Расчет распределения числа фотоотсчетов в системах регистрации флуктуаций интенсивности флуоресценции

  • Виктор Васильевич Скакун Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Владимирович Апанасович Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Исследование молекулярного состава вещества на основе расчета распределения числа фотоотсчетов является эффективным методом анализа экспериментальных данных во флуоресцентной флуктуационной спектроскопии. Этот метод относится к числу неинвазивных и позволяет изучать процессы димеризации молекулярных комплексов в живых клетках, что востребовано в биологии, медицине и фармацевтике. Получение теоретического распределения числа фотоотсчетов сопряжено с рядом трудностей как алгоритмического, так и вычислительного характера. Проведен сравнительный анализ трех основных методов расчета распределения числа фотоотсчетов и предложена методика, гарантирующая его корректное вычисление во всем диапазоне изменения параметров модели и ширины канала регистрации. Вывод аналитических выражений представлен для случая гауссовской аппроксимации профиля засветки с коррекцией на внефокусное излучение и нормировки на первые два момента профиля. Другие способы аппроксимации профиля засветки и нормировки оцениваемых параметров можно осуществить аналогично. Предложенная методика программно реализована в пакете FFS Data Processor, который используется для глобального анализа потоков фотоотсчетов во флуоресцентной флуктуационной спектроскопии и обеспечивает эффективный расчет распределения числа фотоотсчетов в широком диапазоне оцениваемых параметров.

Биографии авторов

Виктор Васильевич Скакун, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; докторант кафедры системного анализа и компьютерного моделирования факультета радиофизики и компьютерных технологий

Владимир Владимирович Апанасович, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры системного анализа и компьютерного моделирования факультета радиофизики и компьютерных технологий

Литература

  1. Kitamura A, Kinjo M. State-of-the-art fluorescence fluctuation-based spectroscopic techniques for the study of protein aggregation. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(4):964. DOI: 10.3390/IJMS19040964.
  2. Elson EL, Magde D. Fluorescence correlation spectroscopy. I. Conceptual basis and theory. Biopolymers. 1974;13(1):1–27. DOI: 10.1002/BIP.1974.360130102.
  3. Yu Lan, Lei Yunze, Ma Ying, Liu Min, Zheng Juanjuan, Dan Dan, et al. A comprehensive review of fluorescence correlation spectroscopy. Frontiers of Physics. 2021;9:644450. DOI: 10.3389/FPHY.2021.644450.
  4. Nederveen-Schippers LM, Pathak P, Keizer-Gunnink I, Westphal AH, van Haastert PJM, Borst JW, et al. Combined FCS and PCH analysis to quantify protein dimerization in living cells. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(14):7300. DOI: 10.3390/IJMS22147300.
  5. Elson EL. Fluorescence correlation spectroscopy: past, present, future. Biophysical Journal. 2011;101(12):2855–2870. DOI: 10.1016/j.bpj.2011.11.012.
  6. Kask P, Palo K, Ullmann D, Gall K. Fluorescence-intensity distribution analysis and its application in biomolecular detection technology. PNAS. 1999;96(24):13756–13761. DOI: 10.1073/pnas.96.24.13756.
  7. Palo K, Mets Ü, Jäger S, Kask P, Gall K. Fluorescence intensity multiple distributions analysis: concurrent determination of diffusion times and molecular brightness. Biophysical Journal. 2000;79(6):2858–2866. DOI: 10.1016/S0006-3495(00)76523-4.
  8. Chen Y, Müller JD, So PTC, Gratton E. The photon counting histogram in fluorescence fluctuation spectroscopy. Biophysical Journal. 1999;77(1):553–567. DOI: 10.1016/S0006-3495(99)76912-2.
  9. Huang B, Perroud TD, Zare RN. Photon counting histogram: one-photon excitation. ChemPhysChem. 2004;5(10):1523–1531. DOI: 10.1002/cphc.200400176.
  10. Perroud TD, Huang B, Zare RN. Effect of bin time on the photon counting histogram for one-photon excitation. ChemPhysChem. 2005;6(5):905–912. DOI: 10.1002/cphc.200400547.
  11. Müller JD. Cumulant analysis in fluorescence fluctuation spectroscopy. Biophysical Journal. 2004;86(6):3981–3992. DOI: 10.1529/biophysj.103.037887.
  12. Wu B, Singer RH, Mueller JD. Time-integrated fluorescence cumulant analysis and its application in living cells. In: Tetin SY, editor. Fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS). Part A. [S. l.]: Academic Press; 2013. p. 99–119 (Methods in enzymology; volume 518). DOI: 10.1016/B978-0-12-388422-0.00005-4.
  13. Skakun VV, Novikov EG, Apanasovich TV, Apanasovich VV. Fluorescence cumulants analysis with non-ideal observation profiles. Methods and Applications in Fluorescence. 2015;3(4):045003. DOI: 10.1088/2050-6120/3/4/045003.
  14. Meng F, Ma H. A comparison between photon counting histogram and fluorescence intensity distribution analysis. The Journal of Physical Chemistry B. 2006;110(51):25716–25720. DOI: 10.1021/jp063845r.
  15. Skakun VV, Apanasovich VV. [Photon counting distribution analysis with brightness profile correction in single molecule fluctuation spectroscopy]. Vestnik Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 1, Fizika. Matematika. Informatika. 2008;2:31–35. Russian.
  16. Skakun VV, Novikov EG, Apanasovich VV, Tanke HJ, Deelder AM, Mayboroda OA. Initial guesses generation for fluorescence intensity distribution analysis. European Biophysics Journal. 2006;35(5):410–423. DOI: 10.1007/s00249-006-0048-8.
  17. Marquardt DW. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 1963;11(2):431–441. DOI: 10.1137/0111030.
  18. Skakun VV, Digris AV, Apanasovich VV. Global analysis of autocorrelation functions and photon counting distributions in fluorescence fluctuation spectroscopy. In: Engelborghs Y, Visser AJWG, editors. Fluorescence spectroscopy and microscopy: methods and protocols. [S. l.]: Humana Press; 2014. p. 719–741 (Methods in molecular biology; volume 1076). DOI: 10.1007/978-1-62703-649-8_33.
  19. Rigler R, Mets Ü, Widengren J, Kask P. Fluorescence correlation spectroscopy with high count rate and low background: analysis of translational diffusion. European Biophysics Journal. 1993;22(3):169–175. DOI: 10.1007/BF00185777.
  20. Hess ST, Webb WW. Focal volume optics and experimental artifacts in confocal fluorescence correlation spectroscopy. Biophysical Journal. 2002;83(4):2300–2317. DOI: 10.1016/S0006-3495(02)73990-8.
  21. Palo K, Mets Ü, Loorits V, Kask P. Calculation of photon-count number distributions via master equations. Biophysical Journal. 2006;90(6):2179–2191. DOI: 10.1529/biophysj.105.066084.
Опубликован
2023-05-23
Ключевые слова: флуоресцентная флуктуационная спектроскопия, распределение числа фотоотсчетов, РЧФ, FIDA, PCH, производящая функция числа фотоотсчетов
Как цитировать
Скакун, В. В., & Апанасович, В. В. (2023). Расчет распределения числа фотоотсчетов в системах регистрации флуктуаций интенсивности флуоресценции. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 22-38. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5434
Выпуск
№ 2 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Оптика и спектроскопия

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).