《荧光染料及其生物医学应用》是先进化工材料关键技术丛书的一个分册。

荧光染料是精细化工产品的一个重要分支，是具有高附加值和实用价值的功能性染料。本书凝结了作者们在荧光染料设计和应用等方面多年的理论研究和实践经验，是多项国家和省部级科技成果的结晶。本书从荧光现象和荧光发光原理入手，回顾了荧光染料的发现与发展，介绍了不同识别对象的荧光染料以及它们在生物标记、医学诊断和疾病治疗等方面的应用，展望了相关染料的发展趋势和前景。包括：绪论，荧光染料概述，细胞器染色荧光染料， 细胞环境敏感荧光染料，细胞内离子成像用荧光识别染料，生物活性小分子荧光识别染料，生物酶荧光识别染料，核酸荧光识别染料，蛋白的荧光识别和标记技术，热激活延迟荧光染料，超分辨成像荧光染料，荧光分子前药，光触发治疗用光敏染料。

《荧光染料及其生物医学应用》内容全面、专业性强，在取材方面力求前沿性、系统性。适应于染料开发和应用的科技人员阅读，以及高等院校化工、材料等专业师生学习参考。

通过染料激发态释能过程的有效调控即可实现不同特殊功能或应用性能，在材料、信息、生物医学等诸多领域的应用前景广泛。其中，荧光染料已成为生物医学研究的重要工具，应用于活细胞及体内分子荧光成像和疾病诊断，如DNA分析、癌症诊断、免疫分析等。

本书是多项国家和省部级科技奖励、国内外专利和成果转化等成果的结晶。如获得国家自然科学二等奖的荧光染料识别与响应调控的理论与应用基础研究、获得国家技术发明二等奖的血液细胞荧光成像染料的创制及应用、 获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖的生物荧光成像染料及应用等。

自1857年Perkin 合成苯胺紫至今，合成染料工业蓬勃发展。20世纪以来我国逐步发展成为传统纺织染料的生产和使用大国。与传统染料主要关注染料的颜色行为不同，荧光染料更关注发光。当染料吸收入射光的能量，从基态跃迁到激发态，激发态可通过热能散发、荧光发射、电子转移和光化学反应等多种过程释放能量回到基态。可见，通过染料激发态释能过程的有效调控即可实现不同特殊功能或应用性能，在材料、信息、生物医学等诸多领域的应用前景广泛。其中，荧光染料已成为生物医学研究的重要工具，应用于活细胞及体内分子荧光成像和疾病诊断，如DNA分析、癌症诊断、免疫分析等。我国生物医用荧光染料的发展刚刚起步，具有巨大的发展空间。生命健康领域急需新型的、性能优异的荧光探针试剂和诊疗手段来打破国外的技术垄断，如基因测序荧光染料、荧光手术导航染料和光/声治疗染料等。因此，新型荧光染料正推动染料工业形成新的历史跨越，对促进我国染料及相关产业的转型发展具有重要意义。

本书是多项国家和省部级科技奖、国内外专利和成果转化等的结晶。如获得国家自然科学二等奖的荧光染料识别与响应调控的理论与应用基础研究、获得国家技术发明二等奖的血液细胞荧光成像染料的创制及应用、 获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖的生物荧光成像染料及应用等。本书主要内容共分十三章，由大连理工大学彭孝军和樊江莉负责框架设计、草拟写作提纲及统稿。参与本书编写的有来自不同单位的近30位专家学者。他们都是奋战在一线的科研工作者，书中的许多经典实例都是他们的心血之作。因此，他们的前沿成果和独特视角是本书的特色和基础。章和第二章主要介绍了荧光的基本原理和荧光染料的发展历程，由陈鹏忠（大连理工大学）、杨有军（华东理工大学）、郭颖华（华东理工大学）、罗潇（华东师范大学）撰写；第三章介绍的是细胞器染色荧光染料，由王魁、冯北斗、仉华（河南师范大学）撰写；第四章介绍了荧光染料在示踪细胞内微环境中的应用，由王本花和宋相志（中南大学）撰写；第五章和第六章介绍的是荧光染料对生物体内离子和活性小分子的识别检测，由杜健军、孙文、胡巧（大连理工大学）和张博宇（大连医科大学）撰写；第七章至第九章介绍荧光染料对生物大分子的识别和标记，由陈小强（南京工业大学）、张新富（大连理工大学）、肖义（大连理工大学）、陈令成（大连理工大学）、魏廷文（南京工业大学）、江龙（南京工业大学）和叶智伟（大连理工大学）撰写；第十章介绍新型热激活延迟荧光染料及其应用，由宋锋玲（山东大学）和陈文龙（大连理工大学）撰写；第十一章介绍了超分辨荧光技术，由徐兆超、乔庆龙、陈婕、周伟、刘文娟和房香凝（中国科学院大连化学物理研究所）撰写；第十二章和第十三章对荧光介导光疗技术展开了讨论，由樊江莉、杨明旺、赵学泽和邹杨（大连理工大学）撰写。

