不同放大倍率下硅藻壳电子显微镜图像的迷你图谱

作者： 

Alexey I. Salimon、Philipp V. Sapozhnikov、Joris Everaerts、Olga Yu。Kalinina,Cyril Besnard,Chrysanthi Papadaki,Julijana Cvjetinovic,Eugene S. Statnik,Yuliya Kan,Patrick Aggrey,Vladimir Kalyaev,Maria Lukashova,Pavel Somov,Alexander M. Korsunsky

1. 简介

一个多世纪以来，人类一直对硅藻壳的复杂结构着迷。图1包含了恩斯特-海克尔在1899-1904年出版的《Kunstformen der Natur》[1]中的图版复制。Haeckel以手绘作为制作雕版的基础，其方式类似于Hooke在准备他的Micrographia论文时使用的方式[2]。最近的一个例子是Tsoy和Obrezkova在2017年出版的《Atlas》，试图对这一大类在相当大的区域内流行的物种进行分类[3]，其中主要使用了光学显微镜的照片图像。

图1.左图 - 恩斯特-海克尔《Kunstformen der Natur》的封面页。右图 - 专门介绍硅藻类的第84版。

硅藻壳的整齐层次结构所带来的审美满足不应分散材料科学家对新的特殊应用的探索，而不是硅藻土的普遍认可，如啤酒厂的过滤和隔热。硬蛋白石阀板中有序不连续的精细结构（ru晕，整合成条纹的肺泡）表明光子晶体行为具有特定的光学指纹[4]。现代电子、离子和X射线显微镜技术允许对小到几分之一微米的壳结构进行超分辨率成像。而电子显微镜可以获得明显的纳米结构的投影图像（二维）[5]，也可以利用电子透明性来观察硅藻壳的内部内容，例如黄铁矿框架包合物[6]。X射线纳米层析成像技术的发展为三维可视化硅藻壳的结构提供了可能[7]。随着能够将数字数据集转化为固体结构的多功能三维打印能力的出现，制造硅藻类生物仿生物体已成为可能[8]。

2.SEM表征

硅藻（图2—图16）是由水合有机物（多糖体、蛋白质、脂肪种类、叶绿体等）和矿物硅成分构成的物体，造成了充电效应，但在适当的样品制备后，还是适合进行扫描研究。在SEM室的真空条件下，需要适当的热空气干燥（图2—图16）和/或用强酸清洗（图11）。当低真空和低电压（3-5千伏）制度不允许达到高分辨率时，就采用金属溅射（图5、图6、图9右、12、14-16）。

图2.左图 - Sellaphora confundans。右图 - Placoneis cf. constan，来自贝加尔湖等淡水的移动性笔形硅藻，底栖形式。

图3.左图 - Amphora cf. fogediana，两个壳 "valvae"（阀门）都位于同一侧（腹部）。右图 - Skabitschewskia cf. circumradians，从内部看阀门。这些是来自贝加尔湖等淡水的附生硅藻，底栖形式。

图4.左图 - Aneumastus munge.右图 - 中心右侧的甲壳放大片段，可见不同类型的孔和一个缝隙（"raphe"），用于运动。本种是来自贝加尔湖等淡水中的移动性笔状硅藻，属于底栖型。

图5.左图 - 硅藻Triblionella hungarica的瓣膜中央部分的碎片：肋骨上可见许多 "ru状头"，用于将有机层固定在叶子上，从内部衬托出果壳 - "diatothepum" 。右图：放大后的一排小孔之间的肋骨上的 "ru状头"。本种是在波罗的海的沙地上获得的。

图6.左图：底栖附生硅藻Halamphora coffeaeformis，从腹侧看壳：两瓣都可见。右图--瓣膜碎片与第一腰缘交界处的放大图（"copula"）。瓣膜增加了细胞的表面积。本种是在阿拉伯海的沙质沿岸获得的。

图7.Halamphora属的两种不同种类的硅藻，生长在纯硅（Si）的粗糙表面。左图--从背侧看甲壳，可见许多桡骨。右图--从腹侧看甲壳，两个瓣膜都是可见的。

图8.Halamphora属的硅藻，附着在纯硅（Si）板的粗糙表面上。左图 - 从背侧看甲壳。右图--甲壳 "背面 "中央部分的放大图；在插入的边缘（copulas）上有复杂的孔。

