生物体内存在多种多样的生物分子(生物大分子如核酸、蛋白质,小分子如各种氨基酸、阴阳离子等),有着至关重要的生理作用。要研究各种生物分子在生长代谢过程中所发挥的作用,最直观的方法就是实时观测生物分子的分布、含量和代谢等。荧光显微成像是研究生命体系的重要工具,它比其他入侵性的方法操作更简便,灵敏性更高。所以,各种生物分子的高选择性荧光探针的开发引起了广大科研工作者的极大兴趣。利用更高能量的单个光子作为激发的普适性生物荧光显微镜、共聚焦荧光显微镜是用于细胞成像的最常用的方法,双光子荧光显微镜利用更低能量的两个光子作为激发光源,由于它独特的优点,受到了广大生物学家的欢迎,已经广泛应用于细胞和组织的微观成像。与传统的单光子荧光显微镜相比,双光子荧光显微镜除了本身局部激发以外,有更深的生物样品穿透深度(>500μm),更低的组织自发荧光和自吸收,减弱的对生物样品的光损伤和光淬灭,这能明显延长活细胞和组织的观测时间和增加观测深度,不需要组织制备处理,如损伤的细胞可深入到脑切片内部>70μm.然而真正意义上的双光子荧光探针的短缺,限制了双光子荧光显微镜的广泛应用。大多数单光子荧光探针的双光子吸收截面比较小(<50GM),阻碍了它们在双光子荧光显微镜上的使用。因此,发展具有大活性吸收截面的、高荧光量子产率的可用于活细胞成像的双光子荧光探针是迫切需要的。核酸不但是一切生物细胞的基本成分,还对生物体的生长、发育、繁殖、遗传及变异等重大生命现象起主宰作用。如核酸氧化分解物--嘌呤是导致人类尿酸增高和痛风的主要原因。核酸大分子分为两类：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),在蛋白质的复制和合成中起着储存和传递遗传信息的作用。DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础,RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用,其中转移RNA (tRNA)携带和转移活化氨基酸：信使RNA (mRNA)是合成蛋白质的模板；核糖体RNA (rRNA),是细胞合成蛋白质的主要场所。相比众多的商业DNA探针,RNA探针非常少,因为现有核酸探针一般与双链DNA有较大的亲和性,且小分子与RNA的作用机理尚不清楚,所以RNA探针的研究是比较困难的。细胞内的巯基化合物如半胱氨酸、高半胱氨酸和谷胱甘肽在生物上有着重要作用。它们维持蛋白质的高阶结构,通过平衡巯基化合物(RSH)和二硫化物(RSSR)控制氧化还原平衡。细胞内,线粒体是耗氧的基本位点和活性氧的主要来源,在线粒体中,谷胱甘肽在维持氧化还原环境,避免氧化损伤导致功能失调和细胞死亡方面起着关键作用。线粒体中的谷胱甘肽主要以还原态存在,GSH:GSSG比例大于100：1,GSSG/GSH比例的增加指示着氧化应激压力。为了理解RSH在生物学上的作用,监测细胞、组织和生物体内的RSH是至关重要的。为了选择性识别、检测和成像细胞中的RNA和线粒体内RSH或某种氨基酸,本论文主要包括：1.设计合成了一系列RNA探针,特别是双光子RNA荧光探针。IN和PY能很快进入活细胞,选择性标记核仁；INS1、IND1、INS2和IND2在核酸溶液中表现出大的双光子活性吸收截面,具有应用于双光子荧光显微镜成像核仁和胞质中的RNA的潜力,并且表现出与经典核染料DAPI很好的复染能力；通过对INS1的结构改造设计合成了INSC6,不仅对RNA的选择性和双光子吸收截面等性能没有改变,而且能进入活细胞,有潜力在双光子荧光显微镜上成像活细胞和组织中RNA。2.设计合成了一种识别活细胞线粒体上氨基酸或RSH的化合物CAP1,利用三苯基磷使化合物靶定在线粒体上,利用醛基作识别基团,与RSH发生反应。化合物本身荧光比较低,醛基反应后,荧光大大增强。细胞实验证明CAP1能识别线粒体上某些氨基酸和RSH,但选择性并没有预期的那么好,需要进一步的提高。这为研究识别线粒体内氨基酸的识别奠定了基础。