稀土掺杂上转换纳米材料因具有发射谱带窄、反斯托克斯位移大、发光颜色易于调控、光化学稳定性好、发光寿命长、组织穿透深度大、对生物组织损伤小等特性,在生物医学、显示、照明、太阳能电池等领域展现出广阔的应用前景。全面、系统地理解上转换光学性能调控机制对推动稀土掺杂上转换纳米材料的设计和应用具有重要指导意义。为此,本论文立足局域环境对上转换纳米材料光学性能的影响,分别从基质晶格局域环境、粒子表面局域环境及再吸收-共振能量传递三个方面开展了一系列研究工作,对其相关机制进行了初步探讨,并将基于再吸收-共振能量传递调控上转换光学性能模型构建的磁性-上转换纳米复合材料用于高灵敏细胞成像。具体包括以下几方面内容:（1）为了加深基质晶格局域环境对上转换发光性能影响的理解,我们探讨了上转换纳米材料基质类型及掺杂离子半径对其光学性能的影响机理。结果表明,与立方相相比,六角相NaYF4:Yb³⁺,E ³⁺上转换纳米粒子中掺入2Zn2+引起的稀土离子局域晶体对称性降低程度更大,从而导致其上转换发光强度增强倍数比立方相高出一个数量级。与离子半径较小的Zn2+和Cd2+相比,大离子半径的Ca2+掺杂使六角相基质晶格中的稀土离子局域对称性发生更大程度的降低,并且Ca2+掺杂纳米粒子尺寸比等量2Zn2+或Cd2+掺杂纳米粒子尺寸大,削弱了表面猝灭效应,导致Ca2+掺杂六角相NaYF4:Yb³⁺,Er³⁺纳米粒子的发光强度增强倍数比Zn2+掺杂的高出一个数量级。本研究结果为上转换纳米材料的结构设计、性能调控及发光机制研究提供了重要的参考。（2）为了研究纳米粒子表面局域环境对上转换纳米粒子光学性能的影响,我们分析了 NaYF4:Yb³⁺,Er³⁺上转换纳米粒子在水和各种非水溶剂中的发光性能,发现溶剂对上转换纳米粒子激发光和发射光的吸收作用,以及溶剂中的-OH、-CH2或-CH3等高频振动基团对Er³⁺激发态的无辐射弛豫过程的促进作用共同导致了上转换发光强度的降低及红绿光强度比的增加。混合溶剂中水、OH-或DMF的浓度的增加可引起混合溶剂中-OH或-CH3含量的增加,从而对上转换纳米粒子的发光性能造成类似的影响。进一步研究表明,溶剂对上转换发光性能的影响不能通过变换溶剂的方式彻底消除。本研究的结果可以拓展到其他发光纳米材料和溶剂体系,并为纳米材料的相关应用提供理论指导。（3）为了研究再吸收-共振能量传递过程对上转换发光性能的影响,我们利用DNA分子的碱基互补配对作用构建了磁性-上转换纳米复合材料,通过调节DNA链长度控制Fe304纳米粒子与NaYF4:Yb³⁺,Er³⁺纳米粒子间的距离,改变了两者间的再吸收-共振能量传递效率,实现了对纳米复合材料的发光性能的有效调控。同时,选取具有适当DNA链长的发光较强的纳米复合材料作为多功能生物探针,实现了高灵敏磁靶向细胞成像。本研究结果有助于拓展上转换纳米材料的多功能性和应用领域。