稀土元素掺杂上转换发光纳米颗粒（upconversion nanoparticles,UCNPs）是一类在近红外光激发下,发射紫外-可见区荧光的新型发光材料。目前,上转换纳米颗粒已经成功应用于细胞示踪,淋巴成像,血管成像,小动物活体成像和肿瘤靶向成像等。在肿瘤的治疗方面,上转换纳米颗粒表面通过包裹介孔二氧化硅、聚合物负载抗癌药物、光敏剂、干扰RNA等,实现肿瘤的药物治疗,光动力治疗,光热治疗,免疫治疗和基因治疗等。本试验通过种子生长法和多元稀土元素共掺杂法合成多色三明治式上转换纳米颗粒,将发光层限制在厚度约为2 nm的中间层,缩短与表面配体间的发光共振能量转移距离,提高发光共振能量转移效率,成功实现癌细胞和肿瘤组织内羟基自由基、氢离子、钙离子的荧光成像;包覆超薄硅层,构建上转换-光动力治疗纳米探针,成功诱导癌细胞凋亡和抑制肿瘤组织生长。具体研究工作如下:（1）癌细胞和肿瘤组织内羟基自由基的检测和荧光成像:羟基自由基是人体内一种比较重要的活性氧物质,反应活性极强,能够损伤蛋白质、DNA等重要生物分子,是一种重要的肿瘤标志物。本文设计制备了一种由稀土离子掺杂的具有双发光功能的核-多壳结构的上转换荧光探针,基于发光稀土离子间的共振能量转移作用,使得纳米探针的荧光强度和寿命分别增强了原来的46和2.6倍,有利于对动物深层组织进行荧光成像。该核-多壳型上转换荧光探针可以追踪细胞内羟基自由基的微弱变化,实现发炎小鼠和肿瘤小鼠组织内羟基自由基的检测和成像研究。（2）癌细胞内[Ca²⁺]_i和[H⁺]_i的同时检测和荧光成像:癌细胞内[Ca²⁺]_i和[H⁺]_i具有密切关系,其异常水平可导致细胞功能障碍并易伴随着疾病的发生。因此,同时追踪细胞内[Ca²⁺]_i和[H⁺]_i的变化情况可以更准确地研究复杂的生物过程。通过本文制备的稀土离子掺杂的双光子的核-多壳型上转换荧光探针,可以发射三种不同的荧光（荧光峰分别在480 nm、545 nm和650 nm）。基于发光共振能量转移,识别[Ca²⁺]_i和[H⁺]_i的荧光探针Fluo-4和SNARF-4F分别猝灭蓝色和绿色荧光,构建上转换多元检测荧光探针。实验结果表明,细胞内pH降低将诱导钙离子从细胞内钙库中释放,并减弱其与结合蛋白的结合能力,导致[Ca²⁺]_i浓度增加。细胞内[Ca²⁺]_i浓度增加,将诱导HCO₃^-的释放,改变Na⁺/H⁺交换通道和阴离子交换通道的活性,导致细胞内pH降低。因此,构建上转换多元检测荧光探针可以同时追踪细胞内多种标志物的变化,对于相关疾病的预防和检测具有重要的指导意义。（3）上转换纳米荧光探针用于癌细胞和肿瘤组织的光动力治疗研究:上转换纳米颗粒作为能量供体,能够有效地激发光敏剂,产生活性氧,发挥光动力疗效,提高光敏剂的组织穿透能力并减少自发荧光。为了有效地缩短上转换纳米材料与光敏剂间的能量转移距离,提高能量转移效率,本工作创新性地将超薄硅层（厚度为7.5-9.0 nm）包覆于上转换纳米颗粒表面,用于负载光敏剂,拉近上转换纳米颗粒与光敏剂间的发光共振能量转移距离,提高上转换纳米颗粒对光敏剂的激发能力,增加活性氧的产量。同时,将PEG-FA修饰于探针表面,增加探针的生物相容性和对肿瘤组织的靶向性,从而实现癌细胞和肿瘤的高效光动力治疗。实验结果表明,构建的靶向上转换-光动力治疗纳米探针能够通过受体介导的内吞作用分布在癌细胞细胞质中,在近红外光的激发下,上转换纳米探针的荧光激发光敏剂产生活性氧,诱导肿瘤细胞凋亡,并有效地抑制肿瘤的生长。