上一篇我们从来源和原理出发，讲到转盘共聚焦并不只是“拍得快”，而是在速度、信号和分辨率之间，为动态生命过程寻找一种更合适的成像平衡。到了活细胞研究中，这种平衡就变得格外重要。本文将从高速成像、低光毒性、弱信号探测和快速 Z-stack四个方面，继续看看转盘共聚焦如何帮助研究者更真实、连续地记录细胞内正在发生的动态变化。
上一篇我们从来源和原理出发，讲到转盘共聚焦并不只是“拍得快”，而是在速度、信号和分辨率之间，为动态生命过程寻找一种更合适的成像平衡。到了活细胞研究中，这种平衡就变得格外重要。
本文将从高速成像、低光毒性、弱信号探测和快速 Z-stack四个方面，继续看看转盘共聚焦如何帮助研究者更真实、连续地记录细胞内正在发生的动态变化。
速度是转盘共聚焦较直观的优势。与传统单点扫描共聚焦不同，它通过针孔阵列实现多点并行扫描，可在较短时间内完成整个视场采集；配合高灵敏度 scmos 相机，能够实现高速、连续的活细胞荧光成像。这对于观察囊泡运输与胞吐、细胞器运动、细胞骨架重塑、钙信号波动等瞬时动态过程尤其重要，使研究者能够更完整地记录事件发生、发展和消退的全过程。因此，转盘共聚焦不仅提高了时间分辨率，也让快速生命过程的连续追踪成为可能。
图1 Ca²⁺ pulsar 的动力学与重复发生。（A）表达 GCaMP2 的小鼠肠系膜动脉内皮细胞区域的 10 张图像的平均值；（B）展示一次 Ca²⁺ pulsar 的生命周期，视野范围对应 A 中绿色方框区域；（C）沿 A 中黄色线进行线扫描分析，显示同一位置 Ca²⁺ pulsar 的重复发生；（D）两个不同地点（红线和蓝线）的Ca²⁺ pulsar动力学的代表性迹线。
论文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3324844/
转盘共聚焦的低光毒性，首先体现在照明方式上。它通过转盘上的数千个针孔，将高强度的激发光分散成众多微小的光点同步扫描——样片上每个位置受到的瞬时光照压力大幅降低，完成一帧图像所需的时间也显著缩短。相比之下，传统点扫描共聚焦依赖单个激光点逐点扫完整个视野，连续拍摄时样品会反复承受集中的光照，虽光学切片能力强，却不可避免带来光漂白和光损伤。
这种差异在长时程活细胞实验中尤为关键。 对于细胞分裂、细胞迁移、细胞器运输这类需要数十分钟甚至数小时持续追踪的动态过程，图像的清晰度只是门槛，细胞本身的健康状态才是决定实验成败的前提——只有让细胞在成像过程中感受不到被观察，研究者才能真正看到它在自然状态下的动态变化，如图2所示。
图2 用转盘共聚焦连续观察活细胞微管，可以看到微管在几秒内不断移动和变化。
论文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4365987/
活细胞成像不能简单依赖提高激发光功率来增强信号。光照越强，光漂白和光毒性越明显；真正关键的是探测器能否在低照明条件下有效接收微弱荧光信号。因此，转盘共聚焦通常搭配 emccd 或高量子效率 sCMOS 相机使用。EMccd可通过电子倍增降低读出噪声，sCMOS 则兼顾高灵敏度、大视野和快速读出，更适合活细胞连续成像。
北京大学席鹏团队2025年在《Nature Communications》发表的活细胞细胞器快速分割与多重成像研究中，采用 Nile Red 标记膜性细胞器，使用两套转盘共聚焦系统，分别配备 photometrics Prime 95B 和 Prime BSI sCMOS 相机，并利用超分辨成像模块（LiveSR）扩展分辨率、双通道光谱比值成像和深度卷积神经网络，实现了多种细胞器的快速分割、多重成像及动态互作追踪。如图3所示，该研究体现了高量子效率 sCMOS 相机在弱光、高速、多通道活细胞成像中的应用价值。
图3 活细胞中多种细胞器动态互相作用的高速多重成像。（a）微管（绿色）与膜性结构（灰色）的拓展分辨率图像；（b）经分割后的多细胞器多色图像，显示脂滴（LD）、内质网（ER）、高尔基体（Golgi）、线粒体（Mito）、溶酶体（Lyso）及微管（Tubulin）；（c）Tubulin、Mito、LD 与 Lyso 相互作用的局部时序放大图像；（d）Tubulin、Golgi 与 LD 相互作用的局部时序放大图像；（e）ER、LD 与 Lyso 相互作用的局部时序放大图像。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57877-5
上海昊量光电设备有限公司代理美国 TeLEDyne Imaging 集团旗下 Teledyne Photometrics 公司的 Prime 系列科学级 sCMOS 相机。该系列凭借高量子效率、高灵敏度和快速读出等特点，能够满足多种弱光、高速成像需求，在转盘共聚焦活细胞成像等应用中表现尤为出色。下文将分别介绍 Prime 95B、Prime BSI 和 Prime BSI Express 三款产品的具体特点。
