含氮杂环化合物是有机杂环化合物的重要组成部分。根据芳香性的有无,可将含氮杂环化合物分为芳香族含氮杂环化合物或脂肪族含氮杂环化合物。含氮杂环化合物通常具有良好的生物活性,它们在天然产物中分布广泛,一些中草药中的有效成分,植物中的叶绿素,动物中的血红素,生物中的碱基对等中都能发现含氮杂环化合物的身影。随着基础有机合成化学的发展,人工合成的含氮杂环化合物的种子不断散播到人类生产生活的各个领域,并逐渐生根发芽,枝繁叶茂。近年来,芳香族含氮杂环化合物因其优秀的光学性能,良好的生物活性,低的细胞毒性,特异性的生物标记能力等在荧光成像、荧光标记等领域崭露头角。许多具有优良性能的氮杂环衍生物被设计为荧光探针用于体外及体内检测,如pH探针,生物硫醇探针,活性氧探针等。还有些含氮杂环化合物的衍生物被合成用作细胞器标记物,如线粒体,内质网,核酸标记物等。因此借助于有机合成,设计合成新型含氮杂环化合物的衍生物并将其应用于荧光成像及荧光标记等领域是一项非常有意义的工作。本文设计合成了几种含氮或氮鎓盐类小分子化合物,在充分表征的前提下对它们的光学性能进行了详细的研究,此外,探索了它们在生物学方面作为脂滴标记荧光探针和核酸荧光探针的应用,具体内容如下:1、通过Friedlander喹啉合成法合成了两个含有喹啉-香豆素骨架的喹啉衍生物(1a,1b)。1a和1b具有良好的光稳定性能,它们在各种有机溶剂中荧光发射峰位于469-509 nm且1a和1b均表现出很高的荧光量子产率(0.79-0.96)。此外,光学测试表明它们在pH值为6.0-9.0的水溶液中荧光很强且保持稳定,这为它们的细胞应用提供了前提。最终的细胞实验表明1a,1b能在活的和固定的正常细胞与癌细胞中作为脂滴荧光标记物,并可与一些商业化荧光标记物进行多色成像分析。2、含氮阳离子的杂环衍生物往往可以与核酸结合。因此通过设计含氮阳离子杂环化合物(吡啶[1,2-a]嘧啶衍生物4)与不同的醛类化合物(5a-e)的缩合反应制备了 5个含偶氮单元的菁类染料(6a-e)。它们都具有优秀的光稳定性能和良好的热稳定性能,除6e外,均能与核酸结合表现出近乎开关的荧光增强现象。其中6a对核酸的响应最好,与DNA或RNA结合前后的荧光增强倍数最大,对DNA或RNA的检测限分别为2.29 μM和3.18 μg·mL-1。6a的激光共聚焦实验表明6a能够作为一种新型的线粒体核酸荧光标记探针。3、在第三章研究的基础上,通过改变含氮阳离子杂环化合物,吡啶[1,2-a]嘧啶衍生物的侧链(9a-c),并利用它们的甲基与7-二乙胺基香豆素-3-甲醛(10)反应合成了 3个含氮阳离子杂环衍生物(11a-c)。由于增大了化合物的共轭结构,因此它们的最大发射峰均位于近红外区域(678-697 nm)且它们与核酸结合后均表现出明显的荧光增强现象。受化合物侧链的影响,它们与核酸结合后的荧光强度增加倍数不同且呈规律性变化,即当侧链由供电子的甲基变为吸电子的氯时,探针与核酸结合后的荧光强度增幅大幅度降低。此外,细胞成像实验表明它们均可标记固定的HeLa癌细胞的核仁,且主要与RNA结合。