光学显微成像与光谱技术因对我们理解生物结构、揭示生命现象发挥着重大作用而倍受关注。传统的光学显微镜受衍射极限和光源的限制，分辨率已达到极限。激光出现以后，二次谐波、拉曼光谱等显微成像与光谱技术得到了突破性的发展。本论文旨在运用二次谐波与拉曼光谱技术的优越特性，开展其在临床诊断方面的理论和实验研究。论文主要包含如下几部分：　　论文第一部分概述了二次谐波和拉曼光谱的技术特点及其在生物医学中研究现状，介绍了论文中使用的多光子成像显微镜及拉曼光谱系统的重要参数及系统性能。　　论文第二部分针对目前二次谐波在生物医学应用中理论方面存在的问题，在分子水平上对一维、二维和三维排列的散射体系进行了显微成像理论研究，讨论了超极化率系数等物理因素对二次谐波产生的影响。运用胶原分段染色方法对理论进行了半定量的验证实验。　　论文第三部分主要讨论了二次谐波与拉曼光谱两种显微成像与光谱技术在临床诊断方面的应用，在细胞与组织两个层面上进行了一系列实验，论文的第三章到第七章分别详细介绍了这些工作。　　在细胞水平上：首先运用二次谐波显微成像技术，得到了前列腺不同病变程度细胞核的二次谐波成像与光谱，发现良性增生细胞核的二次谐波信号明显强于肿瘤细胞核的信号，并进行了统计分析证明了这一结果的可靠性。同时发现二次谐波信号可以作为前列腺早期病变的非线性光学指标来反映细胞内DNA的病理变化特征。其次是运用拉曼光谱成像技术对中波紫外辐射后的红细胞进行分析，结果显示，在红细胞膜脂方面，辐射后膜脂的流动性及离子通透性降低；在红细胞膜蛋白方面，辐射后膜蛋白主链中α-螺旋含量减少，但是其无规卷曲含量增加；同时，侧链中归属于CH2/CH3伸缩振动的1430cm-1、1452cm-1处的拉曼峰强也明显减弱。在整个辐照过程中，红细胞膜的损伤程度随UVB辐射剂量的增加而增加。再者对使用药物二甲基苯蒽诱导的皮肤癌小鼠血浆进行了分析，实验中对比了普通拉曼光谱与表面增强拉曼光谱的差异，运用表面增强拉曼光谱得到了两个可作为区分正常小鼠与皮肤癌小鼠血浆的特征峰942cm-1和1499cm-1。结果表明，血浆的表面增强拉曼光谱有潜力发展成为一种皮肤癌检测和筛查的分子光谱学手段。　　在组织水平上：首先运用共聚焦显微拉曼光谱表征人正常肾组织以及肾肿瘤组织的分子结构改变。在人肾肿瘤组织的拉曼光谱中，位于788cm-1和1089cm-1处的拉曼峰强度相比正常组织有明显的增强，I855/I831可以显示癌变组织中酪氨酸构象的改变，在肾肿瘤组织中，多数“暴露”式构象的酪氨酸转为“埋藏”式构象的酪氨酸。其次运用拉曼光谱检测了人正常结膜、翼状胬肉组织和结膜黑色素痣，结果显示翼状胬肉在1583cm-1-和1639cm-1处的拉曼光谱峰强明显增强。1583cm-1对应于脂质不饱和脂肪酸的C=C键，1639cm-1对应于酰胺I。这些结果说明翼状胬肉组织中弹性蛋白和胶原纤维的增加。而对于结膜的黑色素细胞痣，对应于蛋白质的1550cm-1-1650cm-1处谱峰的拉曼强度明显增加，表明结膜黑色素细胞痣的蛋白含量比正常的结膜要丰富。　　最后，论文对非线性显微技术在生物医学中的应用研究做了一些简单的展望，认为非线性技术在生物医学中有广泛的应用前景。