近年来,近红外长余辉发光纳米探针由于其在无生物荧光背景余辉成像为导向的精准医疗领域中显示出潜在的应用前景,而受到了人们的广泛关注。其中,Cr³⁺掺杂的镓锗酸锌（ZGGO:Cr）纳米探针由于其位于近红外一区（NIR-I）内700 nm附近的超长余辉发光,在活体生物成像、局域组织生物温度传感和余辉诱导的活体光动力治疗等领域取得了突破性进展。然而,目前ZGGO:Cr余辉纳米探针在肿瘤的精准诊断和治疗应用中仍存在一些尚未解决的难题。例如,如何构建和制备能同时实现无生物荧光背景的温度探测和成像的高性能近红外长余辉纳米探针;如何设计和制备面向深组织肿瘤无生物荧光背景成像的近红外二区（NIR-II）和三区（NIR-III）长余辉纳米探针;如何开发无生物荧光背景成像与光热治疗一体化的多功能近红外长余辉纳米平台等。针对以上重要课题,本论文采用水热合成法结合真空条件下的热处理技术,基于阳离子掺杂策略制备得到了尖晶石相的Zn₂Ga_3.98-4x/3Ge_xO₄:Cr_0.02（ZGGO:Cr）以及Zn₂Ga_2.98-xGe_0.75O₈:Cr_0.02,R_x(ZGGO:Cr,R;R=Nd³⁺,Er³⁺)纳米粒子。通过优化不同阳离子的掺杂浓度,系统研究了其对ZGGO:Cr纳米粒子的微结构、尺寸分布、近红外发光与余辉特性、持续能量传递、余辉成像、温度传感、光热转换等性能的影响,并讨论了余辉发光机理。得到的主要研究成果如下:基于Ge⁴⁺非等价取代Ga³⁺的掺杂策略,制备了不同Ge⁴⁺掺杂浓度的ZGGO:Cr纳米粒子。在较大的Ge⁴⁺掺杂浓度范围（0.45-0.90）内,制备得到了纯尖晶石相的类球形纳米粒子,进一步拓展了目前镓锗酸锌纳米材料的合成方案。随着Ge⁴⁺掺杂浓度的提高,粒子的平均粒径明显减小,当0.60≤x≤0.90,平均粒子尺寸约为46 nm。在纯相范围内,随着Ge⁴⁺掺杂浓度逐渐增大,ZGGO:Cr近红外光致发光强度显著提高,基质的晶格常数及Zn-O,Ga-O,Cr-O键长缩短,发光中心附近的晶体场强度增大。另外,Ge⁴⁺非等价取代引入了Ga³⁺空位、Zn′_Ga-Ga°_Zn反替位缺陷以及其它带电缺陷,使材料中的陷阱深度逐渐变浅;同时Ge⁴⁺掺杂导致ZGGO基质的禁带宽度减小,使材料的近红外余辉强度相比未掺杂Ge⁴⁺的样品提高一个量级,余辉时间达到15 h以上。另一方面,基于分布在ZGGO纳米粒子内部的Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂与²E→⁴A₂磷光发射积分强度比,建立了修正的温度计温标,获得了余辉成像与无生物荧光背景温度探测双功能纳米探针。实验表明,Ge⁴⁺掺杂策略可以提高ZGGO:Cr纳米温度计的相对灵敏度。当x=0.90,在生理温度窗口（295-328 K）内的最大相对灵敏度达到1.0%K^-1。采用水热合成法结合真空条件下的热处理技术制备了不同Nd³⁺掺杂浓度的ZGGO:Cr_0.02,Nd_y无生物荧光背景的NIR-I/II长余辉纳米探针。一方面,对于较小浓度的Nd³⁺掺杂系列样品（0≤y≤0.04）,随着Nd³⁺掺杂浓度增大,平均粒子尺寸从45.4 nm逐渐增大至82.2 nm。在635 nm激发策略下,基于Cr³⁺到Nd³⁺的持续能量传递,同时获得了位于NIR-I区696 nm附近(归属于Cr³⁺的²E,⁴T₂→⁴A₂跃迁)以及NIR-II区1067 nm附近(归属于Nd³⁺的⁴F_3/2→⁴I_11/2跃迁)的余辉发光,其余辉发光时间分别达到800 min及10 min以上。通过Nd³⁺,Cr³⁺共掺杂,将ZGGO近红外余辉成像纳米探针的工作波长由NIR-I拓展至NIR-II窗口。此外,相比于酸性的模拟溶酶体环境,ZGGO:Cr_0.02,Nd_0.02纳米粒子在?H₂O和人血清白蛋白（HSA）溶液中显示出更好的稳定性,这是由于酸性环境对含金属成分的纳米粒子的腐蚀与降解作用造成的。同时,在X射线激发策略下,基于ZGGO:Cr_0.02,Nd_0.02纳米粒子在模拟体液环境中获得了可重复的余辉成像。在0-2.5 cm厚度的猪肉组织下的余辉强度测试表明,基于X射线激发策略的NIR-I余辉成像与红光（635 nm）激发策略下的NIR-II余辉成像均具有较强的组织穿透能力。以上结果表明,ZGGO:Cr,Nd纳米探针适用于深组织NIR-I/II余辉成像。另一方面,对于高浓度Nd³⁺掺杂的ZGGO:Cr_0.02,Nd_y（y=0.2,0.4）纳米粒子,其尺寸变化不大,约为81 nm。随Nd³⁺掺杂浓度增大,样品位于NIR-I区的光致发光及余辉强度逐渐降低。在808 nm激发下,高浓度Nd³⁺掺杂的ZGGO:Cr,Nd纳米粒子具有明显的光热转换效应。研究表明,ZGGO:Cr_0.02,Nd_0.2的水分散体系（20 mg/mL）的温度增量与808 nm辐照光功率密度成正比;在1 W cm^-2的808 nm辐照下,其光热转换效率为42.7%。以上结果表明,高浓度Nd³⁺掺杂的ZGGO:Cr,Nd粒子可作为多功能光学纳米探针,在无生物荧光背景成像和肿瘤光热治疗领域具有潜在应用前景。采用水热合成法结合真空条件下的热处理技术制备得到了不同Er³⁺掺杂浓度的ZGGO:Cr_0.02,Er_y（0≤y≤0.04）纳米粒子。纳米粒子的平均粒径随着Er³⁺掺杂浓度增大逐渐减小,这与Er³⁺掺杂后改变了纳米粒子的成核速率有关。随Er³⁺掺杂浓度增大,ZGGO:Cr,Er纳米粒子的NIR-I光致发光强度逐渐减弱。此外,Er³⁺掺杂导致基质的陷阱深度变深,NIR-I(λ_em=696 nm)余辉发光强度逐渐减弱。在近红外光（651 nm）辐照后,基于ZGGO:Cr,Er纳米粒子中Cr³⁺到Er³⁺的持续性能量传递,同时获得了位于NIR-I区696 nm附近(归属于Cr³⁺的²E,⁴T₂→⁴A₂跃迁)以及NIR-III区1540 nm附近(归属于Er³⁺的⁴I_13/2→⁴I_15/2跃迁)的余辉发光,其余辉时间分别达到850 min及5 min以上。由此,我们基于Cr³⁺,Er³⁺共掺杂的ZGGO纳米粒子再一次拓展了近红外生物余辉成像的工作波长区间,更有利于实现面向深层组织的无生物荧光背景的余辉成像。