近年来纳米技术得到了全方位的发展，微纳尺度光热转换与传输在包括生物医学领域在内的众多应用中起到至关重要的作用。2018年世界卫生组织公布的数据显示，全球癌症发病率和死亡率仍呈快速上升趋势。微纳尺度材料特有的高效光热转换特性可产生纳米尺度的高热流密度可调控热源，从而为新一代精准医学诊疗技术以及其他潜在的应用提供新的途径。纳米颗粒辅助的激光诱导肿瘤热疗技术是一种极具前景的精准肿瘤替代疗法，近些年得到了快速发展。然而，现有技术主要通过实时测温技术（热电偶、近红外测温、超声测温、光声测温以及磁共振温度成像技术等）监控肿瘤区域及周围组织温度，在此基础上通过调节热剂量（激光功率、超声强度或磁场强度等）来控制肿瘤区域温度。由于测温技术存在一定误差以及热剂量调控的滞后性，对于肿瘤区域温度的实时精准调控具有一定的困难。除此之外，在肿瘤光热治疗过程中，由于纳米颗粒对激光的强衰减作用，往往在肿瘤与正常组织交界处形成高温区域，由于热扩散作用导致正常组织的过热现象很难避免。
　　基于以上问题，本文主要研究了外加光源激励下单个纳米颗粒和纳米颗粒团聚体的局部表面等离激元共振作用引发的独特光吸收和散射现象，以及由此产生的局部微纳尺度热源导致的微纳结构周围基底介质相变过程，在此基础上提出基于纳米颗粒光热特性的肿瘤热疗过程温度场的主动和被动控制方法。主要内容如下：
　　纳米颗粒光热转换特性的理论研究目前更多的针对于简单形状的纳米颗粒，而对于复杂形状颗粒的研究多集中在实验领域。与此同时在光热治疗中为减少细胞毒性，纳米颗粒表面常修饰其他材料，如聚乙二醇（Polyethylene glycol,PEG）等。本文研究了金纳米笼结构参数对其光学性质（吸收因子、光吸收效率）的影响，发现金纳米笼在特定条件下的多级共振现象，可通过调节结构尺寸使金纳米笼更加适用于生物成像及激光诱导热疗中。在此基础上开展了金纳米颗粒表面修饰PEG对其光热特性影响的研究。分析了金纳米球及金纳米棒不同PEG修饰厚度下的吸收及散射特性，并考察了不同PEG折射率的影响。研究发现PEG厚度对于纳米颗粒光热性质的影响主要依赖于纳米颗粒的形状，在金纳米球及金纳米棒具有不同的规律。PEG折射率与环境折射率的相对大小对于纳米颗粒光热性质有重要影响。
　　对纳米颗粒多聚体的温度分布及相变的精准调控对于微纳尺度加热（融化）在生物医学领域的应用具有重要意义。针对此问题，本文研究了纳米颗粒二聚体在外加电磁场作用下的光热响应及微纳尺度相变情况。采用等效热容法研究了外加电磁场作用下不同形状和大小单个纳米颗粒周围基底介质相变情况及其影响因素。考察不同布置方式的纳米颗粒二聚体及周围基底介质的温度分布和相变情况，并通过改变电磁场偏振方向对微纳尺度温度分布和相变情况进行调控。研究发现可以通过调整光偏振角来控制基底介质的相变情况，并精确控制纳米级的温度分布。
　　在肿瘤热疗过程中较高的激光功率可能会对正常生物组织造成热损伤，同时提高纳米颗粒的粒径又不利于其向肿瘤区域扩散。纳米颗粒间的相互作用可有效增强其光热转换能力，提高其发热功率，同时会大幅增强颗粒间的电磁场强度。因此本文研究了纳米天线对局部电磁场的增强效果，分析了热叠加效应和等离激元耦合效应对局部热点温升的贡献，与此同时，研究纳米颗粒短链结构的光学特性，提出了一种可用于肿瘤光热诊疗过程的纳米颗粒复合物诊疗剂，并分析了杂质对于所提出纳米诊疗剂的影响。
　　为避免肿瘤热疗过程中正常组织长时间过热，需对热疗过程中肿瘤区域的温度进行实时精准调控。针对此问题，本文提出了一种通过调节纳米颗粒各向异性散射特性来优化肿瘤热疗过程光热传输的方法，以实现对肿瘤区域温度的主动调控，从而提高肿瘤热疗的靶向性，减小周围组织的过热情况。利用离散偶极子近似方法（DDA）研究不同形状、粒径纳米颗粒的各向异性散射特性，在此基础上，获得前向和后向散射条件下生物组织内的光热传输特性和肿瘤热疗过程温度场主动控制方法。
　　为了改善主动温度控制方法测量设备复杂以及温度控制滞后等问题，本文提出了一种基于光学相变纳米材料（固-固相变）的肿瘤热疗温度场被动调控方法，利用光学相变材料到达临界温度后光学常数发生剧烈变化的特性，实现当组织温度较高时可以减小其对光的吸收，进而达到高温区温升速率降低，低温区温升速率升高的目的，以提高靶向区域的温度均匀性，减小因热扩散引起的周围正常组织过热甚至热损伤。针对此问题研究了不同光学相变材料（VO2和Ge3Sb2Te6）、不同粒径纳米球及纳米壳相变前后的光学特性，在此基础上进一步研究了在相变纳米球表面添加SiO2纳米壳层后对其光学特性的影响。