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近年来,随着双光子荧光显微镜的商品化并成为生命科学家们的常用工具,双光子生物荧光探针的研究成为一个十分活跃的研究领域。双光子荧光显微镜在三维成像方面分辨率高,生物样品穿透深度大,并能有效避免光损伤。它在很大程度上满足了生物学家们在活性样品中实时、动态地观测活性生命现象的渴望。但双光子荧光探针研究的相对滞后限制了双光子荧光显微技术在生物学中的广泛应用。因此,寻求具有大的识别诱导双光子荧光活性吸收截面、高荧光量子产率和灵敏的识别响应性的双光子荧光探针具有重要的理论和实践意义。目前,对于双光子荧光pH值探针研究相对较少,特别是具有较好的选择性,膜透性,pka值正处于细胞生理范围内,能实际检测细胞内pH值变化的双光子荧光探针更少。细胞内的pH值在诸如细胞生长,酶活性调节和离子传输等方面具有重要作用。研究发现,pH值异常与人体多种疾病相关。荧光成像的方法检测细胞内的pH值变化具有独特的优势,特别是结合比率型荧光探针,能够较精确地给出细胞内的pH值分布。有机小分子pH值荧光探针主要基于荧光团的酸碱性检测pH值变化,比率型pH值荧光探针较少报道。线粒体是动物细胞内的主要供能细胞器,并与多种细胞活动密切相关,在细胞生命活动中起着重要的作用。对于线粒体探针的研究也是目前的一个热点,但是目前发表的双光子线粒体探针多数在定位线粒体同时在与特定靶标结合后才有荧光放出,单一的线粒体探针比较少。而单纯具有线粒体定位能力的双光子荧光探针也是生命科学研究中亟需的。本论文利用Heck反应等合成了以咔唑为母体的六个具有良好水溶性及双光子性能的咔唑类化合物作为pH值探针和线粒体探针。探针分子合成路线简单,易于操作。目标分子通过核磁共振谱、元素分析及质谱等手段进行了表征。本论文详细分析了化合物CAE、CA、CAM1、CAM2、CAEI和CAI的紫外吸收、单光子荧光光谱和双光子荧光光谱,计算了它们的量子产率Φ、双光子吸收截面δ和活性吸收截面Φ×δ,并在活生物细胞中进行成像研究。同时主要对CAE作为在细胞内成像的pH值荧光探针的各种性能进行了详细的研究,实验结果表明：CAE可以作为单光子比率型和双光子开关型pH值探针使用。CAE的pKa值为5.61,测量范围在细胞的生理范围内。并且在各种阴离子、阳离子、氨基酸和生物分析物中具有较好的选择性,同时探针的膜透性良好,能和商品化的细胞核探针Hoecst33342和线粒体探针线粒体红复染。探针和商品化溶酶体染料共定位率能达到0.83。