基于 sCMOS 相机的单分子荧光成像及双螺旋布朗运动追踪研究

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

2.1 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。

2.2 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。

图1

2.3 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：2048×512

• BIN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0.1 s-0.7 s-2.2 s-3.5 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。

图2-5

4 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 1104（sCMOS）vs Andor iXon Ultra 888 (EMCCD)

官方网址

www.gaosuxiangji.com

全国服务电话

400-859-1866

官方抖音号

千眼狼高速摄像机