染料-上转换纳米晶是一种新型的能量耦合体系,其作为探针具有光穿透深度高、信噪比高和零背景信号干扰等优势,在生物成像、荧光检测和光遗传学等领域发挥了重要的作用。由于能够获得超过百倍的信噪比,基于染料到纳米晶能量传递的复合体系获得了研究者们越来越多的关注,但该复合体系的光学稳定性差,且光漂白现象的微观机理不清晰;对活体组织的荧光检测仍是定性判断,定量研究困难。虽然检测灵敏度高,但染料-纳米晶复合体系中系综和单颗粒之间的联系不清晰。针对这些问题,本论文基于六方相的Na YF4:Yb,Er上转换纳米晶,开展了以下三方面工作:通过染料分子的羧基和稀土离子空轨道之间的配位作用构建IR806-Na YF4:Yb,Er能量耦合体系,证实了在808 nm激光的激发下,染料分子经光子吸收和系间窜越等光物理过程后将能量传递给氧气分子,产生单线态氧;具有强亲电性的单线态氧易与激发态下的IR806分子发生化学反应,从而破坏其结构,发生光漂白现象。作为一种单线态氧清除剂,?-胡萝卜素的加入有效降低了体系中单线态氧的浓度,从而增加了IR806-Na YF4:Yb,Er能量耦合体系的光学稳定性,光化学反应程度可从41%降低到12%（反应18 min）,同时复合体系的上转换发光亮度也得到了3.0-6.3倍的提升。为了规避染料分子的光漂白,组合筛选获得对单线态氧不敏感的IR820分子,通过两亲性分子（DSPE-PEG 2000）、纳米晶表面的油酸和IR820之间的疏水作用,构建了IR820-Na YF4:Yb,Er@Na YF4:Yb能量耦合体系。通过对纳米晶表面疏水层致密度的调控,得到了仅对羟基自由基响应的复合体系。借助芬顿反应,实现了复合探针对过氧化氢的高灵敏检测,检测范围为0.5-100 nmol/L,检测限为0.1 nmol/L,检测时间为5 min,同时复合体系具有很好的光学稳定性和检测重复性（RSD=1.44%）。最后,将上转换光学探针与介入式医疗器械进行了结合,对血清样品和小鼠腹水肿瘤中的过氧化氢进行了定量检测,实现了动物体深部组织中过氧化氢含量的实时和定量监测。通过主动化学修饰的方法,构建了对铜离子具有特异性响应的BHQ1-DNAzyme-Na YF4:Yb,Er能量耦合体系。由于DNAzyme的桥连作用,实现了纳米晶中Er3+离子~4S3/2能级到BHQ1激发态能级的能量传递,该能量传递过程同时包含了非辐射能量传递（56%）和内过滤效应（34%）。通过DNAzyme的特异性识别和断裂,实现了对铜离子的高灵敏检测,其检测范围为5-500 nmol/L,检测限为1.5nmol/L,检测时间为20 min。同时复合体系的光学稳定性（变化幅度3%以内）和检测重复性（RSD=3.22%）很好,对其它金属离子无明显响应。最后,从单颗粒层面研究了复合探针检测铜离子的微观过程,揭示了铜离子检测反应的微观随机变化和单颗粒层面上纳米晶与染料的能量传递。在单颗粒层面上,检测的信噪比最高可达7200,因此,检测灵敏度得到了大幅提升,检测限可达220 pmol/L。