摘要：活細胞成像系統(tǒng)可在維持細胞生理活性條件下完成長時間動態(tài)觀測，彌補傳統(tǒng)固定樣本顯微成像僅能獲取靜態(tài)信息的短板，現(xiàn)已成為細胞生物學、藥物篩選、干細胞及腫瘤研究領域的重要分析設備。本文闡述活細胞成像系統(tǒng)的光學架構、微環(huán)境控制、抗漂移校正等核心技術，梳理標準化實驗操作流程，分析常見實驗問題及解決辦法，介紹設備適用領域，為科研及質(zhì)檢用戶開展活細胞時序成像實驗、儀器選型驗收提供技術依據(jù)。

1 引言

細胞增殖、遷移、凋亡、蛋白轉(zhuǎn)運等生命活動均屬于動態(tài)時序過程。傳統(tǒng)免疫熒光、固定細胞染色顯微檢測，只能捕獲某一時刻的靜態(tài)圖像，丟失大量時間維度生物學信息。

活細胞成像技術依托精密光學探測與體外微環(huán)境模擬，對活體培養(yǎng)細胞開展連續(xù)時序觀測，獲取細胞形態(tài)變化、細胞器運動、藥物刺激響應等動態(tài)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)定性觀察與定量數(shù)據(jù)分析。活細胞成像實驗的核心矛盾在于成像質(zhì)量、成像時長與細胞活性三者之間的平衡，光毒性、光漂白、長時間成像焦點漂移是實際應用中突出的技術難點。

當前主流設備分為寬場活細胞成像、轉(zhuǎn)盤共聚焦活細胞成像、光片活細胞成像三類。寬場活細胞成像光損傷較低、檢測通量高，更適配多孔板批量樣品檢測，在藥物篩選實驗室應用廣泛。

2 活細胞成像系統(tǒng)核心技術原理

2.1 光學成像模塊

活細胞成像系統(tǒng)大多基于倒置顯微鏡光路，兼容玻璃底培養(yǎng)皿、玻璃底多孔板、腔室載片等專用耗材，普通塑料耗材易產(chǎn)生熒光散射，不適合熒光成像。

照明單元：普遍采用可調(diào)功率 LED 光源，替代傳統(tǒng)汞燈，減少廣譜光照產(chǎn)生的活性氧，降低光毒性；支持明場、相差、多通道熒光成像，同時滿足無標記形態(tài)觀察與熒光示蹤實驗。

信號探測單元：配置高靈敏度 sCMOS 相機，在較低激發(fā)光強度下即可采集有效信號，縮短曝光時間，降低樣品總受光劑量。

物鏡單元：配備電動物鏡切換轉(zhuǎn)盤；低倍物鏡（4×、10×）用于全孔掃描、群體細胞表型統(tǒng)計；20×、40× 高 NA 物鏡用于單細胞及亞細胞結(jié)構觀測，提升熒光收集效率。

2.2 微環(huán)境控制單元

哺乳動物細胞長時間成像標準條件為 37?℃、5% CO?、相對濕度＞90%，溫度、CO?、濕度波動會直接引發(fā)細胞應激、凋亡。

溫度閉環(huán)控制：整機孵育腔或者板上孵育模塊，降低熱脹冷縮帶來的機械形變，緩解 Z 軸焦漂移；

CO?氣體調(diào)控：維持碳酸氫鹽培養(yǎng)基 pH 穩(wěn)定，避免 pH 偏移造成細胞狀態(tài)異常；

高濕度控制：抑制培養(yǎng)基蒸發(fā)，防止?jié)B透壓升高導致細胞脫水死亡。

部分機型采用培養(yǎng)箱內(nèi)置式設計，整機放置于標準 CO?培養(yǎng)箱內(nèi)部，大程度還原常規(guī)細胞培養(yǎng)條件，適合數(shù)天級長時連續(xù)成像。

2.3 硬件自動聚焦抗漂移技術

長時間時序成像過程中，溫度變化、耗材形變、培養(yǎng)基蒸發(fā)都會造成 Z 軸焦點偏移。硬件自動聚焦依靠近紅外參考光路鎖定樣品底面位置，周期性完成 Z 軸校正，不依賴熒光信號，不會額外增加光損傷，是長時延時成像的必·備功能。

2.4 時序采集與數(shù)據(jù)分析模塊

配套軟件可實現(xiàn) Time?lapse 時間序列采集、Z?stack 三維層掃、多通道同步成像、多孔板自動巡孔、大視野拼接。搭載 AI 圖像分析算法，可完成細胞分割、細胞計數(shù)、匯合度統(tǒng)計、熒光強度定量、細胞運動軌跡追蹤，批量輸出生長曲線、凋亡比例等量化結(jié)果，滿足高通量篩選的數(shù)據(jù)處理需求。

