荧光成像仪器的成像性能测试对于提高仪器的性能和临床转化成功率具有重要意义，成像性能测试的标准化需要一种可以精确模拟荧光光谱的长期稳定的样品作为测试工具。本团队提出了一种荧光发光模拟系统，该系统可以模拟荧光样品的激发效率、荧光发射谱特性和荧光空间分布特性，可以替代真实的荧光剂仿体对荧光成像类仪器进行量化表征。该系统采用的是基于线性滤光片和液晶显示器的光谱模拟方法。本团队还设计了一种改进的最小二乘光谱拟合算法，该算法可以自动模拟任意荧光发射谱。使用该系统模拟了近红外荧光造影剂吲哚菁绿(ICG)的发光特性，并对不同荧光成像仪器的成像灵敏度进行了测试。实验结果表明，所设计的荧光发光模拟系统可以稳定精准地模拟荧光样品的发光特性。

肝癌的发病率和死亡率逐年上升, 寻找提高肝癌早期筛查和诊断的有效方法是降低死亡率的重要途径, 通过定量检测血清中甲胎蛋白( AFP)是实现肝癌早期筛查和诊断的重要辅助手段。常用的AFP检测方法具有成本高、检测时间长、不适于大规模人群的筛查等缺点, 本文采用基于激光共聚焦原理的生物芯片扫描仪和近红外荧光标记抗体芯片相结合的方法, 实现AFP的定量检测, 并与常用的罗氏电化学发光免疫分析方法检测患者样本中AFP含量进行比较, 结果表明, 二者之间具有高度相关性。

探索合成方法简单的近红外比率荧光探针具有重要意义。本文以高山榕树叶为碳源，乙醇、丙酮为提取剂，采用溶剂热法于200 ℃高压反应釜中反应10 h，一步合成具有近红外双发射荧光特性的碳量子点(CDs)。透射电镜(TEM)表明合成的CDs分散性好、平均尺寸约为4.70 nm，晶格常数为0.32 nm。X射线衍射(XRD)结果显示该碳点在2θ=22°附近有一个较宽的衍射峰，表明该CDs为sp2杂化的无定形碳。傅里叶红外光谱(FT-IR)显示其含有氨基、羰基、醇羟基和甲基。荧光光谱表明，最大激发波长410 nm，最大发射波长为466 nm和676 nm。以硫酸奎宁做参比测得荧光量子产率为26.31%。实验还探讨了CDs的酸碱、光学、抗盐和金属离子的稳定性以及细胞成像效果。以上结果表明，该碳点具有原料廉价易得、制作简便、对酸碱稳定、抗光漂白性良好等优点，具有良好的光学成像应用前景。

以近红外荧光碳量子点为探针, 以赭曲霉毒素A(OTA)适配体为特异性结合体, 建立了近红外荧光核酸适体OTA传感检测平台。研究显示, 所建立的近红外荧光核酸适体OTA传感对OTA具有高特异性, 其他真菌毒素无明显干扰。研究了传感体系组成、pH值、孵化时间等因素对近红外荧光传感性能的影响, 确定了最优检测条件。在最优检测条件下, OTA 浓度在0.015~1.5 ng·mL-1范围与体系荧光强度恢复呈良好线性关系, 检测限为8 pg·mL-1。该方法用于连翘、葛根、莲子、麦芽、陈皮、甘草等中草药中痕量OTA的测定, 发现这些中药材都存在赭曲霉毒素A的污染。

PAiRFP1是一种以根癌农杆菌中细菌光敏色素Agp2为基础, 经过蛋白工程手段改造后获得的近红外荧光蛋白。 与其他近红外荧光蛋白不同, PAiRFP1具有光活化行为。 这一特性可以有效改善近红外荧光蛋白在体内的成像信噪比。 然而, 关于光活化行为的影响因素却研究甚少。 主要采用荧光光谱学手段研究了PAiRFP1蛋白浓度、 pH、 金属离子、 氧化还原环境对于PAiRFP1光活化行为的影响, 结果发现: (1) PAiRFP1的最大光活化效率与该近红外荧光蛋白的浓度不呈线性关系; (2) 随着pH从6.5升高至7.8和9.0, PAiRFP1的最大光活化效率从36.8%提高至52.0%和60.8%; (3) 金属离子K+, Na+, Ca2+的加入对于PAiRFP1的最大光活化效率没有显著影响; 类似现象在H2O2和DTT的处理的情况下也被观察到。 除了上述影响因素外, 还发现当PAiRFP1中276位的缬氨酸被突变为甘氨酸产生V276G突变体后, 蛋白的最大光活化效率从~50.0%下降至19.4%。 DTT处理后导致V276G突变体最大光活化效率从19.4%提高到了27.1%。 此外, 比较研究了各种影响因素对于光活化速率的影响。 以上结果为今后更好地将此类光激活的近红外蛋白应用于活体成像中提供了更好地理论指导和优化解决方案。

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描, 设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计, 并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明: 照明光路的聚焦弥散斑小于1 μm, 照明针孔处的聚焦光斑小于40 μm, 满足照明针孔的尺寸要求; 发射针孔处的聚焦光斑小于10 μm, 满足探测针孔尺寸要求; 同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求, 照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF>0.08, 发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF>0.07。

为实现高信噪比(SNR)的深层生物组织成像，结合了激光扫描共聚焦成像技术和近红外(NIR)荧光成像技术，根据近红外荧光成像要求设计了一套激光扫描共聚焦近红外荧光成像实验系统，对注入近红外荧光染料LDS925 小鼠的尾部成像后获得了小鼠尾部近红外荧光图像和近红外共聚焦荧光图像。实验结果表明小鼠尾部近红外共聚焦荧光图像信噪比显著优于小鼠尾部近红外荧光图像，采用均方差和峰谷(PV)值进行评估时，近红外荧光成像荧光信号强度分布的均方差值和PV 值分别为864 和102；共聚焦荧光成像的荧光信号强度分布的均方差值和PV 值分别为1459 和255；进一步表明激光扫描共聚焦成像技术在近红外荧光成像中应用是可行的，可以实现深层组织的高信噪比共聚焦成像。

合成了两种近红外有机荧光探针, 即叶酸-PEG-ICG-Der-01和LDL-ICG-Der-02, 它们分别以肿瘤表面高度表达的叶酸受体以及低密度脂蛋白(LDL)受体为靶点。探针复合物中的叶酸和低密度脂蛋白部分为探针分子提供靶向“导向”, 通过化学共价键分别与有机近红外染料ICG-Der-01和ICG-Der-02偶联, 近红外染料则为探针分子的荧光信号输出端。利用紫外分光光度计、近红外荧光光谱仪及近红外荧光成像系统分析这两种荧光探针的光学性质, 以及它们在叶酸受体及LDL受体过度表达的肿瘤鼠体内的成像过程。结果显示, 所合成的叶酸-PEG-ICG-Der-01和LDL-ICG-Der-02探针的荧光强度及光稳定性都高于对应的染料单体。而体内成像结果则表明两种探针都保持了叶酸和LDL的生物活性, 能有效地靶向到相关肿瘤部位, 成像清晰, 并且能最终代谢排出体外。比较这两种探针, 叶酸-PEG-ICG-Der-01对肿瘤细胞的靶向性要优于LDL-ICG-Der-02, 并能用于肿瘤早期诊断。