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人体各种组织和细胞都是由蛋白质、核酸、脂类等生物分子组成的，每一种物质都有其特征的拉曼光谱。在组织和细胞癌变过程中，组成细胞、组织的各种生物分子只是在不同组织和细胞内的构型、构象以及各种成分的构成比例不同，这些早期的变化并不引起临床症状和医学影像学的变化，而拉曼光谱却能从分子水平反映这些变化。
核酸是重要的遗传物质，对其组分的每一个修饰或者病理损伤的改变，几乎都会导致细胞新陈代谢和基因品质的改变。对于维持生命体正常活动的生物大分子的研究，拉曼光谱是被公认的最有效的方法之一。拉曼光谱技术在测量生物大分子时，具有样品需要量小、结构信息量大、测量速度快、操作方便、对样品无损伤和实时监测等优点，尤其是在测定水溶液时，几乎不受水的干扰。用拉曼光谱研究核酸的空间结构以及β射线、γ射线、紫外线、高能质子和药物等物理、化学因素对核酸的作用，有助于从分子水平上阐明相关疾病的发病机制，而且可以为其治疗提供一种新的策略。
目前，最常用于DNA方面的研究的生物模型是小牛胸腺DNA，以下将以小牛胸腺DNA为例进行分析。
1.骨架磷酸基团
骨架磷酸基团具有两条谱线，一条是在1094cm -1 具有对称伸缩振动的磷酸离子PO 2 - 的谱线，其构象不灵敏，可以作为内标使用。当DNA发生单链或双链的断裂时，该谱线强度移至1088cm -1 。另一条是磷酸二酯O = P = O对称伸缩振动在787cm -1 的谱线，其构象灵敏，当DNA为无序状态时，它可以移动到790cm -1 附近。
2. DNA的构象
因DNA纤维的相对湿度不同而形成三种构象。当相对湿度是75%时呈A型DNA，它的碱基与水平面呈20°角，其特征拉曼频率为807cm -1 。当相对湿度是98%或者在水溶液中时呈B型DNA，其碱基与水平面的夹角为0，特征的拉曼频率为835cm -1 。若相对湿度为47%时，其夹角为6°，而特征的拉曼频率在865～870cm -1 。
3.脱氧核糖和磷酸脱氧核糖
属于脱氧核糖的谱线分别是950、992、1443和1458cm -1 ，当1010cm -1 和1052cm -1 的谱线为脱氧核糖的C—O伸缩振动，DNA的脱氧核糖-磷酸谱线则为1152cm -1 。
4.碱基
A、G、T、C有17根谱线，其分别为676（T）、683（G）、726（A）、749 （T）、1184（碱基外C—N伸缩振动）、1223（A）、1241（A，G）、1255（C，A）、1302 （A）、1341（A）、1378（T，A，G）、1421（A，G）、1489（G，A）、1516（A）、1535 （G，L）、1579（G，A）以及1662（T，C = O）cm -1 。当它们向低波数明显移动时，提示可能发生了DNA氢键的断裂。
噬菌体R17为研究RNA的常用模型，以下以噬菌体R17为例进行分析。
1.骨架磷酸基团
与DNA相似，其骨架磷酸基团具有两条谱线，一条是在1100cm -1 具有对称伸缩振动的磷酸离子PO 2 - 的谱线，其构象同样不灵敏，也可以作为内标使用。另一条是磷酸二酯O = P = O对称伸缩振动在810～815cm -1 的谱线，其构象灵敏，当磷酸骨架处于有序的状态，会在815产生强的拉曼谱线。而为无序状态时，它可以下移到808～795cm -1 附近。
2.核糖
核糖谱线分别为435、635、860、880、915，975，1045以及1160cm -1 。
3.碱基
A、G、U、C，碱基分别在502（G，C）、580（C，G）、670（G）、710 （A）、725（A）、755（C）、787（C，U）、1001（A，U，C）、1180（C，G，A）、1238 （U，C）、1250（C，U）、1303（A，C）、1320（G）、1342（A）、1380（G，U，A）、1482（G，A）、1535（G）、1575（G，A）、1620（U）、1650和1685（U，G，C）cm -1 。
