生物发光(Bioluminescence)是指生物体内的化学物质在酶的作用下产生可见光的现象，该过程不依赖于机体对光的吸收，是将化学能转化为光能的过程，转化效率接近100％。生物发光现象广泛存在于自然界生物有机体中，包括细菌、昆虫和海洋生物等。　　 生物发光成像(Bioluminescentimaging，BLI)是近几年来新兴的一种应用生物发光原理进行的活体动物光学成像技术。与传统成像技术相比，生物发光成像有着操作简便、直观、灵敏度高、非侵袭性和可用于深部组织成像等优点，因此在复杂的生物有机体研究中具有巨大的应用潜力和商业价值。萤火虫生物发光系统作为研究开始最早，研究最为透彻的一个生物发光系统，被广泛应用于生物发光成像。萤火虫萤光素在ATP、O2和Mg2+存在的条件下，可被萤光素酶氧化，释放出氧化萤光素、AMP和CO2，同时产生生物发光现象。如果对萤火虫萤光素的结构进行改造，在6位置引入特定的取代基后，能够被用于特定生物分子如半胱天冬酶(Caspases)、硫酸酯酶和弗林蛋白酶等的实时检测，很多探针也实现了商业化。　　 本论文基于萤火虫萤光素的结构，分别设计了能够检测活性氧(Reactiveoxygenspecies，ROS)和氨肽酶N(AminopeptidaseN)的生物发光探针，以及能够被萤光素酶氧化发光的的叠氮和三氮哗类化合物。　　 本论文主要包括三部分:　　 1.合成了1个用于检测活性氧的生物发光探针，并对其生物活性进行了详细阐述和验证。生物体生成的活性氧对于机体的生命活动，如生长调节和信号传导是不可或缺的，然而过量活性氧的存在却可以造成细胞损伤，引发如癌症、心血管疾病、早老性痴呆、帕金森综合症等疾病。过氧化氢作为活性氧家族中的重要成员，因此检测其活性对于研究过氧化氢在病理生理过程中发挥的作用具有重要的意义。本论文设计的过氧化氢探针由发光基团氨基萤光素、过氧化氢识别基团硼酸以及可自动断裂连接臂三部分组成。这个探针对活性氧中的过氧化氢表现出很好的选择性和识别活性，能够定性和定量的检测溶液和细胞中产生的微量的过氧化氢，且能够对萤光素酶基因标记的ES-2-GFP-LUC细胞中产生微量的过氧化氢进行生物发光成像。该探针能够实现对过氧化氢的可视化的实时非侵袭检测，是一个很有潜力的生物发光探针。　　 2.合成了3个用于检测APN的生物发光探针，并对其生物活性进行评价。APN在正常组织中广泛表达，但在肿瘤细胞表面高水平表达，与肿瘤细胞的生长、侵袭、转移和新生血管的生成都有着密切的关系，是一种重要的肿瘤标记物。因此合理地设计合成APN活性新型分子探针，对于研究药物的抗肿瘤机制以及筛选以APN为靶标的抗肿瘤药物的都有十分重要的作用。该类探针由发光基团氨基虫萤光素和APN底物两部分组成。通过实验证实，该类探针能够用于分子水平、ES-2-GFP-LUC细胞及接种ES-2-GFP-LUC细胞的裸鼠体内APN活性的定量检测。　　 3.合成了2个萤光素酶底物，并测试其成像性质。本研究对现今应用较为广泛的萤光素酶底物氨基萤光素进行改造，设计了两个萤光素酶底物。分别将氨基萤光素的6-氨基用叠氮基团和2-三氮唑噻吩取代，经酶、细胞和动物水平成像研究证实，这两个探针都可作为底物进行生物发光成像，对于拓展了生物发光成像的应用领域具有很重要的作用。