考虑细胞形态的小球藻光散射特性模拟_马春阳

ｉ
，
？
ｃ ｏｍ
ｐａ ｒ ｅ ｄｔ ｏ ｔ ｈｅ ｃａ ｓｅ ｗ
ｇ
ｔ
ｈ ｏ ｕｔ ｎ ｕｃ ｌｅ ｕｓ ｔｈ ｅ ｅ ｘｔ ｎｃ ｔ ｏ ｎ ｃ ｒ ｏ ｓｓ ｓ ｅｃ ｔ ｏ ｎｏ ｆ ｔｈ ｅ ｃ ａ ｓ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｎ ｕｃ ｌｅ ｕｓ ｉ ｓ ｓｉ ｇ
ｔ
ｈｅｃ ｅｌ ｌ ｍ ｏ ｒ
ｐ
ｈｏ ｌ ｏ
ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｌｏ ｒ ｅｌ ｌ ａ ａ ｎｄ ａ ｐｐ ｌｉ ｅ ｄｔ ｈ ｅ ｄｉ ｓ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｄ ｉ ｐ ｏ ｌｅ ａ ｐｐ ｒ ｏ ｘｉ ｍａ ｔ ｉ ｏｎ （ Ｄ Ｄ Ａ ） ｔ ｏ ｓ ｉｍｕ ｌ ａ ｔｅ
，
可在 海水 度
ｃｏ ２
、
废水中生 长
，
且 可 从 固 定 源 排 放 的 高 浓 射 特 性 也不 能 揭 示 微 藻 细 胞 对 光 的 吸 收机 制 对 微
。
，
中 回 收 碳 元素 等 优 点
因 而 被 认为 是
Ｗ
。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一
种 极 藻 细 胞 进 行 直 接建 模
，
然后 基 于 电 磁 散射 理论 来获
第
３６
卷第 年 １
１１
期 工
程
热
物
理
学
报 Ｖ
〇Ｌ ３ ６
，
Ｎａ ｌ ｌ
２０ １ ５
２０ １ ５
１
月 Ｊ Ｏ Ｕ ＲＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ ＥＥ ＲＩ Ｎ Ｇ Ｔ ＨＥＲ Ｍ Ｏ Ｐ Ｈ Ｙ Ｓ Ｉ Ｃ Ｓ Ｎｏ ｖ
． ，
考 虑 细 胞 形 态 的 小 球 藻 光 散 射 特 性 模拟
摘
要
一
，
，
，
，
（
）
光 散 射 特性 进 行 了 模 拟
细 胞 形态 近
，
，
。
与 理想 的 光 滑 球 细 胞 模型 相 比
。
分 析 了 细 胞 核 以 及 细 胞粒径 对 散射 特 性 的 影 响 结 果 表 明 高斯 随机 球 模 型 更 接近 小 球 藻 的 实 际 表 面 随 机 起 伏 的 高 斯 随 机 球 模 型 的 散 射相 函 数 总 体 趋 势 与 光 滑 球 细 胞 模 型 相
。
，
，
射 研 究 方面 还 较 少
。
早期 的
一
些 研 究 中 将 生 物 细 胞 建模进 行光 散射 特 性分析
２ ３
， ［
。
近 似 为 球 状或 多 层 球 模 型进 行 分 析
１ ，
指 出 前 向 本 文 基 于 高 斯 随机 球 模 型 对 小 球 藻 的 细 胞 形 态
，
ｉ
ｔ
ｏ ｔ ｈｅ ｍ ｏ ｒ ｐｈ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃｈ ｌ ｏ ｒ ｅｌ ｌ ａ
Ａ ｓ ｃ ｏ ｍ ｐａ ｒ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔｈ ｅ
ｃ ｈ ａｓ ｔ
ｉ
ｉ
ｄ ｅａ ｌ ｓ ｐ ｈｅ ｒ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｈｅ ｄ
ｓ ｔｒ ｉ ｂ
ｕｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔｈ ｅ
研 究对 比 不 同 形 态的 单 个 细 胞 的 光
些研 究
但散 射 特性
，
分析 细 胞 形 态 以 及 细 胞 核 尺 寸对 散射 特
２ 〇 １ ３０９ ４
ｅｄ ｕ ｃ ｎ
．
２ ０ １５
－
０２
－
１ １
；
修订日 期
－
：
２０ １ ５
－
ＫＭ ９
．
基 金 项 目 国 家 自 然科 学基 金资 助 项 目 Ｎｏ ５ ２ ７ ６ 〇 ５ Ｎ ｏ Ｊ ｍ Ｏ Ｏ ４ 中 央 高 校 基 本 科 研 业务 费 专 项 资 助 Ｎｏ ｍ Ｔ Ｎ Ｓ Ｒ Ｆ 作 者简 介 马 春 阳 ９ ９ ０ 男 博 士 研 究 生 从 事 微 藻 辐 射特 性研 究 通 信 作者 赵 军 明 副 教 授 Ｅｍ ａ ｍ ｚ ｈａｏ ＠ｈ
一
，
并 存 在 细 胞 核
。
ａｆ
二
＋

