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稀土上转换发光纳米材料（UCNPs）是一类吸收长波长、低能量光子，发射短波长高能量光子的新型荧光探针材料，具有许多独特的优点，如优异的光学稳定性、高化学稳定性、低毒性，另外在近红外光激发下具有组织穿透能力深、对生物组织无损伤、近乎零背景荧光干扰、成像灵敏度高等诸多优点，在生物医学中有着广泛的应用前景。尽管稀土上转换发光纳米材料备受人们关注，但是关于其表面修饰、生物安全性以及在生物医学中的应用如多色成像、多模态成像和新型成像模式下的癌症治疗等诸多问题仍然是研究的热点和难点。本博士论文中，我们通过改变稀土元素掺杂，合成得到不同尺寸和不同发射光谱的稀土上转换发光纳米颗粒，并采用多种表面修饰方法赋予其优异的水溶性和生物相溶性，发展了稀土上转换发光纳米颗粒在生物医学成像中的应用，并对材料的生物安全性和动物体内行为进行了系统研究；同时，我们还以上转换发光纳米材料为基底，构建了一系列多功能复合纳米材料，并将其应用于多模式肿瘤成像、新型癌症治疗、干细胞研究等诸多方面；此外，我们还初步探索了基于一些有机高分子纳米材料在生物医学成像和肿瘤光热治疗等方面的应用。主要的研究结果概括如下：第一章：简要综述了上转换发光纳米材料的研究进展，着重阐明本博士论文的选题依据和研究内容。第二章：我们运用高温热分解的方法通过调节稀土元素掺杂比例合成得到不同发射波长的上转换发光纳米材料，利用两亲性高分子将其修饰使之具备良好的水溶性和生物相容性，并应用于多色活体成像和淋巴循环成像。此外，我们还发现UCNP由于其无背景荧光干扰的特点，具有比量子点荧光成像高至少一个数量级的体内成像灵敏度，表明上转换发光纳米材料在高灵敏多色生物成像中将有广泛的应用前景。第三章：除了调节元素掺杂而调控UCNP上转换发射光谱外，我们还将一些染料分子吸附在纳米颗粒表面，形成UCNP-Dye复合物，通过荧光能量共振转移（FRET），在单一980nm激光激发下得到更多颜色的上转换发光纳米材料，且在活体水平上实现了更多颜色上转换荧光成像。第四章：尽管上转换发光纳米材料在生物医学成像中发挥了重要的作用，但其生物安全行性一直是备受人们关注。我们将两种不同类型高分子OA-PAA和DSPE-PEG修饰的上转换发光纳米材料通过尾静脉注射到小鼠体内，发现PEG-UCNP比PAA-UCNP具有更长的血液循环时间，且主要富集在网状内皮系统中。通过血生化分析、组织切片和动物学行为的研究，发现上转换发光纳米材料在比较高注射剂量下（20mg/kg）基本未表现出明显的毒性。第五章：基于上转换发光纳米材料，我们还发展了一种光磁复合多功能纳米材料用于多模式生物成像和治疗。超小的四氧化三铁纳米颗粒（IONP）通过静电作用力吸附在上转换发光纳米颗粒表面，形成UCNP-IONP复合物，然后在其表面原位生长出一层薄的金壳层。利用这种复合功能纳米材料，我们在细胞水平上实现分子靶向的上转换荧光成像、磁共振成像和暗场模式光学成像。功能复合纳米材料表面的金壳层具有很强的表面等离子共振吸收，可以用于分子靶向或磁靶向下的光热治疗。另外我们还将PEG修饰的功能复合纳米材料通过尾静脉注射到小鼠体内，实现了活体水平上的上转换荧光和磁共振双模态成像。第六章：第五章中合成的光磁复合功能纳米材料可被进一步用于活体水平上成像指导下的肿瘤光热治疗。我们发现该复合纳米材料在磁场诱导下，在肿瘤部位具有和对照组相比提高了约8倍的高富集量。利用该材料的光吸收特性，在近红外808nm激光的照射下，我们实现了磁靶向作用下活体水平上的高效肿瘤光热治疗。这个工作是第一次成功实现在成像模式指导下、磁场靶向作用下的活体水平肿瘤光热治疗。第七章：前面工作中得到的这种基于稀土上转换发光纳米颗粒的光磁复合功能纳米材料还可以被用作干细胞的追踪和体内定位控制。实验结果表明该复合纳米材料没有对干细胞造成明显的毒性，并且不会对干细胞的增殖和分化过程造成影响。利用上转换荧光成像技术，第一次在活体水平上成功检测到少于10个干细胞。同时在外加磁场作用下，功能复合纳米材料标记的干细胞可以通过磁靶向作用在伤口部位大量进行富集，为干细胞在组织修复等方面的应用带来新的机遇。第八章：通过改变元素掺杂种类，我们还合成了发射紫外光的上转换发光纳米材料，并在其表面层层包裹修饰上SiO2和TiO2，得到UCNP@SiO2@TiO2纳米颗粒。该复合结构纳米颗粒在980nm激光照射下通过FRET方式产生活性氧自由基，并可用于近红外光诱导下的光动力治疗。第九章：我们以上转换发光纳米材料为基底，将含有拉曼分子的金纳米颗粒吸附在其表面，再在原位生长一层金壳层形成功能复合纳米材料。利用这一纳米结构，我们初步实现了基于UCNP@Au的功能复合纳米材料的上转换荧光和表面增强拉曼（SERS）的多色和多模式成像。该材料有望在细胞和活体水平上进一步得到广泛的应用。第十章：除了稀土上转换材料方面的工作外，我们还运用层层自组装的方法将PEG修饰在导电高分子PEDOT:PSS表面，将这种具有强近红外光吸收的有机纳米材料用于活体水平上的光热治疗，并对其长期毒理学性质进行了仔细研究。该工作第一次报道了有机导电高分子纳米材料在活体水平上光热治疗，后续相关工作还在进一步研究中。总之，本论文对稀土发光纳米材料及以之为基底构建的复合功能纳米材料在生物成像、肿瘤物理治疗、干细胞研究等多方面的应用进行了较为系统的探讨，我们的研究结果鼓舞了这一类功能纳米材料在生物医学中进一步的深入研究。