上转换发光成像在光学成像中具有独特的优势,例如光稳定性好、信噪比高、成像深度更深。但是,目前稀土上转换发光纳米材料的发光量子产率还不够高,导致发光强度还比较弱。而且,受光学成像本身局限性的限制,其在活体成像中的分辨率和灵敏度都不够高,无法进行大动物的活体成像。更重要的是,无法进行绝对定量研究。另外,由于稀土元素不是生物体中的必需成分,其在生物体中的安全使用浓度和副作用必须给予仔细谨慎的评价。本论文针对这些问题开展研究,并探索其生物应用。本论文主要包括以下三大部分：1.稀土纳米材料的多功能化及生物应用新基质NaLuF4引入153Sm后实现稀土上转换发光纳米材料的多功能化,其上转换发光的量子产率达到0.67±0.07%,实现在目光灯下通过EMCCD收集800nm上转换发光进行淋巴管成像。在CT成像中,1mg/mL该材料相当于1.55mg/mL商用X-ray CT造影剂-碘普罗胺,可实现淋巴管的高分辨X-rayCT成像。通过后标记的方法在常温常压下一步即可将稀土放射性核素153Sm3+标记到稀土上转换发光纳米材料,标记产率和5天血清稳定性达99%以上。我们将其用于SPECT成像可动态定量研究纳米材料在体内的分布、变化和排泄途径等。153Sm3+标记稀土上转换发光纳米材料PEG化后可用于KB移植肿瘤被动靶向成像。注射后12h,肿瘤内开始出现明显信号,该信号在注射后第36h达到顶峰。活体SPECT成像提供了一种高灵敏度的方法定量研究生物分布和肿瘤靶向。通过常温常压下一步无机反应可实现18F标记稀土上转换发光纳米材料,标记率大于90%。仅需通过清洗和离心即可纯化,该材料体内稳定,通过荧光和正电子信号可精确显示前哨淋巴结位置。构建了核壳结构的稀土上转换发光纳米材料NaLuF4:Yb,Tm@NaGdF4,可实现在不破坏粒子的上转换发光能力和CT成像能力的情况下改善其MRI成像的能力。后标记18F或者153Sm后可实现五模式成像,提供更多的生物分布信息。2.稀土上转换发光纳米材料用于绒毛膜癌细胞转移示踪构建了NaYF4:Yb,Tm@NaLuF4双层结构以改善粒子的UCL发光效率,实现了绒毛膜癌JEG-3细胞血源性转移示踪。注射21天后,发现其主要转移到小鼠肺部,并形成肿瘤结节。毒性研究发现标记浓度(100gg/mL)下不会对JEG-3绒毛膜癌细胞的侵袭力、迁移能力、细胞活力和成瘤能力产生影响。3.稀土上转换发光纳米材料的毒性研究代谢研究发现稀土上转换发光纳米材料静脉注射后主要分布在肝、脾两组织,肺和肾内有少量信号。孕鼠胎盘中有明显的稀土上转换发光纳米材料信号,子代体内无信号。粒子主要通过胆汁排泄,而不是通过尿。200和20mg/kg wt两个剂量下粒子具有明显毒性。剂量为4mg/kg wt时,没有检测到毒性,可认为4mg/kg wt是该材料的安全使用剂量。材料过量使用时,会引起肝脏蛋白质合成障碍和酶活性降低,并伴随胆管堵塞；肺泡壁毛细血管扩张充血,细支气管和肺泡内蓄有多量红染浆液,其中混有少量的红细胞、嗜中性粒细胞和巨噬细胞等,成纤维细胞增生,细胞外基质积聚,且肺泡壁变厚；肾小球的鲍曼氏腔消失,伴有肾小球增生。在高浓度下,睾丸内也有粒子少量分布,精子的线粒体减少,外膜破碎。高剂量使用该材料可使小鼠受孕几率降低,子一代数量下降,但对子代的体重和存活率没有显著影响,子一代无明显的缺陷、变异,无死亡,并可继续繁育子二代。