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技術常識

如何選購凝膠成像分析系統

發布時間:2016-06-23 15:49:04

  數字影像技術訊速發展,成為數碼產品及分子影像產品的風向標,靈敏度越來越高,自動化程度也更高,設計也更加人性化,逐漸變得像傻瓜照相機一般易用。分子成像分析系統的實際應用逐漸的普遍化,市場上有很多種分子影像成像分析系統,如何選購呢?

  1凝膠成像系統根據產品應用范圍的分類:

  1.1普通凝膠成像分析系統:適用于DNA/RNA(EB、TLC plates、SYBR Green)等紫外,以及蛋白凝膠電泳(考馬斯染色,銀染)等可見光樣品;進行圖象采集并進行定性和定量分析;

  1.2化學發光成像分析系統:適用于化學發光/紫外光/可見光凝膠成像分析系統,如ECL、ECL PLUS、Southern、CDP Star、CSPD、Northern和Western雜交的化學發光等各種化學發光暴光后的樣品檢測;

  1.3多色熒光成像分析系統:適用于熒光/化學發光/可見光凝膠成像分析系統

  1.4多功能活體成像分析系統:適用于生物發光(bioluminescence)與熒光(fluorescence)兩種技術。生物發光是用熒光素酶(luciferase)基因標記細胞或DNA,而熒光技術則采用熒光報告基團(GFP、RFP),或 Cyt及dyes等熒光染料進行標記。

  2凝膠成像分析系統的組成

  凝膠成像系統主要包含:CCD相機,暗室和分析軟件。不過其功能不僅僅限于對瓊脂糠凝膠進行成像,現在的成像儀趨向于多功能化,還適用于蛋白膠、發熒光的膠、印跡膜和菌落平板等應用。在Western Blot方面,高性能的CCD分子成像系統能與膠片媲美。

  CCD是電荷耦合器件(Charge Coupled Device)的英文名稱縮寫,是一種光電轉換器件。是凝膠圖像系統的核心部件。絕大多數對數碼相機都有一定的了解,不少人還是這方面的專家。有人把數碼相機的像素看得很重,但比較之后發現,有些400萬、500萬像素的相機拍出來的片子沒有300像素的機子拍出來的好,這是為什么?

  其實,影響成像的因素很多,衡量CCD好壞的指標,有分辨率,CCD尺寸,動態范圍,靈敏度,量子效率,信噪比等,其中像素數以及CCD尺寸是重要的指標。其實是說感光器件的面積大小,這里就包括了CCD感光器件的面積越大,也即CCD面積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。

  為了方便您更了解CCD的大小,現列舉目前市場上所應用的CCD規格如下:

  1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm,對角線16mm。

  2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm,對角線11mm。

  1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm,對角線8mm。

  1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm,對角線6mm。

  1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm,對角線4mm。

  CCD的分辨率由低到高:從45萬左右,100萬左右,140萬左右,200萬左右,300萬左右,400萬左右,500萬左右,甚至還有更高的,根據CCD的溫度有可以分為常溫CCD相機和制冷CCD相機,制冷CCD:在相同滿井電子的CCD,降低CCD噪音,就能提高CCD的監測能力,熱或者暗電流對于CCD都是噪音,噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過5-10秒,CCD芯片就會發熱,沒有致冷設備的芯片,“熱”或者白的像素點就會遮蓋圖像,圖像到處可見雪花。CCD結構設計、數字化的方法等都會影響噪音的產生。當然通過改善結構、優化方法,同樣能減少噪音的產生。

  制冷CCD的適用性:熒光及化學發光本身較弱,所以對CCD噪音的降低要求很高,應選用高分辨率數字冷卻CCD相機結合高通透鏡頭系統,使其能夠捕獲到信號極其微弱的熒光及化學發光樣品圖像,并且能夠最大程度的降低噪音,減少背景,提供出色的圖像清晰度。另外可選激發光源及多位濾鏡輪擴大了熒光/化學發光成像的應用范圍。所以一般在熒光及化學發光觀察時需要選擇制冷CCD。所以制冷CCD相機絕對是高端分子影像成像分析系統的未來的發展趨勢和必須要求。

