一、上轉換發光與生命科學
二、上轉換生物成像技術
稀土上轉換材料可以作為生物熒光標記應用在生物成像方麵，是由於它具有以下方麵的優勢：首先，稀土上轉換材料可以由近紅外激光激發，而生物大分子對近紅外區的激發光幾乎是透明的，不會因為強吸收而引起生物組織損傷，同時也不會激發出生物組織的自體熒光；其次，稀土上轉換發光材料隻需要低功率的二極管激光激光器作為激發光源，在近紅外激光激發下稀土上轉換材料的發光效率比量子點雙光子吸收高七個數量級；再者，上轉換納米材料本身的化學穩定性很好，所發出的熒光穩定，不會出現染料的光漂白現象。上轉換納米粒子在生物熒光標記方麵的應用主要經曆了以下三個階段：
（1）小尺寸納米粒子的合成
上轉換納米晶在生物醫學方麵的應用，起始於小尺寸上轉換納米晶的獲得。而20世紀90年代正是納米技術迅速發展的時期，國內外的研究人員利用納米技術合成了一係列不同尺寸和形貌的上轉換納米粒子。2003年，瑞士Bern大學的Heer等人第一次在透明的7nm左右顆粒的凝膠體係中獲得了可見區的上轉換發光。隨後，美國普林斯頓大學、加拿大肯考迪亞大學、新加坡國立大學以及國內的清華大學、複旦大學、長春應化所、長春光機所、福建物構所等都在合成適宜生物醫學應用的上轉換納米晶方麵做了很多工作，並取得了長足的進步。目前，已經可以製備出10-50nm的單分散的稀土上轉換納米晶。
（2）上轉換生物成像的原理性試驗
雖然從理論上講，稀土摻雜上轉換納米材料比染料和量子點更適合作為生物熒光標記使用，但是這一理論說法需要得到具體實驗的證實。在製得適合生物醫學應用的上轉換納米顆粒之後，研究者最先開始了原理性的試驗，通過與傳統的染料熒光標記以及後來的量子點比較，發現由紅外激光激發的上轉換納米顆粒確實可以實現無自體熒光背景的深部組織成像。2006年，普林斯頓大學把沒有經過表麵修飾的上轉換納米顆粒用於線蟲體內成像，證明了這種成像的無自體熒光幹擾以及可以被生物體排泄出去等優點。隨後，新加坡國立大學的研究工作者也將沒有經過表麵特異性修飾的上轉換納米顆粒用於大鼠的活體成像，他們的實驗結果也證明了上轉換納米顆粒相比傳統的染料熒光標記以及量子點有更多的優勢，一方麵避免了自體熒光的幹擾，另一方麵成像深度可以達到1cm。
（3）上轉換納米離子的生物兼容性以及成像研究
在使納米粒子實現了水溶性之後，普林斯頓大學的Shan等人對包覆SiO2後經過表麵氨基化以及表麵羧基化處理的納米粒子同骨肉瘤細胞一起培養，觀察此納米粒子對細胞生長的影響，結果表明細胞可以在有上轉換納米粒子存在的情況下正常地生長和繁殖，也就是說上轉換納米粒子對細胞的影響是非常微弱的，如
研究結果表明，經過7天後，生物體內的納米粒子已經很少，幾乎觀察不到。實驗中的大鼠存活了115天，表明此上轉換納米粒子對大鼠並無毒害。
利用上轉換納米粒子進行細胞成像的研究也取得了很大的進展。新加坡國立大學利用包覆SiO2的上轉換納米離子進行的骨髓幹細胞以及骨骼成肌細胞的成像效果非常好。最近，新加坡國立大學又利用上轉換納米離子動態跟蹤成肌細胞在大鼠體內的活動狀況，試
三、上轉換光動力技術
上轉換光動力可以解決傳統光動力治療穿透深度淺的問題，是美國的P.N.Prasad教授2003年在《IntroductiontoBiophotonics》書中提到的。後來的研究人員證實了通過上轉換納米顆粒的發光的確可以激發部分光敏劑發光，但是由此上轉換發光激發出單態氧的效率特別低。2007年，P.Zhang等人提出了利用核殼結構把光敏劑鏈接到上轉換納米粒子上，通過縮短上轉換納米粒子與光敏劑距離的方法，提高納米晶與光敏劑之間的耦合效率。他們的實驗表明這種核殼結構的設計的確可以激發出較多的1O2，到達可以殺死病變細胞的程度。但因為稀土上轉換發光材料的發光效率不高，關於上轉換光動力的研究進展還是有限。隻有提高上轉換納米晶的發光效率，才能提高產生的1O2的數量，上轉換光動力這一方法才能真正應用到實際中去。
四、上轉換生物發光材料
由於上轉換熒光材料在生物醫學領域表現出巨大的實用價值，製備高上轉換效率的納米晶成為光學頻率上轉換領域的一個研究熱點。氟化物的聲子能量（300-400cm-1）低，具有較高的上轉換發光效率。NaYF4是迄今為止人們發現的具有最強上轉換發光效率的基質材料之一。
因而，合成高效率的、小尺寸的、單分散的NaYF4納米晶具有重要的實用價值。