活体生物发光成像系统CCD选择指南

近年来兴起的活体生物发光成像技术随着背部薄化、背照射冷CCD技术的产生而产生，并随着该CCD技术的发展而发展。由于具有更高量子效率CCD的问世，使活体生物发光技术具有更高的灵敏度，可以方便的应用到肿瘤学、基因表达和药物开发等各方面。

从市场分析的角度，xenogen公司首先利用了先进的CCD技术来检测活体动物的生物发光，但是该技术的核心部件CCD并不是该公司的核心。进入该领域的技术和价格壁垒是CCD的性能与成本，决定活体成像市场格局的将是CCD的性能与成本优势。

在活体成像的应用中，选择正确的CCD是非常重要的。那么选择什么样的CCD最合适活体生物发光检测呢？目前有两种CCD用于生物发光的检测：强化CCD（intensified CCD）和背部薄化、背照射冷CCD（back-thinned，back-illuminated，cooled CCD）。

根据光学原理，在可见光波段，波长越长越容易穿过组织。由于荧光素酶与底物作用发光的波长在600nm左右（见图1），为了检测到几厘米厚的光源，CCD必须在波长大于600nm波段具有很高的灵敏度和量子效率以及最低的噪音。

强化光子计数CCD对于生物发光应用来说，是大众化的选择。高捕获成像的强化CCD在很低噪音的情况下可以检测到单个光子。然而这些CCD需要频繁的装备bialkali光阴极，只有很低的量子效率，在450nm波段处的量子效率只有10～15%，在650nm波段降为1%（见图2）。

Mulitialkali 和GaAs光阴极在600nm以上有很高的量子效率，但同时又碰到热噪音和冷却的难题。且很难得到大的检测面积。

Roper scientific公司是世界上最优秀的高性能CCD研发与生产制造商，为Xenogen、UVP、Leica、Olmpus、Bio-rad等公司提供高性能CCD。公司研发的背照射冷CCD技术使得活体生物发光和荧光成像技术得以实现，使得科学家有机会直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。

Cryogenic 的制冷技术可以使CCD的温度达到-70度到-105度，那样的温度可以使背照射冷CCD的暗电流减少到可忽略不计的水平。该CCD的-5erms的电子噪音代表了最小的噪音底线，信号强度肯定会大于那样的噪音水平，使该CCD具有很高的信噪比，检测的特异性很强（见图3）。

另外，更高的空间解析度是背照射冷CCD的另一优势。新款CCD相机PIXIS代表了Roper scientific公司最新的CCD研究成果，在500～700nm波段具有95%以上的量子效率，大大提高了检测的灵敏度，将极大的有利于活体生物发光成像技术的发展（见图4）。

如上所述，由于强化CCD与背照射冷CCD在灵敏度、量子效率及信噪比方面的显著差异，决定了背照射冷CCD是生物发光成像的最佳选择。早在生物发光成像技术诞生之初，早就有科学家对两者进行了比较（见图5）。

图5强化CCD与背照射CCD在检测灵敏度方面的效果比较
（资料来源：Rapid in vivo functional analysis of transgenes in mice using whole
body imaging of luciferase expression Transgenic Research 10： 423–434， 2001.）

由于卓越的背照射冷CCD技术的问世，科学家利用此技术进行了大量的研究，才使近年来产生了大量的高水平的应用活体成像技术进行肿瘤学、基因治疗、流行病学等研究的文献，极大的促进了生物医学在分子成像方面的发展。