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光譜單分子定位顯微鏡 (sSMLM) 能夠同時(shí)捕獲單分子的空間位置和光譜信息，但由于光子數(shù)量有限有限和噪聲水平較高，準(zhǔn)確提取光譜信息具有一定挑戰(zhàn)性。

本研究提出了一種名為“光譜到光譜 (Spec2Spec)"的自監(jiān)督深度學(xué)習(xí)框架，能有效抑制噪聲并恢復(fù)低SNR發(fā)射光譜。Spec2Spec通過利用空間相鄰像素的相關(guān)光譜信息，顯著提高了SNR（約6倍）和SSIM（約3倍），并在雙色sSMLM中實(shí)現(xiàn)了94.6%的光譜分類準(zhǔn)確率和接近100%的數(shù)據(jù)利用率。該方法為多路復(fù)用和功能性超分辨率成像提供了新的途徑。

圖1 實(shí)驗(yàn)性sSMLM系統(tǒng)和所提出的Spec2Spec框架。圖(a)為sSMLM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，光譜模塊負(fù)責(zé)將發(fā)射的光子分為兩個(gè)通道，分別提供空間和光譜信息；圖(b)為sSMLM中的自監(jiān)督光譜去噪工作流程，包括重新采樣和重新積分每個(gè)原始光譜圖像，生成訓(xùn)練對(duì)，以及優(yōu)化Spec2Spec網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的過程。

本研究自主設(shè)計(jì)了一套sSMLM系統(tǒng)，旨在同時(shí)捕獲單分子熒光發(fā)射的空間位置和全光譜信息。系統(tǒng)采用連續(xù)波激光照明（波長(zhǎng)642 nm，功率1100 mW，CNI）進(jìn)行激發(fā)，并使用鑫圖Dhyana 400BSI相機(jī)同步獲取不同區(qū)域的空間和光譜圖像。為清晰分辨單個(gè)熒光分子的位置，相機(jī)需具備足夠的高空間分辨率和多波長(zhǎng)響應(yīng)能力。Dhyana 400BSI采用背照式sCMOS結(jié)構(gòu)，其峰值量子效率高達(dá)95%，讀出噪聲低至1.1e-，即使在低光條件下也能捕捉到微弱的單分子熒光發(fā)射信號(hào)，進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量和信噪比。在高速模式下，其全分辨率幀率可達(dá)100 fps，支持實(shí)時(shí)捕捉動(dòng)態(tài)熒光事件。相機(jī)配備CameraLink高速數(shù)據(jù)傳輸接口，能夠有效處理和傳輸大量空間和光譜數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

Xu D, Gu Y, Lu J, et al. Deep-learning-assisted spectroscopic single-molecule localization microscopy based on spectrum-to-spectrum denoising[J]. Nanoscale, 2024, 16(11): 5729-5736.

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