稀土上转换发光纳米材料可将近红外激发光转换为可见光或紫外光。业已证明，与传统的生物荧光标记和成像材料相比，上转换发光材料具有激发光组织穿透深度大、自发荧光背景小、光稳定性与化学稳定性高等优点，近年来受到广泛关注。但是，稀土上转换发光纳米材料也存在吸收截面小、量子产率低、稀土离子存在潜在毒性和激发光组织热效应显著等问题，对实现安全、高效的上转换发光活体成像构成了挑战。　　本文针对上转换发光材料在制备、性质和应用中存在的关键问题，开展了功能核-壳结构稀土发光纳米材料的设计与应用研究，实现了相关材料体系中稀土离子能量传递过程的调控。主要创新结果如下:　　(1)通过CaF2壳层包覆，同时实现了上转换发光的增强和稀土离子释放的抑制。CaF2与立方相NaYF4具有良好的晶格匹配和相似的化学性质。以此为基础，通过在NaYF4∶Yb，Er纳米颗粒表面外延生长CaF2壳层，获得了单分散的NaYF4∶Yb，Er@CaF2纳米颗粒。在保持较小颗粒尺寸（可在9-13 nm范围内连续调节）的同时，壳层包覆还抑制了发光中心的猝灭，上转换发光强度显著提高，可达NaYF4∶Yb，Er纳米颗粒的300倍。通过包覆CaF2壳层，也使掺杂Yb3+/Tm3+或Yb3+/Ho3+的上转换发光纳米颗粒以及单掺杂Er3+/Nd3+/Pr3+/Ho3+的近红外发光纳米颗粒的发光显著增强。同时，NaYF4∶Yb，Er@CaF2纳米颗粒还具有良好的生物安全性，透析实验表明，NaYF4∶Yb，Er@CaF2纳米颗粒表面的稀土离子释放量仅为同浓度NaYF4∶Yb，Er@NaYF4颗粒的约1/20，降低了由于稀土离子释放引起的长期生物毒性风险。　　(2)结合核-壳结构模型，分别考察了壳层掺杂和表面配体对上转换发光猝灭的影响。发光中心的猝灭是导致上转换发光纳米材料低量子产率的重要原因。在NaYF4∶Yb，Er@CaF2纳米颗粒壳层中分别引入Yb3+与Er3+掺杂，可以分别引起上转换发光过程中不同能级的猝灭。颗粒的发光强度与寿命变化表明，Yb3+的壳层掺杂可以显著加速上转换发光中间能级的退激发过程，可比Er3+的壳层掺杂更有效地加剧上转换发光猝灭。本文也研究了颗粒表面不同配体对猝灭过程的影响，发现振动频率较高的OH-配体的猝灭作用显著强于振动频率较低的OD-配体。针对不同猝灭途径的比较显示，纳米颗粒表面晶体结构因素造成的猝灭可以通过包覆非掺杂壳层有效消除，但表面配体辅助的猝灭则难以通过这一手段有效抑制。得出了包覆壳层中无Yb3+离子掺杂、表面修饰高振动频率配体这一有利于提高上转换发光强度的条件。　　(3)基于核-壳结构构筑，实现了Nd3+→Yb3+→Er3+连续能量传递和上转换激发谱带的拓展。Nd3+与Er3+间的能量传递是猝灭Nd3+/Yb3+/Er3+共掺体系上转换发光的主要原因。本文设计构筑了NaGdF4∶Yb，Er@NaGdF4∶Nd，Yb纳米颗粒，通过Nd3+与Er3+的空间隔离避免了二者间的有害能量传递。借助时间分辨光谱，在该核-壳结构中观察到了Nd3+→Yb3+→Er3+连续能量传递。通过激发Nd3+实现了对上转换过程的间接敏化，上转换激发谱带由Yb3+特征激发谱带（980 nm）向Nd3+特征激发谱带（730 nm/808 nm/865 nm）扩展，并且该材料在808 nm激光激发下具有与980 nm激光激发相近的上转换发光强度。拓展后的低波长近红外激发光回避了组织中水对980 nm激发光的强吸收和由此导致的局部组织热效应，小鼠体表温度的上升值在808 nm激光照射下仅为相同功率密度980 nm激光照射时的1/5，提高了上转换发光活体成像的生物安全性。　　(4)利用Nd3+→Yb3+能量传递，获得了高发光效率的稀土近红外发光纳米材料。通过引入近红外发光过程，克服了上转换过程量子产率低、发射光组织散射显著的缺点。制备了NaGdF4∶Nd，Yb纳米颗粒，通过激发Nd3+观察到了高效率的Nd3+→Yb3+能量传递和Yb3+在980nm的近红外发光。该能量传递过程减小了Nd3+浓度猝灭的影响，在提高Nd3+掺杂浓度(80％)以提高近红外吸收的同时，保持了较高的量子产率(1.6％)，从而增强了颗粒的近红外发光。进一步构筑了NaGdF4∶Nd，Yb@NaGdF4核-壳结构，其在有机相中量子产率达29％、水相中量子产率达24％。以上述材料作为近红外发光标记物，实现了对小鼠血管、淋巴结和多个器官的活体成像以及对纳米颗粒迁移和富集行为的观察。