本书作者尽所能呈现荧光染料及生物医学应用的研究进展，但限于时间和水平，书中也难免存在不足和疏漏之处，敬请读者批评指正。本书的研究工作得到国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划、国家重点研发计划等项目的支持，特此感谢！



著者

2021年8月

彭孝军，中国科学院院士。精细化工专家。大连理工大学化工学院院长，精细化工国家重点实验室主任。兼任中国化工学会日用化学品专业委员会主任、中国石油和化学工业联合会高端化学品专业委员会专家委员会主任。1962年生。1982年毕业于大连工学院化工系，1986年在大连工学院精细化工专业获得硕士学位，1990年在大连理工大学精细化工专业获得博士学位。1990～1992年为南开大学有机化学专业博士后。随后回到大连理工大学任教。2001～2002年间在瑞典斯德哥尔摩大学有机化学系和美国西北大学化学系作访问学者。2007年获得国家杰出青年科学基金、同年入选*长江学者奖励计划特聘教授，2008年被评为全国化工优秀科技工作者，2016年获全国优秀科技工作者称号，2020 年获全国创新争先奖。作为完成人，获2013年国家自然科学二等奖和2006年国家技术发明二等奖。多年入选全球高被引科学家。2017年当选中国科学院院士。主要从事精细化工和有机智能光学材料的研究，包括有机光学信息材料、EUV和彩色光刻胶、生物荧光探针、医学诊疗试剂。其中研发了用于纳思达股份有限公司的喷墨打印染料墨水，该公司年产通用墨盒已达6500万套，出口率在80%以上，形成了国际认可的自主技术体系；所研发的血液细胞荧光试剂，创制了深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司全自动五分类血细胞分析系统，血细胞分析系统已成为我国少数具有自主知识产权的大型高端临床基础设备，出口九十多个国家。彭孝军为我国在该领域从被垄断发展到国际强国做出了重要贡献。樊江莉，大连理工大学教授，博士生导师。国家杰出青年基金、优秀青年基金获得者，入选第三批国家万人计划领军人才、青年长江学者名单。科研工作围绕染料结构与性能关系研究，提出了增强型光诱导分子内电子转移机理；创制了肿瘤标志物、核酸等系列荧光识别染料；发展出系列荧光染料产品，在血液细胞分群等领域得到了产业化应用。发表SCI收录论文200余篇，授权国内外发明专利70项。担任Chinese Chemical Letters、Engineering、《应用化学》等学术期刊青年编委，2021年起任Dyes and Pigments、Scientific Reports编委。参与国家自然科学基金委化工学科中长期及十四五战略研究报撰写。科研成果曾获国家自然科学二等奖（3/5）1项、国家技术发明二等奖2项、省部级技术发明奖3项。2020年荣获中国青年科技奖、中国石油和化学工业联合会优秀科技工作者称号。

