荧光分析法作为一种灵敏度高及操作较简便的原位可视化观测技术，被广泛应用于生物医学领域。而有机小分子荧光探针可以选择性地将分析物的化学信息转变为分析仪器容易测量的荧光信号，是细胞和活体荧光成像分析中的重要工具。然而传统有机小分子荧光探针仍然存在发射波长短、Stokes位移小、易光漂白等缺点，导致传统探针成像应用时存在信背比低和严重的荧光自猝灭现象，限制了其在生物成像分析中的应用。而生物组织在近红外区域的自吸收和自发荧光都显著减弱，因此，近红外荧光成像技术具有更强的组织穿透能力、低的背景荧光干扰及较低的光毒性。但经典近红外荧光染料存在种类不多、合成困难、光和化学稳定性有限以及缺少合适调控基团等问题，限制了其在近红外成像探针构建中的应用。
　　近年来，多个课题组针对传统有机小分子染料进行改进，报道了多种新型近红外染料，其中氧杂蒽-花菁杂化染料(如CS染料)便是其中的佼佼者。相比传统花菁染料，CS染料等具有更好的光化学稳定性，并且荧光性能可调控。但是，CS染料仍存在吸收和发射波长靠近近红外区边缘(最大发射波长一般<750nm)、Stokes位移较小等不足，限制了其生物成像领域的应用范围。针对上述问题，本论文通过分子设计和结构重建等手段，对氧杂蒽-花菁杂化染料进行结构和性能调控，发展了系列具有优良性能的新型近红外氧杂蒽-花菁杂化染料。具体研究内容如下：
　　(1)针对CS染料发射波长靠近近红外区边缘，仍然存在背景荧光干扰等问题，在第二章，我们通过将CS染料中的吲哚盐部分替换为刚性和共轭程度更好的喹啉盐衍生物，合成了系列新型氧杂蒽-花菁杂化染料。这些染料保留了CS染料稳定性好、具有光学可调控位点等优点，并且其最大发射波长红移到800nm，可以与商业化染料ICG相媲美，在活体成像分析领域具有很好的应用潜力。
　　(2)第二章中合成的染料虽然延长了CS染料的吸收与发射波长，但荧光量子产率较低，Stokes位移也较小。为了解决这些问题，在第三章，我们通过调控染料结构中的电子受体部分增强染料分子内电荷转移效应(ICT)程度，使染料成功突破“CyanineLimit效应”。这些染料的Stokes位移显著增大，在PBS缓冲溶液中染料的Stokes位移可达100nm以上，可有效减少自吸收，提高其成像信噪比。同时该系列染料具有优良的光学和化学稳定性，为该系列染料在医学成像领域的应用创造有利条件。
　　(3)细胞内微环境的粘度异常是多种重大疾病的早期症状之一，监测细胞内粘度变化对疾病的发生发展过程研究以及早期诊断都具有重大意义。在第四章，我们通过在氧杂蒽-花菁杂化染料中的桥连双键上引入氰基，合成了一种对黏度敏感的新型近红外染料CSP-VIS。结果表明，CSP-VIS在低粘度环境在近红外区域基本没有荧光，而随着粘度的增加，探针CSP-VIS在725nm左右的荧光强度显著增强，约13倍，并且探针CSP-VIS的荧光强度与粘度呈现很好的线性关系(R2=0.98678)，可以定量地检测细胞微环境中的粘度。此外，CSP-VIS能特异性的与粘度响应，而不受其它细胞微环境参数(如极性)和其它生物分子的影响，因此该探针具有较大的生物医学应用潜力。