Au纳米颗粒表现出与体相材料所不同的特殊光学特性。Au纳米颗粒与特定波长的入射光相互作用时会产生局域表面等离激元共振现象,从而导致纳米颗粒呈现强烈的光吸收和散射特性,并导致纳米颗粒表面附近的局部电场大幅增强。基于这些独特的光学特性,Au纳米颗粒在生物、医学、化学、信息、能源、环境等众多领域得到广泛应用。深刻认识和理解Au纳米颗粒光学特性变化规律与调控机理对于Au纳米颗粒的实际应用具有重要的指导意义。粒径和浓度是Au纳米颗粒的两个重要参数,它们不仅直接影响到颗粒的光学性能,而且决定着Au纳米颗粒在实际应用中的性质和行为,因此,在Au纳米颗粒的制备、表征及实际应用中粒径和浓度的准确测量是至关重要的。光谱消光法是一种简单、快速及低成本的颗粒粒度测量方法,它能够同时获得颗粒的粒径和浓度信息,故此,基于光谱消光法的Au纳米颗粒度测量研究具有重要的实际价值和意义。本文基于严格的Mie散射理论和近年快速发展的离散偶极子近似方法系统地研究了几种常见Au纳米颗粒的共振光学特性和折射率传感特性。针对Au纳米球壳在光热治疗和生物成像中的应用,采用双层同心球的Mie散射理论研究了Au纳米球壳的吸收和后向散射特性,并对Au纳米球壳的结构参数进行了优化。最后,利用光谱消光法从理论和实验上系统地研究了球形Au纳米颗粒系的粒径和浓度反演问题。本文主要研究内容和结果如下:(1)目前关于Au纳米颗粒共振光学特性的研究中,主要研究了消光特性。在Au纳米颗粒的许多应用中通常是针对吸收或散射不同特性而非总体消光特性,但关于散射和吸收特性的系统研究鲜有报道。针对上述不足,本文以三种常见的Au纳米颗粒(即Au纳米球、纳米球壳和纳米棒)为研究对象,应用Mie散射理论和离散偶极子近似方法系统地研究了它们的消光、散射和吸收特性。研究结果表明,Au纳米颗粒尺寸较小时消光中吸收处于支配地位,而随着尺寸的增大散射特性逐渐表现更为强烈;相比于Au纳米球,Au纳米球壳和纳米棒具有更宽的共振波长调节范围和较强的共振峰。本研究为Au纳米颗粒共振光学特性在光热治疗、生物成像、生物传感等领域中的应用提供了理论指导。(2)Au纳米椭球、纳米圆柱和纳米方柱是三种典型的非球形Au纳米颗粒,目前缺乏有关它们的折射率传感特性方面的系统研究。因此,本文以这三种非球形Au纳米颗粒为研究对象,采用离散偶极子近似方法系统地研究了它们的折射率传感特性,定量分析了纳米颗粒的尺寸和形状对共振波长和折射率灵敏度的影响。为了寻找具有高灵敏度的Au纳米颗粒,对这三种Au纳米颗粒的折射率灵敏度进行了对比分析。结果发现,纵横比的增加或者有效半径的增加同样会导致共振波长红移和折射率灵敏度增加。相比于具有相同几何参数的Au纳米椭球和纳米方柱,Au纳米圆柱拥有更大折射率灵敏度,更适合用于生物传感。(3)对于Au纳米球壳在光热治疗和生物成像中的应用,寻找具有最佳吸收或者后向散射特性的Au纳米球壳结构是非常必要的。本文基于双层同心球的Mie散射理论定量研究了内核分别为SiO2和真空的Au纳米球壳的内核半径和外壳厚度对其吸收和后向散射特性的影响,提出了Au纳米球壳的优化思想,并获得了其最优内核半径和外壳厚度。优化的Au纳米球壳可以作为理想的治疗剂和造影剂。通过改变介电函数模型中的参数,本文提出的优化思想还可以应用于其它金属纳米球壳,而采用T矩阵、离散偶极子近似、时域有限差分等方法也可对其它形状的纳米颗粒(比如纳米棒、纳米笼等)进行结构参数优化。(4)首次把光谱消光法用于多分散球形Au纳米颗粒系的粒径分布和浓度测量,为Au纳米颗粒粒径和浓度的测量提供了简单、快速、低成本的方法。本文首先基于Mie散射理论和非负Tikhonov正则化方法系统地研究了单分散和多分散球形Au纳米颗粒系的粒径和浓度消光法反演问题。结果表明,对于单分散球形Au纳米颗粒系,粒径与消光谱中出现的共振波长存在一一对应关系,利用此对应关系可以确定粒径和颗粒数浓度。对于多分散球形Au纳米颗粒系,波长范围200-600 nm对应的反演误差较小,消光谱中添加噪声时,反演误差变大。本文还对平均粒径为80、60、40和20 nm的Au纳米颗粒样品进行了消光谱测量,并利用反演算法获得样品的粒径分布和浓度,反演结果验证了反演算法的正确性和可靠性。