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成像常见问题

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。

 

 

 

 

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