图4 Prime sCMOS系列产品图
Prime 95B科学级CMOS（sCMOS）相机性能优于EMCCD相机。该系列包括多款背照式sCMOS相机，可提供95%的量子效率，具有较高的灵敏度和高帧率。
Prime 95B背照式sCMOS相机实现了95%量子效率。让光从背面进入传感器，光子直接落在受光面，有效提高了集光能力。结合较大的11 µm像素尺寸，相机技术的灵敏度与EMCCD相同，但具有更高的稳定性、更快的速度并且无增益老化的问题。
Prime 95B具备模式降噪技术（Pattern Noise Reduction Technology）和相关降噪技术（Correlated Noise Reduction Technology），可确保提供清晰、无模式、像素缺陷较少的图像，以在弱光条件下提供更高的图像质量。
Prime 95B可提供18.8、22或25 mm的对角线视野。更大画幅的传感器可以提高通量、有效提高捕获的数据量，并充分利用具有更大视野的全新显微镜。
PrimeLocate也可以进行扩展，以在相机上提供实时粒子跟踪（Live Particle tracking）功能，从而可以在早期了解单分子跟踪应用中移动分子的动力学特征。
PrimeEnhance主动降噪功能通过减少弱光照水平下的光子散粒噪声的影响，来实时定量提高信噪比。
序列多路实时采集流（Sequenced Multiple acquisition Real Time (SMART) Streaming）使Prime 95B能够捕获连续的图像序列，同时循环显示16个预编程的曝光时间值，从而提供较快的多通道采集时间。
Prime 95B还支持多达四个曝光信号，并且具有有效的全局快门。
相机型号 | |||
|---|---|---|---|
型号Prime 95B | 百万像素1.44 | 传感器区域13.2 mm x 13.2 mm18.7 mm对角线 | 帧率41帧/秒@ 16-bit82帧/秒@ 12-bit |
型号Prime 95B 22mm | 百万像素2.0 | 传感器区域15.5 x 15.5 mm22mm对角线 | 帧率35帧/秒@ 16-bit70帧/秒@ 12-bit |
型号Prime 95B 25mm | 百万像素2.58 | 传感器区域17.69 x 17.69 mm25 mm对角线 | 帧率30帧/秒@ 16-bit60帧/秒@ 12-bit |
Prime BSI科学级CMOS（sCMOS）相机通过优化的像素设计和较高的95%量子效率，在高分辨率成像和灵敏度之间实现了良好的平衡。
Prime BSI背照式sCMOS相机实现了较高的95%量子效率。让光从背面进入传感器，光子直接落在受光面，有效提高了集光能力。Prime BSI将95%的量子效率与低至1.0e-的读出噪声相结合，以超过40帧每秒的速度提供基于sCMOS技术的灵敏度较高的sCMOS相机。
Prime BSI采用6.5 µm大小的像素，而这正是大多数采用40倍和60倍放大倍数的活细胞应用的公认标准。此像素尺寸可在整个成像平面上提供高度细节化的图像，并且较适合全范围的显微镜物镜。
Prime BSI具备模式降噪技术（Pattern Noise Reduction Technology）和相关降噪技术（Correlated Noise Reduction Technology），可确保提供清晰、无模式、像素缺陷较少的图像，以在弱光条件下提供更高的图像质量。
可编程扫描模式（Programmable Scan Mode）为需要对线时间进行控制的应用增加了对CMOS传感器卷帘快门曝光和读出功能的控制。
序列多路实时采集流（Sequenced Multiple Acquisition Real Time (SMART) Streaming）使Prime BSI能够捕获连续的图像序列，同时循环显示16个预编程的曝光时间值，从而提供较快的多通道采集时间。
Prime BSI提供PrimeEnhance主动降噪功能，可实时定量提高信噪比，从而在超弱光照水平下有效提高灵敏度。
相机型号 | |||
|---|---|---|---|
型号PRIME BSI | 百万像素4.2 | 传感器区域13.3 mm x 13.3 mm18.8mm对角线 | 帧率43帧/秒@ 16-bit/63帧/秒@ 11-bit |
Prime BSI Express科学级CMOS（sCMOS）是在为集成而优化的紧凑平台上设计的，并利用优化的像素设计，USB 3.2 Gen 2连接和较高的95%量子效率在高分辨率成像和灵敏度之间实现了良好的平衡，以有效提高信号检测能力。
灵敏度
让光从背面进入传感器，光子直接落在受光面，有效提高了集光能力。
Prime BSI Express将95%的量子效率与低至1.0e-的读出噪声CMS模式相结合，以超过40帧每秒的速度提供基于sCMOS技术的灵敏度超高的sCMOS相机。
