上转换纳米颗粒作为一类优质的荧光探针材料,已经在检测领域表现出巨大的应用前景。其中,用单颗粒构建荧光纳米探针具有重要的研究意义,因为它可以对单分子进行检测,揭示分子层面的物理化学性质,而这种性质是通过总体观察不能实现的。但是目前开展单分子检测比较困难,原因主要来自两方面:第一,传统的上转换纳米颗粒多为低浓度稀土离子掺杂,从纳米颗粒到一些功能性分子之间的能量响应是非常弱的,这可能是由于低掺杂时稀土离子之间距离较远导致的弱的能量传递作用;第二,目前高浓度稀土离子掺杂的上转换纳米颗粒中,离子之间增强的相互作用使能量快速传递到颗粒表面,最终被颗粒表面淬灭基团所吸收,发生严重的浓度淬灭效应。因此,如何设计上转换纳米颗粒使之作为能量供体,通过颗粒与分子之间的能量交互作用,在单颗粒的尺度下对单分子进行检测分析仍然是一个非常大的挑战。本论文基于上述科学问题,选取Tb³⁺作为激活离子,合成了不同浓度Tb³⁺掺杂的核壳上转换纳米颗粒作为能量供体,并选择带羧基的氟硼二吡咯染料衍生物（BODIPY TMR carboxylic acid,BDP TMR）作为受体小分子,对高掺Tb³⁺上转换纳米颗粒中浓度淬灭原理以及能量传递过程进行了详细研究。主要研究结果如下:（1）通过热注射法精确控制核壳纳米颗粒的尺寸和形貌,改变Tb³⁺掺杂浓度和受体小分子的负载个数,在甲醇溶液中对光谱和寿命的变化进行表征。发现能量传递效率与Tb³⁺掺杂浓度和受体小分子的负载个数呈现明显的正相关关系,证明了高掺Tb³⁺的纳米颗粒NaYbF₄:Tb（40 mol%）@NaTbF₄可以显著的提高从上转换纳米颗粒到荧光小分子的光谱响应作用,更加高效的敏化有机荧光小分子。（2）通过相应的理论模型计算,采用传统低掺Er³⁺的纳米颗粒NaYF₄:Yb/Er（18,2 mol%）@NaYF₄作为对比,研究了高掺Tb³⁺的纳米颗粒NaYbF₄:Tb（40 mol%）@NaTbF₄的能量传递速率及效率。结果显示NaYbF₄:Tb（40mol%）@NaTbF₄能量传递速率比传统低掺的上转换纳米颗粒高了一个数量级,并且在低浓度小分子负载时具有更优越的敏化能力,有望实现对单个小分子的敏化。（3）从显微光谱学的角度出发,利用单个高掺Tb³⁺的上转换纳米颗粒作为探针,对单个小分子动态衰减进行了研究。首先构建了NaYbF₄:Tb（40mol%）@NaTbF₄-BDP TMR的单颗粒纳米探针,然后通过共聚焦显微光谱测试检测单颗粒尺度下小分子的发光。此外,通过调节小分子的负载浓度,基于光漂白原理提出了对负载小分子的个数进行统计的光谱学方法,并且研究了小分子的衰减动力学。本研究为构筑多功能的单分子纳米探针提供了前所未有的机会和更广阔的应用领域。