金属纳米颗粒由于具有相对于体材料的特殊性质如尺寸效应、表面效应和量子隧道效应等,使它们在光学性质上表现出极强的吸收、散射以及局域表面等离子共振效应。此外,金属纳米颗粒还具有易于合成修饰、高光学稳定性、无细胞毒性、生物兼容性好等多个优点。受益于这些优异的物理化学性质,金属纳米颗粒已经广泛应用于高信噪比光学成像、光热治疗以及化学传感分析等多个领域中。本论文以开发基于强散射特性的金属纳米颗粒单粒子分辨能力在超灵敏生化分析中的应用为出发点,主要开展了以下几个方面的工作:第一,主要是基础工作的研究。利用离散偶极近似方法模拟计算了几种典型金属纳米颗粒的光学截面。成功合成了金纳米球、金纳米棒和金核银壳纳米颗粒,并进行了相关表征。此外,还探索了稳定可靠的DNA探针偶联方法,为其在生化分析中的应用奠定了基础。第二,开发了基于单粒子色品分析的计算程序,自动识别暗场图像中多种颜色的金属纳米颗粒。在此基础上,采用了基于静电吸附的限域富集方法,使纳米颗粒仅分布于有限区域内,大大提升探测效率,解决了单粒子成像难以应用于低丰度探测的问题。第三,开发了一种新型的超灵敏、快速、低成本的数字化DNA分析方法,其以磁分离和生物分子特异性结合为基础,将样品中的目标DNA分子以1:1的比例转换为金纳米棒,使DNA的探测问题转换为易于定量的金纳米棒探测问题。实验中,对人乳头状瘤病毒(HPV)的基因片段进行了检测,检测限达到6.5aM,线性动态范围四个量级,基本达到了业已商业化的灵敏度表现出色的数字PCR技术的平均水平。第四,开发了一种新型的高灵敏、高通量数字化DNA分析方法,它以偶联有多种DNA探针的磁球来捕获样品溶液中游离的目标DNA分子,利用光谱色可分辨的金属纳米颗粒对靶分子进行编码和标记,通过分类统计各色纳米颗粒的个数,实现多组分靶分子DNA的同时探测。我们将该方法应用于三种病毒基因的同时检测中,检测下限大致在低fM水平。