设计生物功能分子特异性响应的光学成像探针用于高灵敏度、高精度的活体分析,对疾病的早期诊断与治疗具有重要推动作用。在活体荧光成像分析研究中,降低生物组织的背景荧光信号、提高成像分析的信背比（SBR）,是实现疾病标志物精确检测分析的关键。硫化氢（H₂S）被认为是生物学中的第三种气体递质,具有多种生理和病理功能,因此,精确检测H₂S在生物体系内的浓度对于H₂S相关生物学过程的研究和疾病诊断具有重要作用。近年来,虽然人们报道了不同类型的荧光探针用于检测细胞中H₂S的浓度,但这些荧光探针在应用于活体水平检测H₂S时还存在以下几个困难:（1）大部分荧光的发射波长在可见光区,受限于可见光区生物组织的自发荧光严重、荧光穿透深度差等因素,导致成像SBR低,限制这些探针在活体上对H₂S浓度的测量;（2）已报道的近红外荧光探针缺少生物组织的靶向性,无法有效递送至靶位点检测H₂S;（3）H₂S作为气体分子,其在体内容易扩散,且在体内的半衰期非常短,通常为1至2分钟,而目前报道的荧光探针跟H₂S之间的反应时间大部分在10分钟以上,导致其无法快速、精确检测H₂S。电致变色材料（EMs）是一类在电场作用下,发生快速电子转移（即氧化还原反应）而产生颜色可逆变化的材料,已被广泛用作光学存储器和电致变色器件。EMs可以在电子转移过程中发生显著颜色变化的特性将有可能使其作为刺激响应型光学材料来监测生物体系的氧化还原过程。基于上述研究背景,在本论文工作中,我们从具有有机π电子结构的电致变色材料出发,一方面我们构建了H₂S特异性激活的近红外荧光探针,其可以与活体内源性H₂S作用,在830 nm处产生显著增强的荧光,用于小鼠体内无创、实时检测肝脏和肿瘤中H₂S浓度的变化。另一方面我们构建了H₂S特异性激活的智能诊疗光敏剂,当其与肿瘤内源性H₂S反应后,产生增强的荧光和单线态氧（¹O₂）,用于成像指导的肿瘤高灵敏、高特异、高效的光动力学治疗（PDT）。在此基础上,我们进一步构建了H₂S激活的近红外长余辉探针,用于微小肿瘤和原位肝肿瘤的高SBR、高灵敏的检测及临床肝癌标本的肿瘤边界的描绘。具体研究内容如下:论文的第一部分,我们基于电致变色材料(离子型1,1,4,4-四芳基丁二烯,1²⁺),通过理性设计并构建了H₂S特异性激活的不同发射波长的荧光探针(1²⁺-SNPs),应用于高灵敏的、高特异性的H₂S检测。实验结果显示,在1²⁺-SNPs中,500-850nm之间具有强吸收的EM 1²⁺可以作为猝灭剂,通过荧光共振能量转移（FRET）机理有效猝灭半导体聚合物在580、700或830 nm处的荧光。当H₂S将1²⁺-SNPs内部的EM 1²⁺还原为无色的EM 2后,FRET过程消失,半导体聚合物的荧光得到恢复。值得注意的是,发射波长在830 nm处的近红外的荧光探针1²⁺-SNP830能够高灵敏度、高特异性的、实时检测小鼠肝脏中H₂S的浓度变化。此外,通过在探针表面整合靶向基团构建了叶酸（FA）靶向的1²⁺-SNP830-FA,成功应用于实时、无损的检测小鼠肿瘤中的H₂S。论文的第二部分,基于第一部分发展的肿瘤靶向的近红外成像探针的实验结果,我们进一步利用1²⁺构建了肿瘤细胞靶向、H₂S特异性激活的近红外纳米光敏剂(1²⁺-PSs-FA),用于成像指导下的H₂S相关肿瘤的有效PDT。在1²⁺-PSs-FA中,1²⁺通过FRET过程同时猝灭罗丹明6G（R6G）和2,3-萘酞菁双（三己基硅氧基）硅烷（NIR775）的荧光和单线态氧（¹O₂）的产生能力。当1²⁺-PSs-FA与H₂S反应后,FRET过程消除,R6G和NIR775的荧光分别增强了～557和335倍,同时¹O₂产生能力恢复。活体实验结果显示,1²⁺-PSs-FA经尾静脉注入活体后,通过FA的靶向作用探针可有效递送到肿瘤细胞内,然后在肿瘤H₂S的作用下,增强其在780 nm处的近红外荧光和¹O₂产生能力,从而实现近红外荧光成像指导下的肿瘤PDT,这项研究证实了应用电致变色材料建立H₂S激活探针进行成像指导下肿瘤PDT的希望。论文的第三部分,在前两部分的基础上,为了提高探针与H₂S的反应速率,增加其活体成像的SBR和深层组织穿透,我们进一步对变色材料进行结构优化,并整合NIR光敏剂NIR775和余辉材料聚[2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）-1,4-苯乙烯]（MEH-PPV）构建了H₂S激活的近红外长余辉探针F1²⁺-ANP,探针显示高的H₂S反应速率(k₂=1563±141 M^-1 s^-1)和余辉增强信号（～122倍）。探针能够对健康志愿者、肝癌或结直肠癌患者血液中H₂S浓度进行高灵敏度和特异性定量。为了增强肿瘤细胞对探针的摄取,我们在探针的表面引入β-半乳糖（β-Gal）构建了靶向肝肿瘤的H₂S激活的长余辉探针(F1²⁺-ANP-Gal)。探针经尾静脉注射到小鼠体内后,其能够高灵敏、高SBR的检测小鼠皮下移植的微小Hep G2肿瘤（直径<3 mm）和原位肝肿瘤,并能精确的描绘临床肝癌标本的肿瘤边界。该研究显示了电致变色材料构建H₂S激活的余辉发光探针应用于体内成像的潜力,该余辉发光探针有望应用于H₂S相关肿瘤的检测和指导肿瘤的手术切除。