有机荧光探针具有检测限低、操作简单、能够实时检测和便于在生物体内应用等优点,被广泛用于污染物监测、生物成像等诸多领域。长期以来,在有机荧光探针研究中,人们更多关注重金属离子的检测,该类探针发展得较为成熟。而涉及阴离子、氨基酸和有机小分子的文献不是很多,并且大都存在选择性较差,灵敏度不高等问题。本论文围绕次氯酸、生物硫醇和水合联氨的荧光检测展开研究,设计合成了四种反应型荧光探针,并在对其充分表征基础上,深入研究了探针的识别机理,并将其用于细胞成像。1、基于菲并咪唑衍生物的比率型次氯酸探针的合成及应用。针对以往菲并咪唑类荧光探针虽然荧光量子产率高、光化学稳定性好,但水溶性较差问题,设计合成了以菲并咪唑为荧光团,酰基苯肼为识别基团的比率型次氯酸探针PIPH,该探针在有机溶剂用量为50%情况下,对次氯酸表现出较好的检测能力,加入次氯酸后荧光强度增大了约20倍。为了详细研究荧光探针的检测机理,我们通过核磁、质谱等检测手段,将检测后的产物与PIPH进行了对比,发现检测过程中,PIPH被次氯酸氧化,转化为PIBA;同时利用Gaussian 09软件、密度泛函/含时密度泛函理论(DFT/TD-DFT)对PIPH和PIBA的基态与激发态的空间结构和外层电子云排布进行了优化。理论计算证实,由于激发态的PIPH荧光团与识别基团近似于共平面,出现分子内电荷效应(ICT效应)并导致荧光淬灭;与次氯酸反应后,PIPH的酰基苯肼被氧化分解,ICT效应消失,荧光增强;He La细胞的荧光成像结果表明,PIPH具有很好的生物相容性,能够定性检测细胞外源引入的次氯酸。2、基于萘酰亚胺衍生物的比率型生物硫醇探针合成及应用。设计合成了以萘酰亚胺为荧光团,2,4-二硝基苯磺酰氧基为识别基团的生物硫醇探针DNBS,该探针对半胱氨酸、高半胱氨酸和谷胱甘肽三种生物硫醇均呈现良好的荧光检测能力,其中对半胱氨酸的检测限达28.9 n M。同时,质谱研究发现,检测过程中DNBS与生物硫醇反应后生成了新的化合物NIOH,使得探针分子原本存在的d-Pe T效应被打断,释放出萘酰亚胺特有的荧光信号,并随检测物浓度增加荧光信号逐渐增强;细胞成像实验表明,DNBS具有良好的生物相容性,并对细胞外源引入的生物硫醇具有良好特异识别能力。3、基于1,4-二羟基蒽醌衍生物的半胱氨酸荧光探针的合成及性能研究。针对以往生物硫醇类荧光探针大多选择性较差,容易彼此干扰问题,设计合成了以1,4-二羟基蒽醌为荧光团,丙烯酸酯为识别基团的探针AQDA。该探针基于光诱导电子转移机理(PET效应),仅对半胱氨酸有特异性荧光响应,包括高半胱氨酸和谷胱甘肽在内的其他天然氨基酸均不会对其造成干扰,而且与以往大多数同类探针相比,AQDA水溶性得到很大改善,在实际检测中仅需添加20%的有机溶剂。同时,通过核磁滴定和质谱分析等手段,对比研究了检测过程中AQDA的变化情况,明确了反应机理,并通过Gaussian 09软件进行了理论研究,发现模拟得到的吸收光谱与荧光发射光谱与实际测试结果高度一致,进一步从理论上解释了AQDA的荧光检测机制;最后,在生物硫醇抑制(NEM)与谷胱甘肽抑制剂(BSO)存在下,研究了AQDA对细胞自身产生的半胱氨酸的成像情况,证实了其对细胞内源性的半胱氨酸具有良好的检测能力。4、基于荧光素的水合联氨探针的合成及其性能研究。设计合成了以荧光素为荧光团,4-溴丁酰氧基为识别基团的比率型水合联氨探针FLB。通过质谱、核磁滴定等检测手段确定了探针的识别机理,发现探针FLB中的荧光素片段在强吸电子基团4-溴丁酰基的作用下,五元螺环处于关闭状态,荧光淬灭,加入水合肼后,4-溴丁酸酯与水合肼发生取代-加成消除反应,FLB被转化为荧光素,放出明显的绿色荧光。而且,FLB对水合肼的检测限达到0.92 ppb,远低于美国环保署(EPA)关于饮用水中肼的最高允许含量(10 ppb);而且FLB的水溶性较好,实际检测中只需添加10%的有机溶剂;同时FLB具有非常好的选择性,包括15种阴离子、10种阳离子以及9种小分子在内的34种干扰物质均没有对水合肼的检测造成明显干扰;最后,通过细胞成像实验发现,FLB具有在生物体内检测水合肼的能力。