Prime BSI Express具有78mm x 78mm x 90mm的紧凑结构和优化的冷却效果，是整合到新的或现有配置的理想选择。
Prime BSI Express的接口连接和集成非常简单。该相机使用USB 3.2 Gen 2接口来实现真正简单的连接。
我们的标准PVCAM驱动程序可以轻松安装在Windows操作系统中，以在几分钟内运行Prime BSI Express。
Prime BSI Express采用6.5 µm大小的像素，而这正是大多数活细胞应用的公认标准。
此像素尺寸可在整个成像平面上提供高度细节化的图像，并且较适合全范围的放大倍数。
Prime BSI Express具备模式降噪技术（Pattern Noise Reduction Technology）和相关降噪技术（Correlated Noise Reduction Technology），可确保提供清晰、无模式、像素缺陷少的图像，以在弱光条件下提供更高的图像质量。
相机型号 | |||
|---|---|---|---|
型号Prime BSI Express相机 | 百万像素4.2 | 传感器区域13.3 x 13.3 mm18.8mm对角线 | 帧率43帧/秒@ 16-bit43帧/秒@ 12-bit95帧/秒@ 11-bit |
想看清线粒体网络、囊泡运输或细胞分裂等动态过程，往往不能只停留在一个焦平面，而需要沿 Z 轴快速切换焦面，连续采集不同高度的图像，这就是 Z-stack。
Z 轴扫描通常有两种实现方式：一种是样品台移动，适合厚样品、多孔板或大范围三维扫描；另一种是物镜移动，响应更快、精度更高，更适合活细胞快速 Z-stack 与细胞器动态追踪。简单来说，大范围、重样品更适合样品台移动；高速、精细、低扰动的成像，则更适合物镜移动。
在实际应用中，快速Z-stack往往需要与多通道成像配合。以植物花粉样品为例，分别在488 nm、647 nm 、561 nm三个激发通道下完成Z轴扫描，再通过峰值强度投影（MIP）和三维重构，就能直观地看到花粉颗粒在不同层面的空间分布，如图5所示。
配合快速 Z 轴模块，转盘共聚焦可在短时间内完成多层、多通道图像采集；再加入时间维度后，便实现了四维成像（3D + time）。研究者看到的不再是某一焦平面的瞬时变化，而是细胞内部结构在三维空间中的连续运动轨迹。
图5 转盘共聚焦显微镜的三维扫描及重构[3]。对植物花粉 488nm（a）, 647nm（b）, 561nm（c）下进行三维扫描并进行峰值密度投影（d）及三维重构（e）。
转盘共聚焦的优势很直接：成像速度快、光损伤低，还能支持多通道和三维采集，非常适合长时程活细胞的动态观察。如果研究目标是尽量真实地记录活细胞“正在发生什么”，转盘共聚焦是非常有代表性的选择。在实际系统搭建中，高量子效率、高灵敏度的科学级 sCMOS 相机同样关键，Teledyne Photometrics Prime 系列相机可为弱光、高速活细胞成像提供稳定的探测支持。
当然，转盘共聚焦也不是万能方案。面对更深层样品、极弱信号或更高分辨率需求时，仍需要与其他显微成像技术配合使用。因此，下一篇文章中，我们将继续讨论：当样品更厚、信号更弱或分辨率要求更高时，转盘共聚焦该如何与其他显微成像技术配合使用。
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Nelson, M., Ledoux, J., Taylor, M., Bonev, A., Hannah, R., Solodushko, V., Shui, B., Tallini, Y., & Kotlikoff, M. (2010). Spinning Disk Confocal Microscopy of Calcium Signalling in Blood Vessel Walls. Microscopy and analysis (Americas ed.), 24(2), 5–8.
Jonkman, J. & Brown, C. M. Any Way You Slice It-A Comparison of Confocal Microscopy Techniques. J Biomol Tech 26, 54–65 (2015).
Zhanghao K, Li M, Chen X, et al. Fast segmentation and multiplexing imaging of organelles in live cells[J]. Nature Communications, 2025, 16(1): 2769.
张彦丽,代亚丽,陈亚兰,等.利用转盘共聚焦显微镜进行快速实验的新方法[J].现代生物医学进展,2019,19(19):3784-3788.
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