生物成像是了解生物体组织结构,阐明生物体各种生理功能的一种重要研究手段。目前主要的成像技术包括:荧光成像（FI）、磁共振成像（MRI）、电子计算机断层扫描（CT）、发射型计算机断层成像术（ECT）、光热成像（PTI）、拉曼成像（RI）、超声成像（USI）及光声成像（PAI）等。这些成像技术各有特点,其中荧光成像由于成本较低、操作简单、灵敏度和时空分辨率高以及可实现非侵入性成像而受到关注。然而,目前大多数荧光成像探针由于激发波长短、组织背景信号高以及易受各种环境因素影响而限制了它们在生物体中的应用。近红外激发的比率荧光探针由于组织穿透较深、组织背景信号较低以及可通过自校正降低环境因素的影响而逐渐成为研究热点。本文构建了一系列基于能量转移的近红外比率荧光探针用于肿瘤及早期肝损伤的成像,具体开展工作如下:（1）与常亮型荧光探针相比,基于肿瘤组织标志物特异性化学反应构建的激活型分子探针可以显著改善肿瘤成像信背比,具有更好的应用前景。然而,虽然大部分肿瘤组织标志物主要分布在肿瘤区域,但也可能存在于血液和正常组织中。因而在到达肿瘤之前,部分探针可能已与非肿瘤区域的靶标作用而提前被激活,从而难以实现对肿瘤的高特异性和高信背比成像。与之相比,可逆响应型探针可以有效避免探针在血液循环过程中的累积响应,从而可以有效实现肿瘤的高特异性和高信背比成像。在本章中,我们选用硅罗丹明为能量供体,N-氨乙基哌嗪修饰的长沙（CS）染料为能量受体和肿瘤靶标响应基团,构建了一种基于肿瘤微环境中过表达的ATP和H+双靶标激活的近红外比率可逆荧光/光声探针ATP-p H。该探针的受体部分只有在含有高浓度H+及ATP的肿瘤区域才能被激活,从而实现660 nm激发下的700/780 nm的近红外比率荧光成像。另外,探针ATP-p H对H+及ATP的响应都是可逆的,有效避免了探针在到达肿瘤区域之前的非原位响应而导致的假阳性信号。我们利用该探针成功实现了小鼠肿瘤特异性荧光和光声双模比率成像,并在双波长荧光引导下成功实现了肿瘤的手术切除。（2）除肿瘤之外,肝脏疾病也是危害人类心身健康的重大疾病,肝病的早期诊断对于肝病的治疗至关重要。过氧亚硝酰阴离子（ONOO-）被认为是包括急性肝损伤和神经退行性等疾病的关键致病因子。在我们课题组的前期工作中,发展了一种花菁染料接枝的上转换纳米探针,并利用其实现了小鼠药物性肝损伤中ONOO-的检测。然而,我们在实验过程中发现,花菁染料也可以被肝损伤中的一些其它靶标以及光响应,导致假阳性。针对这些问题,在本章中我们设计合成了对ONOO-具有高选择性的小分子荧光探针E-CC及H-CC,其吸收峰分别在540 nm及660 nm。同时为改善探针的水溶性并延长激发波长,我们分别将E-CC及H-CC共价接枝在掺杂了Er及Tm的上转换纳米材料（3-UCNPs）表面,从而得到了两种对ONOO-具有高选择性的比率荧光探针3-UCNPs@PEI@E-CC及3-UCNPs@PEI@H-CC。利用探针3-UCNPs@PEI@E-CC,我们成功实现了脂多糖（LPS）诱导的人肝癌细胞（Hep G2 cell）及小鼠正常肝细胞（BRL cell）中内源性ONOO-的比率成像。而利用探针3-UCNPs@PEI@H-CC,我们成功实现了四氯化碳（CCl4）诱导的小鼠急性肝损伤的高保真成像。（3）在前面一章中,我们虽然实现了对小鼠早期急性肝损伤过程的原位成像,然而却无法对小鼠早期肝损伤与修复的可逆过程进行实时成像。在上一章中我们若要判断小鼠是否处于肝修复状态,需要同时用到正常组、肝损伤组以及肝修复组小鼠进行对比才能做出判断。这样不仅操作复杂,而且由于小鼠的个体差异性可能会带来误导性的结果,同时我们也无法获得早期肝损伤与修复过程的实时成像。针对上述问题,在本章中我们设计了一种能对早期肝损伤过程中过度表达的ONOO-及肝修复过程中过度表达的谷胱甘肽（GSH）可逆响应的小分子荧光探针NB3,并将其共价接枝在核壳上转换纳米材料表面,构建了一种复合纳米探针4-UCNPs@PEI@NB3。该探针对ONOO-具有较高的灵敏度及选择性,且当探针被微摩尔的ONOO-氧化后需要毫摩尔的GSH才能完全还原,即其对ONOO-及GSH的响应浓度均与它们在活体中的含量相当。此外,探针在肝中的相对稳定时间较长,从而为肝损伤与修复过程的实时成像提供了基础。我们利用该探针成功在活体水平实现了不同程度急性肝损伤与修复的实时可逆成像。（4）据早期文献报道,在急性肝损伤过程中,肝细胞内并不会产生HOCl,其理由是肝细胞中并不存在能催化HOCl合成的髓过氧化物酶（MPO）。但是肝细胞不产生HOCl能够代表肝损伤中不存在HOCl吗?为了探究该问题,我们首先通过“设计与筛选策略”相结合,发展了对HOCl具有高选择性和高灵敏响应的小分子荧光探针（CSQ）。我们进一步将CSQ连接在上转换纳米材料表面,构建了能高选择性检测HOCl的上转换纳米探针5-UCNPs@PEI@CSQ。为了改善探针水溶性和细胞识别能力,我们在纳米探针表面进一步修饰聚乙二醇（PEG）或PEG-半乳糖（Gal,肝实质细胞靶向基团）,构建了探针5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG和5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG-Gal。细胞成像结果表明,探针5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG能进入肝巨噬细胞及肝实质细胞,而探针5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG-Gal只能选择性进入肝实质细胞,且5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG在肝巨噬细胞中检测到了HOCl,而在肝实质细胞中未检测到HOCl。然而,探针5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG-Gal和5-UCNPs@PEI@CSQ@PEG用于活体急性肝损伤成像时,探针的荧光信号都显著增强。结合细胞、活体实验结果以及相关文献研究,我们推测药物首先诱导肝巨噬细胞氧化损伤,导致MPO泄露进入肝细胞间质组织液,进而导致在肝细胞间质中产生HOCl。后续的工作正在开展中。