神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点，微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法，微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来，科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求，先后研制了单光子、多光子成像系统，并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化，提升系统性能，扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论，综述各方向研究进展，旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。

单细胞拉曼光谱(SCRS)技术具有快速、 灵敏和无标记的优势, 可以从单细胞水平上研究细胞结构, 本文为实时监测单细胞微生物生长代谢变化, 提出了基于谱聚类和SCRS的细胞生长检测方法, 并采集600个同步培养的发酵工程菌-大肠杆菌SCRS数据作为实验数据, 采集300个发酵益生菌-枯草芽孢杆菌SCRS数据验证方法适用性。 首先, 对同步培养的菌落测量OD600生长曲线作为微生物群体水平上生长时期标签; 其次, 应用t-SNE对群体细胞SCRS数据进行可视化分析, 指导谱聚类对高维SCRS数据聚类分析, 并应用轮廓系数和CH index评估最佳聚类簇, 赋予每个SCRS数据簇标签; 最后, 应用三次样条插值拟合统计SCRS数据簇标签和生长时期标签交集, 精准识别群体中共存的生长时期异质数据, 实现对单细胞微生物生长时期精准鉴定。 结果表明, 基于谱聚类与SCRS的细胞生长分析方法根据同步培养的群体细胞生长曲线, 设置2维嵌入空间维度和基于最近邻的谱聚类相似度计算方法, 有效检测三个生长时期最佳聚类簇中9%和4.3%异质数据。 提出的无监督检测单细胞生长的方法, 借助谱聚类无需标记就可以直接根据SCRS数据特征进行建模, 并能够对任意形状的高维SCRS数据聚类且快速收敛的优势, 实现了对两种发酵工程菌和发酵益生菌细胞滞后期、 对数期和稳定期的精准识别, 真正意义上实现从单细胞水平上检测细胞生长, 为发酵工程提供更加精准、 实时的调控指导, 具有重要的工程应用价值。

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。

自发拉曼光谱检测具有宽光谱高分辨但信号较弱的特点，因此杂散光的影响不可忽视。针对自行设计的单细胞拉曼光谱仪光栅转动下系统杂散光产生的机理进行了研究，给出了杂散光抑制方法，特别是多重结构下消除杂散光光学陷阱的设计方法，通过TracePro软件仿真验证了其杂散光抑制的有效性，分析结果显示，杂散光抑制后不同波长处杂散辐射比降低了12%~47%，细胞拉曼光谱仪整体杂散光水平低于10^-6，经杂散光抑制后的光谱仪更加有利于微弱光信号的探测。

基于飞秒激光单脉冲多光子聚合原理加工出了高纵宽比的微柱阵列，将其与毛细力自组装相结合，有效实现了单细胞阵列的原位限域捕获；通过优化激光加工参数，实现了锥状微柱阵列的高效率加工，并研究了不同激光功率下微柱直径随高度的变化规律；通过优化微柱阵列参数，实现了基于毛细力自组装原理的三维图案化微结构阵列的高通量制备。在此基础上，本团队进行了二氧化硅微球、乳腺癌细胞(MCF-7)单细胞阵列的原位限域捕获实验验证。荧光成像及扫描电子显微镜的表征结果显示，所提方法可以简单、高效地实现单细胞阵列的高通量原位捕获。本研究提供了一种简便、高效的单细胞阵列原位捕获方法，有望应用于生物医学领域单细胞尺寸的相关研究上。

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。

目的: 从异常核型人胚胎干细胞系中分离两种不同X染色体失活(XCI)状态的细胞, 建立亚系, 并进行对其XCI状态特征和多能性标记进行鉴定。方法: G显带鉴定人胚胎干细胞系chHESC-3早晚期代数细胞的核型, H3K27me3免疫荧光染色鉴定早晚期chHESC-3表观遗传差异, RT-PCR 检测早晚期chHESC-3中XIST基因的表达。利用单细胞克隆的培养分选亚系, H3K27me3、RNA polymeraseⅡ以及DAPI三种标记的共染后每种表观标记各选两株进行RT-PCR, 检测两种亚系中XIST基因的表达。 并对这四株细胞进行干细胞标记鉴定。结果: G显带结果证明早期chHESC-3为正常核型, 晚期代数核型为异常核型, 牵涉到8条染色体的复杂结构变异。H3K27me3免疫荧光染色证明异常核型chHESC-3中有部分细胞出现了H3K27me3凝集点, 而正常核型细胞中未发现。正常核型细胞(chHESC-3N)没有XIST基因表达, 异常核型细胞(chHESC-3C)中有表达。在RNA polymeraseⅡ着色缺口中发现H3K27me3凝集点的细胞亚株XIST基因表达阳性, polymeraseⅡ着色缺口中未发现H3K27me3凝集点的细胞亚株XIST基因表达阴性, XIST阳性和阴性细胞各选两株进行多能性标记免疫荧光染色均为阳性。结论: 成功从异常核型人胚胎干细胞系中分离两种不同XCI状态的细胞并建立亚系, 两种表观类型的亚系均保持多能性标记并能在长期培养中保持各自特性。