荧光检测技术因其高灵敏性、可调控性、操作简便成为化学生物领域分析检测的主要手段之一。荧光探针的发展和许多应用技术领域，诸如生物化学、临床医学、药物化学以及环境科学中提出的大量实际问题密切相关，特别是基于光化学传感技术在生命科学领域中的探索应用。有机小分子荧光探针以荧光信号的变化为标识，以实用为导向，近年来越来越多的应用于揭示生命的过程及对生物体病变部位进行特异性识别和诊断，故开发具有实用价值、高灵敏度、特异性的荧光探针是生命科学和化学领域一项紧迫而意义重大工作。　　近红外荧光探针因其较低的背景干扰、穿透深等特点更是在活体成像中被广泛应用。但是，目前为止绝大多数近红外荧光探针受制于单波段的荧光强度变化，并不能对探针在体内的过程进行全方位的实时检测，因此本论文研究以近红外菁染料为母体进行分子结构设计，聚焦发展双波段响应的高灵敏近红外荧光探针，期望实现近红外功能染料在肿瘤标记和药物缓释及可视化研究应用方面的突破。此外，为进一步提高近红外染料的光稳定性，基于分子工程化设计思想尝试对传统激光染料吡喃腈进行系统分子结构修饰，拓展其荧光发射波长至近红外区域，发展高稳定性、性能优异的新型近红外荧光染料。本文主要工作如下:　　第一章主要介绍了荧光探针的基本设计原理，简要概述甲川菁染料的发展和应用，提出了课题的研究方向。　　第二章利用菁染料CyK的烯醇结构互变产生的光谱差异构建了基于Tsuji-Trost反应的近红外钯离子荧光探针Cy-1，通过吸收光谱和荧光光谱滴定实验研究了它对钯离子进行比色和荧光比率传感的原理。研究表明，在溶液中Cy-1与钯响应生成CyK后探针溶液的颜色由浅绿色变成红色，同时长波段荧光消失，在655 nm出现CyK的荧光。另外，探针Cy-1具有达到国家检测标准的检出限(0.3 ppb)。在实际应用的探索中，负载Cy-1的试纸通过比色法成功反应出水中钯离子浓度的差异。最后，通过共聚焦显微镜在HeLa细胞中成功的显示出两个波段的荧光变化，为后续工作奠定了基础。　　第三章利用二硫键连接菁染料与抗癌药物喜树碱，合成了具有GSH响应的诊疗一体化荧光探针Cy-S-CPT。虽然之前有利用硫硫键构建药物缓释体系的报道，但是受制于波长短并且变化单一，仍然不能得到准确检测到前药在哪里(Where)、何时(When)、怎样(How)释放药物的过程。Cy-S-CPT与GSH响应后生成CyK的同时释放出药物，在活体成像实验中，利用Cy-S-CPT在825 nm的荧光监测药物的循环过程及分布，利用CyK在650 nm的荧光检测药物释放的位点，成功克服了之前工作中监测“盲区”的问题，可对荧光前药在体内的过程有了更加深入的认识。抑瘤实验证实了Cy-S-CPT对肿瘤的杀伤效果非常明显，具有比传统药物更高的传输效率。　　第四章通过对七甲川链中位碳的修饰合成了近红外光响应的荧光前药Cy-Photo-CPT。生物体内，尤其是肿瘤组织的微环境较为复杂，传统药物缓释前药的选择性往往受到影响，而不具有响应基团的近红外光诱导的光板机可有效避免这一缺陷。测试结果表明，Cy-Photo-CPT的初始荧光在820 nm，光照后产物的荧光在620 nm，并且HPLC结果表明随着光照CPT被逐渐释放。利用第三章提出的理念，同样可以利用长波长监测前药的分布，利用短波长确定前药的分解和药物的释放。值得一提的是，之前报道的光响应化合物受制于诱导波长（多为400 nm左右的紫外光）并不能进行活体实验，而Cy-Photo-CPT在650 nm的近红外光诱导下分解，为填补这一空白提供了条件。最后的活体实验完全达到了预期效果，即实现全方位监测荧光前药的同时做到精确、可控的释放。　　第五章合成了在饱和六元环增加炔基作为反应位点的菁染料衍生物和具有叠氮反应位点的多功能嵌段聚合物。考虑到活体内复杂、多变的微环境，仅仅具有单一功能基团的探针分子显然不能满足越来越深入的研究，因此，在传统菁染料的基础上怎样增加活性位点、怎样巧妙地利用新引进的活性位点成为一个引人注目的研究方向;同时，聚合物包裹后的有机小分子处于有机相的微环境中，因此将染料连接到疏水链能够大大提升染料的光谱性质。以1，4-环己二醇为起点，通过三步经典的有机反应得到带有炔基的Cy-alkyne。在嵌段聚合物的合成中，首先合成了ε-溴代环己内酯，并通过两步聚合反应合成了PEG-PCL-N3。另外合成了两种具有pH响应能力的单体，并通过ATRP聚合合成了PEG-Pnp-N3和PEG-Pnd-N3。　　第六章合成了S-DCM和C-BDCM系列吡喃腈的衍生物，并研究了其光谱性质。S-DCM系列相对经典的吡喃腈化合物吸收光谱和荧光光谱红移了将近100 nm，使得荧光完全落在近红外区域。通过单晶结构研究了S-DCM-N的空间构型，并且通过计算HOMO与LUMO能级解释了光谱红移的原因。S-DCM-N和S-DCM-P的细胞成像实验说明其在生物应用方面的潜在价值。　　第七章总结了一些尝试性工作，包括基于菁染料的硅纳米颗粒、活性氧与活性氮探针、pH-GSH共同作用的药物传输体系等。