变性是核酸的一个极其重要的物理化学性质。有研究者采用激光拉曼光谱技术研究DNA的热变性，他们发现，DNA热变性可以导致DNA中脱氧核糖-磷酸主链振动减弱，包括在884～890cm -1 、1112cm -1 和1168cm -1 处的谱带，脱氧核糖以及脱氧核糖中C—O的伸缩振动增强，而且会在1436cm -1 、1072cm -1 处出现了新的谱带，在1466cm -1 和1030cm -1 处的谱带强度会增强。其各碱基的振动频率和相对强度都发生了很大的变化，碱基中羧基的伸缩振动显著增强，在1650cm -1 和1670cm -1 处出现新的谱带，而且在1710cm -1 处的谱带显著增强。余多慰等对鲱精DNA纤维用醋酸溶液处理不同时间后，将样品进行拉曼光谱分析。他们发现DNA分子发生明显的质子化作用，酸可以导致DNA中部分嘌呤、嘧啶的脱落，DNA纤维在醋酸中浸润17小时后，A、B构象都存在，而且以A型为主，0. 5小时内的以B型构象为主。周殿凤等研究了小牛胸腺DNA水溶液经不同时间不同波段紫外辐射后的拉曼光谱，结果发现仅仅经过9分钟强度为18. 68W/m 2 的全波段紫外辐射，DNA就遭到了严重的损伤。紫外辐射使小牛胸腺DNA的构象受到破坏，构型发生变化，除部分单双键发生了断裂外，4种碱基也均受到不同程度的影响，其中嘧啶、嘌呤碱基受到的损伤较为严重。另外，他们还发现，在水溶液中，经不同波段的紫外辐射后，水溶液中DNA的B型构象减弱，A型构象相对增强，但仍以B型构象为主，A型构象只是局部存在。有研究者用拉曼光谱研究了端粒DNA的溶液二级结构和核苷构象，结果发现单链和双链端粒DNA都显示了结构的多态性，其B型DNA中双螺旋是不均匀的。唐伟跃等得到了固体DNA在β射线、γ射线诱变前后的拉曼光谱。当β射线、γ射线与DNA作用时，DNA失去复制、转录的功能。他们发现经射线诱变以后，脱氧核糖的振动、脱氧核糖磷盐链的振动以及C—O的伸缩振动都会发生不同程度的减弱，碱基和胸腺嘧啶发生变化，与DNA垂直的碱基-碱基相互作用遭到破坏。董瑞新等测定了不同温度下纤维和溶液的拉曼光谱，研究表明当温度变化时，碱基、磷酸根等特征振动都不同程度地受到影响，谱线强度、频率随温度呈非线性变化。在所有的振动模式中，腺嘌呤（A）的特征振动受到温度的影响最大。DNA结构、构型的变化（如质子化、氢键断裂、碱基受损伤等）、超螺旋结构等在DNA的复制、遗传、变异及修饰等方面至关重要，拉曼光谱可以探测到核酸水溶液中主链、碱基及磷酸基团的振动。因此利用拉曼光谱的变化推测生物大分子的结构及其变化有利于研究遗传信息的特性，并为基因突变、转基因、诱变育种等提供有力技术保证。
染色质的基本化学成分为脱氧核糖核酸核蛋白，它是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量的RNA组成的复合物，核小体是染色质包装的基本单位。拉曼光谱使人们在不使用化学探针研究天然染色质的各个基团的振动以及空间结构等。有研究者认为，染色质的拉曼光谱受控于组分DNA的拉曼光谱。组分DNA和蛋白质的所有振动模式的特征都体现在染色质的光谱中。所以染色质中DNA组分的特征就不再赘述。
染色质中的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白两类。有研究发现鸡红细胞染色质中组蛋白的拉曼谱线很清晰，而且凸出，而非组蛋白的谱线少而弱。
1.主链构象
主链构象灵敏的谱线主要由属于酰胺Ⅰ、酰胺Ⅲ以及C—C和C—N伸缩振动的一系列谱线组成。酰胺Ⅰ的光谱范围内，在1649cm -1 和1657cm -1 的谱线指定α-螺旋，而无规卷曲的谱线在1253cm -1 。主链C—C和C—N伸缩振动的一些谱线分别存在于935、959、1069、1082、1092以及1113cm -1 。而在1453cm -1 的CH 2 弯曲振动谱线对蛋白质构象变化不灵敏，所以常作为内标。
2.侧链构象
侧链构象中，S—S键、C—S键、巯基（—SH）、电离化后的羧基（—COOH）、酪氨酸的对羟苯基环的谱线，以及属于非组蛋白的吲哚环的谱线较为灵敏。胱氨酸的S—S链在503cm -1 和524cm -1 的谱线表明该蛋白质的S—S键存在扭曲-扭曲-扭曲和扭曲-扭曲-反式两种构象。在648cm -1 和667cm -1 的2根谱线分别是胱氨酸和蛋氨酸具有扭曲构象的C—S键。而它们的反式构象的C—S键存在于713cm -1 和728cm -1 的谱线。在2552、2575和2578cm -1 是半胱氨酸巯基的S—H伸缩振动谱线。非组蛋白的色氨酸吲哚环引起的谱线分别在576、762、883、1341、1356以及1554cm -1 等处。酪氨酸对羟基苯环的振动和环平面外弯曲振动的费米共振所引起的双峰在827cm -1 和855cm -1 。当苯丙氨酸单基取代苯基环所产生的振动谱线在1004cm -1 。而在1413cm -1 的谱线则被指定为甘氨酸等的羧基的对称伸缩振动。