章 绪论 001

节　荧光和磷光的发展概述 002

第二节　荧光和磷光产生的机理 004

一、非辐射跃迁 005

二、辐射跃迁 007

三、常见的描述荧光性质的物理量 008

四、影响荧光和磷光的主要因素 008

参考文献 010



第二章 荧光染料概述 011

节　常见的荧光染料 012

一、香豆素类衍生物 012

二、荧光素类衍生物 014

三、罗丹明类衍生物 014

四、二酰亚胺类衍生物 016

五、花菁类染料 016

六、卟啉类染料 017

七、氟硼类染料 017

第二节　近红外荧光染料分子设计规则 018

一、D--A母核的必要性 019

二、D--A结构中的HOMO-LUMO能级差的调控 023

三、D--A骨架的刚性化 025

四、D--A结构的空间保护 025

第三节　荧光染料技术展望 027

参考文献 028



第三章 细胞器染色荧光染料 033

节　概述 035

第二节　细胞膜染色荧光染料 036

一、细胞膜的生物医学功能 036

二、细胞膜染色荧光染料及其应用 037

第三节　线粒体染色荧光染料 039

一、线粒体的生物医学功能 039

二、线粒体染色荧光染料及其应用 040

第四节　溶酶体染色荧光染料 043

一、溶酶体的生物医学功能 044

二、溶酶体染色荧光染料及其应用 044

第五节　高尔基体染色荧光染料 047

一、高尔基体的生物医学功能 048

二、高尔基体染色荧光染料及其应用 048

第六节　内质网染色荧光染料 051

一、内质网的生物医学功能 052

二、内质网染色荧光染料及其应用 052

第七节　细胞核染色荧光染料 056

一、细胞核的生物医学功能 056

二、细胞核染色荧光染料及其应用 057

参考文献 058



第四章 细胞环境敏感荧光染料 063

节　极性敏感荧光染料 064

一、基于萘酰亚胺基团的极性敏感荧光染料 064

二、基于香豆素基团的极性敏感荧光染料 065

三、基于尼罗红类的极性敏感荧光染料 067

四、基于萘类的极性敏感荧光染料 068

第二节　温度敏感荧光染料 069

一、基于有机小分子的温度敏感荧光染料 069

二、基于聚合物大分子的温度敏感荧光染料 071

三、基于纳米材料的温度敏感荧光染料 072

第三节　黏度敏感荧光染料 074

一、基于BODIPY的黏度敏感荧光染料 075

二、基于DCVJ的黏度敏感荧光染料 077

三、基于花菁类的黏度敏感荧光染料 078

第四节　pH敏感荧光染料 080

一、基于氨基可逆质子化的pH敏感荧光染料 080

二、基于N-杂环质子化的pH敏感荧光染料 082

三、基于酚类的pH敏感荧光染料 083

四、基于罗丹明开环的pH敏感荧光染料 084

第五节　环境敏感荧光染料在生物医学应用中的展望 087

参考文献 087



第五章 细胞内离子成像用荧光识别染料 093

节　碱金属离子及碱土金属离子荧光识别染料 094

一、钙离子荧光识别染料 094

二、镁离子荧光识别染料 095

三、钠离子荧光识别染料 098

四、钾离子荧光识别染料 100

第二节　生物体内主要过渡金属离子荧光识别染料 101

一、锌离子荧光识别染料 102

二、铁离子及亚铁离子荧光识别染料 104

三、铜离子荧光识别染料 106

第三节　阴离子荧光识别染料 108

一、卤素离子荧光识别染料 109

二、（焦）磷酸根离子荧光识别染料 111

第四节　有害重金属离子荧光识别染料 113

一、汞离子荧光识别染料 113

二、镉离子荧光识别染料 115

三、铅离子荧光识别染料 115

四、钯离子荧光识别染料 116

参考文献 118



第六章 生物活性小分子荧光识别染料 125

节　活性氧物种荧光识别染料 126

一、单线态氧荧光识别染料 127

二、过氧化氢荧光识别染料 129

三、超氧阴离子荧光识别染料 132

四、羟基自由基荧光识别染料 134

五、次氯酸荧光识别染料 137

六、过氧亚硝酸盐荧光识别染料 139

第二节　生物硫醇类化合物荧光识别染料 140

