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近年来,有机小分子荧光探针以非侵入性测量、多样品并行监测、微创成像等优点,在环境监测和生命科学等领域有广泛的应用前景。其中,二苯乙烯胺类荧光探针,由于其易制备、易修饰、优异的光物理性质及生物相容性,能够响应金属离子、阴离子、生物小分子而应用于生物成像等领域。然而,因其激发波长短、细胞器靶向性差等缺点,发展成高性能组织成像,疾病诊断的多功能荧光探针仍然面临巨大的挑战。本文以二苯乙烯胺类为发光基团,调控识别基团的结构、增加体系的分子内电荷转移,设计制备了一系列二苯乙烯胺类荧光探针。该系列探针能够特异性响应金属离子,生物小分子以及细胞微环境,动态监控细胞中不同亚细胞器的动力学过程。在此基础上,探究了探针分子在不同细胞器功能障碍时的染色情况,组织和活体深层的成像。具体内容研究如下:1.铜离子荧光探针的制备、性质及成像探索设计制备了一种基于三苯胺为荧光基团,苯乙烯为桥连基团,双(2-吡啶甲基)胺(DPA)基团为金属离子结合位点的新型荧光探针L,探索了合成路线,优化了工艺条件。金属离子初筛实验表明该探针可检测Cu2+并表现出高选择性、高灵敏度及低检测限(DLs大约为5.72×10-7 M),可检测实际水样中的Cu2+。此外,HeLa细胞的共聚焦荧光成像表明,L可检测细胞外源性Cu2+,并能监测生物系统内的“开-关-开”Cu2+的动态变化过程。2.谷胱甘肽(GSH)双光子荧光探针的制备、识别机制及成像探索通过对分子结构的调控即增加识别位点的个数、分子的柔韧性,设计并制备了一系列三苯胺类荧光探针5a,5b和5c。该系列探针以三苯胺为强电子供体,富电子亲核力的吡啶为电子受体,增加了分子内电荷转移(ICT),从而提高了双光子吸收(TPA)性能,实现了特异性靶向细胞线粒体的双光子细胞成像。为了进一步探究其在细胞中的应用,我们制备了上述探针(5a,5b和5c)与Hg2+形成的金属复合物(6a,6b和6c),基于原位取代反应对生物小分子GSH表现出较高的选择性和敏感性(DLs约10-7 M),可以实时定性监测内源性细胞GSH。3.细胞微环境粘度响应型荧光探针的制备、作用机制及成像探索鉴于小分子生物探针易受细胞内黏度的制约,影响其构象变化,开启“关-开”的荧光响应,我们以最小单元二苯乙烯胺为骨架、两个苯环的小共轭体系和桥联双键,构建分子转子和靶向基团组成探针(Lyso-TA)。在没有外部阻力的情况下,Lyso-TA中的分子转子部分可以有效旋转,形成非平面构象,激发态的非辐射衰减过程导致荧光“关”。在具有粘度的细胞微环境中,分子的旋转受到阻碍,使其保持平面的构象,形成较强的ICT系统,显示荧光“开”过程,提高TPA性能。双光子荧光显影技术显示Lyso-TA能够实时监测溶酶体融合,迁移和线粒体自噬过程,定性测量溶酶体黏度与探针构象变化的关系。考虑到,含有氮上孤对电子的Lyso-TA的叔胺(TA)单元易转化为具有正电荷的季铵盐(QA),而季铵盐是一种公认的线粒体靶向基团。我们通过Lyso-TA与CH3I在室温下的一步易操作的亲核取代反应制备了Mito-QA,实现了溶酶体向线粒体的转换。实验结果表明Mito-QA可以作为一种有效的工具,在细胞中从线粒体到核仁的转移来观察功能失调的线粒体。最后,基于较大的双光子吸收截面、好的生物相容性、深度穿透,这两种小型生物探针均可应用于脑组织和斑马鱼的体内生物成像。