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CN111122527A - 一种水环境中细菌原位显微成像检测装置及检测方法 - Google Patents

一种水环境中细菌原位显微成像检测装置及检测方法 Download PDF

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CN111122527A CN201911311174.9A CN201911311174A CN111122527A CN 111122527 A CN111122527 A CN 111122527A CN 201911311174 A CN201911311174 A CN 201911311174A CN 111122527 A CN111122527 A CN 111122527A
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Abstract

本发明公开了一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，包括壳体、成像采集模块和荧光激发模块；荧光激发模块包括设置在壳体内的深紫外激光光源、伸出壳体外的激发光窗口、以及用于连接深紫外激光光源与激发光窗口的光纤；成像采集模块包括设置在壳体上的采集窗口、设置在壳体内的显微采集部和成像部。本发明同时还公开了一种水环境中细菌原位显微成像检测方法。本发明采用深紫外激光诱导荧光及光片技术，通过深紫外激光激发水体中细菌的内在荧光，并通过显微成像技术采集图像，分析水环境中细菌的种类和丰度，有效提高检测效率，且检测方便、快捷。

Description

一种水环境中细菌原位显微成像检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及水环境细菌成像检测领域，更具体地，涉及一种水环境中细菌原位显微成像检测装置及检测方法。
背景技术
水环境生物由于其独特的生活环境是目前很多科学家重点的研究内容，尤其是在水环境生物资源探索、基因分析和碳循环研究中。其中的微型生物，如细菌等，以及生物碎屑等形成的颗粒性有机碳是水环境食物链和碳循环过程的主要承担者，这些颗粒有机碳通过水环境食物链维持生态系统的物质循环、完整性和稳定性，最终经过沉积过程将碳固定并有部分永久性封存。由于微型生物种类多、量大，不同类微型生物对于生态系统碳循环的贡献分量和过程目前还有很多未知，需要进行进一步研究，尤其是微型生物的动态变化方面。在检测技术方面，由于水环境生态系统是一个开放的生态系统，各种微型生物颗粒的形成、输入和输出过程非常复杂多变，因此目前的检测技术很难对这些过程进行精确监测。
早期主要采用吸收、散射、荧光、偏振等纯粹的光学检测方法在检测颗粒物的同时，也给出了物理意义方面的解释，为采用图像技术对这些颗粒物检测奠定了理论基础。但纯粹的光学检测技术给人较为抽象的概念，更让大众普遍接受的方式是直观的图像。近年来随着CCD技术的发展，图像检测技术得到日新月异地发展，为采用图像技术对海水中颗粒物质的检测提供很好的技术基础。
但目前原位成像技术的不足之处主要表现在：(1)体积较大；(2)能耗高；(3)自动化程度不高；(4)拖尾模糊和离焦模糊情况较为严重；(5)对生物颗粒之间的区分度有待提高；(6)体积较小的生物颗粒较难识别。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，可在现场快速、高精度地对海洋细菌进行荧光成像，实现对水环境中细菌的丰度和多样性进行检测的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，包括壳体、成像采集模块和荧光激发模块；荧光激发模块包括设置在壳体内的深紫外激光光源、伸出壳体外的激发光窗口、以及用于连接深紫外激光光源与激发光窗口的光纤；成像采集模块包括设置在壳体上的采集窗口、设置在壳体内的显微采集部和成像部，采集窗口、显微采集部和成像部依次布置；激发光窗口位于采集窗口的一侧且位于显微采集部的焦深范围内，激发光窗口朝向采集窗口，且两个窗口相互垂直。
优选的，所述的光纤靠近激发光窗口的一端设置有准直器。由于经过光纤后的激光不再平行，通过光纤后需要对光源进行准直。
优选的，所述的深紫外激光光源为266nm的激光光源。
优选的，所述的激发光窗口为通透紫外光的石英玻璃窗口。
优选的，所述的显微采集部包括依次设置的滤光片、镜筒和显微物镜，滤光片位于靠近采集窗口的一端，显微物镜位于靠近成像部的另一端。
优选的，所述的滤光片为320-380nm滤光片。由于水环境原位检测过程中有太阳光以及受激荧光等非目标光的影响，导致CDOM和叶绿素等也会产生荧光，为了避免杂散光影响，提高目标荧光的检测精度，采用320-380nm滤光片。
优选的，所述的成像部为背照式科学级sCMOS相机。可以对紫外光激发诱导荧光进行成像。
本发明的另一目的是提供一种水环境中细菌原位显微成像检测方法，可在现场快速、高精度地对海洋细菌进行荧光成像，实现对水环境中细菌的丰度和多样性进行检测的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种水环境中细菌原位显微成像检测方法，采用上述的装置实现，包括以下步骤：
S1：采用266nm激光激发显微采集部焦深范围内水体中细菌的荧光；
S2：利用320-380nm滤光片对产生的荧光进行过滤；
