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适用于荧光显微镜的相机

荧光显微镜是一个使用非常广泛的术语,它涵盖许多应用,其中包括从生命科学的基本应用到高度发展成熟的技术,使用特定的高端硬件和软件就可以检测和定位数量极少的光子或单个分子。

在选择适用于荧光显微镜的相机时,既要考虑特定的芯片属性和相机的有关方面,也要考虑科学、医疗或工业领域中所需应用的需求,您需要在这两者之间达到平衡,这一点非常重要。

靶面尺寸和分辨率

当应用在可见的波长范围内工作时,从尺寸、放大倍率和分辨率这三方面来看,荧光显微镜在进行光学设置时要考虑的因素与普通光学显微镜应用并没有明显区别。但是,重要的是要知道使用较大的靶面尺寸(例如F-mount)会导致总成本增加。最常用的镜头接口是C-mount,它能提供非常出色的光学性能,其大多数相关产品和解决方案的价格都较为合理。在开发尺寸较小且成本更低的仪器时,体型较小的S-mount是不错的选择。业界更青睐于使用方形芯片来尽可能采集最多的图像信息。

由于芯片在成像系统中发挥关键的作用,因此在选择芯片时充分考虑特定的性能规格是非常重要的。

CCD、CMOS、sCMOS和BSI

长期以来,CCD芯片在荧光显微镜市场中一直是一项成熟的技术。近年来,虽然CCD芯片仍然适用于高质量的显微镜相机,但是情况已经开始发生变化。较新的CMOS技术日渐流行,在应对科学领域的特殊挑战方面也变得更具竞争力。在噪声水平方面,CMOS技术现在能与传统的CCD芯片相媲美,甚至表现比CCD更出色;同时,新技术还可实现更高的帧速率、分辨率以及满足更低的功耗/散热要求,并且价格更低。

目前,CMOS芯片仍在不断快速发展。一项名为“背照式结构”(BSI)的技术已经进入了工业图像芯片领域。该技术反转了像素结构,将光敏光电二极管直接置于微透镜下,从而显著提高像素的量子效率(图1)。

图1:前照式结构(左图)和背照式结构中的像素(右图)。
图2:彩色相机的像素上有红、绿和蓝色滤光片,因此彩色相机的量子效率会低于黑白相机。此外,彩色相机通常具备的红外截止滤光片还会阻挡约650 - 700 nm以上的光线

黑白或彩色相机

黑白相机由于其量子效率更高,业界青睐于将它用于荧光应用。彩色相机的量子效率低于黑白相机——导致出现这种差异的技术因素在于彩色相机中每个像素上的拜耳微型滤色片只能让特定的波长通过。这种过滤机制是为了使用“去拜耳化”的过程来计算图像的颜色信息。由于滤色片会阻挡一定量的光,因此到达像素的光子反应区域的光子会有所减少。除了芯片上的拜尔滤色片结构外,彩色相机中的红外截止滤光片也起到限制光线通过的作用,因为它还可阻挡约650 - 700 nm以上的光线(图2)。

通常,我们会使用黑白相机在多张单独图像中制作出具有多个荧光标记的图像,以便用于进行特定的检测以及共定位目标分子。通过不同的可选光源和滤光片组,可以为所用的每种荧光基团提供正确的荧光激发和发射波长组合(图3)。

但是,某些应用可能会要求仅使用一台相机在一台仪器内进行彩色成像和荧光处理。如果荧光应用对灵敏度的要求不是太高,这个要求是可以实现的。

图3:市面有售的BPEA(牛肺动脉内皮)细胞培养基的两幅荧光图像,使用配备前照式黑白IMX174 CMOS芯片的Basler MED ace 2.3 MP黑白相机进行拍摄(曝光时间:500 ms DAPI,5 s Alexa Fluor 488,63×放大倍数)。两幅图像显示的是不同的细胞结构(分别是细胞核和纤维状肌动蛋白),然后由软件进行染色和图像合并,并在同一幅图像中显示这两个细胞结构。由Basler AG提供。
图3:市面有售的BPEA(牛肺动脉内皮)细胞培养基的两幅荧光图像,使用配备前照式黑白IMX174 CMOS芯片的Basler MED ace 2.3 MP黑白相机进行拍摄(曝光时间:500 ms DAPI,5 s Alexa Fluor 488,63×放大倍数)。两幅图像显示的是不同的细胞结构(分别是细胞核和纤维状肌动蛋白),然后由软件进行染色和图像合并,并在同一幅图像中显示这两个细胞结构。

