近些年来,荧光成像技术因具有高时空分辨率、高灵敏度、能够原位检测,成为现代生物学、化学和现代医学等领域中不可缺少的重要技术,在近红外(NIR)区域(650-900 nm)具有吸收和发射的荧光探针由于对生物样品具有最小的光损伤,更好的深层组织穿透能力以及可有效减少来自背景生物分子在生命系统中的荧光等优点更加有利于体内生物成像研究。本论文基于近红外方酸染料构建了几种新型的荧光探针,实现了活细胞和斑马鱼体内汞离子的成像检测、对BSA荧光和比色双通道选择性识别、荧光化学传感器及逻辑门的构建以及细胞内ATP的荧光成像检测。主要内容如下:第一章,简单介绍了近红外有机小分子荧光染料的研究进展,对近红外方酸染料荧光探针的设计原理及在生物传感和成像方面的应用进行了总结。第二章,利用汞离子的嗜硫性,我们设计合成了硫代方酸染料,同时在方酸染料中心四元环的邻位引入羟基,可作为脱硫反应的驱动力,提高反应的速率和专一性,从而提高检测的选择性。方酸染料在水溶液中发生自聚集以及硫原子的重原子效应有效地降低了背景荧光强度,提高了探针的检测灵敏度。侧链取代基的引入,有助于调节方酸染料的水溶性,提高其抗聚集的能力,同时增进生物相容性。探针具有对汞离子选择性高、生物相容性好等优异性能,成功地应用于活细胞和斑马鱼体内汞离子的成像检测。第三章,基于“聚集-解聚集”机制,设计合成了具有良好水溶性的近红外方酸染料,在PBS缓冲液中,染料处于聚集态,荧光也处于抑制状态,加入BSA后,BSA与染料相互作用,染料解聚集,荧光恢复,同时溶液的颜色由紫红色变为浅蓝色,有效地实现了对BSA荧光和比色双通道选择性识别。SQ-2c BSA用于细胞培养和体外荧光成像研究。该染料具有设计简单、合成方便、生物兼容性好和细胞摄取效率高等优点,在药物设计及运载和蛋白检测等方面具有良好的应用前景。第四章,构建了基于方酸染料的近红外荧光化学传感器,可用于对铜离子,生物磷酸盐PPi和氨基酸的级联识别。SQ-4与铜离子可逆地形成[SQ-4-Cu2+]配合物,对铜离子显示出高度选择性和灵敏度,用于细胞内Cu2+荧光成像检测。基于[SQ-4-Cu2+]配合物的荧光化学传感平台,通过竞争配位作用,PPi和氨基酸可以从[SQ-4-Cu2+]配合物中竞争螯合Cu2+,恢复SQ-4的光谱信号,可用于这些生物活性物种的级联识别。同时,基于此双功能化学传感系统,成功构建了一个IMPLICATION逻辑门。检测过程直观、快速、检测结果比色可读。第五章,利用苯硼酸和邻二醇之间的反应,设计了带有两个苯硼酸基团的近红外方酸染料(SQ-PBAl-3)。在pH=7.4的PBS缓冲液中加入阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),SQ-PBA3与CTAB之间由于静电排斥作用,使染料分子之间的聚集状态发生改变,利于苯硼酸基团与ATP分子中的顺式二醇部分的结合。加入ATP后,SQ-PBA3、ATP和CTAB分子之间由于多重静电作用,染料分子从聚集状态转变为解聚集状态,荧光释放从而实现对ATP的检测。该染料设计简单,合成方便,对ATP具有较好的选择性和较高的灵敏度,成功用于细胞内ATP的检测,进行肿瘤药物敏感性筛选。