活體生物發光成像系統CCD選擇指南

近年來興起的活體生物發光成像技術隨著背部薄化、背照射冷CCD技術的產生而產生，并隨著該CCD技術的發展而發展。由于具有更高量子效率CCD的問世，使活體生物發光技術具有更高的靈敏度，可以方便的應用到腫瘤學、基因表達和藥物開發等各方面。

從市場分析的角度，xenogen公司首先利用了先進的CCD技術來檢測活體動物的生物發光，但是該技術的核心部件CCD并不是該公司的核心。進入該領域的技術和價格壁壘是CCD的性能與成本，決定活體成像市場格局的將是CCD的性能與成本優勢。

在活體成像的應用中，選擇正確的CCD是非常重要的。那么選擇什么樣的CCD最合適活體生物發光檢測呢？目前有兩種CCD用于生物發光的檢測：強化CCD（intensified CCD）和背部薄化、背照射冷CCD（back-thinned，back-illuminated，cooled CCD）。

根據光學原理，在可見光波段，波長越長越容易穿過組織。由于熒光素酶與底物作用發光的波長在600nm左右（見圖1），為了檢測到幾厘米厚的光源，CCD必須在波長大于600nm波段具有很高的靈敏度和量子效率以及最低的噪音。

強化光子計數CCD對于生物發光應用來說，是大眾化的選擇。高捕獲成像的強化CCD在很低噪音的情況下可以檢測到單個光子。然而這些CCD需要頻繁的裝備bialkali光陰極，只有很低的量子效率，在450nm波段處的量子效率只有10～15%，在650nm波段降為1%（見圖2）。

Mulitialkali 和GaAs光陰極在600nm以上有很高的量子效率，但同時又碰到熱噪音和冷卻的難題。且很難得到大的檢測面積。

Roper scientific公司是世界上最優秀的高性能CCD研發與生產制造商，為Xenogen、UVP、Leica、Olmpus、Bio-rad等公司提供高性能CCD。公司研發的背照射冷CCD技術使得活體生物發光和熒光成像技術得以實現，使得科學家有機會直接監控活體生物體內的細胞活動和基因行為。

Cryogenic 的制冷技術可以使CCD的溫度達到-70度到-105度，那樣的溫度可以使背照射冷CCD的暗電流減少到可忽略不計的水平。該CCD的-5erms的電子噪音代表了最小的噪音底線，信號強度肯定會大于那樣的噪音水平，使該CCD具有很高的信噪比，檢測的特異性很強（見圖3）。

另外，更高的空間解析度是背照射冷CCD的另一優勢。新款CCD相機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，大大提高了檢測的靈敏度，將極大的有利于活體生物發光成像技術的發展（見圖4）。

如上所述，由于強化CCD與背照射冷CCD在靈敏度、量子效率及信噪比方面的顯著差異，決定了背照射冷CCD是生物發光成像的最佳選擇。早在生物發光成像技術誕生之初，早就有科學家對兩者進行了比較（見圖5）。

圖5強化CCD與背照射CCD在檢測靈敏度方面的效果比較
（資料來源：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技術的問世，科學家利用此技術進行了大量的研究，才使近年來產生了大量的高水平的應用活體成像技術進行腫瘤學、基因治療、流行病學等研究的文獻，極大的促進了生物醫學在分子成像方面的發展。