为了全面阐述细胞内各种生物物种在生物学事件中的作用,各种检测技术已经被开发和改进。然而,大多数检测技术需要繁琐的样品制备、耗时的细胞和组织裂解、高成本的操作。在生命系统中实现各种生物物种实时、原位追踪是一项极具挑战性的工作。因此,构建满足绘制细胞内多种生物相关标志物分布需求的先进化学工具迫在眉睫。在众多检测技术中,小分子荧光探针生物成像技术被认为是实现各物种在活细胞中实时、无创、原位检测的强有力工具。小分子荧光探针以无创伤的方式进入细胞,当捕获待测物时,发射出特异性荧光,提供细胞内物种间生物学作用的详细信息。迄今为止,用于细胞内物种检测的荧光探针已经取得了良好的进展,然而,高荧光量子产率、良好生物相容性、强荧光信号、稳定荧光发射、良好结构柔性的荧光团仍然是荧光探针设计合成中应该考虑的一种重要策略。因此,具有优良化学和生物学性质的香豆素类染料被我们选择作为荧光团,对生物体不会造成创伤,推动荧光探针更加适用于生命成像分析。最近几年来,香豆素结构以其良好的生物相容性、稳定的荧光发射和良好的结构灵活性被广泛应用于有机小分子荧光探针的设计。该结构在分子识别、分子成像、生物有机化学、分析化学、材料化学以及生物学和医学等领域的荧光化学传感器开发中得到了广泛的应用。本文的具体工作将由以下五部分呈现:第一章简单介绍荧光探针的概念和组成,荧光探针的种类,香豆素荧光染料的简介。简单总结了检测锌离子(Zn2+),活性硫比如半胱氨酸(Cys),二氧化硫衍生物亚硫酸盐(SO32-)与亚硫酸氢盐(HSO3-)的香豆素类荧光探针发展现状以及对其研究背景的综述,并重点展开本文的研究思路。第二章双光子荧光探针CHP-R(CHP-H和CHP-CH3)的设计与合成以及用于生物体内Zn2+的检测与生物成像分析。该探针由两部分组成:7-氨基香豆素类染料作为双光子荧光传感器,2-肼基吡啶作为荧光调制器和Zn2+螯合剂。CHP-H和CHP-CH3在模拟生理条件下具有很高的灵敏度,选择性,以及极低的检测限(19和25 nM)。探针CHP-H能够追踪正常细胞以及缺血再灌注(I/R)模型细胞内Zn2+浓度的波动。在小鼠大脑海马区探针具备深层组织穿透以及实时Zn2+成像的能力。利用探针CHP-H验证了 Zn2+与亚硝酰氢(HNO)之间的交互响应是单向的。第三章双光子荧光探针CUKF的设计合成及用于生物体内Cys和SO2衍生物SO32-的双位点生物成像分析。探针CUKF是由氨基香豆素类甲基酮与对二苯甲醛进行羟醛缩合反应而成,形成的α,β-不饱和酮作为Cys的反应位点发生1,4加成反应,末端甲酰基作为SO32-的反应位点发生加成反应。探针CUKF在模拟生理条件下对于Cys和SO32-的检测表现出良好的光学性质,在生物体内具有良好的生物相容性,并且能够应用于正常细胞与癫痫细胞模型中的Cys代谢检测与成像分析,从而实现单个探针对于双通道物种的分析与生物成像。第四章半胱氨酸/亚硫酸氢盐响应的荧光探针Cou-F设计合成以及细胞内成像研究。探针由7-氨基类水杨醛通过迈克尔加成反应制备。在模拟生理条件下,Cou-F具有灵敏度高、特异性强、响应迅速及细胞毒性低等优点。Cou-F成功用于小鼠巨噬细胞内Cys和HSO3-的成像研究。第五章全文中研究的工作总结与未来研究的展望。为了更适应探针的发展,满足检测和成像的需求,我们基于当前工作,对探针进行优化,以设计合成出一系列新颖的荧光探针。