近些年来,随着生物和化学交叉学科的发展,运用荧光探针的手段对细胞内功能性物质的研究不断引起人们的广泛关注,尤其一些与人类生理和病理非常相关的功能小分子。本论文中主要围绕分子内电荷转移机理设计合成了几个染料探针分子,并分别讨论了它们作为功能小分子荧光探针的应用。本文的第二章,以1,8-二萘亚酰胺为荧光发色团、芳基叠氮碳酸氨酯为H2S反应位点,设计并合成了两个比例的荧光探针probe 1和probe 2。probes可以高选择性的对H2S响应而不对其它生物硫醇及活性体响应,并且可以实现线粒体中与H2S比例的双光子共聚焦荧光成像,目前来说,能够在线粒体中比例双光子对硫化氢成像的探针报道相对比较少。除此之外,probe 1对还H2S表现了非常高的灵敏性,检测限可低到0.15μM。本文第三章围绕设计并合成一例可以同时检测H2S和生物硫醇的荧光探针QME-N3进行了研究。QME-N3以喹啉为荧光发色团,叠氮基和丙二酸乙酯部分分别为H2S和生物硫醇的检测位点。此设计诣在于研究迈克尔加成检测生物硫醇时,是否受到硫化氢的干扰?在研究中发现,硫化氢也可以发生迈克尔加成,但是反应非常的慢,在细胞中,生物硫醇的含量又是远大于硫化氢的,因此硫化氢的干扰可以忽略不计。第四章主要是关于开发新型水溶性苯硫酚荧光探针6-HQM-DNP和7-HQM-DNP。我们以6-羟基和7-羟基喹啉季铵盐(6-HQM,7-HQM)为荧光发色团,2,4-二硝基(DNP)苯醚为亲核反应位点进行设计。当苯硫酚亲核进攻芳醚时,其可以使荧光发色团7-HQM释放,并伴随着强的绿色荧光发射。探针表现出了高的灵敏性,对于7-HQM-DNP检测限可达到8 nM。另外对苯硫酚的响应表现出了较高的选择性,对其它的脂肪硫醇及亲核物质没有响应。同时还研究了两个探针对苯硫酚的响应速率,7-HQM-DNP和6-HQM-DNP对苯硫酚响应的二级数率常数分别为45和24 M-1s-1,两个反应的速率是相当的。7-HQM-DNP其可以很好的渗透到细胞中选择性的对苯硫酚成像而对生物硫醇没有响应。除此之外,这些喹啉季铵盐有着良好的化学稳定性和热稳定性。总的来说这两个探针分子可以对环境和细胞内的苯硫酚进行选择性识别。第五章进一步阐述以喹啉季铵盐染料为基础进开发新型荧光探针。我们设计了探针分子7-HQM-E用于双氧水检测。探针分子含有芳基硼酸酯作为双氧水响应位点,通过与双氧水亲核反应,自由羟基被释放,会引起一个从蓝光到强绿光的荧光比例变化。7-HQM-E可以高选择性的响应双氧水而不与其它ROS作用,由于其盐的形式,可以在水中有着较大的溶解性,高达70μM,这为其生物成像及水中检测双氧水提供了很好的条件。目前三杜基硼烷结构(包括电子效应和位阻效应)对阴离了的响应的影响还不是完全的清楚。基于我们之前合成的一系列不同取代基的D-A体系的三杜基硼烷,第六章中我们主要讨论这些三杜基硼烷对氟离子响应的性质,包括荧光响应模式,与氟离子的键合常数大小及对氟离子的选择性变化并于氰根离子作比较。其对氟离子的荧光响应主要是依赖于三杜基硼烷的ICT态和LE态(local excited state)。ICT态的性质主要由ICT热力学过程所决定。另外其与氟离子的键合常数依赖于三杜基硼烷硼核的路易斯酸性,而其路易酸性又是由三个杜基的电子效应所决定的。本次工作也第一次报道了三杜基硼可以在非质子溶剂中选择性的对氟离子响应而不与氰根离子响应,可能是因为三杜基硼立体位阻比较大,对于小体积的氟离子的识别是有利的。而对于带有三个氰基的TCDB,其硼核路易斯酸性最强,表现出对氟离子较低的选择性。另外,我们通过溶剂效应和理论计算研究TCDB对阴离子的响应,证明了三杜基硼烷对阴离子的响应受溶剂的影响比较大。