如何選購凝膠成像分析系統

 

關鍵詞：

凝膠成像分析系統   化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，多功能活體成像分析系統

 

一 、前言：

分子生物學作為一門基礎科學，分子生物學已滲透到現代生物學的各個學科分支，隨著生物學理論與實驗方法的不斷進步，它的應用領域也在不斷擴大。現在，生物學的影響已經擴展到食品、化工、環境保護、能源、冶金等等諸多領域的發展。

生物學的分支學科各有一定的研究內容而又相互依賴、互相交叉。此外，生命作為一種物質運動形態，有它自己的生物學規律，同時又包含并遵循物理和化學的規律。因此，生物學同物理學、化學有著密切的關系。生物分布于地球表面，是構成地球景觀的重要因素。因此，生物學和地學也是互相滲透、互相交叉的。

 

二、如何選購購凝膠成像分析系統

數字影像技術訊速發展,成為數碼產品及分子影像產品的風向標，靈敏度越來越高，自動化程度也更高，設計也更加人性化，逐漸變得像傻瓜照相機一般易用。另外，外型也更加小巧、時尚。分子成像分析系統的實際應用逐漸的普遍化，市場上有很多種分子影像成像分析系統，如何選購呢？長沙雅力生物科技有限公司為您指明方向！

（一）、根據產品應用范圍來區分：

1、普通凝膠成像分析系統：適用于對蛋白凝膠電泳(考馬斯染色，銀染)等可見光樣品，以及DNA/RNA（EB、TLC plates、SYBR Green）等紫外；進行圖象采集并進行定性和定量分析；

2、化學發光成像分析系統：適用于化學發光/紫外光/可見光凝膠成像分析系統，如ECL、ECL PLUS、Southern、CDP Star、CSPD、Northern和Western雜交的化學發光等各種化學發光暴光后的樣品檢測；

3、多色熒光成像分析系統：適用于熒光/化學發光/可見光凝膠成像分析系統，如：EB 、TLC plates、GFP plates、SYBR Green、SYBR Gold、SYBR Safe、Sypro Red、Sypro Orange、Texas Red、Rhodamine Red、Fluorescein、Deep Purple、Cy2、Cy3、Cy3.5、Cy5、熒光板等的樣品檢測；

 

4、多功能活體成像分析系統：適用于生物發光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術。生物發光是用熒光素酶(luciferase)基因標記細胞或DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團（GFP、RFP）,或 Cyt及dyes等熒光染料進行標記；

 

三、凝膠成像分析系統的組成

凝膠成像系統的基本骨包含：CCD相機，暗室和分析軟件。不過其功能不僅僅限于對瓊脂糠凝膠進行成像，現在的成像儀趨向于多功能化，還適用于蛋白膠、發熒光的膠、印跡膜和菌落平板等應用。在Western Blot方面，高性能的CCD分子成像系統能與膠片媲美。

CCD是電荷耦合器件（Charge Coupled Device）的英文名稱縮寫，是一種光電轉換器件。是凝膠圖像系統的核心部件。絕大多數對數碼相機都有一定的了解，不少人還是這方面的專家。有人把數碼相機的像素看得很重，但比較之后發現，有些400萬、500萬像素的相機拍出來的片子沒有300像素的機子拍出來的好，這是為什么？

其實，影響成像的因素很多，衡量CCD好壞的指標，有分辨率，CCD尺寸，動態范圍,靈敏度，量子效率，信噪比等，其中像素數以及CCD尺寸是重要的指標。其實是說感光器件的面積大小，這里就包括了CCD感光器件的面積越大，也即CCD面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

為了方便您更了解CCD的大小，現列舉目前市場上所應用的CCD規格如下：

　　1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。

　　2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。

　　1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。

　　1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。

1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。

CCD的分辨率由低到高：從45萬左右，100萬左右，140萬左右，200萬左右，300萬左右，400萬左右，500萬左右，甚至還有更高的，根據CCD的溫度有可以分為常溫CCD相機和制冷CCD相機，制冷CCD：在相同滿井電子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的監測能力，熱或者暗電流對于CCD都是噪音，噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過5-10秒，CCD芯片就會發熱，沒有致冷設備的芯片，“熱”或者白的像素點就會遮蓋圖像，圖像到處可見雪花。CCD結構設計、數字化的方法等都會影響噪音的產生。當然通過改善結構、優化方法，同樣能減少噪音的產生。

 

