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海洋颗粒物的原位细致分类、应用与展望.docx
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海洋颗粒物的原位细致分类、应用与展望.docx
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摘要
海洋中各种微小颗粒物无处不在,它们与海洋物理过程、化学过程、生物和地质沉积等几乎
都有关联,尤其在海洋碳循环中起着不可忽视的作用。但长期以来人们对海洋颗粒物的原位
观测技术,以及对观测数据的细致分类仍不能满足需求。偏振光散射测量对散射颗粒的粒
径、形态和亚细胞层次的微观结构特征十分敏感,测量结果可用于对复杂的海洋颗粒物结构
特征甚至海洋生物的生理状态进行定量表征和细致分类。实现偏振光散射的原位动态监测
已经在海洋环境监测领域展示出诱人的应用潜力。简单介绍海洋颗粒物的检测方法,重点介
绍基于偏振光散射的颗粒物细致分类方法和初步应用,并对其未来的发展方向进行展望。
Abstract
Suspended particles are everywhere in ocean and play important roles in almost all
ocean processes including physics, chemistry, biology and geology deposition, and
ocean carbon cycle in particular. However, for a long time, current technology for in-
situ observation and fine classification of marine micro-particles is still far from
satisfactory. Polarized light scattering measurement is sensitive to the size, morphology,
and subcellular microstructure of suspended particles. The measurement results can be
used for quantitative characterization and fine classification of complex marine particulate
structure characteristics and even the physiological state of marine organisms.
Realizing in-situ dynamic monitoring of polarized light scattering has shown attractive
application potential in the field of marine environmental monitoring. In this paper, we
present a brief summary of current techniques for marine particle detections and a more
detailed introduction on the principle, technique, and applications of polarized light
scattering for the detection and fine classification of marine particles, followed by a
discussion on future prospective of the fields.
1 引言
海洋是一个非常复杂的体系,海洋现象和海洋过程研究涉及物理、化学、生物等各个基础学
科,海洋领域有大量的未知问题需要去研究和探索
[1-2]
。人们利用各种不同原理、不同形式的
探测仪器,在不同条件下提供不同的观测指标,以更好地、更进一步地认识海洋
[3-4]
。海洋颗
粒物广泛地存在于海洋世界,它主要由生物颗粒(颗粒碳)、泥沙、沉积物、微塑料和絮凝物
等组成
[5-7]
。海洋颗粒物几乎参与所有的海洋过程,且在海洋物理过程、化学过程、生物进
化、生态、地质沉积等海洋过程中起到核心作用或充当着关键的交互桥梁,了解不同海洋颗
粒物及其与其他海洋物理、化学和生物观测指标之间纵横交错的关系,对全面了解全球海洋
生态系统具有不可忽视的作用和影响
[8-10]
。目前,人们已经发展了很多种水体颗粒物观测仪
器,能够获得其粒径分布、浓度,甚至来源
[11-12]
。但是,要深入了解和认识海洋颗粒物在生态
系统中所产生的影响,仍然需要详细了解颗粒物种类、组成成分及其时空变化规律
[13]
。因此,
实现海洋颗粒物的细致分类,高精度地实时原位监测区域水体中海洋颗粒物的种类和组成成
分的相对变化,对全球海洋生态系统的相关研究具有重要意义
[14]
。
多年来海洋颗粒物探测技术一直在不断地发展与完善,已经出现了很多种新的、不同类型的
测量方法和仪器。本文首先简要总结国内外关于海洋颗粒物探测技术研究领域的相关进展,
以及不同探测仪器的指标和特点。在基于散射的颗粒物检测方法中,偏振光散射相关技术近
年来发展十分迅速,已展示出一系列突出特点和应用潜力。在国家自然科学基金委员会、科
