稀土上转换发光是基于镧系离子丰富的电子能级,通过吸收多个长波低能光子而发射出短波高能光子的过程。镧系元素掺杂的上转换发光纳米材料由于具有在低能近红外光（NIR）激发下不存在自发荧光、anti-Stokes位移大和发光寿命长等优点而引起了研究者的广泛关注。稀土上转换发光纳米材料的诸多性质,决定了它在很多方面的应用,如太阳能转换、纳米印刷、近红外光防伪和生物传感与成像等。本论文主要以稀土离子f-f跃迁过程的上转换发光为检测信号开展其在生物传感与成像领域的应用研究。由于良好的生物相容性以及NIR独特的光频上转换能力,它们有可能在生物体系中达到较高的检测灵敏度。然而,绝大多数情况下上转换纳米材料的发光与体系的生化特性没有直接关系。因此,为了在生物化学识别过程（化学传感中的基本过程）中实现目标物的高选择性检测或成像,上转换纳米材料必须与合适的识别单元如有机染料结合使用。本论文我们选择将有机染料和金属有机配合物等识别单元与上转换纳米粒子（UCNPs）结合,设计了一系列新型上转换纳米传感平台,利用上转换发光为检测信号开展了目标分析物的生物传感与成像研究。主要内容如下:第一章绪论本章主要总结了稀土上转换发光纳米材料的简介、发光机理、合成方法、构建发光传感器的策略、对不同分析物的生物传感与检测以及当前存在的问题和未来的发展趋势。最后,总结了本论文的研究意义及展望。第二章基于无标记上转换纳米粒子探针连续检测Cu²⁺、焦磷酸根和碱性磷酸酶本章采用一步溶剂热法合成了一种支链聚乙烯亚胺（PEI）修饰的NaGdF₄:Yb/Tm UCNPs,该NIR发光探针可基于"off-on-off"开关连续检测Cu²⁺、焦磷酸根(P₂O₇^4-,PPi)和碱性磷酸酶（ALP）。由于PEI与Cu²⁺配位从而发生UCNPs到Cu²⁺的能量转移使发光猝灭;Cu²⁺与PPi之间的强亲和力形成Cu²⁺-PPi复合物从而触发发光恢复;ALP可引起PPi水解导致Cu²⁺-PPi复合物的解离和Cu²⁺与PEI之间的重新结合,从而导致UCNPs的发光猝灭。该体系可以通过调节UCNPs发光的开和关,连续检测Cu²⁺、PPi和ALP,检测限（LOD）分别为57.8 nM、184 nM和0.019 U/mL。由于NIR特征和良好的生物相容性,该探针成功用于活细胞内Cu²⁺的成像。第三章上转换纳米粒子-MoS₂纳米片组装体用于活细胞和斑马鱼体内活性氧成像的研究将纳米组装体应用于活细胞中进行生物成像,引起了科研工作者的广泛关注。本章通过将二硫化钼（MoS₂）纳米片和稀土UCNPs的结合,构建了一种高效、灵敏的可用于检测活细胞中活性氧（ROS）的发光探针。在此纳米组装体中,带负电的聚丙烯酸修饰的MoS₂纳米片可以通过静电作用与带正电的UCNPs进行结合。由于MoS₂纳米片具有优异的猝灭能力,从而导致UCNPs发光强度显著下降。相反,在ROS存在的情况下,通过与ROS的化学反应导致MoS₂纳米片分解,UCNPs的发光信号得到恢复。ROS介导的UCNPs-MoS₂纳米组装体的破环对ROS显示出优异的发光响应。该UCNPs-MoS₂纳米片组装体成功应用于细胞和斑马鱼体内ROS水平的监控。第四章阳离子花青发色团组装上转换纳米粒子用于活细胞和斑马鱼体内H₂S的传感与成像研究硫化氢（H₂S）水平升高与各种疾病密切相关。因此,H₂S的检测对于揭示其在这些疾病中的作用具有重要意义。在此,我们提出了一种基于巯基化反应检测H₂S的新型turn-on型探针Cy7-UCNPs。研究发现,当H₂S存在时Cy7-UCNPs的发光明显增强,并且在1-90μM浓度范围内表现出良好的线性关系（R²=0.9952）。Cy7-UCNPs具有许多优良的性能,包括灵敏度高、选择性好和细胞毒性低并成功用于活细胞和肿瘤斑马鱼模型中H₂S的传感与成像。第五章基于内滤效应的比率型上转换发光探针用于检测抗坏血酸我们开发了基于UCNPs和方酸铁[SA-Fe（III）]之间内滤效应（IFE）的纳米传感体系,用于高灵敏和选择性检测抗坏血酸（AA）。在该体系中,Fe（III）可以快速（<1 min）与SA螯合生成SA-Fe（III）螯合物。UCNPs的蓝光发射带（400-500nm）与SA-Fe（III）的吸收带（400-750 nm）在很大程度上重叠,导致该范围内的发光猝灭,而800 nm处发光保持不变。当AA将Fe（III）还原为Fe（II）时,UCNPs400-500 nm处的蓝光显著回升。因此,可以基于SA-Fe（III）的形成构建比率型探针实现对AA的准确灵敏检测。在最佳条件下,I₄₇₄/I₈₀₀对AA呈现良好的线性响应,浓度范围为3-150μM,LOD为0.71μM。另外,该体系已成功用于实际样品中AA的检测。