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技術(shù)文章

活體生物發(fā)光成像系統(tǒng)CCD選擇指南
近年來興起的活體生物發(fā)光成像技術(shù)隨著背部薄化、背照射冷CCD技術(shù)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，并隨著該CCD技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。由于具有更高量子效率CCD的問世，使活體生物發(fā)光技術(shù)具有更高的靈敏度，可以方便的應(yīng)用到腫瘤學(xué)、基因表達(dá)和**開發(fā)等各方面。

從市場(chǎng)分析的角度，xenogen公司首先利用了先進(jìn)的CCD技術(shù)來檢測(cè)活體動(dòng)物的生物發(fā)光，但是該技術(shù)的**部件CCD并不是該公司的**。進(jìn)入該領(lǐng)域的技術(shù)和價(jià)格壁壘是CCD的性能與成本，決定活體成像市場(chǎng)格局的將是CCD的性能與成本優(yōu)勢(shì)。

在活體成像的應(yīng)用中，選擇正確的CCD是非常重要的。那么選擇什么樣的CCD合適活體生物發(fā)光檢測(cè)呢？目前有兩種CCD用于生物發(fā)光的檢測(cè)：強(qiáng)化CCD（intensified CCD）和背部薄化、背照射冷CCD（back-thinned,back-illuminated,cooled CCD）。根據(jù)光學(xué)原理，在可見光波段，波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易穿過組織。由于熒光素酶與底物作用發(fā)光的波長(zhǎng)在600nm左右（見圖1），為了檢測(cè)到幾厘米厚的光源，CCD必須在波長(zhǎng)大于600nm波段具有很高的靈敏度和量子效率以及低的噪音。強(qiáng)化光子計(jì)數(shù)CCD對(duì)于生物發(fā)光應(yīng)用來說，是大眾化的選擇。高捕獲成像的強(qiáng)化CCD在很低噪音的情況下可以檢測(cè)到單個(gè)光子。然而這些CCD需要頻繁的裝備bialkali光陰極，只有很低的量子效率，在450nm波段處的量子效率只有10-15%，在650nm波段降為1%（見圖2）。Mulitialkali 和GaAs光陰極在600nm以上有很高的量子效率，但同時(shí)又碰到熱噪音和冷卻的難題。且很難得到大的檢測(cè)面積。


Roper scientific公司是世界上的高性能CCD研發(fā)與生產(chǎn)制造商，為Xenogen、UVP、Leica、Olmpus、Bio-rad等公司高性能CCD。公司研發(fā)的背照射冷CCD技術(shù)使得活體生物發(fā)光和熒光成像技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，使得科學(xué)家有機(jī)會(huì)直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和基因行為。Cryogenic 的制冷技術(shù)可以使CCD的溫度達(dá)到-70度到 -105度，那樣的溫度可以使背照射冷CCD的暗電流減少到可忽略不計(jì)的水平。該CCD的-5erms的電子噪音代表了小的噪音底線，信號(hào)強(qiáng)度肯定會(huì)大于那樣的噪音水平，使該CCD具有很高的信噪比，檢測(cè)的特異性很強(qiáng)（見圖3）。另外，更高的空間解析度是背照射冷CCD的另一優(yōu)勢(shì)。新款CCD相機(jī)PIXIS代表了Roper scientific公司新的CCD研究成果，在500-700nm波段具有95%以上的量子效率，大大提高了檢測(cè)的靈敏度，將極大的有利于活體生物發(fā)光成像技術(shù)的發(fā)展（見圖4）。


如上所述，由于強(qiáng)化CCD與背照射冷CCD在靈敏度、量子效率及信噪比方面的顯著差異，決定了背照射冷CCD是生物發(fā)光成像的佳選擇。早在生物發(fā)光成像技術(shù)誕生之初，早就有科學(xué)家對(duì)兩者進(jìn)行了比較（見圖5）。

圖5強(qiáng)化CCD與背照射CCD在檢測(cè)靈敏度方面的效果比較（資料來源：Rapid in vivo functional analysis of transgenes in mice using whole body imaging of luciferase expression Transgenic Research 10: 423–434, 2001.）

由于**的背照射冷CCD技術(shù)的問世，科學(xué)家利用此技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，才使近年來產(chǎn)生了大量的高水平的應(yīng)用活體成像技術(shù)進(jìn)行腫瘤學(xué)、基因**、流行病學(xué)等研究的文獻(xiàn)，極大的促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)在分子成像方面的發(fā)展。