如何选购凝胶成像分析系统

如何选购凝胶成像分析系统

 

关键词：

凝胶成像分析系统   化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，多功能活体成像分析系统

 

一 、前言：

分子生物学作为一门基础科学，分子生物学已渗透到现代生物学的各个学科分支，随着生物学理论与实验方法的不断进步，它的应用领域也在不断扩大。现在，生物学的影响已经扩展到食品、化工、环境保护、能源、冶金等等诸多领域的发展。

生物学的分支学科各有一定的研究内容而又相互依赖、互相交叉。此外，生命作为一种物质运动形态，有它自己的生物学规律，同时又包含并遵循物理和化学的规律。因此，生物学同物理学、化学有着密切的关系。生物分布于地球表面，是构成地球景观的重要因素。因此，生物学和地学也是互相渗透、互相交叉的。

 

二、如何选购购凝胶成像分析系统

数字影像技术讯速发展,成为数码产品及分子影像产品的风向标，灵敏度越来越高，自动化程度也更高，设计也更加人性化，逐渐变得像傻瓜照相机一般易用。另外，外型也更加小巧、时尚。分子成像分析系统的实际应用逐渐的普遍化，市场上有很多种分子影像成像分析系统，如何选购呢？长沙雅力生物科技有限公司为您指明方向！

（一）、根据产品应用范围来区分：

1、普通凝胶成像分析系统：适用于对蛋白凝胶电泳(考马斯染色，银染)等可见光样品，以及DNA/RNA（EB、TLC plates、SYBR Green）等紫外；进行图象采集并进行定性和定量分析；

2、化学发光成像分析系统：适用于化学发光/紫外光/可见光凝胶成像分析系统，如ECL、ECL PLUS、Southern、CDP Star、CSPD、Northern和Western杂交的化学发光等各种化学发光暴光后的样品检测；

3、多色荧光成像分析系统：适用于荧光/化学发光/可见光凝胶成像分析系统，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、荧光板等的样品检测；

 

4、多功能活体成像分析系统：适用于生物发光（bioluminescence）与荧光（fluorescence）两种技术。生物发光是用荧光素酶(luciferase)基因标记细胞或DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团（GFP、RFP）,或 Cyt及dyes等荧光染料进行标记；

 

三、凝胶成像分析系统的组成

凝胶成像系统的基本骨包含：CCD相机，暗室和分析软件。不过其功能不仅仅限于对琼脂糠凝胶进行成像，现在的成像仪趋向于多功能化，还适用于蛋白胶、发荧光的胶、印迹膜和菌落平板等应用。在Western Blot方面，高性能的CCD分子成像系统能与胶片媲美。

CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的英文名称缩写，是一种光电转换器件。是凝胶图像系统的核心部件。绝大多数对数码相机都有一定的了解，不少人还是这方面的专家。有人把数码相机的像素看得很重，但比较之后发现，有些400万、500万像素的相机拍出来的片子没有300像素的机子拍出来的好，这是为什么？

其实，影响成像的因素很多，衡量CCD好坏的指标，有分辨率，CCD尺寸，动态范围,灵敏度，量子效率，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD感光器件的面积越大，也即CCD面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

为了方便您更了解CCD的大小，现列举目前市场上所应用的CCD规格如下：

　　1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。

　　2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。

　　1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。

　　1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。

1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。

CCD的分辨率由低到高：从45万左右，100万左右，140万左右，200万左右，300万左右，400万左右，500万左右，甚至还有更高的，根据CCD的温度有可以分为常温CCD相机和制冷CCD相机，制冷CCD：在相同满井电子的CCD，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Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超过5-10秒，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。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。

 

（1）、分辨率
分辨率的大小和像素值是分不开的，像素指得是CCD能分别的最小的感光元件，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，下面会慢慢提到的。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，那么像素合并的意义是什么呢？

    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，如图所示分辨率为795512，像素大小为9u,当经过22合并后，变成398256，像素大小为18u.33合并后，变成265170，像素大小为27u,灵敏度提高9倍，这样每个像素大小为27u.

