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1,8-萘酰亚胺类染料作为传统的环境敏感型染料之一,以其化学易修饰、荧光易调控等优势被广泛应用于荧光识别与荧光成像领域。面对迅速发展的单分子和超分辨荧光成像技术的需求,萘酰亚胺类染料的荧光强度和荧光稳定性需要大幅度提高,这就需要克服水溶液中存在的扭转的分子内电荷转移(TICT)和氢键等作用对荧光的影响。借助蛋白标签或非天然氨基酸等新兴生物分子标记技术与生物正交反应,有机小分子荧光探针能够实现对目标蛋白的精准定位和识别。目前,萘酰亚胺类染料在蛋白标记和蛋白识别等领域还缺乏相应研究,特别是亟待发现新的识别目标蛋白的荧光信号响应机制,以提高标记蛋白或识别蛋白的灵敏度,实现构建蛋白荧光探针方法上的普适性。本文以萘酰亚胺类染料的荧光构效关系为研究基础,理论计算和实验相结合为研究方法,开展了提高萘酰亚胺类染料荧光强度和光稳定性、构建蛋白质标记和识别荧光探针等方面的研究。(1)通过氮丙啶取代基对扭转的分子内电荷转移(TICT)的强烈抑制,实现了 1,8-萘酰亚胺荧光强度和光稳定性的显著提高。氮丙啶取代的萘酰亚胺衍生物AN1实现了荧光量子效率的提高(水中Φ=0.43)、光稳定性的提高和斯托克斯位移的增大(△λ=151 nm)。TD-DFT理论计算表明氮丙啶对TICT的抑制机理主要是氮丙啶强的环张力(up-up构型)导致了 AN1的TICT态能级高于LE态能级,从而难以在激发态发生构型的扭转。氮丙啶抑制TICT的机制同样适应于其他荧光团。将氮丙啶引入到多个不同的荧光团(如NBD类、邻苯二甲酰亚胺类、香豆素类),同样实现了这些荧光团在水中荧光量子效率的提高。(2)设计合成了一系列1,8-萘酰亚胺类荧光增强型SNAP-tag荧光探针(BGAN-Aze,BGAN-Amino等),实现了对细胞核与线粒体内靶蛋白的免洗荧光成像,避免了多次洗涤对细胞带来的损伤。BGAN-Aze基于聚集诱导荧光淬灭机理实现了识别SNAP-tag后荧光显著增强的信号响应(～39倍),活细胞内实现了高的信噪比。同时,氮杂环丁烷取代基类似氮丙啶能有效抑制TICT,使得BGAN-Aze结合SNAP-tag后获得高的荧光强度和光稳定性,实现了对目标蛋白的超分辨(SIM/STED)免洗荧光成像。此外,BGAN-Amino能够快速对SNAP-tag进行标记,达到了荧光增强型SNAP-tag探针目前最快的标记速度(t1/2= 11 s,k = 14436±1189 M-1 s-1)。(3)在4-酰胺基-1,8-萘酰亚胺体系中,发现了一种新型激发态质子转移(ESPT)机理的荧光响应机制,并以此设计合成了一系列比率型荧光探针(BuAN-AceN,SML-AceN),实现了基于微环境变化的蛋白比率荧光检测。以BuAN-AceN为模型分子,发现其在水环境中为短波长荧光发射(～470 nm),在非水环境中为长波长荧光发射(～550 nm)。通过核磁、吸收光谱、荧光光谱、瞬态光谱及模型化合物对比等实验手段,提出并验证了这种环境变化引起的比率荧光响应是由一种新型的ESPT机理导致的。基于酰胺与脂肪胺间质子转移机制,以苯磺胺为碳酸酐酶(hCA)识别基团,设计合成的SML-AceN探针与碳酸酐酶特异性结合后荧光发射波长由463 nm红移至535 nm,实现了对碳酸酐酶的比率荧光识别。这种新型的ESPT机制在其他荧光团中同样存在,证明了这种方法在不同荧光体系中的通用性。