SIAT新闻网
Optics Express?|?新型双模态光片流式显微系统助力海洋浮游植物精细观测
近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所光电工程技术中心李剑平、周志盛团队在海洋浮游植物精准观测领域取得重要突破，研发出一种基于LED光源的双模态流式光片显微成像系统。该系统通过创新设计突破了传统成像技术在天然海水中浮游植物分析的局限，为海洋生态监测、碳循环研究及蓝色经济发展提供了创新技术支撑。相关成果以“Dual-mode imaging flow cytometer for simultaneous scattering and fluorescence imaging of phytoplankton”为题，发表在国际光学工程领域知名期刊Optics Express。
痛点：传统观测技术“看不清、测不准”
浮游植物作为海洋生态系统的“初级生产者”，贡献了地球约50%的氧气，也是海洋碳汇的核心参与者。然而，其观测长期面临两大难题：
一方面，天然海水中浮游植物细胞?。甫蘭到上百μm不等）、种类多样，且混杂大量非生物颗粒（如碎屑、泥沙），使得传统显微成像难以检测和区分浮游植物目标。利用叶绿素荧光成像虽能提升浮游植物检测特异性，但无法获取其不含叶绿素部分的完整细胞形态信息。
另一方面，现有仪器依赖高成本、高复杂度的激光系统，功能单一，难以满足海洋牧场管理、赤潮预警、全球碳循环研究等场景对“精准、快速、低成本”的需求。
创新：LED光源+双模态成像破解技术困局
针对上述挑战，团队提出“LED光源+双模态同步成像”的核心思路，成功研制出“散射+荧光”双模态高通量光片流式显微成像系统原型。创新亮点体现在以下三方面：
1、LED光源“降噪”，成像更清晰
团队摒弃传统激光光源，采用蓝色高功率LED作为激发光源，通过光路设计生成厚度适配成像的薄光片。实验表明，利用LED光源的成像散斑对比度较激光系统降低31%，解决了散斑噪声干扰问题，散射图像细节分辨率提升至1.7μm，如鞭毛、叶绿体分布等浮游植物细胞精细形态特征得以清晰呈现。
2、双模态同步成像，“形态+身份”一手抓
系统集成散射与荧光双成像通道：散射光通道捕捉浮游植物的形态轮廓（如大小、形状、内部结构）；荧光通道则精准捕获叶绿素a的荧光信号（反映光合色素的胞内分布）。两路图像同步采集，通过算法实现像素级配准，最终合成伪彩色图像——红色代表荧光信号（叶绿素a），绿色反映散射强度（形态结构）。
3、适配天然海水，应用更广泛
系统可直接处理天然海水样品（如下图的深圳大鹏湾实际采集样本）。实验中，团队对5种典型浮游植物（包括绿藻、蓝藻等）及未经处理的天然海水进行测试，结果显示：系统不仅能清晰区分不同物种（如衣藻的棒状形态与螺旋藻的螺旋结构），还能检测自然海水中低至0.1个/mL丰度的浮游植物，为海洋生态监测提供了“从实验室到现场”的解决方案。
价值：为蓝色经济装上“智慧眼”
周志盛高工介绍：“这项技术就像给海洋装了一台‘长期在线的高效显微镜’，既能将浮游植物从纷繁芜杂的海洋颗粒中精准检测出，又能看清每个浮游植物的‘长相’。
基于该技术原理的仪器应用场景广阔：
生态?；ぃ菏凳奔嗖獬喑?、绿潮等灾害性藻华的发生与扩散，为精准防控提供数据支撑；
碳汇评估：通过统计浮游植物丰度与活性，量化海洋碳吸收能力，助力“蓝碳”交易；
海洋牧场：优化藻类养殖品种与密度，提升渔业资源可持续利用水平；
全球变化研究：追踪浮游植物群落对气候变暖、酸化的响应，为气候模型提供关键参数
未来：从“实验室”到“现场”的跨越
目前，团队正聚焦该技术的优化与仪器工程开发，推动其在海上调查船、浮标观测平台等海洋现场的原位应用?！昂Ｑ蟾∮沃参锸堑厍蛏摹?，我们的目标是用更精准的技术读懂它们的‘语言’，为全球海洋治理与蓝色经济发展贡献‘深圳智慧’。希望随着这项技术的进步完善，能够培育出下一代高通量海洋浮游植物全景观测高端仪器?！崩罱Ｆ剿怠?/p>
先进院南科大联培硕士研究生叶开为论文第一作者，李剑平正高工和周志盛高工为论文共同通讯作者。研究得到中国科学院先导专项、深圳市发改委工程研究中心和深圳市科创局可持续发展专项支持。
(a)、(b)和(c)分别展示了螺旋藻（Spirulina platensis）、杜氏盐藻（Dunaliella salina）和莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii），(d)则显示了一种未知藻的成像效果。每行从左到右依次为叶绿素a荧光图像、散射图像以及合成伪彩色复合图像。
天然海水成像结果示例。每组图像从左到右依次为叶绿素a（Chla）荧光图像、散射图像以及合成伪彩色复合图像。
附件下载：
