光学显微成像技术在显微生物学的发展中发挥重要作用,同时成为材料学、医学、光学、能源等其他领域不可或缺的重要工具。随着16世纪第一台现代意义上的显微成像系统被研制,光学显微成像技术一直受限于光的衍射效应限制,导致生物学家用光学显微方法无法直接观测到200 nm以下的生物结构。近几十年来,随着相关光学技术和材料研究的进一步完善,越来越多突破衍射极限的超分辨显微成像技术被提出,2014年诺贝尔化学奖被授予该领域,进一步促使了超分辨显微技术的发展。在目前众多超分辨显微成像技术中,受激辐射损耗显微技术（STED）通过改造共聚焦显微系统,采用激发光束和损耗光束相结合的形式压缩成像光斑的点扩散函数（PSF）,从而实现超分辨成像,因此其不仅保留共聚焦系统的优点,同时能快速直接获取样品的超分辨显微图像信息,无需进一步后期处理。在生物研究领域,金纳米颗粒作为常用的等离子体纳米颗粒,被广泛用于生物成像、免疫标记、光热治疗、药物载体等方面,起到非常重要的作用。在此研究背景下,本论文从传统的STED显微技术出发,分析该显微技术存在的缺陷,结合等离子体纳米颗粒的特性,提出了基于金纳米颗粒非线性饱和散射特性的非荧光超分辨显微成像系技术,并演示了该技术在生物成像中的应用。具体内容如下:1)非荧光STED超分辨显微成像系统的搭建。考虑到等离子体纳米颗粒的非线性特性在实验中的作用,本论文在前期系统搭建过程中选用了脉冲光作为激发光,连续光作为抑制光,在共聚焦成像系统的基础上,针对激光光强分布和多光路重合等问题进行一系列的优化,成功构建出非荧光超分辨显微成像系统。最后通过对荧光生物样本进行超分辨成像测验,成功得到了40 nm的分辨率。2)不同的金纳米颗粒非线性饱和散射特性与超分辨成像的研究作为常用的等离子体颗粒,金纳米颗粒的表面等离子体效应与其尺寸、形状存在一定的相关性。通过对金纳米颗粒非线性特性系统的研究,发现金纳米颗粒饱和散射特性与表面等离子体效应、全光调制特性存在一定的关系。随着金纳米颗粒尺寸的增加,其表面等离子体共振峰值也逐渐增大,出现“红移”现象。对于金纳米颗粒的饱和散射特性,其等离子体效应起主要作用,即当等离子体共振峰越接近调制光波长,金纳米颗粒越容易达到饱和,其全光调制特性越容易达到。在实验过程中,采用高斯激发光和环形调制光照射不同尺寸的金纳米颗粒,在低于传统STED系统抑制光功率3个数量级下实现了83nm的高分辨率,即为波长的1/7,为后续超分辨生物实验奠定实验基础。3)散射型非荧光超分辨显微复用成像系统。本实验基于前期对金纳米颗粒的饱和散射特性和超分辨成像的研究,提出在生物实验过程中,以不同尺寸的金纳米球作为复合超分辨探针,与人成骨瘤细胞（MG-63）相结合,进一步研究其全光调制特性和尺寸效应,首次实现了基于金纳米颗粒饱和散射特性的超分辨生物双色复用显微成像,其成像分辨率达到120 nm,依然同时实现抑制光功率存在3个数量级的降低,这对散射型非荧光超分辨显微系统在生物复杂环境中的进一步应用具有重要意义。本论文工作的创新点是,系统研究金纳米颗粒的表面等离子体非线性饱和散射特性,揭示了其饱和散射特性与等离激元共振效应及颗粒尺寸的依赖关系,提出并构建基于金纳米颗粒饱和散射特性的非荧光超分辨显微成像系统,实现了金纳米颗粒探针的非荧光超分辨成像,同时将该系统进行生物成像应用,获得基于金纳米颗粒的双色复用生物超分辨图像。