研究背景
植物胁迫会引起叶片细胞结构和色素组成的改变，但现有检测方法难以兼顾无损分析、组织分层与光谱表征。传统视觉和RGB成像灵敏度有限，生化与分子检测具有破坏性，常规高光谱成像缺乏深层结构信息，而高分辨率显微技术又难以同步获取连续光谱。因此，亟需构建兼具高空间分辨率、高光谱分辨率和光学层析能力的成像平台，实现完整叶片结构与色素变化的同步、分层和无损检测。
近日，新加坡南洋理工大学与曼尼帕尔高等教育学院曼尼帕尔理工学院的研究人员开发了一套结构光照明高光谱显微镜。该系统将结构光照明显微成像的光学层析能力与高光谱成像的精细光谱识别能力结合，可对完整叶片开展分层、无损的结构与色素表征。相关成果发表于《Information Processing in Agriculture》。
图1.结构光照明高光谱显微镜实验方案。
研究方法
研究团队构建了结构光照明高光谱显微镜（SIHM），以超连续谱激光器为光源，通过空间光调制器生成不同方向和相位的正弦结构光，并利用Resonon Pika XC2高光谱成像仪采集叶片图像，经光学切片算法重建获得具有深度分辨能力的高光谱图像。研究以野胡椒叶片为对象，分别对上表皮、叶肉和下表皮进行分层成像，并采集健康、黄化和坏死区域的高光谱数据，结合线性光谱解混和NDVI分析，比较不同组织层及健康状态下的结构特征与色素分布。
Resonon Pika XC2光谱参数：
光谱范围：400-1000 nm；
空间通道数：1600；
Bin光谱通道数：447；
光谱分辨率：1.9 nm；
图2.图a)和b)分别使用传统高光谱显微镜和SIHM（波长λ = 640 nm）在z = 70 μm处对叶肉组织进行成像。比例尺代表40 μm。
图3.叶片不同深度处的SIHM图像。
图4.利用开发的SIHM记录了a)健康叶片、b)黄化叶片和c)坏死叶片样本区域的高光谱数据立方体。d)从健康、黄化和坏死区域提取的反射光谱。
图5.波长λ = 640 nm的SIHM图像。a) 健康叶片样本；b) 黄化叶片样本。c) 健康叶片样本和d) 黄化叶片样本的光谱分离图像（黄色代表木质素，蓝色代表叶绿素）。e) 健康叶片样本和f) 黄化叶片样本的NDVI图。
图6.波长λ = 640 nm的SIHM图像。a) 健康叶片样本；b) 坏死叶片样本。c) 健康叶片样本和d) 坏死叶片样本的光谱分离图像（黄色代表木质素，蓝色代表叶绿素）。e) 健康叶片样本和f) 坏死叶片样本的NDVI图。
研究结果
1. SIHM的光谱分辨率达到1.3 nm，最高空间分辨率约为586 nm；在640 nm处，其横向分辨率较理论衍射极限提高约17.4%。
2. 系统的光学切片厚度为5.2±0.2 μm，光学切片能力约为常规高光谱成像的5倍。与常规高光谱显微成像相比，SIHM的图像对比度提高约43%，信号背景比提升近1.9倍。
3. SIHM成功获得了野胡椒叶片上表皮、叶肉和下表皮的分层图像，清晰呈现了不同组织层的结构特征与光谱差异，并实现了叶肉层中叶绿素和类胡萝卜素的空间分布表征。
4. 健康、黄化和坏死叶片表现出明显不同的光谱响应。光谱解混与NDVI结果均显示，黄化叶片的叶绿素含量低于健康叶片，坏死区域的叶绿素损失更为显著，表明SIHM能够在微观尺度识别叶片结构与色素组成的变化。
结语
本研究通过融合结构光照明与高光谱成像，实现了完整叶片内部组织结构与色素信息的同步、分层和无损表征，为植物健康诊断提供了新的技术路径。SIHM不仅提高了叶片微观结构的成像质量，还能够识别健康、黄化和坏死组织之间的光谱及叶绿素分布差异。未来，随着信号分离、成像速度和自动分析能力的进一步提升，该技术有望拓展至植物早期胁迫监测、病害识别及高通量表型研究。
发表期刊：Information Processing in Agriculture【影响因子：8.9】
研究单位：南洋理工大学、曼尼帕尔高等教育学院曼尼帕尔理工学院
使用设备：Resonon Pika XC2高光谱成像仪
DOI：https://doi.org/10.1016/j.inpa.2026.07.001