生物发光(bioluminescence)是一种存在于生物体内的特殊类型的化学发光,它不依赖于有机体对外界光能的吸收,而是体内化学物质在酶的催化下高效的将化学能转变为光能的过程。生物发光活体成像技术由于其非侵袭性、高灵敏度、可视化以及能够实现实时动态观测等优点已被广泛应用各个领域,成为了一种重要的活体成像手段。萤火虫生物发光系统作为研究开始最早,研究最为透彻的一个生物发光系统,被广泛应用于生物发光成像。萤火虫荧光素有着良好的溶解性,高效的反应速度,强烈的生物发光强度,是萤火虫生物发光体系中主要的工具药。在ATP、02和Mg2+存在的条件下萤火虫萤光素可被萤光素酶氧化,释放出氧化萤光素同时发生生物发光现象。本课题基于萤火虫萤光素的结构,分别设计了三种活性小分子的生物发光探针,分别是过氧化氢探针、硫化氢探针、氟离子探针,和三个能够被萤光素酶催化氧化发光的的环烷基单取代氨基荧光素类化合物。本论文主要包括两个主要部分：1.研究了3种用于检测生物活性小分子的生物发光探针,并对其生物活性进行了详细评价。生物体内的活性小分子对于机体的生命活动起着重要的作用。适量的过氧化氢在信号转导、能量生成、生长调节、生物合成及细胞代谢等方面都起到了不可或缺的作用；氟离子作为自然界中最小的阴离子,在生命体中起着至关重要的作用,与人体健康有着密切联系。它是人体必需的微量元素,可以预防龋齿,也可以用作治疗骨质疏松症的药品。另一方面过量氟化物是牙齿和骨氟中毒的主要原因；硫化氢继一氧化氮、一氧化碳之后被认为第三种重要的调节血管、神经、免疫系统的气体信号分子,但是一旦细胞不能保持正常的H2S浓度,就会引发诸如动脉和肺动脉高血压、老年痴呆症、胃黏膜损伤和肝硬化等各种疾病。本论文设计的生物小分子生物发光探针都是由发光基团氨基萤光素或者是D-荧光素、小分子识别基团组成,其中有四个探针加入了自降解连接臂。每种探针中都有一个选择性和识别活性都相对良好的探针,能够定性和定量的检测溶液、细胞和体内产生的微量的活性小分子。这些探针能够实现对活性小分子的可视化的实时非侵袭检测,是很有潜力的生物发光探针。2.合成了三个萤光素酶底物,并测试酶水平、细胞水平和动物水平的生物发光性质。我们对应用较为广泛的氨基萤光素进行结构改造,设计了三个脂溶性较大的萤光素酶底物,对氨基荧光素6’位的氨基用环烷基进行单取代,这三个底物都可进行生物发光成像,而且发光波长有着明显的红移,体内发光时间明显延长,透过血脑屏障进行脑部成像的灵敏度明显提高,所以这三个底物将会拓展生物发光成像在活体成像方面的应用。