振动光谱显微成像技术能够无创地识别单细胞结构的分子组成,对其化学成分进行可视化分析,为早期疾病的诊断以及药物治疗的掌控提供了更多的可能,是当前生物医学领域研究的前沿技术。传统的红外光谱显微成像技术具有吸收截面大、成像速度快的优势,但因空间分辨率低且受水的强吸收背景干扰,不适用于活性生物样品的研究。红外光热光谱显微成像技术作为一种新兴的红外光谱显微成像技术,间接检测由红外吸收导致的光致折射率变化引起的另一束探测光的远场分布或强度的变化,具有亚微米的横向空间分辨率和微米量级的轴向分辨能力,且不受水的吸收背景干扰,可直接应用于活细胞的成像。拉曼光谱显微成像技术可反映与红外光谱显微成像技术不同的分子结构信息,具有较高的空间分辨率并且不受水的干扰,适用于研究活性生物样品,然而拉曼光谱成像技术成像速度慢,限制了该技术的进一步发展。由于红外光谱与拉曼光谱具有不同的产生机理,能够反映互补的分子结构信息,共同应用于生物样品研究时可提供更全面的分析。基于此,本论文将红外光热光谱显微成像技术与拉曼光谱技术相结合,提出了红外光热光谱与拉曼光谱联合(IRaman)显微成像技术。通过红外光热图像引导红外光谱与拉曼光谱的获取,发挥了红外光热光谱显微成像与拉曼光谱的互补特性,开展了活性生物细胞的研究。本论文的研究工作主要包括以下五个部分:一、完成了红外光谱和拉曼光谱的理论研究,提出了在红外光热光谱显微成像平台上联接拉曼光谱的方案。比较了红外光热光谱技术与拉曼光谱技术的光学原理和互补特性,对两种技术的结合做了可行性分析,并对IRaman显微成像信号的产生原理、噪声来源以及空间分辨率进行了研究。二、完成了IRaman显微成像的仪器设计和系统搭建。以对向式传播光路设计提高了系统的空间分辨率;以红外光热光谱图像引导红外光热光谱和拉曼光谱的采集,实现了对同一样品同一位置红外光热光谱与拉曼光谱的同时获取。三、完成了IRaman显微成像系统的标定实验与性能测试。以500 nm的聚甲基丙烯酸甲酯微球与二甲基亚砜有机溶剂等为标准样品,分别对红外光热光谱成像部分与拉曼光谱部分进行了标定实验和性能测试。实验证明该系统具有成像速度快、空间分辨率高和光谱采集速度快的优点。四、开展了对生物活细胞个体的医学应用研究。完成了对脂肪细胞内脂质的定位和饱和度的分析,对胰腺癌细胞内蛋白质和脂质化学成分的定位与分析,以及对细菌的单细胞分布成像与化学成分的研究。五、开展了对细菌经药物处理后内部化学成分变化的研究。结合主成分分析算法,对细菌光谱进行了可视化分析,成功区分了经药物处理与未经药物处理的细菌。研究表明,IRaman显微成像作为将红外光热光谱与拉曼光谱相结合的新型系统,具有高空间分辨率和高信噪比,可快速获取生物单细胞结构的化学成像和光谱信息,在疾病的早期诊断和药物治疗等方面都具有极大的应用潜力。