氧化物上轉換納米晶的這些潛在應用對上轉換熒光光譜有著很高的要求。生物醫學多色成像要求在同一波長激發下上轉換納米晶能夠發出不同的顏色，且主帶光譜不發生重疊；光動力治療技術則同樣要求上轉換納米晶能夠實現不同顏色的主帶發射，從而能夠激發具有不同吸收波長的光敏劑；三維立體顯示器則需要白光的上轉換背景照明；不依賴於溶液顏色的生物熒光標記則也同樣需要白色的上轉換輸出。然而目前沒有經過設計的上轉換熒光光譜滿足不了這些要求。本章針對需要比較突出的單一波長激發下的上轉換多色輸出以及白光輻射進行光譜設計，並研究其產生物理機製。
ZrO2納米晶上轉換熒光的設計
一、ZrO2納米晶在納米熒光標記領域的應用
熒光標記技術在單病毒追蹤、離子通道檢測、基因傳送、DNA解序和共振能量傳遞等生命科學領域都有著廣泛的應用。生命科學的快速發展則越來越需要科學家們發現和設計高性能的生物熒光標記。稀土摻雜的無機納米晶具有光學穩定，直接激發，和無背景探測的特點，因而作為新一代的生物熒光標記近年來收到人們的極大關注。與傳統使用的熒光標記（如有機染料和量子點）相比，這些上轉換納米熒光標記克服了有機染料易發生光漂白的缺點和量子點由於紫外激發引起的高探測背景的特點。此外，與傳統的多光子熒光標記相比，它無需昂貴的近紅外超短脈衝激光器，隻需要廉價的連續紅外二極管激光器的激發就可以實現高效的可見區上轉換熒光。這些獨有的特點使得上轉換納米熒光標記成為生物醫學領域新興的研究熱點。
這些單帶的特點使得它們與傳統的上轉換熒光輻射截然不同，即傳統的上轉換熒光在可見區同時存在幾個發光帶，而我們設計的熒光在可見區隻存在一個帶。這一設計使得上轉換納米熒光標記可以應用於更多的生物光學識別領域，如細胞的多色成像，光學編碼和多分子目標的同時探測等。
二、樣品合成與結構、形貌表征
D=Kλ/βcosθ(5.2-1)
其中K=0.89,D為納米晶的直徑，λ為CuKα輻射波長，β為衍射峰半峰寬校準因子，θ為布拉格衍射角。根據公式（5.2-1），ZrO2:Er3+1mol%和ZrO2:Er3+1mol%,Yb3+10mol%納米晶的直徑分別計算為29和18nm，比
三、雙色頻率上轉換熒光輻射設計
理想的多色熒光標記需要發出窄帶、對稱、光譜可分辨的熒光輻射，並且所有的熒光標記都能夠在單一波長下被激發。對於稀土摻雜的ZrO2納米晶，單綠和單紅的半峰寬為23和32納米。這一半峰寬可以與目前最好的多色熒光標記，即量子點相媲美，同時比傳統的熒光素要窄。另外，單綠、單紅的熒光發射是在同一980nm波長激發下誘導產生的。以前有文獻報道在ZrO2納米晶中在980nm實現窄帶單藍色的上轉換輻射。結合我們的設計工作，這樣就在單一波長激發下在ZrO2納米晶中就實現三種顏色的上轉換熒光輻射，使得他們很有潛力去取代量子點和有機染料實現更好的無背景多色成像。
SR=Imain/(Idec-Imain)(5.2-2)
四、雙色頻率上轉換熒光輻射的物理機製
上轉換熒光分析：
進一步，
上轉換機製分析：
所有的實驗現象表明，解決問題的關鍵點在於理解為什麼Yb3+離子濃度高時，會發生單光子過程並在4F9/2（Er）態大量布居粒子。
物理機製理論研究：為了證實同時也為了描述4I13/2態的飽和行為，我們采用下麵的穩態速率方程來描述這個體係：
0=W0NYb1N0-R2N2-W2NYb1N2(5.2-3)
0=W2NYb1N2-R4N4-W’NYb0N4(5.2-4)