随着现代光学生物成像技术的发展,新型纳米荧光探针的合成和开发,发光材料光学性质的研究,先进光学成像系统的设计等方面正受到科学家们越来越多的关注。聚集诱导发光(AIE)染料由于其优异的光学性质,近年来已成为一类拥有巨大应用前景的荧光探针。本文基于三种具有聚集诱导发光特性的纳米荧光探针,详细研究了它们的多光子及其他非线性光学特性,并结合特性设计多光子荧光成像系统,实现了其在细胞、组织、活体血管、斑马鱼等层面的多光子荧光功能性成像。论文第一部分,基于聚集诱导发光材料TPE-TPP,详细研究了其多光子荧光特性,并利用其作为荧光探针,比较了在1020nm和810nm飞秒激光激发下的三光子和双光子荧光成像技术的优劣,提出了基于TPE-TPP的三光子荧光成像技术的多种优势,包括高抗光漂白性、低光损伤、高空间分辨率、高信号背景比。并利用TPE-TPP的三光子荧光成像,实时、高灵敏度地观测了细胞内线粒体膜电位的变化趋势。此外,利用TPE-TPP可标记神经元细胞和小鼠脑部小胶质细胞的特点,通过微注射手术,实现了740nm飞秒激光激发下的活体小鼠脑部小胶质细胞的实时长时间双光子荧光成像观察。并对脑组织切片进行了三光子荧光成像,获得高质量成像效果,这对于活体深层神经系统的活动研究具有很大意义和应用前景。论文第二部分,基于具有大π共轭分子结构的聚集诱导发光材料TTF,首先,研究了其在不同极性溶剂中的发光性质。其次,详细研究了其在溶于有机溶剂、固体、纳米聚集体三种状态下的非线性光学性质,包括双、三、四光子荧光,三、五倍频信号。并基于实验,设计、验证,首次提出了“三倍频诱导三光子荧光产生”,“聚集诱导三倍频增强”两个全新理论。此外还将处于纳米聚集态的TTF-ORMOSIL、TTF-PEG两种TTF纳米颗粒分别作为细胞和活体层面成像的荧光探针,实现了其双、三光子荧光,三倍频细胞成像和三光子荧光深层小鼠脑血管成像,获得了不错的成像效果。论文第三部分,提出了一种用纳米氧化石墨烯(NGO)包覆聚集诱导发光染料TTF的全新纳米荧光探针合成方法,制备了TTF-NGO纳米颗粒。通过实验表征,证明TTF-NGO纳米颗粒具有生物化学稳定性和粒径可调性。同时,通过系列对照实验证明NGO对TTF染料分子无明显荧光猝灭效果,并提出了NGO的包覆可增强TTF纳米颗粒荧光强度的现象,结合两者分子结构特点和相关机理,进行了理论解释。在表征了TTF-NGO纳米颗粒的高荧光量子效率和大三光子吸收截面后,以其为荧光探针,进行了小鼠耳部血管和斑马鱼的三光子荧光成像应用。最后,将该纳米氧化石墨烯修饰的方法推广至其他AIE染料分子,制备了其他AIE-NGO纳米颗粒,体现了该方法其普适性。