超透镜作为一种二维超表面结构最近十多年来得到了广泛的关注。与传统光学透镜相比，超透镜具有超薄和超轻的结构特性以及高度灵活的设计和调控能力，因此，其在推动光学系统向小型化发展中扮演着不可或缺的角色。在显微成像技术中，超透镜又提供了多维度的探索视角，展示了其巨大的发展空间。本文全面回顾了超透镜在显微成像技术的最新进展。首先，详细解释了超透镜的波前调控原理，并总结了超透镜主流的设计方法；其次，介绍了超透镜的加工技术；最后，深入探讨了超透镜在光片荧光显微镜、双光子荧光显微镜和内窥镜等显微成像技术中的应用和研究进展。

本论文构建了基于近红外量子点InP/ZnS和Cy7(C45H44K3N3O16S4)的荧光共振能量转移(FRET)体系, 完成了不同pH值和不同浓度下的FRET体系转换效率的检测。检测结果显示: 当量子点浓度保持不变时, 随着染料浓度的增加, 体系转换效率也随之增加, 当InP/ZnS量子点与Cy7浓度比为1∶250时, 转换效率高达68%。细胞测试结果表明, FRET体系对pH值有较高敏感度, 对细胞微环境pH值的检测精度可达01, 该体系可以作为敏感型FRET探针用于生物微环境检测。

金属纳米颗粒的等离激元共振引起的局域场增强效应, 对显微成像、光谱学、半导体器件、非线性光学等诸多领域都具有极大的应用潜力。尤其是在光学纳米材料领域, 通过亚波长金属纳米颗粒与电介质的组合引起局域场增强效应, 提高了纳米材料的光学性能, 并促进纳米材料在光学领域的应用。本文主要综述几种常见纳米结构所产生的局域场增强效应及其应用, 详细介绍并总结了金属纳米材料的不同结构参数与局域场增强的关系及局域场增强在非线性光学、光谱学、半导体器件等领域的应用。未来, 随着对金属纳米材料的研究愈发深入, 局域场增强的应用将更加广泛, 这将对诸多领域的发展产生重要影响。

基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明, 出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。

随着纳米加工和制备技术的不断发展，金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性，分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制，综述了该增强机制在近几年所取得的最新研究成果及其在生物成像领域的应用。金属纳米颗粒等离激元共振在增强介质非线性特性领域的发展趋势是从简单的金属纳米颗粒向复杂形状纳米颗粒和金属纳米颗粒组装体的发展，这些新型金属纳米颗粒在非线性光学、生物医学上的疾病诊断和治疗有良好的实际应用前景。

选用天然多糖中唯一的碱性多糖——壳聚糖作为稳定剂和包裹剂,成功合成了水溶性的AgInS2量子点/低分子量壳聚糖纳米复合材料(AgInS2/LCSMS)。利用透射电子显微镜(TEM)、FT-IR傅里叶红外光谱仪、紫外吸收光谱、荧光分光光度计等表征手段对纳米复合材料的形貌、化学组成及光学性质进行了研究。结果表明,AgInS2/LCSMS纳米复合材料的粒径约为5~6 nm,在水相中仍具有较稳定的发光。之后,对AgInS2/LCSMS纳米复合材料的生物相容性进行了研究,对比AgInS2/LCSMS纳米复合材料与AgInS2量子点的细胞活性测试结果发现,AgInS2/LCSMS纳米复合材料的细胞活性比AgInS2量子点有了明显的提高,说明通过低分子量壳聚糖的包裹可以明显提高纳米材料的生物相容性。因此,这类具有较好水溶性和生物相容性的荧光 AgInS2/LCSMS纳米复合材料可作为优良的生物荧光标记材料在生物医学检验、细胞以及活体成像研究中有广泛的应用前景。

以表面修饰巯基十一烷酸的金纳米棒 (GNRs/MUA)为骨架,将低分子量的聚乙烯亚胺(PEI)连接到GNRs/MUA表面,构建GNRs/MUA/PEI纳米载体。首先采用MUA对GNRs进行表面修饰,减少由于GNRs表面的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)所造成的生物毒性。然后采用低分子量 PEI 进一步修饰,同时利用GNRs巨大的比表面积进一步放大 PEI 的携带基因能力,这样既能够降低阳离子聚合物的毒性,又能够提高整个体系的转染效率。利用透射电子显微镜(TEM)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、Zeta电位等对纳米载体进行了表征。结果显示,MUA与PEI已成功修饰到GNRs表面,并很好地保留了GNRs的光学性质,其表面电位发生正负交替变化。采用噻唑蓝(MTT)比色法对纳米载体进行细胞毒性研究,结果显示GNRs/MUA/PEI(1.8 kDa)非病毒纳米载体,细胞存活率在控制聚合物浓度为300 μg/mL时仍然稳定在75%以上,明显高于商品化的PEI(25 kDa)。

成功制备出高品质的三元AgInS2量子点。通过配体交换法将油溶性AgInS2量子点转为水溶性量子点, 通过dBSA修饰水溶性量子点形成配位体壳, 使量子点具有更好的稳定性(4周)。从透射电子显微镜(TEM)观察到dBSA修饰后的量子点的粒径增加, 分散性较好, 并且在可见光区域有明显的光致发光。用叶酸对dBSA-MPA量子点进行修饰, 并通过傅立叶变换红外光谱进行了验证。将得到的FA-dBSA-MPA纳米复合材料应用于能与叶酸受体特异性结合的乳腺癌细胞中, 并在荧光倒置显微镜中检测到量子点成功对乳腺癌细胞进行了标记。与dBSA-MPA量子点相比, 表面被叶酸修饰后的量子点与癌细胞的结合效率显著提高。

采用油相法合成了CdSe/CdS/ZnS量子点, 相对于CdSe量子点, 其吸收光谱、发射光谱均发生了红移。利用COMSOL Multiphysics软件模拟CdSe/CdS/ZnS量子点光纤和甲苯光纤的电场分布, 结果表明CdSe/CdS/ZnS量子点光纤的电场强度高于甲苯光纤。采用中心波长为532 nm的稳态半导体激光器作为光源, 对甲苯光纤、CdSe/ZnS量子点光纤、CdSe/CdS/ZnS量子点光纤进行电压信号测试, 发现CdSe/ZnS量子点光纤和CdSe/CdS/ZnS量子点光纤的电压信号值相对于甲苯光纤电压信号值分别增强了6.28 mV和18.43 mV, 表明双壳型量子点光纤的增益高于单壳型量子点。

采用激发波长800 nm、脉宽50 fs、重复频率1 kHz的Ti:sapphire放大飞秒激光器作为激发光源，利用开孔Z扫描技术研究了不同粒径的CdTe:Mn量子点的非线性吸收性质。理论计算结果表明，同一生长时间CdTe:Mn量子点的双光子吸收系数是CdTe量子点的1.1倍，其双光子吸收系数随量子点尺寸的减小而增大，这是由于CdTe:Mn量子点非线性吸收属于反饱和吸收，掺杂了Mn元素，减小了表面缺陷浓度，表明掺杂量子点具有很好的双光子吸收现象。