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稀土上转换发光纳米晶体是将低能量光子转变为高能量光子的一种反斯托克斯发光的功能材料，由于其可将近红外光转变为可见光甚至是紫外光而备受研究者的青睐。上转换荧光具有众多优势，如发射峰可调节，荧光稳定性高，发射峰宽度窄，寿命长，细胞毒性相对较低和受背景干扰小。因此稀土上转换发光纳米材料在生物领域具有很大的应用潜力。
本论文中，我们主要研究了高掺杂稀土发光纳米材料在生物活体成像及肿瘤治疗方面的应用。具体研究成果如下：
第一章：对稀土上转换纳米材料简要介绍并探究了及其在各领域的研究和发展，着重阐明本论文的选题依据和研究内容。
第二章：探究高掺杂铒增强红光发射的纳米探针实现双模态成像指导的光动力治疗。通常情况下，由于高掺杂浓度下会发生发光淬灭，稀土材料中的掺杂元素浓度限制为小于0.05-20mol％。针对此问题，我们设计了一种将浓度淬灭效应和表面淬灭效应相耦合的体系而增强发光，实现了能够进行双模态成像和协同光动力治疗抑制肿瘤细胞生长的核@壳纳米探针。我们合成了一系列掺杂Er3+离子的NaYF4:x％Er@NaXF4(x=5，25，50，100，X=Lu和Y)核@壳纳米颗粒，其在近红外光(NIR)激发下可以检测到上转换(UCL)/近红外二区(NIRII)发光。由于壳的外延生长，在980/800nm的NIR激发波长下，UCL/NIRⅡ的发射强度都明显增强。利用硅烷基化法对合成的核@壳纳米颗粒进行表面改性，并在介孔二氧化硅壳(mSiO2)的介孔中搭载光敏剂分子。在NIR的激发下，增强的红光发射将光子的能量转移至光敏剂分子产生单线态氧，抑制肿瘤细胞的生长。
第三章：我们使用NaErF4:Tm@NaYF4:Yb@NaLuF4:Nd,Yb的结构设计了一个多模态成像纳米探针，可以实现在808nm激光照射下的光动力治疗。与常规的共掺杂Yb/Er系统不同，在本文中Er3+离子既要充当活化剂也要充当敏化剂并且可改变上转换能量转移的过程。此外，通过在NaErF4中掺杂1%Tm3+离子作为能量捕获中心，可以获得更高的Er3+离子之间的能量转移。在单个808nm激光激发下，该纳米探针可以实现更亮的上转换发光(UCL)(红光发射增强124倍)和近红外二区(NIRII)发光。依靠NIRII更小的组织散射和自体荧光干扰，进一步提高了成像的信噪比和分辩率。我们通过对纳米探针的表面改性，实现了具有更高分辨率和更好信噪比的NIRⅡ血脑成像，可以通过血脑屏障观察到脑部血管的边界。由于上转换红光发射的增强，纳米探针与ZnPc结合发挥了光动力治疗的作用。Lu元素具有增强计算机断层扫描(CT)成像的能力，同时，在脉冲激光的照射下，我们也在活体小鼠上采集到光声(PA)信号。因此，该平台可用作在808nm激光下的多模态成像(NIRII，PA，CT和UCL)引导的肿瘤光动力治疗。
第四章：我们通过将疏水性超小稀土纳米颗粒与生物相容性较好的mPEG-PLGA纳米胶束结合在一起，设计了一种基于pH敏感可降解的聚合物-稀土元素复合纳米探针，将其用于近红外二区(NIRⅡ)成像引导的抗癌化疗。合成后的纳米探针(约200nm)具有高度增强的渗透性和保留效应(EPR)，在实体瘤的诊断中显示出巨大的潜力，为临床肿瘤诊断提供了新的前景。同时，可降解的复合纳米探针增加了探针的成像灵敏度，并允许内部肿瘤药物缓慢释放，从而减少了药物在输送过程中的损失。最后，复合探针水解后可将超小型稀土纳米颗粒(约6nm)排出体外，以减少体内无机纳米颗粒的富集。因此，这种纳米探针有希望用于临床前癌症化疗和手术导航。