S3：利用显微采集部和成像部获取荧光的显微图像，采用图片亮点识别技术，对图片中细菌数量进行检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用深紫外激光诱导荧光及光片技术，采用深紫外激光激发荧光显微镜焦深范围内水体中细菌的荧光，减弱了焦深范围之外水体中荧光的干扰，并通过显微成像技术采集图像，分析水环境中细菌的种类和丰度。由于本申请采用深紫外激光激发，有效地抑制了CDOM(有色可溶性有机物，Colored dissolved organic matter)、藻类叶绿素荧光和背景荧光的干扰，增强目标水体的荧光。滤光片可以消除非目标水体中颗粒物的干扰，增强了目标水体中细菌颗粒的检测精度和成像质量，因而提高了检测精度和效率。
附图说明
图1为本发明检测装置的外形结构图；
图2为本发明检测仪的正面剖图(内部各模块不剖)；
附图标记说明：1-上盖；2-外壳；3-下盖；4-安装板；5-深紫外激光光源；6-光纤；7-激发光窗口；8-采集窗口；9-显微采集部；10-成像部；11-电源模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参照图1和图2所示，本实施例的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，包括成像采集模块、荧光激发模块和电源模块11，各模块均封装在一个耐压的壳体中，电源模块11用于向各模块供电。
壳体主要由圆柱形的外壳2以及封装在外壳2两端的上盖1和下盖3组成，内部设置有安装板4，用于固定成像采集模块、荧光激发模块和电源模块11。优选的，上盖1、外壳2和下盖3采用耐腐蚀金属材料制成，以适应海洋环境。
荧光激发模块包括深紫外激光光源5、光纤6和激发光窗口7。深紫外激光光源5固定在安装板4上，优选采用266nm激光光源。激发光窗口7呈L形，连接在下盖2偏离中心的位置，水平段朝向下盖2轴心，且在开口处镶嵌有石英玻璃，用于通透紫外光。光纤6一端与深紫外激光光源5连接，另一端延伸至激发光窗口7的石英玻璃，并在该端部设置准直器。深紫外激光光源5产生的紫外激光经光纤6传导到准直器后对水直接进行激发。准直器可商购获得，用于对经过光纤6后不再平行的激光进行准直。
成像采集模块包括采集窗口8、显微采集部9和成像部10。采集窗口8位于下盖2的中心，可由采光孔、石英玻璃及相应的防水结构组成。显微采集部9类似荧光显微镜，用于采集并放大目标荧光，主要包括依次布置的滤光片、镜筒和显微物镜。滤光片靠近采集窗口8的一端，显微物镜则靠近成像部10的一端。优选的，滤光片采用320-380nm滤光片，避免杂散光影响，提高目标荧光的检测精度。成像部10采用背照式科学级sCMOS相机，用于对目标荧光进行成像。
可以看出，激发光窗口7和采集窗口8相互垂直，且激发光窗口7低于采集窗口8，通过控制二者的距离，可使从激发光窗口7出来的紫外光位于显微采集部9的焦深范围内。当深紫外激光光源5发出的紫外激光激发采集窗口8下方水体中细菌的内在荧光时，显微采集部9透过采集窗口8采集目标荧光并传输给成像部10，由成像部10形成清晰的荧光显微图像，然后再采用图片亮点识别技术，对图片中细菌数量进行检测分析，获得相关细菌的数量、类型、大小等信息。
本申请同时还公开了一种利用上述检测装置对水环境中细菌原位显微成像的检测方法，具体包括以下步骤：
S1:采用深紫外激光激发显微采集部焦深范围内水体中细菌的荧光，减弱了焦深范围之外水体中荧光的干扰，激发光源为266nm激光；
S2:显微采集部的滤光片设置在320-380nm之间，避免其他物质荧光的干扰；
S3:成像部成像后，采用图片亮点识别技术，对图片中细菌数量进行检测，获得相关细菌的数量、类型、大小等信息。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：包括壳体、成像采集模块和荧光激发模块；荧光激发模块包括设置在壳体内的深紫外激光光源、伸出壳体外的激发光窗口、以及用于连接深紫外激光光源与激发光窗口的光纤；成像采集模块包括设置在壳体上的采集窗口、设置在壳体内的显微采集部和成像部，采集窗口、显微采集部和成像部依次布置；激发光窗口位于采集窗口的一侧且位于显微采集部的焦深范围内，激发光窗口朝向采集窗口，且两个窗口相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：所述的光纤靠近激发光窗口的一端设置有准直器。
3.根据权利要求1所述的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：所述的深紫外激光光源为266nm的激光光源。
4.根据权利要求1所述的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：所述的激发光窗口为通透紫外光的石英玻璃窗口。
5.根据权利要求3所述的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：所述的显微采集部包括依次设置的滤光片、镜筒和显微物镜，滤光片位于靠近采集窗口的一端，显微物镜位于靠近成像部的另一端。
6.根据权利要求5所述的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：所述的滤光片为320-380nm滤光片。
7.根据权利要求6所述的一种水环境中细菌原位显微成像检测装置，其特征在于：所述的成像部为背照式科学级sCMOS相机。
8.一种水环境中细菌原位显微成像检测方法，采用权利要求1-7任一所述的装置实现，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采用266nm紫外激光激发显微采集部焦深范围内水体中细菌的荧光；
S2：利用320-380nm滤光片对产生的荧光进行过滤；
S3：利用显微采集部和成像部获取荧光的显微图像，采用图片亮点识别技术，对图片中细菌数量进行检测。
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