生命科学领域的探究不断深入,运用新技术从单细胞分子水平上探究动植物信息的新方法己成为生物、医学等领域相当重要的研究方向。由于拉曼光谱可以提供细胞分子水平信息,在分子生理活动以及疾病等方面的分子机制研究中得到广泛应用,是用于生物样品以及对活体单细胞进行快速、原位、亚接触、实时研究的强有力工具,已广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。激光镊子拉曼光谱技术有许多突出的优点,如可在无需对待测样品作任何标记或者制备的情况下提供物质的分子组成和结构等样品的内在信息,可对各种较大活细胞待测样品和活体进行二、三维的点扫描和线扫描用以测定物质的分子组成与分布,还可以利用光镊长时间囚禁目标样品进行跟踪监测和分析等特点。石油和塑料制品在工业生产和日常生活中扮演着非常重要的角色,但石油的短缺和污染问题日益突出,传统塑料由于难以降解等问题亦日益危害着生态环境。乙醇的可再生及其清洁性是可以替代石油燃料的理想能源之一,而PHB(聚β-羟基丁酸)的可生物降解性是传统塑料的理想替代品。利用可再生的生物材料生产清洁燃料——乙醇和可生物降解塑料——PHB可以保护环境、节约不可再生能源。目前,乙醇和PHB的生产成本偏高,生产技术需进一步成熟。本文结合光学技术——光镊拉曼光谱法和化学计量学从单细胞分子水平上监测和分析微生物合成乙醇和PHB的动力学行为及微生物的代谢机制和规律等,试图为认识和提高乙醇和多聚物的产量提供全新、重要的参考信息。(1)使用合适的数据处理方法可以挖掘更多更全面的光谱信息,采用分段线性拟合光谱背景曲线和三阶的9点Savitzky-Golay卷积平滑法进行拉曼光谱预处理,经聚苯乙烯小球、红细胞和酿酒酵母等多批次拉曼光谱数据处理的验证,表明该改进方法可以有效地对拉曼光谱进行基线校正,亦可为光谱的进一步分析提供准确的数据,可以用来处理菌体的拉曼光谱数据从而建立胞内物质生长、产物合成等的动力学模型。(2)初步分析了不同初始pH值乙醇发酵过程中的拉曼光谱,结果显示：1)在3.0、4.5、6.5三个不同初始pH值的培养基中,pH4.5下乙醇产量最高,pH3.O下最低。2)在发酵的前15h,不同初始pH值下的酵母细胞生物大分子的拉曼信号变化波动大；后期,pH3.O下胞内脂类和蛋白质的拉曼信号最强,pH6.5最弱；显示在低pH值环境下部分底物可能被转化为胞内储藏物质。3)主成分分析显示,pH值对酵母细胞生理状态的影响从发酵的初始阶段就开始：1440cm-1和1600cm-1峰一直是影响主成分PC1、PC2、PC3分值的主要特征峰；说明pH环境可能影响了酵母细胞脂类物质的合成和细胞的呼吸代谢,进而影响了底物的代谢方向和产物的合成。结果表明,拉曼光谱和单细胞分析可以用于剖析微生物发酵过程的生理机制,为乙醇发酵提供全新的参考信息。(3)应用单细胞拉曼光谱技术分析了乙醇发酵过程中酵母粉、尿素、硝酸铵和硫酸铵不同氮源对酿酒酵母乙醇发酵的影响。结果表明,酵母粉的生物量最大,乙醇生成速度最快,最终产量也最高；无机氮源中,尿素的乙醇发酵效果最好,乙醇的生成速率及最终产量都与酵母粉的接近,均能在18h内达到乙醇产量的最大值；而硝酸铵培养基中生物量和乙醇生成速率均最小,发酵效果最差；硫酸铵的发酵效果比硝酸铵的稍好。实验对照组中,不论是在效率还是产量方面,均比有氮源的乙醇发酵效果差。光谱分析结果还显示,对照组酵母胞内的苯丙氨酸、蛋白质和脂类等物质的含量最低,而其他氮源的酵母,它们的上述生物大分子的含量也有区别。另外还发现,在发酵过程中酵母胞内的蛋白质酰胺I的结构随发酵的进行而发生相互过渡,对光谱的主成分分析亦表明了蛋白质酰胺I的构象发生了变化。(4)分析了微生物H16菌株在不同的果糖浓度下可生物降解塑料PHB的合成过程及其生理生化变化。结果表明：2g／L硫酸铵为氮源,果糖浓度分别为：O、5、10、20、30g／L的培养基中,发酵效果最好是以20g／L果糖为碳源的培养基,虽然以30g／L果糖为碳源的培养基到发酵后期PHB的总含量比20g／L的稍高,但生产强度不高,从经济方面考虑,不适合进行工业生产；而果糖浓度分别为O、5、10g／L的,不仅生物量和细胞干重较低,产物也低,同样不适合大规模生产；低碳源浓度的菌株,对数增长前期和初期细胞体内物质的合成速度和生物量的生长速度较大,但对数增长期较短；拉曼光谱的RNA、蛋白质和DNA的特征峰动力学行为表明,高碳源浓度菌株体内RNA、DNA和蛋白质变化的活跃期比低浓度的长,产物、生物量和细胞干重也比较高,活跃期是细胞生理生化发生变化的关键阶段,也是PHB合成的关键时机,发酵中控制好这个阶段关系到菌体的发酵强度和产物产量。直方统计显示,发酵一开始,细胞体内的PHB含量分布较广,对数期初期比较稳定,差异性较小,但稳定期之后直到发酵后期含量的分布又有变广趋势。