像素是构成图像的最小单元。 像素数是CCD上感光元件的数量。 像素数是不是越多越好？
6. 分辨率
是能够区分的最近的两个点的最小距离。 像素数越多，分辨率越高。 用电视线（简称线，TV LINES）表示。
三、基因芯片扫描仪的操作过程
1. 将杂交、洗脱后的芯片放置于载片台上。 2. 设置扫描参数，如激发光的光强、光探测器的强度（如 PMT）。 3. 确认其已置于初始位置，一般采用粗扫确定矩阵区域。 4. 调整扫描参数和扫描区域，精扫获得芯片图谱。 5. 软件分析的得到每个基因的信号值，再进一步分析其表 达特性。
PMT的缺点： 1）由于采用点成像探测及x轴、y轴扫描，成像速度较慢。 2）激光光源随着使用时间的延长而老化，其强度逐渐较弱 ，导致灵敏度降低。
（2）电荷耦合器件
（charge coupled device, CCD）
是一种金属-氧化物-半导体结构的新型成像器件， 能将光信号转换成电信号。 是一种理想的摄像器件。
基本原理：
被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD 根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的 电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大 处理后，形成信号输出。 组成部分： 光敏单元 电荷储存 电荷转移
CCD的优点：
1）一次可成像很大面积的区域，激发光源多采用非激光光源。
基本的杂交扫描图像为三种：
灰度图：最原始的图像。每个灰度值都反映了图像所对应 芯片位置的荧光分子相对强度信息。 伪彩图：人为地将灰度图转化成不同的颜色。一般灰度值
由低到高所对应的颜色可分为：黑-蓝-绿-黄-红-白。
叠加图：把两张图叠加到一起，最终的色彩由两种颜色的 比率而决定。
单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光
线越少，CCD也越灵敏。
4. 动态范围
表示在一个图像中最亮与最暗的比值。 动态范围的值越高成像系统的性能就越好。
例如：12bit表示从最暗到最亮等分为212＝4096个级 别，16bit即分为216个级别，可见bit值越高能分出的细 微差别越大。
5. 像素
4. A/D转换器
信号。
二、检测系统的重要参数
1. 信噪比 2. 光漂白现象 3. 灵敏度与动态检测范围 4. 像素与分辨率
1. 信噪比
是衡量真实荧光信号的一个重要参数。信号的峰值除以 信号的变异得到的值。 如果信噪比低，表示信号有较大的变异，结果不能反映 真实的信号值。
噪声分为两部分：暗电流噪声和发射噪声
2）由于CCD芯片扫描仪能同时对整张芯片表面信号进行读取， 不需要x-y二维移动平台，大大提高了获取荧光图像的速度， 使得这种扫描速度相对比PMT激光扫描仪要快，一般仅需要 0.5-2min。
CCD的缺点：
1）样品点受到的激发光可能不够均匀一致，从而引入测量误差。 2）CCD对微弱信号的放大功能不及光电倍增管，因而需要额外的 放大系统来将信号放大才能达到光电倍增管的灵敏度范围的上 限。 3）总像素越多，每个像素感受的光亮就会相应地减少，将导致灵 敏度下降。
（2）非激光光源
热光源 气体放电光源 发光二极管（LED）
（3）照明方式
● 上照射
扫描芯片 光源
平板式扫描仪
识别反射光线
光电转换器 数字信号输出
导轨
● 下照射
扫描芯片 识别穿透光线
光源 光电转换器 数字信号输出
2. 光探测器
（1）光电倍增管（PMT） （2）电荷耦合器件（CCD） （3） CMOS
（1）光电倍增管（photomutiplier tube, PMT）
定义：是一种真空光电发射器件。将接收到的光辐射变成 电子流，然后经倍增放大，输出一个较大的电信号。主 要检测激光光源。 组成部分： 光入射窗 光电阴极 倍增系统
基本原理：
图4-2 光电倍增管原理示意
PMT的优点： 1）PMT在可见光波范围内是最灵敏的探测器。 2）一般用激光作为激发光源，能激发出较强的荧光，增 加灵敏度。 3）通过点成像探测并结合高速x轴、y轴扫描而实现对生 物芯片进行扫读，均一性好。 4）可以与共聚焦系统相兼容。
荧光 信号
光
源
激发窄带干涉 滤光片
芯 片
激发 荧光素
主控计算机
图像采集卡
CCD摄像头
图4-3 CCD扫描仪的基本组成及检测过程
（3）CMOS
CMOS也是成像器件，但是对实物的色彩还
原能力偏弱，曝光也不好，成像质量较差。
摄像头
3. 光路系统
● ●
光收集 激发/发射光的识别和分离 将PMT或CCD收集的电信号转换为数字图像
（1）暗电流噪声 定义：没有光输入时的噪声。 对于理想的光电转换器件在光照强度为零的情况下， 其输出电流也应该为零。实际不是如此。 如何减小暗电流？
● 降低CCD的温度 ● 增大CCD的面积
（2）发射噪声 光输入过程中产生的噪声。 主要来自于器件的物理性质及信号的电处理过程，如
光电数字转换过程和放大过程。因此很难避免。
二、检测仪的主要组成部分
激发光源 光路系统
光探测器 A/D转换器
1. 激发光源
（1）激光光源 （2）非激光光源 Nhomakorabea1）激光光源
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一， 特点： 高方向性 高单色性 高亮度
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
2. 光漂白现象
指荧光染料分子在激发光的照射下，其产生荧光的强 度随着时间的延长逐渐变弱消失的过程。
几乎所有的荧光染料都存在光漂白现象。
光漂白的程度随光照强度的增加和照射时间的延长而 增强，因此，在扫描芯片时尽量减少扫描次数。
3. 灵敏度
也称最小照度。是CCD对环境光线的敏感程度，或 者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。
第四章
基因芯片的检测技术
4.1 基因芯片检测仪

检测仪的基本原理 检测仪的主要组成部分
一、检测仪的基本原理
发光机理——荧光染料与荧光光谱
当荧光化合物或染料受到某一特定波长的激发光激发 后，吸收激发光子，并发射荧光光子。 Cy3的最大激发波长为550nm，最大发射波长为570nm； Cy5的最大激发波长为649nm，最大发射波长为670nm。