 

（2）、动态范围值
动态范围表示在一个图像中最亮与最暗的比值。
灰阶表示在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，如图下面这张图片人眼只能分辨出40个灰阶，而对于一台12bit的仪器能分辨出4,096个灰阶。值得一提的是，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。

 

 

 

12bit与16bit在图像分辨上的区别

 

对动态范围进行量化需要一个运算公式，即动态范围值 = 20 log (well depth/read noise)，其中Well depth代表是满井电子，是CCD饱和时能接受的电子信号总值，read noise是读出噪声（以电子数来表示），每个CCD在读数的过程中都会产生噪声，噪声越小，监测灵敏度越高。其中满井电子与CCD的bit值是相关的，通常下，bit值越高，满井电子的数值越大。

举例如下：

Well depth = 85,000 个电子, read noise = 12 个电子

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

动态范围的值越高CCD性能越好.

 

（3）、量子效率  

CCD的量子效率也称像素灵敏度，指在一定的曝光量下,像素势阱中所积累的电荷数与入射到像素表面上的光子数之比。不同结构的CCD其量子效率差异很大。比如100光子中积累到像素势阱中的电荷数是50个，则量子效率为50％（100 photons = 50 electrons means 50% efficiency）。值得注意的是CCD 的量子效率与入射光的波长有关。

 

（4）、信噪比
  
    说到信噪比就不得不提到暗电流了，
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。下图表明了暗电流与温度的关系，从图中我们可以看出，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。
以上是关于CCD的原理和影响因素的一些介绍，

 

（５）、光学镜头

光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。光学镜头规格繁多，有时不免头晕。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等。

 

（6）滤光镜片

荧光：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、荧光板等

   （要根据具体的激发光源和滤镜来决定）

（7）、数据传输

IEEE1394总线是一种目前为止最快的高速串行总线，火线（IEEE1394）支持的传输速率有100Mbps,200Mbps，400Mbps，最高的传输速度为400Mbps/s。对于各种需要大量带宽的设备提供了专门的优化，接口可以同时连接63个不同设备，IEEE1394同USB一样，支持带电插拨设备。IEEE1394同样支持即插即用，现在的WIN98 SE、WIN2000、WIN ME、WIN XP都对IEEE1394支持的很好，在这些操作系统中用户不用再安装驱动程序，也能使用IEEE1394设备。

 

（8）、软件功能

不论何种计算机，它们都是由硬件和软件所组成，两者是不可分割的。人们把没有安装任何软件的计算机称为裸机。凝胶成像分析系统也不例外，硬件设备再好，如果不配上好的软件，也无法发挥它应有的功能。作为凝胶成像系统软件功能和用途都基本相似，这里我们介绍一下最关注的几个特点：

 

A、软件的基本功能：可对不同样品，如条带，斑点，细菌克隆，芯片，细胞或者活体动物等，进行定性、定量分析，加批注，输出图像等操作。

B、图像采集方式：对于化学发光或多色荧光产品，软件应具备电影模式，可以进行图像多祯累计功能来增强线性动态范围和数据准确度。

C、操作简便，软件应具备操作辅助工具，使软件操作更简单易用。最好采用三步式泳道及条带分析可以快速计算蛋白质和核酸的分子量及含量。

D、数据库功能也是必不可少的，这样可以检索、分类或比较所有生成的图像。可利用不同的显示算法程序图像化显示条带差异。

E、曝光方式：应采用单一曝光、多重曝光，累计曝光，延时（定时）曝光多种模式可选。

F、记忆功能：软件能记忆并自动调用成像数据，这样你不用每次设置就能获得重复性好的结果。

G、软件应配备两套以上，使用单机版，多用户版或网络版，用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。

五、选择

现在分子影像成像分析系统的选择大致来看有这样的趋势：

1专业研究分子生物学的在以前已经装配了普通凝胶成像分析系统，这两年有一些有远见教授或者研究到化学发光成像和多色荧光成像方向的实验室已经装配了，化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，这有部分已经有一定的数量了。极少数实验室也装配了多功能活体成像分析系统，这在全国是属于极少数的。

 

2 第二类是研究和生物相关的交叉和边缘学科实验室，才刚刚装配普通凝胶成像分析系统，并且这部分老师对分子影像成像分析系统还没有完整的了解和系统的操作，他们选择子影像成像分析系统更没主意。

 

3 从现在大的发展方向来看，专业研究分子生物学的已经在普通凝胶成像分析系统的基础之上开始向化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统走的趋势，但是在这中间有一个很大的问题就是绝大多数的老师很想向化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，做并且他们有很多已经做到这个方向，但是这些老师没有接触过过化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，对他们的具体的功能和操作都没有足够的知识，特别是在荧光染料的选择上面和实际的动物及各种样本的处理方面有一定得难度。

