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。

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。

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。

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！