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。

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.