黑白相機(jī)在熒光成像中的光子捕獲優(yōu)勢(shì)與選型指南

瀏覽次數(shù)：798　發(fā)布日期：2025-9-29　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

先來看一個(gè)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(biāo)線蟲熒光樣本，上圖是采用彩色相機(jī)拍攝的，下圖為濱松Flash 4.0 LT3 sCMOS黑白相機(jī)拍攝的相同樣品；通過對(duì)比可以明顯的看出，在相同的條件下，下圖展示的細(xì)節(jié)更多，弱信號(hào)也能很好的展現(xiàn)出來，用戶也對(duì)黑白相機(jī)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(jī)捕捉圖像的能力反而不如很少接觸過的黑白相機(jī)呢？黑白相機(jī)又是通過什么方式在拍攝熒光圖像時(shí)效果好于彩色相機(jī)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(shí)，因?yàn)楣庑盘?hào)充足，我們都會(huì)使用彩色相機(jī)，保證拍出的照片美美噠。但在科研領(lǐng)域，熒光信號(hào)有強(qiáng)有弱，有些弱表達(dá)肉眼幾乎不可見。相機(jī)只有最大限度的捕獲光子，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，才能保證優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量。彩色相機(jī)的傳感器前覆蓋了一層名為拜爾濾鏡的網(wǎng)格，這個(gè)網(wǎng)格是由紅（R）綠（G）藍(lán)（B）三種濾鏡組成，每個(gè)像素點(diǎn)只能接受一種顏色的光。例如，一個(gè)針對(duì)綠色熒光（如FITC）的光子，如果它照射到一個(gè)紅色或藍(lán)色的濾鏡像素上，這個(gè)光子大概率會(huì)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(jī)會(huì)被利用。粗略估算，由于拜爾濾鏡會(huì)阻擋約2/3的入射光，彩色相機(jī)在捕獲特定波長(zhǎng)光子時(shí)，有高達(dá)50%-75%的光子損失。而單色相機(jī)沒有這層濾鏡，它的每一個(gè)像素點(diǎn)都能接受所有特定顏色的光子，靈敏度也就高于彩色相機(jī)。

彩色相機(jī)的濾光片圖層

基于上述核心原理，黑白相機(jī)在熒光成像中表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。我們知道決定相機(jī)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(shí)間內(nèi)入射光子數(shù)目，QE:量子效率，t:曝光時(shí)間

在曝光時(shí)間和光照強(qiáng)度相同的條件下，黑白相機(jī)的QE值高于彩色相機(jī)，黑白相機(jī)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(hào)更能被捕獲。如果要達(dá)到相同的信噪比，黑白相機(jī)所需要的曝光時(shí)間就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彩色相機(jī)，也必然減少了光損傷和熒光淬滅。

彩色相機(jī)在生成彩色圖像時(shí)，需要通過反馬賽克插值算法來計(jì)算每種像素點(diǎn)缺失的顏色信息，這個(gè)過程會(huì)影響圖像的真實(shí)分辨率。黑白相機(jī)會(huì)真實(shí)的記錄信息，無需再進(jìn)行計(jì)算，得到的圖像也是最真實(shí)的分辨率。彩色相機(jī)因?yàn)榍岸硕嘁粋€(gè)拜爾濾片，所以在感光度、干涉現(xiàn)象、動(dòng)態(tài)范圍領(lǐng)域都遜于黑白相機(jī)。

以上光學(xué)成像的知識(shí)比較枯燥，那么不如就來看看以下總結(jié)對(duì)比表吧：

特性	黑白相機(jī)	彩色相機(jī)
光子效率（QE值）	大于80%，每個(gè)像素捕獲所有光	~25-50%，濾鏡會(huì)阻擋大部分光
靈敏度	極高，適合微弱熒光	較低，會(huì)損失大部分信號(hào)
信噪比	高	較低
分辨率	真實(shí)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(huì)導(dǎo)致串染
成像速度	快	需要更長(zhǎng)曝光時(shí)間

我們應(yīng)該如何選擇相機(jī)？

1. 細(xì)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(jī)（例如：濱松 Flash 4.0 LT3 sCMOS）；如果需要采集活細(xì)胞的快速實(shí)驗(yàn)或者活的模式動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)，建議選擇100幀/秒的Flash 4.0 V3相機(jī)。（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(jī)：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(jī)：Hamamatsu Flash 4.0 LT
物鏡：40x Water

顯微鏡：ZEISS Examiner紅外DIC 熒光成像
相機(jī)：Hamamatsu Flash 4.0 LT
單位：復(fù)旦大學(xué)

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

2. 普通細(xì)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(jī)，例如：FOCELL的FC20M單色相機(jī)就能滿足。

3. 確實(shí)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(shí)有彩色圖像的采集要求，那么可以在顯微鏡上配上一個(gè)雙相機(jī)出口，再配一臺(tái)彩色相機(jī)，價(jià)格也很便宜。

顯微鏡：ZEISS Examiner紅外DIC 熒光成像
相機(jī)：Hamamatsu Flash 4.0 LT
單位：復(fù)旦大學(xué)

關(guān)于孚森

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