蛋白质、核酸以及碳水化合物是三类最基本的生命物质。碳水化合物又称为糖类化合物，是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物。主要由碳、氢、氧所组成。葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等都属于糖类化合物。其种类和连接方式很多，具有高度的支链化形式及-α，β糖苷异构形式。寡糖不仅能以游离状态参与生命过程，而且还能与其他生物大分子形成化合物，如糖蛋白、糖脂等均具有重要的生物学作用。广泛参与调节细胞的生长、分化、代谢及免疫反应等。
碳水化合物一般含有C—H、O—H、==C O等，虽然基团简单，但这些都是大分子结构，具有许多的同分异构体，所以对碳水化合物进行分析相对困难。有研究者利用傅里叶拉曼光谱获得了蔗糖、甜菜糖的拉曼光谱。其采用偏最小二乘（PLS）和主成分回归（PCR）对掺杂在枫树糖浆中的蔗糖和甜菜糖含量进行建模，准确率达95%。也有研究者用拉曼光谱分析了小麦阿拉伯木聚糖的分子化学键以及其骨架结构。
对于两种异构糖，它们的区别主要是在环状的异头碳的构型。用红外光谱的几个吸收谱带的频率表征α以及β异头物。它们可分为1、2a、2b和3型。类型1谱带类似于1，4-二氧杂环己烷，其来源于“反对称环的振动”。类型2的一些谱带来源于异头C—H变形。类型3的谱带的来源是己吡喃糖的“对称环的振动”。虽然这类吸收谱的覆盖范围很大，但只有类型2可以区分异头的糖苷键。
甘露糖是一种单糖，也是一种六碳糖。在糖类代谢过程中，会因为己糖激酶的作用，而磷酸化形成甘露糖-6-磷酸。其多聚体甘露聚糖是一种高度分支的多聚体。广泛存在于多种生命形式中，如一些G - 细菌、分枝杆菌、酵母菌，以及某些病毒的外膜蛋白。在水溶液中的D-甘露糖的拉曼光谱的特征频率在140～1460之间，其中在880、1048、1272和1350cm -1 的谱线分别指定为D-甘露糖的异头C-1位的β-构型和C1-H弯曲振动，而且当与CCH基团或OCH基团联合或与两者联合后，2条谱线属于COH振动。存在于1466的谱线是CH 2 弯曲振动。而低于600的拉曼光谱可能是骨架的模，它们的光谱位置分别在409、447、459、487以及519cm -1 。
多糖直链淀粉、支链淀粉、糖原、葡聚糖和纤维素的特征频率分别介于402～1458cm -1 、246～1458cm -1 、242～1456cm -1 、211～1462cm -1 ，以及277～1479cm -1 。其中直链淀粉的840cm -1 、支链淀粉的850cm -1 、糖原的840cm -1 、葡聚糖的844cm -1 分别表明它们的异头C-1的构型为α型。其异头C-1同样也有β构型的存在，它们分别是直链淀粉的901cm -1 、支链淀粉的905cm -1 糖原的907cm -1 葡聚糖的896cm -1 ，但它们均不是唯一的谱带。麦芽糖、麦芽三糖和环己直链淀粉的拉曼光谱出现在200～1600cm -1 之间。环己直链淀粉是环状多聚糖，它含有6个α-D-吡喃葡糖残基而无半缩醛羟基，其D-葡萄糖基以α-（1，4）糖苷键连接的多糖链，麦芽糖α-异头物的谱带出现在850cm -1 以及905cm-1的位置。麦芽三糖的α-异头物谱带出现在851～860cm -1 的谱带。环己直链淀粉的光谱在865cm -1 有明显的谱带的存在，这表明有α-D的连接。在1500cm -1 以下，三种多糖的C—H弯曲振动出现在1457、1462、1454cm -1 的位置。而CH 2 变形，C—O—H弯曲和C—C伸缩振动的混合出现在1320～1440cm -1 之间。C—O—H伸缩振动和OH变形的谱带在1000～1200cm -1 ，麦芽三糖和环己直链淀粉在这个位置的光谱相似。其相似出现的位置在1132、1082、1037cm -1 ，以及1130、1084、1045cm -1 ，所以，麦芽三糖的结构会相对于与麦芽糖来说更接近环己直链淀粉。在C—O—C的振动区域内，环己直链淀粉有954、941和926cm -1 三条谱带，而麦芽糖和麦芽三糖分别只有924cm -1 和933cm -1 一条谱带。低于600的谱带则是由环的骨架和扭转振动模组成。
