1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
以蛋白核小球藻为研究对象，通过毒性胁迫、光照胁迫和温度改变蛋白核小球藻的光合活性，研究蛋白核小球藻叶绿素荧光产量与光合活性参数Fv/Fm的变化关系。结果表明：3种不同生长环境下，蛋白核小球藻的叶绿素荧光产量随着Fv/Fm改变而发生较为明显变化，最大变化范围为235~668 （μg·L-1）-1；Fv/Fm与叶绿素荧光产量之间具有明显负线性相关性，线性优度R2超过0.91。该研究结果为发展更为准确的藻类叶绿素a质量浓度活体荧光检测方法提供了重要依据。
光谱学 浮游藻类 活体荧光法 叶绿素荧光产量 光合活性 浓度检测 光学学报
2023, 43(23): 2330001
1 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
浮游藻类密度监测对水质状况诊断及藻华灾害预警具有重要意义。因此，提出一种基于微流控-显微荧光技术的浮游藻细胞密度检测方法。该方法基于微流控技术实现样品快速定量进样，利用共聚焦显微荧光结构实现藻细胞特征荧光信号的高信噪比采集，并通过分析荧光峰信息实现浮游藻细胞计数。以杜氏盐藻、色球藻、隐藻和赤潮藻为测试对象的结果表明：在1.3×106 L-1密度范围内测量相对误差均小于3.96%，且准确率不受悬浮物、藻细胞种类以及尺寸的影响；在10%允许误差下，藻类密度检测上限可提升至5×106 L-1，完全能够满足自然水体浮游藻细胞密度检测需求，为水体藻细胞密度快速准确检测提供了新途径。
浮游藻类 显微荧光 微流控 藻细胞计数 光学学报
2023, 43(18): 1812002
1 合肥学院 生物学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
4 安徽大学, 安徽 合肥 230601
5 安徽省合肥生态环境监测中心, 安徽 合肥 230088
流式细胞显微图像分析法是水体浮游藻类自动鉴别的重要发展方向，快速进样条件下细胞显微图像将产生形变，影响浮游藻类自动鉴别准确率。本文基于搭建的浮游藻类微流控-显微成像实验系统，通过对不同进样流速下藻类细胞显微形变和图像清晰度的分析，研究了流速对显微成像形变的影响规律。分析基于卷帘快门拍摄运动物体产生形变原理，提出了单向偏移像素的图像形变校正方法，并与藻类细胞静态条件下获取的图像进行了对比分析。实验结果表明：静态条件下，湖生卵囊藻细胞的图像长宽比及清晰度均值分别为1.16和116.53；动态进样过程中，随着流速增大细胞图像形变（长宽比）逐渐增大、清晰度降低；95 µL/min进样流速下，校正前后细胞图像长宽比均值分别为1.35和1.26，形变离散程度由校正前的0.33降至0.1，与静态细胞形态接近且校正前后图像清晰度基本不变。本文研究结果为提升水体浮游藻类细胞自动鉴别准确率提供了依据。
浮游藻类 微流控-显微成像 图像形变 校正方法 planktonic algal microfluidics-microscopic imaging image deformation correction method
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
2 安徽大学物质科学与信息技术研究院信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230039
3 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
浮游藻类作为单细胞生物，其光合活性外界胁迫作用响应灵敏，是水质综合毒性检测的良好受试生物，因此认识受试藻种光合活性状态对温度和光照等主要环境因子的响应规律，掌握有效控制受试藻种光合活性状态和浓度的培养条件，对水质综合毒性检测至关重要。以模式受试生物蛋白核小球藻为研究对象，研究了不同温度梯度和光照强度下蛋白核小球藻光合活性变化规律。研究结果显示：蛋白核小球藻在不同梯度光照下，藻种光合活性和藻种浓度的变化非常明显。低光照下 (75 μE、125 μE) 藻种平均光合活性在0.60左右但藻种浓度基本不增加；中光照下 (175、225、300、375 μE) 藻种平均光合活性在0.57左右且此时藻种浓度有明显增加，其中，实验最佳光照为375 μE；高光照下 (475 μE和600 μE) 藻种平均光合活性低于0.56 (初始活性)，会对藻种的生长状态产生胁迫。不同梯度温度下藻种光合活性和藻种浓度也有明显变化，中低温下 (5、15、25 ℃) 藻种平均光合活性在0.59左右且藻种浓度随着温度的升高而增加，最佳温度为25℃；高温下 (30、35、40 ℃) 藻种光合活性迅速下降直至失活。研究结果表明可以通过控制光照和温度来控制浮游藻类的光合活性和生长速度，为在线水质综合毒性测量仪提供标准的受试藻样培养方式，从而给便携式水质综合毒性测量仪的研发奠定基础。
