光学荧光成像技术具有高效率,高分辨率及非侵入性等优良特性,在生物医学诊断及治疗应用中具有极其重要的意义。同时,光学成像的设备造价低,成本远低于磁共振成像及核素成像。因此,光学成像技术及应用不断吸引众多研究者关注。然而光学成像因光的散射,光被组织的吸收以及生物体的自荧光等因素而影响其组织穿透深度及成像信噪比。研究发现,提高发射光的波长至近红外二区（1000–1700 nm）是改善这一光学成像缺陷最为有效的方法之一。虽然目前具有近红外二区荧光的探针种类和数量已经相当丰富,但其中最具临床研究价值的小分子探针数量较少,且荧光发射波长均位于1000–1100 nm的较小范围。为丰富近红外二区小分子探针种类,进一步提高小分子探针的荧光发射波长,本论文从FDA批准的吲哚菁绿（ICG）的共振分子结构骨架出发,通过改变杂原子种类及多甲川链的结构,设计合成一类发射波长超过1100 nm的易修饰的近红外二区小分子染料。并通过多种靶向修饰方法应用于肿瘤检测,血管成像,淋巴节寻找等多种生物活体成像。首先,本论文借鉴ICG（荧光发射波长822 nm）等花菁类近红外一区（700–900nm）染料的骨架结构。将其中两个取代杂原子由“氮”替换为“氧”或者“硫”,并改变两个杂原子中间链的长短及引入卤素原子。经过五步反应合成出一系列杂原子取代多甲川小分子染料,其荧光最大发射波长为1000–1170 nm。不仅成功将此类小分子染料的发射波长拓展至近红外二区,而且其中硫代多甲川染料的最大吸收亦延伸至1000 nm以上。该系列小分子染料均具有较高的摩尔吸光系数及荧光量子产率。其次,为弥补小分子染料在近红外二区子区间（NIR-IIa:1300–1400 nm;NIR-IIb:1500–1700 nm）的空缺,并进一步提高光学成像的信噪比及穿透深度。本论文利用小分子5H5的荧光发射肩峰于NIR-IIa区较强的拖尾信号,辅以穿透力更强的NIR-II区激发光源,进行了1064 nm激发的NIR-IIa区肿瘤及血管成像。通过与808 nm激发的NIR-II区成像对比发现,其肿瘤背景比提升3倍以上,血管成像中可检测血管数目更多更清晰。成像区间向NIR-IIa子区间的拓展以及激发光波长的提高均能显著改善光学成像的多方面应用。最后,在某些情况下单一的光学成像模式无法完全满足需求,这就需要一种联合多种成像模式的多模态探针以实现多种场合下的各种定量定性分析。本论文以缩短的多甲川链改善噻喃盐小分子在碱性溶剂中的稳定性,成功与单克隆抗体和PET探针修饰,组成新型多模态分子探针5-5-cetuximab-TCO。该PET/NIR-II双模态探针应用于MDA-MB-231乳腺癌的近红外二区光学成像及预定位策略PET肿瘤显像,以及NIR-II区光学指导肿瘤及淋巴结的手术切除。该双模态成像不仅能发挥NIR-II区成像的高时间分辨率及空间分辨率,更能综合PET成像的准确性及可定量性,是一种极具应用前景的成像模式。