黑白相機在熒光成像中的光子捕獲優(yōu)勢與選型指南

瀏覽次數(shù)：795　發(fā)布日期：2025-9-29　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責任自負

先來看一個DEMO案例

以上是我們使用的蔡司Axiozoom V16宏觀熒光體式鏡，APO物鏡，樣品是用戶提供的雙標線蟲熒光樣本，上圖是采用彩色相機拍攝的，下圖為濱松Flash 4.0 LT3 sCMOS黑白相機拍攝的相同樣品；通過對比可以明顯的看出，在相同的條件下，下圖展示的細節(jié)更多，弱信號也能很好的展現(xiàn)出來，用戶也對黑白相機贊不絕口。

那有些小伙伴就產(chǎn)生疑問了，為什么我們生活中常見的彩色相機捕捉圖像的能力反而不如很少接觸過的黑白相機呢？黑白相機又是通過什么方式在拍攝熒光圖像時效果好于彩色相機呢？帶著這些疑問，下面小編就來為你一一解答。

核心原因：光子捕獲效率

在拍攝日常的照片時，因為光信號充足，我們都會使用彩色相機，保證拍出的照片美美噠。但在科研領(lǐng)域，熒光信號有強有弱，有些弱表達肉眼幾乎不可見。相機只有最大限度的捕獲光子，將其轉(zhuǎn)化為電信號，才能保證優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量。彩色相機的傳感器前覆蓋了一層名為拜爾濾鏡的網(wǎng)格，這個網(wǎng)格是由紅（R）綠（G）藍（B）三種濾鏡組成，每個像素點只能接受一種顏色的光。例如，一個針對綠色熒光（如FITC）的光子，如果它照射到一個紅色或藍色的濾鏡像素上，這個光子大概率會被吸收或反射掉，無法被傳感器捕獲。只有落到綠色濾鏡上的光子才有機會被利用。粗略估算，由于拜爾濾鏡會阻擋約2/3的入射光，彩色相機在捕獲特定波長光子時，有高達50%-75%的光子損失。而單色相機沒有這層濾鏡，它的每一個像素點都能接受所有特定顏色的光子，靈敏度也就高于彩色相機。

彩色相機的濾光片圖層

基于上述核心原理，黑白相機在熒光成像中表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。我們知道決定相機與圖像質(zhì)量的參數(shù)是信噪比和分辨率。

信噪比公式：SNR=

P:單位時間內(nèi)入射光子數(shù)目，QE:量子效率，t:曝光時間

在曝光時間和光照強度相同的條件下，黑白相機的QE值高于彩色相機，黑白相機可以捕獲到更多有效的光子，使得圖像信噪比顯著提升，弱信號更能被捕獲。如果要達到相同的信噪比，黑白相機所需要的曝光時間就遠遠小于彩色相機，也必然減少了光損傷和熒光淬滅。

彩色相機在生成彩色圖像時，需要通過反馬賽克插值算法來計算每種像素點缺失的顏色信息，這個過程會影響圖像的真實分辨率。黑白相機會真實的記錄信息，無需再進行計算，得到的圖像也是最真實的分辨率。彩色相機因為前端多一個拜爾濾片，所以在感光度、干涉現(xiàn)象、動態(tài)范圍領(lǐng)域都遜于黑白相機。

以上光學成像的知識比較枯燥，那么不如就來看看以下總結(jié)對比表吧：

特性	黑白相機	彩色相機
光子效率（QE值）	大于80%，每個像素捕獲所有光	~25-50%，濾鏡會阻擋大部分光
靈敏度	極高，適合微弱熒光	較低，會損失大部分信號
信噪比	高	較低
分辨率	真實分辨率，無插值影響	經(jīng)插值處理，分辨率有損失
多色熒光	首選，通道之間無干擾	不推薦，濾鏡會導致串染
成像速度	快	需要更長曝光時間

我們應該如何選擇相機？

1. 細胞或者組織熒光成像

尤其是需要捕捉弱熒光的成像:FISH/ISH/TIRF/Lightsheet/鈣成像/電生理成像等，建議使用QE值大于80%的單色相機（例如：濱松 Flash 4.0 LT3 sCMOS）；如果需要采集活細胞的快速實驗或者活的模式動物的實驗，建議選擇100幀/秒的Flash 4.0 V3相機。（以下為案例）

斑馬魚 400 幀/秒
熒光/DIC同步高速成像
顯微鏡：Olympus BX53
相機：Hamamatsu Flash 4.0 LT
分光器：Hamamatsu W-View GEMINI

顯微鏡：Nikon FN1紅外DIC 熒光成像
相機：Hamamatsu Flash 4.0 LT
物鏡：40x Water

顯微鏡：ZEISS Examiner紅外DIC 熒光成像
相機：Hamamatsu Flash 4.0 LT
單位：復旦大學

通過IR-DIC找到合適位置并插入電極，之后同步進行電信號的采集以及神經(jīng)元內(nèi)鈣離子熒光信號的采集。這樣可以做到電信號與鈣離子濃度數(shù)據(jù)的相互印證。

2. 普通細胞轉(zhuǎn)染和TSA免疫熒光成像

建議選擇能夠制冷的單色相機，例如：FOCELL的FC20M單色相機就能滿足。

3. 確實有彩色圖像的采集需求

有些老師提出，除了熒光采集的要求外，確實有彩色圖像的采集要求，那么可以在顯微鏡上配上一個雙相機出口，再配一臺彩色相機，價格也很便宜。

顯微鏡：ZEISS Examiner紅外DIC 熒光成像
相機：Hamamatsu Flash 4.0 LT
單位：復旦大學

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