生物膜是镶嵌有蛋白质和糖蛋白的磷脂双分子层，起着划分和分隔细胞和细胞器作用生物膜，也是与许多能量转化和细胞内通讯有关的重要部位，同时，生物膜上还有大量的酶结合位点。随着病理和病理生理学的发展，人们越来越注重对于生物膜的结构以及功能的研究。而激光拉曼光谱的出现，又为生物膜的研究提供一种新的方式。应用激光光源的拉曼光谱法，由于激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，因此，激光拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱相配合，已成为分子结构研究的主要手段。拉曼光谱可以研究各种状态生物膜的结构，能够检测膜中碳氢链的旋转异构现象，同时也可以体现脂肪和磷脂的振动情况以及生物膜结构功能和蛋白质与脂肪之间的相互作用。应用拉曼光谱不仅能同时获得组成生物膜的膜脂和膜蛋白的反式、扭曲等构象变化信息，而且还可以计算出链内纵向有序性参数和链间横向相互作用参数及其变化率，从而对膜脂的流动性和离子通透性的变化进行研究。
目前，为避免生物膜中组分之间复杂关系的影响，常利用脂水体系和脂蛋白体系模拟人工膜，应用较多的有平面脂双分子膜和脂质体。磷脂的脂酰基C—C骨架有三条构象较为灵敏的谱线，两条反式构象以及一条扭曲构象，其位置分别在1066、1130和1090cm -1 。当脂质双分子层结构受到外界物理条件（如温度）或者生物分子作用而发生变化的时候，在1066、1130cm -1 附近的谱线强度将会明显的降低，而1090位置的谱线将会因此明显增高。这可能是因为分子链中的一些分子的构象从反式转向扭曲式。在2850cm -1 以及2885cm -1 位置的谱线分别是CH 2 对称伸缩振动和反对称振动对于脂酰基链骨架的构象变化较为灵敏的谱线。当磷脂处于结晶状态时链间横向相互作用序参数为1，而当其处于液态时，该参数为0。C—H伸缩振动的模式和C—C伸缩振动模式虽然具有同样的信息，但是C—H模式较之于C—C模式对结构的变化会更加敏感。类脂的CH 2 、CH 3 弯曲振动构象不灵敏的谱线在1400～1470cm -1 ，它们的谱线强度和位置的改变可能提示该脂酰基链骨架发生了断裂或交联。
红细胞膜是研究得比较早，而且也比较全面深入的生物膜，其常用来作为活体膜的模型而进行研究。早在20世纪70年代就有研究者发表了对红细胞膜拉曼光谱的研究。与其他的探针方法相比，拉曼光谱可以无损伤地对其特性进行分析，而且能进一步呈现膜内磷脂和蛋白质的状态及它们相互作用的信息。红细胞膜的主成分为蛋白质（约49%，重量比）和脂类（约44%），还含有糖。脂类由磷脂（约73%、重量比）、胆固醇（约22%）和糖脂（约5%）组成。所以其构象灵敏的谱带与之前的蛋白质和类脂相似。
有研究者对竹红菌素及其衍生物敏化的脂质体空间结构的光损伤进行研究。竹红菌素及其衍生物是一类新型的光敏剂，因其具有亲脂性，而且膜磷脂结构的完整对钠通透性及流动性相当重要。膜上的各种脂类，在光氧化中的特点和损伤程度明显不同。究其原因，最根本的应该是它们本身结构的特点。比如脂质双层碳氢链的反式和扭曲构象的变化、链内纵向有序性参数以及链间侧向相互作用序参数额度变化。这些变化可以反映脂质体在光敏损伤后的结构特征，也与膜的通透性、流动性有关。而拉曼光谱对于这些结构的研究又有着其独特的优势。它可以直接和同时获得与脂质体纵向有序性参数和侧向相互作用序参数相关的结构信息以及药物与脂质体结合或相互作用的可能位点。竹红菌甲素和乙素是竹红菌素的主要组分。对竹红菌甲素（HA）、乙素（HB）和乙素的溴代物（5-Br-HB）敏化的二棕榈酰磷脂胆碱（DPPC）脂质体空间结构的光损伤进行研究发现，竹红菌素及其衍生物对DPPC脂质体空间结构的微观光敏损伤的拉曼光谱呈现出脂质体反式结构减少，扭曲构象增加，而且其链间侧向相互作用序参数也会有不同程度的减少，它们的侧向堆积变得松弛。磷脂酰胆碱基团在DPPC亲水的头部是其伸缩振动的部位，所以对其构象的变化不敏感。但如果在光敏的作用下，5-Br-HB对磷脂酰胆碱C—N基团的光损伤强于HA 及HB，这可能是因为胆碱带正电荷容易受到高活性的氧自由基的破坏。而对竹红菌甲素、乙素和乙素溴代物敏化的二棕榈酰磷脂酰乙醇胺（DPPE）和DPPC混合脂质体拉曼光谱的研究发现其反式构象减少，扭曲构象增加，链内纵向有序性下降，光敏剂5-Br-HB对此类脂质体纵向有序性的损伤以及链间侧向相互作用的损伤强于HB和HA。