 

4 基于上面的三点所以分子影像成像分析系统的选择应该遵循以下这样的几个原则

 

A 分子影像成像分析系统的厂商的产品线要拥有普通凝胶成像分析系统   化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，多功能活体成像分析系统这些比较长的产品线，这样可以给老师足够的选择空间。并且可以从普通凝胶成像分析系统可以升级到化学发光成像分析系统的空间，从化学发光成像分析系统升级到多色荧光成像分析系统的空间，从多色荧光成像分析系统升级到多功能活体成像分析系统的空间。

B 选择的品牌应该拥有自主生产分子影像成像分析系统的主要零部件的能力，特别是CCD的生产，滤光镜片和多功能软件这些主要部分，这样可以为客户以后的维修零部件的价格较低和质量的保证，同时这样的厂家整套仪器的价位也可以有所降低，

C 分子影像成像分析系统的品牌最好同时拥有分子影像成像系统和数字成像系统生产能力，或者有分子影像成像系统和数字成像系统相结合的产品，因为现在的数字成像系统已经在各个领域应用非常的广泛，以后分子影像成像系统和数字成像系统相结合一定是一个新的趋势，

D 分子影像成像分析系统的品牌选择，特别是在选择化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，多功能活体成像分析系统的时候，特别要注意品牌是否有强大的技术支持才可以，因为现在化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，多功能活体成像分析系统还没有普遍，这些方面的知识和技术还不普遍，特别是，多功能活体成像分析系统更是如此。

 

六、小结

 

终上所述本人推荐的品牌就是Kodak系列的分子影像成像分析系统，他拥有以上我所讲

的所有优点：

A Kodak系列拥有从普通凝胶成像分析系统   化学发光成像分析系统，多色荧光成像分析系统，到多功能活体成像分析系统。甚至拥有享誉世界品质的CR，DR 成像系统。

B Kodak是科研CCD和分子影像成像分析系统其他配件的顶级生产商，包括Alpha Innotech公司，UVP公司和一些做高端一些的采用CCD都是kodak生产的，包括伯乐的镜头也是kodak的

C Kodak公司在中国的上海拥有面向亚太区的技术支持中心

产品的比较

 

七、以下就把kodak系列的产品资料和其他市场占有率还可以的品牌给各位做一个对比一份作为参考；（内容与数据都来自厂家或网络，各位老师在在网上都可以查到）

1普通凝胶成像分析系统：

其中kodak的Kodak Gel logic 212和最新推出的Kodak Gel logic 212 PRO都是比较经典的分析系统：他们都用（1392X1032）145万左 右的常温CCD，灵敏度16bit，动力学范围: ≥4个数量级，检测灵敏  度：0.03ng EB染色双链DNA， 其区别于他家的优秀特点是密封暗  箱可用于化学发光检测，软件系统只需要开放其化学发光检测模块即  可用于化学发光检测。提供整套的升级包。一台主机陪两套软件，可  以做两台机器的资源共享，本系统可以升级到做化学发光成像系统的  KODAK Gel Logic 1500化学发光成像系统,，KODAK Gel Logic 220  0化学发光成像系统，另外他的传递图像和数据系统有的1394的火线 系统，他的速度是USB接口的20倍。

市场上与之竞争的有

1  Alpha Innotech公司的AlphaImager HP 是 12-bit （0至4,096灰阶），139万像素分辨率，1套软件

2  UVP公司的GelDoc-It系统  12-bit, 1360×1024分辨率，140万像素，  1套软

3   伯乐公司的Gel DocTM XR是（1,360 x1024）140万的常温CCD，灵敏度12bit，3 个数量级的宽线性范围，升级到化学发光系统可以有的只有暗箱，1套软件。

其他的品牌市场占有率不高就没有必要比较了。终上所述kodak的Kodak Gel logic 212和最新推出的Kodak Gel logic 212 PRO绝对是首选。

2化学发光成像分析系统:中有KODAK Gel Logic 1500和KODAK Gel Logic 2200及拥有化学发光成像和基础多色荧光的KODAK Image Station 4000R系统，其中KODAK Gel Logic 1500属于经济型的---其价位低一些常温CCD的，如果老师想买化学发光成像系统，但是预算不多的可以考虑这一款，真正市场上的主流的是KODAK Gel Logic 2200和KODAK Image Station 4000R系统。

