近年来,癌症一直是威胁人类生命健康的首要疾病,癌症的致死率居高不下,如果能够及早的发现肿瘤,将有助于实现癌症的早期治疗,提高癌症病人的生存几率。在现阶段的所有成像方式中,光学成像相对于计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)成像和磁共振(Magnetic Resonance,MRI)成像,具有更高的成像灵敏度,因此我们的主要研究将集中在构建一种高效率、高灵敏性的光学纳米探针。在众多的光学纳米探针中,稀土掺杂上转换纳米粒子(UCNPs)以其独特的上转换发光性能在连续近红外光激发下产生了高能量短波长的发射,在生物成像探针方面引起了极大的兴趣。与传统的有机荧光和半导体量子点相比,UCNPs能显著减少生物样品的自荧光,减少光损伤,并通过近红外光(NIR)激发具有较大的穿透深度,非常适合用作生物成像探针。众所周知,作为一种理想的生物纳米探针,纳米晶要求有明亮的上转换发光和小尺寸。因此,制备出NIR激发下具备高上转换发光强度的小粒径的纳米颗粒将非常的重要。基于上述观点,本论文旨在构建一种高灵敏性、结构和性能精确可控的稀土基光学纳米探针,并将其应用于生物成像和微小肿瘤的早期诊断。本论文主要研究内容和所取得的研究成果如下:1、基于NIR-I区的稀土基小尺寸六角相NaLnF4纳米探针的构建/性能调控及光学性质的研究(1)采用高温共沉淀的方法,我们首次提出了一种通用的非等价二价金属离子掺杂的方法成功制备了发光效率高的小尺寸六角相NaLnF4光学探针。实验结果表明,通过M2+掺杂可以实现对NaLnF4纳米晶的晶像、尺寸可控合成。(2)我们进一步研究了不同浓度Mg2+掺杂的NaYF4纳米晶的光学性质。结果表明纯的六角相NaYF4纳米晶具备了更高的上转换发光性质,为其实现肿瘤的早期诊断奠定了基础。2、基于NIR-I区的稀土基小尺寸六角相NaLnF4纳米探针在生物体内的成像和微小肿瘤探测的研究通过Ligand-free的方法,将前面所制备的Mg2+掺杂的纯六角相NaYF4纳米晶转换为生物相容性良好的水溶性纳米晶,并将其成功的应用于生物成像。实验结果表明,Mg2+掺杂的NaYF4纳米晶作为一种理想的光学纳米探针,主要通过肝胆代谢的方式排出体外。此外,我们利用此探针成功的实现了～3 mm的微小肿瘤的高灵敏性探测。上述研究结果表明,我们设计的小尺寸的发光效率高的六角相NaLnF4纳米探针对于我们实现微小肿瘤的早期诊断,提高癌症病人的生存几率具有重要的意义。3、近红外二区发射稀土配合物的制备及其在生物成像的应用(1)我们研制了一种新的Nd-DTPA分子型近红外二区光学探针,采用傅里叶近红外(FTIR)光谱和吸收光谱(UV-Vis)、发射光谱对其结构和光学性质进行具体的表征。结果表明,我们合成的Nd-DTPA分子探针是一种理想的近红外二区光学探针。(2)我们将合成的分子型光学探针成功的应用于近红外二区光学成像。体内追踪结果表明Nd-DTPA分子主要通过肾脏清除的方式迅速排除体外,很大程度的减少了纳米探针对肝脏的损害和在体内的滞留时间。我们将设计的1330 nm亮窄带发射的Nd-DTPA探针首次成功地用于体内高灵敏度、肾排泄快、生物相容性高、光学引导下的微小肿瘤(～3 mm)的NIR-II生物成像。此外,除具有优良的光学性能外,Nd-DTPA还可用于体内分子X射线成像剂。