化学生物传感技术是获取生物体系内生化信息的重要技术手段,如实时原位地捕获活体、细胞及组织等生物体内生理和病理过程中的重要信息,可广泛应用于生物医学分析、疾病诊断等领域。涉及化学生物传感的荧光成像技术因信息实时可视化,成为诸多科学和科技领域的主要分析工具,譬如,基于有机小分子荧光探针因其灵敏度高、选择性好等优点而备受关注。近年来,大量研究表明,亚细胞器内生物活性小分子的检测和成像对研究生物机制、药物筛选、疾病诊断、监测治疗反应等应用领域起着至关重要的作用,设计和开发靶向亚细胞器荧光探针,对与亚细胞器结构相关的细胞生理和病理过程的探究具有重要意义。因此,发展针对亚细胞器特定区域共定位的荧光探针,是当前研究的热门领域,也是攻坚的难点。然而,亚细胞器中含有多种活性酶以及传统有机小分子探针生物相容性差、背景信号强等问题限制其应用。为有效解决这些缺陷,本论文以传统有机小分子探针为基础,针对生物活性小分子,构建新型荧光探针平台以满足亚细胞器复杂环境的分析和成像。具体工作如下:(1)设计pH-激活的荧光探针用于溶酶体内一氧化氮的检测和成像分析。NO的代谢平衡涉及不同的生理学和病理学过程,包括溶酶体功能的调控。然而,探测溶酶体内NO的变化仍存在巨大挑战,对其在细胞信号通路和各种疾病等生物功能的认识受到限制。在此,我们设计和合成一种pH-激活的荧光探针Rhod-H-NO用于检测溶酶体内的NO,此激活响应式荧光探针有利于获取更为精准的生物信息。为确保Rhod-H-NO不受外界其他活性物质干扰和降解,并有效积累和稳定存在于溶酶体中,Rhod-H-NO被装载于具有溶酶体靶向功能的介孔硅内,并用β-环糊精堵孔,制备得到纳米荧光探针Rhod-H-NO@MSN-CD。纳米荧光探针成功应用于活细胞和活体内溶酶体中高时间和空间分辨率检测与成像。(2)线粒体靶向的双光子荧光探针用于活细胞内过氧化氢的检测和成像分析。过氧化氢作为活性氧类的一种,可内源性地产生于线粒体电子传递链中有氧呼吸,在众多生理学过程中扮演着重要的角色。现如今,已报道多种设计用于细胞线粒体内过氧化氢成像的双光子荧光探针,但因其响应时间过长等原因,不能实现内源性过氧化氢相关细胞生理过程的实时成像。针对这一问题,我们设计一种新型双光子荧光探针CBZ-H2O2,用于细胞线粒体和组织内过氧化氢的快速成像。当过氧化氢存在时,与报道过的过氧化氢双光子探针相比,CBZ-H2O2表现出响应时间迅速(约800s)。CBZ-H2O2成功应用于活细胞线粒体内源性过氧化氢检测和成像分析,荧光共定位成像研究表明:CBZ-H2O2可单独地定位于HeLa细胞的线粒体中。综上所述,本论文以传统有机探针为基础,分别构建双控激活式荧光探针和双光子荧光探针用于亚细胞器内生物活性小分子的检测和成像分析,实现了亚细胞器特定区域实时和高分辨成像分析,克服了传统探针背景信号强、易受复杂环境干扰的缺陷,为设计新型探针应用于复杂体系的检测与分析提供新的设想和思路。