从以上实验我们可以看出，通过对HA、HB、5-Br-HB对脂质体的光敏损伤的拉曼光谱进行研究，能够很好地说明光敏剂所产生的传递效应。
有研究认为，竹红菌乙素对膜的钠通透性的损伤和对磷脂的过氧化水平超过了竹红菌甲素，而且HB的抗艾滋病毒的能力也高于HA。因此有研究者研究HB损伤前后的人红细胞膜的拉曼光谱。正常人红细胞的拉曼光谱主要是由膜蛋白和膜脂的光谱结合而成。它们致力于研究膜蛋白主链的酰胺和侧链的巯基、吲哚环、对羟苯基环、单基取代苯基环以及膜脂的全反式键和扭曲旋转构象。膜蛋白的CH 2 、CH 3 弯曲振动与膜脂酰基CH 2 、CH 3 弯曲振动的谱线在1440～1470cm -1 范围内，由于它们的构象不灵敏，所以常将它们作为内标来确定脂类或蛋白质各谱线的相对强度。如果它们谱线强度发生明显变化时，可能提示着脂类/蛋白质的碳氢链和肽链骨架发生了断裂。人红细胞膜蛋白主链的酰胺Ⅲ谱带是构象灵敏的条带。当用激光照射1. 2小时后，它的谱线发生了明显的变化，β折叠、无规卷曲、分别由原来的1231、1245cm -1 移位到1234、1256cm -1 ，而α螺旋也从1271、1284cm -1 移位到1284、1300cm -1 。苯丙氨酸的单基取代苯基环的伸缩振动的谱带是构象不灵敏的，所以也可以作为内标。CH 2 和CH 3 弯曲在1436、1451和1469cm -1 的谱线移位到1449和1477，1436cm -1 的谱带增加了52%，这可能是因为肽链的加长，而后两者却减少了71%和17%，说明肽链加长的同时也存在着肽链的断裂。有研究者研究发现含竹红菌甲素的红细胞膜经光照能使膜蛋白发生交联和光聚集，出现大于原来膜蛋白的物质，这个也提示着肽链加长。这些结果表明膜蛋白的β折叠有所增加，可能是参与交联的肽链引起的，所以并不意味着膜蛋白中β折叠的增加。除此之外，其膜蛋白侧链的变化也比较明显，在属于色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的谱线从中等强度的峰变成了肩峰。而半胱氨酸的巯基基团从2550和1586cm -1 的谱线位置移位到2540和2566cm -1 ，且其强度明显下降。酰胺Ⅲ模式由C—N伸缩振动和N—H变形组成，通过分析其拉曼光谱的特征可以发现其膜蛋白肽链上的氨基变化明显，而且有的膜蛋白肽链发生了链的断裂，有的链则加长，这些可能和膜蛋白中肽链内或肽链间的交联有关。氨基在膜蛋白的光敏交联中起着重要的作用，交联的膜蛋白是由光氧化的氨基残基和膜蛋白氨基之间的次级反应形成。通过这些拉曼光盘的分析，可以在分子水平上对上述的现象提供直接证据。红细胞膜膜脂的谱线有别于纯磷脂脂质体，因为其除了有脂类成分之外，还有一些其他成分的影响，比如细胞膜上的糖蛋白的影响。有研究证明膜蛋白膜蛋白光氧化产生交联的反应先于脂类的过氧化作用。这种交联有可能限制膜脂的扩散，使其在光损伤的初期流动性降低，随着光照时间的延长，高活性的单线态氧，羟基自由基、半醌负离子自由基的增加，以及因此所导致的一系列连锁反应，这些都可能使链的断裂增加。在2800～3000cm -1 范围C—H伸缩振动的拉曼谱线对膜脂构象的变化十分敏感。但由于在这个范围内的膜脂、膜蛋白和糖类的谱线有重叠，所以对它们不进行分析。属于膜结合β-胡萝卜素的谱线位置在1151和1525cm -1 ，其强度较强，可以作为红细胞膜结构的拉曼活性探针。当HB的光动力作用使膜脂结构破坏时，β-胡萝卜素的共轭双键系统光氧化，继而其对膜脂的运动的抑制减弱，而膜脂的流动性增加。综上所述，竹红菌乙素产生的活性氧破坏红细胞膜的有序结构，使膜蛋白主链结构的α-螺旋、β-折叠明显减少，而无规卷曲增加，同时使其侧链结构的巯基基团、吲哚环、对羟苯基环、单基取代苯基环等也明显减少。随着光照刺激的时间延长，膜脂的反式构象先增加而后减少，其扭曲构象则相反。不灵敏的CH 2 和CH 3 弯曲振动谱线在膜蛋白和膜脂中明显下降，提示其可能存在链的断裂。通过拉曼光谱辅助研究HB光敏损伤的人红细胞膜的功能的发生机制，可以对竹红菌素抗癌和抗艾滋病毒的分子机制有了进一步的了解。
