外泌体（Exosome）是直径大小为30～150 nm的膜性囊泡, 包裹DNA/RNA, miRNA, 蛋白质和脂质等多种物质并参与微环境中的生物信息传递, 是理想的癌症生物标志物, 在液体活检领域具有重要的应用潜力, 有望成为癌症快速检测的手段之一。 表面增强拉曼光谱（SERS）是分子振动光谱, 可从分子水平上探测物质的精细结构和信息变化, 具有“指纹图谱”的特征。 采用差速离心结合超速离心的方法获得乳腺癌细胞来源的外泌体, 以金溶胶为增强基底, 收集外泌体及其母细胞的SERS图谱, 结合多元统计分析, 进行乳腺癌细胞的快速鉴别与区分。 研究结果表明, 乳腺癌细胞及其外泌体在500～1 600 cm-1波段范围内有特征拉曼信号, 采用非标记检测所获得的图谱信息是样品“whole-organism fingerprint”整体信号的呈现。 根据外泌体的拉曼表型并结合OPLS-DA分析, 能够100%分辨3种不同类型的乳腺癌细胞。 单细胞SERS检测联合PCA-LDA分析, 区分乳腺癌细胞的准确率为83.7%。 通过比较乳腺癌细胞及其外泌体的拉曼特征图谱发现, 二者在拉曼谱图的波数高度表现一致, 但是外泌体在特征波数上显著增强。 具体体现为在506～569、 1 010～1 070 cm-1等波段二者存在相似性, 但外泌体在735、 963和1 318 cm-1等处的特征信号显著高于细胞。 分析认为外泌体结构比细胞更为简单, 核酸、 蛋白质等生物大分子信息更容易被表征。 同时也提示了通过SERS检测外泌体实现快速鉴定乳腺癌的可行性。 采用非标记、 直接检测, 建立了快速检测单细胞及外泌体的SERS分析技术, 结合多元统计分析能够快速鉴别不同类型的乳腺癌细胞, 并从拉曼组学角度探究了外泌体与母源细胞的关系。 该方法具有非标记、 快速、 灵敏、 准确、 简便的优势, 为乳腺癌的体外快速诊断与筛查提供有效的技术手段, 为临床应用奠定基础。

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。

针对白细胞受细胞外液扰动发生形变的情况,建立了无粒白细胞的椭球核切比雪夫形光学模型。基于T矩阵方法,对线偏振光入射时形态参数及细胞核质比对白细胞散射偏振的影响进行了数值仿真,并与不受细胞外液扰动时的散射偏振特性进行了对比。研究结果表明,在侧向散射区,白细胞散射光线偏振度对外液扰动强度的变化相对于在后向散射区更为敏感,外液扰动越大对偏振的影响越大,且内核形变越大,外液扰动对白细胞散射光偏振的影响越大。

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。

为了研究白细胞对偏振光的散射特性, 运用几何光学近似理论修正偏振光传输的斯托克斯-穆勒矩阵元, 基于偏心球模型数值模拟了两束偏振化方向互相垂直的偏振光入射时, 不同形状、大小、折射率的无粒白细胞的散射光强空间分布以及散射特性与细胞结构的关系。不同条件下偏振光散射三维分布图像呈现不同的条纹特征, 表明分布规律与细胞模型的形体参量和光学参量具有相关性。散射光强的差值、比值、差和比的分析结果表明, 偏振光的后向散射反映了细胞内部更丰富的结构信息和光学信息。

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。