一切生命活动的关键问题均可在细胞中寻求到最终答案，因为细胞是生命体的结构与功能的基本单元。人类对细胞的研究随着实验研究手段的更新而日益发展。目前，单细胞层次的科学研究对生物学基础问题研究、重大疾病早期诊断及个性化医疗等领域发挥着重大作用，代表了细胞研究最新的发展方向与研究热点。　　扫描离子电导显微镜(Scanning ion conductance microscope: SICM)由于可实现无损、高分辨率、液态环境下的成像，以及可提供简单、高效及细胞低损伤的生物/化学物质激励，成为极具发展潜力的单细胞分析工具。　　但目前现有SICM成像仍存在系统漂移、噪声、扫描速度慢等问题，实现活体细胞的高质量、高效观测仍面临巨大挑战。此外，SICM激励仍存在缺乏定量化分析的问题，无法满足面向活体细胞的精准、高效的生物化学物质激励的需求。　　本论文针对基于SICM的高质量、高效的单细胞成像研究所面临的问题以及单细胞定量化物质激励研究所面临的巨大挑战，在系统地研究分析SICM作业机理的基础上，重点开展了以下研究工作:　　(1)新型成像模式研究:针对SICM传统成像模式存在的抗干扰能力差、扫描速度慢等问题，本研究创新性地提出了基于交流激励的同相电压调制成像方法，有效解决了直流模式与跳跃模式的抗干扰能力差问题;同时，该方法具有比距离调制模式更高的调制频率，有效提高了成像效率。　　(2)微弱信号优化方法:SICM新型成像模式中存在信噪比低、成像质量较差、调制频率受限等问题。本研究提出了基于电容补偿的信号优化方法，有效解决了信噪比低、成像质量较差、调制频率受限等问题;同时优化了工作距离参数以及系统带宽参数。实验表明:这种优化方法使得成像效率与成像质量均有了进一步提升。　　(3)激励定量化方法:目前尚未有有效手段实现SICM定量化的生物/化学物质激励。本研究提出了基于库尔特计数原理的精密操控方法，能够实现对激励量的精密操控，通过调整驱动方式的极性控制激励量的运动方向，通过同步监测电脉冲信号的个数表征激励量的多少。以聚苯乙烯小球与腺病毒颗粒为生物/化学物质代表样本的激励实验表明了该方法的有效性，且操控精度可精确到单颗粒级别。　　(4)实时反馈、高速闭环的系统构建技术。本研究攻克了微弱信号检测与系统去噪等难题，完成了硬件集成、实时系统构建以及软件开发等研究工作，最后利用该实验平台开展了大量实验研究，验证了本文提出的新型成像模式与定量化激励方法的正确性与优越性。　　本论文通过理论分析、系统构建、及实验研究工作，丰富了SICM的成像机制，提高SICM抗干扰能力与速度，拓展了SICM的功能和应用范围。SICM在单细胞分析方面的独特优势，将进一步推动单细胞分析技术的发展。