长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。

活细胞观测可以获得细胞的生命状态, 是生物医学中众多研究的基础。然而多数活细胞因整体透明难以观测, 通常使用泽尼克相衬及微分干涉相衬等相位成像技术来增强图像衬度。但通用的泽尼克相衬显微镜和微分干涉相衬显微镜仪器复杂、成本高昂, 且依赖于沃拉斯顿棱镜和相衬环等特定光学元器件。提出了一种基于双目视强度传输方程的多模式相位成像方法, 利用显微镜双目视筒上两个相机同步拍摄的物体欠焦及过焦图像, 可求解强度传输方程得到物体的定量相位, 并进一步计算物体的泽尼克相衬图像及微分干涉相衬图像。数值模拟和成像实验结果显示双目视多模式相位成像能够提供高质量的泽尼克相衬及微分干涉相衬图像。方法不需要借助特殊光学器件或者复杂光路, 成本低且易于实现, 有能力替代昂贵的相衬显微镜及微分干涉相衬显微镜, 在非标记生物成像中获得更广泛的运用。

近年来，细菌感染性疾病不断发生，抗生素的频繁使用使得耐药细菌的数量显著增多，耐药现象愈发严峻。迫切需要一种高效、准确的检测技术来对致病菌作出判断。不同种属细菌其分子组成和结构不同，表面增强拉曼光谱（SERS）主要由于其能反映细菌特有的光谱指纹而被用于区分和反映细胞状态。SERS对致病菌的检测受到多个因素的影响，本文从三个方面回顾了SERS对致病菌的检测并做一简要综述：首先，从基底的设计方面，总结了不同结构和大小的SERS基底对致病菌的检测；其次，回顾了致病菌的共培养、原位还原和静电结合的非标记检测方式以及标记检测包括外标记和内标记方法对致病菌的SERS检测；最后，结合致病菌拉曼光谱分析方法即传统的多变量统计分析方法和先进的机器学习算法对致病菌加以鉴定并对SERS用于致病菌检测进行了总结和展望。

外泌体是一种含有蛋白质、核酸和脂质等物质的小囊泡, 与细胞间通信和肿瘤微环境的调节有关, 因而成为一种新兴的无创早期癌症诊断标志物。目前用于外泌体分析的技术较复杂, 并且耗时久、成本高。近年来, 表面增强拉曼光谱(SERS)技术由于其灵敏度高、样品制备简单、快速无损等优点, 在生物医学领域表现出了巨大的应用潜力。本文首先简要介绍了外泌体以及目前主要检测方法的优缺点, 其次, 阐述了SERS的基本原理及其在外泌体检测中的优势, 重点介绍了非标记和标记SERS在外泌体检测中的应用进展。系列研究表明, 基于SERS的外泌体检测技术有望成为一种无损、便捷、准确的临床诊断新方法。

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种超灵敏的生化分析技术, 已经被广泛运用于细胞、核酸、蛋白质等生物分子的检测, 在生物医学领域表现出了巨大的应用潜力。近年来, 将表面增强拉曼光谱技术应用于遗传物质DNA的精准检测, 引起了人们广泛的关注。本文简要叙述了表面增强拉曼光谱技术的基本原理及其在DNA检测中的优势, 主要介绍了非标记的DNA-SERS检测应用进展, 其中包括本项目组的相关工作。研究表明, 非标记DNA-SERS技术有望成为一种快速、准确的临床诊断方式。

基于三聚氰胺与铜离子配位反应并抑制AT-双链铜纳米颗粒合成, 构建了一种新型的“turn-off”策略检测三聚氰胺。 当三聚氰胺存在时, 与铜离子发生配位反应, 使得后期合成铜纳米颗粒的铜离子浓度不够, 导致铜纳米颗粒荧光减弱。 在最优化实验条件下, 对三聚氰胺检测的线性范围为1~150 μmol·L-1, 检出限达0.5 μmol·L-1。 此外, 该方法还可以检测牛奶样品中的三聚氰胺, 回收率良好。

基于石墨烯量子点(GQDs)的荧光性能建立了一种非标记荧光方法，用于灵敏和选择性测定抗坏血酸(AA)。GQDs溶液在紫外光激发下发出很强的蓝色荧光，当向溶液中加入AA后，GQDs溶液的荧光被猝灭。猝灭机理可能为在弱酸性介质中，AA与GQDs发生氧化还原反应，AA转移电子给GQDs。荧光猝灭强度与AA浓度在5.0×10-6～7.5×10-5 mol/L范围内呈良好的线性关系，检出限低至1.0×10-6 mol/L。该体系成本低、操作简单，并且在多种可能干扰的物质存在下对AA表现出很高的选择性。本方法应用于生物样品中AA的检测，回收率在95.2%～115.3%之间。

基于表面增强拉曼光谱(SERS)技术在非标记蛋白质研究方面的最新进展。 SERS是一个特殊的拉曼光谱现象, 对于众多被吸附到粗糙金属表面上的拉曼活性分析物, 可以提供增强拉曼信号(通常可以增强几个数量级)。 SERS是一个灵敏的, 选择性的, 和通用的技术, 并且可以实时、 快速的对数据进行采集。 因此, 在基于仪器仪表技术和数据分析方法以及SERS在生物体系中的诸多优势, SERS经历了快速的发展阶段。 重点介绍几个采用SERS技术对生物体系的代表性研究。 某些SERS的生物应用发展比较成熟, 并已经可以小范围临床应用, 而有些还停留在发展的初始阶段(实验室研究阶段)。 讨论了最近发展起来的几种基于SERS技术定量分析的方法, 选择不同SERS活性基底和技术(如生物分子在电极上, 胶体纳米粒子, 周期性图案结构和基于针尖拉曼技术)对蛋白质进行直接研究。 此外, 根据SERS指纹信息的变化可以用来研究蛋白质-蛋白质, 蛋白质-配体间的相互作用。 基于SERS技术对生物分子进行定性和/或定量分析方面显示出了相当大的优势。

光反射干涉检测技术因其具有非标记、可实时检测等优点，近年来被广泛应用于生物分子相互作用检测、食品安全以及药物筛选等领域。蛋白质芯片能够在一次实验中对微量样本中的多种目的蛋白质同时进行检测，具有潜在的临床应用价值。设计并搭建完成了基于光反射干涉成像的高通量、非标记检测平台，可检测由基质上生物分子结合引起的光相位的改变，实现纳米水平的厚度变化测量。利用该系统，对人IgG和山羊抗人IgG的结合进行了高通量、非标记检测，检测结果具有良好的特异性，二氧化硅膜厚度优化后的蛋白芯片具有较高的信号对比度。在此基础上，又引入了免疫微珠对芯片表面结合抗体的信号进行放大。实验结果表明该方法有效地增强了信号强度，所得到结果具有更好特异性和更高的灵敏度。

利用半经典理论分析了三束中心频率不同的窄线宽激光光场在样品中的相互耦合过程,得到一组描述相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程的耦合波方程。结合时间分辨方法的原理,得到了描述使用窄线宽激光脉冲的时间分辨CARS(T-CARS)方法的耦合波方程。采用数值模拟方法研究了T-CARS方法中CARS信号和非共振背景噪声与入射光场之间的关系以及分子振动的弛豫过程。说明分子振动的退相时间可以作为区分成份和结构相近的分子以及监测样品所处微环境变化的依据。基于使用窄线宽激光光源的T-CARS方法的理论分析说明了使用宽谱激光具有同时获取生物分子完整拉曼光谱的能力。