HiCAM高速像增強熒光相機用于斑馬魚心臟的高速活體成像技術(shù)
在德國巴德諾海姆的Max Planck心肺研究所，人們對斑馬魚的心血管系統(tǒng)進行了研究,。斑馬魚的透明度（圖1）及其實驗優(yōu)勢使其成為人體心血管系統(tǒng)的理想比例模型,。
圖1 斑馬魚的照片。心臟位于紅色方塊內(nèi)
為了研究斑馬魚的血液流動,，血紅細胞被熒光蛋白DsRed標記,。熒光的強度受到附著在紅細胞上的熒光蛋白數(shù)量的限制。此外,，光線發(fā)射的方向是隨機的,，這進一步減少了到達相機的光量。低光強度不一定存在問題,，增加曝光時間來捕捉足夠的光是一個常用的解決方法,，這通常被用于成像固定的昏暗物體。然而,，在移動物體上使用相同的方法會導(dǎo)致圖像模糊,。
試想一條活的斑馬魚，它的內(nèi)臟是在跳動的,。斑馬魚的心率約為每分鐘175次,，或接近每秒3次,。為了捕捉心跳的每個階段，需要較高的幀率,，否則圖像會因運動模糊而失真,。這意味著圖像傳感器非常短暫地暴露在昏暗的熒光燈下。通過增加激發(fā)光的強度來增加熒光燈的數(shù)量是不可行的,，因為這會傷害魚類,。
圖2 HiCAM高速像增強熒光相機附在熒光顯微鏡上
實驗裝置
用安裝有Lambert HiCAM高速攝像系統(tǒng)的熒光顯微鏡對斑馬魚進行研究(圖2)。將魚固定在凝膠中,，從下方照射,。DsRed蛋白的熒光從紅細胞中發(fā)出。這種光向各個方向發(fā)射,，其中一些光以相反的方向穿過激光的光路,。但是，熒光通過二色鏡被定向到相機上,，而不是被反射回光源,。任何散射的激發(fā)光都被二色鏡反射。濾光片將去除任何背景光,，只透射紅細胞熒光發(fā)出波長的光,。
圖像傳感器將捕捉進來的熒光。捕捉將以每秒數(shù)百或數(shù)千幀的幀率下進行,，每幀的曝光時間數(shù)量級在幾毫秒到幾毫秒的一小部分,。電子倍增ccd (emccd)傳感器的光靈敏度足以捕捉到微弱的熒光。但它們在全分辨率下只能實現(xiàn)大約100fps的幀率,，這對于目前的應(yīng)用來說是不夠的,。而cmos傳感器可以在更高的幀率下工作，在全分辨率下可達每秒數(shù)千幀,。然而,，在每幀較短的曝光時間內(nèi)，普通的高速CMOS傳感器無法記錄足夠的光量來達到合理的信噪比,。
圖3 斑馬魚心臟中(圖像右下角)的紅細胞從一個腔室被運送到下一個腔室(1-3),，并進入主動脈(5)。這里顯示的圖像是在間隔25毫秒的情況下記錄的,。用500us的曝光時間以2000 fps的幀率進行記錄,。
HiCAM高速像增強熒光相機的優(yōu)點
HiCAM高速像增強熒光相機通過將高速CMOS傳感器與圖像增強器相結(jié)合，實現(xiàn)了所需的光靈敏度和高幀率,。圖像增強器將檢測到的光子數(shù)量提高了幾個數(shù)量級,。這樣，就可以以每秒2000幀的速度記錄斑馬魚的血液流動,。圖3顯示了斑馬魚心血管系統(tǒng)中紅細胞的流動情況,。
HiCAM高速像增強熒光相機-高靈敏度,，幀頻可達4000幀/秒，實時熒光顯微成像的理想選擇,！
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