稀土离子掺杂的上转换荧光纳米颗粒（UCNPs）可以连续吸收多个近红外光子,发射反-Stoke荧光。由于激发光位于近红外光区,可以有效降低生物样品自发荧光的干扰,同时提高成像穿透深度。与小分子染料相比,UCNPs还具有发射峰多,反-Stokes位移大,光稳定性好等优势,在生物研究领域具有独特的优势。基于UCNPs构建的上转换荧光纳米探针已广泛应用于生物样品内多种物质的分析检测。但是,无论是材料本身还是探针性能都存在亟待解决的关键问题。从材料自身性能来讲,UCNPs上转换发光效率低,是限制其应用的重要因素。稀土离子对光的吸收能力弱,吸收截面比染料分子小10~3-10~4倍,是造成上转换发光效率低的主要原因之一。从探针性能上讲,其响应信背比低是制约探针发展的一个瓶颈问题。传统的上转换荧光纳米探针采用“猝灭-回升”的构建思路,与目标物响应之后的荧光增强倍数严重依赖于猝灭效率。此前的工作均通过提高猝灭效率的方式提高信背比,但是,受限于UCNPs自身的结构特性,猝灭效率很难高于90%,使探针的信背比很难大于10倍。染料敏化上转换过程可以通过提升材料对光的吸收能力实现上转换荧光的显著增强,在有机相中可达数千倍的敏化倍数,是提升UCNPs上转换发光效率最有前景的策略之一。然而,目前水相中的敏化倍数不超过20倍,而造成这种差别的原因至今尚未研究清楚,这严重限制了UCNPs在生物体系中的应用。本文揭示了限制水相中染料敏化作用发生的关键因素,构建了适用于水相的高效染料敏化上转换荧光体系;同时,利用对染料敏化过程的调控建立了全新的上转换荧光纳米探针的构建策略,突破了该类探针响应信背比低的瓶颈,并且成功地将其应用于生物样品的成像分析。主要内容如下:1.通过研究染料Car-Cl在纳米材料表面的光物理性质,揭示了染料聚集诱导荧光猝灭（ACQ）是抑制水相中染料敏化过程的关键因素。在已报道的染料敏化上转换荧光体系中,染料通过配位作用紧密结合于UCNPs表面,加剧了染料之间的聚集。本文用长的疏水链替换螯合基团,所得到的染料Alk-Cl可以均匀分布于疏水层内,从而有效地抑制了染料ACQ作用的发生,提高了敏化效果。在此基础上,对染料的光谱性质进行了精准调控,用哌嗪替换Alk-Cl中的Cl原子得到Alk-pi,使染料在保持发射峰位置不变的情况下,吸收光谱发生显著的蓝移,在保持具有敏化上转换荧光能力的同时,有效抑制了EBT过程带来的荧光猝灭。经过上述优化,水相中的染料敏化倍数可达600倍以上,明显高于文献中的敏化效果（不到20倍）。该材料可以成功应用于小鼠活体成像。2.在之前研究工作的基础上,针对于传统上转换荧光纳米探针信背比低的瓶颈问题,通过调控染料敏化作用的发生建立了全新的上转换荧光纳米探针的构建策略。不同于传统的“猝灭-回升”模式,在这种新型的探针构建模式中,探针的信背比不再依赖于猝灭效率,从而有效解决了该类探针响应信背比低的难题。以谷胱甘肽（GSH）作为模型分子验证了构建思路的可行性。选取了带有长疏水链的花菁染料为母体结构,使其可以通过疏水作用与UCNPs结合。在花菁母体上修饰了硝基偶氮基团,得到Cy-GSH。硝基偶氮基团具有两个功能:一方面可以通过光诱导电子转移（PET）作用猝灭染料荧光,另一方面可以与GSH发生识别反应使染料荧光恢复。只有当Cy-GSH与GSH反应生成F-SG之后,染料才能通过敏化作用增强UCNPs的上转换荧光,从而实现对GSH的检测。在最优条件下,探针响应信背比高达30倍,明显优于传统的上转换荧光纳米探针（一般小于10倍）。