本论文包括时间分辨的单个Cy5分子光谱和单个蓝藻细胞荧光成像两个部分，得到了下列的重要结论。 第一部分单个分子光谱特性研究Cy5分子是为数不多的发光在近红外、商业化了的花青染料之一，广泛地应用于荧光光谱和荧光成像中，特别是在生物体系中的应用更为广泛。有关Cy5分子的光物理光化学性质的研究虽然很多，但对其三重态吸收和光异构化的机理仍不清楚，以致不能很好地解释单分子实验中的一些特殊的现象。本文用单分子探测(SMD)和系综测量的方法研究了Cy5分子的光谱特性，主要是用远场的共聚焦荧光显微镜，结合MCS(MultichannelScaler)和TCSPC(Time-CorrelatedSinglePhotonCounting)技术来开展研究工作。得到了以下的结论： 1.通过改变不同的激发条件(激发光的强度和重复频率)，研究了固定在盖玻片表面上的单个Cy5分子的荧光涨落。不同激发条件下的荧光强度的涨落能为我们描述分子的激发态过程提供信息。通过比较不同的激发条件下的on/off时间和光子计数率，发现在高的重复频率和高强度的激发条件下有高的光子计数率。随着激发光强或激光重复频率的增加，从Tn到Sn的反向的系间窜越(RISC)的几率增加，on-time变长，off-time变短，结果表明整个过程是一个光诱导的过程。在连续光和高重复频率的脉冲光激发时，可以用一个五能级模型来描述分子激发跃迁的过程，而在低的重复频率下，可以简化为三能级模型。 2.研究了Cy5分子的三重态吸收和光异构化过程，这两个过程对我们解释单分子测量实验中的一些特殊的现象非常重要。T-T吸收实验中，发现在625nm和690nm处分别有一个吸收峰，通过引入含重原子的碘乙烷，发现625nm处的峰成三倍的增加，而690nm处的峰基本不变，说明625nm处的吸收是反式的Cy5的T-T吸收峰，这和Cy5分子的基态吸收有很大的重叠，和激发的光源是共振的。而690nm处的峰是通过光异构化到顺式的Cy5的基态吸收，并且得到了两个吸收过程的动力学参数。这能很好地解释在FRET实验中作为受体的Cy5分子接受了来自于供体的能量而不发光的现象，即使分子通过系间窜越到三重态，其三重态的吸收和供体的发射光谱有很大的重叠，仍能接受来自于供体的能量。在单分子实验中，发现Cy5分子经过一段时间的光照后，许多分子从一个发光比较强的on态进入到一个发光比较弱的dim态，这是由于分子被光照后，进入了顺式的结构，而顺式的基态吸收在690nm处，吸收发生了红移，导致激发几率比较小，分子发出的荧光比较弱。通过一系列的单分子实验测量，得到了一些有关on态和dim态的动力学参数，并在同一个分子上进行改变激光强度的实验证实了高的激发强度下出现dim态的几率比较大。反式的Cy5分子的三重态吸收和基态吸收的激发光源是共振的，分子通过系间窜越到三重态后会被激发到能级更高的三重态，再通过RISC到单重激发态。单分子测量实验发现，随激发强度增加on-time变长，而off-time变短，这表明了即使用单一激发光源激发Cy5分子，也会有RISC发生。 3.观测到了室温下的延迟荧光、低温下的延迟荧光和磷光，很好地阐述了延迟荧光和磷光的来源，发现了产生延迟荧光的另一特殊的途径。通过分析，发现激发光光强和延迟荧光的线性关系，这表明延迟荧光是处于三重态的顺式的Cy5分子通过热诱导向后异构到反式的单重态后再发出荧光。而在低温下的775nm处的磷光是反式的Cy5的三重态向基态跃迁发出的，加入碘乙烷后，延迟荧光的峰降低了，而在840nm处的出现新的磷光峰，是分子通过光异构化到顺式的Cy5，在重原子的作用下，跃迁到三重态，再从三重态向基态的跃迁发出磷光。 第二部分单个细胞成像研究激光扫描的共聚焦显微镜结合TCSPC成像技术，用来研究FRET(FluorescenceResonanceEnergyTransfer)的荧光强度、荧光寿命成像。本文用荧光寿命成像的方法研究了蓝藻细胞的NDH(NAD(P)H脱氢酶)的不同亚基上标记CFP/YFP的能量转移。 CFP和YFP是常用于研究FRET的一对D-A(donor-acceptor)体系，是GFP的两种变种荧光蛋白。在蓝藻细胞的NDH的不同的亚基上分别标记CFP和YFP，研究CFP/YFP之间能量转移特点。当发生能量转移时，CFP被猝灭，短的荧光寿命成分增加。在同一个细胞的不同的区域中，CFP的短寿命和长寿命部分在能量转移过程中对环境是很敏感的，因此可以用来表示两个不同亚基的FRET效率。从荧光寿命成像的同时也能得到荧光强度的成像，可以用于计算得出FRET效率的成像，反映出不同FRET效率的CFP/YFP标记的亚基之间的距离分布。FLIM是一种很好的用来研究光合作用的细胞的NDH不同亚基的功能特性的方法。