荧光成像技术具有灵敏度高、生物毒性低、信息反馈丰富、时间和空间分辨效果好以及操控快捷简便的优越性,因而它在活性生物物种检测、药物的研究和控制释放、重大疾病的诊断和治疗等方面发挥着越来越突出的作用。为了探究人体细胞内的氧化还原平衡与细胞的基因突变、新陈代谢,糖尿病、心血管疾病和癌症等人类重大疾病的发生发展,以及人体的衰老和死亡的内在关联,迫切需要开发选择性高、稳定性好、响应快速灵敏的性能优良的荧光探针应用于与细胞的氧化还原平衡相关的活性生物物种的检测与成像。基于双光子有机荧光分子和稀土上转换纳米粒子的荧光探针因激发波长在近红外区而对生物组织的穿透能力强、受生物组织背景荧光的干扰小,在生物医学领域具有很好的应用价值。此外,这种具有双光子或多光子上转换性能的荧光探针相较于传统的近红外荧光探针,还具有光稳定性好、合成制备简单、光漂白程度弱和成像图像空间分辨程度高的性质。本文在充分利用1,8-萘酰亚胺等双光子荧光团和稀土掺杂的上转换纳米粒子的荧光特性的基础上,策略性地设计制备了一系列应用于硫醇等与细胞氧化还原平衡相关的活性物种检测和成像的荧光探针,这些荧光探针的传感性能优良,具有潜在的实践应用价值。全文主要分为八个部分:一、简述了荧光成像技术的研究背景;介绍了小分子活性生物物种的荧光检测和成像在生物医学方面的研究意义;综述了这些小分子活性生物物种的荧光探针的研究进展和当前所面临的一些问题;论述了双光子和上转换荧光材料在硫醇等与细胞氧化还原平衡相关的活性生物物种荧光检测和成像中的应用价值。二、以部花青素染料为荧光团设计合成了一个基于ICT机理的高选择性的多通道激发的比率型Cys荧光探针。该探针还具有合适的脂水分配系数、较小的细胞毒性和对细胞內源的半胱氨酸成像的能力。三、以1,8-萘酰亚胺为荧光团设计合成了首例双光子比率型H₂S₂荧光探针NRT-HP。该探针除了具有双光子荧光探针的共同特性外,还具有量子产率高、选择性好、对H₂S₂响应速度较快、受溶液pH影响小、细胞毒性低和抵抗H₂S等生物体相关的活性物种的干扰能力强等优越性。荧光成像实验表明该探针能够快速响应生物体內源的H₂S₂。四、在结合第三章工作和H₂S₂荧光探针研究现状的基础上,我们通过将功能靶向基团、荧光团和识别基团模块化的设计策略,设计合成了两个分别具有线粒体和溶酶体靶向功能的比率型双光子H₂S₂荧光探针。五、基于Tm³⁺/Ho³⁺共掺杂的稀土上转换纳米粒子UCNPs与羟基氧化钴间的FRET过程,设计合成了首例比率型的用于抗坏血酸（AA）检测和成像的纳米荧光探针。将UCNPs在475 nm处的发射强度和654 nm处的发射强度比作为检测信号,在生理缓冲溶液中实现了对AA的高灵敏检测。此外,该探针在HeLa细胞中表现出较好的膜穿透能力和响应细胞内AA浓度的潜能。六、结合1,8萘酰亚胺类的双光子荧光团MBNI的荧光性质和羟基氧化钴的高选择性,设计了一个用于AA检测和成像的双光子荧光传感平台。该荧光传感平台具有双光子荧光性能优良、制备简单便捷、稳定性好、选择性高和检测范围宽的优越性。七、组装了系列基于酰腙配体的双核镧系配合物,利用镱配合物在生理缓冲溶液中实现了对Al³⁺和Cu²⁺的多通道连续荧光检测;此外,我们还考察了这些镧系配合物在常压下催化二氧化碳转变为环碳酸酯的活性。八、全文总结,包括对本文的实验结果的总结,对文中合成制备的探针在目前所存在的问题和不足的分析归纳,以及对活性生物物种荧光探针发展的展望。