微藻富含类胡萝卜素、 维生素、 蛋白质、 多不饱和脂肪酸等多种人体和动物所必需的营养成分, 同时在水生态系统的维持和保护中也扮演着重要的角色, 因此开展微藻生物学的研究具有十分重要的实际应用价值。 传统的微藻成分的检测分析需要经过微藻细胞研磨破碎、 有机溶剂分离提取、 液（气）相检测等一系列的繁琐的操作步骤, 有费时、 需要高昂的仪器设备、 操作过程复杂等缺点, 因此需要发展更加快速高效的微藻细胞组分检测分析技术。 红外光谱作为一种高效的物质检测和分析手段可以实现对微藻样品中的蛋白、 脂类、 核酸、 多糖、 叶绿素、 类胡萝卜素等多种成分同时分析, 具有简单、 快速和无损检测等优势, 特别是结合显微镜技术的红外光谱成像可以在微空间尺度上研究单一细胞或组织中各组分的变化。 近年来, 尤其是随着同步辐射技术的迅速发展, 为红外光谱仪器提供质量更好、 能量更高的同步辐射光源, 使得红外光谱显微光谱及成像检测技术具有更高的灵敏度和空间分辨率, 实现了能够在细胞和亚细胞尺度上对个体进行高空间分辨的原位观测, 这在一定程度上解决了许多常规的检测分析技术不能同时兼顾高通量测量和高空间分辨率观察之间的矛盾。 首先介绍了红外光谱技术的原理及其特点并分析了显微红外光谱及成像技术在生物样品检测中的独特优势, 特别介绍红外光谱结合化学计量学的分析方法在生物学研究领域的应用。 接下来综述了此项技术在分类鉴定、 生长代谢监测、 育种、 水环境、 食品医药等与微藻相关领域国内外的应用研究进展。 比如, 结合化学计量学方法红外光谱能够进行微藻的快速鉴定、 判别和分类。 利用红外光谱多组分快速检测的优势, 可以实现微藻生长代谢的研究。 基于红外光谱无损、 高效检测的特点, 可以实现油脂、 β-胡萝卜素、 虾青素等高产藻株的快速筛选。 另外, 微藻还可以有效地吸附废水中的重金属和有机活性染料, 利用红外光谱可以对其吸附和降解环境污染物的机理进行研究。 红外光谱还能够快速高效地实现微藻成分的分析和鉴定, 因而可以用于微藻食品药品质量的检测和真伪的鉴定。 然而, 红外光谱在微藻的研究和应用方面还处于发展阶段, 尚存在着一定的缺点和不足, 对此进行了讨论和分析并提供了相应的解决方案。 最后, 对红外光谱在微藻的规模化养殖、 高产藻株的筛选、 微藻的生理、 细胞器的结构和功能的研究等领域进行了展望。

癫痫是影响所有年龄段的慢性脑功能障碍, 主要特征为整个或局部脑区神经元异常同步化高频群集动作电位发放。 利用神经毒素海人藻酸(KA) 立体定位注射入大鼠海马, 诱导大鼠产生癫痫持续状态, 建立颞叶癫痫大鼠模型。 应用同步辐射显微光谱和同步辐射显微光谱成像分析癫痫持续状态发作后24小时的颞叶癫痫大鼠海马角(CA) 1区神经元生物化学分子的胞内浓度和分布是否改变。 结果显示反映蛋白质二级结构的酰胺Ⅰ在1 655 cm-1的振动频率和属于脂类功能集团的2 800～3 000 cm-1振动频率, 在正常对照大鼠海马CA1神经元胞体内呈高浓度分布, 但在癫痫大鼠海马CA1神经元胞体, 反映蛋白质二级内呈低浓度分布, 并且以细胞核分布浓度最低, 但在神经元胞体外围分布浓度相对较高。 属于核酸集团的1 055～1 054 cm-1 PO2反对称拉伸振动在正常和癫痫大鼠海马CA1神经元胞体内分布趋势没有差异, 都在胞体内呈高浓度分布, 尤其在细胞核分布浓度最高。 对属于酰胺Ⅰ的吸收频率进行二级导数分析显示癫痫海马神经元的酰胺Ⅰ相对于正常对照多出1个1 653 cm-1附近的负峰。 以上结果提示在发生癫痫持续发作后海马神经元生物化学分子的细胞分布会出现变化。

PM2.5作为一种重要的空气污染物, 研究不同地区PM2.5对人体细胞的损伤异同具有重要意义。 本实验以人肺癌细胞为研究对象, 分别经过3个不同地区PM2.5日均量暴露2 h, 采用拉曼光谱仪和原子力显微镜对活性单细胞的光谱、 形貌和生物力学指标进行检测, 通过酶联免疫反应检测细胞产生的发炎因子浓度。 统计分析表明: PM2.5暴露后细胞拉曼峰1 002.97, 1 127.29, 1 172.83和1 338.1 cm-1强度变大; 细胞伪足收缩或残缺, 细胞核区变高; 苏州地区PM2.5暴露后细胞黏滞功变小, 弹性能变大; 细胞产生发炎响应。 发现经不同地区PM2.5暴露后, 单细胞光学和力学信息发生了各异的改变, 因此单细胞水平上研究不同地区PM2.5的毒理效应, 为空气污染治理、 肺部疾病防控提供数据支撑。

