荧光染料是染料化学中的一个重要的分支。近几十年来,荧光染料及其衍生物在材料、生物、医学、太阳能利用等方面取得了很多突破性进展,逐渐成为了染料化学中一个关键的研究方向。有机荧光染料作为一类重要的荧光染料,具有千变万化的结构。但从本质上来看,其结构通常包含可发射荧光的母核以及能改变荧光波长和增强荧光的助色基团。伴随分析化学,生物科学,生命科学,医学等学科的飞速发展,有机荧光染料已经被广泛地应用在生物分子标记、酶分析、环境分析、细胞染色和临床检验诊断等诸多方面,是化学、生物学、环境科学和医学研究中不可缺少的荧光信号报告团。因此,开发具有实用价值的功能性有机荧光染料已成为当前倍受关注的研究课题。在多数已被广泛使用的商业化有机荧光染料中,它们在光物理和光化学性能方面存在的缺陷无法满足当前化学生物学研究和复杂体系分析检测的需求。因此,发展新型荧光染料以及对商业化荧光染料进行改性工作就显得非常有必要。本论文针对近红外荧光染料的稳定性差,调控位点不足和双光子荧光染料可选择发射波段少等问题,以提高和改善荧光染料的光物理和光化学性能为目的,通过杂化策略构建了一系列新型的荧光染料并把这些染料初步的应用在探针的设计和开发中。具体研究内容如下:(1)针对传统的近红外荧光染料化学稳定性低的问题,利用杂化策略设计合成了一类具有超强的化学稳定性的近红外荧光染料XC。这类近红外荧光染料在亲核试剂(如硫氢化钠)的存在下,化学稳定性明显优于课题组已开发的HD染料以及商业化的吲哚菁绿染料。通过对XC荧光染料的合成条件进行探究,我们发现在无水条件下合成的目标染料具有高的产率。另外,通过控制实验解释了染料在无水条件下的合成机理。光谱性能测试表明该类染料具有良好的荧光性能,且吸收和发射光谱都处于近红外区域。通过对该类染料在多种氧化剂,还原剂和亲核试剂存在下的化学稳定性评估,结果表明染料的化学稳定性强于部分商业化近红外荧光染料。理论计算结果也印证了染料的超强化学稳定性。(2)基于新开发的XC荧光染料设计合成了具有超强化学稳定性的近红外H2S荧光探针XC-H2S。光谱测试表明,该探针对H2S具有快速的响应,高的灵敏度,良好的选择性,且荧光强度增强了 35倍。细胞实验表明探针不仅能检测外源性H2S,也能检测由酶催化硫醇产生的内源性H2S。此外,该探针同时被成功应用于昆明小鼠的活体成像研究。(3)设计合成了一类新型的近红外荧光染料CHMC,该类染料具有良好的近红外荧光性能,包括近红外区域发射,大的摩尔吸光系数,高的荧光量子产率。值得注意地,CHMC近红外荧光染料具有双荧光调控位点,弥补了近红外染料荧光调控位点少的缺陷。在考察染料CHMC双荧光调控位点的可用性方面,两个调控位点分别被用作不同探针的识别位点。其中,羟基调控位点用于检测pH值的变化。我们发现,随着pH值从3.0增加到10.0,CHMC染料的荧光发射强度比值从0.43增加到52.3。另一个调控位点,即中位氯原子,被用来识别硫醇分子。我们发现该染料的两个发射峰的荧光强度的比值在加入硫醇前后从0.26增加到7.7。(4)基于杂化策略设计合成了 一类新型的波长可调节的双光子荧光染料TPFC,该类染料由萘酰亚胺染料与吲哚杂化合成。我们选择TPFC1作为共同的染料母体,其具有优良的单光子和双光子荧光性能,大的Stokes位移,结构易于修饰等特点。光谱性能表明,该类荧光染料的单光子和双光子的荧光发射波长范围覆盖了蓝色波段到近红外区域,具有波长可调节的特点,丰富了双光子荧光染料发射波段的可选择性区间。最后,鉴于其优异的单光子和双光子荧光性能,我们以染料TPFC-Lyso-4为代表,成功地应用于双光子比值溶酶体靶向硫醇探针的设计和开发。新型的比值硫醇探针TPFC-Lyso-Cys不仅可以检测细胞溶酶体内硫醇,还可以检测新鲜肝脏组织中生物小分子硫醇。