1、光譜檢測對“更快（時間分辨率）、更高（空間分辨率）、更強（信號）”的追求從未停止。細胞和電化學表面由于其體系分子濃度低，分子環(huán)境復雜，一直是光譜檢測的最大挑戰(zhàn)體系之一。
　　細胞是一個動態(tài)的非均質系統(tǒng)，不斷與環(huán)境發(fā)生物質和能量交換。細胞的基本生命活動過程是一個時刻發(fā)生快速變化和具有顯著空間差異的過程，這一過程變化又是由構成它們的生物活性分子如蛋白質的構象、分布、相互作用等動態(tài)變化決定的。對于細胞生命活動的認識就是要建立在對細胞中這

2、些活性分子動態(tài)變化認識的基礎之上。這不僅要求檢測表征技術有足夠高的靈敏度達到單分子單細胞水平，而且要有更高的空間分辨和時間分辨，實現(xiàn)分子組成、結構、分布變化的動力學過程的探測。而電化學體系中主要研究對象是荷電界面，所有涉及電荷轉移、能量轉換和儲存、離子輸運、氧化和還原反應都在該界面發(fā)生，界面的物理和化學性質將對整個電極過程起著至關重要的影響。該界面所關注的分子數(shù)僅有單層或者亞單層，需要能在動態(tài)檢測界面分子結構的同時實時獲得各物種在空間分

3、布的信息的高靈敏檢測技術，這對于理解電化學界面結構和反應動力學和熱力學過程將具有重要的意義。
　　拉曼光譜可以提供精細分子指紋信息又不受到CO2和水的干擾，而且光穩(wěn)定性高，適合多組分檢測。激發(fā)光波長可以從紫外到近紅外，具有高空間分辨率。非常適合細胞和電化學的研究。但常規(guī)拉曼光譜的檢測靈敏度非常低，大大制約了其在細胞和電化學體系的廣泛應用。而表面增強拉曼光譜極大地改善了拉曼光譜固有的信號弱的缺點，已實現(xiàn)單分子層和亞單分層物種的檢測，

4、且不受到本體物質的干擾。因此拉曼光譜和表面增強拉曼光譜可以廣泛應用在細胞和電化學的研究中。
　　但拉曼和表面拉曼光譜在細胞及電化學體系應用中還存在一系列科學問題亟待解決。細胞生命過程的時間尺度從毫秒級到數(shù)百小時。因此如何在如此寬泛的時間尺度內獲得可靠信號就成為重點。長時間尺度的光譜檢測，必然會帶來由于細胞長期暴露在非正常培養(yǎng)環(huán)境中而引起的細胞自身生理過程發(fā)生不可控改變的不利影響。因此就需要細胞長時間檢測環(huán)境進行合理控制，使其在檢測

5、過程中不發(fā)生不可控的生理變化。短時間尺度，就需要靈敏度更高的光譜檢測手段才能在高時間分辨率的情況下同時保證光譜具有良好的信噪比。另一方面，在許多電化學體系中表面增強拉曼光譜還不能提供足夠的信號強度以開展時空分辨的動態(tài)研究，這在一定程度上制約了拉曼在電化學體系中的應用范圍。目前檢測靈敏度低和成像速度慢仍然是制約多數(shù)細胞和電化學拉曼光譜及其表面增強拉曼光譜研究的重要因素。
　　本論文圍繞細胞和電化學這兩類重要體系，開展拉曼與表面增強拉

6、曼光譜的高時空分辨檢測研究。發(fā)展原位細胞顯微培養(yǎng)裝置，對細胞開展長時間原位拉曼檢測和成像。建立暗場和SERS聯(lián)用技術，開展對細胞內吞納米粒子過程研究。建立動態(tài)SERS檢測方案，提高弱吸附低濃度物質的SERS檢測靈敏度和時間分辨率。建立電化學SERS顯微技術，提高電化學SERS檢測的時空分辨率，實現(xiàn)對電極表面過程的高時空分辨成像。本論文工作的創(chuàng)新點和主要成果如下:
　　1.為了解決在長時間細胞拉曼光譜檢測過程中，檢測環(huán)境條件和細胞培

7、養(yǎng)環(huán)境條件存在差異這一問題，我們搭建了適用于不同顯微和光譜系統(tǒng)的原位細胞顯微培養(yǎng)裝置。對干細胞骨分化過程，和饑餓誘導的細胞應激過程進行了拉曼成像監(jiān)測。并發(fā)展了一系列數(shù)據(jù)分析方法，對細胞生命過程的拉曼光譜成像數(shù)據(jù)進行分析，從中提煉相關的生物學信息。
　　2.為了研究納米粒子進入細胞過程中，納米粒子和細胞相互作用過程，我們搭建了暗場-SERS聯(lián)用系統(tǒng)，對細胞進行暗場和SERS同時觀察。發(fā)現(xiàn)一種新的納米粒子吞入細胞形式。對細胞內吞納米粒

8、子過程進行成像研究，利用統(tǒng)計分析方法，區(qū)別了納米粒子內吞階段。
　　3.為了提高SERS技術對弱吸附低濃度物種的原位檢測靈敏度，我們建立了動態(tài)SERS檢測技術，提高對弱吸附低濃度物種的SERS檢測靈敏度和時間分辨率。此外利用動態(tài)SERS檢測技術，開展了小概率分子事件的檢測以及吸附動力學和分子結構關聯(lián)的研究。
　　4.為了提高電化學檢測的時空分辨率，我們擴展動態(tài)SERS檢測技術，建立了電化學表面增強拉曼顯微技術，通過SERS信