本论文中设计了基于质子化反应的pH荧光探针和基于脱硫反应的二价汞离子探针,并且建立了一种结合亚硫酸氢钠-UDG酶的新方法,用于检测DNA中5-甲基胞嘧啶位点。细胞内的pH环境在许多生理病理过程中扮演重要角色,例如受体介导的信号转导、酶活性、离子转运平衡、炎症以及肿瘤的发生等都与细胞pH有着密切关系。即使微小的pH变化都有可能引发细胞相关的功能紊乱,因此pH的定量检测对细胞生物学分析诊断有重大意义。在第一部分的pH检测中,我们设计并合成了一系列基于硝基苯并氧杂恶二唑和哌嗪的光致电子转移pH荧光探针(化合物1-4)。该类探针具有良好的离子选择性,高的灵敏度,好的光稳定性。经过光化学性质和活细胞成像实验的筛选,我们选择了化合物1作为癌细胞微酸环境检测的最合适探针。当化合物1与Hela细胞一起孵育,它与定位在酸性细胞器的溶酶体红色染料重合,表明细胞内的酸性环境能够激活这类pH探针的荧光。而荧光共聚焦实验和流式细胞实验则表明当细胞周围环境的酸性增加,化合物1在细胞内的荧光也随之增强,它能迅速地实时地检测到细胞内pH的改变。此外,其中因化合物1修饰了靶向叶酸受体蛋白的叶酸部分,叶酸介导的靶向传递使得化合物1能更快速地进入叶酸受体蛋白高表达的癌细胞,实现了良好的细胞选择性。汞是一种典型的环境污染,即使在很低的浓度下,汞依然会随着食物链而富集,对人或其他生物体产生巨大毒性伤害。汞污染会引起许多脑、肺、肾相关的疾病和生物功能紊乱,因而环境及生物样品中痕量汞的检测就显得十分重要和紧迫。在第二部分汞离子的检测中,我们设计并合成了一种基于脱硫反应的萘环衍生物类双光子荧光探针(化合物6)。该检测体系利用汞与硫之间的高亲和力使缩硫酮基团脱保护变成酰基,诱发分子内电荷转移,让原本无荧光的化合物6反应生成具有强烈双光子荧光的化合物7。在检测过程中,体系的单光子和双光子荧光强度均随着汞离子浓度的增加而逐渐增强,并在26nM-3μM的汞离子浓度范围内呈现良好的线性关系,荧光信号稳定,不受pH值变化的影响。同时,化合物6具有良好的离子选择性,不受其他竞争性阳离子的干扰。不仅如此,当细胞内有汞离子存在情况下,该探针能实现双光子荧光共聚焦成像,大大避免了细胞内的自身背景干扰,为生物样品如细胞和组织内的汞离子成像提供了新的途径。DNA修饰是表观遗传学的重要方面,严重影响着基因与转录因子和结合蛋白之间的作用。在众多DNA修饰中,DNA甲基化与抑癌基因的沉默有着密切关系,使得它的检测对基因组学方面的研究和癌症的早期预警有重要的指导意义。在第三部分5-甲基胞嘧啶的检测中,我们建立了一种亚硫酸氢钠-尿嘧啶DNA糖基化酶(UDG)体系。该方法的原理是：利用亚硫酸氢钠修饰将非甲基化的普通胞嘧啶转化成尿嘧啶；用UDG酶切除新生成的尿嘧啶形成缺失碱基位点；在弱碱性条件下缺失碱基位点不稳定,诱使原本DNA链中胞嘧啶所处的位置发生断裂,而5-甲基胞嘧啶所处的位置依旧保持完整；最后通过变性凝胶电泳将DNA断裂碎片分离,比较出缺失电泳条带的位置即为DNA链中5-甲基胞嘧啶位点。通过此方法,我们能成功地确证,不论单链或者双链中,不论长链或者短链中,5-甲基胞嘧啶的数目和位置。因此,该亚硫酸氢钠-UDG酶体系提供了一种直观、可靠的定量方法来检测DNA中胞嘧啶甲基化程度。