近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所光電工程技術中心李劍平、周志盛團隊在海洋浮游植物精準觀測領域取得重要突破，研發出一種基于LED光源的雙模態流式光片顯微成像系統。該系統通過創新設計突破了傳統成像技術在天然海水中浮游植物分析的局限，為海洋生態監測、碳循環研究及藍色經濟發展提供了創新技術支撐。相關成果以“Dual-mode imaging flow cytometer for simultaneous scattering and fluorescence imaging of phytoplankton”為題，發表在國際光學工程領域期刊Optics Express。
 

　　痛點：傳統觀測技術“看不清、測不準”
 

　　浮游植物作為海洋生態系統的“初級生產者”，貢獻了地球約50%的氧氣，也是海洋碳匯的核心參與者。然而，其觀測長期面臨兩大難題：
 

　　一方面，天然海水中浮游植物細胞小(幾μm到上百μm不等)、種類多樣，且混雜大量非生物顆粒(如碎屑、泥沙)，使得傳統顯微成像難以檢測和區分浮游植物目標。利用葉綠素熒光成像雖能提升浮游植物檢測特異性，但無法獲取其不含葉綠素部分的完整細胞形態信息。
 

　　另一方面，現有儀器依賴高成本、高復雜度的激光系統，功能單一，難以滿足海洋牧場管理、赤潮預警、全球碳循環研究等場景對“精準、快速、低成本”的需求。
 

　　創新：LED光源+雙模態成像破解技術困局
 

　　針對上述挑戰，團隊提出“LED光源+雙模態同步成像”的核心思路，成功研制出“散射+熒光”雙模態高通量光片流式顯微成像系統原型。創新亮點體現在以下三方面：
 

　　1、LED光源“降噪”，成像更清晰
 

　　團隊摒棄傳統激光光源，采用藍色高功率LED作為激發光源，通過光路設計生成厚度適配成像的薄光片。實驗表明，利用LED光源的成像散斑對比度較激光系統降低31%，解決了散斑噪聲干擾問題，散射圖像細節分辨率提升至1.7μm，如鞭毛、葉綠體分布等浮游植物細胞精細形態特征得以清晰呈現。
 

　　2、雙模態同步成像，“形態+身份”一手抓
 

　　系統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輪廓(如大小、形狀、內部結構)；熒光通道則精準捕獲葉綠素a的熒光信號(反映光合色素的胞內分布)。兩路圖像同步采集，通過算法實現像素級配準，最終合成偽彩色圖像——紅色代表熒光信號(葉綠素a)，綠色反映散射強度(形態結構)。
 

　　3、適配天然海水，應用更廣泛
 

　　系統可直接處理天然海水樣品(如下圖的深圳大鵬灣實際采集樣本)。實驗中，團隊對5種典型浮游植物(包括綠藻、藍藻等)及未經處理的天然海水進行測試，結果顯示：系統不僅能清晰區分不同物種(如衣藻的棒狀形態與螺旋藻的螺旋結構)，還能檢測自然海水中低至0.1個/mL豐度的浮游植物，為海洋生態監測提供了“從實驗室到現場”的解決方案。
 

　　價值：為藍色經濟裝上“智慧眼”
 

　　周志盛高工介紹：“這項技術就像給海洋裝了一臺‘長期在線的高效顯微鏡’，既能將浮游植物從紛繁蕪雜的海洋顆粒中精準檢測出，又能看清每個浮游植物的‘長相’。
 

　　基于該技術原理的儀器應用場景廣闊：
 

　　生態保護：實時監測赤潮、綠潮等災害性藻華的發生與擴散，為精準防控提供數據支撐；
 

　　碳匯評估：通過統計浮游植物豐度與活性，量化海洋碳吸收能力，助力“藍碳”交易；
 

　　海洋牧場：優化藻類養殖品種與密度，提升漁業資源可持續利用水平；
 

　　全球變化研究：追蹤浮游植物群落對氣候變暖、酸化的響應，為氣候模型提供關鍵參數
 

　　未來：從“實驗室”到“現場”的跨越
 

　　目前，團隊正聚焦該技術的優化與儀器工程開發，推動其在海上調查船、浮標觀測平臺等海洋現場的原位應用。“海洋浮游植物是地球生命的‘根基’，我們的目標是用更精準的技術讀懂它們的‘語言’，為全球海洋治理與藍色經濟發展貢獻‘深圳智慧’。希望隨著這項技術的進步完善，能夠培育出下一代高通量海洋浮游植物全景觀測高端儀器。”李劍平說。
 

　　先進院南科大聯培碩士研究生葉開為論文第一作者，李劍平正高工和周志盛高工為論文共同通訊作者。研究得到中國科學院先導專項、深圳市發改委工程研究中心和深圳市科創局可持續發展專項支持。
 

　　(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合圖像。
 

　　天然海水成像結果示例。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合圖像。