PURELIGHT: a quantitative photon-counting framework unifying intensity and lifetime imaging at video rate across detector technologies
该论文介绍了 PURELIGHT，这是一个统一的硬件与软件框架，它消除了时间相关单光子计数中的光子堆积失真，从而使不同探测器技术都能实现具有准确强度和寿命测量能力的视频速率定量荧光显微成像。
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在生物研究领域，科学家们经常需要观察活细胞内部正在运作的隐形生命机制。为了实现这一目标，他们使用一种被称为荧光显微术的技术，即用特殊的染料标记微小分子，使其在受到光照射时发出荧光。这种光芒提供了两个至关重要的信息：光有多亮，这告诉研究人员存在多少分子；以及在光脉冲击中后荧光持续了多久，这揭示了分子周围的化学环境。几十年来，同时测量这两项指标最精确的方法是逐一计数单个光粒子。然而，这种方法存在一个严格的速度限制。如果过多的光粒子同时到达探测器，系统就会产生混乱，并开始丢失数据或记录错误信息。这种瓶颈迫使科学家必须在缓慢、谨慎的测量与快速、模糊的测量之间做出选择，实际上将高速、高精度的成像技术拒之于许多动态生物过程之外。
一支研究团队现在推出了一种名为 PURELIGHT 的新框架，它打破了这一速度限制。该系统结合了新的硬件和软件，以解决当过多光粒子同时到达时产生的混乱问题，即被称为“光子堆积”的问题。该框架并非丢弃多余的光或接受失真的数据，而是通过数学方法解开信号，从而恢复真实的亮度以及真实的荧光持续时间，即使在光到达速率远超以往系统处理能力的条件下也是如此。研究人员证明，这种方法适用于不同类型的光传感设备，包括混合光电探测器、硅光电倍增管和光电倍增管。通过保留更多此前会被丢失的光粒子，该系统的光子保留量比其他修正方法高出三倍以上，从而能够为生物活动提供更清晰、更准确的图像。
研究人员利用一种使用两束光深入观察活体组织内部的强大成像技术测试了这一新框架的力量。在这些实验中，研究人员能够捕捉到清醒小鼠大脑内亚细胞结构的视频级图像。这意味着他们可以实时观察细胞微小部分的化学环境变化，而这在以前是以这种精度实现的。该系统还实现了一种独特的测量不同信号比例且互不干扰的方法，并允许在发送和接收多个基于时间的信号时不会发生混淆。通过消除这种精确测量受限于缓慢、低光照情况的速度障碍，研究人员为定量显微技术在生命科学领域的广泛应用打开了大门，使科学家能够以以往无法企及的清晰度，观察生命中快速且复杂的运动。
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