虹科案例 | SOLA光源用于藻华成像实现水质评估

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蓝藻水华

蓝藻，也称蓝绿藻，是一种含氧的光合作用细菌，天然存在于淡水、咸淡水、 海水和陆生环境中。它是一种利用光能将二氧化碳（CO2）转化为生物质并产生氧气的自养细菌，约起源于30亿年前，其光合作用促成了地球演化过程中最关键的事件——地球大气的氧化。蓝藻并非严格意义上的藻类，而是一种光能自养型的原核生物。此外，许多蓝藻也不是蓝绿色的，由辅助色素藻蓝蛋白产生的独特青色（蓝绿色）常被普遍存在的叶绿素a或其他辅助色素（如红色的藻红素、橙黄色的胡萝卜素）取代。因此，蓝藻可以呈现出各种各样的颜色，如绿色、红色、棕色、黄色等。

蓝藻可形成致密的水华。蓝藻水华指主要由蓝藻引起的水体颜色的明显改变。常见导致水华形成的属有丝囊藻、胞藻、长胞藻、微囊藻、节球藻、浮丝藻和束毛藻，如上图所示。蓝藻水华会导致严重的水质问题，它们增大水的浊度从而导致水下植物窒息，微生物降解衰老死亡的水华消耗大量氧气，导致鱼类和底栖无脊椎动物因缺氧而死亡。蓝藻会产生带有异味的气体混合物，干扰湖泊的娱乐功能和水库储蓄饮用水的功能。此外，蓝藻水华还可以产生多种藻毒素，当被鸟类、哺乳动物和人类摄入时会引起肝脏、消化和神经系统的疾病。这些毒素在水华中释放到周围的水中主要发生在细胞死亡和裂解（即细胞破裂）期间，而不是从蓝藻细胞中持续释放出去。当然，存在一些种类的蓝藻能够将毒素（细胞外）释放到水中而不会发生细胞破裂或死亡。

人们经常把蓝藻与绿藻混淆，因为两者都会产生致密的水华现象，阻碍游泳和钓鱼等活动，并可能导致气味问题和氧气消耗。从组成上来看，蓝藻不具有叶绿体、线粒体、高尔基体、中心体、内质网和水面液泡等细胞器，唯一的细胞器是核糖体。而绿藻是一种真核生物，真绿藻植物的细胞与高等植物相似，也有细胞核和叶绿体，有相似的色素、贮藏养分及细胞壁的成分。最重要的是，与蓝藻不同，绿藻通常不被认为会产生毒素。近年来的大量研究表明，富营养化、二氧化碳浓度升高和全球气候变暖可能会增加全球许多水生生态系统中蓝藻水华的发生频率、强度和持续时间，这一趋势已引起极大关注，因为它可能对水生食物网的生物多样性和功能产生负面影响。同时，受到污染的水源作为饮用水、沐浴用水、渔业用水或娱乐用水的用途都将大打折扣。由于水体持续的富营养化、CO2浓度上升以及未来的全球变暖等，预示着蓝藻水华爆发的频率将会进一步增高，蓝藻水华防控己成为国内外研究的热点和重点问题。

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虹科SOLA光源用于藻华成像

蓝藻的存在威胁生态系统功能，并降低娱乐，饮用水，渔业和人类健康的水质。因此，通过一些技术手段来表征藻华的组成是否为有害蓝藻是非常有必要的，这其中最常用的方法便是微分干涉差（DIC）相位显微镜与荧光显微镜。DIC相位显微镜技术利用了基于偏振光的微分干涉相衬成像原理，能够使细胞的结构，特别是一些较大的细胞器，如核、线粒体等的立体感特别强，适合于显微操作。目前像基因注入、核移植、转基因等的显微操作常在这种显微镜下进行，比如在对蓝藻细胞的活性表征中可以采用这种显微技术。荧光显微镜技术需要用光源照射被检物体，使之发出荧光，然后在显微镜下观察物体的形状及其所在位置。这种方法是是生命科学领域研究的中心，它具有对分子和细胞目标进行颜色编码检测和对活细胞和有机体成像的能力，同时具有较高的分辨率。通常用于研究细胞内物质的吸收、运输、化学物质的分布及定位等。

在表征藻华的组成时，荧光显微镜优于 DIC 相位显微镜。这主要是由于藻华的组成是多样的，将水体中的蓝藻水华与可能有害或无害的其他水华区分开来是一项艰巨的任务，有毒和无毒的蓝藻水华可能与令人讨厌的绿藻水华、漂浮植物和其他已知水华相混淆。荧光显微镜可以通过不同的荧光效应显示出不同的藻华结构，从而区分有害的蓝藻与其他藻类。由美国环境保护署（EPA）公共卫生与环境评估中心的Robert Zucker博士和Emma Brentjens研究出了快速的一分钟荧光技术，可用于根据藻类的独特色素吸收特性生成淡水蓝藻和绿藻的复合图像。绿藻主要含有叶绿素，因此可以被蓝光有效激发。蓝藻中含有藻胆体，则采用绿光激发，因此可以生成来自不同波长激发的伪彩色图像，从而区分绿藻和蓝藻。通过不同的颜色显示对藻华组成进行分析，进而可以实现水样的水质评估，从而能够采取有效的措施来应对可能存在的有害蓝藻水华现象。下面的伪彩色图像来自于2021年12月从北卡罗来纳州贝茨湖的水样，它们是使用虹科SOLA光源进行成像的。

荧光显微镜技术中使用的传统汞弧和金属卤化物光源已经普遍存在多年，但由于性能不稳定和更换灯泡的持续消耗而存在使用限制。如今，它们大多被固态光源所取代。虹科的固态光源技术为研究人员和仪器制造商提供了简单LED照明质量的突破性改进，这使得荧光显微镜在样品吞吐量和空间分辨率方面的能力得以扩展，并推动了许多新应用的开发，在荧光显微镜的应用方面提供了强有力的光源支持。

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虹科SOLA光源介绍

虹科系列SOLA光源是显微镜和其他生命科学应用中现代固态照明的市场领导者，是传统汞弧灯与金属卤素灯的直接替代者。

该产品线现在包括4个标准型号，这些型号通过光源数量和光谱输出进行区分：SOLA，SOLA FISH，SOLA U-nIR和SOLA V-nIR光源。

SOLA 光源：激发 DAPI、GFP/FITC、YFP、Cy3、mCherry、Cy5 和光谱相似的荧光团，提供白光输出。SOLA FISH光源：475-600nm区域的输出被红移，为SpectrumGreenTM，SpectrumRedTM和其他通常用于细胞遗传学测试实验室中荧光原位杂交（FISH）分析的荧光团提供最佳激发。SOLA V-nIR 和 U-nIR 光源：最广泛的光谱覆盖范围，包括用于激发 Cy7 和 ICG 等荧光团的近红外 （nIR）输出，以及受益于 nIR 光增强的组织穿透力的其他应用。

目前，更新的SOLA 光源产品线都增加了主动光输出稳定、全线性强度控制和电子控制接口。SOLA光源不含任何需要更换或校准的部件，不需要日常维护，典型的工作寿命为10年，远远超过任何灯泡。所有SOLA固态光源都不含汞，符合RoHS标准。

SOLA光源系列的光谱输出与SOLA实物图