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荧光成像技术因其优异的选择性、灵敏度和低成本等优点在医学成像、化学检测等研究领域广泛应用。作为荧光成像技术中重要组成部分,具有优越性能的荧光探针是利用荧光成像技术实时、动态、灵敏、精准分析关键生物分子及结构的重要保障。因此,荧光探针的设计开发及性能调控一直是荧光成像研究领域的热点。其中,小分子荧光染料探针以其结构明确、适用广泛、易于通过结构修饰实现性能调控等优点而备受关注。在诸多染料分子性能调控的方法中,硅基取代是其中较为独特且发展迅速的一种策略。特别是随着近年来硅基取代呫吨染料的广泛研究应用,也让大量研究者认识到杂原子引入在染料性能调控研究中的重要性。借鉴硅原子取代对染料性质提升的策略,本文首创性地将硅原子引入香豆素分子结构中,深入系统地研究了硅原子引入对于香豆素染料分子结构及理化性能的调控,并基于硅基香豆素独特的性质,构建了一系列性能独特的硅基取代香豆素染料及荧光探针,并实现了多种蛋白及生物结构荧光成像研究。本论文主要研究内容如下:1、设计并合成了一系列硅基取代香豆素染料Si Cs。通过包括锂化反应、烯烃复分解反应、氧化反应等在内的多步反应合成得到硅基取代香豆素染料。进一步在硅基香豆素母体上通过不同的烷基修饰得到波长可调的系列硅基取代香豆素染料分子Si C A-Si C F。硅原子引入显著改变了染料分子的电子结构及理化性质,相比传统香豆素分子,硅基香豆素对环境极性非常敏感,且容易与氢键供体溶剂产生氢键作用,进一步诱导其光谱红移,导致其在不同溶剂中最大荧光发射波长差可达200 nm。在极性质子化溶剂体系中,部分Si C分子荧光光谱可红移至近红外区（670 nm）,且随着溶剂极性及质子化程度呈现比率型变化。基于硅基香豆素的环境敏感特性,我们实现了脂肪细胞分化过程中脂肪颗粒的检测成像。2、为进一步考察香豆素羰基氧原子上形成的氢键对Si C光谱性质的影响,我们设计并构建了具有分子内氢键结构的硅基香豆素衍生物Si C-BZA1及无分子内氢键结构的类似物Si C-BZA2。单晶结构、核磁分析和理论计算均表明,Si C-BZA1存在较强的分子内氢键。荧光寿命、核磁表征和红外光谱进一步证明,在质子化溶剂中,Si C-BZA1还存在较强的分子间氢键。对比Si C-BZA1和Si CBZA2光谱性质,我们发现,具有氢键效应的Si C-BZA1结构存在氢键诱导荧光增强的反溶剂化效应及纳米聚集效应。这为后续Si C蛋白探针设计提供了重要理论基础。3、基于硅基香豆素染料分子独特的理化性质,我们采用硅基香豆素为荧光母体、苯磺酰胺为荧光识别基团,设计合成了7种碳酸酐酶（human carbonic anhydrase II,h CAII）荧光探针Si C-SAs。通过三方面结构调控,系统深入地探究硅基香豆素分子结构调控对于h CAII荧光传感的影响:（1）香豆素母体7号位氨基不同的烷基化修饰;（2）香豆素羰基部位是否存在分子内氢键;（3）香豆素荧光母体和h CAII识别基团之间的烷基连接结构。研究表明,香豆素7号位采用五元环修饰可以产生更为红移的光谱和更低的背景荧光;羰基部位存在氢键供体结构可以显著增强荧光信号;荧光母体和识别基团之间烷基链长越短越有利于探针分子和目标蛋白结合。基于上述分析,以五元环硅基香豆素为荧光母体,利用酰胺键直接连接识别基团的荧光探针Si C-SA3对h CAII蛋白具有强荧光响应（最大荧光增长可达17倍）、高选择性和高灵敏度。4、人血清白蛋白（human serum albumin,HSA）是一类在人体中广泛分布的蛋白。基于硅基香豆素染料分子独特的结构特征和理化性质,我们以五元环硅基香豆素为荧光母体,通过酰胺键直接连接苄氨衍生物的方式,设计合成了12种HSA荧光探针Si C-HSAs。光谱性质分析表明,Si C-HSAs均具有反溶剂化效应和纳米聚集效应,并以1:1的化学计量比结合在HSA结构中的华法林位点。因此,水溶液中的Si C-HSA探针纳米聚集体与HSA蛋白相互作用后,发生解聚并进入华法林位点,在HSA蛋白空腔极性微环境和氢键的共同作用下发出强荧光,其最大的荧光增长倍数可达250倍。5、为证明硅基香豆素染料分子在蛋白探针设计上的广泛适用性,我们进一步基于硅基香豆素染料母体,以五元环硅基香豆素为荧光母体,酰胺键连接相应的识别基团的方式设计合成了几类其它蛋白荧光探针。包括抗生物素蛋白探针Si C-Biotin;SNAP-tag标签蛋白探针Si C-BG1和Si C-BG2;转运蛋白（translocator protein,TSPO）探针Si C-PK。我们深入系统地研究了探针分子的理化性质并利用Si C-BG1成功实现了SNAP-tag标签蛋白标记生物结构的荧光成像。利用Si C-PK实现了C6、MCF-7等活细胞中TSPO的特异性定位检测以及小神经胶质细胞激活动态监测。进一步构建了大鼠急性脑损伤模型,利用Si C-PK实现了脑损伤组织中小胶质细胞激活的动态变化监测成像。研究表明,硅基香豆素染料分子具有优异的光物理化学性质,可作为一类结构独特的荧光母体应用于蛋白质高灵敏度传感研究中。本文首次将硅原子引入香豆素分子结构中,深入系统地研究了硅原子引入对于香豆素染料分子结构及理化性能的调控,并基于硅基香豆素独特的性质,构建了一系列性能独特的硅基取代香豆素染料及荧光探针,并实现了多种蛋白及生物结构荧光成像研究。