高QE sCMOS相机在SIM超分辨显微成像中的应用

1实验背景

细胞是生命科学领域基本功能单元，解析亚细胞器及细胞骨架等精细结构是研究重点。传统光学显微镜受制于衍射极限，难以清晰呈现100nm尺度的细胞精细结构，结构光照明显微是一种宽场超分辨成像技术，通过空间调制照明与频域重建算法，可将横向分辨率提升至~100nm，成为细胞超分辨率成像新路径。

SIM需在极低光毒性条件下实现活细胞高速动态成像，故对成像系统灵敏度、噪声控制、时间分辨率要求极高，某课题组采用中科君达视界自研的千眼狼sCMOS相机Gloria 4.2，量子效率高达95%，开展对生物细胞骨架的超分辨动态成像实验。

2实验目标

I. 评估sCMOS相机在SIM超分辨显微镜中对百纳米尺度细胞样本的成像能力。 

II.评估sCMOS相机在低曝光（低光毒性要求）时间下的信噪比表现。

3实验方法

实验使用倒置荧光显微镜，集成SIM超分辨成像模块。样本为荧光标记的细胞骨架，经标准制备后固定于载物台上。图像探测采用千眼狼Gloria 4.2 sCMOS相机，设置ROI分辨率为960×368，Binning模式2×2（提升灵敏度），曝光时间10 ms，帧率100 fps，使用外触发同步，读出模式选用CMS低噪声模式，以优化图像信噪比。

4实验数据解析

4.1成像性能解析：

10 ms曝光条件下，千眼狼Gloria 4.2相机可实现100 fps帧率采集，优于同条件下EMCCD相机，后者仅支持10 ms内30 fps采集帧率，图像数据获取效率较低。 

4.2 图像质量解析：

• 单帧图像：10 ms曝光下，sCMOS相机捕捉的图像计算重构后可呈现细胞骨架的轮廓微丝网络结构（图1），纤维走向、分支结构等特征初步可辨识，清晰可见微管纤维的局部交叉点且无拖影现象，证明低光强下拥有95%高QE、100 fps采集帧率的sCMOS相机可有效捕获微弱荧光信号。

  

图1

• 合成图像：经SIM算法重建后，合成图像分辨率达到约100 nm，突破衍射极限，使得微管纤维的分支点、交叉形态清晰可辨，且凭借Gloria 4.2相机高动态范围（16 bit），合成图像在弱信号区域（如细胞基质）与强信号区域（荧光团聚集处）均表现出良好的线性响应与细节保留能力，未出现饱和现象。

图2

本次实验成功将高量子效率 95%的sCMOS相机 Gloria 4.2集成于SIM超分辨显微系统，实现了在100 fps下对细胞样本的百纳米级分辨率成像。实验结果表明，中科君达视界自研的千眼狼sCMOS相机适用于低光毒性、低噪声、高速的生命科学领域图像探测任务。