细胞内的小分子和酶在生命过程中参与着众多的生理和病理过程。临床上它们常被作为生物标志物用于疾病诊断、治疗以及预后评价。目前,癌症已成为全球范围内导致死亡的重要因素之一,给家庭和社会带来了巨大的痛苦和负担。早诊断、早发现、早治疗对于癌症患者治愈以及延长生存期尤为关键。开发靶向肿瘤标志物反应型荧光染料已成为研究的热点。本学位论文根据荧光染料设计的基本原理和分子识别机制,从开发对肿瘤标志物灵敏度高、靶向性强、光学性能优良的荧光染料方面入手,开展了如下的研究工作。基于肿瘤内过表达的一些小分子(H2S和H2O2),设计合成了两例荧光染料FD-H2S和TPNR-H2O2。染料分子FD-H2S定位于线粒体,实现了细胞内源性、外源性和基底的H2S生物成像,并且减轻了线粒体“电势”干扰,将其成功用于小鼠内H2S的快速识别成像。通过系统地探究染料TPNR-H2O2的发光性能,实现了该染料“NIR-to-NIR”性能提升。染料分子实现了对细胞、大型蚤、斑马鱼和荷瘤小鼠肿瘤内H2O2的可视化检测。基于肿瘤中过表达的氨肽酶N(APN),构建了两例荧光染料DCM-APN和NIR-YH-APN。染料DCM-APN首次实现了以APN为靶点的高分辨的三维组织成像,并且能够区分正常肝组织和肝癌组织。染料NIR-YH-APN对APN的识别表现出超低的检测限(DL = 0.13ng/mL,是目前最低的APN响应型染料)。染料分子还可以通过原位“喷洒”点亮荷瘤小鼠模型中的肿瘤,引导手术对肿瘤的精准切除。基于肿瘤的生物标志物谷氨酰转肽酶(γ-GGT),构筑了两例荧光染料TCF-GGT和NIR-SN-GGT。染料TCF-GGT对γ-GGT表现出特异的选择性,并成功地实现了混养细胞模型中的癌细胞精准地识别。并且它还可用于追踪组织、斑马鱼和小鼠肿瘤内的γ-GGT活性。可以通过简易“喷洒”染料NIR-SN-GGT溶液方式,点亮离体和原位的肿瘤组织,具有应用于临床手术切除过程中确定肿瘤组织范围的潜在能力。基于实体肿瘤中过表达的偶氮还原酶(AZOR),构筑了诊疗一体化荧光染料NIR-YH-NM。在乏氧环境中,染料NIR-YH-NM被激活的程度加剧,导致其对癌细胞的杀伤效果远优于正常细胞。构建了染料分子NIR-YH-NM和葡萄糖氧化酶(GOx)主动靶向纳米给药递送体系FA-lip@GOx@NIR-YH-NM。利用主动靶向性和EPR效应,它精准地聚集到肿瘤位置,通过化疗与“饥饿”疗法协同作用有效地抑制肿瘤生长。