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荷电单离子微束(Single-Ion Microbeam)装置是一种将带电离子束的束斑直径限制在微米量级范围内，并能将预定数目的离子精确注入到样本中某一特定靶位的辐射装置。近年来，单离子束技术己在辐射生物学和癌症研究中得到成功应用。由于单离子束技术在低剂量环境暴露健康风险评价、细胞信号转导、细胞损伤修复效应、基因表达调控、发育生物学等诸多领域中体现出其独特的研究潜力和应用前景，正日益成为世界各国竞相发展的热点技术之一。CAS-LIBB(Laboratory of Ion Beam Bioengineering，Chinese Academy ofSciences)是国内研制成功的首台单离子微束细胞精确定位照射装置。单离子微束计划开始于1997年，并先后得到了“十五”国家重点科技攻关项目(2001BA302B)、中国科学院重大设备研制项目、农业部“948”项目、国家自然科学基金项目(19875054)、中科院创新基金项目(KSCX2-SW-324)及国家杰出青年基金项目(10225526)等项目的资助。2002年获得单离子微束，随后经过一年多的实验调试，CAS-LIBB各项主要技术指标均达到设计目标，于2004年7月16日通过专家组验收。同时，专家组建议在此基础上，进一步发展单离子束定位辐照细胞在线检测技术，力争使我国单离子束定位辐照系统研究处于国际领先地位。本文从实际出发、结合国际上单离子束技术的发展趋势，围绕研究提高CAS-LIBBⅠ Endstation各项性能的相关策略、并在CAS-LIBBⅡEndstation上构建在线检测平台——多维荧光比率法成像系统，为开展低能离子与复杂生物体相互作用原初过程的研究而展开的。同时对单离子束技术的典型应用进行了较为深入地研究。主要内容包括：
㈠研究和总结未来单离子束技术的发展趋势。从技术平台角度上来看，单离子束装置今后发展的主要方向是：①微束各主要性能的改进和优化。②新型离子源的研制。③高新技术的嫁接与融合。④小型化和智能化。从应用角度上来看，单离子束技术应用的方向是：科学家们并不满足于仅仅将细胞核或细胞质视作单离子束的靶目标，而亚细胞器、组织及至个体将会成为下一个靶目标。
㈡研究提高CAS-LIBBⅠ Endstation各项主要性能的相关策略。定位精度、粒子计数精度和通量是单粒子束装置的三个最主要的技术指标。对影响CAS-LIBBⅠ Endstation这三个关键指标的因素进行条分缕析，并提出相关切实可行的优化策略。
㈢根据单离子束装置在线检测系统的发展趋势，提出在CAS-LIBBⅡEndstation的基础上构建原位多维荧光比率法成像系统方案，为今后基于时间分辨开展低能粒子与复杂生物体相互作用原初过程探索铺平道路。同时，建立了一整较为完整的综合通过信噪比来评价科学CCD整体性能的理论体系。
㈣着眼于CAS-LIBB单离子束的应用研究。简单介绍了单离子束靶目标从体外单细胞系统、单层组织培养系统到重建三维人类组织系统的发展历程。从介绍细胞及细胞器的尺度出发，论述了样本厚度差异对实验结果的影响，通过对辐照其它可能的靶目标(如C. elegans)的思考，提出应正确认识我们的下一个靶目标。
㈤系统介绍了钙信号的产生和基础、钙信号时空多样性以及钙信号定量检测的意义，通过对相关检测技术及其理论的探讨，提出了制定钙信号成像系统方案时的若干注意事项，以及实验过程中应遵循的原则。
㈥对当前信号转导、近旁效应、细胞凋亡、生物物理模型的建立等若干研究热点问题进行了较为深入地探讨。其中，对双波长荧光探针测定胞内钙信号相关理论的完善被认为是“定量测钙理论有益的、必要的补充”。