基于发光材料的荧光分析和成像方法是分析科学中最常用的方法之一,由于其具有高的检测灵敏度和成像分辨率,被广泛应用于疾病诊疗、环境分析和刑事侦察等领域。发光材料的开发对荧光分析方法的发展具有至关重要的作用。迄今为止,研究者已经开发了许多种类的发光材料,包括有机染料、荧光蛋白、金属络合物、半导体量子点等等。传统的荧光材料在进行荧光分析中仍然面临一些问题,其中背景荧光的干扰是最为常见的一个重要问题。传统荧光材料通常被紫外光或可见光激发,而样品基质中的一些背景荧光物质也能够被紫外光或可见光激发,因而在荧光分析中会产生强烈背景荧光干扰,导致检测灵敏度低和成像分辨率低。严重的时候甚至会完全掩盖荧光材料的信号,导致无法进行检测和成像;或者产生假阳性信号,得到错误的检测和诊断结果。因此,开发能够避免背景荧光干扰的荧光材料对推进荧光分析方法的发展具有十分重要的意义。近十几年来,研究者开发的基于长余辉纳米材料和上转换纳米材料的分析检测方法极大地推动了荧光分析领域的发展。长余辉纳米材料能够在激发光关闭后持续发光,其余辉持续时间可以长达几百个小时,而背景荧光物质的发光寿命通常在纳秒级,因此在背景荧光衰减完全后再采集长余辉发光信号可以完全消除背景荧光干扰,能有效提高检测灵敏度和成像分辨率。镧系元素具有丰富的4f-5d能级,能够产生丰富的吸收和发射现象。镧系离子如Yb3+和Nd3+等具有独特的近红外光吸收性质,镧系元素掺杂的上转换纳米材料可以在近红外激光激发下产生丰富可调的发射光。由于背景荧光物质通常不能被近红外激发光激发,因而上转换纳米材料在荧光分析中也能够有效地避免背景荧光的产生。此外,镧系元素独特的电子结构能够赋予上转换纳米材料微秒至毫秒级的长寿命发光,可以通过时间分辨荧光分析方法有效地消除背景荧光的干扰。在本论文中,我们基于长余辉纳米材料和上转换纳米材料独特的光学性质,构建了无背景荧光干扰的长余辉纳米探针和上转换纳米探针,并进一步探索了其在荧光分析和信息科学中的应用。具体研究内容如下:1、基于不等价离子掺杂制备了Ge4+掺杂的ZnGa2O4:Ge,Cr长余辉纳米材料,相比于未掺杂的ZnGa2O4:Cr,ZnGa2O4:Ge,Cr的余辉发光强度更高、余辉持续时间更长。X射线粉晶衍射结构精修和电子顺磁共振分析结果表明随着Ge4+掺杂量的增加,晶体中带电荷缺陷的含量也逐渐增加,使得长余辉纳米材料的余辉发光逐渐增强。我们基于ZnGa2O4:Ge,Cr长余辉纳米材料独特的发光性质,构建核酸适体引导的长余辉纳米探针,并实现了无背景活体成像。2、通过溶剂热法合成了Zn2GeO4:Ga,Mn长余辉纳米材料,并将其用于无背景潜指纹成像。合成的Zn2GeO4:Ga,Mn尺寸均一、分散性好,并具有余辉发光强度高、余辉发光时间长等特点。通过表面修饰羧基构建了Zn2GeO4:Ga,Mn-COOH长余辉成像探针,该探针能够通过EDC/NHS反应与指纹中的氨基形成酰胺键来进行指纹标记,通过收集探针的长余辉发光信号能够实现无背景潜指纹成像。进一步构建了刀豆蛋白A（Con A）修饰的Zn2GeO4:Ga,Mn-Con A探针,可以通过特异性识别指纹中的糖基化蛋白来实现对潜指纹中糖基化蛋白的成像。3、通过溶剂热法合成了Zn2GeO4:Mn长余辉纳米材料,并探索了其在信息科学中的应用。合成的Zn2GeO4:Mn具有尺寸均一、分散性好、明亮的绿色长余辉发光等特点。制备的Zn2GeO4:Mn长余辉墨水稳定性好、具有明亮的长余辉发光,通过喷墨打印机成功地在纸质基底上实现了文字/图案信息的加密和防伪应用。基于长余辉墨水的余辉发光性质,进一步设计了一种纸上信息加密策略:利用商业荧光墨水对加密信息进行伪装,只有在激发光关闭后采集长余辉墨水的发光信号才能获取完整正确的加密信息。4、基于具有不同激发波长的上转换纳米材料开发了一种高通量且易于操作的无背景信息加密方法。通过高温热分解法合成了具有小尺寸、高胶体稳定性和明亮绿色上转换发光的上转换纳米材料,并将其制备成可用于打印的稳定上转换油墨。将上转换油墨装载到喷墨打印机中,成功地在纸质基底上实现无背景干扰的信息加密。基于具有不同激发波长的上转换油墨,进一步设计了一种新型信息加密策略:使用两种上转换油墨分别对信息的一部分进行加密,只有使用980 nm激光进行解密时才能得到完整正确的加密信息。