癌症的早期无损诊断是提高癌症治疗效果的最有效方法,亦是当前科学界重点攻关的难题。以多光子激发荧光(TPEF)和二次谐波(SHG)为信号源的多光子显微成像技术(MPM)具有“光切”功能、低杀伤性且成像深度深、高灵敏度高空间分辨率、无需标记等特点,非常适合用于组织和细胞的微结构形态和内在物质光谱特性研究。以拉曼散射效应为基础建立起来的拉曼光谱技术,则可以从物质的分子振动光谱来识别和区分不同的物质结构,能够提供生物组织内在分子组分的详细信息。二者各具优点又能相互补充。鉴于此,本论文结合多光子显微成像技术与拉曼光谱技术,以国人常患癌种——结直肠癌和食道癌患者离体组织样本和血液样品为实验对象,研究两类癌变组织体和血液内在成分的微结构形态和光谱特性,结合医学数理统计方法,试图从分子水平和细胞水平探讨建立表征正常以及癌变信息的特征参数,为联合多光子显微成像与拉曼光谱技术进行结直肠癌和食道癌的早期无损诊断和治疗评估提供实验探索和参考数据。本论文具体研究内容包括：首先,简要介绍了结直肠组织和食道组织的微结构形态学；总结了癌变不同进程的TNM分期及其病理学特征；阐述了本论文所采用的多光子显微镜成像(MPM)和拉曼光谱技术(NRS/SERS)的基本原理和实验检测方法。其次,以人离体结直肠和食道组织为研究对象,采用多光子显微镜成像技术对正常和癌变组织样品进行SHG和TPEF成像,探索了提高成像质量的激光工作参数优化选取,系统比较了癌变与正常组织粘膜层、粘膜下层和肌层的微结构形态学变化,尝试提取表征结直肠癌和食道癌病变信息的特征参数,为结直肠癌和食道癌的早期诊断提供参考依据。然后,采用常规拉曼(NRS)及分别以银胶和金胶为增强基底的表面增强拉曼光谱技术(SERS)对食道癌变与正常组织进行了检测分析,获得了较为理想的NRS和SERS光谱,提取了表征食道组织癌变的特征拉曼谱峰并进行归属；在此基础上,采用PCA-LDA多元统计判别算法探讨常规拉曼和分别以银胶和金胶为增强基底的SERS技术用于食道组织癌变诊断的可行性、有效性和可靠性。最后,以食道癌患者和健康人血液为研究对象,以金纳米粒子为增强基底,首次基于膜电泳血浆蛋白SERS光谱技术对血浆样品白蛋白和球蛋白开展了光谱研究。PCA-LDA多元医学统计显示：膜电泳血浆蛋白SERS光谱技术对食道癌的诊断效果准确率高,并且血浆白蛋白SERS光谱的诊断灵敏度和特异性(97.1%和100%)明显优于血浆球蛋白(90.9%和93.3%)。拉曼谱峰归属表明：癌变血浆蛋白结构发生改变,核酸和苯丙氨酸的相对含量提高,磷脂和糖类物质的相对含量则有所下降。