凝胶成像基础知识.

凝胶成像系统基础知识

凝胶成像系统包括成像系统和分析凝胶图片的软件系统。我们在选购时需要分别从这两个部分来考察凝胶成像系统的功能参数。

如果您主要用它来拍普通核酸胶或蛋白胶，那么几乎市场上所有的成像仪都可以很好的满足您的需求。这时除了价格这个决定因素外，能比较的也就是一些操作是否简便等不太重要的指标了。

但是对于准备做化学发光的用户，他们需要对敏感度要求高，同时还要求比较宽的动态范围。因为要想捕获到微弱的化学发光，需要上佳的CCD相机和镜头。

一般来说，CCD相机的冷却温度和背景噪音息息相关，温度越低，噪音就越低。因此，-25℃的绝对制冷温度是对相机的第一个要求(更低的温度，噪音降低效果不明显，而量子效率又会受很大影响);另外，较大的像素能够提供更高的捕光效率;所以对于相同大小的CCD芯片，需要注意像素的尺寸。

镜头的参数就简单了，由于我们只需要观察近距离的样品，而且一般可以调整样品位置(有些厂家甚至提供电动样品升降平台)，所以基本无需选择长镜头或者变焦镜头;但是，由于我们需要检测微弱的化学发光，镜头的光圈则至关重要，一般F值越小，其通光量越大，而且成平方反比关系，因此我们一般需要选择光圈F值尽量小的镜头。另外，如果镜头是电动的，我们可以省却打开机箱，反复手工调整光圈和聚焦等的烦恼。

其他我们需要考虑的包括光源、滤光片和暗箱等部件。光源的种类和发光的均一度，滤光片的数量和暗箱的遮光效果等均在我们的考虑范围之内。当然，一般如果成像仪的CCD和镜头配置不错，一般这些部件也不会太差。

在选择凝胶成像系统时，我们关注的问题通常有以下一些方面：

1、像素越高是不是成像更清晰，产品就越好?

像素是要针对成像设备来看的，其实CCD本身的质量比单纯的像素高低更重要。对于同级别CCD来说，最重要的指标是CCD的尺寸大小，尺寸越大其本身价值就成几何倍地增长。

2. CCD和CMOS有什么区别，哪种芯片更好?

CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。

从原理上，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。

但CCD制造工艺较复杂，采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。

在成像方面，相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于CMOS低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。

现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的CMOS 一般分辨率低而成像较差。

目前的情况是，许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片，成像质量比较差。普及型、高级型及专业型数码相机使用不同档次的CCD，个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。

CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论，但一般而言，普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。

3、如何看待CCD的一些主要技术参数?

CCD的主要技术参数有CCD尺寸，有效像素，信噪比，采集位数等。其中CCD尺寸与信噪比都是影响成像的关键因素，尺寸越大能接受的信号就越多。而热噪音越低，信噪比就越高，成像质量也就越好。采集位数指色彩灰度的表达范围。如采集位数为8则表示有2的8次方数量的灰度来还原色彩。

4.什么是分辨率，它与像素值有什么关系?

分辨率的大小和像素值是分不开的，像素值是指CCD能分辨到的最小的感光元件，我们平时说的多少万像素就是这些感光元件的个数了。

所以一般来讲像素越多，成像也就越清晰细腻，当然这其中还要受许多因素限制。但是高像素也不一定是好的CCD，其原因就是像素大小(PixelSize)，也是很重要的因素，相同数目的像素，排列越密集，像素之间就越容易出现电流干扰，容易出现"噪点"等干扰成像质量的现象出现。由于制造工艺的限制，增加尺寸，成本将会以几何级数提高。

现在大部分厂家的CCD为了提高图像的灵敏度，会使用像素合并的技术，像素合并是一种非常有用的功能，它可被用来提高像素的大小和灵敏度。

5.什么是动态范围值，它如何反映CCD的性能?

动态范围决定着你能否同时在一张胶上同时看到强的信号和弱的信号，而且他们之间能保持比较好的定量关系。一般动态范围采用数量级来表示，这个数越大，表明动态范围越宽。

灰阶表示一种表征光亮度的方法，12bit表示从最暗到最亮等分为212=4096个级别，16bit即分为216个级别，可见bit值越高能分出的细微差别越大。目前来说，市场上主流的凝胶成像的CCD以12bit为主，16bit的仪器一般情况下，分辨率均在200万像素左右，对于真正的16bit，而像素值又近400万的CCD是非常少见的。

简单的说，动态范围表示在一个图像中最亮与最暗的比值。动态范围的值越高CCD性能越好.

6. 为什么需要制冷CCD，它适用于哪些情况?

在曝光超过5-10秒时，CCD芯片就会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像到处可见雪花。

在相同满井电子的CCD情况下，降低CCD噪音，就能提高CCD的监测能力，热或者暗电流对于CCD都是噪音，噪音在制冷 CCD中基本都可以被深度致冷的Peltier消除。

CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。当然通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。

制冷CCD的适用性：荧光及化学发光本身较弱，所以对CCD噪音的降低要求很高，应选用高分辨率数字冷却CCD相机结合高通透镜头系统，使其能够捕获到信号极其微弱的荧光及化学发光样品图像，并且能够最大程度的降低噪音，减少背景，提供出色的图像清晰度。

另外可选激发光源及多位滤镜轮扩大了荧光/化学发光成像的应用范围。所以一般在荧光及化学发光观察时需要选择制冷CCD。所以制冷CCD相机绝对是高端分子影像成像分析系统的未来的发展趋势和必须要求。

7.什么是信噪比和暗电流，它与CCD有什么关系?

提到制冷CCD ,我们就必须提到另外一个参数就是信噪比, 图象的信噪比应该等于信号与噪声的功率谱之比;说到信噪比就不得不提到暗电流了，因为暗电流是导致CCD噪音的很重要的因素。

暗电流指在没有曝光的情况下，在一定的时间内，CCD传感器中像素产生的电荷。我们在做化学发光检测的时候，需要的曝光的时候比较长，这样导致CCD产生较多的暗电流，对图像的质量影响非常大。

通常情况下，通过降低CCD的温度来最大限度的减少暗电流对成像的影响。CCD产生的暗电流随着温度下降而减少，但是在-23℃下曲线开始趋于平缓，由此可以看出温度并非需要无休止的降低的。所以在选择冷CCD时，温度在-25℃(绝对温度，非室温以下)下一般就可以达到您的要求了。

有的CCD是在图像最终生成后，通过软件去背景来扣除暗电流，对于信号远远强于背景的有一定效果，但是对于弱信号处理过程中会产生越来越多的错误。

8.什么是量子效率?