胡萝卜素在动植物生命活动中均扮演着重要角色,探究胡萝卜素的形态、分布、含量等参量对于植物育种和动物健康都有重要意义。目前研究植物胡萝卜素的主要方法有拉曼光谱法、色谱法和透射电镜法,但这些方法存在无法定量分析、样品准备过程中使用溶剂使胡萝卜素的结构发生改变等诸多问题。非线性光学成像手段以其无损、有良好穿透深度以及可以原位活体检测等优点,被广泛应用于动植物组织的研究。本文主要运用非线性光学成像手段结合拉曼光谱对三种植物（胡萝卜、油桃、番薯）中胡萝卜素的空间位置、含量、沉积形式、尺寸等参量等进行了系统研究,实验结果对植物育种、胡萝卜素补充剂的生产及选购等有重要的参考价值。研究成果主要包括以下三个方面:本文对日常生活中常见的四种（普通橙色、mini、红、紫）胡萝卜中的胡萝卜素进行了系统研究。拉曼光谱的实验结果显示这四种胡萝卜均含β-胡萝卜素,为了获得胡萝卜素的含量信息,对所有胡萝卜的韧皮部中央进行相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）成像,建立光谱数据库。通过对数据库的分析,结合Image J软件的统计结果,得出以下结论。在四种胡萝卜中,普通胡萝卜中胡萝卜素含量最多,mini胡萝卜和红胡萝卜次之,紫胡萝卜中胡萝卜素含量最少。得益于CARS光谱的高分辨率属性,实验结果证实胡萝卜素是以晶体的形式在细胞中沉积的,晶体的主要形状有针状、棒状、球状等。同时晶体的数量与胡萝卜素的含量成正比,说明不同种类胡萝卜中胡萝卜素晶体的尺寸基本相同。拉曼mapping的结果揭示了不同种类胡萝卜从皮周到木质部中央胡萝卜素含量的差异,为了定量分析这种差异,我们建立了韧皮部和木质部的CARS光谱数据库,分析结果显示韧皮部的胡萝卜素含量约是木质部的3倍。胡萝卜素是油桃主要的营养素之一,由于油桃水分含量高,用传统的成像方式,即切片后进行拉曼光谱或电镜分析存在一定挑战,本文通过三维CARS对油桃靠近果核和靠近果皮区域相同体积的果肉进行成像,建立光谱数据库,经Image J统计显示靠近果皮果肉的胡萝卜素含量约是靠近果核附近的17倍。在晶体尺寸上,油桃中胡萝卜素晶体的尺寸明显小于胡萝卜中的。番薯富含多种营养素,本文分别用CARS和二次谐波（SHG）对番薯中的胡萝卜素和淀粉进行研究,这两种非线性手段可以实现单淀粉颗粒水平的成像。实验结果揭示在番薯中,部分胡萝卜素是附着在淀粉颗粒上的。对番薯的研究证明了非线性光学手段可运用于多营养组分植物的研究,有望推广到其它富含胡萝卜素植物的研究。