应用拉曼镊子采集了3个酵母菌株在乙醇发酵不同时段的单细胞光谱，并利用多元曲线分辨-交替最小二乘(MCR-ALS)方法对光谱数据进行挖掘，以提取与特定生物分子相关的光谱曲线，了解不同酵母菌株的乙醇发酵代谢差异与适应机制。结果发现：工业菌株Bp1的发酵性能最好，实验室菌株INVSc1次之，而W303a菌株最差；MCR-ALS可从3个菌株中分别解析得到5个、5个和3个代表不同类型的生物大分子光谱曲线；Bp1菌株会增加麦角甾醇的含量和三酰基甘油的积累，以赋予细胞更高的乙醇耐受性；同时，不同生物大分子在Bp1细胞间的含量相对均一，而INVSc1和W303a菌株的胞间异质性比较大，显示出细胞异质性对菌株的发酵性能和发酵效率有重要的影响。拉曼光谱结合MCR-ALS，可以作为一个简单而强大的工具，用于快速分析酵母细胞在发酵过程中的代谢变化，进一步了解酵母细胞的抗逆机制。

微塑料是备受关注的新型环境污染物，在自然环境中发生老化，分解后体积更小，给生态环境带来更大的挑战。应用单粒子拉曼光谱技术监测经紫外线(UV)老化处理后的不同粒径聚苯乙烯(PS)微球，对比处理前后微塑料的形貌和大小，以了解微米级小粒径PS塑料在模拟紫外线照射下的老化动态和老化机理。结果显示，随着辐射时间的增加，PS的拉曼信号强度显著降低，粒径减小，表面破损；粒径越小，受损越严重，而大粒径PS颗粒间的异质性明显增大。UV辐射可能破坏了PS多聚物的稳定结构，造成光谱信号减弱，而且小尺寸的PS微塑料更易于受损，进而分解为更细小的微纳颗粒或碎片。研究结果揭示了PS微塑料在不同粒径与UV处理时间下的老化动态和特征，从单颗粒角度为微塑料在环境中的老化动态提供了新的认识。

应用拉曼光谱学结合奇异值分解方法在单细胞尺度上对杀虫贪铜菌(C. necator) H16 菌株在不同的氮源下合成聚β-羟基丁酸(PHB)的代谢动态进行分析。结果显示，硫酸铵是PHB 发酵的理想氮源，对应PHB 发酵速度、效率和产量在测试氮源中表现最好。奇异值分解结果显示，源自RNA、DNA、蛋白质和PHB 的拉曼峰是发酵的主要特征，随着发酵进程的延伸，菌体细胞差异、产物含量差别逐渐增大。分析PHB 产物快速合成过程，可见表征核酸、蛋白质和PHB 的782、1574、1660、1732 cm^-1 等峰的强度变化活跃；不同氮源下，782 cm-1 峰与1660 cm^-1 峰的强度呈正相关，而1660 cm^-1 峰与1732 cm^-1 峰的强度呈负相关。因此，不同氮源可能影响细胞的RNA 代谢和蛋白质代谢，从而间接影响PHB 的合成。拉曼光谱结合数据挖掘技术可以分析微生物发酵过程中的代谢信息，从分子光谱的角度为寻找最佳的发酵条件提供新的信息。

应用喇曼光谱和单细胞分析技术监测非发酵底物形成的不同高渗透压对酿酒酵母乙醇发酵的影响，及发酵过程胞内主要生物大分子的变化动态，以期从光谱学角度获知酵母细胞乙醇耐受的分子机制.结果显示，渗透压的升高明显延缓酵母细胞的生长、底物消耗和产物生成，但在2.0 mol/L山梨醇下乙醇的最终产量高于对照组.主成分分析显示，不同渗透压主要影响酵母细胞光谱的1 300～1 306和1 443 cm－1等源自脂类物质的喇曼峰，说明渗透压影响了胞内脂类物质的合成.主特征峰强度的动态变化显示，高渗透压会显著影响782、1 301、1 602和1 657 cm－1峰所表征物质的合成时间和强度，进而影响细胞的代谢方向.结果表明耐高渗菌株能适应高渗环境，调整胞内组分含量，实现高产发酵.

