在設(shè)計用于活細(xì)胞成像研究的光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)時，主要考慮因素是檢測器靈敏度（信噪比）、所需的圖像采集速度和樣本活力。在使用活細(xì)胞時，必須嚴(yán)格避免在記錄固定細(xì)胞和組織的圖像時通常使用的相對較高的光強(qiáng)度和較長的曝光時間（其中光漂白是主要考慮因素）。幾乎在所有情況下，活細(xì)胞顯微鏡都代表了實(shí)現(xiàn)較佳圖像質(zhì)量和保持細(xì)胞健康之間的折衷。
原則上，理想的活細(xì)胞圖像采集系統(tǒng)應(yīng)該足夠靈敏，可以從弱熒光標(biāo)本中采集優(yōu)質(zhì)圖像，同時足夠快以記錄所有動態(tài)過程。此外，該系統(tǒng)將具有足夠的分辨率來捕捉精細(xì)的樣本細(xì)節(jié)和能夠準(zhǔn)確測量微小的強(qiáng)度差異的寬動態(tài)范圍。但是，如果優(yōu)化這些標(biāo)準(zhǔn)中的任何一個都是以犧牲其他標(biāo)準(zhǔn)為代價的。因此，目前不可能設(shè)計出適合所有可能研究范圍的通用活細(xì)胞成像系統(tǒng)。反而，研究人員必須通過確定較重要的優(yōu)化參數(shù)來做出妥協(xié)，同時仍然試圖限制那些被認(rèn)為不太感興趣的變量所做出的犧牲。較后，顯微鏡配置較終取決于成像模式的要求、在實(shí)驗(yàn)過程中保持標(biāo)本活力的必要性、標(biāo)記協(xié)議的難度級別以及設(shè)備的可用性。
活細(xì)胞成像技術(shù)
活細(xì)胞成像是在光學(xué)顯微鏡中使用廣泛的對比度增強(qiáng)成像模式進(jìn)行的。大多數(shù)研究涉及某種形式的熒光顯微鏡，通常與一種或多種透射光技術(shù)相結(jié)合。比如：熒光技術(shù)包括傳統(tǒng)的寬場落射熒光、激光掃描共聚焦、旋轉(zhuǎn)盤和掃場共聚焦、多光子、全內(nèi)反射 ( TIRF )、熒光相關(guān)光譜、壽命成像 ( FLIM )、光活化和激光捕獲。作為一個子集，它包含：光譜成像、多色成像、共定位、延時序列、光漂白恢復(fù)技術(shù)（FRAP、FLIP和FLAP)、共振能量轉(zhuǎn)移 ( FRET )、散斑顯微鏡 ( FSM ) 和膜片鉗通常與一種或多種主要成像模式耦合。熒光技術(shù)可以輔以傳統(tǒng)的明場模式，包括微分干涉對比 ( DIC )、霍夫曼調(diào)制對比 ( HMC)) 和相位對比，作為熒光探針定位的確認(rèn)。在幾乎所有情況下，每種顯微鏡配置都需要一些*的考慮因素，這些因素必須實(shí)施才能成功進(jìn)行活細(xì)胞成像。無論采用何種顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)對活細(xì)胞和組織進(jìn)行成像，兩個較重要和限制因素是維持細(xì)胞活力和實(shí)現(xiàn)高于背景噪聲和自發(fā)熒光的可能信號水平。
活細(xì)胞成像中的信噪比
固定細(xì)胞成像和活細(xì)胞成像之間的根本區(qū)是：固定細(xì)胞成像為研究人員提供了足夠的空間來定義圖像采集參數(shù)，例如定位合適的視場和確定曝光時間，以及調(diào)整電子增益設(shè)置、讀出率和偏移值。因此，在大多數(shù)情況下（使用充分染色的固定標(biāo)本）可以獲得利用相機(jī)系統(tǒng)的全動態(tài)范圍的圖像，從而產(chǎn)生較佳的信噪比。由于維持細(xì)胞活力的嚴(yán)格要求對成像參數(shù)的限制，活細(xì)胞的情況會有所不同。對于獲得的活細(xì)胞圖像，樣本的強(qiáng)度通常只比背景的強(qiáng)度高幾個灰度級。在這種情況下，探測器系統(tǒng)的暗電流和讀取噪聲水平成為細(xì)胞成像所必要考慮的條件。 經(jīng)濟(jì)型相機(jī)通常具有較高的噪聲水平，這樣會導(dǎo)致背景圖像不太均勻，通常會掩蓋來自樣本的信號，隨著讀出速度的提高，這種影響會變得更加嚴(yán)重。所以在幾乎所有活細(xì)胞成像應(yīng)用中，檢測器的選擇對于決定實(shí)驗(yàn)的成敗至關(guān)重要。