全局快门和滚动快门

CCD芯片只有一种快门类型(全局快门),而CMOS芯片具有两种类型:全局快门和滚动快门。能否选择正确的芯片会对成像质量带来重大的影响,在目标物体会移动时尤为如此。在滚动快门芯片中,像素是逐行进行曝光的。因此,在接连的两行像素采集图像的间隔时间内,如果物体改变了位置,那么采集到的两个像素行就会产生图像偏斜的现象,造成图像的空间结构失真。但是,滚动快门芯片有一个技术优势:由于其像素中的电子部件较少,因此在读取过程中的噪声更低。与之不同的是,全局快门芯片会同时对所有像素进行曝光。在这种情况下,不同像素行的曝光之间不存在时间差,因此在物体移动时就不会导致空间结构失真。

灵敏度和动态范围

在仔细研究图像的成像质量之前,非常重要的一点是要先确保系统有足够的灵敏度来采集荧光信号。根据不同应用的实际情况,荧光信号的强度可能非常弱。我们应将灵敏度理解为要生成能与噪声区分开来的信号所需要的最小光量。量子效率(QE)是一个重要的数值,它描述来自光源的入射光子数量与像素所生成的电子数量之间的比值。这个比值取决于波长,为了获得最佳效果,特定芯片的光谱应与应用中荧光基团的发光光谱保持一致。量子效率越高,所产生光子的数量越多,使得曝光时间可以相应缩短,那么荧光基团被光漂白的几率就越低,并且还可能提高整体的成像速度。

通常,光源具有一系列广泛的光线强度也是有益处的,这样通过一次曝光就能解决问题。满井容量在这里也是密切相关的,这个概念描述的是每个像素曝光一次可以产生的最大电子数。满井容量越高,在像素饱和之前可以采集到的光线就更多,从而减少了由于像素饱和而要再次进行曝光的情况。

动态范围则是将产生真实信号(参阅下一节中的“读取噪声”)所需的最大电子数与最低电子数相结合,它描述的是相机测量和区分不同光照等级的整体能力。

最后,还有灵敏度绝对阈值,即一个像素生成信噪比(SNR)为1所需的光子数量,表示信号强度等效于噪声强度。这个数值越小,生成真实信号所需的光线越少。因为灵敏度绝对阈值没有考虑到像素尺寸,所以当两台相机的像素尺寸不同时,不能直接使用灵敏度绝对阈值来比较相机。

成像质量和噪声

噪声是指真实信号值和测量系统所产生值之间的偏差。在特定的光照等级下,信噪比(SNR)可用于量化成像系统的整体噪声水平,它是一个用于比较相机的通用参数。信噪比越高,成像质量就越高。在成像过程中,某些噪声类型几乎很难通过相机技术来减少,例如光子噪声/散粒噪声,因为它们是由光子本身的物理性质而引起的。但是,其他会影响成像质量的噪声类型则会显著受到芯片本身和相机技术的影响。近年来,在成像质量和性能方面,现代CMOS芯片已经超越了以前的CCD技术。读取噪声(或暂态暗噪声)是每次触发快门时加到信号中的噪声,用单位“e¯/像素”来表示。现代CMOS芯片的读取噪声可低至2 e¯/像素(图4)。

