稀土上转换纳米材料由于其独特的荧光特性、低的生物毒性、稳定的化学和物理性质,在生物成像、生物传感、肿瘤治疗等领域受到广泛关注。稀土上转换纳米材料在生物应用中存在的生物组织过热效应和低组织穿透能力是限制其实际应用的关键科学问题。目前应用最广的稀土上转换纳米结构是980 nm激发,绿光发射为主的β-Na YF₄:Yb/Er,绿色上转换发光的生物组织穿透能力较低;并且由于常规上转换纳米结构发光效率低,需要采用高的激发光源功率密度才能获得足够的发光强度以满足生物应用的需要,而高功率密度的980 nm激发光源将带来严重的生物组织过热效应。本论文在自敏化红光发射上转换纳米结构Na Er F₄的基础上,引入高剂量在980 nm处具有更大吸收截面的敏化离子Yb³⁺及低剂量的能量桥梁离子Tm³⁺,构建并可控制备了Yb³⁺→Tm³⁺→Er³⁺串联敏化的Na Er F₄:Yb/Tm@Na Lu F₄纳米结构,实现低功率密度980 nm激发下的强红光发射;在此基础上,引入多壳层设计,制备了Nd³⁺→Yb³⁺→Tm³⁺→Er³⁺串联敏化的Na Er F₄:Yb/Tm@Na Lu F₄:Yb@Na Lu F₄:Nd/Yb@Na Lu F₄多壳层纳米结构,实现低热效应808 nm激发下的强红光发射。具体研究内容如下:（1）Yb³⁺/Tm³⁺串联敏化低功率密度980 nm激发强红光发射上转换纳米材料的设计、制备及性能评价。采用双钠源溶剂热法,成功可控制备了一种高剂量Yb³⁺掺杂的Na Er F₄:Yb/Tm（69/1%）纳米结构。其中,高剂量（69%）的在980 nm处具有大吸收截面的Yb³⁺离子作为敏化剂,吸收980 nm激发光能量并传递给低剂量的能量桥梁离子Tm³⁺的³H₅能级。适量浓度（30%）的激活剂离子Er³⁺不但能够提供适宜的Er³⁺-Er³⁺交叉驰豫,而且能高效吸收Tm³⁺（³H₅）的能量,提高红色上转换荧光强度和红色/绿色上转换荧光强度比（Red/Green,R/G）。与自敏化红光发射Na Er F₄纳米结构相比,所提出的纳米结构有效抑制了表面淬灭和浓度淬灭耦合的上转换荧光淬灭效应。最优的上转换纳米结构Na Er F₄:Yb/Tm（69/1%）@Na Lu F₄在980 nm激发下具有单色红光（R/G,25.0）,且红光强度是目前公认的高上转换发光效率纳米结构β-Na YF₄:Yb/Er的53.5倍。所构建的Yb³⁺→Tm³⁺→Er³⁺串联敏化上转换纳米结构具有高的量子产率,并且在极低功率密度的980 nm光源激发下(0.2 W cm^-2)仍能发射出强红光,表现出低的热效应和深的组织穿透深度,在生物研究中展现出良好的应用潜力。（2）Nd³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺串联敏化808 nm激发强红光发射上转换纳米材料开发。Nd³⁺敏化808 nm激发模式可以有效降低生物组织的过热效应,因此在上一章研究工作的基础上,以Yb³⁺/Tm³⁺串联敏化强红光发射纳米结构Na Er F₄:Yb/Tm（69/1%）作为发光晶核,通过外延生长法引入过渡壳层Na Lu F₄:Yb和敏化壳层Na Lu F₄:Nd/Yb,构建了多壳层结构Nd³⁺→Yb³⁺→Tm³⁺→Er³⁺串联敏化808 nm激发的Na Er F₄:Yb/Tm@Na Lu F₄:Yb@Na Lu F₄:Nd/Yb@Na Lu F₄。通过过渡壳层抑制敏化剂Nd³⁺和激活剂Er³⁺之间强烈的能量返回,通过惰性壳层有效抑制表面淬灭,结合纳米结构优化,提高上转换荧光强度。所构建的多壳层纳米结构在808 nm激发下具有强红光发射能力,其红光强度是Na Er F₄:Tm（0.5%）为发光晶核的多壳层上转换纳米结构红光强度的18.2倍,有望应用于高效生物诊疗探针的构建。