核心内容摘要
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基于单分子荧光成像技术利用sCMOS相机Gloria 1104在16 bit HDR模式下集成倒置荧光显微镜对甘油-水溶液中单分子荧光小球的双螺旋布朗运动轨迹进行实时成像与追踪。
实验结果表明sCMOS相机可在大视野、高信噪比及弱信号下采集数据有效支撑单分子荧光动力学研究及相关前沿应用。
1 实验背景单分子荧光技术能够在单分子水平上实时揭示生物大分子的动态行为及微观环境变化在生物物理研究中追踪如双螺旋结构等复杂分子的布朗运动对于理解生命科学前沿的分子互作机制具有重要意义。
然而单分子荧光信号极其微弱易受背景噪声干扰对成像系统提出严苛要求高灵敏度以捕获接近光子统计极限的微弱荧光信号低读出噪声以避免淹没单分子信号大视野与高时间分辨率以支持轨迹统计与动力学分析高动态范围应对局部亮点与暗背景共存的场景2 实验简介
1 实验方法实验采用宽场荧光显微成像方式对分散于甘油-水混合溶液中的单分子荧光小球进行连续时间序列采集通过控制溶液黏度与激发强度使荧光小球在布朗运动下呈现出具有空间结构特征的双螺旋运动轨迹。
2 实验环境光学平台采用高精度隔振光学平台以消除环境干扰。
显微系统采用尼康倒置荧光显微镜配备100x物镜确保光子收集效率最大化。
激发光源532 nm激光作为激发光源针对荧光目标进行精准激发。
实验对象甘油-水溶液中的单分子荧光小球。
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3 实验工况sCMOS相机型号千眼狼Gloria 1104读出模式HDR图像位深16 bit采集帧率10 fps采集画幅2048×512BIN模式2×2用于提升信噪比3 实验发现实验结果显示上述工况下千眼狼Gloria 1104 sCMOS相机获取了高质量的单分子图像结构特征捕捉在时间序列图像中图2~5依次为
1 s-
7 s-
2 s-
5 s捕捉sCMOS相机清晰捕捉到单分子的双螺旋形态反映受限布朗运动与微观环境耦合结果。
高动态表现HDR模式在保持弱信号可见性的同时有效避免了局部亮点饱和。
信噪比表现在10 fps采集帧率条件下sCMOS相机Gloria 1104读出噪声未对单分子信号造成明显干扰目标荧光信号在暗背景下具有良好的对比度为后续的定量轨迹重构与动力学建模提供了数据基础。
大视野表现Gloria 1104提供2048×2048大视野支持单次采集图像记录中覆盖更多单分子样本提高实验效率与统计学意义。
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实验结论实验验证了sCMOS相机在单分子荧光成像中的可行性与差异化优势。
Gloria 1104在高增益、HDR模式下能够兼顾弱信号探测能力与高动态范围需求实现对单分子双螺旋布朗运动的稳定观测成像数据满足后续轨迹分析与动力学建模要求该方案可用于单分子荧光动力学相关研究。
附 sCMOS相机Gloria 1104与主流EMCCD单分子成像设备对比单分子成像设备技术对比Revealer Gloria 1104sCMOSvs Andor iXon Ultra 888 (EMCCD)