    制冷CCD的適用性：熒光及化學發光本身較弱，所以對CCD噪音的降低要求很高，應選用高分辨率數字冷卻CCD相機結合高通透鏡頭系統，使其能夠捕獲到信號極其微弱的熒光及化學發光樣品圖像，并且能夠最大程度的降低噪音，減少背景，提供出色的圖像清晰度。另外可選激發光源及多位濾鏡輪擴大了熒光/化學發光成像的應用范圍。所以一般在熒光及化學發光觀察時需要選擇制冷CCD。所以制冷CCD相機絕對是高端分子影像成像分析系統的未來的發展趨勢和必須要求。

 

（1）、分辨率
分辨率的大小和像素值是分不開的，像素指得是CCD能分別的最小的感光元件，我們平時說的多少萬像素就是這些感光元件的個數了。所以一般來講像素越多，成像也就越清晰細膩，當然這其中還要受許多因素限制，下面會慢慢提到的。但是高像素也不一定是好的CCD，其原因就是像素大小（Pixel Size），也是很重要的因素，相同數目的像素，排列越密集，像素之間就越容易出現電流干擾，容易出現"噪點"等干擾成像質量的現象出現。由于制造工藝的限制，增加尺寸，成本將會以幾何級數提高。
現在大部分廠家的CCD為了提高圖像的靈敏度，會使用像素合并的技術，那么像素合并的意義是什么呢？

    像素合并是一種非常有用的功能，它可被用來提高像素的大小和靈敏度，如圖所示分辨率為795512，像素大小為9u,當經過22合并后，變成398256，像素大小為18u.33合并后，變成265170，像素大小為27u,靈敏度提高9倍，這樣每個像素大小為27u.

 

（2）、動態范圍值
動態范圍表示在一個圖像中最亮與最暗的比值。
灰階表示在一種表征光亮度的方法，12bit表示從最暗到最亮等分為212＝4096個級別，16bit即分為216個級別，可見bit值越高能分出的細微差別越大，如圖下面這張圖片人眼只能分辨出40個灰階，而對于一臺12bit的儀器能分辨出4,096個灰階。值得一提的是，目前來說，市場上主流的凝膠成像的CCD以12bit為主，16bit的儀器一般情況下，分辨率均在200萬像素左右，對于真正的16bit，而像素值又近400萬的CCD是非常少見的。

 

 

 

12bit與16bit在圖像分辨上的區別

 

對動態范圍進行量化需要一個運算公式，即動態范圍值 = 20 log (well depth/read noise)，其中Well depth代表是滿井電子，是CCD飽和時能接受的電子信號總值，read noise是讀出噪聲（以電子數來表示），每個CCD在讀數的過程中都會產生噪聲，噪聲越小，監測靈敏度越高。其中滿井電子與CCD的bit值是相關的，通常下，bit值越高，滿井電子的數值越大。

舉例如下：

Well depth = 85,000 個電子, read noise = 12 個電子

Dynamic range = 20 log (85,000/12), or 77dB.

動態范圍的值越高CCD性能越好.

 

（3）、量子效率  

CCD的量子效率也稱像素靈敏度，指在一定的曝光量下,像素勢阱中所積累的電荷數與入射到像素表面上的光子數之比。不同結構的CCD其量子效率差異很大。比如100光子中積累到像素勢阱中的電荷數是50個，則量子效率為50％（100 photons = 50 electrons means 50% efficiency）。值得注意的是CCD 的量子效率與入射光的波長有關。

 

（4）、信噪比
  
    說到信噪比就不得不提到暗電流了，
暗電流是導致CCD噪音的很重要的因素。暗電流指在沒有曝光的情況下，在一定的時間內，CCD傳感器中像素產生的電荷。我們在做化學發光檢測的時候，需要的曝光的時候比較長，這樣導致CCD產生較多的暗電流，對圖像的質量影響非常大。通常情況下通過降低CCD的溫度來最大限度的減少暗電流對成像的影響。下圖表明了暗電流與溫度的關系，從圖中我們可以看出，CCD產生的暗電流隨著溫度下降而減少，但是在-23℃下曲線開始趨于平緩，由此可以看出溫度并非需要無休止的降低的。所以在選擇冷CCD時，溫度在-25℃（絕對溫度，非室溫以下）下一般就可以達到您的要求了。

    有的CCD是在圖像最終生成后，通過軟件去背景來扣除暗電流，對于信號遠遠強于背景的有一定效果，但是對于弱信號處理過程中會產生越來越多的錯誤。
以上是關于CCD的原理和影響因素的一些介紹，

