探针可作为信号分子,在金属离子识别、生物大分子分析、生物分子标记和生物成像等化学、环境和生物医学研究中被广泛应用。共轭有机半导体材料（Conjugated Organic Semiconductors）具有优异的光学性质、环境稳定性和可设计性,成为一类新兴的光学探针,在生物医学光子学中表现出比传统荧光染料更优异的应用潜力。通常,共轭有机半导体分子的化学组成和结构直接决定了其作为探针的紫外吸收波长、荧光量子效率、能级、化学稳定性等重要性质。为了获得在生物医学分析、成像应用中具有更有针对性功能的探针分子,科学家们利用合理的探针分子设计策略和有效的合成手段,对探针分子工程设计的优化,使其具有成像和治疗一体化、增强的生物相容性、水溶性、靶向细胞器等功能。荧光成像通常用于分析在亚细胞水平发生的分子和事件,为非侵入性的生物分析技术提供了较高的时间和空间的分辨率,同时在检测时使用仪器设备简单,信号易读/易识别、灵敏度高,是非常重要的临床医学影像手段之一。由于电子激发单重态到三重态的系间窜越,探针分子不仅会产生荧光发射,还会产生光动力治疗效果。光动力治疗有良好的可控性、较低的毒副作用,并能够避免肿瘤细胞的耐药性。但是,多数有机共轭半导体光敏剂在进行成像和治疗应用中,会对非靶向组织产生光毒性;有机半导体分子间聚集不仅会导致荧光猝灭,也会导致过氧自由基（ROS）或单线态氧产率降低。为了解决上述问题,本文设计制备了含有苝二酰亚胺（PDI）、吡咯并吡咯二酮（DPP）、苯并[c][1,2,5]噻二唑（BT）这三种不同电学特性的结构单元的共轭有机小分子探针,在细胞或小鼠肿瘤模型上验证其具有荧光成像和光动力治疗一体化性能。本论文研究内容主要包括以下三个方面:1、苝二酰亚胺（PDI）衍生物的生物成像及光动力治疗的应用。利用新型苝二酰亚胺衍生物49-Py和49-Py-PDI-a,研究其溶液和纳米颗粒的相关性质并将49-Py-PDI-a纳米颗粒应用于生物成像和光动力治疗的实验中。体外和体内实验都充分表明,49-Py-PDI-a NPs可以能够靶向富集到肿瘤部位进行荧光成像,同时产生了单线态氧能有效杀死肿瘤细胞。49-Py-PDI-a产生单线态氧可能由分子扭曲和形成醌式结构造成的。2、两亲性吡咯并吡咯二酮（DPP）衍生物的生物成像及光动力治疗的应用。我们成功合成了含吡啶季铵盐阳离子的有机共轭小分子吡咯并吡咯二酮（DPP）衍生物。通过化学键的方式连接了溴乙烷,有效地解决了有机化合物水中溶解性的问题。此外,由于阳离子部分与线粒体负膜的结合,ethyl-BD-DPP可靶向作用于线粒体。研究结果表明ethyl-BD-DPP NPs单线态氧效率达到52.26%,发射波长范围在610-680 nm。另外,细胞实验明确表明ethyl-BD-DPP NPs能够在细胞线粒体中进行荧光成像,并且浓度越高的ethyl-BD-DPP NPs对Hela细胞的杀死效果越好。3、水溶性有机荧光染料苯并[c][1,2,5]噻二唑（BT）的衍生物的合成、性质研究及生物应用。为了调控共轭有机分子的能级、光谱等性质,我们选择苯并[c][1,2,5]噻二唑（BT）为结构单元,通过插入噻吩杂原子环,合成了一组共轭有机分子M₁和M₂并比较了它们的物理化学性质。之后,选择1-（3-三甲基铵丙基）-4-甲基吡啶二溴化物和分子M₂进行共价键连接后,使得M₂的堆积作用减弱,很好地解决了有机小分子在水中溶解性差的问题。细胞实验表明M₃能够在细胞中产生单线态氧,可以对细胞有治疗的效果,并能有效地在细胞膜上进行双光子荧光成像。