UltraView ERS系列高速激光共聚焦活细胞成像系统
采用先进的同步控制技术,实现高性能的活细胞成像


系统简介

          当研究观察活细胞/活体样本的微观过程或结构时,试验纪录的各种操作过程必须协调一致。这就需要各种操作准确的同步工作。当这些过程精准一致的工作时,我们就能获得活细胞动态过程的多色彩,高灵敏度的,高分辨率的和超高速的动态图像。PerkinElmer UltraView ERS系列高速高性能激光共聚焦显微成像系统可完成这一切的工作,采用这种系统您就能感受新一代高性能活细胞成像仪的魅力。

          UltraView ERS系列激光共聚焦成像仪开创了活细胞实时成像的新标准,其能够完成超高速高分辨率的活细胞成像。特别适用于高速,多标记荧光蛋白的区分研究及长时间观察记录的实验。

          建立在著名的UltraView LCI和UltraView RS系列产品的基础上,UltraView ERS系列产品采用先进的同步控制技术,将活细胞成像技术带入到一个新的高度,极大地增加了各种应用的灵活性。这种高度集成的系统具有如下特点:

  • 实时共聚焦成像;
  • 超低的光漂白和光毒性,使得完整的活细胞过程能够被记录下来;
  • 微透镜增强型的Nipkow转盘扫描模式;
  • 系统配置了不同性能的数码相机(可选),能满足各类不同实验的要求间行/列扫描型数码相机(Interline CCD)适合于记录能承受强激光照射的明亮样本的高分辨率低速过程研究; 电子倍增型数码相机(EM CCD)适合于记录弱标记(暗的)或光敏感样本的快速动态过程的研究;
  • 更广泛灵活的荧光素选择,方便了多标记样本的成像;
  • 能够记录3维(x, y, z),4维(x, y, z, 时间),5维(x, y, z, 时间,多波长)的图像;
  • 独有的同步控制技术能够高速的扫描样本,从而记录下高质量的图像;
  • 超高的信噪比提高了检测的灵敏度;
  • 更新升级的光路设计扩展了各种实际的应用。
图1 细胞分裂过程对光毒性非常敏感。这些图像是摘自细胞分裂过程超过12个小时的时间序列观察记录结果。图像的采集是每三分钟获取一组图像,每组图像由45个z轴光切片组成(一共约22500幅图像)。图中的图像是被H2B-mRFP(红色)和Nb65-GFP(绿色)转染的MDCK细胞的共聚焦单一切片。图中标尺:20μm,实验过程中只观察到极小的光毒性。图像由法国巴斯特研究所,Vasily Shinin博士提供。
 


专家评价

          UltraView共聚焦成像仪是一种性价比很好,使用方便,能够记录完美高质量图像的仪器。此外,UltraView采用的转盘扫描技术极大地减少了光毒性和光漂白,使得长时间,连续地观察活细胞数十分钟或数小时,仍能保持细胞的活性。显然地,UltraView是记录时间分辨活细胞过程的首选仪器。

          Dong Murphy博士, 细胞生物学教授,约翰霍普金斯大学医学院,显微镜实验中心主任。

一种适合于各种复杂过程高灵敏度、高速、高分辨率成像的先进技术
          UltraView采用最新的微透镜增强型Nipkow双转盘扫描技术,声频调控激发光滤光片(AOTF)选择控制技术,快速差分干涉(DIC)兼容的压电型z轴控制技术及高速,高灵敏度电子倍增型(EM CCD)或间行/列扫描型(Interline CCD)检测技术来完成高分辨率高速的成像工作。PerkinElmer独有的ProSync™软/硬件同步控制技术,能够出色地协调完成多维,多色彩,快速成像过程中的各种复杂操作。由于这些技术的进步,我们能够完成各种极富挑战性的研究工作,如快速细胞动态过程或极度光敏感过程的实时记录和观察。当您的科学问题只能采用高性能的多维高速成像系统才能解决回答时,经过大量实验验证的UltraView技术平台是您的唯一选择。

          采用UltraView ERS成像系统,您能完成其它同类仪器系统无法完成的各种复杂的活细胞过程的成像。例如,

  • 在高分辨率和高灵敏度的情形下,观察快速的生物过程,如蛋白质的细胞膜输运和钙释放/钙闪过程,并用超视频的速率记录和回放这些过程;
  • 完成多波长,z轴多切片快速时间分辨的生物动态过程的成像工作,感受超高性能的4维(x, y, z, t)和5维(x, y, z, t, w)的实时观察记录特性;
  • 长时间观察研究细胞过程,如在发育生物学,癌细胞和干细胞研究方面的各种应用。UltraView ERS系统的超低光毒性和光漂白效应,有助于长时间维持细胞的活性;
  • 完成用各种荧光染料标记的活细胞和固定细胞/组织的快速和高分辨率的观测和记录。

