基于可调的光学性能、高化学稳定性、发光寿命长及组织穿透深等优势,上转换纳米粒子（UCNPs）已被广泛应用在生物传感、生物成像、免疫治疗、药物释放及光遗传学等领域。然而,UCNPs本身的发光与生物体系内的目标物无直接关系。因此,要构建基于UCNPs的探针用于生物医学领域研究,上转换纳米材料必须与合适的识别单元结合使用,使得上转换发光（UCL）成为检测信号或触发器。在本论文中,选择了不同的分子作为UCNPs的识别单元,设计了基于UCNPs的新型纳米探针,并构建了近红外光控体系和钙离子传感平台。主要内容如下:第一章绪论本章主要对上转换纳米材料的性质、合成方法、表面修饰策略及提高上转换效率的策略进行了阐述,总结了其在生物传感、生物成像、免疫治疗、药物递送和光动力/光热治疗等生物医学领域的应用,最后阐述了本论文的研究内容和意义。第二章上转换纳米探针的设计及其应用于光控细胞间的相互作用在本章中,基于UCNPs的新型纳米探针（UCNP@β-CD@CLS）,构建了近红外光控系统。UCNPs作为β-环糊精（β-CD）和胆固醇（CLS）的载体和光转换器,通过修饰,实现了UCNPs的表面功能化。基于胆固醇对细胞膜的锚定能力,UCNP@β-CD@CLS纳米探针被成功固定至细胞膜表面。锚定于细胞表面的β-CD与合成的AAP-PEG-AAP发生主客体识别,从而触发细胞的自组装。由于AAP吸收了近红外光照射下UCNPs发出的紫外光发生异构化,破坏了β-CD与AAP之间的主客体相互作用,使得细胞解组装。在可见光的照射下AAP的构型得以恢复诱导细胞重新组装。我们设计的近红外光控体系已成功应用于细胞间分子运输的调控。第三章UCNP@Rhod-2@TPP探针应用于线粒体内Ca2+传感与成像研究在本章中,我们构建了基于UCNPs的新型近红外线粒体Ca2+探针（UCNP@Rhod-2@TPP）。将合成的核壳结构UCNPs与Ca2+探针Rhod-2通过金属配位作用结合并修饰上线粒体靶向基团TPP,设计了新型UCNP@Rhod-2@TPP纳米探针,UCNPs的UCL被Rhod-2吸收后淬灭,Ca2+与Rhod-2作用引发UCNP的UCL信号恢复,从而实现对Ca2+的检测。通过靶向基团TPP定位线粒体的功能,UCNP@Rhod-2@TPP可对线粒体Ca2+的变化具有高灵敏和高选择性的荧光响应。由于UCNP@Rhod-2@TPP良好的生物相容性,该探针已被应用于细胞线粒体内Ca2+传感与成像。