zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1815Research ArticleПРИБОРЫ И МЕТОДЫ СПЕКТРОСКОПИИDEVICES AND METHODS OF SPECTROSCOPYИспользование аппарата производящих функционалов для анализа потоков фотоотсчетов в системах одноквантовой регистрации интенсивности флуоресценцииUsing a Probability Generating Functional for Analysis of Photon Arrival Processes in Single-Quantum Registration Systems of Fluorescence IntensityСкакунВ. В.SkakunV. V.

Минск

Minsk

skakun@bsu.byАпанасовичВ. В.ApanasovichV. V.

Минск

Minsk

Белорусский государственный университетBelarusian State University202527032025922235245Copyright © Скакун В.В., Апанасович В.В., 20252025Скакун В.В., Апанасович В.В.Skakun V.V., Apanasovich V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1815

Получено выражение для производящего функционала потока фотоотсчетов в системах флуоресцентной флуктуационой спектроскопии в предположении произвольной интенсивности флуоресценции на интервале наблюдения. Использование производящих функционалов обобщает теорию методов анализа распределений числа фотоотсчетов, основанных на применении производящих функций числа событий, и открывает возможность анализа систем с нестационарной интенсивностью на интервале наблюдения. Найдены выражения для интенсивности потока и вероятности регистрации определенного числа фотоотсчетов на интервале наблюдения. На основе полученных выражений разработан метод оценки концентрации флуоресцирующих молекул с произвольной интенсивностью флуоресценции. Метод применим для однофотонного и двухфотонного возбуждения и не зависим от вида функции засветки.

An expression is obtained for the probability generating functional of the photon arrival processes in fluorescence fluctuation spectroscopy systems under the assumption of an arbitrary fluorescence intensity over the observation interval. The use of generating functionals generalizes the theory of photon counting distribution analysis methods based on the application of photon counts generating functions and opens up the possibility of analyzing the systems with non-stationary intensity over the observation interval. Expressions are found for the process intensity and the probability to obtain a certain number of photocounts per observation interval. Based on the obtained expressions, a method for estimating the concentration of fluorescent molecules with an arbitrary fluorescence intensity is developed. The method is applicable for both single-photon and two-photon excitation and does not depend on the form of the brightness profile function.

