近年来，荧光传感器作为化学传感器的一种，已经广泛应用于与生命过程有关的阴离子、阳离子以及生物大分子的识别和分析检测。用荧光技术来进行分子识别，具有方便快捷、灵敏度高、选择性好、成本低、易操作、适用面广等优点。 本论文结合近年来荧光探针的研究进展，以BODIPY为荧光信号报告单元设计合成了一系列水溶性的荧光探针分子。采用紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱、核磁共振氢谱和高效液相色谱法等多种谱学手段系统研究了荧光探针对生物、环境相关的重要阴离子、活性氧自由基和生物酶类的识别性能与传感机理。同时，将化学小分子探针成功的应用于活体细胞和活体动物的荧光成像，取得了良好的效果。为下一步工作中， 利用化学手段研究复杂的生命过程，打下了良好的基础。主要研究内容涉及以下几个方面：

1、设计合成了含有硅氧烷基的BODIPY类化合物，该化合物具有吡啶阳离子季铵盐的结构，由于PET过程，自身荧光淬灭，当加入氟离子，氟离子选择性的进攻硅氧醚键，反应后的产物具有很强荧光。因此，该化合物可作为针对氟离子的“OFF-ON”型荧光探针。我们通过紫外-可见吸收光谱，荧光发射光谱，核磁滴定和高分辨率质谱等手段，研究了探针与氟离子的反应机理。同时利用量化计算的方法，研究了探针与阴离子作用的荧光传感机制。由于该探针具有很好的物理化学性质，该探针被成功的应用于活体细胞的荧光成像和生物体内氟离子浓度变化的检测研究。

2、设计合成了一系列烷基化的4-吡啶-BODIPY类化合物，通过荧光量子产率的比较，我们发现通过4-吡啶-BODIPY母体结构中吡啶氮原子的烷基化，可以有效的淬灭整个分子的荧光；同时由于形成了季胺化的阳离子，使得BODIPY母体分子的水溶性也大大提高。利用该现象，我们设计合成了含有苯硼酸酯基团的BODIPY类化合物，该化合物可以作为针对过氧化氢的“OFF-ON”型荧光探针。通过多种谱学手段，我们研究了探针与过氧化氢的反应机理。荧光滴定实验表明，该探针对H₂O₂的检测线性范围较宽，检测限较低，同时自身具有很好的稳定性。因此，该探针被应用于活体细胞内的H₂O₂检测以及对一种活体动物神仙鱼的活体成像。

3、设计合成了含有5-硝基呋喃基团的BODIPY类化合物，该化合物可以作为针对硝基还原酶及细胞缺氧的“OFF-ON”型荧光探针。该探针具有很好的水溶性和生物兼容性。通过反应动力学研究，我们发现该探针在5 min内可与硝基还原酶反应完毕，且检测限较低为9.6 ng /mL，有利于在复杂生物体系的应用。通过紫外-可见吸收光谱，荧光发射光谱，高效液相色谱和高分辨率质谱等手段，我们研究了该探针与硝基还原酶的反应机理。由于具有高选择性、灵敏度和生物兼容性等良好的物理化学性质，该探针被成功的应用于A549细胞在正常和缺氧条件下的荧光成像分析。实验表明，该探针可通过检测硝基还原酶的变化研究细胞的缺氧行为。同时，该探针也被应用于大肠杆菌体内硝基还原酶的适时、定量检测。