET比率荧光检测功能;对溶酶体中的铜离子具有靶向定位标记的FRET比率荧光成像检测功能。在此基础上,以TJ730为光学信号报告基团,进一步设计合成了具有近红外荧光发射性能和溶酶体靶向定位功能的荧光探针LC5。系统研究表明,探针在pH为4-9的范围内对Cu²⁺具有专一选择性和高灵敏度（检测限为14 nM）的荧光识别检测性能;利用该探针实现了溶酶体中Cu²⁺的近红外靶向定位荧光成像检测。通过对罗丹明染料取代官能团的改造设计,合成了邻二胺基罗丹明模型荧光探针L。光谱研究表明L与甲醛、丙酮醛和乙二醛三种醛类反应动力学和反应产物的荧光性能均存在显著差异,利用这些差异可实现对甲醛和丙酮醛的区分检测和荧光成像检测。