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荧光探针被认为是识别和传感活体细胞和组织中微量样品的有效的分子工具。近年来,由于选择性高、信号变化明显等优点,反应型荧光探针受到了广泛的关注。为更好的应用于生物体系,开发具有光损伤小、组织渗透性强、且受生物自荧光干扰小的近红外反应型荧光探针,是该领域的研究热点。本论文开发了四个系列分别基于“香豆素-半花菁”、“巯基取代的吡啰红”、“香豆素-花色素”以及“羧酸功能化的香豆素-花色素”的近红外荧光探针,在体外及细胞内实现了对生物硫醇Cys和GSH、生物信使分子H2S以及生物毒性Hg2+的检测与传感。(1)设计合成了一个具有三个潜在反应位点的“氯代香豆素-半花菁”荧光探针2-1。在PB缓冲体系中(10 mM, pH 7.4,1 mM CTAB),该探针能与Cys、Hcy、GSH发生SNAr取代-重排-环化反应、SNAr取代-重排反应以及SNAr取代-环化反应,分别导致了具有蓝光发射的2-1-Cys产物、非荧光的2-1-Hcy产物以及绿光发射的2-1-GSH产物。采用不同波长的光激发,在蓝色通道实现了Cys与Hcy/GSH的选择性区分,在绿色通道实现了GSH与Cys/Hcy的选择性区分。利用荧光共聚焦显微镜,在COS-7细胞中实现了对Cys和GSH双通道同时荧光传感。(2)利用“氨基吡啰红”和“巯基吡啰红”两个染料大的吸收和发射波长差异,构建了一个“4-甲氧基苯硫酚取代的吡啰红”荧光探针3-1。在PBS缓冲体系中(10mM, pH 7.4),该探针能分别与Cys/Hcy和GSH发生SNAr取代-重排反应、SNAr取代,分别导致了具有绿光发射的氨基吡啰红染料3-1-Cys/Hcy以及红光发射的巯基吡啰红染料3-1-GSH。采用不同波长的光激发,实现了同时且双通道传感Cys/Hcy和GSH。利用荧光共聚焦显微镜,在COS-7细胞中实现了对Cys/Hcy和GSH双通道同时荧光传感。(3)设计合成了一个基于“香豆素-花色素”近红外染料的荧光探针4-1。在PBS缓冲体系中(10 mM, pH7.4,包含30% CH3CN),该探针本身在激发光激发下发射红荧光。H2S能与该探针在数秒内发生快速的加成反应,导致探针共轭体系的破坏。因此,在激发光激发下,体系发射香豆素单元的蓝荧光,从而实现了对H2S的比率荧光检测。由于"H2S与生物硫醇大的pKa差值所导致的强亲核性”以及“生物硫醇与电正性荧光探针的静电排斥作用”,该探针对H2S的检测能避免生物硫醇的干扰。(4)开发了一个“羧酸功能化的香豆素-花色素”近红外荧光染料5-2,利用其分子结构中啰环的“开-关”,实现了对比率荧光的调控。该染料还具备高的荧光量子产率、良好的水溶性,并且合成简单、易于延伸,是对罗丹明荧光染料的进一步的拓展。基于该染料,设计合成了一个近红外比率荧光汞离子探针5-1。该探针对汞离子响应速度快、选择性及灵敏性高,并能在生物细胞中影像汞离子。