флуоресцентная флуктуационная спектроскопияпроизводящий функционалпотоки случайных событийметоды анализа распределения числа фотоотсчетовfluorescence fluctuation spectroscopyprobability generating functionalrandom point processesmethods of photon counting histogram analysisАвторы благодарят Центр микроскопии университета Вагенингена (Вагенинген, Нидерланды) и Dr. Jan Willem Borst за предоставление результатов измерения Rho110 в буфере.ReferencesE. L. Elson, D. Magde. Biopolymers, 13, N (1) (1974) 1—27, doi: 10.1002/bip.1974.360130102E. L. Elson, D. Magde. Biopolymers, 13, N (1) (1974) 1—27, doi: 10.1002/bip.1974.360130102E. L. Elson. Biophys. J., 101, N 12 (2011) 2855—2870, doi: 10.1016/j.bpj.2011.11.012E. L. Elson. Biophys. J., 101, N 12 (2011) 2855—2870, doi: 10.1016/j.bpj.2011.11.012Eli Slenders, Marco Castello, Mauro Buttafava, Federica Villa, Alberto Tosi, Luca Lanzanò, Sami Valtteri Koho, Giuseppe Vicidomini. Light Sci. Appl., 10, N 1 (2021) 1—12, doi: 10.1038/s41377-021-00475-zEli Slenders, Marco Castello, Mauro Buttafava, Federica Villa, Alberto Tosi, Luca Lanzanò, Sami Valtteri Koho, Giuseppe Vicidomini. Light Sci. Appl., 10, N 1 (2021) 1—12, doi: 10.1038/s41377-021-00475-zY. Chen, J. D. Müller, P. T. C. So, E. Gratton. Biophys. J., 77, N 1 (1999) 553—567, doi: 10.1016/S0006-3495(99)76912-2Y. Chen, J. D. Müller, P. T. C. So, E. Gratton. Biophys. J., 77, N 1 (1999) 553—567, doi: 10.1016/S0006-3495(99)76912-2P. Kask, K. Palo, D. Ullmann, K. Gall. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 96, N 24 (1999) 13756—13761, doi: 10.1073/PNAS.96.24.13756P. Kask, K. Palo, D. Ullmann, K. Gall. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 96, N 24 (1999) 13756—13761, doi: 10.1073/PNAS.96.24.13756J. D. Müller. Biophys. J., 86, N 6 (2004) 3981—3992, doi: 10.1529/biophysj.103.037887J. D. Müller. Biophys. J., 86, N 6 (2004) 3981—3992, doi: 10.1529/biophysj.103.037887V. V. Skakun, R. Engel, A. V. Digris, J. W. Borst, A. J. W. G. Visser. Frontiers in Bioscience – Elite, 3E, N 2 (2011) 489—505, doi: 10.2741/e264V. V. Skakun, R. Engel, A. V. Digris, J. W. Borst, A. J. W. G. Visser. Frontiers in Bioscience – Elite, 3E, N 2 (2011) 489—505, doi: 10.2741/e264K. Palo, Ü. Mets, S. Jäger, P. Kask, K. Gall. Biophys. J., 79, N 6 (2000) 2858—2866, doi: 10.1016/S0006-3495(00)76523-4K. Palo, Ü. Mets, S. Jäger, P. Kask, K. Gall. Biophys. J., 79, N 6 (2000) 2858—2866, doi: 10.1016/S0006-3495(00)76523-4K. Palo, Ü. Mets, V. Loorits, P. Kask. Biophys. J., 90, N 6 (2006) 2179—2191, doi: 10.1529/BIOPHYSJ.105.066084K. Palo, Ü. Mets, V. Loorits, P. Kask. Biophys. J., 90, N 6 (2006) 2179—2191, doi: 10.1529/BIOPHYSJ.105.066084T. D. Perroud, B. Huang, R. N. Zare. Chem. Phys. Chem., 6, N 5 (2005) 905—912, doi: 10.1002/cphc.200400547T. D. Perroud, B. Huang, R. N. Zare. Chem. Phys. Chem., 6, N 5 (2005) 905—912, doi: 10.1002/cphc.200400547B. Huang, T. D. Perroud, R. N. Zare. Chem. Phys. Chem., 5, N 10 (2004) 1523—1531, doi: 10.1002/CPHC.200400176B. Huang, T. D. Perroud, R. N. Zare. Chem. Phys. Chem., 5, N 10 (2004) 1523—1531, doi: 10.1002/CPHC.200400176B. Wu, R. H. Singer, J. D. Mueller. Methods Enzymol., 518 (2013) 99—119, doi: 10.1016/B978-0-12-388422-0.00005-4B. Wu, R. H. Singer, J. D. Mueller. Methods Enzymol., 518 (2013) 99—119, doi: 