《Environmental Technology & Innovation》：A Laser-Induced Fluorescence Microscopic Sensor for In-Situ Detection of Microbial Particle Dynamics in Aquatic Environments
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本研究针对复杂水生环境中微生物颗粒动态实时监测的技术瓶颈，开发了一种集成深紫外激光诱导荧光(DUV-LIF)光谱、显微成像与环境参数传感的原位监测系统。通过实验室校准验证了荧光强度与微生物浓度间的线性关系(R2>0.95)，并在珠江口洪潮期实地观测中成功捕获到微生物颗粒的时空动态变化，为河口海岸带生物地球化学循环研究提供了创新技术手段。
海洋微生物作为地球生态系统的隐形引擎，在生物地球化学循环中扮演着关键角色。这些微小的生命体通过"生物泵"机制驱动碳元素在海洋中的垂直输送，直接影响着全球碳循环进程。然而，传统监测手段如人工采样和间歇性野外采集，难以捕捉潮汐作用下颗粒物的动态行为，其有限的时空分辨率无法准确反映颗粒分布的快速变化。现有原位技术如LISST(激光粒度仪)、散射测量法、偏振测量等技术在区分不同类型微生物颗粒方面存在局限，而拉曼光谱等技术又受限于信号弱、采集时间长等瓶颈。这种技术缺口严重制约着我们对自然水体中微生物动态的认知。
针对这一挑战，中国科学院南海海洋研究所的研究团队在《Environmental Technology》上发表了创新性研究成果，开发了一种专用于长期原位监测微生物颗粒浓度动态的深紫外(DUV)激光诱导荧光(LIF)显微成像传感器。该技术通过集成DUV荧光光谱、显微成像和CTD(温盐深)等环境传感组件，实现了对水生环境中微生物颗粒动力学的高分辨率实时监测。
研究团队采用的核心技术方法包括：深紫外激光诱导荧光检测系统设计，选用280纳米激发波长以最小化非生物颗粒干扰；微生物荧光信号采集系统，结合高灵敏度光谱仪和sCMOS相机；实验室校准方法，以大肠杆菌(Escherichia coli)为样本建立浓度-荧光强度定量关系；图像处理算法，采用Sobel边缘检测技术进行颗粒定量分析；以及珠江口实地观测方案，在2024年6-7月期间进行系统验证。
传感器灵敏度测试
通过实验室校准实验，研究人员使用深紫外激光激发大肠杆菌培养物，验证了传感器检测海洋微生物颗粒荧光信号的能力。所有样本在325纳米附近均显示出稳定的主荧光峰，表明在深紫外激发下传感器对大肠杆菌等样品具有高度特异的荧光响应。随着样本浓度增加，荧光强度显著增强，显示出浓度依赖性响应，荧光强度与浓度之间呈现高度线性相关(R2 = 0.9582)。同一浓度样本的十次连续测量显示峰值强度偏差极小，相对标准偏差(RSD)为1.8%，表明测量稳定性优异。紫外分光光度法测定大肠杆菌培养物的吸光度为0.1668，对应检测限为5.53 × 105cells/mL，在此浓度范围内，LIF技术展现出更高的检测效率。
原位监测数据分析
为研究海洋微生物颗粒的时空分布和动态特征，研究人员对原位灰度图像进行处理，基于像素强度差异对颗粒进行定位和伪彩色标记。分析显示所有帧中颗粒空间分布均匀，无大面积空白区域或聚集现象，随着时间的推移，颗粒总数稳步增加。通过二值分割技术提取每帧的颗粒计数，并与同步记录的380纳米荧光强度曲线进行对比。DUV显微镜衍生的颗粒计数曲线与同步荧光强度曲线高度吻合，证实了成像数据的准确性。这些结果表明系统能够同时获取高分辨率DUV显微图像和荧光光谱，颗粒计数动态与荧光信号变化紧密对应。
设备概述与未来展望
研究团队开发的原位深紫外激光诱导荧光检测系统在实验室校准和现场试验中均表现出优异性能。通过集成深紫外激发源和高灵敏度光谱仪，系统实现了高分辨率、低噪声实时荧光光谱采集，同时通过DUV显微成像模块捕获微生物颗粒的空间分布和时间动态。传感器外壳采用特殊处理的7075铝合金制造，具有增强的耐压性、防腐性和电磁屏蔽能力，可在1000米深度动态潮汐条件下稳定运行。嵌入式PC104控制单元和同步CTD模块促进了光学、成像和环境数据的协调采集，为水柱详细物理化学分析提供全面支持。
研究也指出了系统存在的若干局限性：成像模块仅量化局部颗粒趋势，无法实现整个水柱悬浮物的绝对定量；当前时空覆盖范围有限，阻碍了对全潮周期内微颗粒传输和再悬浮的全面表征；长期部署中潜在的生物污染和环境干扰可能降低数据质量，需要改进防护涂层和校准策略。
该研究证实了深紫外LIF显微镜用于原位海洋微生物观测的可行性、稳定性和实用价值。凭借其高分辨率和复杂环境适应性，该传感平台为研究微生物颗粒动力学及其与物理海洋过程的耦合提供了新颖的技术途径，为河口海岸水域颗粒浓度动态及其对生物地球化学过程影响的原位研究提供了关键技术支持。这项技术的成功开发标志着海洋微生物监测领域的重要突破，为未来海洋碳循环研究和气候变化预测提供了更加精准的观测工具。
