如何选购凝胶成像系统的CCD相机

 

凝胶成像系统的基本骨包含：CCD 相机，暗室和分析软件。不过其功能不仅仅限于对琼脂糠凝胶进行成像，现在的成像仪趋向于多功能化，还适用于蛋白胶、发荧光的胶、印迹膜和菌落平板等应用。在 Western Blot 方面，高性能的 CCD 分子成像系统能与胶片媲美。

CCD 是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)的英文名称缩写，是一种光电转换器件。是凝胶图像系统的核心部件。绝大多数对数码相机都有一定的了解，不少人还是这方面的专家。有人把数码相机的像素看得很重，但比较之后发现，有些 400 万、500 万像素的相机 拍出来的片子没有 300 像素的机子拍出来的 好，这是为什么?

 

其实，影响成像的因素很多，衡量 CCD 好坏的指标，有分辨率，CCD 尺寸，动态范围,灵敏度，量子效 率，信噪比等，其中像素数以及 CCD 尺寸是重要的指标。其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了 CCD 感光器件的面积越大，也即 CCD 面积越大，捕获的光越多，感光性能越好，信噪比越低。 为了方便您更了解 CCD 的大小，现列举目前市场上所应用的 CCD 规格如下：

　　1 英寸——靶面尺寸为宽 12.7mm*高 9.6mm，对角线 16mm。

　　2/3 英寸——靶面尺寸为宽 8.8mm*高 6.6mm，对角线 11mm。

　　1/2 英寸——靶面尺寸为宽 6.4mm*高 4.8mm，对角线 8mm。

　　1/3 英寸——靶面尺寸为宽 4.8mm*高 3.6mm，对角线 6mm。

　　1/4 英寸——靶面尺寸为宽 3.2mm*高 2.4mm，对角线 4mm。

　　CCD 的分辨率由低到高：从 30万左右，80 万左右，140 万左右，200 万左右，300 万左右，400 万左右， 500 万左右，甚至还有更高的，根据 CCD 的温度有可以分为常温 CCD 相机和制冷 CCD 相机，制冷 CCD：在相 同满井电子的 CCD，降低 CCD 噪音，就能提高 CCD 的监测能力，热或者暗电流对于 CCD 都是噪音，噪音在 Cool CCD 基本都可以被深度致冷的 Peltier 消除。在曝光超过 5-10 秒，CCD 芯片就会发热，没有致冷设备 的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像到处可见雪花。CCD 结构设计、数字化的方法等都会影 响噪音的产生。当然通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。 制冷 CCD 的适用性：荧光及化学发光本身较弱，所以对 CCD 噪音的降低要求很高，应选用高分辨率数字 冷却 CCD 相机结合高通透镜头系统，使其能够捕获到信号极其微弱的荧光及化学发光样品图像，并且能够 最大程度的降低噪音，减少背景，提供出色的图像清晰度。另外可选激发光源及多位滤镜轮扩大了荧光/化 学发光成像的应用范围。所以一般在荧光及化学发光观察时需要选择制冷 CCD。所以制冷 CCD 相机绝对是高 端分子影像成像分析系统的未来的发展趋势和必须要求。

　　

(1)、分辨率

分辨率的大小和像素值是分不开的，像素指得是 CCD 能分别的最小的>感光元件，我们平时说的多少万 像素就是这些感光元件的个数了。所以一般来讲像素越多，成像也就越清晰细腻，当然这其中还要受许多 因素限制，下面会慢慢提到的。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，相同数目的像素，排列越密集，像素之间就越容易出现电流干扰，容易出现"噪点"等干 扰成像质量的现象出现。由于制造工艺的限制，增加尺寸，成本将会以几何级数提高。 现在大部分厂家的 CCD 为了提高图像的灵敏度，会使用像素合并的技术，那么像素合并的意义是什么 呢? 像素合并是一种非常有用的功能，它可被用来提高像素的大小和灵敏度，如图所示分辨率为 795512，像 素大小为 9u,当经过 22 合并后，变成 398256，像素大小为 18u.33 合并后，变成 265170，像素大小为 27u, 灵敏度提高 9 倍，这样每个像素大小为 27u.