２
）

（
６
）
等 内 部 细 胞 结构
，
定 突 起结 构
，
此 未 知 的 偶 极 矩 月 通 过求 解 下 面 的 线 性 方 程组 得 到
． ．
时 采 用 统 计 学 的 方 法可 以 使 问 题 变 得 容 易 斯 球 面矢 量 半 径 在 球 坐 标 系 下 表 示 为 假 设 其 满 足 多 变 量 对数 正 态 分 布
ｌ
ａｙ ｓ ａ ｓ ｉ ｇ ｎｉ ｆ ｉ ｃａ ｎｔ ｒ ｏ ｌｅ ｉ ｎ ｔｈ ｅ ｓ ｔｕ ｄｙ ｏ ｆ ｉｔ ｓ ｌ ｉｇ ｈｔ
ｐｐ ｎ ｇ
ｉ
ｅ
ｉ ｆ
ｃ ｉ ｅｎ ｃ
Ｉ ｎｇ ｅ ｎｅｒ ａ ｙ
．
ｔ ｈｅ ｍｏ ｒ ｐ ｈｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏｆ Ｃ ｈｌ ｏ ｒ ｅｌ ｌ ａ ｉｓ ｎｏ ｔ ｓ ｐ ｈｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａｎ ｄ ｔ ｈｅｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｉｎ ｔ ｅｒ ｎａ ｌ
散 射 主 要 受 到 散 射体 体积 的 影 响 光 辐 射 特性 的 实 验测 量方 面 已 有
收稿日 期
：
，
且 细 胞 的 内 部 结 进 行 建 模
。
使 用 离 散偶 极 子 方 法对 小 球 藻 的 散 射 特
，
构 会 影 响 细 胞 光 散射 能 量 的 角 向 分 布
一
目 前 在 微 藻 性 进 行 了 模 拟
，
ｔ
ｈ ｅｂ ａ ｃｋ ｗ ａ ｒ ｄ ｄ
ｒ ｅｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
，
ｈｅ ｓ ｃ ａ ｔｔ ｅ ｒ ｉｎ ｇ ｐ ｈａ ｓ ｅ ｆｕｎ ｃ ｔ ｏｎ
ｔ
ｉ
ｓ ｓ ｍ ｏ
ｏ ｔｈ ｅ ｒ
．
Ａ ｔ ｔ ｈｅ ｓ ａ ｍ ｅ ｃ ｅ
ｌｌ
ｄ ａ ｍ ｅｔ ｅｒ ａｓ
通 过 下 式关 联
ｉ ，
８ ９
，
丨


