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高QE sCMOS相机在SIM超分辨显微成像中的应用

SIM需在极低光毒性条件下实现活细胞高速动态成像,故对成像系统灵敏度、噪声控制、时间分辨率要求极高,某课题组采用中科君达视界自研的千眼狼sCMOS相机Gloria 4.2,量子效率高达95%,开展对生物细胞骨架的超分辨动态成像实验。

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2实验目标

I. 评估sCMOS相机在SIM超分辨显微镜中对百纳米尺度细胞样本的成像能力。 
II.评估sCMOS相机在低曝光(低光毒性要求)时间下的信噪比表现。

3实验方法

实验使用倒置荧光显微镜,集成SIM超分辨成像模块。样本为荧光标记的细胞骨架,经标准制备后固定于载物台上。图像探测采用千眼狼Gloria 4.2 sCMOS相机,设置ROI分辨率为960×368,Binning模式2×2(提升灵敏度),曝光时间10 ms,帧率100 fps,使用外触发同步,读出模式选用CMS低噪声模式,以优化图像信噪比。

4实验数据解析

4.1成像性能解析:

10 ms曝光条件下,千眼狼Gloria 4.2相机可实现100 fps帧率采集,优于同条件下EMCCD相机,后者仅支持10 ms内30 fps采集帧率,图像数据获取效率较低。 

4.2 图像质量解析:

  • 单帧图像:10 ms曝光下,sCMOS相机捕捉的图像计算重构后可呈现细胞骨架的轮廓微丝网络结构(图1),纤维走向、分支结构等特征初步可辨识,清晰可见微管纤维的局部交叉点且无拖影现象,证明低光强下拥有95%高QE、100 fps采集帧率的sCMOS相机可有效捕获微弱荧光信号。

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图1

  • 合成图像:经SIM算法重建后,合成图像分辨率达到约100 nm,突破衍射极限,使得微管纤维的分支点、交叉形态清晰可辨,且凭借Gloria 4.2相机高动态范围(16 bit),合成图像在弱信号区域(如细胞基质)与强信号区域(荧光团聚集处)均表现出良好的线性响应与细节保留能力,未出现饱和现象。

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图2

本次实验成功将高量子效率 95%的sCMOS相机 Gloria 4.2集成于SIM超分辨显微系统,实现了在100 fps下对细胞样本的百纳米级分辨率成像。实验结果表明,中科君达视界自研的千眼狼sCMOS相机适用于低光毒性、低噪声、高速的生命科学领域图像探测任务。


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