3 儀器標準化使用流程

活細胞成像實驗主要分為樣品制備、儀器預平衡、成像參數(shù)設置、圖像采集、數(shù)據(jù)后處理五個環(huán)節(jié)。

3.1 樣品制備

選用對數(shù)生長期健康細胞，嚴格杜絕污染；長時程成像合理控制細胞匯合度，避免接觸抑制。耗材優(yōu)先選用玻璃底培養(yǎng)器皿。標記方式可選擇熒光蛋白轉(zhuǎn)染、活細胞專用熒光探針；標記強度不宜過高，防止改變靶蛋白功能、增加細胞毒性；多通道成像需要提前驗證光譜串擾。培養(yǎng)基方面，長時間成像使用碳酸氫鹽緩沖培養(yǎng)基；短時檢測可選用 HEPES 緩沖培養(yǎng)基。

3.2 設備預平衡

開啟溫度、CO?、濕度控制系統(tǒng)，預平衡 30?60?min，待各項參數(shù)穩(wěn)定后再放入樣品；樣品上機后靜置 15?30?min，消除液體晃動帶來的細胞位移。

3.3 成像參數(shù)設置

遵循最·低有效光照原則，在滿足信噪比前提下，盡量降低激發(fā)光功率、縮短曝光時間，合理設置成像間隔，減少無效光照。

分鐘級短時觀測：可適度提高激發(fā)強度；

小時至天級長時成像：降低光源功率，必要時調(diào)整 binning，犧牲部分分辨率保障細胞存活；

開啟硬件快門，非采集時段切斷激發(fā)光；開啟硬件自動聚焦，設置合理校正周期。

3.4 圖像采集

啟動時序采集程序，實驗過程避免設備震動、空調(diào)直吹，減少環(huán)境擾動，開展無人值守采集。

3.5 數(shù)據(jù)后處理

對原始圖像做背景扣除、熒光校正；使用分析軟件完成細胞統(tǒng)計、軌跡追蹤；不得過度圖像處理造成數(shù)據(jù)失真，原始圖像完整留存，滿足實驗室數(shù)據(jù)溯源管理要求。

3.6 常見問題及應對措施

光毒性、光漂白：出現(xiàn)細胞凋亡、周期阻滯、熒光快速淬滅。對策：降低激發(fā)總劑量，拉長采樣間隔，選用高靈敏度探測器。

焦點漂移、圖像模糊：充分預平衡設備，啟用硬件自動聚焦功能。

培養(yǎng)基蒸發(fā)，滲透壓升高：保證腔室高濕度環(huán)境，多天成像優(yōu)先選用培養(yǎng)箱內(nèi)置機型。

樣品污染：執(zhí)行無菌操作，定期對設備腔室進行清潔消毒。

4 設備適用范圍

細胞基礎研究：細胞分裂、細胞遷移侵襲、囊泡轉(zhuǎn)運、細胞器動態(tài)變化、細胞互作、凋亡焦亡動態(tài)過程觀測。

藥物藥理篩選：藥物作用下細胞動態(tài)響應，多孔板高通量藥物梯度篩選，評價藥效與細胞毒性動力學。

干細胞研究：干細胞增殖分化動態(tài)追蹤、克隆形成實時觀測。

腫瘤生物學研究：腫瘤細胞遷移、類器官動態(tài)初步觀測。

無標記細胞監(jiān)測：明場、相差模式統(tǒng)計細胞匯合度、增殖曲線，用于細胞培養(yǎng)質(zhì)量監(jiān)控。

應用局限：設備對厚層類器官、組織塊穿透深度有限；長時間熒光成像不可避免存在光損傷風險，實驗必須設置對照組，確認成像條件本身不會干擾細胞生理表型。

5 產(chǎn)品推薦

高分生物活細胞成像系統(tǒng)為培養(yǎng)箱內(nèi)置式長時程活細胞成像設備，可直接放置于標準 CO?細胞培養(yǎng)箱內(nèi)，實現(xiàn)多天連續(xù)時間序列成像，不占用實驗室臺面空間。配置奧林巴斯物鏡組，4 孔電動物鏡轉(zhuǎn)盤，支持 4×、10×、20×、40× 物鏡自動切換；具備明場、相差、多色熒光、Z?stack 三維層掃、全孔成像等多種成像模式。

設備采用樣本臺固定、光學模塊移動結(jié)構，降低樣品擾動；搭載 AI 自動聚焦與細胞分析算法，可自動完成細胞分割、計數(shù)、匯合度統(tǒng)計、生長曲線輸出；支持多孔板批量時序成像，可并行多個實驗任務，適用于細胞生物學實驗、藥物高通量初篩、干細胞動態(tài)觀測等場景。

供貨信息：高分生物活細胞成像系統(tǒng)，華雅思創(chuàng)生物現(xiàn)貨供應，可提供設備技術資料、配置方案咨詢服務。