（
电场条 件 下
。
通 过求 解
（
７
）
式 即 可 得 到 各偶 极 ＋
吸收截 面
的 偶 极矩

得 到 每个 偶 极子 的 偶极 矩 后 便 可 通 过 后
，
０
｛
，
（ ） ／
＝
）
ｆ ｅｘ ｐ ｓ ｛ ９
［
ｐ）
ｙ
］
／
／ ｌ ＋
ａ
２
ｅｒ
１
）
，
ｔ
ｈｅ ｓ ｃ ａｔ ｔ ｅ ｒｉ ｎ ｇ
ｐ ｒ ｏ ｐｅ ｒ ｔ
ｉ
ｅ ｓ ｏ ｆ
Ｃ ｈｌ ｏ ｒ ｅ
．
ｌｌ
ａ
．
Ｔ ｈｅ
ｌ
ｉ
ｎ ｆｌ ｕ ｅｎ ｃｅｓ ｏ ｆ ｃ ｅｌ ｌ ｎ ｕｃ ｌ ｅ ｕｓ ａｎｄ ｃ ｅ ｌ ｌ ｄｉ ａ ｍ ｅ ｔ ｅｒ ｏ ｎ ｃ ｅｌ ｌ ｓ ｔ ｏ ｃ ｈ ａｓ
ｔｉ ｃ
ｓ ｃ ａｔｔ ｅ ｒ ｉ ｎｇ ｐｒ
ｏ ｐｅ ｒ ｔ ｉｅ ｓ ａｒ ｅ ａ ｎａ ｌ ｙｚ ｅ ｄ
．
Ｔ ｈｅ ｒｅ ｓ ｕ
ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｔ ｈａ ｔ
，
Ｇ ａｕ ｓ ｓ
，
ｉ
ａｎ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ｍｏ ｒ ｅ ｃ ｌｏ ｓ ｅ
：
（
ｌ
ｌ
，
ｉ
）
；
（
．
．
Ｉ
．
）
：
（
１
）
，
，
，
。
：
，
ｉｌ
：
，
ｊ
ｉ
ｔ
．
２４ ３ ８
工
程
热
物
理
学
报 ３ ６ 卷
性 的 影 响 其 中
。
，
＆
为 偶 极子极 化 率 极 化 率
。
％
和介 电 函数
ｑ
１
高斯 随 机球 面
Ｍ
小球藻 细胞
一
般 为 非 理 想 球形
同 时表 面 存 在
马春阳
（
赵军
明
刘林华
，
姜宝成
哈尔 滨
。
哈 尔 滨 工 业 大 学 能 源 科 学与 工 程学 院
１
５ ０ ００
１ ）
微 藻 的 辐 射 特 性 是研 究 微藻 光 捕 获 效 率 的 非 常 重要 的 基 本 物 性 小 球 藻 细 胞 般 为 非 理 想 球 形 存 在 内 部 结 构 同 时 表 面 存 在 突 起 结 构 本 文 基 于 随 机 高 斯 球 模 型对小 球 藻 细 胞形 态 进 行 建模 使 用 离 散偶 极 子 方 法 Ｄ ＤＡ 对 小 球 藻 的
ｓ ｔ ｒｕ ｃ ｔ
ｕ ｒ ｅｓ ａｓ ｗ ｅｌ ｌ ａ ｓ ｓ ｕ ｒ ｆａ ｃ ｅ ｒ ｏ ｕ
ｇ ｈｎ ｅ ｓｓ
．
Ｔｈ
ｉ
ｓ
ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｕ ｓ ｅｄ ｔ
ｈ ｅ ｓ ｔ ｏ ｃ ｈ ａ ｓｔ ｉ ｃ Ｇ ａ ｕｓ ｓ ｉ ａｎ ｓ
ｐ ｈｅ ｒ ｅ ｔｏ ｍ ｏ ｄ ｅｌ
，
ｉ
ｉ
ｉ
ｎ ｆ ｉ ｃ ａ ｎｔ ｌ ｙ ｌ ａ ｒ
ｉ
ｅ ｒ ｔｈ ａ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆｏ ｒ ｍｅ ｒ
ｃ
，

ｂｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｓ ｏ ｒｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｈｅｒ ｅ
；

ｃｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃｔｉ ｏｎ ｏ ｆ
ｃ ｈｌ ｏ ｒ ｅ ｌ ａ
ｌ

ｔ
ｈｅ ｔ ｗｏ ｃ ａｓ ｅ ｓ
。
： ，
但 其 散 射相 函 数 后 向 部分 更 加 平 滑
。
在 相 同 粒 径下
，
考虑 细 胞 核 与 忽 略 细 胞 核相 比
，
前 者 的 衰 减 截 面 显 著 大 于 后者
，
但 吸 收 截 面 没有 明 显 差 别 关键 词
高 斯 随机 球 模 型
：
；
微藻
；
小 球藻
：
；
光 散射 特 性
ｓ
（
，
因 此 本
。
文 采 用 高斯 随 机球 面 的 方 法 去 模 拟 细 胞 的 形 态
ｆ ＝ Ｆ
（
高
妁
，
？
ｒ
Ｇ
０
，

