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荧光探针具有对目标分子良好的特异性、灵敏性,对生物样本的非损伤性,已在传感分析和生物成像等领域得到广泛的应用。其中,对生物样本的成像分析中,荧光探针可以实现非侵入式检测、深层组织以及实时动态成像等,,因此荧光成像分析方法在化学、生物和医学领域备受关注。本论文分别以有机荧光染料和碳点、金纳米棒为支撑材料,制备了几种新型的小分子和纳米荧光探针,借助有机荧光染料和纳米荧光材料的光学特性,实现了高灵敏、高选择性的检测多种生物活性物种,探讨了这些生物活性物种在几种疾病中的作用机制,尝试应用于肿瘤的光治疗。主要研究工作如下:1.近红外荧光探针检测亚硝酰氢及评估其在细胞和大鼠关节炎模型中的抗炎作用亚硝酰氢（HNO）可抑制炎症的信号通路,在抗炎过程中起着重要的作用,但由于复杂的生物合成途径,探索内源性HNO的来源仍然具有挑战性,其中硫化氢和一氧化氮在线粒体中相互作用同时产生HNO和多硫化氢（H2Sn）是一条非常重要的生物路径。但目前所开发的HNO荧光探针都限于细胞和组织中HNO的成像,未能原位检测线粒体并实时检测动物体中的HNO和H2Sn的同时形成的过程。在该部分中,我们开发了一种靶向线粒体的近红外荧光探针Mito-JN,用于检测细胞和大鼠模型中HNO。探针由三个部分组成:Aza-BODIPY作为荧光信号转导,三苯基膦阳离子作为线粒体靶向基团,二苯基膦基-苯甲酰作为HNO反应单元。响应机制是基于分子内酯氨解反应导致了荧光发射的改变。Mito-JN对HNO的选择性和灵敏度高于其他多种生物相关物种,因此探针可应用于内源性HNO的检测,如检测活细胞中H2S和NO之间的反应产生的内源性HNO。研究结果表明,细胞内H2S和NO之间的反应会同时产生HNO和H2Sn,所研制的探针可用于评估炎症过程中HNO的保护作用,如在脂多糖LPS诱发的炎症细胞模型和大鼠痛风性关节炎模型中HNO的抗炎作用。2.近红外荧光探针在低氧应激下检测活细胞和生物体内次氯酸的波动低氧应激是医学和生物学共同关注的问题,它通过产生过量的活性氧（ROS）诱导细胞损伤和死亡。次氯酸（HOCl）是ROS之一,在各种疾病的发病机制中对组织蛋白的氧化损伤起着重要的作用,HOCl的过量产生可能是导致损伤的重要因素。然而,由于HOCl的不稳定性需建立灵敏的实时检测方法。在该部分的工作中,我们设计了一种近红外荧光探针Cy-HOC1用于细胞和体内HOCl成像分析。Cy-HOCl包括两个部分:4-氨基-3-硝基苯酚基团作为响应单元;近红外荧光团七甲川花菁作为荧光调制器。Cy-HOC1对HOCl的检测表现出优异的选择性和灵敏度,可用于阐明细胞内HOCl和低氧之间的关系,还用于测量急性缺血小鼠模型体外解剖器官中的HOCl,并实时监测缺氧斑马鱼模型中HOCl的变化。3.基于碳点的纳米探针的合成及应用于细胞中抗坏血酸的成像分析保持生物系统内部的氧化还原平衡是保证其健康的关键因素。过量的铁离子在体内积聚会导致组织损伤、器官衰竭甚至死亡。抗坏血酸（AA）作为还原剂可用于还原Fe3+,减轻Fe3+的损害。此外,AA在缓解缺氧诱导的氧化应激中起重要作用。因此,实现AA在细胞中变化的实时成像对于揭示它们的生物功能是很有必要的。在该部分工作中,合成了基于碳点的荧光纳米探针CDs-DB,它对AA具有较高的灵敏度和较好的选择性,能够实时监测AA的动态变化,以及测定缺氧细胞模型、缺氧斑马鱼模型和肝缺血诱导的缺氧小鼠模型中AA的变化。实验结果表明在低氧条件下AA的含量表现出明显的降低。此外,CDs-DB具有理想的生物相容性和低毒性,有利于研究AA在生物体内的生理功能。4.近红外发射的自组装纳米粒子用于肿瘤的靶向荧光成像和光治疗光动力学治疗（PDT）和光热治疗（PTT）是治疗肿瘤的有效方法,光敏剂在治疗中起着重要的作用。因此开发新的光敏剂进行有效的体内肿瘤治疗是当前的一个研究热点。在该部分中,我们设计了一种小分子荧光团Cy-HPT作为新型光敏剂,它具有近红外区域（NIR）的发射波长,高光热转换效率和高单线态氧产生效率的优点。通过在水溶液中Cy-HPT和人血清白蛋白（HSA）自组装合成纳米粒子HSA@Cy-HPT。与小分子的Cy-HPT相比,HSA@Cy-HPT光谱特性更稳定、PDT/PTT效果良好,且在活体内的代谢性良好。由于其对肿瘤组织的增强渗透和保留效应,HSA@Cy-HPT在皮下异种肿瘤移植模型中显示出突出的肿瘤靶向特征,可应用于异种肿瘤移植模型中的肿瘤治疗。结果表明,治疗后肿瘤组织明显受到抑制,没有明显的再生,延长了模型的存活率,正常组织没有明显的损伤,为肿瘤的协同PDT和PTT提供了有潜力的治疗试剂。5.谷胱甘肽激活的近红外荧光纳米探针用于肿瘤成像引导的光动力学治疗和光热治疗具有诊断功能的纳米探针有利于成像引导的肿瘤精确治疗,具有良好的应用前景。在该部分工作中,我们设计了具有NIR荧光成像功能和肿瘤PDT和PTT功能的纳米探针。首先合成了具有优异PDT作用的新型NIR荧光染料CyPT,并通过硫-硫键与金纳米棒（AuNR）连接形成纳米复合物CyPT-AuNR,谷胱甘肽（GSH）可以高选择性地破坏硫-硫键使CyPT与AuNR分离,从而CyPT荧光恢复。在GSH浓度低的正常组织中,CyPT的荧光由于AuNR处于猝灭状态。而肿瘤部位的高水平GSH导致CyPT的释放并实现“开启”荧光反应。随后进行精确的NIR肿瘤成像,可以有效地进行PDT和PTT治疗。CyPT-AuNR纳米平台成功应用于肿瘤异种移植模型的治疗,而正常组织器官没有明显的损伤。这种多功能纳米材料具有靶向肿瘤成像和精确治疗的潜力。