近年来,双光子生物荧光显微成像技术作为一种新型非线性光学成像方法,已广泛用于生物活细胞、组织的长时间动态三维成像,并且发展迅速。越来越多的生命科学者更深刻的认识到双光子荧光显微技术的优势：低细胞损伤、大成像深度、低背景噪音以及可用于活细胞或组织长时间三维成像等,而与其相依存的双光子荧光探针的研究随之成为材料学家的关注点,以便更好的辅助双光子显微镜的应用。荧光显微成像技术主要应用于细胞、组织以及活体等的成像,其中细胞是生物研究的基础。可应用于单光子荧光共聚焦成像的荧光探针已有很多,并已经商品化广泛应用于各领域,也有许多新型靶向细胞中各种分子、细胞器、信号以及其他结构的荧光探针在不断的报道,但双光子荧光探针还比较少,同时也存在一些问题,因此研究新型的具有较好的双光子性能的荧光探针是目前亟待解决的问题。本文结合咔唑衍生物的共轭特性,合成具有一定靶向性的双光子荧光探针,主要是靶向细胞器：线粒体、细胞核和溶酶体。吡啶阳离子盐型化合物因含有正电荷而能与细胞内某些带电分子或结构静电结合,据此人们设计合成了许多荧光探针,其中包括线粒体和核酸探针。线粒体是细胞内氧化磷酸化和储存钙离子的场所,在细胞的生命过程中起到重要的作用。细胞核是真核细胞中最大、最明显和最重要的细胞器,是细胞内遗传物质核酸广泛分布的区域。因此检测线粒体和细胞核对于研究细胞生理病理状态和遗传有重要意义。目前商品化和已报道的线粒体/核酸荧光探针已很多,但是这些探针多单一的定位于活细胞或死细胞的线粒体或者靶向线粒体上的某些物质而发光。本文开发了一种既可以在活细胞中成像线粒体,又可以在死细胞中成像细胞核的双光子荧光探针：在体外测试了其与DNA/RNA作用的荧光光谱,证明与核酸分子一定作用；在细胞内进行了荧光成像实验,包括死、活细胞成像和与商品化探针的共染成像,证明了探针可以在活细胞中靶向线粒体,死细胞中靶向细胞核。通过实验结果推测其细胞内定位区域以及应用。吡啶和苯并咪唑结构中含有不饱和N,易于发生质子化结合H离子,因此能被用来识别酸性环境中的H+,如溶酶体这类质子富集的细胞器,可用这类分子检测。溶酶体中含有多种酸性水解酶,是细胞内消化作用的主要场所,对维持细胞正常的代谢活动以及防御微生物有重要意义。目前已有很多关于溶酶体以及酸性范围pH荧光探针的报道,但是双光子探针还较少,本文开发了一种能定位到溶酶体上的具有双光子性质的荧光探针：在体外测试了不同pH值下的荧光光谱,同时排除了一些细胞质基质中金属离子的干扰；在细胞内进行了荧光成像实验,同时与商品化的探针共染来显示定位区域,综合各实验推断验证它的定位性以及可能的应用。论文中介绍的双光子荧光探针都是基于咔唑母体,通过已有的成熟化学反应合成有机小分子,并对这些分子进行有效表征,包括核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、高分辨质谱和红外光谱等；并研究了这些化合物的光谱性质,包括紫外-可见吸收、单光子荧光光谱、双光子荧光光谱等。利用单／双光子荧光显微镜进行了简单的细胞染色成像实验,综合所有的实验结果分析了分子在细胞成像中的应用。