其實(shí)，數(shù)字成像中的四個主要噪聲源來自探測器、照明系統(tǒng)、泊松噪聲或散粒噪聲（由于光子通量的隨機(jī)性）和雜散光。在大多數(shù)情況下，可以通過仔細(xì)選擇檢測器和優(yōu)化照明條件來系統(tǒng)地降低噪聲。幾乎每種類型的光子探測器都會在設(shè)備記錄的每次測量中引入某種形式的噪聲。激光掃描和多光子顯微鏡中使用的光電倍增管可以在信號放大系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生雜散電子。
為了克服傳統(tǒng)高性能 CCD 相機(jī)在需要在極低光照水平下快速捕捉幀速率的應(yīng)用的缺點(diǎn)，制造商推出了一種創(chuàng)新方法，用于放大 CCD 讀取本底噪聲以上的微弱信號。通過集成片上倍增增益寄存器，電子倍增器件 ( EMCCD ) 以低得多的成本實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型或電子轟擊 CCD 典型的單光子檢測靈敏度，并且不會影響傳統(tǒng) CCD 架構(gòu)的量子效率和分辨率特性。
活細(xì)胞成像對細(xì)胞顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的要求
針對活細(xì)胞成像應(yīng)用的顯微鏡必須配備由堅(jiān)固的復(fù)合材料或鋁制成的高質(zhì)量框架，并且應(yīng)該通過牢固地安裝在無振動平臺上來穩(wěn)定。外部光學(xué)表面以及組件外殼（聚光鏡、燈箱、物鏡轉(zhuǎn)盤等）應(yīng)保持清潔狀態(tài)，顯微鏡周圍的環(huán)境應(yīng)無塵且相對濕度較低。活細(xì)胞成像持續(xù)需要的常規(guī)程序之一是使用科勒照明原理確保顯微鏡光學(xué)路徑和光闌對齊。
活細(xì)胞成像較關(guān)鍵的方面可能是實(shí)現(xiàn)較佳放大倍率，同時在實(shí)驗(yàn)過程中平衡信號強(qiáng)度（有利于低倍率）、分辨率（有利于更高倍率）和細(xì)胞活力。研究人員使用時注意用盡可能少的透鏡元件將光學(xué)放大倍率與探測器的像素大小相匹配。具有多種中間放大倍數(shù)的光耦合器可在市場上買到，以滿足光限制和高分辨率應(yīng)用的特定物鏡要求（放大倍率和數(shù)值孔徑）。在選擇顯微鏡物鏡放大倍率時，應(yīng)嚴(yán)格考慮奈奎斯特分辨率標(biāo)準(zhǔn)。
活細(xì)胞成像常用的標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡物鏡是 10x 和 40x（干），以及 40x、60x 和 100x 油浸或水浸版本。經(jīng)濟(jì)的干式低倍率鏡頭主要用于樣品的初步掃描以定位感興趣的區(qū)域，并且不需要高光學(xué)校正因子。而浸沒透鏡應(yīng)具有高數(shù)值孔徑（油為 1.3 至 1.45，水為 1.2）和高透光效率。由于圖像通常聚集在視場中心附近，因此高度校正以產(chǎn)生平坦視場的物鏡通常不會提供可檢測的好處，并且與校正較少的物鏡相比，成本明顯更高且光效更低。
冷卻單色 sCMOS 和 CCD 相機(jī)是大多數(shù)涉及培養(yǎng)中活細(xì)胞的成像應(yīng)用的適宜選擇，無論是落射熒光還是具有對比度增強(qiáng)（DIC 和相差）的透射光是主要采集模式。在選擇相機(jī)時，要考慮的重要參數(shù)包括量子效率、噪聲水平（暗電流和讀數(shù)）、像素大?。ㄒ约跋嚓P(guān)的全阱容量）和掃描頻率。為了盡量減少撞擊樣品的激發(fā)光水平，相機(jī)應(yīng)盡可能靈敏，這通常意味著高量子效率、低噪聲、大像素尺寸和慢掃描速率。
慢掃描 CCD 相機(jī)的幀速率通常受到限制，除非樣品具有極亮的熒光，否則當(dāng)曝光時間短時信噪比會差。這限制了這些相機(jī)系統(tǒng)在高速成像應(yīng)用中的使用（范圍高達(dá)每秒 30 幀），并阻礙了對樣本進(jìn)行聚焦的嘗試。在定位合適的標(biāo)本和聚焦相機(jī)時，應(yīng)盡量避免光漂白和光毒性，這些偽影會影響細(xì)胞活力和亮度。在這方面，應(yīng)選擇具有無快門、幀傳輸?shù)腅MCCD裝置 或行間 CCD 傳感器的相機(jī)，這些傳感器除了能夠提供慢速掃描數(shù)字信號外，還能夠以視頻速率提供連續(xù)的圖像流。
更多顯微鏡相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入蘇州阿爾法生物實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行咨詢
