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稀土上转换发光纳米材料(UCNPs)作为新一代的生物发光探针,被广泛应用于荧光成像中。UCNPs应用于生物成像的难点在于如何获得水溶性且表面功能化的UCNPs。另一方而,相比于传统医学影像技术而言,光学成像存在光穿透深度不够的缺点,需要构建新型多功能UCNPs,使其结合其它成像模式的优点,实现从细胞到小动物层次的多层尺度生物成像。本论文针对上述研究目标开展工作,主要包括如下四个部分。1.一种通用的、简便的表面功能化配体可调的上转换发光纳米材料的制备方法作为生物荧光标记物,UCNPs必须具有良好的水溶性和合适的表面功能配体以便与生物活性分子偶联。传统的将油溶性的UCNPs转化为水溶性的两步合成方法往往存在合成步骤多和后处理相对复杂等缺点。本章中,我们在多元醇体系中引入含羧基配体,一步法获得表面是氨基或者羧基的UCNPs,而且,叶酸功能化的上转换发光纳米材料可以成功的靶向叶酸受体高表达的肿瘤细胞株。2.磁、光双功能稀土纳米材料在MRI/UCL双模式活体成像中的应用为了克服可见光在组织中穿透深度有限的缺点,我们将近红外上转换发光(UCL)和磁学性质引入到UCNPs,发展了一种新型双模式成像探针用于小动物活体成像。水溶性的、羧酸功能化的Tm3+/Er3+/Yb3+共掺的NaGdF4上转换发光纳米材料(AA-NPs)在980nm的激光照射下具有NIR-to-visible和NIR-to-NIR发光,并应用于细胞、切片和活体动物不同穿透深度的UCL成像。另外,AA-NPs的驰豫率为5.60s-1·mM-1,是优良的磁共振成像(MRI)造影剂。AA-NPs作为一个双模式探针成功的应用于MRI和UCL活体成像。3.18F标记的、Gd3+/Yb3+/Er3+共掺的NaYF4稀土纳米材料在PET/MRI/UCL多模式成像中的应用正电子发射断层扫描(PET)具有极高的活体灵敏度；MRI是一种具有极好的空间分辨率和穿透深度的成像方法；荧光成像适用于细胞和组织的成像。为了结合上述几种成像方法的优势,本章构建了18F标记的Gd3+/Yb3+/Er3+共掺的纳米材料NaYF4(cit-NPs) PET/MRI/UCL多模式探针,用于从细胞到活体范围的多模式成像。柠檬酸包覆的、水溶性的cit-NPs纳米材料具有良好的单分散性,平均粒径约为22×19nm。cit-NPs在可见区域内发射较强的UCL且具有顺磁性(r1=0.405s-1.mM-1)。基于Y3+和F+离子的具有较强的结合力,成功地将18F标记在cit-NPs表面,标记率>90%。18F标记的cit-NPs作为一个多模式探针成功的应用于T1加权的MRI和PET活体成像及细胞和组织切片的UCL成像。1.水中长期稳定的、多功能NaLuF4稀土纳米材料在CT/MRI/UCL中的应用在稀土元素中,Lu元素具有最大的原子序数,它具有较强的X-射线吸收能力。此外,NaLuF4是一种优良的UCL基质。本章合成了一种Gd3+,Yb3+,Er3+/Tm3+共掺的NaLuF4稀土纳米材料(Lu-UCNPs)用于CT/MRI/UCL多模式成像。由于Yb3+,Er3+稀土离子的掺杂,该材料表现出特有的UCL性质。由于Gd3+的掺杂,使得该材料具有良好的顺磁性。NaLuF4为基质使该材料具有较好的阻挡X-射线的性质。Lu-UCNPs成功地应用于在小鼠的CT/MRI/UCL淋巴成像。Lu-UCNPs在水溶液中可以分散六个月之久,不发生沉淀现象。另外,该材料也具有良好的生物相容性。