荧光显微镜为什么要用单色相机？
2025-09-29 来源:本站 点击次数:57先来看一个DEMO案例
以上是我们使用的蔡司Axiozoom V16宏观荧光体式镜，APO物镜，样品是用户提供的双标线虫荧光样本，上图是采用彩色相机拍摄的，下图为滨松Flash 4.0 LT3 sCMOS黑白相机拍摄的相同样品；通过对比可以明显的看出，在相同的条件下，下图展示的细节更多，弱信号也能很好的展现出来，用户也对黑白相机赞不绝口。
那有些小伙伴就产生疑问了，为什么我们生活中常见的彩色相机捕捉图像的能力反而不如很少接触过的黑白相机呢？黑白相机又是通过什么方式在拍摄荧光图像时效果好于彩色相机呢？带着这些疑问，下面小编就来为你一一解答。
核心原因：光子捕获效率
在拍摄日常的照片时，因为光信号充足，我们都会使用彩色相机，保证拍出的照片美美哒。但在科研领域，荧光信号有强有弱，有些弱表达肉眼几乎不可见。相机只有最大限度的捕获光子，将其转化为电信号，才能保证优质的图像质量。彩色相机的传感器前覆盖了一层名为拜尔滤镜的网格，这个网格是由红（R）绿（G）蓝（B）三种滤镜组成，每个像素点只能接受一种颜色的光。例如，一个针对绿色荧光（如FITC）的光子，如果它照射到一个红色或蓝色的滤镜像素上，这个光子大概率会被吸收或反射掉，无法被传感器捕获。只有落到绿色滤镜上的光子才有机会被利用。粗略估算，由于拜尔滤镜会阻挡约2/3的入射光，彩色相机在捕获特定波长光子时，有高达50%-75%的光子损失。而单色相机没有这层滤镜，它的每一个像素点都能接受所有特定颜色的光子，灵敏度也就高于彩色相机。
彩色相机的滤光片图层
基于上述核心原理，黑白相机在荧光成像中表现出了显著的优势。我们知道决定相机与图像质量的参数是信噪比和分辨率。
信噪比公式：SNR=
P:单位时间内入射光子数目，QE:量子效率，t:曝光时间
在曝光时间和光照强度相同的条件下，黑白相机的QE值高于彩色相机，黑白相机可以捕获到更多有效的光子，使得图像信噪比显著提升，弱信号更能被捕获。如果要达到相同的信噪比，黑白相机所需要的曝光时间就远远小于彩色相机，也必然减少了光损伤和荧光淬灭。
彩色相机在生成彩色图像时，需要通过反马赛克插值算法来计算每种像素点缺失的颜色信息，这个过程会影响图像的真实分辨率。黑白相机会真实的记录信息，无需再进行计算，得到的图像也是最真实的分辨率。彩色相机因为前端多一个拜尔滤片，所以在感光度、干涉现象、动态范围领域都逊于黑白相机。
以上光学成像的知识比较枯燥，那么不如就来看看以下总结对比表吧：
|
特性 |
黑白相机 |
彩色相机 |
|
光子效率 （QE值） |
大于80%，每个像素捕获所有光 |
~25-50%，滤镜会阻挡大部分光 |
|
灵敏度 |
极高，适合微弱荧光 |
较低，会损失大部分信号 |
|
信噪比 |
高 |
较低 |
|
分辨率 |
真实分辨率，无插值影响 |
经插值处理，分辨率有损失 |
|
多色荧光 |
首选，通道之间无干扰 |
不推荐，滤镜会导致串染 |
|
成像速度 |
快 |
需要更长曝光时间 |
我们应该如何选择相机？
1. 细胞或者组织荧光成像
尤其是需要捕捉弱荧光的成像:FISH/ISH/TIRF/Lightsheet/钙成像/电生理成像等，建议使用QE值大于80%的单色相机（例如：滨松 Flash 4.0 LT3 sCMOS）；如果需要采集活细胞的快速实验或者活的模式动物的实验，建议选择100帧/秒的Flash 4.0 V3相机。（以下为案例）
斑马鱼 400 帧/秒
荧光/DIC同步高速成像
显微镜：Olympus BX53
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
分光器：Hamamatsu W-View GEMINI
荧光/DIC同步高速成像
显微镜：Olympus BX53
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
分光器：Hamamatsu W-View GEMINI
显微镜：Nikon FN1红外DIC 荧光成像
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
物镜：40x Water
显微镜：ZEISS Examiner红外DIC 荧光成像
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
单位：复旦大学
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
单位：复旦大学
通过IR-DIC找到合适位置并插入电极，之后同步进行电信号的采集以及神经元内钙离子荧光信号的采集。这样可以做到电信号与钙离子浓度数据的相互印证。
2. 普通细胞转染和TSA免疫荧光成像
建议选择能够制冷的单色相机，例如：FOCELL的FC20M单色相机就能满足。
3. 确实有彩色图像的采集需求
有些老师提出，除了荧光采集的要求外，确实有彩色图像的采集要求，那么可以在显微镜上配上一个双相机出口，再配一台彩色相机，价格也很便宜。
显微镜：ZEISS Examiner红外DIC 荧光成像
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
单位：复旦大学
关于孚森
相机：Hamamatsu Flash 4.0 LT
单位：复旦大学
关于孚森
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