荧光探针是一类具有特殊光学性质的物质,其能够和检测物质发生特异性响应进而引起探针分子结构、构象的变化;受光激发后可发射出灵敏度高、波长可调节等特点的专一响应信号。因此,荧光探针已成为现代生化分析检测中的一类重要手段,在分析化学、生命科学及医学诊断等诸多领域被广泛应用。在生命活动过程中,荧光探针能够实现在异常环境（如:缺氧、氧化损伤等）下的生物标志物的检测。例如:肿瘤细胞缺氧环境下异常增加的硝基还原酶;氧化应激过程中发生异常含量变化的次氯酸;氧化损伤导致的DNA和mt DNA损伤位点—AP位点等。然而,已报道的荧光探针在这些标志物的检测中仍然存在一些问题:（1）具有靶向特定细胞器的硝基还原酶探针仍然缺乏;（2）检测生物体中次氯酸的荧光探针专一选择性以及实时监测问题;（3）用于检测核酸中特殊结构域（AP位点）的荧光探针无法原位精准监测及响应信号单一的问题;（4）用于生化分析的荧光探针无法实现在单细胞水平特异性超灵敏监测待测物等问题。本论文通过被测物活性、结构域等识别靶点专一触发荧光探针分子结构变化、构象变化及其协同变化,改变激发态释能途径、调控基态-激发态间的能量,最终实现荧光探针响应信号性能的改善与提升,强化荧光探针的功能,实现其特定生化分析与生物成像中的应用如:特异性靶向、精准检测分析、响应信号的差异性、实时性、灵敏度等。第一个工作针对缺乏专一性检测亚细胞器线粒体中硝基还原酶（NTR）探针的问题,以苯并咪唑为荧光团,以硝基还原酶催化反应活性—硝基为识别基团,设计合成了一例基于分子结构变化检测硝基还原酶的荧光探针MBI-NO2。当存在电子供体NADH,荧光探针可被NTR还原生成氨基。光谱实验显示:MBI-NO2与NTR浓度存在良好的线性关系,检测限低至145μg/L。此外,探针具有适合的水溶性、耐光性、生理p H稳定性和细胞毒性低。探针成功应用于缺氧肿瘤细胞和活体中实体肿瘤缺氧程度的荧光成像分析。第二个工作针对在氧化应激过程中异常含量变化的次氯酸特异性选择的问题,基于-NOH、-CHO、-COOH之间氧化还原反应活性的差异,在探针中引入次氯酸特异性反应基团—醛肟,以结构变化触发电子转移的设计策略,设计合成了一例次氯酸荧光探针MBI-NOH。基于次氯酸促进的特定反应实现探针对次氯酸的专一性识别能力,检测限低至5.9 nmol/L。荧光探针通过细胞内环境-超痕量次氯酸诱导发生氧化断键,逐渐分步还原生成醛基和羧基,实现三波长间的渐进荧光响应信号监测和成像细胞中外源性及内源性次氯酸水平。第三个工作主要研究在单细胞水平,对DNA氧化损伤位点—AP位点的识别问题。报道了一类基于苄烯丙二腈水解限速反应诱导分子结构-构象的协同变化的探针设计策略,设计可用于识别生物大分子缺陷空间的荧光探针,合成了系列2-（4-乙烯基亚苄基）丙二腈衍生物（BMN-Fluors）三十余例。BMN-Fluors可在短时间内于AP位点腔中激活其特异性识别反应——亚苄基丙二腈的水解反应,这些分子中的每一个都可以固定在该腔中,并可以依次自我调节以根据空腔尺寸形成不同的稳定构象,完成结构变化限定构象变化的协同作用,最终形成不同稳定构象的水解产物发射出off-on、比例以及多色荧光信号。根据不同荧光信号实现了单细胞水平高效识别AP位点。在第四个工作中,基于上述工作为基础,重点研究如何高选择、高灵敏的对单细胞中含量极少的mt DNA（2-10组）上AP位点进行精准检测。采用上述工作中分子结构变化限定构象变化的策略,通过扭转程度调节实现比例荧光信号,以苯并噻唑为母体合成一例靶向、超灵敏（0.14/1×10~5 bp）监测mt DNA上AP位点的比例荧光探针（BTBM-CN2）。该荧光探针通过靶向线粒体细胞器强化其对mt DNA损伤位点的定点识别功能。BTBM-CN2能够在短时间内与mt DNA中的AP位点先后发生识别反应和限速反应,实现比例荧光信号监测。根据比例荧光信号,探针通过流式细胞术迅速准确地对mt DNA损伤细胞进行筛选分类以及利用彗星实验实时评估了mt DNA的损伤程度。