有研究者运用拉曼光谱研究了SiO 2 与DPPC脂质体的相互作用发现，在SiO 2 的作用下，DPPC在1127和1093的谱线强度比值下降，这可能是因为C—C链的全反式构象部分变成扭曲式异构体，其链内纵向有序度下降；而在2883cm -1 和2847cm -1 位置谱线强度比的下降则说明链间横向束缚受到了干扰，其有序度降低。这些变化都反映了膜的流动性和离子通透性的增加，这对于矽肺发生的分子机制研究具有重要的价值。
拉曼光谱可以很好地体现药物对膜脂整体结构的细微改变，比如少量的酸性磷脂的存在。此时，反式构象减少，扭曲构象增加。这可能是DPPA链内和链间构象发生改变，由此而影响整个膜脂双层的改变。如果药物首先与膜脂作用，那么酸性磷脂有可能是使药物与膜结合得更快的特定位点。因此拉曼光谱可以从分子水平研究药物对膜上磷脂的选择性作用。
共焦显微拉曼光谱是共焦光学显微镜技术结合拉曼光谱，可探测细胞的化学特征，该光谱技术对原位活细胞的研究具有重要的价值，它不仅能提供完整活细胞的拉曼光谱，而且可以显示出该细胞的显微图像。对于大部分微米级的物体来说，尤其是活细胞（例如血细胞、酵母细胞），作为活体组织的一部分，如果要对其进行研究，需要处于液体环境中，才能保持正常功能，这是极其重要的。但是，由于布朗运动，分子不规则游动，使溶液中的细胞无法固定在微小的激发区内进行长时间的拉曼光谱收集，此时所获得的信息显然不全面。如果不结合固定技术，这些都会妨碍拉曼光谱技术的直接运用。
在活细胞固定的技术上虽然可以应用普通的化学固定，或使用微吸管，但这两种技术应用到活细胞的时候都有些许缺陷。比如说化学固定，存在着未知的化学反应的干扰，会改变活细胞所处的化学环境，因此对活细胞所产生影响是不可预知的。而使用微吸管也存在缺陷，当细胞体积越来越小时，细胞表面效应对于细胞来说变得相当重要，而使用玻璃微吸管吸附细胞，会使细胞的表面发生变化，改变了细胞的自然形态。不能控制微粒的局限使得拉曼光谱在单个活细胞中分析能力受到了影响。而拉曼镊子技术的出现与改进，逐渐解决了这个问题。早在1984年，Thurn等提出利用光辐压在稳定的光阱中俘获微米级固体微粒，并激发俘获微粒的拉曼光谱，实现拉曼探针技术（Raman microprobe）。但是，缘于活细胞对可见光的吸收，所造成光损伤对生物细胞的活性产生影响。因此，光镊与拉曼光谱技术的结合早期并不应用于活细胞，而是应用在研究气溶胶、液滴、气泡等非生命微小颗粒。1986年，Ashkin等改进光镊技术，能控制的物体大小范围5～100mm，包括原子、病毒、细菌、蛋白质、细胞或其他生物分子。生命的基本过程取决于细胞内许多不同分子与同类分子之间的协调作用。但运用于拉曼光谱的激光对细胞的俘获与操纵需要一定的激光波长和功率维持。激光的波长和功率是最重要的指标，它们同时决定着样品在测量时的存活能力和最后的信噪比。受技术水平的限制，早期研究的细胞受到着激光的光损伤。直到2002年，Ajito等结合光镊和显微拉曼光谱，首次成功地用于单个突触体的识别。与此同时，有其他研究者采用近红外785nm波长的激光作为俘获激光，构建激光拉曼光镊子系统（LTRS），明显降低了光损伤，这也让他们首次观察了单个活细胞光学俘获之后的生化动力学过程。近年来，国际上对拉曼镊子的研究逐步深入，拉曼镊子作为一种不断发展的新的实用技术备受关注。拉曼镊子（Raman tweezers）就是拉曼光谱结合光镊的光学技术，也被称为拉曼光谱结合光阱技术或激光拉曼光镊子系统。拉曼镊子是一项新的光学技术，其最主要的特点是结合了光镊与显微拉曼光谱技术，能对样品起到很好的控制，而且具有高分辨能力。单束激光经过带有高数值孔径的倒置显微物镜进行聚焦，形成的光阱即为光镊。光阱将单个微小样品束缚在激光焦点附近的平衡位点上，实现对样品的三维俘获，同时激光激发样品的拉曼光谱信号，并通过倒置显微镜耦合光谱仪进行光谱收集。它可以用光镊俘获悬浮液中的样品，这种光学固定技术没有任何机械接触，不会引起细胞表面效应，也不需要添加任何化学药剂进行固定，使得活细胞可进行长时间的拉曼光谱探测。