图2 观察蛋白质的膜输运过程需要快速的图像采集和高分辨率的成像方式。HeLa细胞中用CFP(绿色)和YFP(红色)标记的泡囊运动时间序列图像。63 x,1.4 NA物镜,4对图像/秒。箭头所指为膜的微管化过程和分裂过程。图中标尺:25μm。图像由英国布里斯托大学,Peter Cullen教授提供。

 


专家评价

          在同一台仪器上完成高灵敏度的活细胞和固定样本的成像工作,PerkinElmer的UltraView ERS系统是理想的选择。其性价比和灵敏度皆优于点扫描型的激光共聚焦系统。

          Kevin O’Connell博士,首席科学家,生物化学及遗传学实验室,美国国立卫生研究院,国立糖尿病及消化性肾病研究所,Bethesda,马里兰州20892


由于完美的同步协调操作控制,UltraView系统真实完美地
提供多维,多色彩的活细胞动态过程的协调动画图像

          UltarView ERS系统成像仪是由PerkinElmer公司独家开发的ProSync同步技术控制的全自动活细胞成像系统。这种同步控制技术将活细胞成像仪的自动操作和仪器性能带入到另一个新的高度,是目前市场上能够提供高速共聚焦成像和最佳图像质量的仪器。

ProSync同步控制技术
         PerkinElmer独有的亚毫秒级的ProSync同步控制技术,能实时地协调整个系统的各种操作,如Kipkow转盘的转速控制,相机的图像采集,波长的选择,z轴的光切片和TTL信号触发的各种操作。由于这种优越的控制技术,您将能够在极高的图像采集速率下获得高质量的图像。ProSync同步控制技术确保样本的照射只在图像采集时进行,从而进一步减小了光漂白和光毒性的影响。

图3 用PerkinElmer独有的同步控制技术,以166帧/秒的速率采集的小球(3%荧光校正,Molecular Probes)连续图像。左:采用同步控制技术;右:未采用同步控制技术。右图中可看到从上而下的扫描线。


高速,高分辨率共聚焦扫描头

         UltraView ERS系统由最新型的共聚焦扫描头和最先进的电子机件和滤光片组成。所有的操作由一个系统软件控制。其能够在1000帧/秒的速率下扫描样本,并平均叠加瞬时记录的图像,从而获得极佳质量的图像。这样的扫描速度是目前市场上同类产品中最快的。PerkinElmer的同步控制技术克服了高速扫描样本时,在实时图像中伴随着的扫描线问题。而这一问题在非同步控制的系统中是普遍存在的。通过系统软件,使用者能方便地控制和选择多种滤光片/二色镜。

EM CCD检测器能较间行/列扫描型CCD检测器高出10倍以上的信号检测灵敏度
         EM CCD是一种新颖的芯片上倍增增益型的CCD数码影像技术。PerkinElmer公司采用的1000 x 1000像素的EM CCD检测器能达到比标准间行/列扫描型CCD检测器达10倍以上的信噪比。在最大增益参数设置的情形下,UltraView ERS系统能达比标准间行/列扫描型CCD检测器大10 x 的检测灵敏度和5 x 以上的图像采集速率。8 x 8 μm的像素面积意谓着在高倍物镜下,图像分辨率仍无降低。35 M Hz的数据读取速度,可使图像在高分辨率下(1000 x 1000)的采集速率达30帧/秒。采用像素合并(Binning)和减小CCD采样面积—子阵列(Subarray)的方法,则可达到200帧/秒的采样速率!EM CCD检测器是您选购UltraView ERS系统时的一个选项。

卓越的发射光谱区分能力
         我们采用最新的高透射滤光技术,确保用带通发射光滤光片时,能达到高灵敏的发射光区分效率。这就使得系统在进行荧光共振能量转递(FRET)分析时,能有效的分离各种不同的荧光染料光谱,当荧光染料的交叉激发不适用时,新型的高性能多重带通滤光片能使您在高速度下采集图像。

适用于各种灵活应用和FRET分析的二色镜和滤光片
         通过选用各种二色镜和滤光片,极大地方便了系统的各种应用和高灵敏度检测成像。405 nm波长的激光,使得DAPI, Hoechst, GFP荧光素和其它应用成为可能。440, 488, 514, 568和640 nm波长的激发光,扩展了系统的其它应用。系统软件提供的FRET分析算法,可完成发射光谱的FRET精准计算,从而使得您能够分析基于FRET方法的分子间相互作用。

