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细胞是生物形态结构和生命活动的基本单元,各种细胞器如线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体、核糖体等组成了细胞的基本结构,这些细胞器通过互相作用、协同调控使细胞发挥生物学功能。为维持细胞器和细胞的正常功能,细胞器内各种活性分子如活性氧物种（ROS）、金属离子等,以及微环境如极性、粘度、p H值、温度等起着关键作用。ROS是由氧气分子衍生出的一系列活性小分子或自由基,其在维持氧化还原平衡、参与调控细胞的增殖、分化、凋亡等行为方面发挥重要作用。过量产生的ROS会通过氧化反应产生氧化应激,从而使脂质、蛋白质和DNA等生物大分子受到损伤进而导致细胞死亡,产生多种疾病及老化现象。普遍认为线粒体是细胞内ROS产生的主要场所和功能调控中心,然而,其它细胞器如内质网在蛋白与脂质合成过程中也会产生ROS,且内质网中ROS与代谢类疾病密切相关。细胞极性是细胞内微环境的重要参数之一,在化学及生物学过程中发挥重要作用。生物体系中许多过程会引起极性的变化,如脂肪组织形成,膜的融合,蛋白堆积等。在活细胞内,尤其是在亚细胞结构水平,极性环境变化能改变蛋白或酶的活性,进而影响一系列生理和病理过程,密切关联许多疾病,如肝硬化、糖尿病等。因此,对亚细胞结构ROS精准检测,有利于阐释ROS产生、转化及相互关联,为研究与亚细胞结构ROS相关疾病的发病机理提供思路;在亚细胞结构中实时检测极性对极性变化导致的相关疾病的早期诊断及预防治疗也是至关重要的;更重要的是,研究细胞器ROS与极性互作对细胞功能调控和疾病发生、发展有着更全面与更深刻的意义。荧光成像技术具有时空分辨率高、生物相容性好、灵敏度高等显著优势,被广泛用于实时检测细胞及活体内多种活性分子。近年来,许多用于ROS及极性检测的荧光探针被开发报道,然而目前这些探针仍存在诸多不足。例如,ROS成像探针很多,但是无法实现同时在两个甚至更多亚细胞结构内同时荧光成像ROS;极性探针难以实现对特异性细胞器的靶向检测,同时,其灵敏度不够高,激发和发射波长位于可见区,无法实现深层组织和活体成像;现有方法无法实现特定亚细胞结构ROS和极性的互作荧光检测。基于以上原因,通过靶向线粒体和内质网,我们发展新型原位探针,成功实现了在多种凋亡剂刺激下荧光成像线粒体和内质网中H2O2互作,近红外荧光比率以及荧光/光声双模式成像线粒体和内质网极性,同时荧光成像内质网应激条件下O2˙ˉ和极性的协同变化。本论文主要内容如下:1、设计合成了两个准确定位线粒体和内质网,检测H2O2的荧光探针MI-H2O2和ERH2O2。两个探针能高选择性、高灵敏度地响应H2O2,并且具有可区分的激发和发射光谱,利于双色荧光成像。研究表明两个探针能分别靶向线粒体和内质网,并成功实现了外源性和内源性H2O2的荧光成像。此外,两探针的双色荧光成像结果显示,在多种细胞凋亡刺激剂作用下,线粒体和内质网中H2O2浓度水平变化存在明显差异。2、设计合成了一个靶向线粒体高灵敏响应极性变化的近红外比率荧光探针MCY-BF2。探针大的共轭骨架和不对称结构导致其近红外吸收和发射光谱,有大的Stokes位移。此外,十六烷基碳链利于探针与线粒体内膜上心磷脂相互作用,从而靶向线粒体。由于激发态分子内电荷转移（ICT）,探针表现出高的极性敏感性,发射波长随极性增加红移且强度下降,因此,利用两发射波长处的强度比值可实现对介质介电常数值的量化。该探针能准确定位线粒体,成功区分正常细胞和肿瘤细胞线粒体极性差异,并首次指示秀丽隐杆线虫在不同发育期的极性差异。此外,利用该探针,成功区分了活体正常组织和肿瘤组织极性,发现肿瘤组织极性比正常组织小。3、设计合成了一个靶向内质网检测极性变化的荧光/光声双模态探针ER-P。该探针具有近红外激发和发射,并以对甲基苯磺酰胺结构结合内质网中的磺胺受体,从而靶向内质网。由于ICT,探针对极性非常敏感,最大吸收波长随极性增加明显红移,在选定的两波长处（700 nm和800 nm）探针具有差异的光声信号强度,其光声强度比值PA700/PA800可以量化介质的介电常数值。此外,发射波长随极性增加红移且强度急剧下降,可利用633nm激发下,800 nm荧光强度变化指示极性变化。该探针能准确定位内质网,成功监测内质网应激条件下极性的变化,利用荧光流式细胞仪可以区分正常细胞和肿瘤细胞内质网极性差异。此外,由于其良好的光声信号,利用该探针,成功实现了正常和糖尿病小鼠肝脏组织极性的光声比率检测,结果显示糖尿病小鼠的肝脏组织极性变大。4、设计合成了一个定位内质网,检测O2˙ˉ的可逆荧光探针ER-NAPC。该探针能高选择性、高灵敏度地瞬时响应O2˙ˉ,并且具有优越的内质网定位能力。该探针能实时可视化内质网应激过程中O2˙ˉ浓度水平的变化。重要的是ER-NAPC与内质网极性探针ER-P具有可区分的激发和发射光谱,易于双色荧光成像。利用上述两个探针,我们成功实现了应激过程中,内质网中O2˙ˉ和极性的互作成像,结果表明内质网应激导致O2˙ˉ浓度水平升高,同时极性增大。