既克服了传统拉曼光谱探测中固定技术的缺陷，也提高了生物单细胞在实验过程中的活性。两种技术的结合使得拉曼镊子兼具拉曼光谱和光镊的特点，拉曼镊子的研究结果以拉曼光谱的形式给出谱图中的每个峰对应着样品中不同分子的振动引起的拉曼频移，如DNA、氨基酸或氨基化合物。而不同的生物分子对应的拉曼频移是不同的。因此，拉曼镊子能产生的光谱“指纹”区，作为参考应用在分析研究中。对于拉曼光谱数据的处理与算法如主成分分析（PCA）、判别分析（DFA）、聚类分析、二维相关分析、多元线性回归分析（MLR）以及人工神经网络识别（ANNs）等在光谱数据的归类与识别中成效显著。
蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质除了构成细胞的主要成分外，在细胞的催化反应、代谢调节、物质运输、免疫防御方面都有重要的作用。以T淋巴细胞为例。其主链构象灵敏的酰胺Ⅲ范围内有5条谱线。分别在1232、1247、1260和1280cm -1 ，它们均属于β-折叠、无规卷曲（2条）和α-螺旋。而在1657、1667和1681cm -1 的谱线分别属于酰胺Ⅰ范围内的α-螺旋、β折叠或无规卷曲和β-折叠。除此之外，还有存在于902、922和959cm -1 的C—C键的伸缩振动和处于1073、1102、1120cm -1 的C—N键的伸缩振动。
蛋白质的侧链构象灵敏的谱线分别属于胱氨酸和蛋氨酸的二硫键和C—S键、半胱氨酸的巯基、酪氨酸的对羟苯基环和色氨酸的吲哚环。二硫键的扭扭曲-扭曲和反式-扭曲-反式两种构象的谱线在506和541。而在658和710、725、740cm -1 说明C—S键有扭曲和反式构象。谱线在2451、2557、2573、2580cm -1 。色氨酸吲哚环的伸缩振动的谱线有541、583、757、872、1014、1335、1357、1557、1582和1616cm -1 等11条，其中1357的构象灵敏。
DNA是细胞内主要遗传物质，其骨架磷酸基团的两条谱线在781cm -1 和1089cm -1 ，分别是磷酸二酯和磷酸离子的对称伸缩振动。前者构象灵敏，后者由于其构象不灵敏可作为内标。不同的细胞核的染色质DNA的磷酸离子，其拉曼特征频率不同。在922、980、1442、1465cm -1 的谱线属于脱氧核糖，其C—O伸缩振动的谱线在1025cm -1 和1053cm -1 。脱氧核糖-磷酸的谱线在1143cm -1 。而属于DNA碱基腺嘌呤一些基团的谱线在725、1223、1308、1335、1502和1521cm -1 ，属于胸腺嘧啶的谱线在673cm -1 和757cm -1 ，当碱基之间的氢键断裂时，该谱线会向低波数移位，在1189cm -1 的谱线，属于碱基外C—N伸缩振动。
碳水化合物是组成细胞内糖蛋白和糖脂的重要成分。其中D-甘露糖（Man）、葡萄糖（Glc）、葡萄糖醛酸（GluA）和N-乙酰基葡萄糖（GlcNac）等，它们的谱线在491、597、740、922、959、1073、1102、1143、1457cm -1 （Man）；564、740、768、1025、1053、1073、1120、1371、1403、1457cm -1 （Glc）；564、740、1025、1042、1053、1073、1120、1204、1347、1403、1457、1703cm -1 （GluA）；551、740、980、1025、1042、1125、1143、1204、1557、1630cm -1 （GlcNac）。
拉曼光谱可用于研究各种状态的膜脂以及跟其他物质的相互作用。属于CH 2 的对称和反对称伸缩振动在2847cm -1 和2877cm -1 ，其对构象的变化比较敏感。C—C骨架全反式键的振动模式谱线在1125cm -1 ，其骨架的扭曲旋转在1089cm -1 ，该谱线的位置与磷酸离子的谱线重叠。链间侧向相互作用序参数与链间的纵向有序性参数共同反映了脂双层结构的有序性。
1.在肿瘤细胞的应用
