随着纳米技术的发展，越来越多具备有独特光学性能的新型纳米材料被报道，也很快地因为其独特性能而成为当下研究的焦点，各种各样的基于纳米发光材料的生物探针已被构建。尤其是最近研究的热点:上转换纳米颗粒(UCNPs)，由于其能够通过多光子机制将近红外光转换成可见光，具有窄带发射、发光强度高且稳定、发射波长可通过控制其组成进行调节等优点而在生物成像中得到了广泛的研究;其生物相容性好、毒性低以及组织穿透能力强等优点更是让其在细胞、肿瘤成像诊断和治疗中得到了大力的发展。　　在生物成像中，同时实现深层显微成像和宏观成像有着迫切的需求。例如，荧光标记动物成像后定位肿瘤，需要对组织样品进行切片再进行显微成像;但由于缺乏能同时实现这两个成像过程的探针，所以这两个成像过程需要用不同类别的探针进行分步标记，这使得整个成像过程复杂化，效率低下。此外，对于一些活体成像实验，有可能需要前期用漫射荧光成像进行全局成像，搜索并锁定感兴趣区域后，需要立刻进行活体的深度显微成像。然而这两种成像方式对激发波长的要求不同，使得同时实现这两种成像具有一定的挑战性。因此，开发出一种能同时实现深层显微成像和宏观成像的光学探针显得非常重要。本论文主要综述了稀土掺杂上转换纳米颗粒的组成成分、发光机理、合成方法、修饰方法以及生物应用几个方面，并设计合成了具有两个激发效率较高的激发波长的纯掺Er3+上转换纳米颗粒。通过优化纯掺Er3+上转换纳米颗粒的结构、浓度、以及激发波长大大提高了材料的发光效率，并通过确实可行的方法论证了其三光子发光用于深层显微成像及其双光子发光用于深层宏观成像的可行性。