微藻作為一類重要的生物資源，不僅在水質凈化、生物能源生產、食品和藥品開發等方面具有廣泛應用前景，還在環境監測、生態修復等領域發揮著重要作用。近年來，高光譜成像技術作為一種先進的非接觸式監測手段，逐漸在微藻培養與監測中展現出其獨te的優勢和潛力。
Fluortron多功能高光譜成像系統整合國際技術資源，以其高光譜分辨率和圖像處理能力，在微藻的生理狀態、生物量、種類識別等方面展現出強大的應用潛力。通過捕捉微藻在不同光譜波段的反射或熒光特性，可以實現對微藻生長狀態的高精度監測和快速分析。相較于傳統方法，Fluortron多功能高光譜成像技術具有多功能、非接觸、無損傷、實時性強、信息量豐富等顯著優勢，為微藻培養與監測提供了一種全新的解決方案。
圖1：FluorTron?多功能高光譜成像分析系統（左）、施加不同濃度草甘膦的小球藻液RGB圖片（中）以及靜置16h后不同處理藻液在藍光激發下的光譜曲線
圖2：施加脅迫靜置16h后不同處理藻液在紫光激發下的光譜曲線（左）、藍光激發的熒光指數F685及F685/F740。通過藍色/紫色激光激發后的小球藻光譜曲線可以看出，不同濃度草甘膦脅迫下的藻液曲線有明顯差異；根據熒光指數參數也可以看出0.5%GLY處理的F685與F685/F740zui低，說明該組的光合作用效率zui低，小球藻抑 制效果好。
案例一：使用高光譜成像儀對微藻培養進行非侵入性監測
微藻作為生物燃料、食品添加劑及藥物原料的重要來源，其培養與精確監測對于提高產量與質量至關重要。然而，傳統的監測方法往往存在耗時、破壞樣本等局限。本研究采用高光譜成像儀，結合線性回歸模型與一維卷積神經網絡（1D CNN），對實驗室條件下的微藻培養進行了非侵入性監測。通過捕獲微藻在不同生長階段的光譜圖像，實現了對生物量濃度的準確預測與物種分類。
圖3：實驗室規模實驗中三個綠藻品種不同時間的最值歸一化光譜曲線，垂直線標記最佳指標的位置（左）；生物量濃度估計值與最佳指標之間的線性回歸模型（右）
圖4：工業規模試驗中螺旋藻（Arthrospira platensis）的水槽高光譜數據采集（左），以及使用最佳確定指數（616/587 nm）計算出的指數可視化圖（右），與生物量分布相關
實驗室研究研究表明，高光譜成像技術能夠在不破壞樣本的情況下，快速獲取大量光譜數據。線性回歸模型與1D CNN均表現出良好的預測性能，其中1D CNN不僅預測了生物量濃度，還可以實現對三種綠色微藻的高精度分類。工業規模的初步測試也表明，該技術同樣適用于實際生產中的微藻培養監測。
案例二：水華藍藻的精 準區分
水華藍藻的爆發不僅影響水質，還可能產生有毒物質，對人類健康及水生生態系統構成威脅。因此，實現對水華藍藻的精 準區分與有毒物種的快速識別具有重要意義。本研究利用實驗室條件下的高光譜圖像，結合機器學習算法，對形成水華的藍藻進行了分類與識別。
圖5：(a)高光譜成像圖、(b)含有藍藻生物質的ROI提取、(c)ROI中所有像素的平均VIS/NIR反射光譜（左）；五種藍藻的VIS/NIR光譜反射率平均值，a)僅平均光譜、b)包括標準偏差的平均光譜（右）
圖6：分類模型在訓練、驗證和測試集上的表現
實驗研究表明，高光譜圖像能夠捕捉到藍藻光譜特性的細微差異，為機器學習模型提供了豐富的特征信息。利用機器學習算法在水華藍藻的分類與毒性識別中展現出ji高的準確性，為水華預警與治理提供了科學依據。
未來與展望
多功能高光譜成像技術與機器學習的結合，為微藻培養與水華藍藻監測帶來了革命性的變化。這一技術不僅能夠實現非侵入性、高精度的生物量監測與物種分類，還能有效識別有毒藍藻物種，為環境保護與生物技術的發展提供了強有力的支持。未來，隨著技術的不斷成熟與應用場景的拓展，都功能高光譜成像技術將在更多領域展現出其巨大的潛力和價值。
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易科泰公司長期致力于農業-生態-健康領域，整合國際技術資源，為藻類生物質能源及高通量表型研究領域提供全面解決方案，包括藻類培養、藻類葉綠素熒光與光合作用測量、藻類葉綠素熒光成像分析、藻類培養與在線監測及高通量藻類表型分析等。
圖6：上圖依次為AlgaTech?高通量表型分析平臺、Specim IQ高光譜相機
圖7：上圖依次為AquaPen手持式葉綠素熒光儀、MC1000 8通道藻類培養與在線監測系統、FMT150藻類培養與在線監測系統
參考文獻：
[1] Fournier, Claudia, et al. "Discriminating bloom-forming cyanobacteria using lab-based hyperspectral imagery and machine learning: Validation with toxic species under environmental ranges." Science of the Total Environment 932 (2024): 172741.
[2] P??kk?nen, Salli, et al. "Non-invasive monitoring of microalgae cu ltivations using hyperspectral imager." Journal of Applied Phycology (2024): 1-13.