了解细胞生命活动途径并阐释其功能和分子机制是当前生命科学与物理科学交叉领域面临的重要科学挑战之一，而光学技术的创新与应用，能够通过监测单个细胞生理变化的细节来实现上述目标。细菌芽孢是一种特殊的休眠体，从休眠态转向营养生长的萌发过程是一种特别的细胞生理过程。光学技术和单细胞分析在芽孢萌发研究中的应用与发展，对认识芽孢萌发机理及其异质性发挥了极其重要的作用。就拉曼光谱、微分干涉差显微术、荧光成像和拉曼成像等技术的基本原理及其在细菌芽孢萌发中的应用与进展，前景与存在问题进行了简要述评。

应用激光镊子拉曼光谱实时监测杀虫贪铜菌(Cupriavidus necator) H16菌株在特定氮源、不同果糖浓度下生物塑料聚β-羟基丁酸(PHB)的合成过程及其生化动态，以期获知碳源浓度对PHB 合成的影响机制。结果显示：1) 2.0%果糖浓度(质量分数)下的PHB 产量获得最佳发酵效果；2) 发酵启动及发酵前期胞内物质的合成速度基本相同，但果糖浓度影响对数生长期的长短；3) 782、1574、1656和1732 cm-1等峰信号强度变化动态显示，高碳源浓度下核酸物质的拉曼信号长时间维持在较高的水平，这可能是影响细胞合成PHB 的重要因素；4) 单个细胞在1732 cm-1峰处的平均强度与发酵液PHB 总含量线性相关，可用于定量监测发酵过程中PHB 总量动态。发现了C. necator H16 菌株在不同碳源浓度下PHB 合成代谢过程中胞内主要生物大分子的变化动态，为PHB 发酵提供全新的光谱学信息，也为基于单细胞拉曼光谱快速分选高产优良菌株提供实验依据。

采用一个波长为785 nm的半导体激光束来囚禁人的肝癌细胞并激发人的肝癌细胞的拉曼光谱, 分析模拟微重力三维培养条件下的人肝癌细胞的DNA、蛋白和脂类的生物学物质的变化和表达情况。结果显示, 微重力三维培养条件下和平面培养下的人的肝癌细胞的拉曼光谱在527, 1 367, 1 438, 1 659 cm-1处有明显的差异。

基线漂移是目前光谱仪收集拉曼光谱时难以避免的现象, 基线校正是光谱数据处理中一个不可或缺的重要步骤。 针对传统的基于多项式拟合的基线校正方法存在的不足, 本工作采用线性拟合的方法分段拟合背景基线, 与计算机相结合, 实现快速、 准确、 自动的基线校正; 经聚苯乙烯小球、 红细胞和酿酒酵母等多批次拉曼光谱数据处理的验证, 表明该改进方法可以有效地对拉曼光谱进行基线校正, 为进一步分析光谱数据提供更准确的信息, 是一种可行的基线校正方法。

pH值是影响酵母乙醇发酵的重要因素。应用拉曼光谱初步分析不同初始pH值对乙醇发酵过程的影响。结果显示：1) 在3.0、4.5、6.5三个不同初始pH值的培养基中，pH 4.5下乙醇产量最高，pH 3.0下最低。2) 在发酵的前15 h，不同初始pH值下的酵母细胞生物大分子的拉曼信号变化波动大；后期，pH 3.0下胞内脂类和蛋白质的拉曼信号最强，pH 6.5最弱；显示在低pH值环境下部分底物可能被转化为胞内储藏物质。3) 主成分分析显示，pH值对酵母细胞生理状态的影响从发酵的初始阶段就开始；1440 cm-1和1600 cm-1峰一直是影响主成分PC1、PC2、PC3分值的主要特征峰；说明pH环境可能影响了酵母细胞的脂类物质合成和细胞的呼吸代谢，进而影响了底物的代谢方向和产物的合成。结果表明，拉曼光谱和单细胞分析可以用于剖析微生物发酵过程的生理机制，为乙醇发酵提供全新的参考信息。

应用激光镊子拉曼光谱技术收集500 L发酵罐中木薯淀粉浓醪乙醇发酵过程底物、产物及酵母单细胞的拉曼光谱，以期从单细胞水平为乙醇发酵提供新的认识。结果显示：1)拉曼光谱可以实时监测浓醪乙醇发酵过程底物与产物的变化；2）酵母细胞胞内物质的变化存在类似于产物变化的前发酵期、主发酵期和后发酵期3个阶段，但出现的时间要比产物变化晚约4 h；3）为适应浓醪发酵环境，酵母细胞的生理状态和胞内物质在不断地进行调整，随着环境乙醇浓度的升高，酵母细胞在胞内累积蛋白质和脂类物质，蛋白质二级结构逐渐变为以无规则卷曲为主；4）发酵后期，酵母细胞在胞内累积大量的嘌呤类物质，但细胞间含量存在异质性。上述结果表明，单细胞拉曼光谱技术提供了一种研究微生物发酵的新方法，可从新的角度获知乙醇发酵过程酵母细胞内外的变化信息。