面向微藻单细胞检测的小型共焦拉曼系统研制

发布时间：2021-03-30 04:31

　　海洋微藻研究对海洋环境监测以及生物资源利用有着重要意义,显微共焦拉曼光谱作为一种非标记、快速检测技术已在生命领域获得广泛应用。现阶段,商业化显微共焦拉曼仪器在微生物研究领域占据主导,但由于体积庞大、工作环境要求严格等因素,很难开展微藻细胞的现场检测与分析。因此,将微型光纤光谱仪引入微藻"单细胞"的检测,自主研发了一套小型显微共焦拉曼系统,尝试低成本开发微生物分析设备。整个系统基于微型光纤光谱仪实现了硬件的一体化小型设计（L750 mm×W350 mm×H410 mm）,具备光谱探测、显微成像、光镊捕获功能。通过四种典型微藻（中肋骨条藻、微拟球藻、东海原甲藻及小藻）的检测验证,成功识别了"单个活体细胞"内的蛋白质、脂类、糖原、核酸等多种细胞组分,相应的结果经过主成分分析（Principal component analysis,PCA）后,很好地实现了四种微藻的种类归属,证明了光纤光谱仪应用于单细胞量级海洋微生物分析的可行性,并有望在将来发展成为船基设备,用于微藻的甲板在线检测。 

【文章来源】：大气与环境光学学报. 2020,15(01)CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图３酵母菌单细胞拉曼光谱比较

量级针孔实现拉曼信号的共焦采集，相??应的信号经透镜耦合进光纤后，再导入光纤光谱仪完成最终的光谱探测＆系统中所采用的光纤光谱仪为折??叠式Ｃ－Ｔ型硬件结构，一体式紧凑设计，包含ＣＣＤ探测器，体积小巧（１１０?ｍｍｘｌ８２?ｒａｍｘ４７ｍｍ），探测??光谱范围为５００？３０００?光谱分辨率为９?ｃｍ－１，可覆盖大部分生物细胞拉曼特征峰位．所研制系统的??成像单元由闩光ＬＥＤ和ＣＭＯＳ摄像头组成，用于监测激光聚焦位置与细胞光镊捕获，相应结果如图２所??示，均可较为清晰地呈现细胞形态。??图１显微共焦拉曼系统结构示意图（ａ）和实物图（ｂ）??Ｆｉｇ．ｌ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?（ａ）?ａｎｄ?ｐｉｃｔｕｒｅ?（ｂ）?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｎｆｏｃａｌ?ｍｉｃｒｏ－Ｒａｍａｎ?ｓｙｓｔｅｍ?（ｂ）??图２系统所获得的海藻细胞成像。（ａ）中肋骨条藻；（ｂ）微拟球藻；（ｃ）东海原甲藻；（ｄ）小球藻??Ｆｉｇ．２?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｉｎｇｌｅ?ｃｅｌｌ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ｂｙ?ｔｈｅ?ｃｏｎｆｏｃａｌ?ｍｉｃｒｏ－Ｒａｍａｎ?ｓｙｓｔｅｍ，?（ａ）?Ｓｋｅｌｅｔｏｎｅｍａ?ｃｏｓｔａｔｕｍ；??（ｂ）?Ｎ．?ｏｃｅａｎｉｃａ?ＩＭＥＴ－１）?（ｃ）?Ｐｒｏｒｏｃｅｎｔｒｕｍ?ｄｏｎｇｈａＪｅｎｓｅ?Ｌｕ；?（ｄ）?Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ??２．２样品??细胞样品由中国科学院海洋研究所和青岛生物能源与过程研究所单细胞中心提供。实验中选用的中??肋骨条藻ｆｗｓｔａｔｕｍ）、东海原甲藻（Ｐｒｏｒｏｃｅｎｔｒｕｍ?ｄｏｎｇ＇ｉｉｕ＇ｅｎｓｅ?＿Ｌｕ）培养基为Ｌ１培养液。小??球藻（ＣＷｏｒｅｉｌａ）的培养基为专用培养液，其成分包

Ｗ种微藻均为近海典型的相近藻种，但在细胞组分的拉曼探测方面，可??通过谱峰强度和峰位对藻种作以区分，这也是目前细胞拉曼表征的常用方法。??基于以上结论，还运用主成分分析方法（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?ａｎａｌｙｓｉｓ，?ＰＣＡ）又对微藻进行了细分测??试。测试中，分别从每个藻种的单细胞探测结果中随机抽取了?１０组原始光谱数据，形成４０个原始光谱数??据，经ＰＣＡ分析后提取主成分后，选取贡献率排名前三的主成分（累计贡献率为９９．２３％），进行藻种类别分??析，所获得的结果如图５所示。很明显地看出，Ｗ个藻种较好地实现了归属，而且，图Ｓ与表１结果也形??成了很好的对应关系．，如；甲藻和微拟球藻在图５中相邻位置最为接近５在表１中成分差别也是最小的。??因此，所获得的结果证明了基于光纤光谱仪研制小型系统能够实现微藻单细胞的表型分析，而且所获得光??谱结果确认可胜任藻种的分类，后期若与微藻细胞高通量传输对接后，将有可能实现微藻群落的种群分析??和功能化分类。??图５基于拉曼检测结果的四种微藻ＰＣＡ分类结果??ＰＣＡ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?４?ａｌｇａｅ?ｓｐｅｃｉｅｓ?ｕｓｉｎｇ?ｔｈｅ?Ｒａｍａｎ?ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ?ｒｅｓｕｌｔｓ??ｅｖｏｄ??

【参考文献】：
期刊论文
[1]人工细胞的表型测试与分选:构建从光谱学到遗传学的桥梁[J]. 马波,徐健.  中国科学院院刊. 2018(11)
[2]微生物组分析技术的发展趋势:从单细胞功能成像到菌群大数据[J]. 徐健,马波,苏晓泉,黄适,徐欣,周学东,黄巍,Rob Knight.  Engineering. 2017(01)



本文编号：3108866