得益于合成方法的进步和治疗策略的改进,纳米材料在生物医学、特别是诊断和治疗领域的应用日益深入。纳米材料的高效性和安全性是其临床转化应用的重要前提。为了深入了解纳米材料在复杂生物环境中,会与生物界面发生怎样的相互作用,需要对纳米颗粒与活细胞的作用进行精确到单细胞和单颗粒水平的、可定量的研究。通过成像手段,可以对这种互作过程进行直观而连续的监测。但是,常用的荧光成像方法具有诸如光漂白、光毒性等局限性,难以满足长时程、单颗粒分辨率成像分析的需求。借助于贵金属纳米颗粒独特的光学性质,利用暗场显微镜对这些纳米颗粒被细胞摄取、在细胞内的运动、聚集等动态过程进行实时观察,可以为了解“纳米-细胞”界面的互作和分子机制提供重要的可视化证据。本论文选择纳米金和纳米银的作为等离子体纳米探针,以暗场成像作为主要研究手段,通过三部分的工作研究了纳米颗粒与活细胞的相互作用和可能的调控机制。在第一部分的工作中,我们利用纳米金探针研究了细胞膜包裹的纳米颗粒的靶向机理。纳米颗粒表面直接包裹细胞膜的仿生策略,能赋予材料更好的生物相容性和靶向性,已经被证明能够促进包括肿瘤靶向治疗在内的医学应用。但细胞膜成分复杂,其调控纳米颗粒靶向摄取的机制尚不清晰。针对这一问题,我们构建了癌细胞膜包裹的纳米金探针（AuNP@CCM）,借助暗场显微镜定量研究了AuNP@CCM在单细胞水平的细胞摄取和细胞内行为。我们还开发了一套程序,可以基于暗场图像对单个细胞内的纳米颗粒进行定量分析。结果表明,细胞膜包裹后能将纳米金的细胞递送效率提高7倍,且细胞内纳米粒子的聚集速度加快90倍以上。此外,我们发现在肿瘤细胞中普遍较高表达的整联蛋白Integrinα_Vβ₃对于AuNP@CCM的细胞靶向性至关重要。这部分工作为包膜策略的调控机制提供了新的见解。在第二部分的工作中,我们利用纳米银探针研究了纳米材料在细胞内的运动和团聚。纳米颗粒普遍存在细胞内聚集现象,目前,由于缺乏可靠、灵敏的方法进行单颗粒、单细胞水平的定量监测,胞内纳米材料聚集的动态过程和生物学效应仍不清楚。我们以包含有纳米银核心的球形核酸作为多色等离子体探针（plas-SNA）,借助暗场成像手段,针对这个问题进行研究。该探针的颜色变化可以反映纳米粒子的不同聚集状态。我们开发了一套自动化的图像处理和数据分析程序,对原始的暗场图像中的等离子体信号进行识别、分类和统计,结果揭示了细胞内纳米团聚的动态过程。我们通过单颗粒示踪的方法分析了单颗粒,小聚集体和大聚集体的空间分布和运动模式。此外,我们发现,核酸修饰减弱了银纳米的聚集程度,同时减弱了其细胞毒性,这一发现揭示了纳米材料的胞内聚集与其生物学效应的相关性。这部分工作提供了纳米颗粒发生细胞内团聚的定量化信息,从而有助于进行更安全,更有效地纳米设计。在第三部分的工作中,我们利用纳米金探针对纳米材料的细胞外排途径进行了研究。了解纳米材料的细胞外排机制,对于其在临床医疗方面的应用转化至关重要。然而,对于纳米材料是否会在细胞迁移的过程中被清除,还缺乏直接的证据和结论。因此,本研究以纳米金作为成像探针,利用暗场显微镜实时地观察和分析了细胞迁移过程中,纳米金颗粒在收缩丝内的运动和外排过程。结果表明,部分被细胞摄取的纳米金颗粒存在于收缩丝内,且颗粒的运动速率随着与胞体距离的增大而减小,当收缩丝与胞体断开联系后,纳米金颗粒被遗留在胞外。这部分的工作证明外源性的纳米材料可以在细胞迁移过程中被外排,此研究结果有助于设计更安全高效的纳米材料,并应用于诊断和治疗。