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多模态成像能够融合不同成像模式的优势,进而获得更丰富的成像信息,有利于实现准确的医学诊断。稀土上转换纳米粒子(UCNPs)由于其良好的反斯托克斯位移光学性质,激发光和发射光均可位于生物组织透明窗口区,在光学生物成像领域引起了广泛兴趣。通过引入具备强X-射线吸收性质或磁共振(MR)造影功能的稀土元素,UCNPs具有多模态成像的潜力。随着合成及表面修饰技术的发展,UCNPs已被广泛应用于多模态生物成像领域,但是通过结构设计以更好地将不同成像模式融合到UCNPs中的研究仍有很大空间。本论文旨在开展基于上转换荧光纳米材料多模态活体成像探针的结构设计,制备和成像应用方面的工作。主要内容与创新点如下：(1)位于生物组织透明窗口区的单色上转换发光(UCL)有利于提高光学生物成像的组织穿透深度和灵敏度,开展了通过一步水热反应制备亲水性Mn2+掺杂单色UCNPs的工作,用作UCL/MR双模态成像探针。研究了Mn2+掺杂引起的成像探针在形貌、结构、组成和上转换发光(UCL)性质的变化。在Mn2+摩尔掺杂量达到30%时,NaYF4:Yb/Er UCNPs具有接近单色的红光发射及良好的体外MR造影能力。该探针在小动物活体UCL/MR双模态成像中表现出良好的效果。(2)将不同功能的稀土元素掺杂到上转换发光基质材料中是构建多模态稀土上转换活体成像探针的主要策略。但是由于稀土上转换材料发光效率容易受多种表面淬灭因素的影响,直接掺杂的策略在获得高上转换发光效率方面具有局限性。我们发展了一种多壳层结构的UCL/CT/MR三模态稀土上转换活体成像探针(NaYF4:Yb/Tm@NaLuF4@NaYF4@NaGdF4),其中,六方晶相NaYF4:Yb/Tm纳米粒子为UCL核；外延生长具强X-射线吸收能力的NaLuF4功能壳层作为光学惰性层和CT造影功能层；最外部NaGdF4壳层较薄,以获得高的纵向弛豫率(r1)；作为过渡层,NaYF4壳层能够进一步抑制纳米粒子内部上转换激活剂的能量向纳米粒子表面Gd3+的传递。所制备的多壳层成像探针具有强的近红外UCL,较高的r1值(3.76mM-1s-1)和体外CT成像造影效果,并且表现出良好的活体多模态成像效果。通过进一步在多壳层纳米探针表面功能化具有肿瘤靶向识别功能的叶酸分子,实现了活体肿瘤靶向成像。(3)开展了基于三明治结构设计制备作为UCL/CT双模态成像探针的小尺寸NaGdF4:Yb/Tm@NaLuF4:Yb/Tm@NaYF4UCNPs (～16nm)的工作,以满足成像探针的强近红外荧光发射和易于生物体代谢的要求。将超小尺寸的NaGdF4:Yb/Tm纳米粒子(～5nn)作为UCL中心和三明治结构UCNPs的核,通过外延生长方式在NaGdF4:Yb/Tm纳米粒子表面制备NaLuF4:Yb/Tm壳层。作为第二发光中心,NaLuF4:Yb/Tm壳层不但能协同增强UCL,而且能够作为CT造影功能层。NaYF4光学惰性壳层被用来增强NaLuF4:Yb/Tm纳米粒子的UCL。上述三明治结构设计充分利用了NaLuF4在UCL/CT成像方面的优势以及NaGdF4超小尺寸方面的优势。所制备的三明治结构UCNPs具有活体UCL/CT双模态成像潜力。(4)研究具NaGdF4磁共振功能壳层的稀土纳米粒子的顺磁特性,以提高稀土纳米粒子T1加权磁共振成像阳性造影效果和多模态成像造影剂用药剂量的兼容性。基于NaGdF4磁共振功能壳层结构,考察稀土纳米探针顺磁特性的纳米粒子表面状态依赖性；制备不同粒径(-25nm,～20nm,～15nm)的稀土纳米粒子,并外延生长不同厚度的NaGdF4壳层,考察稀土纳米探针顺磁特性的壳层厚度依赖性和纳米粒子尺寸依赖性。超薄NaGdF4壳层降低了稀土纳米探针Gd3+的含量,有利于实现多模态成像造影剂用药剂量的兼容性。在总造影剂用药量满足CT成像要求的前提下,所制备的粒径～15nm的具有超薄NaGdF4壳层的稀土纳米探针表现出很好的活体T1加权阳性MR成像造影效果。