生物医学特征信息的获取需要发展一些快速、实时和直观的分析方法,基于纳米材料发光效应而构建的光学探针因其丰富的表面识别单元、光谱性质易于调节等优势而广泛地应用于生物医学可视化分析领域。传统的纳米光学材料因使用高能量紫外-可见光激发通常会引起检测背景荧光强、对生物样品损伤大、光稳定性差等缺点,使得其在生物医学可视化分析中的应用受到极大的限制。上转换发光纳米材料因使用近红外光激发可以大幅度减弱背景荧光信号的干扰,其独特的光学性能很好地弥补了传统光学材料的不足。然而在上转换发光可视化分析中,常见的上转换发光纳米探针因其荧光增强或者荧光猝灭原理,通常对检测前或者检测后体系的特征信息很难识别。另外,在传统的可视化分析中,凭肉眼来判断待测物浓度,因为每个人对颜色的敏感程度不一样,存在准确性低的问题。本论文利用上转换发光纳米材料,发展了两种可视化分析技术,实现对指纹等复杂体系中痕量物质的快速检测。通过设计合成出单一稀土激活剂离子掺杂的具有正交发光特性的NaYF₄:Yb/Er/Mn@NaYF₄:Yb@Na NdF₄上转换纳米颗粒。通过对Mn²⁺掺杂浓度的调控,成功实现在40%Mn²⁺掺杂时正交发光性能最优。紧接着,对该核-壳-壳结构的纳米颗粒的正交发光原理作出探究。当敏化剂Nd³⁺和激活剂Er³⁺之间距离不同时,能量的传递会有不同的路径,因此探索出因能量不同迁移而引发的正交发光的机理。最后,用聚乙烯亚胺修饰该正交发光上转换纳米颗粒,并运用荧光共振能量转移的原理成功实现在指纹成像的同时对指纹中残留爆炸物TNT的精准检测。该正交发光上转换纳米颗粒的成功制备与应用,将进一步提升可视化分析技术的同步检测能力。针对传统可视化分析准确性差的问题,进一步通过自主设计构建了基于智能手机的上转换检测平台。利用NaYF₄@NaYF₄:Yb/Tm纳米颗粒实现了对空气中SO₂的检测。检测结果与环保部门标准方法测试的数据相当。该智能手机平台的搭建将进一步提高可视化检测的定量分析能力。本论文通过合理设计各个稀土离子在核-壳-壳结构颗粒中的掺杂位置,实现同一个稀土激活剂离子的正交上转换发光特性,并利用其发展了一种新的正交可视化分析策略,同步实现指纹成像与指纹中痕量目标物的快速检测。进一步,通过构建智能手机检测平台,实现可视化试纸的定量分析。本论文发展的可视化分析方法将为上转换发光纳米材料在生物医学检测方面的应用提供新的研究思路。