光谱检测对“更快（时间分辨率）、更高（空间分辨率）、更强（信号）”的追求从未停止。细胞和电化学表面由于其体系分子浓度低，分子环境复杂，一直是光谱检测的最大挑战体系之一。　　细胞是一个动态的非均质系统，不断与环境发生物质和能量交换。细胞的基本生命活动过程是一个时刻发生快速变化和具有显著空间差异的过程，这一过程变化又是由构成它们的生物活性分子如蛋白质的构象、分布、相互作用等动态变化决定的。对于细胞生命活动的认识就是要建立在对细胞中这些活性分子动态变化认识的基础之上。这不仅要求检测表征技术有足够高的灵敏度达到单分子单细胞水平，而且要有更高的空间分辨和时间分辨，实现分子组成、结构、分布变化的动力学过程的探测。而电化学体系中主要研究对象是荷电界面，所有涉及电荷转移、能量转换和储存、离子输运、氧化和还原反应都在该界面发生，界面的物理和化学性质将对整个电极过程起着至关重要的影响。该界面所关注的分子数仅有单层或者亚单层，需要能在动态检测界面分子结构的同时实时获得各物种在空间分布的信息的高灵敏检测技术，这对于理解电化学界面结构和反应动力学和热力学过程将具有重要的意义。　　拉曼光谱可以提供精细分子指纹信息又不受到CO2和水的干扰，而且光稳定性高，适合多组分检测。激发光波长可以从紫外到近红外，具有高空间分辨率。非常适合细胞和电化学的研究。但常规拉曼光谱的检测灵敏度非常低，大大制约了其在细胞和电化学体系的广泛应用。而表面增强拉曼光谱极大地改善了拉曼光谱固有的信号弱的缺点，已实现单分子层和亚单分层物种的检测，且不受到本体物质的干扰。因此拉曼光谱和表面增强拉曼光谱可以广泛应用在细胞和电化学的研究中。　　但拉曼和表面拉曼光谱在细胞及电化学体系应用中还存在一系列科学问题亟待解决。细胞生命过程的时间尺度从毫秒级到数百小时。因此如何在如此宽泛的时间尺度内获得可靠信号就成为重点。长时间尺度的光谱检测，必然会带来由于细胞长期暴露在非正常培养环境中而引起的细胞自身生理过程发生不可控改变的不利影响。因此就需要细胞长时间检测环境进行合理控制，使其在检测过程中不发生不可控的生理变化。短时间尺度，就需要灵敏度更高的光谱检测手段才能在高时间分辨率的情况下同时保证光谱具有良好的信噪比。另一方面，在许多电化学体系中表面增强拉曼光谱还不能提供足够的信号强度以开展时空分辨的动态研究，这在一定程度上制约了拉曼在电化学体系中的应用范围。目前检测灵敏度低和成像速度慢仍然是制约多数细胞和电化学拉曼光谱及其表面增强拉曼光谱研究的重要因素。　　本论文围绕细胞和电化学这两类重要体系，开展拉曼与表面增强拉曼光谱的高时空分辨检测研究。发展原位细胞显微培养装置，对细胞开展长时间原位拉曼检测和成像。建立暗场和SERS联用技术，开展对细胞内吞纳米粒子过程研究。建立动态SERS检测方案，提高弱吸附低浓度物质的SERS检测灵敏度和时间分辨率。建立电化学SERS显微技术，提高电化学SERS检测的时空分辨率，实现对电极表面过程的高时空分辨成像。本论文工作的创新点和主要成果如下:　　1.为了解决在长时间细胞拉曼光谱检测过程中，检测环境条件和细胞培养环境条件存在差异这一问题，我们搭建了适用于不同显微和光谱系统的原位细胞显微培养装置。对干细胞骨分化过程，和饥饿诱导的细胞应激过程进行了拉曼成像监测。并发展了一系列数据分析方法，对细胞生命过程的拉曼光谱成像数据进行分析，从中提炼相关的生物学信息。　　2.为了研究纳米粒子进入细胞过程中，纳米粒子和细胞相互作用过程，我们搭建了暗场-SERS联用系统，对细胞进行暗场和SERS同时观察。发现一种新的纳米粒子吞入细胞形式。对细胞内吞纳米粒子过程进行成像研究，利用统计分析方法，区别了纳米粒子内吞阶段。　　3.为了提高SERS技术对弱吸附低浓度物种的原位检测灵敏度，我们建立了动态SERS检测技术，提高对弱吸附低浓度物种的SERS检测灵敏度和时间分辨率。此外利用动态SERS检测技术，开展了小概率分子事件的检测以及吸附动力学和分子结构关联的研究。　　4.为了提高电化学检测的时空分辨率，我们扩展动态SERS检测技术，建立了电化学表面增强拉曼显微技术，通过SERS信号半定量的重构局域电化学法拉第电流信息。利用电化学表面增强拉曼显微镜，研究了电极表面混合体系的多组分检测。结合线成像技术，对电极局域电化学响应的进行了成像研究，考察电极表面电化学响应的空间差异。