荧光成像技术凭借其灵敏度高、操作简便、原位实时成像等优势,被广泛用于生物体系中活性分子的检测以及相关的生命活动的监控。然而传统的荧光成像技术通常采用波长较短的紫外或可见光作为激发光源,易受生物体系自发荧光的干扰和染料光漂白的影响,且其成像的穿透深度通常较低(<100μm)。这些缺点极大地限制了荧光成像技术在生物成像中的应用。为了解决上述问题,科研工作者们长期以来致力于不断地开发新的策略和成像技术。其中,双光子荧光成像技术与近红外荧光成像技术由于具备诸多独特的优点而得到了研究人员的青睐。双光子荧光成像技术采用近红外光激发,具有组织穿透深度大,对生物样品的光损伤小以及更好的三维空间分辨率等优点,可以用于长时间、深层次的荧光成像研究,在细胞和组织成像方面具有广泛的应用前景。近红外荧光成像则是另一种有效的适用于生物体系的成像技术。近红外荧光成像技术所使用的染料的吸收和发射通常在近红外区域(λem>650 nm)。在此光谱区域内,生物体内物质的自吸收和自发荧光的干扰均较弱,提高了检测的灵敏度和选择性;还能够减少对生命体的损伤和提高组织穿透能力;并且随着波长的增加,散射干扰也明显减弱,有利于荧光发射信号的收集。因此,近红外成像技术在生物分析中同样显现出了极大的优势和应用前景。荧光探针是荧光成像的基础,设计、开发性能优良的双光子荧光探针和近红外荧光探针成为了当前研究的热点。本论文基于萘的衍生物设计合成了针对次硝酸(HNO)、二氧化硫(S02)衍生物、过氧化氢(H202)特异性响应的双光子荧光探针以及定位线粒体,比率型检测半胱氨酸(Cys)的近红外荧光探针。本论文的主要研究内容如下:(1)在第二章中,利用SO2衍生物参与的迈克加成反应设计合成了基于荧光共振能量转移机理的双光子荧光探针A-Hcy。该探针以萘衍生物作为双光子能量供体,以半花菁染料作为猝灭基团以及识别基团。由于能量转移过程的发生以及受体的荧光量子产率较低,单纯探针的荧光信号较弱;当与NaHS03作用后,受体的共轭结构被破坏、能量转移过程无法进行、供体的荧光发射增强,从而实现对S02衍生物的增强型检测。探针A-Hcy具有高的灵敏度和选择性,同时能实现对NaHS03的快速响应。更为重要的是通过利用探针A-Hcy,首次实现了组织中SO2衍生物的双光子荧光成像,证实了该探针在SO2相关的生理研究中的应用潜能。(2)在第三章中,构建了 HNO响应的基于荧光共振能量转移机理的比率型双光子荧光探针P-Np-Rhod。该探针以萘衍生物作为双光子能量供体、以罗丹酚染料作为受体、同时以二苯基磷苯甲酸酯作为识别基团。无HNO存在时,受体处于非荧光的内酯结构且能量转移过程不能进行。当HNO与识别基团反应后,探针中原本处于非共轭的闭环状态的受体结构随之发生重排并得到共轭的开环结构。探针分子内供体的发射与受体的吸收匹配,发生能量转移过程。供体的发射强度减弱而受体的发射强度增强,进而实现了对HNO的比率型响应。探针P-Np-Rhod具有快速的响应能力,同时发射峰的位移可达93 nm。利用该探针,首次实现了细胞及老鼠组织切片中HNO的双光子比率型荧光成像。(3)在第四章中,基于ICT机理设计合成了 H202响应的双光子荧光探针Nap-OH-H202。该探针以苯并噻唑取代萘衍生物作为双光子荧光团,以甲基苯硼酸频哪醇酯作为H202的识别基团。当H202与识别基团反应后得到荧光增强的化合物Nap-OH。该探针对H202表现出了高的灵敏度和选择性,同时它具有低的细胞毒性,可用于细胞内H202的双光子荧光成像。(4)在第五章中,构建了氟取代的近红外染料CCF-OH,与结构近似的无氟取代的染料CC33(7.5)相比,染料CCF-OH的pKa值显著降低(6.3),其荧光信号在pH>7的范围保持稳定,更适于生理条件下的应用。为了验证染料CCF-OH的实用性,通过选取丙烯酸酯作为Cys的识别基团,我们设计并合成了定位线粒体的近红外比率型荧光探针N-Cys。利用该探针实现了细胞中Cys的近红外比率型成像以及小鼠体内Cys的近红外荧光成像。