清华大学戴琼海/吴嘉敏通过单个光子就能算出荧光衰减有多快

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NBT：荧光寿命成像的“光子革命”，清华大学戴琼海/吴嘉敏通过单个光子就能算出荧光衰减有多快4 |8 M$ c4 D4 Z1 y/ }
1.        荧光寿命成像显微镜（FLIM）  r8 O2 w" {( {) q' |* V
2.        荧光寿命% G- C( j% [: U. p" l
3.        光子需求量
6 `! X) }+ I* U1 J来源：iNature 2026-07-28 17:250 ?3 Z- B" r& v( K0 X
该研究提出基于事件的首光子荧光寿命成像（EFLIM），这是一种自监督去噪方法，可在极低光强下推断荧光寿命，EFLIM通过探测体内动态分子过程，在神经科学、细胞生物学、免疫学和病理学领域具有巨大潜力。
% h$ b& H+ y7 O4 A( Q0 c4 L荧光寿命成像显微镜（FLIM）能够定量测量分子环境因素、交互作用及蛋白质构象。然而，精确的寿命测定需要大量光子，这限制了其在快速深部组织成像中的实际应用。
4 n' E/ Y. p% l; E8 W  ^2026年7月15日，清华大学戴琼海和吴嘉敏共同通讯在Nature Biotechnology 在线发表题为High-fidelity fast fluorescence lifetime imaging by event-based denoising的研究论文。
+ q7 }& u. H; `! D; @该研究提出基于事件的首光子荧光寿命成像（EFLIM），这是一种自监督去噪方法，可在极低光强下推断荧光寿命。
8 R; F! h1 m! {) P  m" b! z" p通过将每个激发事件表示为二进制过程而非直方图累积，与现有最先进算法相比，EFLIM将光子需求降低了两个数量级以上，使得每个像素的表观平均寿命测量值低于一个光子，并且对强度伪影具有极强的鲁棒性。6 x% m9 x4 a9 w1 r8 ]) W
为展示EFLIM的适用性，作者观察了配体依赖性分子状态的瞬时细胞内动力学，通过单光谱通道中的多重成像捕获了不同淋巴细胞之间疑似囊泡介导的接触，并在人胶质瘤组织中实现了快速的免标记肿瘤异质性可视化。9 W  k, F& c& I  o7 ~
上述结果表明，EFLIM通过探测体内动态分子过程，在神经科学、细胞生物学、免疫学和病理学领域具有巨大潜力。* _, S* l7 s! P7 N5 u/ R$ u1 P
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荧光寿命是指分子在辐射衰变前保持激发态的持续时间。荧光寿命成像显微镜（FLIM）利用这一特性提供关于微环境、分子交互作用及构象动态的信息，因此在神经科学、结构生物学、细胞生物学及代谢研究等领域具有广泛应用。2 y7 n5 N1 r4 K' W+ u
然而，由于荧光过程的量子特性，单个光子的发射时间在不同激发周期之间存在差异。因此，准确估算荧光寿命需要大量光子，这限制了成像速度，尤其是在弱光条件下。这一要求进一步阻碍了活体深组织FLIM在其天然微环境中以最小光毒性捕捉快速生物交互作用。
: N" d4 A0 Y; {9 c过去十年来，研究人员为应对这一挑战付出了诸多努力。RapidFLIM将传统光子计数设备的死时间缩短至约0.7纳秒，提高了检测效率，并能够收集原本在探测器死时间内丢失的光子。EO-FLIM通过高频电光调制编码荧光寿命，实现了膜电压动态的千赫兹宽场寿命记录。
8 T1 |+ v- {. }然而，这些方法要么仍受限于光子散粒噪声，要么因单光子激发而导致组织穿透能力较差。另一个有前景的方向是深度学习算法的应用。有监督深度学习方法将光子到达直方图直接映射为平均寿命，其性能优于传统模型拟合方法，如最小二乘拟合（LS）、最大似然估计（MLE）和贝叶斯分析（BA）。然而，不同样本、环境因素及光学设置之间荧光寿命的多样性限制了基于配对数据集训练的有监督神经网络的普适性。' m' Y( q- P$ d
此外，现有方法在极弱光条件下仍然失效，例如当每像素平均光子数（PPP）小于1时，对应每个像素极有可能未检测到光子的情况。因此，在极低光子预算下实现高保真度的FLIM仍然具有挑战性，限制了其在捕捉深组织内快速生物动态以及高速无标记诊断中的实际应用。1 q' E8 v% a& q5 g" t5 h

2 V* T! y1 p7 O! B8 Q# `# E4 N图1.EFLIM原理（摘自Nature Biotechnology）% B/ i+ S: e0 z  v6 L; G7 Y
在此，作者提出基于事件的首光子FLIM（EFLIM），这是一种自监督去噪方法，充分利用了首光子检测的量子化特性。EFLIM并非构建逐像素的光子计数直方图，而是将每个激发事件解释为一个二元过程：要么未发射光子，要么检测到一个具有精确发射时间的首个到达光子。) [  F' p+ e, {8 o5 Z& u
通过利用事件表示法在空间和时间维度上结合周围激发事件的信息，EFLIM能够在极弱光条件下提取寿命信息，将光子需求量降低两个数量级以上，同时对强度波动表现出强大的鲁棒性。$ x' b: Y3 ?6 g: O# R
凭借这一能力，EFLIM捕捉了配体依赖性分子状态的瞬时细胞内动态，实现了免疫应答过程中不同淋巴细胞的复用成像，并在人脑胶质瘤组织中实现了快速无标记的肿瘤异质性可视化。: C8 z4 a, l7 i. Q: b; j' D  H
这些实验突显了EFLIM在天然及动态环境中揭示分子信息的潜力，为在生物学及临床场景中实现动态分子过程的快速活体深组织成像铺平了道路。' d" E2 y5 ?' D- U- Q' T
参考消息：https://www.nature.com/articles/s41587-026-03222-08 P" X; `3 o2 `1 x9 w+ P# U8 `