A  KODAK Gel Logic 2200系统是  （21708×1280）20万像素科学级CCD 传感器，随同真16 位成像一起，在同系统价位兼顾高灵敏度与高分辨率，  CCD冷至-29℃（绝对温度），专为化学发光和弱荧光成像设计，并且线性动态范围宽至大于4.3OD，增加定量准确度。3套操作软件，可以使三台机器联机使用，成像范围涵盖：化学发光、紫外-荧光、有色及可见样品成像。数据传输为火线1394比USB接口快20倍。

B  KODAK Image Station 4000R系统, 使用400万像素CCD和10倍光学变焦的镜头，光学分辨率达到10μP/plxel,以16-bit系统产生超过65000的灰度级，准确体现密度的微小不同。检测最大范围的各种标记（化学、荧光、色度以及放射性），和最宽范围的样品类型（凝胶、杂交斑点、多孔板、组织和活体标本）。

- 在化学发光、荧光、白光、同位素成像的同时，内置的300-400nm紫外落射激发光源，为紫外荧光成像提供了很好的条件。

- 以专利的放射性磷辅助检测装置（radPADD）捕获放射性标记物的数字影像。

- 可选的X光成像模块可以共定位解剖的X光图像言语分子标记图像。

 

市场是与之竞争的有

1 与KODAK Gel Logic 2200竞争的有Alpha Innotech公司的FluorChem系统和FluorChem CP系统都是是192万像素，低于环境温度的-46度，12bit 。1套软件

2 与KODAK Gel Logic 2200竞争的有UVP公司的EC3或biospectrumAC两款暗箱和ChemiHR 的CCD,配置为(1600x1200)192万像素，绝对温度-28度，USB数据传输，14bit ，1套软件

3 与KODAK Gel Logic 2200竞争的有Bio-Ra的 ChemiDocXRS系统CCD(1392x1040)145万像素，12 bit，低于环境温度-45度CCD，标配f/1.2全自动6倍变焦Kodak镜头1套软件，

4与KODAK Image Station 4000R系统竞争的有Alpha Innotech公司的FluorChem SP 系统 12bit ,400万像素，绝对温度-28度，FluorChemHD2，16bit ,420万像素，绝对温度-25度，1套软件

5与KODAK Image Station 4000R系统竞争的有UVP公司的EC3或biospectrumAC两款暗箱和BioChemi HR(500) CCD,14bit,(2048x2048)420万，绝对温度-28度，USB数据传输，CCD芯片是kodak的。和另一款CCD OptiChemiHR(600),16bit,320万像素，绝对温度-35度。

6 其他的产品的市场占有率不高，所以这里不做对不了,并且市场的其他品牌没有-

以专利的放射性磷辅助检测装置（radPADD）捕获放射性标记物的数字影像。

- 可选的X光成像模块可以共定位解剖的X光图像言语分子标记图像。

 

 

3多色荧光成像分析系统包括

KODAK 4000MM/pro多色荧光成像系统

KODAK Image Station 4000R/Pro 多色荧光成像系统 

1  ：KODAK 4000MM/pro多色荧光成像系统

Kodak系列的多色荧光成像系统上了KODAK 4000MM系列，以后以400万像素以16-bit系统产生超过65000的灰度级，—检测最大范围的各种标记（化学发光、荧光、色度以及放射性），和最宽范围的样品类型（凝胶、杂交斑点、多孔板、组织和活体标本）。加上X线和同位素检测，

外接380-780nm激发光源允许在很宽的范围内为荧光染料选择特定波长，大容量可容纳动物的上盖，可接受体外和体内（活体）成像的标本。并且可以直接升级到大型的活体成像系统，这些功能加起来市场上已经少有对手了。

 

4多功能活体成像分析系统：

型号有：1 Digital X-Ray Specimen System 4000 Pro为全自动系统；

Digital X-Ray Specimen System 4000为手动系统，全球选用最多型号，操作极为方便；

2 in-Vivo Imaging System Fx Pro为全自动系统；
In-Vivo Imaging System Fx 为手动系统，选用最多的型号，操作极为方便；

3 In-Vivo Multispectral Imaging System Fx  

上了活体以后kodak已经是分子成像系统和数字成像系统结合的顶级制造商了，

 

注：以上观点是本人的参考各方数据书写的如有不妥或错误之处还请各位同仁和老师纠正。不胜感激。2009-5月于湖南长沙