  3凝膠成像系統的技術指標

  3.1分辨率

  分辨率的大小和像素值是分不開的,像素指得是CCD能分辨的最小的感光元件,我們平時說的多少萬像素就是這些感光元件的個數了。所以一般來講像素越多,成像也就越清晰細膩,當然這其中還要受許多因素限制,下面會慢慢提到的。但是高像素也不一定是好的CCD,其原因就是像素大小(Pixel Size),也是很重要的因素,相同數目的像素,排列越密集,像素之間就越容易出現電流干擾,容易出現"噪點"等干擾成像質量的現象出現。由于制造工藝的限制,增加尺寸,成本將會以幾何級數提高。

  3.2動態范圍值

  動態范圍表示在一個圖像中最亮與最暗的比值。

  灰階表示在一種表征光亮度的方法,12bit表示從最暗到最亮等分為212=4096個級別,16bit即分為216個級別,可見bit值越高能分出的細微差別越大,如圖下面這張圖片人眼只能分辨出40個灰階,而對于一臺12bit的儀器能分辨出4,096個灰階。值得一提的是,目前來說,市場上主流的凝膠成像的CCD以12bit為主,16bit的儀器一般情況下,分辨率均在200萬像素左右,對于真正的16bit,而像素值又近400萬的CCD是非常少見的。

  12bit與16bit在圖像分辨上的區別

  對動態范圍進行量化需要一個運算公式,即動態范圍值 = 20 log (well depth/read noise),其中Well depth代表是滿井電子,是CCD飽和時能接受的電子信號總值,read noise是讀出噪聲(以電子數來表示),每個CCD在讀數的過程中都會產生噪聲,噪聲越小,監測靈敏度越高。其中滿井電子與CCD的bit值是相關的,通常下,bit值越高,滿井電子的數值越大。

  舉例如下:

  Well depth = 85,000 個電子, read noise = 12 個電子

  Dynamic range = 20 log (85,000/12), or 77dB.

  動態范圍的值越高CCD性能越好.

  3.3量子效率

  CCD的量子效率也稱像素靈敏度,指在一定的曝光量下,像素勢阱中所積累的電荷數與入射到像素表面上的光子數之比。不同結構的CCD其量子效率差異很大。比如100光子中積累到像素勢阱中的電荷數是50個,則量子效率為50%(100 photons = 50 electrons means 50% efficiency)。值得注意的是CCD 的量子效率與入射光的波長有關。

  3.4信噪比

  說到信噪比就不得不提到暗電流了,暗電流是導致CCD噪音的很重要的因素。暗電流指在沒有曝光的情況下,在一定的時間內,CCD傳感器中像素產生的電荷。我們在做化學發光檢測的時候,需要的曝光的時候比較長,這樣導致CCD產生較多的暗電流,對圖像的質量影響非常大。通常情況下通過降低CCD的溫度來最大限度的減少暗電流對成像的影響。

  3.5光學鏡頭

  光學鏡頭是機器視覺系統中必不可少的部件,直接影響成像質量的優劣,影響算法的實現和效果。光學鏡頭規格繁多,有時不免頭暈。光學鏡頭從焦距上可分為短焦鏡頭、中焦鏡頭,長焦鏡頭;從視場大小分有廣角、標準,遠攝鏡頭;結構上分有固定光圈定焦鏡頭,手動光圈定焦鏡頭,自動光圈定焦鏡頭,手動變焦鏡頭、自動變焦鏡頭,自動光圈電動變焦鏡頭,電動三可變(光圈、焦距、聚焦均可變)鏡頭等。

  3.6濾光鏡片

  熒光:EB 、TLC plates、GFP plates、SYBR Green、SYBR Gold、SYBR Safe、SYPRO Red、SYPRO Orange、Texas Red、Rhodamine Red、Fluorescein、Deep Purple、Cy2、Cy3、Cy3.5、Cy5、熒光板等(要根據具體的激發光源和濾鏡來決定)

  3.7數據傳輸

  3.8軟件功能

  不論何種計算機,它們都是由硬件和軟件所組成,兩者是不可分割的。人們把沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機。凝膠成像分析系統也不例外,硬件設備再好,如果不配上好的軟件,也無法發揮它應有的功能。


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