纳米晶独特的光学性质使它们在众多领域具有广阔的应用前景,生物标记和成像是其中重要的应用方向之一。半导体纳米晶(量子点)和贵金属纳米颗粒是纳米晶中重要的两类。本论文旨在研究量子点和纳米金棒的设计与合成、光学性质、细胞毒性、生物标记与成像应用以及单生物分子示踪应用。量子点是一种在近年迅速发展起来的新型荧光探针。本论文制作了两种高质量的水溶性量子点作为荧光探针用于生物成像,它们分别是水相法合成的MSA包覆CdTe/ZnSe量子点和水热法合成的MSA包覆CdTe量子点。它们均具有绿、黄、橙到红色波长连续可调的荧光发射,高荧光量子产率,窄荧光峰半高宽,高光学稳定性和pH环境稳定性,以及低细胞毒性等优点。这两种量子点分别制作成量子点-免疫球蛋白G荧光探针,对MCF-7细胞上的癌细胞标记物HER2进行标记和荧光显微成像。单量子点的荧光闪烁会导致单分子动态示踪过程的信息丢失。本论文从实验上研究了量子点荧光闪烁现象及其物理机理。我们发现两个靠近的量子点的荧光趋于同步闪烁,即荧光闪烁聚束效应。带电的量子点的长程库伦作用可能是单量子点闪烁和量子点对闪烁聚束效应的原因。随着纳米材料的应用日趋广泛,纳米材料对人体及生物环境的影响不可忽视。本论文以人脐静脉血管内皮细胞作为体外模型,对CdTe量子点的细胞毒性进行了系统研究。实验结果显示,CdTe量子点通过线粒体凋亡途径诱导细胞凋亡。线粒体凋亡途径包括细胞膜磷脂酰丝氨酸翻转、胞内活性氧水平升高、线粒体功能障碍、释放细胞色素c、激活半胱氨酸蛋白酶等环节。加入药物可以切断或缓解该凋亡过程。基于纳米金颗粒的表面等离子体共振增强瑞利散射光学性质,纳米金颗粒可以作为散射探针,用于生物标记和成像。为了用种子生长法获得高产率和均一形貌的纳米金棒,我们系统地研究了反应溶液中CTAB和银离子浓度比例对产物的影响。结果表明纳米金棒的形貌和产率可以通过调整溶液中CTAB和银离子浓度之间的相对比例进行有效的调控。高质量的纳米金棒用于标记COS-7细胞,并在暗场散射成像。最后本论文对在分子尺度上的生物分子扩散与作用进行了探索性实验研究。一方面,运用负折射成像原理,利用银与PMMA在365nm波长上的介电常数匹配,设计并制成银平板超透镜,在可见光波段成功突破了衍射极限。但是由于这种成像方法对样品要求苛刻,目前并不适合推广到活细胞成像的应用中。另一方面,用量子点和新型人工抗体affibody偶联制成生物荧光探针,对A431表皮癌细胞上的HER2单分子进行标记与实时追踪,对HER2单分子在细胞膜上的扩散运动的扩散系数、瞬态隔离区域尺寸、分子与瞬态隔离区域作用模式等方面进行了深入的研究。