 

（５）、光學鏡頭

光學鏡頭是機器視覺系統中必不可少的部件，直接影響成像質量的優劣，影響算法的實現和效果。光學鏡頭規格繁多，有時不免頭暈。光學鏡頭從焦距上可分為短焦鏡頭、中焦鏡頭，長焦鏡頭；從視場大小分有廣角、標準，遠攝鏡頭；結構上分有固定光圈定焦鏡頭，手動光圈定焦鏡頭，自動光圈定焦鏡頭，手動變焦鏡頭、自動變焦鏡頭，自動光圈電動變焦鏡頭，電動三可變（光圈、焦距、聚焦均可變）鏡頭等。

 

（6）濾光鏡片

熒光：EB 、TLC plates、GFP plates、SYBR Green、SYBR Gold、SYBR Safe、SYPRO Red、SYPRO Orange、Texas Red、Rhodamine Red、Fluorescein、Deep Purple、Cy2、Cy3、Cy3.5、Cy5、熒光板等

   （要根據具體的激發光源和濾鏡來決定）

（7）、數據傳輸

IEEE1394總線是一種目前為止最快的高速串行總線，火線（IEEE1394）支持的傳輸速率有100Mbps,200Mbps，400Mbps，最高的傳輸速度為400Mbps/s。對于各種需要大量帶寬的設備提供了專門的優化，接口可以同時連接63個不同設備，IEEE1394同USB一樣，支持帶電插撥設備。IEEE1394同樣支持即插即用，現在的WIN98 SE、WIN2000、WIN ME、WIN XP都對IEEE1394支持的很好，在這些操作系統中用戶不用再安裝驅動程序，也能使用IEEE1394設備。

 

（8）、軟件功能

不論何種計算機，它們都是由硬件和軟件所組成，兩者是不可分割的。人們把沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機。凝膠成像分析系統也不例外，硬件設備再好，如果不配上好的軟件，也無法發揮它應有的功能。作為凝膠成像系統軟件功能和用途都基本相似，這里我們介紹一下最關注的幾個特點：

 

A、軟件的基本功能：可對不同樣品，如條帶，斑點，細菌克隆，芯片，細胞或者活體動物等，進行定性、定量分析，加批注，輸出圖像等操作。

B、圖像采集方式：對于化學發光或多色熒光產品，軟件應具備電影模式，可以進行圖像多禎累計功能來增強線性動態范圍和數據準確度。

C、操作簡便，軟件應具備操作輔助工具，使軟件操作更簡單易用。最好采用三步式泳道及條帶分析可以快速計算蛋白質和核酸的分子量及含量。

D、數據庫功能也是必不可少的，這樣可以檢索、分類或比較所有生成的圖像。可利用不同的顯示算法程序圖像化顯示條帶差異。

E、曝光方式：應采用單一曝光、多重曝光，累計曝光，延時（定時）曝光多種模式可選。

F、記憶功能：軟件能記憶并自動調用成像數據，這樣你不用每次設置就能獲得重復性好的結果。

G、軟件應配備兩套以上，使用單機版，多用戶版或網絡版，用戶可彼此獨立操作，互不干擾，互不混淆。

五、選擇

現在分子影像成像分析系統的選擇大致來看有這樣的趨勢：

1專業研究分子生物學的在以前已經裝配了普通凝膠成像分析系統，這兩年有一些有遠見教授或者研究到化學發光成像和多色熒光成像方向的實驗室已經裝配了，化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，這有部分已經有一定的數量了。極少數實驗室也裝配了多功能活體成像分析系統，這在全國是屬于極少數的。

 

2 第二類是研究和生物相關的交叉和邊緣學科實驗室，才剛剛裝配普通凝膠成像分析系統，并且這部分老師對分子影像成像分析系統還沒有完整的了解和系統的操作，他們選擇子影像成像分析系統更沒主意。

 

3 從現在大的發展方向來看，專業研究分子生物學的已經在普通凝膠成像分析系統的基礎之上開始向化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統走的趨勢，但是在這中間有一個很大的問題就是絕大多數的老師很想向化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，做并且他們有很多已經做到這個方向，但是這些老師沒有接觸過過化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，對他們的具體的功能和操作都沒有足夠的知識，特別是在熒光染料的選擇上面和實際的動物及各種樣本的處理方面有一定得難度。

 

4 基于上面的三點所以分子影像成像分析系統的選擇應該遵循以下這樣的幾個原則

 

