线粒体是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器,是细胞中提供能量的结构,是细胞进行有氧呼吸的主要场所。当人体患有一些疾病(如帕金森病)时,这些疾病会造成线粒体膜黏度的改变。线粒体黏度与三羧酸循环相关,呼吸作用产生的分子可以诱导线粒体的黏度变化,反过来线粒体黏度的变化也可以调节呼吸过程中的代谢物扩散。此外,黏度的变化可以降低膜流动性从而抑制线粒体的功能。因此,原位实时监测线粒体黏度,对于生物学和病理学研究是非常重要。由于荧光探针在用于生物样品成像时具有无创,易操作,以及原位和实时观察细胞微环境的能力,已成为广泛应用的检测工具。通常,荧光探针可以分为单荧光峰强度变化的turn-on型探针和双通道强度变化的比率型探针。turn-on型探针通常容易受其他较差量化或可变因素影响,如浓度,激发强度和染料周围环境(pH,极性,温度等)。相对而言,比例探针可以通过双峰比值消除背景干扰,提供更精确的定量检测,避免染料浓度和光漂白的等因素带来的影响。与细胞内离子和溶酶体等实体的成像相比,比率型探针的优势在成像细胞内的物理参数如pH值,温度,黏度等等。借助于比例型探针,通过双峰的荧光强度比可以得到靶标的相关测量参数的标尺的荧光图像,使得精确测量靶标的相关参数成为可能。正因为如此,比例型荧光探针得到了更多人的关注和研究。在最近的文献报道的各种比率测定探针中,对细胞内整体pH值和特定细胞器pH值(如溶酶体)以及整个细胞黏度的黏度已经有所报道,而靶标细胞器的黏度的比例型荧光探针还有待开发。同时,适用于共焦显微镜的线粒体黏度的比率探针有待挑战。我们将芘和吡啶盐结合,设计出了一种可以比例成像线粒体黏度改变的荧光探针PP-1。根据我们组之前的一系列工作,我们确定吡啶盐可以靶标线粒体。同时,PP-1中还存在一个内旋转键,这使得PP-1在低黏度环境下只有芘部分被激发,而在高黏度环境中整个分子都被激发。根据刘等人的工作,除亚硝酸盐之外,其他的众多离子和分子(如F-,Cl-,Br-和Cys)都对PP-1的荧光强度的变化毫无影响。但是除非细胞被污染,否则细胞内的亚硝酸盐含量非常低,通常是无法检测到细胞内的亚硝酸盐的。在共聚焦显微镜下,探针PP-1可以被405 nm激发获得470 nm和550 nm两个激发光,并且这两个光强度的比值的对数值与环境黏度对数值呈线性关系。因此,PP-1可以在共聚焦显微镜下用于追踪线粒体黏度。分子转子对黏度十分敏感,所以我们可以利用转子分子来监测细胞内黏度的变化。并且,这些荧光染料可以以高信噪比(SNR)成像高黏度目标。在这项工作中,我们设计并合成了三种具有D-π-A结构的分子转子,TPA-1,TPA-2和PP-2。这些探针可以响应黏度,并在低黏度溶剂(如水)中呈现弱荧光,并且随着高黏度溶剂(如甘油)用量的增加,荧光大大增强。这所有三种探针都靶向活细胞中的线粒体。这些结果表明,TPA-1,TPA-2和PP-2可用于监测线粒体中的黏度变化。红光探针在活细胞和组织中的成像方面具有很大优势,红光探针与细胞吸收和自发荧光具有更好的光谱分离,双光子荧光具有非常大的优势,例如活性生物样品的强力渗透,以及对样品的损害较小。另外,两个光子荧光只能在焦点附近用强激光激发,这会使光漂白,光损伤效应降低。双光子荧光在生物成像应用中具有其独特的优势,所以设计具有大双光子吸收截面,长波长发射的染料具有重要意义,正因为如此红光探针一直是研究的热点。我们设计的三种发射红色荧光的探针,它们可以清晰地描绘线粒体并具有成像组织的潜力。综上所述,我们合成了一系列线粒体探针。利用跨能级跃迁设计出了比例型黏度线粒体探针;利用D-π-A结构设计出了单峰值黏度线粒体探针;利用扩大分子的共振面积,设计出了红光探针,其中几个探针还具有不错的双光子性能。这些探针对进一步研究线粒体的结构及黏度的影响可以做出一些贡献。