激光引擎(器)扩展了荧光染料的选择(可选择2至6波长系统配置)
         系统激光器包括6种波长可选,405 nm, 440 nm, 488 nm, 514 nm, 568 nm和640 nm。 UltraView ERS系列产品引入了405,440和640 nm波长的二极管激光器,从而使系统获得了更强的灵活性和可靠性。两种激光器由UltraView系统软件实现精准的控制。

改进后的光学通路设计确保了完美的图像质量
         共聚焦扫描头的光学器件在封装前,在生产工厂完成了相应的准直校准和测试。改进后的光路设计,增强了信噪比和图像质量。显著地降低了实验室环境中的灰尘污染(相对于未封装的敞开系统而言)。这种完善的设计同时亦减小了生产商的维修服务。

适用于快速多色彩图像采集的波长快速选择控制
         通过精准的AOTF控制,提高了图像采集速率和延长了样本的活性寿命。微秒级的波长转换,确保快速的多色彩图像采集。通过对各通道的功率和曝光控制,可平衡各通道的信号强度。

自动差分干涉和相差图像获取
         改进后的高速z轴控制器和光路中附加了的偏振器,可自动获得高质量的差分干涉图像,并可叠加在z轴光切片组成的动画影像上。

光学意义上干净的光路确保了完美的图像质量
         系统采用的高精度无滤光片AOTF激发光波长选择控制和在工厂完成了准直调校封装后的光学器件,确保了系统传输单色的和无尘的激光到被观测的样本。改进后的光路设计,提高了系统的信噪比。这种完善的设计减少了生产商的维护服务。


针对慢或快的动态细胞过程,
UltraView提供不同的CCD检测器供选择

UltraView间行/列扫描型和电子倍增型(EM CCD)检测器

         当选购UltraView ERS系列成像仪时,选择那种适合您研究要求的CCD检测器系统。系统所采用的间行/列扫描型和电子倍增型CCD检测器,都针对典型的细胞系和细胞过程进行过优化。如果您的研究是针对高分辨率的慢过程,并且您的样本标记相当明亮和能承受高强度激光的照射,则间行/列扫描型CCD检测器将适合于您的需要。相反,如果您的研究是观察相对较快的动态过程,并且您的样本标记信号很弱或光敏感,则EM CCD检测器更适合您的需要。

表 1 UltraView ERS激光共聚焦成像仪间行/列扫描型和电子倍增型数码相机性能比较表

 

渐进式间行/列扫描型CCD

电子倍增全阵列/整帧传输型CCD

有效像素

1344 x 1024

1000 x 1000

像素面积

6.45 μm x 6.45 μm

8 μm x 8 μm

有效面积

8.67 mm x 6.6 mm

8.0 mm x 8.0 mm

像素时钟频率(MHz/像素)

14.75

35

帧速率 全阵列/整帧

8

30

500 x 500

15

56

250 x 250

35

96

128 x 128

37

152

64 x 64

40

214

读出噪声(r.m.s)

6个电子

30个电子(电子倍增最小增益)
<1个电子(电子倍增最大增益)

量子效率

70% 峰值(500 – 600 nm)

65% 峰值(550 – 700 nm)

典型满阱容量

18000个电子

70000个电子

增益

最大达10倍(模拟信号增益)

最大达800倍(电子倍增增益)

曝光时间

1 毫秒 至 10秒

1毫秒至6秒

模/数转换器

12位

14位

冷却方式

气密封装的强制空气电-热冷却

冷却温度

- 20oC

- 50oC


选择最适合您的UltraView ERS系统
         UltraView ERS系列活细胞成像系统有5种可升级的型号,它们的区别在所选用的CCD检测器和激光器所能提供的激光波长。
         UltraView ERS 2O, ERS 3FO和ERS 6FO型号采用的是间行/列扫描型CCD检测器;
         UltraView ERS 3FE和ERS 6FE型号采用的是EM CCD检测器。

表 2 UltraView ERS系列激光共聚焦成像仪所用激光器产生的波长和最小输出功率一览表

型号

波长及最小输出功率

ERS 2O

2波长:488 nm (7.5 mW)和568 nm(7.5 mW)

ERS 3FO

3波长:488 nm (7.5 mW), 568 nm(7.5 mW)和647 nm(7.5 mW)

ERS 3FE

3波长:488 nm (7.5 mW), 568 nm(7.5 mW)和647 nm(7.5 mW)

