线粒体是细胞的能量工厂，它在有机体的能量代谢和细胞凋亡等过程中都起着至关重要的作用。而且线粒体是细胞内活性物种之一活性氧自由基（ROS）的主要产生位点，它与信号转导以及癌症，糖尿病，老年痴呆和神经退行性疾病许多重大疾病有关。因此，线粒体内的ROS和其他功能小分子的研究引起了广泛的关注。超氧阴离子自由基（O₂^-.）是线粒体内电子转移链的副产物，它是所有ROS的前体，可以转化为过氧化氢等其它的ROS，因此它直接或间接地决定了其他ROS的水平。近年来研究表明线粒体内的O₂^-.与生物体内发生的炎症、衰老及癌症等重大疾病有密切关系，因此实现线粒体内O₂^-.的原位可视化具有重要的科学意义。由于O₂^-.的浓度低、寿命短，它会转化成其他的活性氧自由基，而且线粒体内的成分复杂从而使O₂^-.的检测异常困难。已报道的选择性好、灵敏度高的检测细胞及活体组织中O₂^-.的小分子荧光探针仍然很少。而双光子荧光探针的激发在近红外区，具有诸如光损伤小，穿透能力强，大大降低蛋白质等大分子生物背景荧光的干扰，而且分辨率高，漂白区域小，在对生物组织中深层物质的成像研究方面显著地优于单光子荧光探针。在双光子荧光材料中，咔唑类和芴类衍生物拥有完美的刚性共轭平面，离域性好，吸收截面大，高的热稳定性和光化学稳定性，易于进行结构修饰引入多种官能团的优良性质，它们在双光子领域具有极大的应用价值。因此针对目前检测线粒体内O₂^-.的荧光探针的诸多不足，设计合成拥有大的双光子吸收截面、优良的生物相容性，高选择性地检测O₂^-.的双光子荧光探针是当前的热点与难点之一。本论文开展了以下三方面的工作：（一）设计合成了一种以芴为荧光母体，检测线粒体内O₂^-.的新型双光子荧光探针MF-DBZ。探针的结构由三部分组成：具有良好的双光子性质的荧光团芴、与超氧阴离子特异性反应的响应基团苯并噻唑啉以及公认的定位到线粒体的基团三苯基膦。探针的合成路线较简单，经四步反应得到终产物。通过¹H NMR，¹³C NMR，IR和MS等手段对探针及合成过程的每一步产物进行了表征，并对合成方法进行了探讨，实验结果令人满意。（二）研究了探针MF-DBZ在化学体系及生物体系中的应用。探针的光谱性质表明，MF-DBZ能快速、高灵敏度、高选择性地检测O₂^-.。成功地将探针应用到了中国仓鼠卵巢细胞等正常细胞及癌细胞中，测定其内源性的O₂^-.。激光共聚焦显微成像实验表明，探针能够高选择性地响应细胞内线粒体中O₂^-.浓度的变化。（三）设计合成了一种以咔唑为母体，检测线粒体内O₂^-.的新型双光子荧光探针MitoCA。该探针由双光子荧光团咔唑，对O₂^-.响应的基团苯并噻唑啉，和定位基团三苯基膦三部分组成。通过NMR，IR和MS等手段对每一步产物进行了表征，并且对合成方法进行了讨论，取得了理想的效果。探针的荧光性质表明，它能够高选择性及高灵敏度地响应O₂^-.。