研究背景

海洋微生物颗粒是海洋生态系统的重要组成部分，在全球生物地球化学循环和海洋生态系统功能维持中发挥核心作用，其通过沉降推动有机碳垂直通量，是海洋生物泵和碳汇过程的关键环节。开展微生物颗粒的分布特征、转化机制研究，对精准评估海洋碳源汇动态具有重要意义。

然而，传统监测手段存在明显短板：人工采样和间歇性野外采集时空分辨率有限，无法捕捉潮汐影响下微生物颗粒的快速动态变化；现有原位检测技术如激光原位散射与透射测量、叶绿素荧光法等，或难以区分不同类型微生物颗粒，或仅能检测光合浮游植物，无法识别细菌、无色素微生物等非光合类群，且多数光学方法缺乏生化特异性，难以在单颗粒水平解析微生物群落特征。

激光诱导荧光技术因灵敏度比传统光诱导荧光高 10-20 倍，兼具高特异性、快速响应、实时连续监测和无需培养等优势，成为海洋微生物原位观测的重要方向，但深紫外激光诱导荧光原位传感器在复杂海洋环境中的长期运行可靠性和检测准确性尚未得到充分验证，实现水动力复杂条件下微生物颗粒的持续、高分辨率监测成为亟待解决的科学问题。

研究内容

为填补技术空白，研究团队设计并构建了基于深紫外激光诱导荧光的微生物原位传感系统，该系统以 280nm 深紫外为激发波长，有效规避非生物颗粒的荧光干扰，仅捕捉微生物中芳香族氨基酸、核酸等固有生物分子的特征荧光信号。设备整合了激光光学激发、光谱数据采集、深紫外显微成像和 CTD 环境传感四大核心模块，同时搭载嵌入式 PC104 控制模块，实现光学检测、成像与环境数据的同步采集、处理和存储。

团队完成了传感器的硬件设计与性能优化，设备外壳采用经特殊处理的 7075 铝合金，具备耐压、防腐、防水特性，经 1000 米水深 2 小时深海压力测试验证结构完整性；核心成像部件采用 MSH12 背照式 sCMOS 相机，保障高空间分辨率和低读出噪声。

为验证传感器性能，团队开展了实验室校准和现场海试：以大肠杆菌为校准样本，探究荧光强度与微生物浓度的定量关系；2024 年 6-7 月在珠江口新洲段涨潮期进行现场部署，开展原位观测，结合 Python 和 Fiji 软件完成荧光光谱、CTD 数据及显微成像的处理与分析，通过 Sobel 算法实现微生物颗粒的边缘检测与定量统计。

图1. 激光诱导荧光检测系统示意图，显示 (a) 传感器整体结构设计，(b) 激光诱导荧光传感系统工作流程，包括数据采集、电源线路和数据传输。

图2. 激光诱导荧光（LIF）检测传感器 (a) 设备结构示意图，图中：(1) 前密封板，(2) 视窗盖，(3) 圆柱体，(4) 后密封板，(5) 外部保护框架，(6) 保护框架支撑结构，(7) 内部固定支架底座，(8) 内部固定板，(9) 辅助光源，(10) 荧光成像探头固定环，(11) 固定环与固定板连接处，(12) 固定环，(13) 固定板上端，(14) 成像设备电接口，(15) 成像探头，(16) 光纤固定支架，(17) 光纤，(18) 光谱仪，(19) 工控机（IPC），(20) 电源转换器；(b) 设备3D结构图；(c) 设备实物照片；(d) 光路示意图。

研究结果

实验室校准结果显示，该传感器对大肠杆菌的荧光响应在 325nm 处呈现稳定特征峰，荧光强度与微生物浓度呈显著线性相关（R²=0.9582），同浓度样本连续 10 次测量相对标准偏差仅 1.8%，各浓度梯度测量误差均小于 2%，检测限低至 5.53×10⁵个 / 毫升，验证了设备的高灵敏度和测量稳定性。

