细胞中的各种小分子化合物浓度水平和细胞微环境变化是反映细胞健康程度的重要指标。其中,重要的小分子化合物诸如生物硫醇和活性氧簇（Reactive Oxygen Species,ROS）是否异常表达是是否有诸如帕金森综合征（PD）和阿尔兹海默症（AD）等一系列退行性精神疾病的重要判断指标,此外细胞线粒体的自噬过程的进行,也会引起细胞微环境p H值的改变。但使用荧光探针对上述物质及微环境进行生物检测的过程,常常受阻于生物自发荧光干扰、靶向定位不够精准、探针检测限不够低等困难。因此,设计合成能够解决上述难题,并且可用于专一检测体内生物活性小分子化合物含量以及细胞微环境的变化的有机光功能探针对于生物医药领域具有重要意义。为检测生物硫醇,本章选择具有近红外（Near Infrared,NIR）荧光发射能力的荧光分子,并通过有机反应键连2,4-二硝基苯磺酰基团,用于对硫醇分子的特异性识别,制备了探针TAAP-1、TAAP-2。进一步地,针对因巯基氨基酸（Cys、Hcy）和巯基三肽谷胱甘肽（GSH）结构相似导致难以区分的问题,本章选择使用硝基苯并氧杂氮唑基团替代前文所选识别基团并辅以发射波长更长的半花菁荧光染料,设计合成了探针TAAP-3。从光学以及生物测试结果来看,相较于TAAP-2(λem=620 nm),TAAP-3的发射波长更长(λem=740 nm),这保证了它拥有更强的抗生物自发荧光干扰以及更优秀的光穿透能力。此外TAAP-3可以在体外环境及细胞层面甚至小鼠脑片水平通过双光路很好的区分GSH与常见巯基氨基酸,此外探针TAAP-3也具有良好的线粒体靶向成像能力。线粒体作为细胞的发动机,是细胞呼吸的场所,线粒体膜结构是细胞内ROS的重要来源。因此本文设计合成了一类基于苯硼酸频哪醇酯并靶向线粒体的专一性识别过氧亚硝基阴离子荧光探针PONP-1～PONP-4,其中PONP-3对过氧亚硝基阴离子有着明显且迅速的特异性响应。在未加入过氧亚硝基阴离子时探针无明显荧光发射,溶液呈透明;加入过氧亚硝基阴离子后,探针溶液以极快的速度变为粉红色并产生强烈的荧光(λem=585 nm)。光学实验证明PONP-3是一个灵敏度极高探针,可以与过氧亚硝基阴离子即刻反应并在几十秒内达到终点,同时能够对过氧亚硝基阴离子能实现专一选择性识别。此外,PONP-3也成功运用于He La细胞和斑马鱼内对内、外源性过氧亚硝基阴离子进行生物成像,并且探针亦有着较好的线粒体定位能力。针对肿瘤细胞线粒体呈碱性,而碱性探针又较少的现状,本文合成了5个基于质子解离作用的能够识别生物体微环境中p H改变的荧光探针PHP-1～PHP-5。光谱测试表明,PHP-3和PHP-5能够在较宽范围内实现p H值的检测,并且PHP-5也是一种时下少有的碱性识别的“off-on”探针。随着碱性的增强（p H=5～10.5）,PHP-5在637 nm处荧光发射逐渐增强,溶液颜色由橙色逐渐变为紫红色,并且在8.5-9.5的p H范围内有明显的突跃。更值得一提的是,该探针具备即时响应的特点,其响应范围基本涵盖了细胞正常p H及肿瘤细胞p H的范围且其突跃点正好涵盖肿瘤细胞线粒体微环境p H值。更进一步,PHP-5拥有较好的定位线粒体的能力,依靠此能力,本文成功使用PHP-5监测了雷帕霉素诱导He La线粒体自噬过程中线粒体的p H变化。