与其他的检测方法相比，荧光检测方法具有如更高的灵敏度、更快的响应时间和相对简便的仪器，尤其是该法不仅能够在体外分析，而且能够对活体进行实时成像监控。有机荧光染料作为显微成像中最为广泛的标记物试剂，对开发特定生物学相关小分子荧光探针具有重要作用。本文通过化学结构修饰兼具水溶性和脂溶性有机染料，设计了一系列与生物学相关的离子、ROS和RNS的有机小分子荧光探针。所设计的探针具有良好水溶性、生物兼容性、低毒性、高选择性和灵敏度，因此可应用于定量环境分析以及生物成像。具体内容如下:　　1.基于monomer/excimer转换原理，利用双芘官能团和氮杂二烯设计和开发出一例能在水溶液中可逆检测Hg2+的比率荧光探针。该探针通过络合方式和Hg2+结合，具有较高的耐热性、较宽的pH适用性、良好的选择性和灵敏度，能实现荧光和色度双重响应。本章中的设计策略能够扩展过渡金属离子驱动双芘荧光团的monomer/excimer转换类探针的发展。　　2.利用巯基化罗丹明和噻吩基团设计合成了一例具有二硫结构的高选择性Hg2+识别荧光探针RB-S2。该探针对Hg2+的荧光响应具有可逆性和很高的灵敏度，且最低检测限达到EPA标准。检测体系同时具有很好的色度响应，当体系引入微量Hg2+时，溶液颜色由无色变为粉红色，可裸眼目视识别Hg2+。荧光成像和MTT实验表明，RB-S2具有较低毒性且能应用于对活体细胞中Hg2+的检测。　　3.基于FRET原理，利用氨基硫脲连接罗丹明B和香豆素荧光团构建了一例较大Stokes位移(123 nm)的比率荧光探针RBC1。其对Hg2+的FRET响应为明确的脱硫机理，荧光比率响应超过了240倍，能量转移效率可达84.2％，能作为Hg2+的色度-荧光双通道裸眼识别探针。RBC1具有良好的细胞渗透能力和染色能力，可应用于细胞内Hg2+的双通道比率监测。　　4.基于PET原理，利用还原Cu(Ⅱ)基多臂香豆素配合物构建了一例HNO荧光探针Cu(Ⅱ)-COET，可实现高选择性和灵敏度检测HNO。通过NEM掩蔽生物体大量存在的硫醇，建立一种能够在细胞内和线虫体内准确检测HNO的方法。初步荧光成像实验表明探针Cu(Ⅱ)-COET检测体系可潜在成为一种强大生物学成像工具对诸如线虫和斑马鱼等模式动物器官水平的HNO进行示踪。　　5.基于特定的HOCl促进二氢荧光素醚氧化原理，开发出三个兼具水溶性和细胞渗透性的荧光增强型探针FCN1，FCN2和FCN3，其中FCN2能够在20 min内响应HOCl，与此同时该探针展现出～1643.4倍的荧光增强和极低的检测限(0.71 ppb)，优于以前报道的HOCl荧光探针。在氯离子环境下，FCN2可实现细胞内过氧化氢和髓过氧化物酶myeloperoxidase(MPO)定向合成HOCl事件的高灵敏度监测。此外，FCN2可对模式动物斑马鱼胚胎的各个发育周期以及成年时体内的HOCl的聚集行为进行可视化成像，为在哺乳动物器官水平上了解HOCl的毒害作用提供一种可选择检测方法。　　6.基于氟离子对硅醚的强烈键合作用，设计合成了三个“turn-on”响应的氟离子探针HPQF1，HPQF2和HPQF3。NMR和DFT计算揭示HPQF1倾向于形成分子内氢键构象，而HPQF2和HPQF3倾向于形成位阻的极限构象，因此HPQF2和HPQF3对氟离子的响应行为明显优于HPQF1。通过动力学实验我们筛选HPQF3为水样和生物体的荧光检测工具。HPQF3在生理条件下表现出相对较高的选择性、抗pH干扰性能力且具有较大的荧光增强(～89.3倍)。HPQF3能够对细胞内和斑马鱼器官中聚集的氟离子进行监控，为生物学研究氟离子对生物体的毒害机制提供强有力的成像工具。　　7.基于ICT原理，首次提出并合成以炔基为受体的Click激活荧光探针HAN1，解决叠氮酸荧光检测的问题。HAN1对叠氮酸具有极高的选择性，可用于Hela细胞和幼体斑马鱼中叠氮酸的荧光成像。发展了以HAN1检测系统的自动荧光预警装置，可用于超过一定浓度且仅当叠氮离子和质子产生有剧毒叠氮酸时，释放荧光信号，避免人类接触叠氮酸。本章中的设计思路有助于发展具有更高灵敏度，更强荧光响应和比率响应的叠氮酸荧光探针。