珠江口现场观测取得关键数据：涨潮过程中传感器捕捉到荧光强度显著上升，指示微生物颗粒浓度随潮汐升高；深紫外显微成像结果与荧光信号变化高度契合，颗粒计数曲线与 380nm 荧光强度曲线趋势一致，证实荧光信号真实反映微生物颗粒的动态变化。对 291nm、317nm、361nm、380nm 四个特征发射峰的时间序列分析显示，所有波长的荧光强度均呈整体上升趋势，且在约 4000 秒时同步增强，这一变化与潮汐驱动的水团平流运动相关，印证了设备对自然水动力条件下微生物颗粒动态的精准追踪能力。

同时研究也指出设备当前的局限性：成像模块仅能量化局部颗粒变化，无法实现全水柱悬浮物质的绝对定量；时空覆盖范围有限，尚未完成完整潮汐周期的颗粒输运和再悬浮特征分析；长期部署可能面临生物附着、环境干扰等问题，影响数据质量。

图3. 大肠杆菌荧光强度的定量分析，(a) 大肠杆菌梯度稀释光谱，(b) 325 nm处浓度与强度的相关性，325 nm是所有不同稀释倍数实验组波峰的发射波长。

图4. 微成像数据与荧光强度的比较 (a) 一些实验时间段的荧光显微成像图像，图中蓝色突出显示为微粒，可通过像素点灰度值的差异进行定位，图中可观察到微粒的分布及其数量变化，(b) 使用深紫外显微成像模块记录的粒子计数与相同时间间隔的荧光光谱强度曲线进行比较。利用微生物颗粒浓度与荧光强度之间已验证的线性关系，这一比较分析用于评估成像模块的性能。

技术优势

该深紫外激光诱导荧光显微传感器突破了传统监测技术的诸多瓶颈，具备多重核心优势。

其一，高特异性与高灵敏度，280nm 深紫外激发波长有效排除非生物颗粒干扰，仅识别微生物固有生物分子的荧光信号，检测限低，且荧光强度与微生物浓度线性相关性良好，实现定量检测。

其二，多模块整合与同步监测，将深紫外荧光光谱、显微成像、CTD 环境传感集成于紧凑平台，可同时获取微生物颗粒的荧光特征、空间分布及水体温度、盐度、深度等环境参数，为分析微生物动态与环境因子的相关性提供全面数据。

其三，优异的环境适应性，设备外壳经特殊工艺处理，可在 1000 米水深稳定运行，耐受复杂海洋水动力条件，适用于河口、海岸带等复杂水生环境的长期原位观测。

其四，实时非破坏性检测，无需对样本进行培养和预处理，可实现微生物颗粒的实时连续监测，且显微成像为非接触式检测，不破坏样本本身，保留微生物颗粒的自然状态。

结论与展望

该研究成功研发并验证了深紫外激光诱导荧光显微原位传感系统，实验室校准与珠江口现场试验均证实，设备具备高灵敏度、高稳定性和良好的复杂环境适应性，能够精准捕捉潮汐驱动下微生物颗粒的浓度动态变化，通过荧光光谱与显微成像的互补验证，建立了微生物颗粒原位多模态观测框架，有效克服了传统监测技术时空分辨率低、特异性不足的问题，为海洋微生物颗粒动态研究提供了新型技术手段。

研究团队表示，未来将围绕三大方向对设备进行优化与拓展：一是开展多站点同步观测，扩大时空覆盖范围，获取更具代表性的微生物颗粒分布数据；二是整合水动力数值模型和机器学习等先进数据处理算法，提升微生物颗粒的识别、分类能力和定量准确性，实现数据处理的自动化；三是校准颗粒粒径 - 荧光强度的定量关系，优化成像模块的定量能力，实现单颗粒浓度的直接测量。同时，团队将研发更优的防护涂层和校准策略，解决生物附着和环境干扰问题，进一步提升设备的长期运行稳定性。

该技术的持续完善将进一步拓展其在复杂海洋环境中的应用场景，为河口海岸带物质循环、生态系统动态研究提供更精准、全面的原位数据支撑，助力深入理解微生物颗粒在海洋碳汇及生物地球化学循环中的作用机制，为海洋生态环境研究和保护提供重要技术支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.eti.2026.104803