pH是临床分析、化学控制过程、食品生产、废水处理、环境和生命科学中的重要参数。在细胞生物学上,细胞内的氢离子在各种生理和病理过程中发挥着举足轻重的作用,如受体介导的信号传递、酶活性、细胞增殖与凋亡、耐药性、肌肉收缩、内吞作用、离子迁移、内环境稳态、炎症与肿瘤生长等。当pH值超过正常范围时,酸碱稳态将遭到破坏,导致细胞功能障碍并影响人体生理机制和引起严重疾病,如神经元退行性疾病、癌症、阿尔茨海默病等。因此,开发可靠的技术来监测细胞内外pH的波动是一项非常有意义的工作。相对于微电极、核磁共振(NMR)、吸收光谱等方法,pH荧光探针具有高灵敏度和选择性、响应迅速、操作简便、实时原位监控等优势,使用pH荧光探针已成为监测细胞内外pH变化的有力工具。目前,有两类典型的pH荧光探针:一类是近中性pH探针,另一类是弱酸性pH探针,而极酸性(pH<4.0)的pH探针相对较少。不同类型的pH探针适合在不同的亚细胞区域工作,由于每个亚细胞区域具有各自独特的功能,因而研究适合在不同亚细胞区域工作的pH荧光探针具有重要意义。本论文主要设计合成基于吩噁嗪类衍生物的pH荧光探针,对它们的光学性能及其应用进行了研究。主要分为以下三部分:1.设计合成了两个基于吩噁嗪类的pH荧光探针5a-b,它们都是具有溶酶体靶向的可逆pH探针。随着pH由7.4降至4.4,脂肪胺取代吩噁嗪的探针5a在665 nm处的荧光最大发射峰强度逐渐增强,增强约2.3倍;而芳香胺取代吩噁嗪的探针5b的最大发射峰位于679 nm,在pH=7.4时荧光强度很弱,在pH=4.2时荧光强度达到最大,荧光强度增强约20倍,几乎可以达到OFF-ON的发射,探针5a-b的pK_a值都是5.5。此外,探针5a-b的光学性质及PET机理,已通过(TD)DFT理论阐释。oxazine 1和5a-b的细胞实验表明,经典染料oxazine 1不能与商业溶酶体标记物重叠,而探针5a-b能与之很好地重叠,说明探针5a-b都可以作为溶酶体标记物,探针能进入溶酶体主要是由酸性主导而不是OFF-ON型主导。2.设计合成了一个基于吩噁嗪类衍生物的pH荧光探针7,用于极酸条件下的pH检测。随着pH=3.2降至0.2,探针7位于679 nm处的最大发射峰强度逐渐减弱,最后接近于ON-OFF型,其pK_a约为1.5,表明探针7可用于检测极酸条件下的pH变化。在细胞成像实验中,探针7并没有与溶酶体标记物重叠得很好,它只是个普通的极酸条件下的pH探针。3.选取了三个具有近红外发射的吩噁嗪类染料8a-c,研究了它们在极酸和极碱条件下的可逆吸收和发射响应。在强酸性条件(pH<2.0)下,染料8a和8c溶液呈现比色变化,而染料8b在相同情况下没有发现比色变化;在强碱性条件下(pH>7.6),染料8a-c也显示出比色变化。荧光pH滴定表明,在极酸和极碱条件下,用633 nm去激发染料8a-c,都得到近乎ON-OFF和OFF-ON发射,它们的最大发射峰分别位于678、652和665 nm;在亚酸性和中性条件下染料8a-c的荧光强度没有明显变化。此外,在极酸和极碱条件下,8a-c对不同pH的吸收和发射都是可逆的。