10.1016/B978-0-12-388422-0.00005-4V. V. Skakun, E. G. Novikov, T. V. Apanasovich, V. V. Apanasovich. Methods Appl. Fluoresc., 3, N 4 (2015) 045003, doi: 10.1088/2050-6120/3/4/045003V. V. Skakun, E. G. Novikov, T. V. Apanasovich, V. V. Apanasovich. Methods Appl. Fluoresc., 3, N 4 (2015) 045003, doi: 10.1088/2050-6120/3/4/045003L. M. Nederveen-Schippers, P. Pathak, I. Keizer-Gunnink, A. H. Westphal, P. J. M. van Haastert, J. W. Borst, A. Kortholt, V. V. Skakun. Int. J. Mol. Sci., 22, N 14 (2021) 7300, doi: 10.3390/IJMS22147300L. M. Nederveen-Schippers, P. Pathak, I. Keizer-Gunnink, A. H. Westphal, P. J. M. van Haastert, J. W. Borst, A. Kortholt, V. V. Skakun. Int. J. Mol. Sci., 22, N 14 (2021) 7300, doi: 10.3390/IJMS22147300F. Meng, H. Ma. J. Phys. Chem. B, 110, N 51 (2006) 25716—25720, doi: 10.1021/jp063845rF. Meng, H. Ma. J. Phys. Chem. B, 110, N 51 (2006) 25716—25720, doi: 10.1021/jp063845rИ. А. Большаков, В. С. Ракошиц. Прикладная теория случайных потоков, Москва, Советское радио (1978)И. А. Большаков, В. С. Ракошиц. Прикладная теория случайных потоков, Москва, Советское радио (1978)В. В. Апанасович, А. А. Коляда, А. Ф. Чернявский. Статистический анализ случайных потоков в физическом эксперименте, Минск, Университетское (1988)В. В. Апанасович, А. А. Коляда, А. Ф. Чернявский. Статистический анализ случайных потоков в физическом эксперименте, Минск, Университетское (1988)E. Novikov, N. Boens. J. Chem. Phys., 114, N 4 (2001) 1745—1753, doi: 10.1063/1.1333002E. Novikov, N. Boens. J. Chem. Phys., 114, N 4 (2001) 1745—1753, doi: 10.1063/1.1333002V. V. Skakun, A. V. Digris, V. V. Apanasovich. Methods Mol. Biol., 1076 (2014) 719—741, doi: 10.1007/978-1-62703-649-8_33V. V. Skakun, A. V. Digris, V. V. Apanasovich. Methods Mol. Biol., 1076 (2014) 719—741, doi: 10.1007/978-1-62703-649-8_33В. В. Скакун, В. В. Апанасович. Журн. БГУ. Физика, 2 (2023) 22—38, doi: 10.33581/2520-2243-2023-2-22-38В. В. Скакун, В. В. Апанасович. Журн. БГУ. Физика, 2 (2023) 22—38, doi: 10.33581/2520-2243-2023-2-22-38S. T. Hess, W. W. Webb. Biophys J., 83, N 4 (2002) 2300—2317, doi: 10.1016/S0006-3495(02)73990-8S. T. Hess, W. W. Webb. Biophys J., 83, N 4 (2002) 2300—2317, doi: 10.1016/S0006-3495(02)73990-8И. П. Шингарёв, В. В. Скакун, В. В. Апанасович. Журн. прикл. спектр., 78, 6 (2011) 951—958 doi: 10.1007/s10812-012-9549-7I. P. Shingaryov, V. V. Skakun, V. V. Apanasovich. J. Appl. Spectrosc., 78, N 6 (2011) 892—898 doi: 10.1007/s10812-012-9549-7I. P. Shingaryov, V. V. Skakun, V. V. Apanasovich. Methods Mol. Biol., 1076 (2014), doi: 10.1007/978-1-62703-649-8_34I. P. Shingaryov, V. V. Skakun, V. V. Apanasovich. Methods Mol. Biol., 1076 (2014), doi: 10.1007/978-1-62703-649-8_34G. A. Korn,T. M. Korn. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Definitions, Theorems and Formulas for Reference and Review, Second, Enlarged, and Revised Ed., New York, McGraw-Hill Book Company (1968)G. A. Korn,T. M. Korn. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Definitions, Theorems and Formulas for Reference and Review, Second, Enlarged, and Revised Ed., New York, McGraw-Hill Book Company (1968)M. L. Johnson, L. M. Faunt. Methods Enzymol., 210 (1992) 1—37, doi: 10.1016/0076-6879(92)10003-VM. L. Johnson, L. M. Faunt. Methods Enzymol., 210 (1992) 1—37, doi: 10.1016/0076-6879(92)10003-V

The authors declare that there are no conflicts of interest present.