生物体内的各种离子、氨基酸和酶是维持、调控和指示生物体生理活动的基础物质,其含量的轻微变化即可对生物体的生理活动产生重大影响,而生物体的生理活动变化亦可引起其体内上述物质含量的变化。因此,对生物体内的各种物质进行快速分析和实时监测是现代生物分析领域的重点研究方向之一。功能化有机小分子荧光染料探针因其所具备的灵敏度高、选择性好、生物毒性低、可以实时监测和原位检测等优点,在上述生物分析过程中得到了广泛应用。在本论文中,我们围绕对生物体内氢离子（H⁺）、铜离子(Cu²⁺)、汞离子(Hg²⁺)、半胱氨酸（Cysteine,Cys）和碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase,ALP）等物质的检测需求,设计并合成了6种配位型和反应型的功能化有机小分子荧光探针,在对其光谱性质进行充分研究的基础上,探究了其对上述目标物的识别机理和响应性能,并将其应用于细胞成像过程。具体研究内容包括:（1）以罗丹明B染料为母体,将其与水合肼、乙二胺和喹哪啶酸进行反应,合成了2种新型的荧光探针。利用H⁺可以引发罗丹明荧光团的内酰胺化学结构产生开环从而导致其荧光信号增强的现象,构建了对H⁺敏感的“turn-on”型pH荧光探针（RBQ1和RBQ2）,实现了在pH=4-6.5范围内对待测体系pH值的非接触式快速检测。此外,利用RBQ1与Cu²⁺配位后检测体系在可见光区的吸光度和颜色变化,实现了对Cu²⁺的目视比色定性检测和分光光度定量检测,检测限低至0.0365μmol L^-1。上述实验结果展示了RBQ1在细胞中pH和Cu²⁺检测方面的潜力。通过质谱分析和Job’s实验证明了RBQ1与Cu²⁺的配位比为1:1,利用理论计算手段研究了RBQ1与H⁺和Cu²⁺作用后的化学结构和电子云分布变化,并基于RBQ1对H⁺和Cu²⁺的响应能力构建了一个分子逻辑门。（2）基于具有类罗丹明化学结构的近红外荧光团,构建了用于检测Hg²⁺的近红外荧光探针RhTB。该探针分子中的硫原子可与Hg²⁺发生配位作用,导致其分子内五元螺环发生开环现象,进而引起探针分子荧光信号的增强。与已报道的荧光类Hg²⁺探针相比,该探针具有斯托克斯位移较大（100 nm）和激发、发射波长（分别为680 nm和780 nm）都处于近红外区等优点。此外,该探针对Hg²⁺具有高灵敏度和高选择性响应,检测限低至0.073μmol L^-1,对Hg²⁺的选择性在pH=5-9范围内保持稳定,且响应时间较短（1 min）。利用质谱分析和Job’s实验等方法对探针分子与Hg²⁺的结合机理进行了研究,并利用理论计算手段进行了验证。此外,该探针还实现了对活细胞中Hg²⁺含量水平的荧光成像。（3）基于6-羟基-1-四氢萘酮与4-（二乙氨基）水杨醛的缩合反应合成了一种化学结构简单的新型红光发射荧光染料,采用丙烯酸酯基团对其进行化学修饰后得到了用于定量检测半胱氨酸（Cys）的荧光探针HSA。在该探针分子上作为荧光猝灭基团的丙烯酸酯基团可与Cys发生特异性迈克尔加成反应形成七元环结构,并随着酯键的断裂从探针分子上脱落,使探针分子转变为原始荧光染料分子并引起荧光恢复。该反应不受与Cys化学结构相似的其它生物硫醇如谷胱甘肽（GSH）和同型半胱氨酸（Hcy）的干扰,因此该探针对Cys具有良好的选择性和检测灵敏度,其检测限低至0.12μmol L^-1。实验中基于密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）对该探针的发光机理进行了理论计算研究,并将其应用于对活细胞中内源性Cys的荧光成像过程。（4）分别基于（3）中所合成的红光发射荧光染料和新型羟基半菁类近红外发射荧光染料,采用磷酸化试剂三氯氧磷修饰法合成了2种用于检测碱性磷酸酶（ALP）的荧光探针DHP和MTR-P。其中,DHP表现出了良好的水溶性,在纯水体系下对ALP有良好的选择性和灵敏度,检出限低至0.031 U L^-1,检测性能优于大多数已报道的ALP荧光探针。通过对该检测体系的荧光光谱、吸收光谱和质谱数据进行分析,并辅以理论计算手段探究了DHP对ALP的响应机理;采用BEL-7402和HEK 293T型活细胞对DHP的荧光成像性能进行了测试。在MTR-P的荧光团部分（MTR）的合成过程中,通过将常规羟基半菁类染料分子中的2,2,3-三甲基-3H-吲哚基团替换为2-甲基[d]苯并噻唑基团,使MTR与常规羟基半菁类染料相比具备了更长的发射波长（Em=723 nm）、更大的斯托克斯位移（43 nm）和更高的量子产率（0.15）。MTR-P对ALP具有较好的选择性和较高的灵敏度,其检测限低至0.042 U L^-1。采用质谱分析和理论计算等方法对MTR-P的检测和发光机理进行了研究,并采用BEL-7402和HEK 293T型活细胞对MTR-P的近红外荧光成像性能进行了评估。