由于荧光技术具有细胞组织穿透性、非侵袭性、高时空分辨率、实时成像的优点,目前已广泛应用于生物医学FUT-175溶解度研究的各个领域,尤其是癌症的荧光诊断,大大促进了生物医学的进步;同时,鉴于光动力治疗光敏剂(PS)通常来自于荧光染料,该技术也极大地推动了光动力治疗(PDT)的发展。事实上,荧光染料是荧光影像技术和光动力治疗技术的物质基础,荧光染料的光物理性质,如吸收/发射波长、摩尔吸收系数、荧光量子产率等,很大程度上决定了其应用效果。然而,尽管近年来荧光显微设备得到了快速发展,但荧光染料的发展却相对缓慢,目前最常用的荧光染料仍主要集中在几个传统的染料家族,如花菁(Cyanines)、罗丹明(Rhodamines)和硼-双吡咯亚甲基(BODIPYs)。尽管近年来通过构象限制、扭曲的分子内电荷转移(TICT)的抑制等手段提高了荧光量子收率,但这些染料通常具有小的斯托克斯位移(Stokes Shift),在实际应用时将遭受激发光散射、生物分子自发荧光的干扰。因此,开发具有大斯托克斯位移且明亮的荧光染料是目前荧光影像及光动力治疗领域的焦点,但也是一项具有挑战性的任务。香豆素-半花菁(CHCs)是香豆素染料和花菁染料的杂化体,具有大的π-共轭体系,其特征是大斯托克斯位移和长发射波长(超过650 nm),已被广泛用来制备荧光探针并应用于生物成像。然而,已报道的CHCs通常具有低的荧光量子产率,因此降低了相关荧光探针的时空分辨率。我们推测,CHCs的低荧光量子产率很可能来源于C=C键光异构化而引起的非辐射跃迁。因此,抑制C=C键光异构化应该是一种提高其荧光量子产率的有效策略,同时该策略也将保留传统该类染料大斯托克斯位移的优点。本论文从分子结构设计入手,通过在传统CHCs的分子骨架中引入双环结构以抑制C=C双键光异构化,设计合成了一类新的构象受限的环化香豆素-半花菁(RCHCs)。研究表明,RCHCs不仅继承了传统CHCs大Stokes位移和长波长吸收/发射的优点,同时展现了显著提高的荧光量子产率。基于RCHCs平台,本论文进一步开发了肿瘤荧光诊断试剂和光动力治疗光敏剂,并在细胞和活体水平探究了其在活细胞荧光影像、癌细胞荧光诊断、肿瘤光动力治疗方面的应用。本论文的研究内容主要包括如下三方面:在第二章中,在传统CHCs染料的分子结构中引入双环结构,设计合成了一系列C=C双键旋转被限制的环化香豆素-半花菁染料(RCHCs)以及对应的链状CHCs对比化合物。研究表明,构象限制的RCHCs继承了传统CHCs染料固有的大斯托克斯位移特性,同时与CHCs相比,RCHCs的荧光量子产率有了显著的提升。细胞影像实验表明,RCHCs不仅显示出相对于CHC1明显提高的细胞内荧光亮度,而且具有良好的溶酶体(RCHC1)和线粒体(RCHC2)靶向能力;而且,由于大斯托克斯位移,该类染料在细胞影像时的时空分辨率明显提高。该类染料已成功应用于线粒体自噬过程的探究。在第三章中,通过在传统CHCs染料的吲哚单元中引入羧基官能团并进一步进行结构环化,合成了构象限制的、羧基官能化的香豆素-半花菁染料RCHC1-COOH。细胞影像实验表明,该荧光染料能特异性定位在细胞膜。进一步的共定位影像研究表明,该染料主要富集于细胞膜富含脂肪和胆固醇的脂阀微区。鉴于肿瘤细胞比正常细胞高表达脂阀微区,该染料已成功用于癌细胞与正常细胞以及癌组织与正常组织的荧光区分,对比度远大于临床所需的阈值2.0。在第四章中,通过在构Organic immunity象限制的香豆素-半花菁的吲哚环中引入碘原子,设计合成了一个CP-456773具有光动力治疗效果的光敏剂RCHC2-I。碘原子能诱发重原子效应,从而加速单线激发态(S_1)向三线激发态(T_1)系间窜越(ISC)的速率,提高该光敏剂的光动力治疗效果。进一步研究表明,RCHC2-I在模拟生理条件下能形成J-聚集体,J-聚集体的形成减小了S_1态和T_1态的能级间隙,进一步加速了S_1态向T_1系间窜越,从而大大提高了该光敏剂的光动力治疗效果。该光敏剂的光动力治疗效果在细胞和肿瘤鼠模型中得到了证实:在癌细胞中孵入光敏剂并光照15分钟,24小时后癌细胞几乎全部死亡;在小鼠肿瘤原位注射该光敏剂并光照30分钟后,肿瘤体积与日变小,10天后几乎彻底消失。