由于具有丰富的4f电子能级且部分能级存在亚稳态结构,Er, Tm等稀土元素的核外电子可以连续被多个光子激发最终发射一个更高能量的光子,即具有上转换(upconversion, UC)发光效应。稀土掺杂上转换发光材料一般是在近红外光激发下发射出可见光,因此在生物医学应用中具有背景干扰小、毒性低、组织穿透深、荧光寿命长、化学稳定性强、光稳定性好等优点,是一类极具应用潜力的生物标记材料。其中,六方相结构的NaYF4由于具有相对较低的声子能量(～350cm-1)以及良好的化学稳定性,被认为是目前已知最好的上转换发光基质材料之一。本论文主要围绕上转换发光NaYF4纳米晶的可控制备、上转换发光性能的优化、疏水纳米材料的表面修饰以及在生物应用研究等四方面工作进行展开的,具体研究内容如下：采用溶剂热法发展了一套稀土掺杂上转换发光NaYF4纳米晶的合成方法,此方法操作简易且制备得到的纳米晶具有发光性能好的六方相结构、单分散性好等优点,丰富了无机纳米材料的合成体系。通过分别对反应体系中的时间、试剂比例、温度等条件进行考察,可分别对纳米晶的形貌和尺寸进行调控,同时利用TEM表征手段对纳米晶的结晶过程进行了监控,结果表明纳米材料是从立方相的超小纳米晶种经历奥斯瓦尔德熟化过程逐渐长成纳米颗粒,且晶体结构也随着晶核的生长从立方相转变为六方相,为晶体生长理论提供了一定的科学依据。进一步对NaYF4:Yb/Er/Tm三掺杂体系进行光学性能研究,近红外激光辐射下在蓝、绿、红、近红外区均有较强的发射峰,以三基色原理为理论基础,通过调节掺杂离子的相对比例,可调节各发射峰之间的相对强度,表现为在近红外980nm激光照射下,观察的颜色从蓝紫色到橙红色可调,多色发光材料有望扩展对有毒有害物高灵敏分析检测的范畴。对疏水性NaYF4纳米晶进行表面硅烷化修饰后稳定地分散在水溶液中,修饰后纳米材料表面Si02层的厚度为2～3nm,无明显团聚现象。与大块状材料或单光子发光纳米材料(如半导体量子点以及有机染料)相比,稀土掺杂上转换发光材料的量子发光效率很低,这也是上转换发光材料性能中最需要改善的一个方面。鉴于这一科学问题,本文借鉴阳离子交换技术发展了一套明显增强NaYF4纳米晶上转换发光性能的合成方法。通过向NaYF4反应体系中加入钆-油酸盐前驱体进行阳离子交换反应,最终复合材料的上转换发光强度增强了近29倍,STEM、HRTEM等表征表明阳离子交换后纳米颗粒具有类似核壳状的结构,而尺寸并没有出现明显的增大；当以纳米棒状材料为对象进行阳离子交换时,纳米棒沿着{100}晶面方向发生了凹陷,最终分裂成两个纳米颗粒。采用油胺改性的聚琥珀酰亚胺(PSI)对Gd-NaYF4复合纳米材料进行表面修饰,TEM表征、动态光散射粒径分布测试显示纳米颗粒具有很好的单分散性能,未出现明显的团聚现象。由于Gd元素的存在,制备的复合纳米材料同时具有一定的纵向弛豫(T1)效能,纵向弛豫率为r1=0.515mM-1.S~-1,有望在进一步的光学、核磁双模式成像研究中实现应用。油相体系合成的纳米材料性能优良,然而制备的疏水纳米材料一般不具有亲水性和生物相容性,因此在生物应用研究前必须对其表面修饰。借助超声乳化技术发展了一套对疏水纳米材料表面修饰的通用方法。超声乳化下,两亲性磷脂的烷基链和疏水材料表面的疏水基团之间存在疏水作用,最终通过自组装包覆在纳米材料表面,而亲水的羧基则裸露在磷脂层表面,赋予纳米材料亲水性能；由于磷脂是生物膜最主要的组成成分之一,因此磷脂修饰后的材料也应该具有非常好的生物相容性。进一步选择了9种具有不同化学成分(氟化物、量子点、氧化物等)、不同形状和尺寸(棒状、颗粒、方片状等)以及不同功能(发光材料、磁性材料、贵金属材料等)的疏水纳米材料作为研究对象,修饰后纳米材料的形貌、光／磁等性能均没有发生明显变化,具有良好的通用性,有望为疏水无机纳米材料的生物医药应用提供前期的技术支持。对于以上两种不同修饰方法得到的亲水性NaYF4:Yb/Er上转换发光材料(PSI修饰)和ZnS:Mn2+量子点(羧基磷脂修饰),分别研究了在不同浓度下的细胞存活率。对于稀土掺杂NaYF4上转换发光材料,浓度为100μg/mL时培养24h和浓度为200)μg/mL时培养48h后的细胞存活率分别为92%和为83%；而对于ZnS:Mn2+量子点,在100μg/mL时分别24h和48h细胞的存活率为94%和79%,整体表现为相对较低的细胞毒性。对不同材料分别与甲胎蛋白抗体(anti-AFP)进行生物偶联,均用于肝癌细胞成像研究,为发光材料在生物医学研究提供了一定的借鉴。