Ｉｔ
＾
＇
１
一
ｌ
］
Ｐｊ
＝
Ｅ ＊
ｔ
，
ｊ
ｅ
ｌ
，
＂
＇
，
ｉ
Ｖ

？
（
）

？
相应 的 对 数 半 径
Ｉ
％ ＿ 題 錄
。
’
６？
，
々
）
满 足 正 态 分布
ｒ
，
，
具 潜 力 的 可大 规 模 制 备 生 物 柴 油 的 原 料
一
得 其散 射 特性 可 以 更好 的 了 解微 藻 细 胞 对 光 的
、
。 。
一
吸
对 微藻 光捕 获 效 率 的 研 究 依 赖 于 微藻 的 光 辐 射收 散 射作 用 目 前 这 方面 的工 作 还 鲜 有 报道 小 球 粒 几 特 性 相 比 于 般 子 生 物 细 胞 粒 子对 光 线 的 散 藻 是 类 何 结构 相对 简单 的 微 藻藻 种 便于 直接
ｎｇ
Ｍ Ａ Ｃ ｈｕ ｎ Ｙａｎｇ Ｚ Ｈ Ａ Ｏ Ｊ ｕｎ Ｍ
－
ｉ
Ｌ
Ｉ
Ｕ Ｌ
ｉ
ｎ
－
Ｈｕ ａ Ｊ Ｉ Ａ Ｎ Ｇ Ｂ ａ ｏ Ｃ ｈ ｅｎｇ
－
（
Ｓ ｃｈ ｏｏ ｌ ｏ ｆ

Ｅ ｎｅ ｒｇｙ

Ｓｃ
ｉ
ｅ ｎ ｃｅ ａｎ ｄ
Ｅ ｎｇ
ｉ
ｎ ｅ ｅｒ ｉ ｎ
ｇ Ｈａｒ ｂ ｉ ｎ Ｉｎ ｓｔ ｉ ｔ
〇
前
言
自 养 过 程 合成 大 量 油 脂
、
，
微 藻 可通 过光
，
与 传 统 测 量 时
，
一
般 针对 大量 微藻 细 胞 而 获 得 的 平均 辐 射特
油 料 植 物 相 比 其 具有 光 合 效率 高
生 长 周 期短 并 性
，
基 于 测 量结果 不 能 准 确 了 解 微 藻 细 胞 个体 的 辐
ｂｕ ｔ ａ ｔ
ｓ ｃ ａ ｔｔ ｅ ｒ ｉｎ
ｇ ｐｈ ａ ｓ ｅ ｆｕｎ ｃｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓ ｔｏ
ｉ
ｃ
Ｇ ａｕｓ ｓ
ｉ
ａ ｎ ｓ ｐｈ ｅｒ ｅ ｇ ｅｎ ｅ ｒ ａｌ ｌ ｙ ｓ ｈｏ ｗｓ ｓ ｉｍ ｉｌ ａ ｒ ｔｒ ｅ ｎｄ
ｉ ｉ

ｓ ｈｏ ｗ
ｌｉ
ｔｔ
ｌ
ｅ ｄｉ ｆ ｆｅｒ ｅｎ ｃ ｅ
．
Ｋ ｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ ｓ ｔｏ ｃｈ ａｓ
ｔ
ｉ
ａ ｕ ｓ ｓ ｉ ａ ｎ ｓ ｇ

ｍ
ｉ
ｃｒ ｏ ａ ｌ
ｇａｅ
，
；

ｌｉ
ｇ ｈ ｔ ｓｃ ａ ｔ ｔ ｅｒ ｉ ｎｇ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔｉ ｅ ｓ
处 理 获 得 散射 电 场 分 布
，
ｕ ｔ ｅ ｏｆ
Ｔ ｅｃ ｈｎ ｏ
ｌ
ｏ
ｇｙ Ｈａｒ ｂｉ ｎ １ ５ ０ ０ ０ １
，
，
Ｃｈ
ｉ
ｎａ
）
Ａ ｂｓｔ ｒａ ｃ ｔ Ｔ ｈｅ ｒ ａｄ
ｔ ｒａ
ｉ
ａ ｔｉ ｖｅ ｐｒ ｏ ｐ ｅｒ ｔ ｉ ｅｓ ｏ ｆ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｅ
ｌ
，
ｐ
Ａ文 章 编 号
：
中 图 分 类号
Ｔ Ｋ １ ２ ３ 文 献 标识码
０２５３
－
２３ ｌ
Ｘ
（
２０ １ ５
）
ｌ ｌ
－
２ ４３ ７
－
０４
Ｉｎ ｆ ｌｕ ｅ ｎｃ ｅ ｏ ｆ
Ｃ ｅｌ
－
ｌ
Ｍｏ ｒ ｐ ｈ ｏ
ｌ
ｏ
ｇ ｙ ｏｎ Ｓ ｃ ａｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ａｌ ｇ ａｅ