基于偏振光散射测量的海洋微生物探测方法研究

海洋微生物占海洋食物链总量的70%以上，特别是深海微生物的种群分类和分布，与能源、气候、全球碳循环等问题密切相关，已经成为大洋考察的重点内容。研究探测海洋微生物的技术和方法，对认识海洋微生物和研究它们在这些全球问题的作用具有重要意义。.本项目拟发展一种利用偏振光散射原理，有可能实现在水下原位实时测量海洋微生物种类和生存状态的探测方法。拟建立海洋微生物偏振光散射模型，研究偏振光在不同类型海洋微生物上的散射行为，研究散射光偏振参量的空间分布与微生物尺寸、形状、丰度和内部结构之间的关系，探索快速测量微生物种类和生存状态的测量方法。拟采用数值模拟和实验相结合的方式来开展研究, 并在方法研究和实验设计上探索在海洋环境中实现原位测量的途径。本项目的研究成果为海洋微生物的水下测量装置提供方法和技术储备。

海洋微生物对于碳循环、气候变化等全球性问题的研究有重要意义，是海洋生态监测的重要部分。发展海洋微生物的原位探测技术具有重要科学意义和现实意义。光散射法因为简单、快速、无损等特点具有原位探测的潜力。偏振是光的基本属性；偏振对于形态和细微结构敏感，在探测海洋微生物上具有优势。本文即研究基于偏振光散射方法的海洋微生物探测技术。.主要研究内容包括，搭建测量海洋微生物偏振光散射特征的装置；进行海洋微生物实验；建立理论模型，并利用模拟工具重现实验数据，寻找偏振量与海洋微生物结构参数之间的关系，提出获得微生物信息的方法等。关键科学问题是建立偏振光散射特征与海洋微生物的结构参数（比如大小、形态、浓度和内部结构等）之间的关系。关键技术是快速调节入射光偏振态和快速测量散射光偏振态。.项目实施过程中，我们建立了海洋微生物的偏振光散射角分布测量装置和同步测量装置。针对悬浮状态下海洋微生物浓度小、伴有运动的特点，我们在样品准备、信号探测方面进行了优化。特别的，研究发现，非同时测量运动的微生物会导致系统误差和更大随机误差；我们分析了积分时间、样品浓度和运动速度对误差的影响。该结果的论文已被国际SCI源刊Applied Optics接收，正在刊出。.我们开展了典型微生物的偏振光散射实验，包括铜绿微囊藻、小球藻、亚历山大藻、针杆藻等。我们研究了藻结构参数与偏振量之间的关系；通过干预藻的程序化死亡过程，追踪它的偏振特征变化。我们发现，某些偏振光散射特征与海洋微生物的结构参数有关。这符合项目的预期，为模型研究提供了依据。.针对项目关键科学问题，通过建立模型来研究。用多组分实心球模型来描述球型藻类的偏振光散射行为，用球柱模型来描述杆状藻的偏振光散射行为。模型重现了实验结果，并证实悬浮状态下海洋微生物的偏振特征与其结构特征的关系。某些结果已在国际海洋会议OCEANS上发表，两篇论文被SCI收录。.针对项目关键技术进行了探索。我们发展了基于液晶元件的入射光偏振态快速调节技术，其研究成果正投往核心期刊《光学精密工程》。同时我们发展了偏振同步测量方法来快速测量散射光偏振态，研究结果投到SCI源刊《红外与毫米波学报》。另外我们探索了样机的整体设计，申请了多个专利。.经过本项目，我们建立了海洋微生物的偏振光散射模型，提供了检测方法，为原位探测提供了方法和技术储备，将促进与有关的环境、资源和碳循还等方面的观测与研究。