一、半胱氨酸和高半胱氨酸荧光识别染料 141

二、谷胱甘肽荧光识别染料 146

第三节　生物气体荧光识别染料 151

一、一氧化氮荧光识别染料 152

二、硫化氢荧光识别染料 157

三、一氧化碳荧光识别染料 162

参考文献 164



第七章 生物酶荧光识别染料 173

节　概述 174

第二节　氧化还原酶荧光识别染料 175

一、环氧化酶荧光识别染料 175

二、酪氨酸酶荧光识别染料 179

三、硝基还原酶荧光识别染料 183

四、单胺氧化酶荧光识别染料 187

五、过氧化物酶荧光识别染料 192

第三节　转移酶荧光识别染料 195

一、谷氨酰转移酶荧光识别染料 195

二、硫酸基转移酶荧光识别染料 198

三、甲基转移酶荧光识别染料 199

第四节　水解酶荧光识别染料 202

一、蛋白水解酶荧光识别染料 202

二、羧酸酯水解酶荧光识别染料 207

三、磷酸酯酶荧光识别染料 209

四、糖苷水解酶荧光识别染料 211

参考文献 213



第八章 核酸荧光识别染料 219

节　核酸的基本特征 220

第二节　染色基本原理及类别 220

一、静电作用 221

二、沟槽结合模式作用 221

三、嵌入式作用 222

第三节　DNA荧光染料 222

一、碱性DNA染料 222

二、阳离子型染料 223

三、其他类型染料 229

第四节　RNA荧光染料 230

第五节　G四联体荧光染料 233

一、DNA G四联体荧光染料 233

二、RNA G四联体荧光染料 240

第六节　基于核酸染色的多功能荧光探针 242

一、细胞核超分辨探针 242

二、细胞核微环境探针 247

参考文献 249



第九章 蛋白的荧光识别和标记技术 253

节　蛋白特异性标记技术概述 254

第二节　小分子配体标记 255

一、标记细胞骨架的荧光探针 255

二、磺酰脲类标记钾离子ATP通道蛋白探针 257

第三节　多肽标签标记 258

一、双砷染料-四半胱氨酸多肽设计以及类似工作 259

二、随机筛选特异性结合染料的多肽标签 262

第四节　自修饰酶标签标记 263

一、SNAP Tag 263

二、Halo Tag 267

第五节　核酸适配体标记 269

第六节　总结与展望 270

参考文献 271



第十章 热激活延迟荧光染料 273

节　热激活延迟荧光染料的结构与光谱性质 274

一、热激活延迟荧光的概念及发光过程机理 274

二、延迟荧光染料的基本物理参数 276

三、延迟荧光染料分子结构和设计原则 278

第二节　生物荧光成像用热激活延迟荧光染料 284

一、可直接应用于生物体系的荧光素类TADF分子 286

二、不能直接应用于生物体系的TADF分子 288

三、可直接应用于生物体系的其他类TADF分子 291

第三节　诊疗一体化用热激活延迟荧光染料 293

第四节　热激活延迟荧光染料生物医学应用的展望 295

参考文献 296



第十一章 超分辨成像荧光染料 301

节　概述 302

第二节　超分辨成像技术 303

第三节　超分辨成像荧光染料 304

一、STED超分辨成像荧光染料 306

二、SMLM超分辨成像荧光染料 313

第四节　总结和展望 321

参考文献 322



第十二章 荧光分子前药 325

节　概述 326

第二节　还原性硫醇激活前药体系 327

第三节　过氧化氢激活前药体系 330

第四节　酶激活前药体系 332

第五节　酸性pH激活前药体系 335

第六节　光激活前药体系 337

参考文献 339



第十三章 光触发治疗用光敏染料 343

节　概述 344

第二节　光动力治疗用光敏染料 344

一、Ⅱ型机理光敏剂 346

二、Ⅰ型机理光敏剂 365

三、临床光敏药物 369

第三节　光热治疗用光敏染料 371

一、卟啉类 372

二、七甲川菁类 375

三、酞菁类 378

四、吡咯并吡咯二酮类 380

五、克酮酸类 382

六、BODIPY类 385

参考文献 387



索引 395