显微共聚焦拉曼光谱成像技术(Confocal Raman Microspectroscopy Imaging, CRMI)能够对样品微区进行精确无损的拉曼光谱分析和光谱图像扫描, 提供生物样品的无损高分辨光学信息。本项研究工作, 利用CRMI技术实验获取了正常人体离体皮肤组织的拉曼光谱特征, 并结合典型特征峰的扫描图像, 探讨了脂类、蛋白质等成分在皮肤真皮层的分布特点。实验发现皮肤组织真皮层内胶原蛋白的拉曼特征峰1 248 cm-1强度及其空间分布尤为突出, 这一实验结果与组织学中胶原纤维占真皮结缔组织95%的事实相符。实验结果显示, CRMI技术能够全面诠释生物组织内部生化组成与分布信息, 在实验描述皮肤组织病理变化的分子生物学机制方面具有广阔的应用前景。

共聚焦拉曼显微光谱技术可有效用于木质纤维生物质细胞壁的区域化学研究。 利用该技术探索稀酸预处理过程中奇岗纤维细胞壁木质素和羟基肉桂酸的区域化学变化规律。 研究发现预处理前木质素在细胞壁各区域的浓度不同, 木质素浓度较高的区域羟基肉桂酸的浓度也较高。 稀酸预处理后1 600 cm-1(木质素)和1 170 cm-1(羟基肉桂酸)的峰值强度降低, 表明二者被部分溶出, 且溶出率为次生壁>复合胞间层>角隅胞间层。 预处理过程中次生壁和复合胞间层的特征峰强度比值(I1 170/I1 600)呈现上升趋势, 表明在这两个形态区域中木质素比羟基肉桂酸更易溶出; 而在角隅胞间层没有明显变化, 表明该形态区域对二者的溶出没有倾向性。 通过本研究可以更加深入了解稀酸预处理中化学组分在亚细胞水平的变化规律, 同时也进一步拓展了拉曼光谱技术在植物细胞壁研究领域的应用。

木质纤维生物质资源的开发利用是当前国内外广泛关注的重大课题, 为了提高木质纤维的利用效率、 降低开发成本, 人们亟需掌握木质细胞壁抗降解机理, 深入了解细胞壁复杂的化学组成和分子结构。 红外显微光谱作为一种可进行微区分析和无损检测的新技术, 具有检测速度快、 灵敏度高、 制样简单等优点, 已经被广泛运用在生物质原料及生物质预处理过程分子结构变化等的研究中。 它能够快速准确地提供木质纤维细胞的化学组成和分子结构等信息, 可用于植物细胞壁的区域化学研究。 本文在简述红外显微光谱技术原理及具体实验方法的基础上, 综述了红外显微光谱技术在探究木质纤维细胞壁化学组成及结构方面的应用进展, 对细胞壁主要组分的原位分布、 经预处理后组成的变化以及分子排列方向三个方面进行了总结。 并对其在木质纤维细胞壁研究的应用前景进行了展望: 提高显微镜的放大倍数、 提高化学成像图的空间分辨率、 与其他检测手段和仪器联合使用等。 以期为木质纤维细胞壁的组分研究提供新手段。

多光谱成像技术集数字成像和光谱测量技术于一体，是一种记录光学信息的新型无损分析技术。基于对国内外文化遗产领域多光谱成像技术研究现状的分析，使用自行搭建的多光谱成像系统对敦煌壁画颜料模拟试板和现代国画在300~1000 nm 范围内进行光谱图像采集，检验多光谱成像系统的适用性。结果显示多光谱图像能对外观相近的不同颜料做出快速区别，结合激光显微拉曼光谱技术，可进一步识别样品中颜料的种类；同时，多光谱图像还能够揭示具有紫外激发可见荧光特性的物质分布、画稿中的底稿信息、水渍痕迹等信息。实验表明多光谱成像技术可以有效获取彩色艺术品的多样化信息，在彩色艺术品研究领域具有良好的应用前景。

同步辐射红外光源具有宽光谱范围、高准直性、高亮度等特点。相比于传统的红外热光源，同步辐射红外光源的尺寸非常小，空间分辨率可达到衍射极限。为了得到准确的空间分辨率信息，对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站的空间分辨率进行了测试。使用刀片法和鉴别率板对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站水平和垂直方向的空间分辨率进行了详细测量，两种测试方法的结果都表明在所测的中红外波段，同步辐射红外谱学显微技术的空间分辨率达到衍射极限，与理论值十分符合。

This paper reviews the different multimodal applications based on a large extent of label-free imaging modalities, ranging from linear to nonlinear optics, while also including spectroscopic measurements. We put specific emphasis on multimodal measurements going across the usual boundaries between imaging modalities, whereas most multimodal platforms combine techniques based on similar light interactions or similar hardware implementations. In this review, we limit the scope to focus on applications for biology such as live cells or tissues, since by their nature of being alive or fragile, we are often not free to take liberties with the image acquisition times and are forced to gather the maximum amount of information possible at one time. For such samples, imaging by a given label-free method usually presents a challenge in obtaining sufficient optical signal or is limited in terms of the types of observable targets. Multimodal imaging is then particularly attractive for these samples in order to maximize the amount of measured information. While multimodal imaging is always useful in the sense of acquiring additional information from additional modes, at times it is possible to attain information that could not be discovered using any single mode alone, which is the essence of the progress that is possible using a multimodal approach.

雨生红球藻是一种适于生产虾青素的单细胞绿藻, 虽然已有研究报道了藻细胞内类胡萝卜素的合成代谢途径, 但是对类胡萝卜素及虾青素的具体形成过程以及它们在显微尺度上的含量和分布变化还缺乏直接的观测数据和证据。本研究运用高空间分辨率的傅里叶变换红外光谱显微成像技术, 对不同时期的单一雨生红球藻细胞中的类胡萝卜素的空间分布和含量进行了观测, 根据红外光谱成像数据证实了β胡萝卜素为虾青素合成的前体, 并且分析和探讨了细胞中的脂质和蛋白质与虾青素合成及积累的关系。