虹科案例 | SOLA光源用于藻華成像實現(xiàn)水質(zhì)評估

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藍藻水華

藍藻，也稱藍綠藻，是一種含氧的光合作用細菌，天然存在于淡水、咸淡水、 海水和陸生環(huán)境中。它是一種利用光能將二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)并產(chǎn)生氧氣的自養(yǎng)細菌，約起源于30億年前，其光合作用促成了地球演化過程中最關(guān)鍵的事件——地球大氣的氧化。藍藻并非嚴格意義上的藻類，而是一種光能自養(yǎng)型的原核生物。此外，許多藍藻也不是藍綠色的，由輔助色素藻藍蛋白產(chǎn)生的獨特青色（藍綠色）常被普遍存在的葉綠素a或其他輔助色素（如紅色的藻紅素、橙黃色的胡蘿卜素）取代。因此，藍藻可以呈現(xiàn)出各種各樣的顏色，如綠色、紅色、棕色、黃色等。

藍藻可形成致密的水華。藍藻水華指主要由藍藻引起的水體顏色的明顯改變。常見導致水華形成的屬有絲囊藻、胞藻、長胞藻、微囊藻、節(jié)球藻、浮絲藻和束毛藻，如上圖所示。藍藻水華會導致嚴重的水質(zhì)問題，它們增大水的濁度從而導致水下植物窒息，微生物降解衰老死亡的水華消耗大量氧氣，導致魚類和底棲無脊椎動物因缺氧而死亡。藍藻會產(chǎn)生帶有異味的氣體混合物，干擾湖泊的娛樂功能和水庫儲蓄飲用水的功能。此外，藍藻水華還可以產(chǎn)生多種藻毒素，當被鳥類、哺乳動物和人類攝入時會引起肝臟、消化和神經(jīng)系統(tǒng)的疾病。這些毒素在水華中釋放到周圍的水中主要發(fā)生在細胞死亡和裂解（即細胞破裂）期間，而不是從藍藻細胞中持續(xù)釋放出去。當然，存在一些種類的藍藻能夠?qū)⒍舅兀毎猓┽尫诺剿卸粫l(fā)生細胞破裂或死亡。

人們經(jīng)常把藍藻與綠藻混淆，因為兩者都會產(chǎn)生致密的水華現(xiàn)象，阻礙游泳和釣魚等活動，并可能導致氣味問題和氧氣消耗。從組成上來看，藍藻不具有葉綠體、線粒體、高爾基體、中心體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和水面液泡等細胞器，唯一的細胞器是核糖體。而綠藻是一種真核生物，真綠藻植物的細胞與高等植物相似，也有細胞核和葉綠體，有相似的色素、貯藏養(yǎng)分及細胞壁的成分。最重要的是，與藍藻不同，綠藻通常不被認為會產(chǎn)生毒素。近年來的大量研究表明，富營養(yǎng)化、二氧化碳濃度升高和全球氣候變暖可能會增加全球許多水生生態(tài)系統(tǒng)中藍藻水華的發(fā)生頻率、強度和持續(xù)時間，這一趨勢已引起極大關(guān)注，因為它可能對水生食物網(wǎng)的生物多樣性和功能產(chǎn)生負面影響。同時，受到污染的水源作為飲用水、沐浴用水、漁業(yè)用水或娛樂用水的用途都將大打折扣。由于水體持續(xù)的富營養(yǎng)化、CO2濃度上升以及未來的全球變暖等，預示著藍藻水華爆發(fā)的頻率將會進一步增高，藍藻水華防控己成為國內(nèi)外研究的熱點和重點問題。

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虹科SOLA光源用于藻華成像

藍藻的存在威脅生態(tài)系統(tǒng)功能，并降低娛樂，飲用水，漁業(yè)和人類健康的水質(zhì)。因此，通過一些技術(shù)手段來表征藻華的組成是否為有害藍藻是非常有必要的，這其中最常用的方法便是微分干涉差（DIC）相位顯微鏡與熒光顯微鏡。DIC相位顯微鏡技術(shù)利用了基于偏振光的微分干涉相襯成像原理，能夠使細胞的結(jié)構(gòu)，特別是一些較大的細胞器，如核、線粒體等的立體感特別強，適合于顯微操作。目前像基因注入、核移植、轉(zhuǎn)基因等的顯微操作常在這種顯微鏡下進行，比如在對藍藻細胞的活性表征中可以采用這種顯微技術(shù)。熒光顯微鏡技術(shù)需要用光源照射被檢物體，使之發(fā)出熒光，然后在顯微鏡下觀察物體的形狀及其所在位置。這種方法是是生命科學領(lǐng)域研究的中心，它具有對分子和細胞目標進行顏色編碼檢測和對活細胞和有機體成像的能力，同時具有較高的分辨率。通常用于研究細胞內(nèi)物質(zhì)的吸收、運輸、化學物質(zhì)的分布及定位等。