图9.左图 - 硅藻Amphora cf. salinicola在粗糙的硅基质上的甲壳，腹面朝上。一排排的孔洞清晰可见。右图-硅藻Cocconeis pediculus年轻的、未完全形成的瓣膜（上部--"epivalva"）的壳，引领着一种附加的生活方式。复杂的壳室是可见的，还没有被 "绒毛"（硅膜）覆盖。

图10.生长在光滑硅（Si）片上的三种硅藻的壳。Nitzschia sp. - 顶部，Achnanthidium sp. - 中间，Neidium sp. - 图片底部。右图 - Nitzschia sp. 瓣膜内表面的一个片段的高倍放大图：管状缝合结构（raphe）和由肋骨分隔的一排小孔。

图11.左图 - 硅藻Gomphonema parvulum的甲壳，广泛存在于温带流动的新鲜水库中，拥有紧凑和耐用的甲壳，有稀疏的小孔排，形成丰富的分支殖民地。硅藻细胞位于薄的聚合物分支的末端。采集于斯科尔科沃游泳池。右边 - 殖民型硅藻Cymbella sp.的壳，形成广泛的定居点，每个细胞都坐在单独的聚合物链接上。这两种类型都可用于人工培养原料以获得硅藻粉。

图12.咸水水库底部的各种硅藻的结壳，适应生活在坚硬表面。左上和右上 - Licmophora cf. ehrenbergii。左下 - Cocconeis pediculus的下瓣。右下 - Rhopalodia musculus的壳。散落在图像背景中的小瓣膜--殖民硅藻Staurosira venter的瓣膜。

图13.中心型硅藻的甲壳细节。左图 - Thalassiosira sp.瓣膜的中心区域。 右图 - Aulacoseira sp.的 "紧固 "装置，将细胞连接成链状群落。

图14.左图 - 南极湖泊的浅水淡水硅藻Psammothidium abundans的壳的下瓣。右图--南极岛屿沿海地区的Psammothidium confusoneglectum壳的下瓣，过着依附的生活。这些硅藻的甲壳被一排排的小孔穿透，每个小孔都是薄薄的硅膜上紧凑的小孔群（poroids）。

图15.左图--非活性硅藻Halamphora sp.的果壳腹侧--可见两个瓣膜，每个瓣膜都有一个剑突裂缝。右图 - 无缝硅藻Martyana schulzii的瓣膜内视图：甲壳被一排排非常小的孔洞所贯穿。

图16.底栖硅藻Campyloneis grevillei的一个年轻的、未完全形成的瓣膜，过着依附的生活，生活在海里的大型藻类的鳞片上。在瓣膜形成的这一阶段，"迷宫式 "的腔室排列清晰可见，这些腔室以一个孔洞开在甲壳的内表面，而在外表面则有一整片的小孔。这样的孔器装置，首先，为硅藻细胞所需的介质成分提供了更有序的过滤。其次，由于阀门内部空间的这种结构，甲壳是非常顺畅的。

3.硅藻壳的图像

主要是笔状硅藻，拥有纳米大小的孔隙阵列，分层组织成直线（图5，图10）或曲线（图2右，9右，12左）带。中心硅藻（图13）显示非圆形孔的准周期二维和螺旋三维秩序。具有内部层次的直线和曲线孔纹的复杂组合（图4右、8右、16）构成独特的空间指纹。

4.结论性意见

现代数字图像识别提供了一种选择，即访问存储的硅藻数字图像（分类图集）来识别相似性和差异性，也可以随后使用图集来进行合理的分类。这可以在机器学习方法的帮助下特别有效地完成；然而，众所周知，这些方法需要大量的数据集，因此必须首先建立硅藻壳形式库。本出版物为这一努力提供了我们微薄的贡献。聚合物、矿物和工程材料物体的引导定植被视为一种方式，用具有特定指纹的不可见的高度个体标记物标记其表面，以及用于NEMS和MEMS的结构（外壳或执行器），如能够在特征频率下检测特定外部激励模式的振荡器或振动传感器。