用于生命科学的单光子计数相机---滨松ORCA®-Quest2 qCMOS

　　博士生 Zane Peterkovic 使用光子计数相机;后面的屏幕显示了相机优化可能带来的质量改进。

　　凭借先进的相机技术，具有光子级灵敏度的宽视场光电探测器可以提供超分辨率、单分子跟踪、计算成像和量子方法，例如鬼影或亚镜头噪声成像。

　　自从 Robert Hooke 和 Jan van Leeuwenhoek 首次使用早期显微镜对微生物进行研究以来，光学成像一直处于推进生命和有机材料知识的最前沿。生命科学领域的一个关键挑战是光敏样品的成像，这些样品很容易经历光漂白，其中信号强度因过度曝光而减弱，以及光损伤，即样品本身受到损害。这些效应在荧光显微镜中很普遍，荧光显微镜通常使用高强度激光源进行照明以获得足够的信号。

　　为了最大限度地减少对光敏样品的有害影响，生命科学家用低水平的光功率照射它们。但这会导致极其微弱的荧光信号，如果不被相机固有的噪声所淹没，并且受到散粒噪声等经典成像的限制，就很难检测到。

　　这就是光子计数相机的用武之地 — 它们提供足够低的噪声，因此可以在阵列的每个像素上记录单光子事件。这使它们成为“光子预算”紧张的暗淡样品成像的理想选择。

　　弥合新型相机技术与生命科学应用之间的差距并不一定简单，因为有不同的相机架构可供选择，需要考虑和优化许多用户控制的参数。

　　Light for Life 中心(位于澳大利亚阿德莱德)通过将专业知识与敏感的生物样本和极其“温和”的低光剂量显微镜技术(如光片显微镜)相结合，完全有能力对前列相机技术进行分析。这项研究的结果在 Kishan Dholakia 和 Kylie Dunning 小组之间进行，并作为教程发表在 APL Photonics 上。

　　光子计数相机

　　数码摄影起源于 1970 年代，当时发明了电荷耦合器件 (CCD) 阵列。互补金属氧化物半导体 (CMOS) 阵列的发展等进步导致了如此精细，以至于现在每部智能手机都可以使用拍照功能。科学家们从这项技术的进步中受益，这些传感器可以在单光子级别检测和记录事件。

　　由于现代相机的电子噪声极低，因此只能检测到单光子。量子理论只给我们统计预测，因此很难区分光子和一点噪声，因此必须将其保持在最低限度。

　　为了对抗电子噪声(其中大部分是热噪声)，因此有必要将相机传感器冷却到远低于水的冰点。此外，电子倍增 CCD (EMCCD) 等仪器使用实际上的内部光电倍增管来进一步降低电子噪声，但代价是在倍增过程中引入“多余的噪声”。

　　在过去的几年里，CMOS 相机架构已经发展到值得科学使用的程度。科学级 CMOS (sCMOS) 相机的普及率和复杂性稳步增长，最近发布的数码相机“定量 CMOS”(qCMOS) 架构声称可提供与 EMCCD 相机类似的光子检测能力，而不会产生过多的噪声。

　　比较 CCD 和 sCMOS 架构，在检测效率、像素大小、帧捕获速率和独特的噪声源方面存在许多细微的权衡。虽然其中大部分对于天文学等仪器学家来说都是很好的理解和熟悉的，但对于生命科学来说却并非如此，生命科学面临着一系列不同的挑战(尤其是在合理的曝光时间范围方面)。要充分利用这些前列技术，必须进行仔细分析。

　　对囊胚胚胎成像的光片显微镜的设置;在本教程中，使用了这种类型的系统进行分析，优化描述了共聚焦线扫描模式的效果。

　　生命科学的福音

　　相机是一项非常强大的技术 — 图像包含大量信息，可以对自然世界进行前所未有的洞察。相机非常普遍，很容易被认为是理所当然的，在拍摄照片时采用“傻瓜即拍”的心态很诱人。但要做到完全严格，就必须考虑成像过程的每一步——从样品到光学系统，再到相机传感器，再到计算机硬盘。这个过程的每一步都可能引入扭曲物理现实的人工制品，在人工智能 (AI) 时代，重要的是要注意这一点，在这个时代，只知道我们给它们什么的算法正变得越来越占主导地位。

　　例如，我们教程背后的一个主要动力是确定 EMCCD 或 qCMOS 相机是否更适合定量成像。为了使这种比较公平，有必要开发一种程序，以独立于像素大小或相机成像设置的方式确定荧光图像的信噪比和对比度噪声比。有了这个，我们发现 EMCCD 中电子倍增过程中产生的多余噪声夸大了荧光背景的影响，由于发射的不相干性，荧光显微镜的一个持续事实。

　　某些现代 sCMOS/qCMOS 相机包括“共聚焦线扫描模式”，有助于进一步降低这种荧光背景。对于定量成像，可能需要对相对强度水平进行准确的生物测量，例如研究某些代谢因子的情况，qCMOS 是更好的选择。但是，图像中存在基于行和列的固定模式噪声会降低某些数据集的质量，尤其是用于训练 AI 模型的数据集。EMCCD 相机仍然是市面上最灵敏的相机，当需要定性图像分析时，例如对极弱的荧光信号进行成像以确认其存在，它仍然是一个不错的选择。

　　下一步是什么?

　　相机技术的日益进步将在“第二次量子革命”中发挥作用。对于生命科学来说，检测单光子的能力允许将另一层物理理解应用于显微镜捕获的图像。这可能对超分辨率、单分子跟踪、计算成像和量子方法(如重影或亚散粒噪声成像)产生强大的影响。这意味着研究人员必须非常熟悉他们使用的相机，才能充分利用相机，并有效地将它们应用于当今最具挑战性的生物学问题，同时尽可能柔和地照亮样品——轻轻一触即可成像。