二氧化硫被认为是重要的环境污染物之一,过多摄入会引起一些呼吸性疾病,严重可致肺癌。研究报道,二氧化硫在生物体内主要以两种形式存在(亚硫酸氢根和亚硫酸根),可以由半胱氨酸代谢途径内源性产生。适量的二氧化硫衍生物在生物体内具有独特的生理功能,适量的二氧化硫在生物体内能够调节心血管以及静脉舒张。然而,二氧化硫衍生物在生物体内的具体生理学机制尚未清楚。因此,为研究二氧化硫衍生物的具体生理学机制,发展一种用于检测生物体内二氧化硫衍生物的方法极其重要。此外,二氧化硫在生物体内与其他相关分子的相互作用以及具体的生理学关系尚未研究。以甲醛为例,在化学角度上讲,甲醛能够与二氧化硫衍生物发生反应,那么,在复杂的生物体内两者又是如何作用值得研究。两者是否会发生反应,发生反应后对生物体本身又会产生怎样的影响?这些问题,至今仍未被研究。因此,发展一种能够检测二氧化硫与甲醛相互作用的方法对研究两者之间复杂的关系具有重要意义。荧光成像法将荧光探针与显微成像仪器结合,利用目标分子与探针的相互作用引起荧光信号发生变化,从而实现对靶向分子的检测。该方法具有多个优点:灵敏度高、专一性高、操作简单、对样品无损伤、能够实时原位成像。因此,荧光成像法被广泛用于医学和环境学等多个领域。通过文献调研,本论文拟弥补现阶段二氧化硫衍生物荧光探针的多个缺点,构建了五个检测二氧化硫衍生物的荧光探针,分别具有各自独特的性质。第一部分描述了一种双光子深红发射检测二氧化硫衍生物的比率型荧光探针(CP)。该探针将香豆素与派洛宁衍生物结合,以鎓盐离子作为二氧化硫衍生物反应位点。探针本身具有大的共轭体系,主要发射深红色荧光。当与二氧化硫衍生物作用后,其大的共轭体系被打断,释放具有双光子性质的香豆素荧光团,从而实现双发射变化检测二氧化硫衍生物。此外,探针CP能够超速、高灵敏地识别二氧化硫衍生物,响应二氧化硫衍生物前后,其荧光发射位移和荧光强度比值变化较大,能够高效检测生物体内短暂存在的二氧化硫衍生物。生物成像实验证明,这种独特的探针不仅在单光子和双光子模式下成功检测线粒体中二氧化硫衍生物,还能用于脑组织中及活体中二氧化硫衍生物的检测。第二部分工作中通过调节分子内供拉电子能力,构建了选择性较高的二氧化硫衍生物荧光探针(TCaP)。该探针以咔唑-苯并噻唑为荧光平台,鎓盐作为二氧化硫反应位点,TCaP本身呈现红色荧光,与二氧化硫衍生物作用后,主要发射蓝色荧光,从而实现比率型检测二氧化硫衍生物。TCaP能够在短时间内快速响应二氧化硫衍生物、抗干扰性强、检出限低,即使在极端pH或长时间光照下,都不受影响。值得注意的是,本章节设计的荧光探针TCaP对二氧化硫衍生物具有较高的选择性,说明通过改变探针的推拉电子的能够改善探针对二氧化硫衍生物的选择性。本章设计策略为高选择性识别二氧化硫衍生物荧光探针的设计提供了理论依据。第三部分中,基于前两部分的研究以及迈克尔加成反应特性,本章精心设计了第一个可逆检测二氧化硫与甲醛的荧光探针(CaP)。通过调节探针分子内供拉电子体系,该探针不仅实现了高选择性识别二氧化硫,同时能够被甲醛高效可逆识别。CaP能够快速检测二氧化硫衍生物,然后短时间内被甲醛可逆,使探针荧光恢复。此外,探针具有良好的重复性,并且成功用于细胞内、外源性二氧化硫与甲醛的实时可逆检测。斑马鱼与小鼠成像实验说明该探针CaP能够可逆检测斑马鱼和小鼠中二氧化硫与甲醛。第四部分中,基于荧光能量共振转移(FRET)机理设计了可逆性检测二氧化硫衍生物和甲醛的比率型荧光探针(NP)。该探针以萘酰亚胺作荧光团为能量供体,通过哌嗪将其与苯并吡喃盐连接。由于FRET作用,探针本身发射苯并吡喃盐的红色荧光。与二氧化硫作用后,FRET机理消失,此时主要发射能量供体(萘酰亚胺)的荧光。然而,甲醛加入后,荧光又逐渐恢复至原始的红色。此外,该探针NP能够特异性识别二氧化硫衍生物,反应前后荧光强度比值变化较大,能够用于细胞内源性以及外源性二氧化硫与甲醛的可逆检测,并且该探针首次检测小鼠中内源性二氧化硫和内源性甲醛。第五部分中构建了检测核仁区域的二氧化硫和甲醛的比率型可逆荧光探针(DP)。该探针基于FRET机理,以丹酰氯作为能量供体,苯并吡喃盐作为受体。经过理论计算可知,该探针能够与核仁中RNA结合,并且首次成功用于细胞RNA区域中二氧化硫与甲醛的可逆成像。该探针不仅能够高速识别二氧化硫与甲醛,同时也成功用于小鼠中内源性二氧化硫与内源性甲醛的检测。