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分子探针在生物医学成像中应用对于实现无创性、实时、可视化监测和分析细胞和分子水平上的生物过程,分子水平上了解疾病的发生机制及特征,疾病早期诊断和治疗具有重要意义。分子探针的合成和应用引起了众多研究者的广泛关注。基于荧光探针的光学成像与其它成像技术相比,具有灵敏度高、测量快速、费用低廉、操作简便和无电离辐射等优点,但目前存在背景噪音高、组织穿透性不够等缺点,限制其广泛应用。近红外(NIR)发光长余辉纳米材料具有超长的发光寿命,可以实现“免原位激发”生物医学成像,从而可以避免原位激发产生的组织自体荧光、背景干扰和对生物组织的光毒性,同时其发射波长在NIR“光学窗口”内,具有较深的组织穿透性。此外NIR发光长余辉纳米材料与磁共振成像(MRI)造影剂结合在同一个纳米粒子中,可以实现高灵敏、高分辨率和免电离辐射活体成像。因此研究和发展基于NIR发光长余辉纳米材料的新型分子探针在生物医学成像、诊断和治疗中具有广泛应用前景。本论文旨在探索新型NIR发光长余辉纳米材料的合成、功能化分子探针的构建及其在生物成像中的应用。本论文的主要研究内容和创新点如下：(1)目前报道的长余辉纳米粒子(PLNPs)绝大部分是基于Eu2+掺杂的硅酸盐体系,其制备条件苛刻,需要在还原性气氛(N2+H2)下高温长时间煅烧处理,得到的PLNPs余辉时间较短,在长时间连续活体成像应用中受限制。我们采用柠檬酸溶胶-凝胶法,在无还原性气氛,较低的烧结温度下制备了具有超长NIR余辉时间的基于铬和镨共掺杂镓锗酸锌(Zn2.94Ga1.96Ge2O10:Cr3+0.01,Pr3+0.03)PLNPs。通过共掺杂C43+/P43+和调控Zn缺乏,使PLNPs的余辉强度和余辉时间明显提高,NIR余辉时间超过360小时。我们发现PLNPs的镓锗酸锌基质与发光中心Cr3+之间存在持续性能量转移,并进一步讨论了PLNPs的余辉发光机理。所制备的PLNPs具有优异近红外余辉发光性能,有望成为分子探针在无背景噪音、深组织活体成像中发挥重要作用。(2)目前基于PLNPs的分子探针的研究处在初步阶段,活体成像应用只限于被动靶向。我们设计了一种靶向性分子RGD多肽功能化的NIR发光PLNPs分子探针,实现荷瘤小鼠的主动靶向成像。通过3-氨丙基三乙氧基硅烷(APETS)和聚乙二醇修饰PLNPs的表面,使成像探针的水溶性、生物相容性明显改善。在免原位激发条件下,考察了探针在不同深度的生物组织中NIR余辉发光性能和NIR光激励发光能力以及对整合素αvβ3过表达U87MG细胞和U87MG荷瘤裸鼠的主动靶向成像能力。实验结果表明,基于PLNPs探针的“免原位激发”NIR发光活体成像时间长达450分钟,对U87MG细胞和肿瘤具有良好的靶向能力,在无背景噪音、高灵敏生物靶向成像中具有潜在应用价值。(3)多模态探针可以解决单个成像技术的限制,扬长避短,兼具多种成像模式的优势,可以获取足够、精确和可靠的疾病信息,但是目前还没有基于PLNPs的多模态探针的报道。我们提出和设计了一种基于NIR发光PLNPs与T1加权成像造影剂Gd(Ⅲ)络合物共价结合而构建的光学/MRI多模态成像探针,实现对小动物的T1加权MRI和“免原位激发”NIR发光成像。所制备的多模态探针Gd(Ⅲ)-PLNPs不仅保持了优异的NIR余辉发光性能和良好的生物相容性,而且具有良好的纵向弛豫率(6.72mM-1s01),其纵向弛豫率高于商品化T1加权造影剂钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)。基于PLNPs的光学/MRI多模态探针为高灵敏、高分辨率和高信噪比的生物成像提供了新的机遇。