随着拉曼光谱检测技术的不断发展，其应用领域也越来越广泛。在过去的二十多年中，拉曼光谱测量几乎测遍所有的人体组织器官，包括乳腺、大脑、皮肤、肺、结肠、宫颈、胃、肝、甲状腺、喉、血液以及淋巴系统等。但在这几十年里，涉及的都是大量细胞，所测得结果也只是细胞群体的平均值，而且识别正常细胞与癌细胞的过程缓慢。而从单细胞的光谱中，如何应用于诊断细胞是否癌变，受到当前医学工作者和研究者关注。组织发生癌变，主要是由于组成细胞的基本成分，如蛋白质、核酸和脂类等物质的结构、成分变化导致的。有研究者通过单细胞拉曼光谱研究了单个鼻咽癌细胞和单个正常鼻咽细胞的拉曼光谱，发现正常鼻咽细胞和鼻咽癌细胞的拉曼光谱差异显著，经过分析，可以很好地区分开来。也有研究者分析了来自人的恶性肝癌组织的不同病变部位标本，包括肝脏正常的组织细胞、肝癌组织细胞、肝癌癌旁细胞。他们观察发现了随肝癌的病变部位变化所出现的一些拉曼光谱峰的变化。正常的肝组织细胞在1070cm -1 和1266cm -1 处的峰很明显，而肝癌和肝癌癌旁组织细胞的这两个峰则不明显，肝正常组织细胞的1445cm -1 峰明显高于肝癌和肝癌癌旁组织细胞。如上所述，1070cm -1 峰代表脂类和核酸，1266cm -1 和1445cm -1 峰代表脂类和蛋白。引起这些峰变化的物质很可能参与了肝癌的发生。所以单细胞拉曼光谱技术可以区分肝癌的不同病变部位，将可能是检测和分析肝癌组织标本的一种很好的方法。邓见辽等从取自同一患者的直肠癌细胞和正常直肠黏膜细胞各进行了培养，并使用激光光镊拉曼光谱仪对从培养样品中随机挑选出的20个直肠癌细胞和20个正常直肠黏膜细胞进行测量。直肠癌细胞和正常直肠黏膜细胞的拉曼光谱在统计水平上相异，可以提供诊断信息。
2.在血红细胞的应急反应的应用
细胞应急反应指的是活细胞对任意潜在有害变化的反应，在生物细胞中掌握活细胞内信息变化的生命过程相当重要。高浓度乙醇溶液对血红细胞引起的生物效应可损坏细胞，使之丧失生理功能。有研究者通过分析单个血红细胞的拉曼峰752cm -1 （对应卟啉呼吸振动谱）随时间的演化，发现乙醇处理血红细胞25分钟后，752峰强度减少了34%；当乙醇浓度增加时，752cm -1 峰强度的减少得更快更显著。当乙醇浓度在液体中超过30%时，血红细胞在3分钟内分解，细胞结构塌缩。综上所述，单细胞拉曼光谱能在单细胞水平上实时监测血红细胞的应急反应。可以预见，在血液的检查、与血液有关的疾病治疗上，拉曼镊子也有着很好的应用前景。
3.在酵母细胞的新陈代谢的应用
单个酵母细胞在生死两种状态下的拉曼光谱的变化很大。而处于新陈代谢中的酵母细胞在培养液中培养时会进入一个迟滞期，此时，它们可以进行一些生物学行为，但不会分裂。此生命过程中的生物大分子的合成与退化往往受人忽略。迟滞期之后，细胞会进入细胞循环周期开始分裂。有研究者实验发现，酵母细胞在迟滞初期，前8分钟胞内mRNA生化退化，即附着在细胞质或mRNA上的核糖体构型的改变，导致了RNA在峰强度减少。此外，还发现了一个重要的结果：迟滞初期，许多蛋白质在合成中存在着间歇或中断，这在群体研究中是无法探测的。迟滞期末，细胞中蛋白质的合成水平随即增加。rRNA和核糖体蛋白的合成比率的变化使得细胞在新环境中以一定比率进行生长。由此可知，在单细胞水平上，活细胞拉曼光谱可以进行模式生物生命规律的探测。但是，由于体外培养技术的缺陷，单细胞拉曼技术只适合探测生命周期比较短的微生物。
4.在杆菌芽胞的萌发应用
Ca 2 + -Dipicolinic Acid（Ca 2 + -DPA）是2，6-吡啶二羧酸（pyridine-2，6-dicarboxylic acid）和Ca 2 + 的络合物。在杆菌芽胞萌发的过程中，Ca 2 + -DPA在芽胞抵抗许多外界不利因素的影响中以及在芽胞的稳定性作用。有研究者应用单细胞拉曼光谱研究单个苏云金芽胞萌发过程发现，芽胞的平均萌发时间大约30分钟，此时Ca 2 + -DPA的含量经历了两个时期：大约的含量几乎保持不变；随后约2分钟内，Ca 2 + -DPA被快速释放到胞外基质中。除实时追踪萌发过程外，该技术还可定量研究Ca 2 + -DPA水平。在单个枯草芽胞的拉曼光谱中，还有研究者认为，在胞核中的浓度＞800mmol/L，完全超过了的溶解度。由此可见，在实时追踪单个芽胞萌发的动力学过程中，Ca 2 + -DPA可作为生物内标物探究萌发机制。
（任建林 黄志伟 王建峰 施颖）
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