A 分子影像成像分析系統的廠商的產品線要擁有普通凝膠成像分析系統   化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，多功能活體成像分析系統這些比較長的產品線，這樣可以給老師足夠的選擇空間。并且可以從普通凝膠成像分析系統可以升級到化學發光成像分析系統的空間，從化學發光成像分析系統升級到多色熒光成像分析系統的空間，從多色熒光成像分析系統升級到多功能活體成像分析系統的空間。

B 選擇的品牌應該擁有自主生產分子影像成像分析系統的主要零部件的能力，特別是CCD的生產，濾光鏡片和多功能軟件這些主要部分，這樣可以為客戶以后的維修零部件的價格較低和質量的保證，同時這樣的廠家整套儀器的價位也可以有所降低，

C 分子影像成像分析系統的品牌最好同時擁有分子影像成像系統和數字成像系統生產能力，或者有分子影像成像系統和數字成像系統相結合的產品，因為現在的數字成像系統已經在各個領域應用非常的廣泛，以后分子影像成像系統和數字成像系統相結合一定是一個新的趨勢，

D 分子影像成像分析系統的品牌選擇，特別是在選擇化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，多功能活體成像分析系統的時候，特別要注意品牌是否有強大的技術支持才可以，因為現在化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，多功能活體成像分析系統還沒有普遍，這些方面的知識和技術還不普遍，特別是，多功能活體成像分析系統更是如此。

 

六、小結

 

終上所述本人推薦的品牌就是Kodak系列的分子影像成像分析系統，他擁有以上我所講

的所有優點：

A Kodak系列擁有從普通凝膠成像分析系統   化學發光成像分析系統，多色熒光成像分析系統，到多功能活體成像分析系統。甚至擁有享譽世界品質的CR，DR 成像系統。

B Kodak是科研CCD和分子影像成像分析系統其他配件的頂級生產商，包括Alpha Innotech公司，UVP公司和一些做高端一些的采用CCD都是kodak生產的，包括伯樂的鏡頭也是kodak的

C Kodak公司在中國的上海擁有面向亞太區的技術支持中心

產品的比較

 

七、以下就把kodak系列的產品資料和其他市場占有率還可以的品牌給各位做一個對比一份作為參考；（內容與數據都來自廠家或網絡，各位老師在在網上都可以查到）

1普通凝膠成像分析系統：

其中kodak的Kodak Gel logic 212和最新推出的Kodak Gel logic 212 PRO都是比較經典的分析系統：他們都用（1392X1032）145萬左 右的常溫CCD，靈敏度16bit，動力學范圍: ≥4個數量級，檢測靈敏  度：0.03ng EB染色雙鏈DNA， 其區別于他家的優秀特點是密封暗  箱可用于化學發光檢測，軟件系統只需要開放其化學發光檢測模塊即  可用于化學發光檢測。提供整套的升級包。一臺主機陪兩套軟件，可  以做兩臺機器的資源共享，本系統可以升級到做化學發光成像系統的  KODAK Gel Logic 1500化學發光成像系統,，KODAK Gel Logic 220  0化學發光成像系統，另外他的傳遞圖像和數據系統有的1394的火線 系統，他的速度是USB接口的20倍。

市場上與之競爭的有

1  Alpha Innotech公司的AlphaImager HP 是 12-bit （0至4,096灰階），139萬像素分辨率，1套軟件

2  UVP公司的GelDoc-It系統  12-bit, 1360×1024分辨率，140萬像素，  1套軟

3   伯樂公司的Gel DocTM XR是（1,360 x1024）140萬的常溫CCD，靈敏度12bit，3 個數量級的寬線性范圍，升級到化學發光系統可以有的只有暗箱，1套軟件。

其他的品牌市場占有率不高就沒有必要比較了。終上所述kodak的Kodak Gel logic 212和最新推出的Kodak Gel logic 212 PRO絕對是首選。

2化學發光成像分析系統:中有KODAK Gel Logic 1500和KODAK Gel Logic 2200及擁有化學發光成像和基礎多色熒光的KODAK Image Station 4000R系統，其中KODAK Gel Logic 1500屬于經濟型的---其價位低一些常溫CCD的，如果老師想買化學發光成像系統，但是預算不多的可以考慮這一款，真正市場上的主流的是KODAK Gel Logic 2200和KODAK Image Station 4000R系統。

