高光谱荧光成像系统

MacroPhor? Lab

• MacroPhor™ Lab高光谱荧光成像系统是针对样品过大而无法进行标准显微镜分析的情况而优化设计的。该系统采用独特的高光谱荧光相机来获取图像。所得的高光谱荧光图像包含样品的空间和光谱信息。用户可以通过这些数据进行纯组分识别，并为进一步的组分分类方法提供依据。MacroPhor™ Lab高光谱荧光成像系统可应用于植物科学，农学，制药业，生命科学等领域。

  

  主要特点

  ?    高光谱成像的强大功能

  MacroPhor™ Lab通过高光谱成像技术可得到令人惊叹的图像，其中包含每个像素的光谱信息。用户可以通过图片来研究不同光谱特征，或者使用三种化学计量学方法来提取纯组分。

  ?    在更宽的波长范围内采集光谱信息

  与基于滤光片的荧光系统相比，MacroPhor™ Lab的主要优势在于能够在更宽的波长范围内采集光谱信息。MacroPhor™ Lab荧光图像的每个像素都包含400至800nm的光谱信息。这使用户能够查看在基于滤光片的系统中无法查看的光谱特征。MacroPhor™ Lab是能够区分多种荧光体的出色工具。

  

  主要参数

  1.由软件控制的X-Y样品平台；

  2.由软件控制的用于对焦的Z轴控制模块；

  3.照明——带有可更换底座的激发式激光器（405nm, 488nm, 532nm 或 640nm波长可选）。

  视场（FOV）选项

  4.具有50mm空间线（spatial line），179mm工作距离的镜头；

  5.具有100mm空间线的广角镜头；

  6.具高灵敏度的荧光高光谱相机；

  7.高达2000点的空间分辨率；

  8.多达1000个光谱通道；

  9.光学分辨率7.5nm（默认）；

  10.macroPhor™图像采集与控制软件；

  11.KemoQuant™分析软件套装；

  应用案例

  关于种子质量的信息可以通过特定基因型的种子萌发过程的统计数据来确定。例如，种子发芽率和种子发芽所需时间是重要的数据。研究人员还想了解生长因素，如湿度、温度和光照对发芽过程的影响。对于试图提高作物产量的植物生理学家来说，提高种子萌发能力的技术是非常重要的。一旦种子开始发芽，荧光高光谱成像的技术可在生理特征显现之前，更早和更可靠地测量种子萌发的迹象。

  

  试验通过MacroPhor™ Lab荧光高光谱成像系统来研究玉米种子四天内的发芽过程。研究过程中使用多元曲线分辨(MCR)对收集的高光谱图像进行分析，以揭示独特的荧光特征及分布、荧光出现的时间，并量化这些特征的相对强度。分析结果可以被提取和应用于研究发芽过程。

  荧光成像是研究植物材料的一种有价值的工具，因为它可以很容易地激活和检测植物内部的光合色素。MacroPhor™ Lab高光谱成像系统是为植物或植物相关材料的大尺度扫描而设计的。在相机前方安装红色荧光发射滤波器，可以减少并去除非叶绿素波长区域（λ<650nm）的荧光发射，因此在有/无荧光发射滤波器的情况下分别收集图像数据（如图1所示）。

  

  图1.光谱照相机前安装或不安装红色滤波器情况下同一像素的平均光谱。两种情况下，陷波滤波器滤除510nm以下的光来防止激光照射传感器

  试验用6种不同基因型的种子，其中3种已知萌发速度较快(Fn)， 3种已知萌发速度较慢(Sn)。

  

  图2.不使用荧光发射滤光片情况下所提取的光谱特征

  不使用红色荧光发射滤波器情况下，高光谱玉米种子图像的MCR分析结果提取了4个主要的荧光发射光谱特征（图2）。 第一个是叶绿素a的特征，其他三个特征与种子其他部分（例如胚乳，胚芽，种皮）发出的荧光物质有关。

  虽然很难将因子2-4完全分配到种子的特定区域，但有些因子在种子的某些区域比其他区域多。例如，因子2出现在尖端和胚根中。因子3在玉米种子胚乳中表现得更强烈。因子4在整个种子中都存在，但有时在胚芽中更集中。

  图3显示了种子单个像素上每个光谱特征的相对强度百分比图像。由于叶绿素的高荧光发射强度，部分图像像素饱和，特别是在萌发76小时后。这些像素被从分析结果中移除，这就是图像中一些最亮的叶绿素区域中强度百分比显示为零的原因。这些像素以100%的色彩进行回填，以创建出伪彩色图像。值得注意的是52小时后，几乎所有快速发芽的种子中都可见到叶绿素。76小时后，只在一颗缓慢发芽的种子(S3组中的一颗种子)中发现少量叶绿素。

  

  图3.顶部图片显示的是发芽过程中的种子图像，以下不同因子下对应每种基因型种子的百分强度图像。最后一组图像为伪彩色图像，红色代表叶绿素a，黄色代表因子6，蓝色代表因子4

  使用红色荧光发射滤波器情况下，对高光谱玉米种子图像进行MCR分析，提取了2个主要的荧光发射光谱特征（如图4所示）。

  

  图4. 使用荧光发射滤光片情况下所提取的光谱特征

  

  图5.上半部分为种子的图像，下半部分为伪彩色图像。红色代表叶绿素a，黄色为因子2

  图5中的伪彩色图像(指定叶绿素图像像素为红色，指定MCR因子2图像像素为黄色)是由这两个因子的强度百分比图像组合生成的。对于某些种子， 如F1种子2号在52小时，F3种子2号在52和76小时，S3种子2号在76小时，可见的发芽迹象出现之前，就可以观测到叶绿素。

  利用高光谱成像技术可以研究不同基因型的种子以及影响种子萌发过程的因素。我们能够识别出在这些玉米种子中发现的四种独特的荧光特征，这些光谱特征集中出现在种子的特定区域，可以让我们更全面地理解不同基因型玉米种子的萌发过程。