随着纳米、材料、光学技术的发展,纳米发光材料的显微成像被广泛应用于在量子信息技术、生物标记成像、纳米尺度传感等领域的研究。然而,在实际应用中,由于受限于自身性质的原因,有些纳米发光材料并不能很好的满足实际应用的需求。为了提高纳米材料的发光特性以满足实际应用需求,本论文结合纳米金属结构诱导产生的表面等离子体增强效应,对光致稳定的单纳米颗粒如金刚石色心、倍频晶体、稀土上转换荧光材料的显微成像及发光特性进行了研究,并进一步探讨其应用。论文的工作包括以下主要内容：第一,研究了纳米金刚石中的单氮空穴(NV, Nitrogen-Vacancy)色心作为单光子源的光物理性质。当与50 nm的金薄膜耦合后,单NV色心在保持其单光子发射体性质的同时,其光致荧光强度得到显著增强。通过分别对纳米金薄膜上和玻璃板上多个单NV色心的光物理性质进行测量并统计处理比较发现,位于纳米金薄膜上的单NV色心有着更低饱和功率、更高的饱和计数和更短的激发态寿命特性。表面等离子体共振引起的增强电场以及表面等离子体与NV色心激发态之间的能量转移是其光致荧光增强的主要原因。通过散焦成像的实验方法,并结合理论模拟计算结果,对位于纳米金薄膜上单NV色心的空间取向进行了研究。跟其他的取向相比,空间取向垂直于纳米金薄膜的单NV色心有着更短的荧光寿命和更高的荧光强度,展现出更高的局域场耦合效率。这些结果将有益于高效、长时间稳定的实用化单光子源的研究。第二,研究了纳米倍频晶体铌酸钠(NaNbO3)二次谐波产生的光学性质。通过用纳米镀金针尖扫描在激光聚焦下的单NaNbO3纳米晶体,演示了针尖增强的二次谐波显微成像。当纳米镀金针尖位于单NaNbO3纳米晶体附近时,产生的二次谐波信号显著增强,并且增强倍数强烈依赖于激发偏振与激发功率。当激发功率达到12 mW时,实验观测到超过12倍的针尖增强效果。利用非线性过程中的光致稳定和无饱和效应的优势,针尖增强的二次谐波显微成像技术将在生物标记及成像领域有着广阔的应用前景。第三,研究了稀土掺杂纳米颗粒镱铒共掺四氟钇钠(Yb3+/Er3+:NaYF4)的上转换荧光性质。利用纳米镀金针尖引起的高局域增强电磁场,演示了单Yb3+/Er3+:NaYF4纳米颗粒的针尖增强上转换荧光显微成像,得到最高11倍的增强倍数。在增强上转换荧光信号的同时,还提高了显微成像的空间分辨率。通过分别研究不同跃迁途径的上转换荧光的光学特性(包括激发功率依赖,荧光寿命),结果表明镀金针尖通过提高Yb3+/Er3+:NaYF4纳米颗粒对入射光场的接收与传输,进而影响上转换过程,显著增大吸收和发射截面,实现上转换效率的提高。第四,研究了稀土掺杂纳米颗粒紫外上转换荧光在生物领域的应用。由于生物细胞在紫外辐照下会使得细胞内DNA发生损伤,从而引起影响并阻碍DNA的转录与复制过程,导致细胞的死亡。基于这一原理提出一种潜在的细胞治疗方案：将镨掺杂钇铝石榴石(Pr:YAG)纳米颗粒置于癌细胞内,在488 nm激光激发下产生的紫外上转换荧光可引起癌细胞凋亡。通过实验演示验证紫外上转换引起人宫颈癌(HeLa)细胞的凋亡,并进行了Pr:YAG纳米颗粒的细胞毒性和细胞摄取检测,同时用对照试验排除了激光自身导致细胞死亡的嫌疑。基于所搭建的装置,初步确定开始引起HeLa细胞凋亡的紫外荧光剂量。