在表征藻華的組成時，熒光顯微鏡優(yōu)于 DIC 相位顯微鏡。這主要是由于藻華的組成是多樣的，將水體中的藍藻水華與可能有害或無害的其他水華區(qū)分開來是一項艱巨的任務(wù)，有毒和無毒的藍藻水華可能與令人討厭的綠藻水華、漂浮植物和其他已知水華相混淆。熒光顯微鏡可以通過不同的熒光效應顯示出不同的藻華結(jié)構(gòu)，從而區(qū)分有害的藍藻與其他藻類。由美國環(huán)境保護署（EPA）公共衛(wèi)生與環(huán)境評估中心的Robert Zucker博士和Emma Brentjens研究出了快速的一分鐘熒光技術(shù)，可用于根據(jù)藻類的獨特色素吸收特性生成淡水藍藻和綠藻的復合圖像。綠藻主要含有葉綠素，因此可以被藍光有效激發(fā)。藍藻中含有藻膽體，則采用綠光激發(fā)，因此可以生成來自不同波長激發(fā)的偽彩色圖像，從而區(qū)分綠藻和藍藻。通過不同的顏色顯示對藻華組成進行分析，進而可以實現(xiàn)水樣的水質(zhì)評估，從而能夠采取有效的措施來應對可能存在的有害藍藻水華現(xiàn)象。下面的偽彩色圖像來自于2021年12月從北卡羅來納州貝茨湖的水樣，它們是使用虹科SOLA光源進行成像的。

熒光顯微鏡技術(shù)中使用的傳統(tǒng)汞弧和金屬鹵化物光源已經(jīng)普遍存在多年，但由于性能不穩(wěn)定和更換燈泡的持續(xù)消耗而存在使用限制。如今，它們大多被固態(tài)光源所取代。虹科的固態(tài)光源技術(shù)為研究人員和儀器制造商提供了簡單LED照明質(zhì)量的突破性改進，這使得熒光顯微鏡在樣品吞吐量和空間分辨率方面的能力得以擴展，并推動了許多新應用的開發(fā)，在熒光顯微鏡的應用方面提供了強有力的光源支持。

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虹科SOLA光源介紹

虹科系列SOLA光源是顯微鏡和其他生命科學應用中現(xiàn)代固態(tài)照明的市場領(lǐng)導者，是傳統(tǒng)汞弧燈與金屬鹵素燈的直接替代者。

該產(chǎn)品線現(xiàn)在包括4個標準型號，這些型號通過光源數(shù)量和光譜輸出進行區(qū)分：SOLA，SOLA FISH，SOLA U-nIR和SOLA V-nIR光源。

SOLA 光源：激發(fā) DAPI、GFP/FITC、YFP、Cy3、mCherry、Cy5 和光譜相似的熒光團，提供白光輸出。SOLA FISH光源：475-600nm區(qū)域的輸出被紅移，為SpectrumGreenTM，SpectrumRedTM和其他通常用于細胞遺傳學測試實驗室中熒光原位雜交（FISH）分析的熒光團提供最佳激發(fā)。SOLA V-nIR 和 U-nIR 光源：最廣泛的光譜覆蓋范圍，包括用于激發(fā) Cy7 和 ICG 等熒光團的近紅外 （nIR）輸出，以及受益于 nIR 光增強的組織穿透力的其他應用。

目前，更新的SOLA 光源產(chǎn)品線都增加了主動光輸出穩(wěn)定、全線性強度控制和電子控制接口。SOLA光源不含任何需要更換或校準的部件，不需要日常維護，典型的工作壽命為10年，遠遠超過任何燈泡。所有SOLA固態(tài)光源都不含汞，符合RoHS標準。

SOLA光源系列的光譜輸出與SOLA實物圖