　　

(2)、动态范围值

动态范围表示在一个图像中最亮与最暗的比值。 灰阶表示在一种表征光亮度的方法，12bit 表示从最暗到最亮等分为 212=4096 个级别，16bit 即分为 216 个级别，可见 bit 值越高能分出的细微差别越大，如图下面这张图片人眼只能分辨出 40 个灰阶，而对 于一台 12bit 的仪器能分辨出 4,096 个灰阶。值得一提的是，目前来说，市场上主流的凝胶成像的 CCD 以 12bit 为主，16bit 的仪器一般情况下，分辨率均在 200 万像素左右，对于真正的 16bit，而像素值又近 400 万的 CCD 是非常少见的。 12bit 与 16bit 在图像分辨上的区别 对动态范围进行量化需要一个运算公式，即动态范围值 = 20 log (well depth/read noise)，其中 Well depth 代表是满井电子， CCD 饱和时能接受的电子信号总值， 是 read noise 是读出噪声 (以电子数来表示) ， 每个 CCD 在读数的过程中都会产生噪声，噪声越小，监测灵敏度越高。其中满井电子与 CCD 的 bit 值是相 关的，通常下，bit 值越高，满井电子的数值越大。举例如下： Well depth = 85,000 个电子, read noise = 12 个电子 Dynamic range = 20 log (85,000/12), or 77dB. 动态范围的值越高 CCD 性能越好.

　　

(3)、量子效率

CCD 的量子效率也称像素灵敏度，指在一定的曝光量下,像素势阱中所积累的电荷数与入射到像素表面 上的光子数之比。不同结构的 CCD 其量子效率差异很大。比如 100 光子中积累到像素势阱中的电荷数是 50 个，则量子效率为 50%(100 photons = 50 electrons means 50% efficiency)。值得注意的是 CCD 的 量子效率与入射光的波长有关。

　

　(4)、信噪比

说到信噪比就不得不提到暗电流了，暗电流是导致 CCD 噪音的很重要的因素。暗电流指在没有曝光的情 况下，在一定的时间内，CCD 传感器中像素产生的电荷。我们在做化学发光检测的时候，需要的曝光的时候 比较长，这样导致 CCD 产生较多的暗电流，对图像的质量影响非常大。通常情况下通过降低 CCD 的温度来 最大限度的减少暗电流对 成像的影响。下图表明了暗电流与温度的关系，从图中我们可以看出，CCD 产生的 暗电流随着温度下降而减少，但是在-23℃下曲线开始趋于平缓，由此可以看出温度并非需要无休止的降低 的。所以在选择冷 CCD 时，温度在-25℃(绝对温度，非室温以下)下一般就可以达到您的要求了。 有的 CCD 是在图像最终生成后，通过软件去背景来扣除暗电流，对于信号远远强于背景的有一定效果， 但是对于弱信号处理过程中会产生越来越多的错误。

　　

(5)、光学镜头

光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。光学镜头规格繁多，有时不免头晕。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头;从视场大小 分有广角、标准，远摄镜头;结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变(光圈、焦距、聚焦均可变)镜头等。

　

　(6)滤光镜片

荧光：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、荧光板等 (要根据具体的激发光源和滤镜来决定) 光源 激发波长 吸收波长 染料 Blue 475nm 537nm SYBR Green、SYBR Gold、SYBR Safe、SYPRO Orange、Cy2 等 Green 534nm 606nm SYPRO Red、Cy3 等 Red 632nm 609nm Texas Red、Rhodamine Red 、Cy5 等

　

　(7)、数据传输

USB总线是一种目前为止最快的高速串行总线，USB总线支持的传输速率有 12Mbps,480Mbps，5.0Gbps，最高的传输速度为5.0Gbps/s。对于各种需要大量带宽的设备提供了专门的优化，接口可以同时连接127个不同设备，USB 同 IEEE1394 一样，支持带电插拨设备。USB 同样支持即插即用，现在的 WIN98 SE、WIN2000、WIN ME、WIN XP 都对USB1.1,USB2.0支持的很好，在这些操作系统中用户 不用再安装驱动程序，也能使用 USB设备。