生物活性小分子包括活性氧(reactive oxygen species,ROS)、生物硫醇等是生物体维持正常生命活动的重要组成部分,这些生物活性小分子的错位分布以及含量异常通常与一系列疾病的发生发展具有密不可分的联系。因此,开发新型的荧光探针用于检测这些生物活性小分子并探索探针在细胞内的应用具有非常重要的研究意义。另一方面,光动力疗法是利用光敏剂发生光化学反应,将体系中的普通氧分子转变为具有细胞毒性的单线态氧,进而治疗病变组织的疗法。这种疗法具有非侵入性,全身性损伤小,精确治疗,易于控制的优点,在治疗皮肤炎症,抗菌,肿瘤治疗等方面具有巨大的潜力。因此,开发新型的光敏剂对于光动力治疗研究具有至关重要的帮助。氟硼二吡咯荧光染料具有荧光量子产率高,摩尔消光系数大,荧光发射峰窄,生物相容性好,结构修饰性强,近红外发射等优点。因此,氟硼二吡咯荧光染料可以被开发为生物活性小分子探针以及光动力治疗用光敏剂。本论文基于氟硼二吡咯荧光母核,一方面,通过在氟硼二吡咯荧光母核上修饰识别基团,构建新型氟硼二吡咯生物活性小分子(次氯酸钠、生物硫醇)荧光探针,并对其在生物活性小分子识别与细胞应用方面做系统研究。另一方面,通过修饰氟硼二吡咯结构,构筑新型光动力治疗用的光敏剂,并对其光动力治疗效果作系统生物评价。本论文工作部分为以下七个章节:第一章:绪论。首先,介绍了几种常见的有机小分子荧光染料及氟硼二吡咯荧光染料的结构与光物理特性以及其在多领域的应用。其次,介绍了生物活性小分子荧光探针的研究现状,并且列举了诸多代表性的氟硼二吡咯生物活性小分子荧光探针。再次,介绍了光动力治疗的作用机制,综述了基于有机小分子荧光染料的光敏剂种类与研究现状,列举了多种基于氟硼二吡咯荧光染料母核的光敏剂及其光动力治疗功能,最后,概述了本论文的工作内容。第二章:介绍了一种近红外氟硼二吡咯谷胱甘肽荧光探针BODIPY-ONs。探针采用双对茴香乙烯基氟硼二吡咯作为近红外荧光母核,在氟硼二吡咯meso位的酚羟基上连接硫醇识别基团2,4-二硝基苯磺酸酯。探针不仅能够将生物硫醇从其它非硫醇类氨基酸中识别出来,而且相较于半胱氨酸、同型半胱氨酸,探针对谷胱甘肽展现出更高的响应活性。通过高效液相色谱、质谱分析与理论运算,确定探针能够选择性识别谷胱甘肽的机理是基于一种特殊的“氢键辅助硫解”的机理。探针最终被成功用于在细胞中检测内源性与外源性的谷胱甘肽。第三章:介绍了一种基于氟硼二吡咯/萘二丁酰亚胺双荧光团组合结构的生物硫醇荧光探针BODIPY-S-Np。探针采用硫醚键将萘二丁酰亚胺连接到氟硼二吡咯的5位上。探针能够以不同的荧光响应形式将半胱氨酸、同型半胱氨酸、谷胱甘肽区分开来。具体而言,探针能够以绿色荧光增强的形式识别半胱氨酸,以蓝色荧光波段与橙色荧光波段比率型荧光增强的形式识别谷胱甘肽。探针在弱酸性条件下识别同型半胱氨酸后呈现橙色荧光增强,而在中性条件下呈现绿色荧光增强。探针能够以荧光增强的形式定量检测半胱氨酸与同型半胱氨酸。由于比率型识别形式可以有效削弱仪器噪音的干扰,相较于识别半胱氨酸与同型半胱氨酸,探针识别谷胱甘肽的检测限低至3.3 nM。在细胞应用方面,探针能够在细胞中对外源性半胱氨酸与同型半胱氨酸成像,以双通道比率型荧光成像的形式检测细胞内源性与外源性谷胱甘肽。第四章:介绍了一种红光发射的比率型氟硼二吡咯次氯酸钠荧光探针avyl-BODIPY-PTZ。通过将供电子基团吩噻嗪与吸电子荧光团双苯乙烯氟硼二吡咯单键相连,使探针具有正交D-A型结构。探针能够在红光区域内,以比率型荧光增强的形式识别次氯酸钠。探针识别次氯酸钠具有非常高的灵敏度和选择性。识别的反应机理是基于次氯酸钠氧化探针中的吩噻嗪结构形成含有亚砜结构的识别产物。探针的双荧光发射性质来源于探针中强烈的扭转分子内电荷转移(TICT)效应。识别次氯酸钠后,识别产物中扭转分子内电荷转移效应减弱,本征态荧光发射逐渐取代了扭转分子内电荷转移态的荧光发射,从而使探针能够以双波段比率型荧光来响应次氯酸钠。此外,探针能够以双通道荧光成像的形式,在活细胞中识别次氯酸钠。第五章:采用2,6-双碘代氟硼二吡咯作为单线态氧发生器,在氟硼二吡咯的5位上引入溶酶体定位基,构建了一种具有溶酶体定位功能的氟硼二吡咯光敏剂BDPI-lyso。光敏剂具有非常高的单线态氧量子产率与较低的荧光量子产率。其单线态氧量子产率受溶剂体系的pH调控,酸性条件下单线态氧量子产率要高于中性条件下的单线态氧量子产率,说明光敏剂能够在酸性细胞器溶酶体中展现更高的光动力治疗效果。细胞实验表明,光敏剂具有非常低的暗毒性和较高的光毒性。光敏剂能够定位于细胞中的溶酶体,在光照下产生活性氧破坏溶酶体进而促使细胞凋亡。第六章:将供电子基团咔唑与吸电子荧光团氟硼二吡咯单键相连,构建了一种基于正交D-A构型的光敏剂Cz-BODIPY。光敏剂具有良好的水溶性和光稳定性,较高的单线态氧量子产率与较低的荧光量子产率。在光动力治疗的生物评价中,光敏剂具有非常低的暗毒性和较高的光毒性,能够在光照激发下,产生活性氧诱导细胞凋亡。光敏剂具有非常好的生物相容性,能够被斑马鱼吞噬并在光照激发下在斑马鱼体内释放活性氧。光照后的光敏剂能够有效抑制肿瘤细胞迁移。因此,光敏剂Cz-BODIPY具有光动力治疗实际应用前景。第七章:综上所述,本论文采用多种结构修饰方式来构筑新型氟硼二吡咯荧光染料。一方面,合成了两种生物硫醇探针与一种次氯酸钠荧光探针,并研究了这些探针的识别效果,识别机制与细胞内识别的应用前景。另一方面,构建了一种具有溶酶体定位功能的光敏剂与一种正交供吸电子结构的光敏剂,并探索了这些光敏剂的光动力治疗机制以及光动力治疗效果。