细胞和生物分子领域的发展对研究技术和手段的一个迫切需求,就是要解决生命过程的动态检测问题,才能更深一步探究细胞和生物分子中伴随动态过程的一系列物质和能量的变化,对医学或生物分子学的发展具有重大意义。另一方面,拉曼光谱作为在分子水平上反映物质组成的“指纹”信息,在细胞和生物分子领域的应用日趋广泛；而表面增强拉曼技术(SERS)的发展,使得具有表面增强拉曼效应的金属纳米粒子在相关领域的应用日益受到人们关注。将表面增强拉曼技术应用于细胞和生物分子的动态检测,是解决医学或生物学中对动态生命过程进行研究的一个重要方法,也是“973”项目“适合于细胞和生物分子动态监测的高时空分辨拉曼光谱技术”的重要目标之一。本论文是该项目的一部分,主要任务是通过对表面增强拉曼技术和共焦显微技术的整合,构建对活细胞内SERS纳米粒子具有动态拉曼检测能力的系统。具体完成的任务包括：(1)搭建用于系统实现的软件架构,对系统涉及的软硬件部分进行集成；(2)对系统所有的硬件部分进行二次开发实现硬件设备的软件控制；(3)获取并处理样品的共焦显微图像,实现对目标的识别检测；(4)研究开发细胞等生物样品内表面增强拉曼纳米粒子的动态追踪算法,实现对样品动态拉曼信号的获取。本文研究的创新点包括：一是提出了一种建立在局部搜索基础上的全局最优追踪方法,将对单粒子目标的追踪限定在满足条件的有限区域内,而对粒子间的匹配则采用了归一化加权处理来量化相似度判据,并通过寻找全局最优解的方式实现对目标粒子的动态追踪定位,最后采用Kalman滤波的方法对目标定位进行最优预测；二是实现对粒子显微图像的分割处理,尤其是重叠粒子图像的分割,采用灰度骨架和距离变换的组合方法完成对粒子目标的识别检测,并对动态追踪过程中的粘连重叠和分裂拆分问题,提出了一种适用于粒子追踪算法的双向多节点数据链表；三是构造了动态拉曼检测系统,通过对激光、光谱仪器和光路部件的有序控制,实现时空序列的动态拉曼光谱的获取。