综上所述，本硕士论文探究了基于高掺杂铒稀土发光纳米颗粒的生物多模态成像和抑制肿瘤生长的应用。同时也引入一种新型表面改性疏水基稀土纳米颗粒的方法，合成可降解的“芝麻团”结构的探针。
本论文中，我们主要研究了高掺杂稀土发光纳米材料在生物活体成像及肿瘤治疗方面的应用。具体研究成果如下：
第一章：对稀土上转换纳米材料简要介绍并探究了及其在各领域的研究和发展，着重阐明本论文的选题依据和研究内容。
第二章：探究高掺杂铒增强红光发射的纳米探针实现双模态成像指导的光动力治疗。通常情况下，由于高掺杂浓度下会发生发光淬灭，稀土材料中的掺杂元素浓度限制为小于0.05-20mol％。针对此问题，我们设计了一种将浓度淬灭效应和表面淬灭效应相耦合的体系而增强发光，实现了能够进行双模态成像和协同光动力治疗抑制肿瘤细胞生长的核@壳纳米探针。我们合成了一系列掺杂Er3+离子的NaYF4:x％Er@NaXF4(x=5，25，50，100，X=Lu和Y)核@壳纳米颗粒，其在近红外光(NIR)激发下可以检测到上转换(UCL)/近红外二区(NIRII)发光。由于壳的外延生长，在980/800nm的NIR激发波长下，UCL/NIRⅡ的发射强度都明显增强。利用硅烷基化法对合成的核@壳纳米颗粒进行表面改性，并在介孔二氧化硅壳(mSiO2)的介孔中搭载光敏剂分子。在NIR的激发下，增强的红光发射将光子的能量转移至光敏剂分子产生单线态氧，抑制肿瘤细胞的生长。
第三章：我们使用NaErF4:Tm@NaYF4:Yb@NaLuF4:Nd,Yb的结构设计了一个多模态成像纳米探针，可以实现在808nm激光照射下的光动力治疗。与常规的共掺杂Yb/Er系统不同，在本文中Er3+离子既要充当活化剂也要充当敏化剂并且可改变上转换能量转移的过程。此外，通过在NaErF4中掺杂1%Tm3+离子作为能量捕获中心，可以获得更高的Er3+离子之间的能量转移。在单个808nm激光激发下，该纳米探针可以实现更亮的上转换发光(UCL)(红光发射增强124倍)和近红外二区(NIRII)发光。依靠NIRII更小的组织散射和自体荧光干扰，进一步提高了成像的信噪比和分辩率。我们通过对纳米探针的表面改性，实现了具有更高分辨率和更好信噪比的NIRⅡ血脑成像，可以通过血脑屏障观察到脑部血管的边界。由于上转换红光发射的增强，纳米探针与ZnPc结合发挥了光动力治疗的作用。Lu元素具有增强计算机断层扫描(CT)成像的能力，同时，在脉冲激光的照射下，我们也在活体小鼠上采集到光声(PA)信号。因此，该平台可用作在808nm激光下的多模态成像(NIRII，PA，CT和UCL)引导的肿瘤光动力治疗。
第四章：我们通过将疏水性超小稀土纳米颗粒与生物相容性较好的mPEG-PLGA纳米胶束结合在一起，设计了一种基于pH敏感可降解的聚合物-稀土元素复合纳米探针，将其用于近红外二区(NIRⅡ)成像引导的抗癌化疗。合成后的纳米探针(约200nm)具有高度增强的渗透性和保留效应(EPR)，在实体瘤的诊断中显示出巨大的潜力，为临床肿瘤诊断提供了新的前景。同时，可降解的复合纳米探针增加了探针的成像灵敏度，并允许内部肿瘤药物缓慢释放，从而减少了药物在输送过程中的损失。最后，复合探针水解后可将超小型稀土纳米颗粒(约6nm)排出体外，以减少体内无机纳米颗粒的富集。因此，这种纳米探针有希望用于临床前癌症化疗和手术导航。
综上所述，本硕士论文探究了基于高掺杂铒稀土发光纳米颗粒的生物多模态成像和抑制肿瘤生长的应用。同时也引入一种新型表面改性疏水基稀土纳米颗粒的方法，合成可降解的“芝麻团”结构的探针。