图4:在曝光时间为10 ms的情况下,将CCD和CMOS相机的噪声特点(暂态暗噪声)进行对比。
图4:在曝光时间为10 ms的情况下,将CCD和CMOS相机的噪声特点(暂态暗噪声)进行对比。
图5:在曝光时间为4秒的情况下,将CCD和CMOS相机的噪声特点(带有暗电流噪声)进行对比。由Basler AG提供。
图5:在曝光时间为4秒的情况下,将CCD和CMOS相机的噪声特点(带有暗电流噪声)进行对比。由Basler AG提供。

当曝光时间增加时,另一个与荧光应用相关的噪声源会变得非常重要,这种噪声是由暗电流引起的。暗电流是在曝光期间出现的电子泄漏,用单位“e¯/像素/秒”来表示(图5)。一般而言,暗电流会随着温度每升高7°C而翻倍。当噪声与时间无光但与位置相关,这种类型的噪声就称为固定模式噪声,它描述的是不同像素之间存在的偏差。这种偏差可能是由像素电子元件或芯片区域的温度不一致而引起的。这些噪声类型的标准化定量测量分别用DSNU(暗信号不一致性)以及PRNU(感光反应不一致性)来表示,DSNU描述的是在没有任何光信号的情况下生成的电子所出现的偏差,而PRNU描述的是在特定光照等级下从像素到像素之间出现的偏差。通过设置从像素到像素之间偏差的截止值,可以进一步区分并确认外围像素是否为缺陷像素(例如热像素),此类像素会在没有相应信号的情况下也显示高灰度值。一些相机制造商已经通过在质量控制过程中,对相邻像素进行插值来纠正缺陷像素,从而避免这些偏差对集成商造成影响。

接口

市面上有多种接口可供选择。根据应用的具体要求,在确定所需的接口时应考虑以下几点:数据率/图像速率、线材长度、标准化、集成难度和成本。USB 3.0(已更名为USB 3.2 Gen 1)和GigE接口技术代表了当前集成在荧光显微镜系统中最先进的接口技术。这两种接口都有适用的视觉标准,并提供由领先的相机制造商开发的技术规范,以改善相机集成商视觉系统的设计、集成难度和性能。

USB 3.2 Gen 1是一款常规和发展成熟的即插即用接口,集成非常简单。它支持380 MB/s的数据率,例如可在500万像素下实现75 fps的帧速率,已经可以满足大部分应用的需求。USB 3.2 Gen 1线材的长度可达几米,能够进行供电以及支持集成多台相机。如需要更长的线材和更精确的多台相机同步,则可以使用GigE。上述USB接口的带宽是GigE带宽(100 MB/s)的3.8倍。目前,这两种接口都已经发布了带宽最高可提升四倍的新版本。但是,新版本技术仍需在市场上站稳根基,还需要供应相应的硬件外围设备来提供生态支持。

散热

芯片的温度对暗电流有至关重要的影响,会导致信噪比和成像质量变差,在光信号较弱且曝光时间较长时尤为如此。这意味着为相机散热很重要,但这在荧光成像中并非绝对必要。由于散热措施对系统成本有显著影响,因此大多数相机并没有采用主动散热措施,这对于荧光信号良好的应用而言已经足够。但即便如此,这些相机中的设计也会影响芯片温度。所以,应该通过低功耗的模式来操作相机以避免设备发热。此外,还应通过内部硬件设计以及将相机安装在另一个散热载体上来有效地将热量传输到外部。

可以使用热电元件(珀尔帖效应)主动为芯片散热,通常可借助集成风扇将珀尔帖元件产生的热量排散到外部。当元件的温度低于环境温度时,风扇还有助于防止出现冷凝水。如果需要避免在系统中出现振动(可能由风扇引起),某些相机还可以支持水冷。

通过固件进行功能改进

除了硬件和芯片的性能规格外,相机还可提供在弱光条件下能提高成像质量的固件功能。

校正缺陷像素就是其中一个例子。为了进行校正,制造商会在最终检测期间在不同的曝光时间下操作相机,从而确定缺陷像素的位置并将其储存在相机的缓存中。在操作模式下,系统会依照相邻像素数值的加权总和来对缺陷像素的数值进行插值。这样有助于提高成像质量和信噪比

