有氧呼吸是一种高效的能量产生手段,伴随着活性氧物种（ROS）的产生并支持了所有真核生物的发展。ROS是一个通用术语,可以看作是由分子氧衍生而来的一大类具有强生物活性的氧化剂的总称。它包括了细胞在信号转导以及细胞损伤过程中各种各样的具有不同性质和生物学功能的氧化分子。ROS家族还包括活性氮（RNS）、活性硫（RSS）等物种,它们能够对生物大分子氧化修饰,并通过氧化还原反应维持机体正常运转。研究表明,生物体内ROS/RNS等水平的异常会引起氧化损伤从而诱发一系列疾病。因此,深入研究这些活性分子在人体中的各种生理功能具有重要的实践意义和医学价值。臭氧（O3）作为ROS的一员,由于在人类健康和疾病发展中的关键作用而受到广泛的关注。O3参与了各种生理和病理过程,在临床治疗中被广泛应用。研究发现,在动脉粥样发展过程中会产生O3,但目前人们对内源性O3的生成途径及其在动脉粥样硬化发展中的作用还未阐述清楚。研究O3与动脉粥样硬化疾病进展的关系,对于人们进一步认识动脉粥样硬化的发病机制以及抗动脉粥样硬化临床药物的筛选具有重要的指导意义。过氧亚硝酰（ONOO-）是活性氧氮物种（RONS）之一,在体内由一氧化氮和超氧化物反应形成,ONOO-强的氧化和硝化能力使得其极易与体内生物大分子发生反应而导致细胞死亡和组织损伤。进一步研究也表明,ONOO-参与机体内多个生理过程,从细胞内物质代谢与能量转换到调节多种疾病中涉及的一些关键的信号传导过程等。综上所述,发展对生物体内O3和ONOO-实时、原位示踪的方法对揭示与之相关的生理功能至关重要,而当前有机小分子荧光探针为解决上述问题提供了有力工具。依托小分子荧光探针成像技术的优势,在本论文中,我们分别设计了O3和ONOO-的近红外荧光探针,在细胞、活体内实现了对O3和ONOO-的原位可视化检测。本论文研究内容包括以下两个方面:1.本章节通过引入丁烯基作为O3的特异性识别基团,设计并合成了一种具有高度特异性和灵敏度的近红外荧光探针MIP-O3。探针设计基于分子内电荷转移机制（ICT）:即探针在未与O3反应时,由于ICT被阻断,使得探针一直处于荧光暗态;当探针与O3发生反应时,探针的丁烯基部分与O3发生特异性的环加成反应,并进一步通过β-消除释放出带有羟基的荧光团,ICT被成功恢复,近红外荧光信号迅速开启。光谱测试发现:以500 nm作为激发光源,探针MIP-O3与O3反应前后在668 nm处的荧光强度呈现了显著增强,荧光由“暗态”转变为“亮态”;探针MIP-O3可特异性区分O3,对其它生物相关干扰物种几乎没有荧光响应。在细胞模型中,基于探针MIP-O3,我们不仅实现了内源性和外源性O3的可视化动态监测,而且在二硫化碳和谷氨酸诱导的细胞损伤模型中观察到O3表达水平显著升高。在动脉粥样硬化小鼠模型中,通过活体成像发现,相较于对照组小鼠,实验组小鼠按照动脉粥样硬化发展阶段（早、中、晚）体内荧光信号逐渐增强,以上实验结果表明随着疾病的发展,O3在小鼠体内的水平不断升高。在小鼠模型中,我们进一步发现在相同饲养条件下雌性小鼠比雄性小鼠的疾病进程要相对缓慢,这验证了雌激素对血管的保护作用,并可能在减缓动脉粥样硬化的发展中发挥着重要作用。2.本章节设计并合成了一种结构新颖的ONOO-近红外荧光探针MCSA。探针连接有线粒体靶向基团（正离子盐）和内质网靶向基团（N-（2-氨基乙基）-4-甲基苯磺酰胺）,使得探针MCSA可以选择性富集到线粒体和内质网中。该探针在250 s内可快速响应ONOO-,并对ONOO-具有高度特异性。重要的是,探针能够对细胞和斑马鱼线粒体和内质网中的ONOO-进行荧光成像。此外,探针还能够跟踪衣霉素诱导的内质网氧化应激下ONOO-的水平波动。这项工作提供了一种体外和体内成像ONOO-的化学工具。