浮游藻类 光合活性 叶绿素荧光 环境因子 planktonic algae photosynthetic activity chlorophyll fluorescence environmental factors 大气与环境光学学报
2023, 18(2): 133
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230061
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
以鱼腥藻、栅藻和盘星藻为分析对象，通过采集多个焦平面的显微图像，基于拉普拉斯能量与引导滤波以及图像HSV颜色空间饱和度分量分别检测显微图像聚焦区域和失焦区域，研究浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合方法，并与小波变换、拉普拉斯金字塔以及脉冲耦合神经网络融合方法进行对比分析。结果表明：鱼腥藻、栅藻和盘星藻融合图像的边缘信息保持度、空间频率、平均梯度分别为0.3529、8.9654、0.0055，0.3778、7.0058、0.0023和0.2940、1.5445、0.0005，均优于对比融合方法，具有更好的边缘信息传递能力及更高的图像清晰度，有效实现了浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合，为获取浮游藻类细胞的全景深显微图像提供了思路。
图像处理 浮游藻类细胞 显微 多聚焦图像融合 聚焦区域检测 失焦扩散效应 光学学报
2023, 43(12): 1210001
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院安徽省信息材料与智能感知实验室，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
4 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
浮游藻类的种类多样性和群落结构是水生态环境建设评价的重要指标，利用细胞图像对其进行识别是实现浮游藻类检测的重要手段。相较于传统的显微镜检法，基于深度学习的目标检测算法因更高效的检测能力而越来越多地被运用到浮游藻类检测领域。针对YOLOv3目标检测算法对部分形态小、边界模糊和粘连浮游藻类的检测精度低等问题，采用空间金字塔池化（SPP）结构改进了YOLOv3目标检测算法的特征提取方式，采用广义交并比（GIoU）边界损失函数改进了YOLOv3目标检测算法的边界损失函数，最终构建了一种基于SPP和GIoU改进的YOLOv3浮游藻类检测算法（SPP-GIoU-YOLOv3）。实验结果表明：在检测速度无明显差异的情况下，所提SPP-GIoU-YOLOv3分类检测算法对实验藻类的平均精度均值达95.21%，比YOLOv3目标检测算法提高了4.24个百分点。本研究为发展准确快速的浮游藻类检测方法技术提供了一定的基础。
机器视觉 SPP-GIoU-YOLOv3 目标检测 深度学习 浮游藻类 激光与光电子学进展
2023, 60(2): 0215003
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 合肥师范学院物理与材料工程学院，安徽 合肥 230061
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
以混合藻类为研究对象，研究组成混合样品藻种的单细胞可变荧光量（SCVF）差异对可变荧光统计分析法准确性的影响。研究结果表明：当两种藻种的SCVF比值不大于5.3时，该分析方法依旧适用，测量结果与显微镜检测结果的相对误差绝对值的均值不大于17%；当两种藻种的SCVF比值大于8时，测量结果与显微镜检测结果存在较大差异，且高SCVF藻细胞占比达到一定比例时，可变荧光统计分析法的测量结果仅反映了混合样品中高SCVF藻细胞数。针对SCVF差异大的混合藻类，将过滤分离方法与可变荧光统计分析法相结合，利用合适孔径的金属滤网过滤混合样品，将过滤前后测量的样品活体藻细胞密度之和作为测量结果。实验结果表明，该方法可将相对误差绝对值均值由58.4%降至5.5%，有效解决了组成混合样品藻种的SCVF差异对细胞数定量的影响，实现混合藻类活体细胞数的准确定量。