目前的新一代CMOS芯片可实现过去无法完成的应用,并且让用户无需在CCD相机上花费数千欧元的投资。这些新的应用潜力将变得越来越重要,因为在生命科学领域中,荧光技术是一项使用日渐频繁的工具,能对结构和过程进行可视化。

视场中的荧光

荧光是一种物理现象,而不仅是一项具体的技术。基本上,适用于生命科学领域的技术方式可谓是无穷无尽的,并不局限于分析学、定量分析或视觉效果等可能的方法。荧光分子可以与多种载体结合,例如蛋白质(通常是抗体)、核酸或微粒。它们在有机体内也可以整合为基因技术标记,以检测细胞生物学的功能和过程。除了生命科学之外,基于荧光的方法也适用于其他方面,例如材料分析或取证。以下的几个例子将展示荧光分子的多功能应用。

在自身免疫疾病或传染病的体外诊断中,间接免疫荧光显微镜技术可用于检测病人血液中的特定抗体。

除了人工显微技术之外,市面已经出现了一种自动化系统,它可以经过软件检测与经培养的病人血清细胞的荧光图形,为实验室医生提供建议的结果(图6)。还有另一种系统,可以在不到3分钟的短时间内分析疟疾病原体上的病人血清。这项分析与基于视觉的算法一同运作,而基于视觉的算法同样会将荧光信号纳入分析范围。

图6:用于进行自身免疫疾病和感染诊断的计算机辅助免疫荧光显微镜系统“EUROPattern”(德国欧蒙医学实验诊断股份有限公司)采用Basler ace CMOS相机进行荧光成像。由Basler AG提供。
图6:用于进行自身免疫疾病和感染诊断的计算机辅助免疫荧光显微镜系统“EUROPattern”(德国欧蒙医学实验诊断股份有限公司)采用Basler ace CMOS相机进行荧光成像。由Basler AG提供。
图7:配备Basler MED ace相机的手动免疫荧光显微镜。由Basler AG提供。
图7:配备Basler MED ace相机的手动免疫荧光显微镜。由Basler AG提供。

即时检验系统在医疗诊断中的角色变得愈发重要。此外,由于有了简易而实惠的应用,人们甚至可以在经济不发达、基础设施不够完善的地区提供好的医疗服务。芯片实验室技术(Lab-on-a-chip)让人们可以在一块小型芯片上处理病人样本,而无需复杂的实验室设备。

在手术显微镜中,越来越多的外科医生借助荧光技术来为血管或肿瘤组织加上特定的荧光标记,以助他们通过荧光引导手术技术来高精度地完成手术。牙医也可以提供更快捷、更有针对性的治疗,例如在治疗期间有选择地对受龋齿影响的牙齿区域进行可视化。最后一点,荧光显微镜应用常用于病理学,以检测病人活组织切片中的组织是否可能存在其他疾病。

生命科学提供一系列广泛的荧光显微镜应用,其中显微检查占有较大比例。免疫荧光显微镜可以对特定蛋白质进行特别探测,例如探测或查出它们在细胞和组织中的位置,或根据特定测试条件来标记开始死亡的细胞(图7)。如今,在自动化系统中可进行更长时间的活细胞成像。

尤其在药物研究领域,通过微型化和并行化来增加分析数量的做法十分关键,因为在寻找新活性物质的过程当中有大量的样本需要进行分析筛选。微点阵和高通量筛选系统正是应用于这些方面(图8)。有了自动菌落计数仪,培养皿中可以使用荧光标记来挑选成功转染的细胞,以便随后可分别选择菌落的样本。这意味着人们可以验证特定基因材料在实验过程中是否真的已转移至细胞,以及研究人员能否继续使用此材料继续进行研究。

图8:自身免疫诊断中的免疫荧光显微镜分析(左图)。用于癌症和其他疾病研究的DNA微阵列技术(右图)。
图8:自身免疫诊断中的免疫荧光显微镜分析(左图)。用于癌症和其他疾病研究的DNA微阵列技术(右图)。