基於偏振光散射測量的海洋微生物探測方法研究

《基於偏振光散射測量的海洋微生物探測方法研究》是依託清華大學，由廖然擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於偏振光散射測量的海洋微生物探測方法研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：廖然
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

海洋微生物占海洋食物鏈總量的70%以上，特別是深海微生物的種群分類和分布，與能源、氣候、全球碳循環等問題密切相關，已經成為大洋考察的重點內容。研究探測海洋微生物的技術和方法，對認識海洋微生物和研究它們在這些全球問題的作用具有重要意義。.本項目擬發展一種利用偏振光散射原理，有可能實現在水下原位實時測量海洋微生物種類和生存狀態的探測方法。擬建立海洋微生物偏振光散射模型，研究偏振光在不同類型海洋微生物上的散射行為，研究散射光偏振參量的空間分布與微生物尺寸、形狀、豐度和內部結構之間的關係，探索快速測量微生物種類和生存狀態的測量方法。擬採用數值模擬和實驗相結合的方式來開展研究, 並在方法研究和實驗設計上探索在海洋環境中實現原位測量的途徑。本項目的研究成果為海洋微生物的水下測量裝置提供方法和技術儲備。

結題摘要

海洋微生物對於碳循環、氣候變化等全球性問題的研究有重要意義，是海洋生態監測的重要部分。發展海洋微生物的原位探測技術具有重要科學意義和現實意義。光散射法因為簡單、快速、無損等特點具有原位探測的潛力。偏振是光的基本屬性；偏振對於形態和細微結構敏感，在探測海洋微生物上具有優勢。本文即研究基於偏振光散射方法的海洋微生物探測技術。 主要研究內容包括，搭建測量海洋微生物偏振光散射特徵的裝置；進行海洋微生物實驗；建立理論模型，並利用模擬工具重現實驗數據，尋找偏振量與海洋微生物結構參數之間的關係，提出獲得微生物信息的方法等。關鍵科學問題是建立偏振光散射特徵與海洋微生物的結構參數（比如大小、形態、濃度和內部結構等）之間的關係。關鍵技術是快速調節入射光偏振態和快速測量散射光偏振態。 項目實施過程中，我們建立了海洋微生物的偏振光散射角分布測量裝置和同步測量裝置。針對懸浮狀態下海洋微生物濃度小、伴有運動的特點，我們在樣品準備、信號探測方面進行了最佳化。特別的，研究發現，非同時測量運動的微生物會導致系統誤差和更大隨機誤差；我們分析了積分時間、樣品濃度和運動速度對誤差的影響。該結果的論文已被國際SCI源刊Applied Optics接收，正在刊出。 我們開展了典型微生物的偏振光散射實驗，包括銅綠微囊藻、小球藻、亞歷山大藻、針桿藻等。我們研究了藻結構參數與偏振量之間的關係；通過干預藻的程式化死亡過程，追蹤它的偏振特徵變化。我們發現，某些偏振光散射特徵與海洋微生物的結構參數有關。這符合項目的預期，為模型研究提供了依據。 針對項目關鍵科學問題，通過建立模型來研究。用多組分實心球模型來描述球型藻類的偏振光散射行為，用球柱模型來描述桿狀藻的偏振光散射行為。模型重現了實驗結果，並證實懸浮狀態下海洋微生物的偏振特徵與其結構特徵的關係。某些結果已在國際海洋會議OCEANS上發表，兩篇論文被SCI收錄。 針對項目關鍵技術進行了探索。我們發展了基於液晶元件的入射光偏振態快速調節技術，其研究成果正投往核心期刊《光學精密工程》。同時我們發展了偏振同步測量方法來快速測量散射光偏振態，研究結果投到SCI源刊《紅外與毫米波學報》。另外我們探索了樣機的整體設計，申請了多個專利。 經過本項目，我們建立了海洋微生物的偏振光散射模型，提供了檢測方法，為原位探測提供了方法和技術儲備，將促進與有關的環境、資源和碳循還等方面的觀測與研究。