多光子成像具有零背景下可见光信号输出的优势，但传统多光子探针激发域值高、光稳定性差的问题使其在生物应用中受到限制。基于稀土上转换的无机纳米粒子可在相对较低的激发光功率密度下实现稳定的上转换发光，因而成为一种重要的多光子探针。随着成像技术的进步，对上转换纳米粒子的研究正在从聚集体形式向单颗粒水平发展。单颗粒研究上转换发光不仅有利于排除环境因素的干扰，并且呈现出一系列与聚集体研究不尽一致的理论成果。由于单颗粒研究平台更加接近于探针生物成像的工作环境，因此在这一水平下对上转换纳米粒子进行材料优化与物理机制分析更贴近实际应用。本文从多光子发光机制与材料出发，重点围绕着单颗粒水平下上转换纳米粒子近年来的研究成果与应用进展进行了综述，最后对其未来的研究方向进行了展望。

上转换纳米粒子(UCNPs)因其具有强生物穿透性、 大斯托克位移、 良好的光稳定性和生物相容性等优点而被广泛应用于生物医药分析领域。 通过聚丙烯酸(PAA)对油酸(OA)配体的上转换纳米粒子(OA-UCNPs)进行表面改性得到亲水性纳米粒子 PAA-UCNPs, 再通过酰胺化反应将适配体(Apt)共价偶联到PAA-UCNPs表面得到Apt-UCNPs并将其作为能量供体, 以黑洞猝灭剂(BHQ1)作为能量受体, 构建了一种基于荧光共振能量转移特异性检测磺胺二甲氧嘧啶(SDM)的方法。 通过红外光谱(FTIR)及扫描电镜(SEM)对OA-UCNPs、 PAA以及PAA-UCNPs的结构和性能进行了表征。 从红外光谱中可以看出, 相比较于OA-UCNPs, PAA-UCNPs于1 722 cm^-1处出现了新峰, 可能为PAA的-C=O伸缩振动峰, 且在3 400 cm^-1附近存在的宽带可能归因于PAA中O—H伸缩振动; 从扫描电镜实验结果可以看出, PAA修饰前分散在环己烷中的OA-UCNPs尺寸约为31 nm, 而PAA修饰后分散在水溶液中的UCNPs直径约为49 nm。 分析认为长链的PAA分子体积比油酸分子大, 因此包覆在UCNPs表面会使其尺寸增加, 以上结果均表明PAA可能已被修饰到UCNPs表面。 通过紫外可见光谱对Apt-UCNPs、 Apt及PAA-UCNPs的结构进行了表征。 结果发现相对于PAA-UCNPs, Apt-UCNPs的紫外吸收光谱在260 nm处出现了较明显的Apt特征吸收峰, 这表明适配体可能已被修饰到UCNPs表面。 对Apt-UCNPs用于检测SDM的机理进行了初步探讨, 结果发现Apt-UCNPs在540 nm的发射峰与BHQ1的吸收峰发生重叠, 表明Apt-UCNPs上的能量可通过共振能量转移效应转移到BHQ1使得Apt-UCNPs的荧光被猝灭。 对猝灭剂BHQ1的浓度进行了优化, 结果表明当BHQ1浓度为15 μmol·L^-1时, 荧光猝灭效率为55%。 在最佳实验条件下, 相对荧光强度与SDM浓度(150~1 000 ng·mL^-1)之间具有良好的线性关系, 选取与SDM 结构相似的磺胺吡啶和磺胺醋酰作对照实验, 发现尽管磺胺吡啶和磺胺醋酰的浓度达到了 500 ng·mL^-1, 但其检测体系中相较于加入SDM后的荧光强度恢复程度仍然较低, 这说明该检测方法可对SDM有特异性识别作用。