Microfluidic systems have been widely utilized in high-throughput biology analysis, but the difficulties in liquid manipulation and cell cultivation limit its application. This work has developed a new digital microfluidic (DMF) system for on-demand droplet control. By adopting an extending-depth-of-field (EDoF) phase modulator to the optical system, the entire depth of the microfluidic channel can be covered in one image without any refocusing process, ensuring that 95% of the particles in the droplet are captured within three shots together with shaking processes. With this system, suspension droplets are generated and droplets containing only one yeast cell can be recognized, then each single cell is cultured in the array of the chip. By observing their growth in cell numbers and the green fluorescence protein (GFP) production via fluorescence imaging, the single cell with the highest production can be identified. The results have proved the heterogeneity of yeast cells, and showed that the combined system can be applied for rapid single-cell sorting, cultivation, and analysis.

To determine the effects of microwave radiation at the molecular level as well as on the germination, growth and morphology of dry spores at the single-cell level. Dry Bacillus aryabhattai MCCC 1K02966 spores were microwave-treated at different powers and characterized using single-cell optical technology. As determined by laser tweezers Raman spectroscopy, the Ca2+-dipicolinic acid content increased and nucleic acid denaturation occurred in response to microwave treatment. Live-cell microscopy revealed that the germination and growth rates decreased as the microwave power increased. With respect to morphology, atomic force microscopy (AFM) demonstrated that spores became wrinkled and rough after microwave treatment. Furthermore, spores became smaller as the microwave power increased. Microwave treatment can damage DNA, and high-power microwaves can inhibit the germination of spores and reduce spore volumes. These results provide a new perspective on the responses of living single cells to microwave radiation and demonstrate the application of various new techniques for analyses of microorganisms at the single-cell level.To determine the effects of microwave radiation at the molecular level as well as on the germination, growth and morphology of dry spores at the single-cell level. Dry Bacillus aryabhattai MCCC 1K02966 spores were microwave-treated at different powers and characterized using single-cell optical technology. As determined by laser tweezers Raman spectroscopy, the Ca2+-dipicolinic acid content increased and nucleic acid denaturation occurred in response to microwave treatment. Live-cell microscopy revealed that the germination and growth rates decreased as the microwave power increased. With respect to morphology, atomic force microscopy (AFM) demonstrated that spores became wrinkled and rough after microwave treatment. Furthermore, spores became smaller as the microwave power increased. Microwave treatment can damage DNA, and high-power microwaves can inhibit the germination of spores and reduce spore volumes. These results provide a new perspective on the responses of living single cells to microwave radiation and demonstrate the application of various new techniques for analyses of microorganisms at the single-cell level.

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。

海洋微藻研究对海洋环境监测以及生物资源利用有着重要意义, 显微共焦拉曼光谱作为一种非标记、 快速检测技术已在生命领域获得广泛应用。现阶段, 商业化显微共焦拉曼仪器在微生物研究领域占据主导, 但由于体积庞大、工作环境要求严格等因素, 很难开展微藻细胞的现场检测与分析。因此, 将微型 光纤光谱仪引入微藻“单细胞”的检测, 自主研发了一套小型显微共焦拉曼系统, 尝试低成本开发微 生物分析设备。整个系统基于微型光纤光谱仪实现了硬件的一体化小型设计(L750 mm×W350 mm×H410 mm), 具备光谱探测、显微成像、光镊捕获功能。通过四种典型微藻(中肋骨条藻、微拟球藻、东海原甲藻及小藻)的检测验证, 成功识别了“单个活体细胞”内的蛋白质、脂类、糖原、核酸等多种细胞组分, 相应的结果经过主成分分析 (Principal component analysis, PCA)后, 很好地实现了四种微藻的种类归属, 证明了光纤光谱仪应用于单细胞量级 海洋微生物分析的可行性, 并有望在将来发展成为船基设备, 用于微藻的甲板在线检测。

原子光谱/元素质谱是元素分析的强有力手段, 其在生命分析领域的应用也越来越广泛。 在单细胞元素分析方面, 相关研究工作主要关注元素在单细胞中的分布和形态变化; 在元素标记策略分析领域, 利用原子光谱（atomic spectrometry, AS）和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）实现对小分子、 核酸、 蛋白质等目标分析物的高灵敏检测是研究热点; 在金属药物分析领域, ICP-MS为研究金属药物在生物体中的摄入、 分布、 代谢和排泄等过程提供了便利, 也为进一步阐明药物作用机理以及金属药物的设计和改进提供了数据支持; 在生物元素成像领域, ICP-MS与激光剥蚀技术（laser ablation, LA）联用, 可以对生物样品进行原位分析和微区分析, 结合有机质谱实现元素相关生物过程的分子机制研究; 与相关分离方法联用, 原子光谱和元素质谱还可以对生物组织中元素进行形态分析, 研究其在相关过程中的生物转化过程。 本文从单细胞元素分析、 元素标签标记策略、 金属药物转运与代谢以及生物组织中元素分布分析等方面, 评述了原子光谱和ICP-MS在生命分析中的应用实例, 并对该领域的发展前景进行了展望。

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。

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。

应用激光镊子拉曼光谱系统(LTRS)，实时分析不同温度下蚕豆14-3-3b可溶性蛋白和包涵体蛋白在重组大肠杆菌细胞中的动态表达水平。结果显示，14-3-3b可溶性蛋白与包涵体蛋白有明显不同的拉曼光谱特征峰，反映出两者在主链和侧链构象上的差异性；在28 ℃时，包涵体蛋白特征峰900，1033，1328，1415和1446 cm-1强度随着诱导时间延长而增加的幅度，明显大于可溶性蛋白的特征峰763，1002，1363，1451和1665 cm-1的增加幅度，16 ℃时诱导表达结果正好相反，可溶性蛋白的特征峰增强幅度显著大于包涵体蛋白，说明28 ℃诱导培养条件下，重组菌蛋白质过量表达以形成包涵体为主，16 ℃较低温度条件下以形成可溶性蛋白为主，正确折叠蛋白增加的信息可以通过光谱变化反映出来，在该温度下，蛋白质的正确折叠有利于细胞形成稳定的可溶性蛋白；另外，重组菌在相对低温条件下更多地表达含胱氨酸的非重组蛋白，可能与蛋白质折叠相关。LTRS技术可以在单个细胞水平上对大肠杆菌细胞过量表达可溶性蛋白和包涵体蛋白过程进行无损害、无标记的实时分析。

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。