技部和地方政府的支持下,围绕着偏振光散射与成像方法,特别是海洋颗粒物原位探测和细
致分类开展了长期研究,发展了基于偏振光散射技术的测量方法和系列仪器,研究了偏振光
在介质中的散射传播过程,探索了多种偏振特征提取方法。现有工作显示:偏振光散射测量
技术已经成为一种海洋颗粒物定性和定量表征的新型手段,能够获得悬浮颗粒物丰富的光学
特征、微观结构和生理状态信息,并有望通过与其他观测指标的复合测量与关联分析,提高
现有偏振光散射测量技术的数据精度和应用价值。通过偏振光探测技术的仪器化和应用布
放,初步证实偏振光散射技术具有海洋颗粒物细致分类能力,展示出多种应用前景。本文将
从偏振光散射技术的概念和方法出发,介绍国内外在偏振光散射技术研究领域的前沿进展,
探讨其在海洋颗粒物细分、复合测量和关联分析方面的应用潜力。
2 海洋颗粒物检测技术
水体颗粒物的浓度和粒径分布是研究水体情况非常关键的信息,现有探测方法包括电感应探
测、声学探测和光学探测。电感应探测方法可以灵敏、准确地检测出悬浮颗粒的粒径分布
和数目,其商业化产品已经被广泛使用于悬浮颗粒的计数,如库尔特计数仪
[15]
。声学探测方法
指的是通过声学反演的方法从回波信号中获取水体颗粒物的相关物理特征参数,从而反演出
颗粒物的粒径分布和浓度分布,常用的商业化仪器有声学多普勒流速剖面仪(ADCP)
[16]
。基
于光学原理获得颗粒物数目和粒径分布的方法和仪器有多种,光学显微镜仍是颗粒物离线识
别和细致分类的标准工具。另外,还有一批基于光透射和散射测量的在线观测仪器,如水下
光谱吸收衰减测量仪(AC-S)、现场激光粒度仪 LISST 系列产品、后向散射系数测量仪,以
及浊度计等,都可以对悬浮颗粒物的组成成分进行现场分析和分类
[17-18]
。
光学探测方法具有无损伤、非接触、时空覆盖范围广、获得信息量大等优势,故十分适用于
对海洋颗粒物的探测和细致分类。海洋颗粒物的光学检测方法可以按照不同的探测原理分
为成像、光谱和散射三大类;按照所测量的样本又可以分成体积测量和单颗粒测量。其中,
体积测量指的是对含有单种/多种颗粒物的水体中的所有颗粒物进行整体测量,通过获得平
均指标,进一步反演出水体中颗粒物的性质和组成成分;单颗粒测量指的是测量水体中的单
个颗粒物的光学参数,获得个体颗粒物的物理性质,进而获得颗粒物的种类和浓度等统计信
息。一般而言,单颗粒测量是体积测量的微分形式,体积测量反映了水体中所有颗粒物的平
均效应。现有的常用的海洋颗粒物光学探测方法分类如表 1 所示。
表 1. 基于光学方法的海洋颗粒物探测技术
Table 1. Marine particle detection based on optical methods
Method
Bulk measurement
Individual measurement
Microscopic
Tsinghua University: Mueller matrix
microscope[19]
Holographic
University of Aberdeen: holographic
camera[20]
Flow
Yokogawa Fluid Imaging Technologies:
FlowCam[21]
Imaging
Dark-field
Scripps: Plank camera[22]
Fluorescence
Hitachi: fluorescence
spectrophotometer[23]
Raman
Nicolet: Raman spectrometer[24]
Hyper spectral
Satlantic (Sea-bird): HyperOCR[25]
Spectrum
Satellite
Marine satellite remote sensing[34]
Hach: nephelometer[27]
Wet labs (Sea-bird): AC-S[28]
Wet labs (Sea-bird): ECO BB[29]
Beckman Coulter: flow cytometer[31]
Light
scatteringintensity
Sequoia: LISST[30]
Fluorescence
Waltz: Phyto-PAM[26]
Beckman Coulter: flow cytometer[31]
Scattering
Polarized
lightscattering
Université Paris VI: POLVSM
Tsinghua University: laser polarization
sensor
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海洋颗粒物光学成像方法基本都属于单颗粒测量,如显微镜成像、全息成像、流式成像和暗
场成像等,见表 1。它们能够直观地从图像中观察水体颗粒物的外貌形态特征,并对不同的颗
粒物进行有效分类。显微镜是生物学检测和分类应用最普遍的仪器设备,根据不同的原理可
以分为明场显微镜、暗场显微镜、荧光显微镜和相差显微镜等。不同的显微镜具有不同的
指标和特点,其都可以用于海洋颗粒物的检测与分类。最近出现的缪勒显微镜不仅可以获得
颗粒物的普通光学图像,还可以获得大量亚波长尺度的微观结构特征信息,从而极大地提升
颗粒物定量分类识别的能力
[19]
。另外,还有一些海洋颗粒物专用的成像方法和仪器,如水下全
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