三磷酸腺苷(ATP)是细胞中一种重要的含磷酸基团的生物有机分子,其参与许多生理变化过程,并且其含量的变化与许多疾病的发生以及发展密切相关。因此,定量和实时监测细胞中ATP变化具有重要的生理和病理学意义。虽然一些荧光探针已经被用于生物体内ATP含量的监测,但是这些荧光探针主要存在以下问题:第一,探针选择性差和响应范围窄,很难实现细胞内的ATP选择性成像;第二,几乎所有的探针都是基于单波长变化来检测ATP,受仪器和细胞微环境的影响,无法实现细胞内ATP的定量检测。这些问题限制了ATP荧光探针在生物传感和成像中的应用。针对上述问题,基于合理设计和筛选相结合的策略,本论文发展了具有合适结合常数的比率型ATP荧光探针,实现了线粒体内ATP含量的动态监测和定量分析,具体工作如下:(1)针对传统ATP荧光探针选择性差和响应范围窄的问题,我们以长波长的氧杂蒽衍生物(ACF27)为荧光报告单元,以四种氨基化合物为识别单元,合成了4种化合物(ACF-ATP1-4)。然后在生理条件下筛选了四种化合物对不同含磷酸基团生物分子的响应,结果表明:化合物ACF-ATP1、ACF-ATP3、ACF-ATP4对ATP具有良好的选择性,而其它生物分子不影响其荧光性能。其中含有哌嗪识别基团的化合物ACF-ATP4对ATP具有响应速度快(2 min内)、选择性好和合适的响应范围。(2)比率荧光成像能够有效地降低生物微环境以及实验仪器的干扰。在前面的工作基础上,我们以ACF-ATP4为ATP的响应单元和能量受体,以带正电荷的罗丹明染料为能量供体和线粒体靶向单元,合成了具有线粒体定位能力的比率型荧光探针(Rh6G-ACFPN、R6G-ACF-2)。同时,为了研究响应机理,我们合成了化合物Rh6G-ACFTN和Rh6G-ACFDN作为控制探针。光谱实验表明探针Rh6G-ACFPN对ATP具有可逆快速响应、良好的选择性、合适的响应范围等优点。此外,细胞成像实验表明,Rh6G-ACFPN可以用于不同条件下内源性ATP的检测,而且利用该探针,我们成功实现了细胞线粒体内ATP波动的动态监测和不同细胞线粒体内ATP含量的定量分析。