细胞生物学家需要这样的显微镜：在低光条件下以高分辨率和灵敏度探测细胞中的快速运动。开发者不仅要解决性能要求，还要考虑价格因素，以及处理动态成像实验所产生的大量数据的能力。
尽管电荷耦合器件（CCD）相机长期以来都是成像的“黄金标准”，但是科研级互补金属氧化物半导体（sCMOS）也在获得越来越多的应用。早期CMOS器件有图像质量问题，但是传感器设计的不断改进已经大大消除了这些缺点。
先进的sCMOS技术比当前CCD相机速度更快，因此能够更好地捕捉快速细胞事件。增强的灵敏度让这些相机能够以短曝光时间探测到低光信号，而更高的分辨率能够在整个大视场获得更清晰的细胞微结构图像。
如今，研究人员面对的问题是如何选择最佳的成像方案。本文将分析CCD和sCMOS技术之间的差异。
CCD vs sCMOS
CCD和sCMOS传感器（如图1）完成相似的基本功能：收集光并转化成电信号。这两种技术的相对优劣是因为读取累积在给定像素上的信号的方式不同。
图1：CCD（左）和CMOS（右）传感器的结构简图
CCD相机经常使用全局快门，在某个精确时刻曝光和捕捉图像中的每个像素。为了以数字形式整合那个信息，所有像素都通过单个输出节点按顺序流向模数转化器（ADC），这个过程叫做数字化。然后，这个数据发送到计算机中显示和存储。
因为每个像素同时曝光，所以在每一帧图像都发生显著变化时全局快门特别有利。但是，CCD帧率受限于单个像素转移和数字化的速率：需要传输的像素越多，相机的总帧率越慢。这种设计产生了ADC瓶颈。数百万像素处在单个队列中等待转换。在下一次曝光前，必须处理完一帧图像中的每个像素。CCD相机能够在中长曝光时间的研究中捕捉可靠的静态和延时图像。但是，随之而产生的电荷转移延迟会降低相机的帧率。
如果显微镜只用于较长曝光的分析，比如慢速细胞迁移和西方墨点法，帧率慢不是问题。但是帧率关系到能否研究快速运动的细胞现象，包括囊泡形成、蛋白质转运和钙信号传播。为了捕捉这些细胞内事件，细胞生物学家需要100帧/秒或更快的帧率。用CCD显微技术或许能看到细微的细胞结构并测量电化学信号，但是会丢失方向和速度的数据。帧率太慢还会出现运动模糊和时间混扰等假象。
这个问题的解决办法之一是sCMOS芯片，它在每个像素列末端都放置一个ADC。这种设计使转换队列倍增，大量像素时有数千倍。使用sCMOS能快速产生每帧的数字信息。需要注意的是，一行ADC一次只能数字化一行像素。
sCMOS相机采用滚动快门设计，在曝光完成时能避免因等待数字化所有像素行而拖拉帧率。它不用等待全帧完成读出，而是先完成数字化的像素行直接进行下一帧的曝光，同时让图像传感器进行后续行信号的数字化。相机能够随时间从上向下平移过图像。相邻行间根据传感器读出的顺序设置短时延迟。
滚动快门的优势是多帧可以重叠而且帧率增高。sCMOS传感器能提供比高端行间CCD相机快10倍的帧率。缺点是行间极小的时间差可能使数据产生偏差。
有些sCMOS相机提供定制触发模式，能够以滚动快门获得全局曝光，最大化地提高sCMOS的性能。这种触发模式允许快速开关高速光源，只有当所有sCMOS全帧图像中的所有行都同时曝光时，光源是脉冲的，因此得到全局曝光的效果。同时，相机保持在滚动快门模式进行电荷数字化，以此维持高速帧率和低读出噪声。
sCMOS在生物研究的优势
低光图像质量
sCMOS相机技术最明显和直接的优势是提高了低光图像质量。sCMOS传感器具有低读出噪声和较大的面积，能够提供低噪声、大视场（FOV）图像，让研究人员轻松扫描整个样品并捕获高质量图像。比如，optiMOS sCMOS传感器比传统CCD的FOV要大45%（见图2）。
图2：QImaging optiMOS sCMOS相机和科研级制冷CCD相机的图像和行轮廓比较。对于图像质量、信噪比、视场和帧率，sCMOS相机都要优于科研CCD相机。
信噪比
“量子效率“（QE）是光子产生电子的平均概率，用转换百分数表示，用于描述相机的光灵敏度，QE越高能够产生越清晰的图像。很多CCD相机都有不错的量子QE规格，但是它们的读出噪声的差异很大。
因为很多细胞标记都发射低强度光信号，如果相机的读出噪声高，那么捕捉微弱信号时SNR也低，因此图像质量也差。从设计上讲，sCMOS相机高速时也具有低水平电子读出噪声，一般是高度行间CCD相机的三分之一。
荧光成像
sCMOS和CCD相机都能很好地服务具有较长曝光的荧光应用，比如固定细胞的免疫荧光。但是活体细胞的荧光应用则对光非常灵敏。高灵敏度既要求最小化光漂白和毒性，还要尽可能多地采集时间信息。其目标是：以足够的SNR采集图像，同时降低激发光强度并使用最短的曝光时间。所以，活体细胞成像科学家越来越亲睐sCMOS仪器。因为，高SNR能应对好短曝光时间而且传达高图像质量。
实验应用
Bart Guerten是德国哥廷根大学细胞神经生物部门的一名博士后，他的实验要求快速而灵敏的细胞成像，即观察果蝇幼虫与机械感知相关的基因活动。这种研究有助于确定候选基因在机械感知发展、功能和疾病的作用。
为了筛选机械感知缺陷，团队必须以高时间和空间分辨率对果蝇幼虫肌肉中的绿色荧光蛋白（GFP）进行成像。因为这个过程需要在快速肌肉受压中以突变细胞线筛选缺陷，他们需要的成像技术必须简单易用而且能够高速采集图像。
传统CCD相机这时就太慢无法在幼虫的突变细胞线中探测到肌肉受压缺陷。所以成像方案要求高帧率，而且不能牺牲灵敏度和噪声性能。
所以，科研团队使用QImaging的optiMOS sCMOS相机，能够筛选出突变的果蝇幼虫，而且以高时间和空间分辨率快速量化幼虫单个部位的压力。
sCMOS的长期潜力
研究者长期一直依赖具有量化性能和灵敏度的CCD相机进行科学成像。但是，这些设备使用范围受到时间分辨要求的极大限制。CCD结构在高速成像中不能保持大空间分辨率。但是，sCMOS传感器近年来取得了进展，同时具有高速帧率和低读出噪声，因此sCMOS相机是细胞生物学、生物物理和离子转运生理实验的理想选择。