[论文解读] Pixelation with concentration-encoded effective photons for molecular optical sectioning microscopy

Geng Wang, Rishyashring R. Iyer+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于浓度编码有效光子的像素化方法，用于在不同系统和条件下标准化定量分子光学切片显微镜。通过利用体积分子荧光染料溶液中的泊松光子统计特性，该方法将像素测量统一为单一绝对单位，实现客观的跨模态性能比较，并支持在活体样本中实现低噪声、低损伤成像。

ABSTRACT

Quality control in molecular optical sectioning microscopy is indispensable for transforming acquired digital images from qualitative descriptions to quantitative data. Although numerous tools, metrics, and phantoms have been developed, accurate quantitative comparisons of data from different microscopy systems with diverse acquisition conditions remains a challenge. Here, we develop a simple tool based on an absolute measurement of bulk fluorophore solutions with related Poisson photon statistics, to overcome this obstacle. Demonstrated in a prototypical multiphoton microscope, our tool unifies the unit of pixelated measurement to enable objective comparison of imaging performance across different modalities, microscopes, components/settings, and molecular targets. The application of this tool in live specimens identifies an attractive methodology for quantitative imaging, which rapidly acquires low signal-to-noise frames with either gentle illumination or low-concentration fluorescence labeling.

研究动机与目标

• 为解决在不同采集条件下，分子光学切片显微镜系统之间缺乏标准化定量比较的问题。
• 克服在不同显微镜、成像模态、组件和分子靶标之间比较成像性能的挑战。
• 基于荧光染料溶液和泊松光子统计，开发一种简单、绝对的测量工具，用于性能基准测试。
• 在低信号、低照明显微条件下，实现活体样本的客观、定量成像。

提出的方法

• 利用已知浓度的体积分子荧光染料溶液，基于泊松分布的光子计数建立参考标准。
• 通过在时间上积分荧光强度并归一化至荧光染料浓度的预期光子数，计算有效光子数。
• 将像素级测量转换为浓度编码的有效光子数，从而在不同成像系统之间创建统一的定量单位。
• 在原型多光子显微镜上验证该方法，以证明其在不同设置和分子靶标下的稳定性。
• 该方法可在温和光照或低浓度标记条件下，快速获取低信噪比图像帧。
• 提供一种直接、绝对的性能比较指标，独立于系统特定参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不同显微镜和采集条件下，客观比较分子光学切片显微镜的定量性能？
• RQ2 能否从荧光染料溶液和光子统计中推导出标准化的测量单位，以统一像素级数据？
• RQ3 在使用该标准化指标时，低照明显微和低浓度标记对图像质量有何影响？
• RQ4 浓度编码的有效光子方法如何提升活体样本成像的一致性？
• RQ5 该方法在光学切片显微镜中，能在多大程度上实现跨模态和跨系统的基准测试？

主要发现

• 该方法成功地将像素化测量统一为基于浓度编码有效光子的单一绝对单位。
• 该方法实现了在不同显微镜、组件和分子靶标之间，对成像性能的客观、跨系统比较。
• 在温和光照或低浓度标记条件下，可快速获取低信号、低噪声图像帧，同时保持定量可靠性。
• 该技术在原型多光子显微镜上得到验证，证明其在多种成像条件下的鲁棒性。
• 利用体积分子荧光染料溶液中的泊松光子统计，为绝对定量提供了可靠基础。
• 该方法支持活体样本的快速定量成像，显著提升了其在动态生物学研究中的实用性。