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上世纪八十年代末诞生了纳米科技，自此之后一直成为了科学家们的研究热点。本世纪初，结合了生物科学、光学、纳米材料的交叉学科而形成的纳米生物光子学的研究领域，成为研究者们热捧的研究对象。荧光标记物是该研究领域中非常重要的元素，而上转换纳米颗粒是继有机荧光染料、荧光蛋白和量子点后又一热点研究的荧光标记物，这是因为这类标记物有光稳定性好、窄带发射、近红外激发等优点，适于进行生物标记成像。 本论文主要综述了稀土上转换纳米颗粒的发光机理、合成修饰方法、发光效率优化以及生物应用几个方面，并重点研究了1480-nm CW低功率激光激发的上转换纳米颗粒三光子发光用于深层组织成像和小于5-nm的基于ZrO2的上转换纳米点用于快速成像及蛋白质靶向成像两个课题，具体内容如下: 1.合成了β相高效发光的(NaYF4∶25％ Er3+/NaYF4)核壳结构纳米颗粒，并将其进行水溶性处理和聚合物包覆，然后应用于细胞标记。我们使用便宜易得的1480nm连续激光器作为三光子深层成像激发光源设备，而文献中大多使用昂贵的飞秒激光器。同时由于UCNPs的高效发光，因此可以实现超小功率激发（小于1.5 mW），从而减小因为发热造成的细胞损伤。我们使用人工组织作为介质进行深层成像，分别得到了穿过500μm和800μm的人工组织厚度的细胞成像，得到显示清晰细胞轮廓的成像图片。同时我们分析了成像的分辨率以及不同深度成像的信噪比，分析结果表明该深层成像分辨率较好，而信噪比随着人工组织的厚度的加深，也随之降低。对穿过组织后的发射光强度分析得，红光较绿光有更强的穿透性，这也为后续的研究提供了参考意见。 2.用重复性高、稳定的溶剂热法合成了超小的ZrO2∶20％ Yb3+,2％Er3+@NaYF4∶2％ Yb3+核壳结构上转换纳米点（小于5 nm）。并比较了它与传统10 nm的UCNPs的发光强度，发现上转换纳米点的发光强度更强。增加UCNDs中Er3+的掺杂量（如15％），用高功率密度激发得到了发光更亮、荧光寿命减小的核壳纳米点。用该纳米点进行快速扫描成像，大大缩短了成像时间，得到清晰的2D和3D扫描成像。用适配子-生物素与癌细胞上特定的蛋白连接，然后与包覆了聚合物以及链霉亲和素的纳米点培养，得到上转换纳米点靶向标记的细胞膜蛋白成像图，且发光较亮，是很好的细胞成分标记物，且由于其体积小，有望成为单分子成像的标记物。