硫醇是生物体中许多蛋白质和小分子的重要组成部分，在细胞的抗氧化系统中具有重要的作用。许多生命活动如氧化还原反应、甲基转移反应、二氧化碳固定反应以及辅酶A参与的反应等依赖于这些包含巯基的硫醇类物质；细胞内pH值在生理及病理过程如受体介导的信号传导、酶活性、细胞生长和凋亡、离子运输和稳态调节、钙含量调节、细胞内吞作用、趋化作用、细胞粘附和肿瘤生长等过程中起到非常重要的作用；生物体自发产生的H2S气体被视为一种气体传递质，在一系列生理活动中起到诸多积极作用如血管舒张、抗氧化剂和镇静剂等；SO2是一种存在于空气中的有毒污染物，对人体许多器官是有害的，研究表明生物体心脏血管系统也会自发产生SO2，SO2能够作为一种气体传递质在调节血压及重塑血管过程中发挥重要作用。用荧光探针定量检测生物体系中硫醇浓度、pH值以及H2S、SO2的浓度在生物化学和临床医学中具有重要意义。本论文工作大体分为六部分，具体内容如下：1.探针1对于硫醇类化合物有快速的比色及比率型响应，其吸收及荧光谱峰分别有着长达143nm和109nm的蓝移。此探针还具有很好的灵敏度和选择性，且能够在很大的pH范围内检测硫醇。通过核磁共振氢谱和质谱分析的方法，我们解释了巯基对探针分子中活性双键亲核进攻的检测机理。运用这样一种水溶性探针对KB细胞进行荧光成像研究，在检测细胞内硫醇的实验过程中能够取得良好的比率型实验效果。2.设计并合成了一种基于方酸荧光团和2,4-二硝基苯磺酰基（DNS）识别基团的硫醇荧光探针2。在乙腈-PBS缓冲溶液(1:9, v/v)中，此探针对硫醇类氨基酸有着荧光开启型的响应，对半胱氨酸（Cys）和高半胱氨酸（Hcy）荧光信号分别能够得到33和22倍的增强，发射出来的红色荧光处于近红外区域，且具有高灵敏度、高选择性和快速响应（20分钟内）等特点。荧光成像研究显示此探针细胞膜透过性很好，能够顺利应用于细胞内硫醇类化合物的检测。3.将香豆素荧光团与苯并噻唑或吲哚以双键相连接，合成了三种D-π-A结构的pH比率型荧光探针3-5。基于分子内电荷转移（ICT）机理，这三个探针分子在吸收和荧光光谱实验中均分别对H+有着比色和比率型双波段变化。含苯并噻唑基团的探针3和含吲哚基团的探针4、5在吸收和荧光光谱上对pH响应呈现出波长位移方向完全相反的性质。探针5是一个能够在近红外发射范围对pH响应的比率型荧光探针，酸性条件下其荧光谱峰有着长达122nm的红移。探针5具有响应迅速、优良的细胞膜透过性、高灵敏度、高选择性、良好的光稳定性和实时可逆等优点，被应用于细胞荧光成像实验中定量检测KB和HeLa细胞内pH值的变化。本项研究表明将香豆素荧光团与苯并噻唑或吲哚基团共轭相连而形成的具有ICT特性的分子结构是构建检测细胞内酸性微环境的近红外pH荧光探针的有效方法。4.将间二乙氨基苯酚，原甲酸三甲酯和对甲苯磺酸吡啶嗡盐等原料采用一步法合成了罗丹明类衍生物6。探针6是一个很好的荧光开启型（OFF-ON）pH探针，在pH8.0至3.0变化范围内，荧光强度有约400倍的增强，pKa值经计算为4.73。探针6还具有高选择性、响应迅速、良好细胞膜透性、响应可逆性、光稳定性和不受环境温度变化影响等性能。这些特性使得该pH探针能够作为特异性检测溶酶体内pH值的红光发射的荧光探针应用于细胞内荧光成像。5.基于苯并[a]吩噁嗪类染料合成了三个检测H2S的近红外探针分子7-9，其中在9-(二乙基氨基)苯并[a]吩噁嗪-5-酮（尼罗红）染料的3位引入2,4-二硝基苯醚基团合成的近红外荧光探针7对H2S有荧光开启型响应。探针7与5当量的H2S混合之后，荧光光谱上位于666nm处的荧光峰强度增强约18倍。通过核磁和质谱分析手段验证了探针7在与H2S反应之后生成了化合物8。发生的独特的醚键硫解反应使得探针7能够有效排除生物类硫醇物质对检测的干扰。细胞荧光成像实验表明探针7能够作为细胞内实时检测H2S的近红外荧光增强型探针，而探针8在检测细胞内H2S的过程中表现为近红外荧光减弱型探针。6.基于噁嗪和呫吨类染料我们设计合成了三个水溶性SO2荧光探针10-12。检测时由于SO32-或HSO3-对分子结构中活性位的亲核进攻，探针10和11表现为比色型和荧光增强型探针。而探针12在检测时由于发生加成反应使分子的π-共轭结构受到破坏，探针分子的荧光逐渐淬灭，相应的溶液颜色由粉红色逐渐变为无色。这三个探针分子具有检测速度快、生理pH范围响应、高选择性和灵敏度等优势，荧光成像研究表明这三个探针能够对细胞内SO2衍生物进行特异且有效的识别，且细胞膜透过性较好，毒性也相对较低。基于这种检测机理的荧光探针在该领域尚属首次报道。