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稀土掺杂的上转换纳米颗粒(UCNPs)是一类特殊的发光材料，通过反斯托克斯过程，经由稀土离子的中间能态，将低能光子转换成高能光子。稀土离子的上转换发光（UCL），在生物成像、防伪、显示照明、激光、光电探测器件、太阳能电池等领域均有着广泛地应用。此外，近红外光（NIR）激发下的UCNPs因具有光稳定性高、生物毒性低、穿透性及生物相溶性好、且无光漂白和背景光等优点，也普遍适用于生物检测及生物传感器中。以往对UCNPs的研究多集中在分析其基于统计平均效应的群体性光谱学上，而忽视了众多来自单个UCNPs的非均一性信息。随着纳米表征技术日新月异的发展，单粒子光谱检测成为解决上述问题并实现单颗粒器件化的有效技术手段。通过研究单粒子光谱学获得的知识，对进一步探究单纳米粒子的光学性能具有非常重要的价值。然而，目前仍然存在的一些问题对更好地实现单粒子光谱检测造成了根本性的限制。例如，稀土掺杂的UCNPs的吸收截面小、泵浦阈值高、发光效率低等。本论文主要利用原子力显微镜（AFM）搭载原位的荧光光谱仪及动力学测试系统，结合局域光场调控等手段开展研究，取得的主要成果如下：
（1）从实验及理论方面论证了半导体等离子体（CsxWO3）的局域表面等离子体效应（LSPR）对单层（Monolayer，缩写m-）UCNPs的UCL增强。通过优化中间层的厚度（15nm）、LSPR效应与核-壳结构的设计相结合，得到了三个数量级的UCL增强。在LSPR效应与m-UCNPs的作用下发现，核-壳结构的UCNPs内核的UCL增强更为明显。基于优化后的MAPbI3/CsxWO3/NaYF4(15nm)/m-NaYF4：Yb3+，Er3+@NaYF4：Yb3+，Tm3+复合结构，制备了高性能的窄带近红外光电探测器，带宽约为20nm，响应率为0.33A/W，探测率为4.5×1010Jones，响应时间为180ms。
（2）为了解决上转换纳米晶（UCNCs）的泵浦阈值高的问题，我们设计了一种新型的基于介电微珠微透镜阵列的光汇聚作用与贵金属等离子体的局域表面等离子共振（LSPR）效应的级联放大策略，使UCNCs的UCL增强了四个数量级。利用增强后的UCNCs与钙钛矿MAPbI3薄膜相结合，首次制备了基于局域光场调控的NIR光电探测器（PDs）。通过向核-壳-壳分层结构中掺杂不同的镧系离子，制备了能够区分808nm，980nm以及1540nm三种激发光的窄带NIR PDs。得到的PDs分别在三个波段下的响应率为30.73、23.15、12.20A/W，探测率为5.36、3.45、1.91×1011Jones，响应时间在80-120ms范围内。此外，证明了利用PDs对激发光频率调制的响应可以成功地区分入射光。
（3）将具有LSPR效应的半导体等离子体CsxWO3与蛋白石光子晶体（PMMA）的光子晶体效应（OPCs）相结合，通过局域场调控单个NaYF4：Yb3+，Er3+与NaYF4：Yb3+，Er3+@MnO2NP的UCL强度，使之分别增强约1600和1700倍。利用NaYF4：Yb3+，Er3+@MnO2NPs对二硫苏糖醇（DTT）在UCL上的敏感性，设计了基于局域场调控的OPCs/CsxWO3/NaYF4：Yb3+，Er3+@MnO2复合结构的DTT单粒子传感器。并从实验及理论上证明，基于局域场增强的单粒子检测的检出限由140nMol降低到0.65nMol。相比于基于优化后的集成UCNPs的检出限400nMol，更是降低了约600倍。单粒子检测具有更高的灵敏度、更低的检出限以及更快的响应时间，适用于超高灵敏度检测。
（4）利用AFM探针操控单个UCNP相对金纳米棒（Au NRs）的空间位置变化，从实验及理论上分析上述的空间位置变化对单粒子UCL强度的影响。得到单个Au NR的LSPR效应对UCNP的极限增强值为53倍，在纳米尺度下的最佳作用距离约3nm。当两根Au NRs以夹角180°排列时，中心位置处为电场集中区域，此时对UCNP的增强效果最强，增强因子达到82.4倍。该结果应用在单粒子H2S的超灵敏检测上，最低检出限为0.8ppb，在0-300ppb范围内的检测呈良好的线性关系。
（1）从实验及理论方面论证了半导体等离子体（CsxWO3）的局域表面等离子体效应（LSPR）对单层（Monolayer，缩写m-）UCNPs的UCL增强。通过优化中间层的厚度（15nm）、LSPR效应与核-壳结构的设计相结合，得到了三个数量级的UCL增强。在LSPR效应与m-UCNPs的作用下发现，核-壳结构的UCNPs内核的UCL增强更为明显。基于优化后的MAPbI3/CsxWO3/NaYF4(15nm)/m-NaYF4：Yb3+，Er3+@NaYF4：Yb3+，Tm3+复合结构，制备了高性能的窄带近红外光电探测器，带宽约为20nm，响应率为0.33A/W，探测率为4.5×1010Jones，响应时间为180ms。
（2）为了解决上转换纳米晶（UCNCs）的泵浦阈值高的问题，我们设计了一种新型的基于介电微珠微透镜阵列的光汇聚作用与贵金属等离子体的局域表面等离子共振（LSPR）效应的级联放大策略，使UCNCs的UCL增强了四个数量级。利用增强后的UCNCs与钙钛矿MAPbI3薄膜相结合，首次制备了基于局域光场调控的NIR光电探测器（PDs）。通过向核-壳-壳分层结构中掺杂不同的镧系离子，制备了能够区分808nm，980nm以及1540nm三种激发光的窄带NIR PDs。得到的PDs分别在三个波段下的响应率为30.73、23.15、12.20A/W，探测率为5.36、3.45、1.91×1011Jones，响应时间在80-120ms范围内。此外，证明了利用PDs对激发光频率调制的响应可以成功地区分入射光。
（3）将具有LSPR效应的半导体等离子体CsxWO3与蛋白石光子晶体（PMMA）的光子晶体效应（OPCs）相结合，通过局域场调控单个NaYF4：Yb3+，Er3+与NaYF4：Yb3+，Er3+@MnO2NP的UCL强度，使之分别增强约1600和1700倍。利用NaYF4：Yb3+，Er3+@MnO2NPs对二硫苏糖醇（DTT）在UCL上的敏感性，设计了基于局域场调控的OPCs/CsxWO3/NaYF4：Yb3+，Er3+@MnO2复合结构的DTT单粒子传感器。并从实验及理论上证明，基于局域场增强的单粒子检测的检出限由140nMol降低到0.65nMol。相比于基于优化后的集成UCNPs的检出限400nMol，更是降低了约600倍。单粒子检测具有更高的灵敏度、更低的检出限以及更快的响应时间，适用于超高灵敏度检测。
（4）利用AFM探针操控单个UCNP相对金纳米棒（Au NRs）的空间位置变化，从实验及理论上分析上述的空间位置变化对单粒子UCL强度的影响。得到单个Au NR的LSPR效应对UCNP的极限增强值为53倍，在纳米尺度下的最佳作用距离约3nm。当两根Au NRs以夹角180°排列时，中心位置处为电场集中区域，此时对UCNP的增强效果最强，增强因子达到82.4倍。该结果应用在单粒子H2S的超灵敏检测上，最低检出限为0.8ppb，在0-300ppb范围内的检测呈良好的线性关系。