自由基是人体生命活动中多种生化反应的中间代谢产物,体内的自由基既可以是内源性的,也可以是外源性的。在生物的氧化代谢过程中不断产生的各种活性氧自由基(ROS),如超氧阴离子自由基(O2-·)、羟基自由基(HO·)、过氧化氢(H2O2)、一氧化氮(NO)、过氧亚硝基(ONOO-)等,他们在各种致病过程中都是重要的介导因素,与癌症、机体炎症、组织过氧化、蛋白质交联变性、DNA损伤和细胞信号转导等都有着直接的关系。目前测定自由基的方法主要有电子自旋共振法(ESR)或电子顺磁共振法(EPR)、高效液相色谱法(HPLC)、化学发光法(CL)、荧光法以及电化学方法等。然而,由于生物体内活性氧自由基的半衰期非常短,稳态浓度极低,所以真正适用于检测生物活体内ROS的方法还是较少的。目前,荧光法结合共聚焦显微成像技术和微区光谱检测技术,是唯一能实现活细胞和组织内的ROS“实时、可视、定量”的检测方法。这就迫切需要科研工作者开发对ROS能够专一识别、快速响应的荧光探针用以动态观测研究某些器官中活性氧自由基的产生、代谢、相互转化及其动态损伤生物机体的过程。此外,人体的各种疾病的产生也与体内各种元素的平衡失调密切相关,微量元素对生命起着重要的调控作用。许多研究成功说明,微量元素与人的发育、成长、体力、智力、长寿、防病等都有关系。各种阴离子在生物过程中扮演着十分重要的角色,许多酶反应中都需有阴离子参与。因此,人们投入了大量精力研究阴离子的配位和识别问题。氟,是人体必需的微量元素之一,也是有毒有害元素,缺乏或过量均会引发各种疾病;过量氟对蛋白质和DNA的合成具有抑制作用,对动物的造血功能有明显影响,能阻止原卟琳的合成,使血红蛋白减少,从而导致贫血。高氟还会使与钙、锰、镁、铜、铁、锌等有关酶的活性降低,直接导致脂肪的利用率下降及糖代谢紊乱,从而影响动物的生长发育。氟离子还能促进自由基的氧化过程,其含量多少与自由基的生理作用有着重要的关系。迄今,如何获得对氟离子的专一性的识别以及如何将这种识别转化为检测信号仍是问题的关键。目前,科研工作者已成功的研制出了多种用于检测环境及饮用水中氟离子的荧光探针。这些探针主要是基于氟离子与探针分子的特异性结合,如尿素或吡咯基团中的N-H与F-间的氢键作用或者氟与硼以及硅原子之间的强烈的亲和作用。借助于这种结合作用所导致的明显光谱变化,氟离子可被选择性地检测。但是,至今能真正适用于检测活细胞内氟离子水平以及用于细胞内氟离子荧光成像的荧光探针还未见诸报道。众所周知,人体内的金属离子在许多生理过程中也都发挥着重要的作用。其中,铜离子是人体的一种必需微量元素,是许多细胞液,线粒体,以及具有生理功能的酶保持其活性所必需的。但是,如果生物体内,有机组织中,以及活细胞内的铜离子稳态水平失调,则可导致严重的神经变性疾病,包括门凯氏病和肝豆状核变性征,家族性肌萎缩性侧索硬化,阿尔茨海默病,以及疯牛病等.为了进一步探究铜离子介导的众多生理和病理过程,开发出高选择性,高灵敏度的监测生物体内铜离子的方法对于众多生物学家和化学工作者都是极大的一项挑战。因此,设计合成能快速响应、选择性好、灵敏度高、细胞毒性小、具有良好生物兼容性的新型荧光探针来实现对活细胞内ROS,氟离子,铜离子等的检测以及荧光成像是目前生命化学学科发展中具有挑战性的前沿课题之一。本论文主要以提高探针的响应速度、灵敏度以及选择性为主要出发点,以荧光检测和共聚焦显微成像技术为研究手段,基于超氧阴离子自由基,氟离子,铜离子分别引起探针荧光增强的机理,开展了三方面的工作。(一)设计合成了2-氯-1,3-二苯并噻唑啉环己烷荧光探针,能选择性检测模拟生物体系内的超氧阴离子自由基,实现了对RAW264.7巨噬细胞(佛波醇豆蔻酸盐刺激后)中的超氧阴离子自由基的荧光成像,并且该探针分子还实现了对细胞提取液中的超氧阴离子自由基的含量测定,为医学临床上监测病变组织内超氧阴离子自由基提供了新的方法。(二)设计合成了荧光素二叔丁基二甲基硅醚荧光探针,选择性检测了水溶液中的氟离子,并实现了对RAW264.7巨噬细胞(NaF抚育后)中的氟离子的荧光成像。(三)提出了一种新型的用于检测生物体内铜离子的近红外荧光探针,描述了它的设计,合成,及其性能。