海洋光学 压载水 活体藻细胞数 可变荧光 混合藻类 光学学报
2022, 42(24): 2401003
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001
3 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室，陕西 西安 710126
4 安徽大学电子信息工程学院，安徽 合肥 230039
水下信道中存在大量的悬浮藻类粒子，对激光信号传输特性有显著的影响。基于广义Mie理论，建立了水下悬浮球形藻类粒子对拉盖尔-高斯（LG）涡旋光束的散射模型。首先，数值仿真了单个悬浮球形藻类粒子对LG涡旋光束散射特性的影响，并计算了粒子半径、束腰半径、涡旋光阶数和拓扑荷数对其微分散射截面的影响。然后，进一步讨论了水下悬浮球形藻类粒子群对LG涡旋光束微分散射截面的影响。结果表明：对于水下单个悬浮球形藻类粒子，微分散射截面随粒子半径、涡旋光阶数和束腰半径的增大而增大，随涡旋光拓扑荷数的增大而减小；对于水下悬浮球形藻类粒子群，微分散射截面随涡旋光阶数和束腰半径的增大而增大，随涡旋光拓扑荷数的增大而减小。
散射 广义Mie理论 拉盖尔-高斯涡旋光束 微分散射截面 藻类粒子群 光学学报
2022, 42(18): 1829001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
OJIP荧光动力学被广泛应用于藻类光合作用研究,而在常用的OJIP曲线分析中,常将J、I点的特征时间固定,忽略了藻类种类对J、I点特征时间的影响,这会造成J、I点荧光强度计算结果的偏差,直接影响测量结果的准确性。鉴于此,提出使用三级指数函数逼近OJIP曲线的方法动态获取J、I点的特征时间。不同藻种的J、I点的特征时间和二氯苯基二甲脲(DCMU)胁迫下J点特征时间实验的测试结果表明:所提方法能够有效获得不同藻类J、I点的特征时间,二形栅藻、蛋白核小球藻、普通小球藻和新月筒柱藻J点的特征时间分别为2.22,1.52,1.33,1.01 ms,I点的特征时间分别为28.80,27.15,29.90,15.28 ms,多次计算结果的相对标准偏差均小于10%,具有较好的一致性;在DCMU浓度(质量浓度)分别为10,20,40 μg/L的毒性胁迫实验条件下,所提方法计算的普通小球藻的J点特征时间分别为1.25,1.18,1.10 ms,相对标准偏差为12.03%。此外,利用所提方法计算得到的光合活性参数VJ与DCMU浓度之间具有良好的毒性剂量-效应关系,相关性系数R2为0.991。
物理光学 荧光动力学 特征时间确定 指数分析 藻类
1 暨南大学赤潮与海洋生物学研究中心, 水体富营养化与赤潮防治广东省高校重点实验室, 广东 广州 510632
2 燕山大学信息科学与工程学院, 燕山大学海洋科学与工程研究院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
利用三维荧光光谱技术, 研究了以微小亚历山大藻 (台湾株)(AMSY)、 塔玛亚历山大藻(大亚湾株)(ATDY)、 链状裸甲藻(防城港株)(GCFC)、 塔玛亚历山大藻(香港株)(ATHK)、 链状亚历山大藻(南海株)(ACSY)5株4种产麻痹性贝毒(PSP)微藻以及21株不产PSP藻在不同温度条件下培养微藻的各生长期产毒能力与三维荧光的关系。 研究结果表明, 在不同温度条件下, 产毒藻类单位藻细胞产毒量会发生显著变化, 低温可促进麻痹性贝毒的产生。 通过Db7小波分解, 选取Ca3尺度分量的联合荧光谱作为特征谱并利用Fisher判别发现, 产PSP藻与不产PSP藻荧光差异主要集中在λex为400~425和450~545nm; λem为715~750 nm的波段, 利用判别函数建立判别式, 实现了对产麻痹性贝类毒素藻类的识别测定。 对产PSP毒素藻类的判别率达到93.7%, 不产PSP毒素藻类判别率达到93.3% , 综合判别率为93.5%。 该研究可实现对水体中活体产PSP微藻的快速识别, 为进一步开发产毒微藻识别仪提供理论基础。
麻痹性贝毒藻类 三维荧光 Db7小波 Fisher判别 Paralytic Shellfish Poisoning Three-dimensional fluorescence Db7 wavelet Fisher discriminant function coefficient 
