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现代计算机技术和显微镜技术已经融入到生物学的研究中,自动化和智能化是21世纪发展的大趋势,生物学的研究也是应该如此。传统的生物学家可能不具备这方面的能力,故而物理学,信息学的工作者参与进来形成了生物物理学,生物信息学的新型交叉学科。与此同时纳米技术提供的工具能够在精细的细节中操纵空间和时间的材料。随着生物进入量化时代,对实验中对空间和时间参数进行系统和精确控制的需求不断增加。因此,生物学家从纳米技术中获得工具包,如纳米制造结构和微流体技术,正变得非常有吸引力。本论文首先是自主搭建了荧光显微镜和显微投影设备并用MALTAB编程控制所有相关的硬件。MALTAB编程控制所有显微镜的实验流程其中包括商业软件中所有可以实现的实验流程。拥有自主设计实验流程的能力,结合MATLAB强大的图像分析和数据处理编程能力,我们能够根据图像信息反馈控制显微镜的实验流程。进一步,我们将多色荧光成像系统和双相机同步拍摄系统嵌入到所搭建显微镜中,通过对比LED光源在盖玻片上反射的背景光强,可以用荧光光强计算出荧光蛋白浓度。荧光蛋白浓度会给予生物学更加直接的意义,实现不同实验间的横向对比。同时,结合微流体技术,我们可以实现多元化的实验方案。在实际的应用上,本论文以机会性致病菌铜绿假单胞菌为应用研究的对象,铜绿假单胞菌的单细菌行为在早期生物被膜形成过程中发挥重要作用。在这项研究中,我们评估生物膜形成是否可以通过精确操纵单细胞行为来指导。因此,我们通过使用高通量细菌追踪算法,光遗传学操纵和自适应显微镜的组合来精确操纵IV型菌毛(TFP)介导的运动性和铜绿假单胞菌的小菌落形成。我们称这种方法为自适应跟踪照明(ATI)。结果表明ATI通过在单个细胞中操纵双-(3,-5’)-环状二聚鸟苷酸(c-di-GMP)水平来实现TFP介导的运动性和生物被膜形成期间的小菌落形成的精确操纵。此外,我们表明可以使用ATI控制成熟生物被膜中单个细胞的空间组织。第二个方面,本论文介绍了基于光刻和PDMS的微流体技术的制作和加工方法,这是我们目前拥有的技术手段。利用微流体技术和显微镜明场拍摄技术,我们建立了观测单细菌在表面粘附行为和粘附力表征的方法。从而发现和研究了抵抗超强流场剪切力的铜绿假单胞菌表型,并揭示了这种表型的发现在各种高分子表面的重要性。同时利用微流体技术建立了长时间观测铜绿假单胞菌单细菌的研究方法。