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目前固态光合细胞工厂（SSPCFs）缺乏原位非侵入式监测方法。研究人员利用高光谱成像技术监测纳米纤维素基质中固定化集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）生长及潜在应激。该技术能有效估算叶绿素 a 含量，有望用于监测 SSPCFs 生产等。
在科技飞速发展的今天，生物制造领域正不断探索更加绿色、高效的生产方式。固态光合细胞工厂（SSPCFs）作为一种极具潜力的可持续化学品制造平台，有望在未来的工业生产中大放异彩。它借助光合微生物，如微藻和蓝藻，利用光能将二氧化碳转化为各种有用的化学品，为实现可持续发展提供了新的可能。然而，这一前沿技术在发展过程中遇到了阻碍。现有的监测方法无法对固定化在基质中的细胞进行原位非侵入式监测，这就好比在黑暗中摸索，难以对生产过程进行精准把控，限制了 SSPCFs 向工业化环境迈进的步伐。
为了解决这一难题，来自国外的研究人员开启了一场充满挑战的科研之旅。他们的研究聚焦于如何实现对 SSPCFs 中固定化细胞的非侵入式监测，旨在为这一新兴技术的发展扫除障碍。经过不懈努力，研究取得了重要突破，相关成果发表在《Algal Research》上。
研究人员主要运用了高光谱成像技术。该技术能够获取特定光谱范围内的图像信息，通过分析不同物质对光的吸收差异，实现对研究对象的监测。在实验中，研究人员将其应用于光合有效辐射范围（400 - 700nm），对固定化细胞进行观测。同时，他们培养了野生型集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803），并将其固定在纳米纤维素水凝胶基质中开展实验研究。
蓝藻生长条件的研究
研究人员将野生型集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）置于 BG - 11 生长培养基中培养，并用 5mM 4 - (2 - 羟乙基)-1 - 哌嗪乙磺酸（HEPES）-NaOH 缓冲液维持培养基 pH 在 7.5。实验从集胞藻的对数期开始，此时其在 750nm 处的光密度（OD750）低于 0.1。这一生长条件的设定为后续实验的开展奠定了基础，确保实验结果的准确性和可靠性。
高光谱成像监测固定化蓝藻
研究人员利用便携式高光谱相机对固定在纳米纤维素水凝胶（TCNF）中的集胞藻进行成像。通过收集图像像素的吸光度光谱，实现了对整个固定化基质区域内细胞的同步监测。从获取的图像中，能够观察到集胞藻全细胞吸光度光谱的典型特征，这为后续分析提供了关键的数据支持。
光谱变化影响因素及叶绿素 a 校准
研究人员系统地研究了 2,2,6,6 - 四甲基哌啶 1 - 氧基（TEMPO）氧化纤维素纳米纤维水凝胶厚度、固定化集胞藻细胞密度和时间对固定化细胞吸光度光谱的影响。结果发现，时间和凝胶厚度共同解释了近 80% 的光谱变化。随后，研究人员对成像光谱进行校准，使其能够用于非侵入式估算基质中健康细胞的生长情况，即通过与叶绿素 a 浓度建立关联，实现对细胞生长的量化监测。
叶绿素 a 浓度的相关性及空间差异分析
研究发现，无论基质中随时间产生何种空间差异，高光谱成像与甲醇提取样本的分光光度法参考值之间，在叶绿素 a 浓度方面存在良好的相关性（模型决定系数 R2=0.90）。通过对图像像素进行聚类分析，能够从整个基质区域非侵入式地分析叶绿素 a 浓度的空间差异。这一结果为深入了解固定化细胞在基质中的生长分布情况提供了有力手段。
研究成功展示了一种非侵入式监测纳米纤维素固定化集胞藻细胞生长和潜在应激的方法。通过高光谱成像技术，实现了对细胞色素（叶绿素 a、藻蓝蛋白和类胡萝卜素）吸光度时空特征的监测。这一成果意义重大，为未来实现对连续运行的固态光合细胞工厂生产任务的在线监测提供了可能，有望推动 SSPCFs 在生物智能化学品生产领域的广泛应用，为可持续发展的生物制造产业注入新的活力，助力其摆脱传统监测方法的束缚，迈向更加高效、精准的发展阶段。
