过去十年,有关纳米材料生物医学成像的研究经历爆炸性增长。单粒子实时示踪技术作为一种分析生物学过程和解析生物体内组织构架的强有力方法,对生物医学方面的研究具有十分重要的作用。作为一个基础的问题,纳米颗粒和单个活细胞之间的相互作用已经引起了相关生物化学和生物研究的兴趣。目前,已经开发了包括光学显微镜,ICP-AES和TEM在内的多功能技术来研究尺寸,形状和表面化学对纳米颗粒与细胞相互作用的巨大影响。由于缺乏对于该过程动力学分析的技术,目前大多数研究仅关注纳米颗粒内化的定量测定。基于此,我们基于暗场显微成像技术对单个纳米棒的旋转和平移运动进行示踪,并证明了该技术在纳米粒子与细胞相互作用动力学研究中的应用。因此,本论文:在第二章中,我们利用传统暗场显微镜建立了简便有效的双模态单粒子示踪方法。该方法利用金纳米棒空间构象与散射相斑颜色的对应关系,通过分析探针在运动过程中的颜色变化,可实现对其位置信息与空间构象信息的同时高效分析。在第三章中,利用传统暗场显微镜,我们实现了实时监测单个金纳米棒与细胞相互作用的内吞过程。获得了单个金纳米棒与细胞相互作用过程中的平动运动与旋转运动信息,阐释了金纳米棒在与细胞相互作用的内吞过程中的平动动力学和旋转动力学信息,表明通过受体介导内吞的金纳米棒在跨膜时垂直于膜的方向进入细胞。证明了传统的暗场成像技术是研究纳米颗粒与细胞相互作用良好的技术手段,同时获得了更多的生物学信息。在第四章中,我们引入了双通道散射成像技术,用于示踪单个纳米棒的旋转和平动。这种双通道散射成像通过在显微镜的光收集路径中添加包含偏振器的分束器装置来实现。在彩色CCD成像后,分别根据两个通道中图像的颜色信息确定金纳米棒的极化角和方位角,从非偏振成像通道获得纳米棒的定位信息。与以前的技术相比,该方法在纳米颗粒与细胞相互作用过程中能更直观地确定单个纳米棒的旋转和平移信息且具有更高的精度。可以预期,该技术对于在纳米材料生物医学成像研究中的应用是有希望的。我们利用建立的双通道散射成像技术实现了对金纳米棒在细胞环境中三维空间构型的测定。研究不同表面修饰的金纳米棒与细胞的相互作用过程中三维空间取向以及不同修饰的金纳米棒在进入细胞过程中平动和转动行为。该方法对于研究纳米材料或者纳米尺度上生物功能分子的构象和旋转运动动力学有重要的意义。