A  KODAK Gel Logic 2200系統是  （21708×1280）20萬像素科學級CCD 傳感器，隨同真16 位成像一起，在同系統價位兼顧高靈敏度與高分辨率，  CCD冷至-29℃（絕對溫度），專為化學發光和弱熒光成像設計，并且線性動態范圍寬至大于4.3OD，增加定量準確度。3套操作軟件，可以使三臺機器聯機使用，成像范圍涵蓋：化學發光、紫外-熒光、有色及可見樣品成像。數據傳輸為火線1394比USB接口快20倍。

B  KODAK Image Station 4000R系統, 使用400萬像素CCD和10倍光學變焦的鏡頭，光學分辨率達到10μP/plxel,以16-bit系統產生超過65000的灰度級，準確體現密度的微小不同。檢測最大范圍的各種標記（化學、熒光、色度以及放射性），和最寬范圍的樣品類型（凝膠、雜交斑點、多孔板、組織和活體標本）。

- 在化學發光、熒光、白光、同位素成像的同時，內置的300-400nm紫外落射激發光源，為紫外熒光成像提供了很好的條件。

- 以專利的放射性磷輔助檢測裝置（radPADD）捕獲放射性標記物的數字影像。

- 可選的X光成像模塊可以共定位解剖的X光圖像言語分子標記圖像。

 

市場是與之競爭的有

1 與KODAK Gel Logic 2200競爭的有Alpha Innotech公司的FluorChem系統和FluorChem CP系統都是是192萬像素，低于環境溫度的-46度，12bit 。1套軟件

2 與KODAK Gel Logic 2200競爭的有UVP公司的EC3或biospectrumAC兩款暗箱和ChemiHR 的CCD,配置為(1600x1200)192萬像素，絕對溫度-28度，USB數據傳輸，14bit ，1套軟件

3 與KODAK Gel Logic 2200競爭的有Bio-Ra的 ChemiDocXRS系統CCD(1392x1040)145萬像素，12 bit，低于環境溫度-45度CCD，標配f/1.2全自動6倍變焦Kodak鏡頭1套軟件，

4與KODAK Image Station 4000R系統競爭的有Alpha Innotech公司的FluorChem SP 系統 12bit ,400萬像素，絕對溫度-28度，FluorChemHD2，16bit ,420萬像素，絕對溫度-25度，1套軟件

5與KODAK Image Station 4000R系統競爭的有UVP公司的EC3或biospectrumAC兩款暗箱和BioChemi HR(500) CCD,14bit,(2048x2048)420萬，絕對溫度-28度，USB數據傳輸，CCD芯片是kodak的。和另一款CCD OptiChemiHR(600),16bit,320萬像素，絕對溫度-35度。

6 其他的產品的市場占有率不高，所以這里不做對不了,并且市場的其他品牌沒有-

以專利的放射性磷輔助檢測裝置（radPADD）捕獲放射性標記物的數字影像。

- 可選的X光成像模塊可以共定位解剖的X光圖像言語分子標記圖像。

 

 

3多色熒光成像分析系統包括

KODAK 4000MM/pro多色熒光成像系統

KODAK Image Station 4000R/Pro 多色熒光成像系統 

1  ：KODAK 4000MM/pro多色熒光成像系統

Kodak系列的多色熒光成像系統上了KODAK 4000MM系列，以后以400萬像素以16-bit系統產生超過65000的灰度級，—檢測最大范圍的各種標記（化學發光、熒光、色度以及放射性），和最寬范圍的樣品類型（凝膠、雜交斑點、多孔板、組織和活體標本）。加上X線和同位素檢測，

外接380-780nm激發光源允許在很寬的范圍內為熒光染料選擇特定波長，大容量可容納動物的上蓋，可接受體外和體內（活體）成像的標本。并且可以直接升級到大型的活體成像系統，這些功能加起來市場上已經少有對手了。

 

4多功能活體成像分析系統：

型號有：1 Digital X-Ray Specimen System 4000 Pro為全自動系統；

Digital X-Ray Specimen System 4000為手動系統，全球選用最多型號，操作極為方便；

2 in-Vivo Imaging System Fx Pro為全自動系統；
In-Vivo Imaging System Fx 為手動系統，選用最多的型號，操作極為方便；

3 In-Vivo Multispectral Imaging System Fx  

上了活體以后kodak已經是分子成像系統和數字成像系統結合的頂級制造商了，

 

注：以上觀點是本人的參考各方數據書寫的如有不妥或錯誤之處還請各位同仁和老師糾正。不勝感激。2009-5月于湖南長沙