ERS 6FO

6波长:405 nm (7.5 mW), 440 nm (6.0 mW), 488 nm (15 mW), 514 nm (15 mW), 568 nm (7.5 mW)和640 nm (7.5 mW)

ERS 6FE

6波长:405 nm (7.5 mW), 440 nm (6.0 mW), 488 nm (15 mW), 514 nm (15 mW), 568 nm (7.5 mW)和640 nm (7.5 mW)


         UltraView ERS各型系统采用的激光器可提供2到6条不同波长的激光。极大地方便了各种荧光染料的选择及应用。间行/列扫描型CCD系统适合于高分辨率的样本观察,而EM CCD系统则适合于高灵敏度弱信号的观察检测。在图像质量不变的情形下,EM CCD系统将比间行/列扫描型CCD系统快4到5倍。

图4 用微管抗体标记的细胞,用BODIPY-FL(绿色),Texas-Red-X Phallioidin(红色)和DAPI(蓝色)修饰的二次抗体观察细胞的共聚焦切片。采用63 x,1.4 NA油浸物镜。A, UltraView ERS间行/列扫描型数码相机;B, UltraView ERS电子倍增型数码相机。插图为10μm方框的放大图,图中标尺:10μm。

 


表 3 UltraView ERS系列激光共聚焦成像系统各型号性能比较一览表

型号

系统描述

系统性能

系统特征

ERS 2O

2波长激光共聚焦成像仪,间行/列扫描型数码相机

可升级到能完成发射光谱区分和FRET分析的系统

基本型号,系统功能可升级扩展

ERS 3FO

3波长激光共聚焦成像仪,间行/列扫描型数码相机,滤光片转轮

独立的发射光谱区分功能,差分干涉(DIC)成像,可升级到能完成FRET分析的系统

能完成共定位分析,荧光空间定位,系统功能可进一步升级扩展

ERS 3FE

3波长激光共聚焦成像仪,电子倍增型数码相机,滤光片转轮

独立的发射光谱区分功能,差分干涉(DIC)成像,可升级到能完成FRET分析的系统,高速,高灵敏度

能完成共定位分析,提高细胞的活性,更快的图像采集速率,多维成像,确保细胞过程完整信息的纪录,系统功能可升级扩展

ERS 6FO

6波长激光共聚焦成像仪,间行/列扫描型数码相机,滤光片转轮

FRET, DIC, 440 nm波长激光

更好的Cyanine染料激发,有利于CFP的观察和DAPI, Hoechst等染料的应用,蛋白-蛋白相互作用研究

ERS 6FE

6波长激光共聚焦成像仪,电子倍增型数码相机,滤光片转轮

FRET, DIC, 440 nm波长激光,高速,高灵敏度

更好的时间分辨成像,更高的细胞活性,更快的图像采集速率


UltraView ERS
软件

ImageSuite 图像采集和处理软件
         该软件专门设计来完成图像的自动采集,各种处理,显示和展示,是一种操作方便灵活适合于各种共聚焦成像操作处理的软件。

Volocity 3D/4D显示和分析软件
         由著名软件公司Improvision®开发,可完成完整细胞变化过程的观察和目标分子的共定位的工作,3D/4D的z轴光切片处理,3维重构和旋转观察等操作。可将时间分辨的图像制作成QuickTime™和AVI视频动画电影,方便进一步的观察分析由共聚焦成像系统纪录的动态过程。

微透镜增强型Nipkow转盘扫描技术的强大功能
         这一技术是PerkinElmer公司高速激光共聚焦成像系统独有的。随着荧光蛋白和荧光染料技术的进步,高速激光共聚焦成像系统带来了细胞过程研究的革命性变革。就活细胞成像而言,我们的Nipkow双转盘激光共聚焦系统优于传统的点扫描型的激光共聚焦系统。由于我们采用了多光束扫描的方式,极大地提高了成像的速度,并极大地降低了光漂白和光毒性的影响,因而使得这种系统能长时间的观测细胞过程的动态变化。

         微透镜增强型的Nipkow转盘系统的核心,是在Nipkow双转盘中的一个转盘上,制作了20000个呈椭圆形分布的针孔。在同一时间,有1000个针孔可被激光照射。所以,被观察样本可被1000个小光束同时激发。在双转盘的另一个转盘上的微透镜,与上述的20000个针孔精准的对齐准直,并将激光光束聚焦到被观察的样本上,这种设计将激光光源的透射效率从1%提高到约60%。在高速旋转的速率下,1000个小光束可以1000帧/秒的速率扫描整个被观察的样本,即以1帧/毫秒的速率扫描被观察的样本。

 
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