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罗丹明染料具有摩尔吸光系数大、荧光量子产率高、光稳定性好、生物兼容性好等优势,被广泛应用于各种荧光探针的设计研究中。由于大部分罗丹明类染料的吸收和发射波长处于不适合用于活体成像的可见光区域（500-600 nm）,因此采用新的设计合成策略来发展吸收和发射波长延长到深红至近红外区域的氧杂蒽荧光染料,并使其满足于生物荧光标记或者活体动物荧光成像检测是至关重要的。本论文在系统总结现有文献基础上,利用增大罗丹明π-共轭体系的方法,采用全新设计合成策略,设计合成了一系列吸收和发射波长位于深红至近红外区域的新型氧杂蒽荧光染料,并系统研究它们的光谱性质、生物相容性及在荧光探针设计方面的应用。通过两步连续的Friedel–Crafts酰化反应,成功合成了具有双螺环控制吸收和荧光信号的荧光染料S1和S2。S1和S2具有以萘为桥联基,并融合了罗丹明和二羟基荧烷结构属性的特点。在甲醇溶液中,利用加入外界刺激物如酸、碱、金属离子后,染料的两个螺环内酯结构可以选择性的“开-关”这一特性,可以成功地调控染料的吸收和荧光光谱性质。相反,在中性和碱性水溶液中,染料S1和S2的两个螺环结构完全打开,最大发射波长>610 nm,较传统罗丹明染料有很显著的红移。利用S1和S2在甲醇溶液中对酸和碱刺激所引起紫外/可见吸收光谱的变化,成功构建了两个可以进行二进制减法运算的半减器分子器件。由于染料在水相中的双螺环开环特性,以及良好的细胞膜透性,S1和S2可以选择性定位于细胞的线粒体中,因此S1和S2可以作为线粒体的靶向定位探针。利用分子内芳香氢的亲核取代反应（SNArH）的设计策略,成功地合成了以罗丹明为模板融合苯并噁嗪的荧光染料RO1。该设计策略所使用的SNArH反应无需使用昂贵的金属催化剂、强碱和强氧化剂,并且反应温度低。为探索供电子基团、吸电子基团和进一步增大π-共轭体系对分子内芳香氢的亲核取代反应（SNArH）的影响和对合成染料光谱性质的影响,我们分别设计并成功合成了吡啶噁嗪替代苯并噁嗪的RO2,具有供电子基团甲氧基的RO3和RO4,以及六个芳香环共轭的稠合罗丹明染料RO5,该结果表明我们采用的SNArH策略在合成大共轭氧杂蒽染料方面具有一定的普适性。氧杂蒽染料RO1-RO5的最大荧光发射波长均>650 nm,较罗丹明有显著的红移。以RO1和RO2为例,详细开展了这类染料的光稳定性、生物相容性、溶酶体靶向定位能力等研究工作;并以RO1为原料,通过在其螺环内酯位置进行修饰,合成了四个能够分别检测Hg2+和Cu2+的探针,并实现了对目标离子高选择性和灵敏性的识别;通过在噁嗪氮原子上引入吗啉基团,成功地合成了能够对溶酶体进行定位的染料RO1-MPL。在利用SNArH策略成功设计合成氧杂蒽染料RO1-RO5的基础上,我们利用该策略将芳香噻嗪结构引入氧杂蒽染料中,并利用硫原子对次氯酸响应的特性,成功获得了次氯酸荧光探针RS1和RS2。由于硫原子的引入,RS1和RS2发射波长进一步红移（>700 nm）。当探针和次氯酸作用后,其荧光发射波长发生蓝移（590nm）。因此,RS1和RS2可作为检测次氯酸的比率荧光探针;而且探针具有很好的光稳定性和对溶酶体的靶向定位功能,可实现细胞内溶酶体中次氯酸的比率荧光成像检测。利用2-氨基苯酚被ClO-氧化为邻-醌亚胺原理,以在合成近红外荧光染料过程中得到的中间体4X作为荧光探针,成功地实现了对ClO-的高的选择性检测,同时探针4X可用于细胞内ClO-的荧光成像检测。受探针4X的启发,我们将探针4X上2-氨基苯酚的氧原子用氮原子替代,设计合成了以邻苯二胺为反应位点的NO荧光探针ROPD。该探针对NO具有选择性好、灵敏度高、响应速度快等优点。同时,探针可以在不同细胞系中实现外源和内源性NO的荧光成像检测。