极性是化学化工生产中的一种重要参数,一些特定的无机有机反应均依赖于极性的参与。在生物系统里,尤其在细胞层面上,极性属于微环境的一种重要组成部分,决定了一系列复杂的生理反馈机制和生理维护功能。许多细胞内的生理过程都会改变细胞内的极性,如大多数蛋白质和酶的重组,细胞器膜的产生,免疫系统的应答以及分子的跨膜运输等。极性的稳定是保证细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动的重要条件,而极性的异常变化与一些疾病的产生关系密切。因此,检测细胞或生物体内的极性变化对于某些疾病的研究与治疗具有重大的意义。荧光探针是指在一定体系内,当一种物质的性质发生变化时,荧光信号能随之发生作出相应变化的分子。近些年来,双光子荧光探针凭借着自身稳定性高,光漂白性好,生物穿透性高等优点被广泛应用于生物医学领域。因此,使用双光子荧光探针来检测生命体内极性的变化具有广阔的应用前景。溶酶体是真核细胞中的一种常见细胞器,内含50多种水解酶,能够分解各种外源和内源的大分子物质。在自噬过程中,自噬体的膜和溶酶体膜发生融合,使自噬体内包裹的物质与溶酶体内的水解酶相接触。在这个膜融合的过程中,溶酶体的极性势必会发生变化,而这个过程中极性信号的变化为我们提供了一个监测自噬过程的新思路。线粒体是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器,是细胞中制造能量的结构,是细胞进行有氧呼吸的主要场所。在细胞程序性凋亡过程中,线粒体的极性会随着膜电势的变化发生显著的变化,检测线粒体极性的变化对研究细胞凋亡具有重大意义。此外,在生物的成长周期中,不同的生长阶段细胞及不同组织部位细胞的线粒体极性均有差异,检测线粒体极性的分布对研究生命的生长发育具有指导性的作用。香豆素作为一个传统的"溶剂致变色"基团,具有良好的光谱特性和水溶性,对其周围的溶剂极性变化很敏感,并且对细胞几乎没有毒性。因此,香豆素非常适合作为一个极性荧光探针的荧光报告基团。本文从大量文献基础上出发,对香豆素母体进行修饰改造,合成了以香豆素为母体的溶酶体、线粒体靶向定位双光子极性荧光探针,通过质谱、核磁共振氢谱和核磁共振碳谱等表征手段对这两种探针进行了精确的结构表征,并研究了其光谱性质与溶剂极性的关系。更重要的是,通过双光子荧光显微技术对这两种探针在细胞及生物体内的应用做出了探索,并取得了一些有意义的结果。(1)简要介绍了极性荧光探针的检测机理及其研究进展,双光子荧光显微成像技术及其优点。(2)设计合成了溶酶体定位的双光子极性荧光探针Lyso-OC。探针Lyso-OC分子主要包括一个7位取代的香豆素母体,一个靶向溶酶体定位基团吗啉和一个由1-乙炔-4-甲氧基苯和酰胺结构组成的"推-拉"电子结构。其中,1-乙炔-4-甲氧基苯不仅为探针Lyso-OC提供了一个良好的共轭结构,拥有了良好的双光子性质,还使探针Lyso-OC在对极性响应的过程中的斯托克斯位移变的更大。更重要的是,我们采用双光子荧光显微技术通过探针Lyso-OC的荧光变化观察到了自噬过程不同阶段的极性变化情况,成功的监测了细胞自噬过程。(3)设计合成了溶酶体定位的双光子极性荧光探针Mito-OC。探针Mito-OC分子主要包括一个7位取代的香豆素母体,一个靶向线粒体定位基团吡啶盐和一个由1-乙炔-4-甲氧基苯和酰胺结构组成的"推-拉"电子结构。通过一系列光学测试,我们发现探针Mito-OC对溶剂极性的变化有着良好的比率计量响应,可以用于定量检测溶剂极性的变化。在MCF-7细胞中进行的细胞毒性试验和共定位实验表明,探针Mito-OC的细胞毒性很小并能很好地定位于线粒体。此外,通过双光子共聚焦荧光成像和活体荧光成像,我们发现了细胞凋亡前后线粒体极性的变化和活体斑马鱼各器官组织的极性分布情况。