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任何一种分子影像探针都不是完美的。基于纳米制备技术而构建的多功能、多模式复合型分子探针有望克服单模式探针在灵敏度、分辨率以及组织穿透深度上的缺陷，为未来的肿瘤早期诊断提供更可靠的诊断方法。传统以有机荧光素和半导体量子点为基础的发光成像探针因其发光性能不稳定、潜在生物毒性、组织光损伤以及高背景噪音等缺点而面临困境。本研究工作锁定具有优异上转换发光性能的纳米探针，并以此为基础，设计、构建和优化基于上转换纳米颗粒(UCNP)的发光/磁共振双模式纳米探针，主要包括以下研究内容：
第2.1章：本章以热解法制备的超顺磁性氧化铁纳米晶(SPION)为研究对象，着力解决反微乳液包裹法制备高品质核壳纳米结构的低重复性难题。研究发现：硅源引入速度、反微乳液稳定性以及内核浓度是影响重复性的三大重要因素。在改进的方案中使用可以精确调控硅源引入速度的注射泵，精细控制内核的浓度和分散性，同时考虑合适的反应温度，最终实现稳定制备高品质的单核担载核壳纳米结构的目的，并提供了更加翔实的形成机理。
第2.2章：本章从提高磁共振成像造影剂性能和安全性的角度入手，提出水热法制备锌元素掺杂的超顺磁性氧化铁纳米颗粒的新方法。以廉价的油酸铁和油酸锌为前驱体，采用表面活性剂(油酸)辅助水热法，合成了具有不同锌元素掺杂量的超顺磁性氧化铁纳米晶。研究结果表明，所制备产物具有良好的室温超顺磁性，且比饱和磁化强度随着锌元素掺杂量的变化而变化。MRI测试结果表明，水溶性SPION：Zn的r2值为342.09 mM-1s-1，显示其作为良好的MRI造影剂的潜力。
第3.1章：本章通过“颈部融合”工艺实现了上转换发光纳米晶与超顺磁性氧化铁纳米颗粒之间的功能复合，获得一种具有抗发光淬灭性能的新型发光/磁共振双模式纳米探针(SMUFO)。所制备的双模式探针在上转换发光成像和磁共振成像性能上均具有良好的稳定性。水溶液、细胞以及活体双模式成像实验均显示了SMUFO具有作为发光/磁共振双模式成像的潜力。“颈部融合”工艺具有单次克级产量的优势，制备过程简易且可重复性高，可推广到其它体系的纳米颗粒间的功能复合。
第3.2章：本章研究不同SPION/UCNP摩尔比下，SPION对UCNP的发光淬灭作用。研究发现，当摩尔比小于2%时，不论是亲水体系还是疏水体系中，SPION对UCNP存在反常的发光增强作用，该狭窄发光增强区的存在有驳于传统认为黑色的氧化铁均是光吸收体的论断。另外，研究结果还表明，相比没有SiO2保护的UCNP，经过SiO2包裹之后的发光颗粒可以更好地抵御SPION的光吸收作用，在一定程度上有利于抑制光淬灭的影响。
第4.1章：本章解决了钆离子掺杂上转换发光纳米晶中体相钆和表面钆在磁共振成像性能上的争议。构建了具有不同体相钆和表面钆分布密度的三种钆离子掺杂上转换发光纳米晶的结构模型，并详细研究了体相钆和表面钆在磁共振T1成像上的区别。实验证明，对于钆离子掺杂的纳米晶，表面钆是MRI造影性能的关键影响因素，而体相钆的作用可以忽略不计。进一步优化钆离子掺杂上转换发光纳米晶的结构，证实了晶粒中共存正负晶格屏蔽效应。通过合理调控正负晶格屏蔽效应，可以获得高性能的钆离子掺杂上转换发光/磁共振双模式纳米探针，探针的最优磁共振性能r1值为6.18 mM-1s-1，是论文发表时已报道的最高r1值。
第4.2章：本章在前章基础上进一步探索了表面钆离子磁共振造影的深层机理。构筑并研究了三种不同表面修饰的水溶性钆掺杂核壳结构上转换纳米探针的MRI性能，翔实的实验数据表明，钆掺杂UCNP的MRI成像机理与表面修饰密切相关。对于表面无任何修饰(ligand free)的钆掺杂UCNP探针，其表面的钆离子具有直接螯合水分子的能力，主导磁共振成像机理为内球水和外球水机制，且二者的贡献相当；对于表面有SiO2保护的钆掺杂UCNP探针，其表面钆离子因为Si-O键的螯合而失去了进一步螯合水分子的能力，致使内球水机理消失，仅剩外球水机理。通过同时优化钆掺杂UCNP的内核结构以及表面修饰，可以实现r2/r1值在3～20之间可调，并获得了目前已报道最高的r1值，达到14.73mM-1s-1，是首次报道r1值的105倍。最后，证实所制备的钆掺杂UCNP探针可用于活体内的磁共振T1和T2加权成像以及上转换发光成像。
第5章：本章扩展了关于钆掺杂上转换发光纳米颗粒作为双模式成像探针的应用，通过全新的结构设计，选择亚甲基蓝为光敏剂分子，采用反微乳液SiO2包裹法实现了一种基于980 nm光控单线态氧释放以及发光/磁共振双模式成像的诊疗一体纳米诊疗剂。采用对比方式确认了在980 nm激光照射下，NaYF4：Er/Yb/Gd@SiO2(MB)可以通过将激发产生的红光转移给固定在基质SiO2保护层中的MB分子，后者在氧气存在下，通过光物理化学过程产生了单线态氧。所设计的纳米结构具有独特的光敏剂零泄漏性能和发光/磁共振双模式成像性能。研究还发现，单线态氧的产生可以通过间歇性的光照达到远程可控，而持续性的980 nm激光照射可能削弱光敏剂产生单线态氧的效率。通过上转换纳米晶内核的重新设计以及双光敏剂担载的策略，有望进一步提高所设计结构的光动力学疗法效率和磁共振成像性能。