海洋微生物偏振光散射的双组分模型.pdf

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1、第33卷第6期2011年11月海洋学报ACTAoCEANOI。0GICASINICAVoL33．No．6November2011海洋微生物偏振光散射的双组分模型廖然1，马辉1’2’(1．清华大学深圳研究生院光学检测与成像实验室，广东深圳518055；2．清华大学物理系，北京100084)摘要：光学散射方法被广泛用于获取海洋微生物的形态和浓度信息。通过测量散射光的空间分布可以测量海洋微生物的形态和浓度；而最近发现，散射光的偏振特征却对细胞内部亚微米级散射颗粒更加敏感。把海洋微生物等效为粒径远大于入射波长的“米氏”粒子和远小于入射波长的“瑞利

2、”粒子的混合体，以两种不同粒径的实心球作为微生物偏振光散射模型。利用蒙特卡洛模拟方法证明：散射光强的空间分布和偏振特征分别由米氏和瑞利散射成分决定。因此，测量散射光强分布只能获得微生物自身和其细胞核等“大”散射颗粒的粒径和浓度，而散射光偏振特征主要受到微生物内部亚微米细胞器等“小”散射颗粒的影响。关键字：海洋微生物，粒径，偏振光，散射中图分类号：Q93文献标志码：A文章编号：0253—4193(2011)一06—0079—061引言海洋微生物是重要的初级生产者，贡献地球上70％的营养物质和50％的氧，是全球和局部生态系统的至关重要组成部分

3、，了解海洋微生物的种类和分布对于研究全球初级生产力和气候变化具有重要意义[1q】。利用光散射方法测量不同种类海洋微生物的粒径分布，是鉴别海洋微生物的种类，并了解其分布的重要实验方法。由于光学散射方法具有装置相对简单、快速、非损伤、可以进行实时测量的特点，已经在遥感‘3-4]、船载Ⅲ或实验室L61等不同条件下用于测量海洋微生物的种群分布。典型的光散射测量方法通过观测散射光的空间分布特征，根据散射理论反演计算获得海洋微生物的几何参数，如平均粒径[．0-83。这种方法已经十分成熟，经常被应用在海洋和陆地环境中各种微生物和其他粒子的分类测量，如血

4、球分类。最近，接连有人报道将偏振光散射方法用于微生物测量心’9叫1。，例如Zugger等人研究了五种藻类的平行和垂直两种偏振分量之比随散射角的分布，发现了藻的内部细胞器对散射光偏振分布的影响较大[9]。Volten等人研究了海洋藻类的偏振散射光随散射角的分布，发现粒径比波长小的气泡对线偏振度的影响比细胞要大[I“。另外，Hielscher等人在研究酵母细胞和动物细胞的偏振散射特性时，发现粒径小于波长的细胞器对偏振散射特性的影响最大[11。。在这些研究中作者大都发现：偏振光散射测量不能够测得细胞本身的粒径分布，而对细胞内部的细胞器更加敏感。

5、在本文中，我们建立了一个双组分各向同性散射模型，将海洋微生物近似视为两种不同粒径实心球散射颗粒组成的多分散散射介质，其中微生物细胞本身或其细胞核的粒径大于入射光波长，可视为米氏散射粒子，而细胞内很多细胞器粒径小于波长，可视为瑞利散射粒子。我们采用偏振敏感蒙特卡罗模拟方法，考察此类多分散实心球散射体系前向散收稿日期：2011—01一】4}修订日期：201l-05—18。基金项目：国家自然科学基金项目(60778044。10974114)；中国博士后科学基金项目(20100480272)支持。作者简介：廖然(1981一)，男，湖北省荆州市人，

6、博士，从事光学散射在生物组织成像和海洋微生物检测中的应用研究。E—mail；liao．ran@5z．tsinghua．edu．cn*通信作者：马辉，教授、博导，从事基于散射的光学检测与成像研究。E—mail：mahui@tsinghua．edu．cn。80海洋学报33卷射的光强分布和偏振特征，研究不同粒径散射颗粒对偏振光散射光强分布和偏振度的不同影响，发现：测量散射光强的空问分布，只可以获得细胞等米氏粒子的信息；而测量散射光的偏振特征，主要得到细胞内部细胞器等瑞利粒子的信息。2方法2．1散射模型我们将大量海洋微生物等价为包含不同粒径散射颗

7、粒的多分散各向同性散射体系。最简单的是双组分球形散射体”““。微生物细胞和内部细胞核的粒径往往大于入射光波长，可视为米氏散射粒子，而细胞内很多细胞器的粒径小于波长，可视为瑞利散射粒子。本文中．我们采用波长为0．65“m的光源，两种粒子的直径分别选为人射波艮的3倍和1／3，即2．0g．m和0．2pm的实心球，散射颗粒的折射率取为1．4，周边介质折射率为1．33⋯。J。散射样品厚度为1em，散射系数均取10cm1。我们研究了三种情形：散射体只有米氏散射粒子(大粒子单组分)．散射体只有瑞利散射粒子(小粒子单组分)，散射体由米氏散射粒子与瑞利散射

8、粒子按散射系数以1：1配比(双组分)。2．2蒙特卡罗模拟程序本文所采用的蒙特卡罗模拟程序已被应用于研究光在浑浊介质中的散射问题¨4“⋯，其可靠性经过针对多种生物组织样品和仿体、以及不同测量方法