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HiCAM高速像增强荧光相机用于斑马鱼心脏的高速活体成像技术

更新时间:2023-04-06 点击次数:594

HiCAM高速像增强荧光相机用于斑马鱼心脏的高速活体成像技术


在德国巴德诺海姆的Max Planck心肺研究所,人们对斑马鱼的心血管系统进行了研究。斑马鱼的透明度(图1)及其实验优势使其成为人体心血管系统的理想比例模型。


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图1 斑马鱼的照片。心脏位于红色方块内



为了研究斑马鱼的血液流动,血红细胞被荧光蛋白DsRed标记。荧光的强度受到附着在红细胞上的荧光蛋白数量的限制。此外,光线发射的方向是随机的,这进一步减少了到达相机的光量。低光强度不一定存在问题,增加曝光时间来捕捉足够的光是一个常用的解决方法,这通常被用于成像固定的昏暗物体。然而,在移动物体上使用相同的方法会导致图像模糊。


试想一条活的斑马鱼,它的内脏是在跳动的。斑马鱼的心率约为每分钟175次,或接近每秒3次。为了捕捉心跳的每个阶段,需要较高的帧率,否则图像会因运动模糊而失真。这意味着图像传感器非常短暂地暴露在昏暗的荧光灯下。通过增加激发光的强度来增加荧光灯的数量是不可行的,因为这会伤害鱼类。


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图2 HiCAM高速像增强荧光相机附在荧光显微镜上


实验装置


用安装有Lambert HiCAM高速摄像系统的荧光显微镜对斑马鱼进行研究(图2)。将鱼固定在凝胶中,从下方照射。DsRed蛋白的荧光从红细胞中发出。这种光向各个方向发射,其中一些光以相反的方向穿过激光的光路。但是,荧光通过二色镜被定向到相机上,而不是被反射回光源。任何散射的激发光都被二色镜反射。滤光片将去除任何背景光,只透射红细胞荧光发出波长的光。


图像传感器将捕捉进来的荧光。捕捉将以每秒数百或数千帧的帧率下进行,每帧的曝光时间数量级在几毫秒到几毫秒的一小部分。电子倍增ccd (emccd)传感器的光灵敏度足以捕捉到微弱的荧光。但它们在全分辨率下只能实现大约100fps的帧率,这对于目前的应用来说是不够的。而cmos传感器可以在更高的帧率下工作,在全分辨率下可达每秒数千帧。然而,在每帧较短的曝光时间内,普通的高速CMOS传感器无法记录足够的光量来达到合理的信噪比。


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图3 斑马鱼心脏中(图像右下角)的红细胞从一个腔室被运送到下一个腔室(1-3),并进入主动脉(5)。这里显示的图像是在间隔25毫秒的情况下记录的。用500us的曝光时间以2000 fps的帧率进行记录。


HiCAM高速像增强荧光相机的优点


HiCAM高速像增强荧光相机通过将高速CMOS传感器与图像增强器相结合,实现了所需的光灵敏度和高帧率。图像增强器将检测到的光子数量提高了几个数量级。这样,就可以以每秒2000帧的速度记录斑马鱼的血液流动。图3显示了斑马鱼心血管系统中红细胞的流动情况。


HiCAM高速像增强荧光相机-高灵敏度,帧频可达4000帧/秒,实时荧光显微成像的理想选择!


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