相对于传统具有电子闭壳层结构的π-共轭分子,具有电子开壳层结构的π-共轭自由基分子,具有独特的光电磁等优异性质。在生物医学领域具有重要的应用价值,例如:基于吲哚啉-苯并噻二唑和吡咯并吡咯二酮分子,可通过原位生成阳离子自由基的方式,利用颜色变化实现铜离子的检测;基于ABTS阳离子自由基可用于炎症部位的光声成像;基于苝酰亚胺类阴离子自由基、紫精类阳离子自由基可用于细菌和肿瘤的光热治疗;基于三苯甲基自由基可用于肿瘤的光动力治疗。然而,目前具有发光性质的有机自由基种类极少,包括三苯甲基、二苯甲基、吡啶甲基等中性自由基,三羰基苯、萘二酰亚胺等阴离子自由基。另外,由于自由基难以生物功能化修饰且在生理环境下稳定性较差,进一步限制了其生物医学应用。因此,亟需构建具有发光性质且在生理环境下稳定的自由基,揭示其构效关系,探索其在生物诊疗等领域的应用。相对于中性和阴性自由基,π-共轭阳离子自由基的基态和激发态能级差较小,具有红至近红外发光潜力,可有效提高组织穿透能力并克服生物自发荧光的干扰。本研究基于2,5-二甲基吡咯构建了红至近红外发光的阳离子自由基,并将其用于细胞的线粒体成像和细菌的诊疗一体,主要研究内容和结果如下:（1）传统阳离子自由基化合物的发光效率通常小于0.1%,而且易于发生自由基偶联、亲核加成等反应,限制了其在生物成像中的应用。本研究发现2,5-二甲基吡咯衍生物可以直接氧化生成红至近红外发光的吡咯阳离子自由基(P·+),在薄层色谱板上的荧光量子产率高达11.32%。本研究通过激发和发射光谱、电子顺磁共振（EPR）波谱、循环伏安曲线等测试对阳离子自由基的生成规律进行了表征,并通过理论计算对其发光机制进行了分析。进一步,通过CB[7]包裹2,5-二甲基吡咯阳离子自由基,有效提高其在水溶液中的稳定性,实现了线粒体特异性成像及长期体内成像。（2）本研究发现发超分子复合物(P6·+?CB[7])可选择性染色并杀灭革兰氏阳性菌,并通过荧光成像、扫描电镜等实验探究了破坏革兰氏阳性菌的细菌膜的抗菌机制。另外,P6·+?CB[7]可染色死的革兰氏阴性菌,可用于革兰氏阴性菌的药物筛选。进一步,本研究利用P6·+?CB[7]对革兰氏阳性菌的荧光染色具有优异的稳定性和长期驻留能力的特点,利用荧光成像原位观测了革兰氏阳性菌与体外的巨噬细胞、斑马鱼体内的中性粒细胞等免疫细胞的相互作用,有利于揭示抗感染免疫机制。