近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所光電工程技術(shù)中心李劍平、周志盛團(tuán)隊(duì)在海洋浮游植物精準(zhǔn)觀測(cè)領(lǐng)域取得重要突破，研發(fā)出一種基于LED光源的雙模態(tài)流式光片顯微成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)成像技術(shù)在天然海水中浮游植物分析的局限，為海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)、碳循環(huán)研究及藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了創(chuàng)新技術(shù)支撐。相關(guān)成果以“Dual-mode imaging flow cytometer for simultaneous scattering and fluorescence imaging of phytoplankton”為題，發(fā)表在國(guó)際光學(xué)工程領(lǐng)域期刊Optics Express。
痛點(diǎn)：傳統(tǒng)觀測(cè)技術(shù)“看不清、測(cè)不準(zhǔn)”
浮游植物作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的“初級(jí)生產(chǎn)者”，貢獻(xiàn)了地球約50%的氧氣，也是海洋碳匯的核心參與者。然而，其觀測(cè)長(zhǎng)期面臨兩大難題：
一方面，天然海水中浮游植物細(xì)胞小(幾μm到上百μm不等)、種類(lèi)多樣，且混雜大量非生物顆粒(如碎屑、泥沙)，使得傳統(tǒng)顯微成像難以檢測(cè)和區(qū)分浮游植物目標(biāo)。利用葉綠素?zé)晒獬上耠m能提升浮游植物檢測(cè)特異性，但無(wú)法獲取其不含葉綠素部分的完整細(xì)胞形態(tài)信息。
另一方面，現(xiàn)有儀器依賴(lài)高成本、高復(fù)雜度的激光系統(tǒng)，功能單一，難以滿(mǎn)足海洋牧場(chǎng)管理、赤潮預(yù)警、全球碳循環(huán)研究等場(chǎng)景對(duì)“精準(zhǔn)、快速、低成本”的需求。
創(chuàng)新：LED光源+雙模態(tài)成像破解技術(shù)困局
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)提出“LED光源+雙模態(tài)同步成像”的核心思路，成功研制出“散射+熒光”雙模態(tài)高通量光片流式顯微成像系統(tǒng)原型。創(chuàng)新亮點(diǎn)體現(xiàn)在以下三方面：
1、LED光源“降噪”，成像更清晰
團(tuán)隊(duì)摒棄傳統(tǒng)激光光源，采用藍(lán)色高功率LED作為激發(fā)光源，通過(guò)光路設(shè)計(jì)生成厚度適配成像的薄光片。實(shí)驗(yàn)表明，利用LED光源的成像散斑對(duì)比度較激光系統(tǒng)降低31%，解決了散斑噪聲干擾問(wèn)題，散射圖像細(xì)節(jié)分辨率提升至1.7μm，如鞭毛、葉綠體分布等浮游植物細(xì)胞精細(xì)形態(tài)特征得以清晰呈現(xiàn)。
2、雙模態(tài)同步成像，“形態(tài)+身份”一手抓
系統(tǒng)集成散射與熒光雙成像通道：散射光通道捕捉浮游植物的形態(tài)輪廓(如大小、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu))；熒光通道則精準(zhǔn)捕獲葉綠素a的熒光信號(hào)(反映光合色素的胞內(nèi)分布)。兩路圖像同步采集，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)像素級(jí)配準(zhǔn)，最終合成偽彩色圖像——紅色代表熒光信號(hào)(葉綠素a)，綠色反映散射強(qiáng)度(形態(tài)結(jié)構(gòu))。
3、適配天然海水，應(yīng)用更廣泛
系統(tǒng)可直接處理天然海水樣品(如下圖的深圳大鵬灣實(shí)際采集樣本)。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)對(duì)5種典型浮游植物(包括綠藻、藍(lán)藻等)及未經(jīng)處理的天然海水進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：系統(tǒng)不僅能清晰區(qū)分不同物種(如衣藻的棒狀形態(tài)與螺旋藻的螺旋結(jié)構(gòu))，還能檢測(cè)自然海水中低至0.1個(gè)/mL豐度的浮游植物，為海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)提供了“從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)”的解決方案。
價(jià)值：為藍(lán)色經(jīng)濟(jì)裝上“智慧眼”
周志盛高工介紹：“這項(xiàng)技術(shù)就像給海洋裝了一臺(tái)‘長(zhǎng)期在線(xiàn)的高效
顯微鏡’，既能將浮游植物從紛繁蕪雜的海洋顆粒中精準(zhǔn)檢測(cè)出，又能看清每個(gè)浮游植物的‘長(zhǎng)相’。
基于該技術(shù)原理的儀器應(yīng)用場(chǎng)景廣闊：
生態(tài)保護(hù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)赤潮、綠潮等災(zāi)害性藻華的發(fā)生與擴(kuò)散，為精準(zhǔn)防控提供數(shù)據(jù)支撐；
碳匯評(píng)估：通過(guò)統(tǒng)計(jì)浮游植物豐度與活性，量化海洋碳吸收能力，助力“藍(lán)碳”交易；
海洋牧場(chǎng)：優(yōu)化藻類(lèi)養(yǎng)殖品種與密度，提升漁業(yè)資源可持續(xù)利用水平；
全球變化研究：追蹤浮游植物群落對(duì)氣候變暖、酸化的響應(yīng)，為氣候模型提供關(guān)鍵參數(shù)
未來(lái)：從“實(shí)驗(yàn)室”到“現(xiàn)場(chǎng)”的跨越
目前，團(tuán)隊(duì)正聚焦該技術(shù)的優(yōu)化與儀器工程開(kāi)發(fā)，推動(dòng)其在海上調(diào)查船、浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)等海洋現(xiàn)場(chǎng)的原位應(yīng)用。“海洋浮游植物是地球生命的‘根基’，我們的目標(biāo)是用更精準(zhǔn)的技術(shù)讀懂它們的‘語(yǔ)言’，為全球海洋治理與藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)‘深圳智慧’。希望隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步完善，能夠培育出下一代高通量海洋浮游植物全景觀測(cè)高端儀器。”李劍平說(shuō)。
先進(jìn)院南科大聯(lián)培碩士研究生葉開(kāi)為論文第一作者，李劍平正高工和周志盛高工為論文共同通訊作者。研究得到中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、深圳市發(fā)改委工程研究中心和深圳市科創(chuàng)局可持續(xù)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)支持。
(a)、(b)和(c)分別展示了螺旋藻(Spirulina platensis)、杜氏鹽藻(Dunaliella salina)和萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)，(d)則顯示了一種未知藻的成像效果。每行從左到右依次為葉綠素a熒光圖像、散射圖像以及合成偽彩色復(fù)合圖像。
天然海水成像結(jié)果示例。每組圖像從左到右依次為葉綠素a(Chla)熒光圖像、散射圖像以及合成偽彩色復(fù)合圖像。
