传统的荧光分析是指利用待测物在紫外光照射下产生荧光的特性及其强度，对待测物进行定性和定量分析的方法。尽管早在十九世纪六十年代，荧光分析作为一种新兴的分析方法就已经出现，但是受限于相对落后的分析技术和检测仪器，科学家们直到二十世纪六十年代才开始对待测物进行荧光光谱、荧光量子产率和荧光寿命等的测量。进入21世纪，由于激光技术、纳米技术和光电子学等领域的许多新技术的引入，荧光分析法在理论以及应用方面取得了迅猛发展。随着荧光探针技术、荧光显微与成像技术、近红外荧光分析等荧光分析领域的新技术、新方法的出现，荧光分析法不断向着实时、原位和高效的方向发展，其应用范围也逐步开始向材料科学和生命科学等领域扩展。　　荧光探针技术是荧光分析法的核心，但是以传统有机荧光染料为主的荧光探针在应用中始终存在着光漂白、光降解以及生物体自身背景荧光等诸多因素的干扰。尽管近十几年来，半导体量子点(QDs)由于其较强的抗光漂白能力和较高的量子产率在生物分子检测和活体荧光成像领域被人们广泛应用，但是其化学稳定性和生物毒性问题始终没有得到很好的解决。相比于传统的有机荧光染料和QDs，稀土掺杂上转换纳米粒子(UCNPs)作为新一代的荧光探针，近几年来逐渐受到人们的关注。当UCNPs受到近红外光激发时能够通过多光子机制发出可见光，所以被称为“上转换”。和传统的有机荧光染料以及QDs相比，UCNPs具有荧光发射峰窄、反Stokes位移大、荧光寿命长、化学和光稳定性高以及生物毒性小等优点。由于使用近红外光作为激发光，UCNPs在生物分子检测和活体荧光成像应用时没有背景荧光干扰、组织穿透能力强、对生物组织损伤小。虽然UCNPs具有其独特的优势，但同样还存在着诸如上转换发光效率不高以及水对UCNPs常用的980 nm激发光有强吸收等问题，只有逐一对这些问题加以克服，UCNPs才能真正在生物分子检测和生物医学成像等领域发挥作用。本论文中，我们以UCNPs为研究主体，力图从制备方法、亲水性改性、提高上转换发光效率和生物体内多模式生物成像这几方面都有所创新。主要研究内容概括如下:　　第一章，我们简要介绍了稀土掺杂上转换纳米粒子的背景理论知识、研究进展以及本博士论文的选题依据。　　第二章，采用OA/ODE作为耐高温混合溶剂，在300℃条件下制备了以OA做表面配体，具有均一形貌和优异上转换发光性能的六方相NaYF4:18％Yb，2％Er、NaYF4:25％Yb，0.3％Tm和NaYF4:18％Yb，2％Ho上转换发光纳米粒子。同三氟乙酸盐热分解法相比，溶剂热合成法是更为“绿色”的环境友好的新方法。与此同时，我们还通过多种表征手段，考察了OA/ODE比例和反应时间对UCNPs制备的影响，进一步讨论了UCNPs的生长和上转换发光机理。　　第三章，我们利用反相微乳液法实现了对UCNPs的水溶性改性。通过调控反应过程中UCNPs和TEOS浓度，获得了尺寸均一、形貌规整、单分散性好、发光性能优良的UCNPs@SiO2复合纳米粒子，并且实现了对UCNPs表面SiO2壳层厚度的控制，最终得到了表面由超薄SiO2(2nm)包裹的UCNPs@SiO2核壳纳米粒子。　　第四章，我们首先采用一锅溶剂热法合成核壳结构的NaYF4:Yb，Er/NaYF4上转换纳米粒子(UCNPs)。该方法以逐次注射加入壳原料（稀土油酸物和氟化胺油酸物）的方式实现了上转换纳米粒子表面的壳层生长，通过调控壳原料的加入次数和加入剂量，合成了不同壳层厚度的核壳结构上转换纳米粒子。在此基础上，我们又合成了硅烷化的氮氧自由基前驱体TEMPO-APTS，并通过与TEOS在反相微乳相中的共水解作用，在UCNPs的表面包裹上了一层具有顺磁性的SiO2壳层，不仅对UCNPs进行了水溶性改性，还同时实现了对UCNPs的自旋标记并且取得了较为理想的抗还原效果。随后我们通过后修饰对UCNP@TEMPO@SiO2纳米复合颗粒的表面进行了PEG功能化，提高了UCNP@TEMPO@SiO2的生物相容性，最终实现了该复合探针在细胞和小鼠体内的UCL/MRI多模式成像。　　第五章，我们首先合成了具有不同共轭结构的花菁染料(Cyanine)，对染料的激发和发射波长进行了调控，并通过磺酸基修饰对其进行了水溶性改性。随后，我们基于本论文第二章所构建的超薄SiO2包裹的上转换纳米粒子UCNP@SiO2，通过在UCNP@SiO2纳米粒子表面进行花菁染料修饰，成功实现了Cyanine和UCNPs之间的荧光共振能量转移，并在800nm激发光激发下，实现了对上转换发光高达40倍的荧光增强。通过本章工作，我们进一步发展了Hummelen教授所提出的花菁染料敏化上转换发光体系。和Nd3+掺杂增强上转换发光方法相比，我们所构建的Cyanine-UCNPs染料敏化上转换发光探针不仅合成方法简单快捷，而且还获得了更高的上转换荧光增强倍数，避免了Nd3+离子掺杂过程中所涉及到的复杂的核壳结构设计，为提高UCNPs的上转换发光效率提供了新方法。