Abstract

We report a novel whole-field three-dimensional fluorescence lifetime imaging microscope that incoporates multispectral imaging to provide five-dimensional (5-D) fluorescence microscopy. This instrument, which can acquire a 5-D data set in less than a minute, is based on potentially compact and inexpensive diode-pumped solid-state laser technology. We demonstrate that spectral discrimination as well as optical sectioning minimize artifacts in lifetime determination and illustrate how spectral discrimination improves the lifetime contrast of biological tissue.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy (Plenum, New York, 1983).
    [CrossRef]
  2. P. C. Schneider and R. M. Clegg, Rev. Sci. Instrum. 68, 4107 (1997).
    [CrossRef]
  3. G. Valentini, C. D’Andrea, D. Comelli, A. Pifferi, P. Taroni, A. Torricelli, R. Cubeddu, C. Battaglia, C. Consolandi, G. Salani, L. Rossi-Bernardi, and G. De Bellis, Opt. Lett. 25, 1648 (2000).
    [CrossRef]
  4. R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
    [CrossRef]
  5. A. Squire and P. I. H. Bastiaens, J. Microsc. (Oxford) 193, 36 (1999).
    [CrossRef]
  6. J. Bewersdorf, R. Pick, and S. W. Hell, Opt. Lett. 23, 655 (1998).
    [CrossRef]
  7. A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
    [CrossRef]
  8. M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 22, 1905 (1997).
    [CrossRef]
  9. M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
    [CrossRef]
  10. J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
    [CrossRef]
  11. J.-M. I. Maarek, L. Marcu, M. C. Fishbein, and W. S. Grundfest, Lasers Surg. Med. 27, 241 (2000).
    [CrossRef]
  12. Optical Insights, LLC, Suite 60, 1807 Second Street, Santa Fe, N.  Mex.  87505, http://www.optical-insights.com ; “Multispectral two dimensional imaging spectrometer,” U.S.  patents5,926,283 (July20, 1999) and ;5,982,497 (November9, 1999).
  13. K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).
  14. M. V. Rogers, Drug Discovery Today,  2, 156 (1997).
    [CrossRef]

2001 (1)

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

2000 (4)

1999 (2)

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

A. Squire and P. I. H. Bastiaens, J. Microsc. (Oxford) 193, 36 (1999).
[CrossRef]

1998 (2)

A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
[CrossRef]

J. Bewersdorf, R. Pick, and S. W. Hell, Opt. Lett. 23, 655 (1998).
[CrossRef]

1997 (3)

P. C. Schneider and R. M. Clegg, Rev. Sci. Instrum. 68, 4107 (1997).
[CrossRef]

M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 22, 1905 (1997).
[CrossRef]

M. V. Rogers, Drug Discovery Today,  2, 156 (1997).
[CrossRef]

Bastiaens, P. I. H.

A. Squire and P. I. H. Bastiaens, J. Microsc. (Oxford) 193, 36 (1999).
[CrossRef]

Battaglia, C.

Benny Lee, K. C.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

Bewersdorf, J.

Brakenhoff, G. J.

A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
[CrossRef]

Buist, A. H.

A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
[CrossRef]

Clark, C.

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Clegg, R. M.

P. C. Schneider and R. M. Clegg, Rev. Sci. Instrum. 68, 4107 (1997).
[CrossRef]

Cole, M. J.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Comelli, D.

Consolandi, C.

Cubeddu, R.

D’Andrea, C.

De Bellis, G.

Dowling, K.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Dymoke-Bradshaw, A. K. L.

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Ferguson, J.

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Fishbein, M. C.

J.-M. I. Maarek, L. Marcu, M. C. Fishbein, and W. S. Grundfest, Lasers Surg. Med. 27, 241 (2000).
[CrossRef]

French, P. M. W.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Grundfest, W. S.

J.-M. I. Maarek, L. Marcu, M. C. Fishbein, and W. S. Grundfest, Lasers Surg. Med. 27, 241 (2000).
[CrossRef]

Hares, J. D.

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Hell, S. W.

Hewett, J.

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Jones, R.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Juškaitis, R.

Lakowicz, J. R.

J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy (Plenum, New York, 1983).
[CrossRef]

Lévêque-Fort, S.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

Lever, M. J.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Maarek, J.-M. I.

J.-M. I. Maarek, L. Marcu, M. C. Fishbein, and W. S. Grundfest, Lasers Surg. Med. 27, 241 (2000).
[CrossRef]

Marcu, L.

J.-M. I. Maarek, L. Marcu, M. C. Fishbein, and W. S. Grundfest, Lasers Surg. Med. 27, 241 (2000).
[CrossRef]

McKechnie, T.

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Muller, M.

A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
[CrossRef]

Neil, M. A. A.

Padgett, M.

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Parsons-Karavassilis, D.

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

Pick, R.

Pifferi, A.

Rogers, M. V.

M. V. Rogers, Drug Discovery Today,  2, 156 (1997).
[CrossRef]

Rossi-Bernardi, L.

Salani, G.

Schneider, P. C.

P. C. Schneider and R. M. Clegg, Rev. Sci. Instrum. 68, 4107 (1997).
[CrossRef]

Sibbett, W.

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Siegel, J.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

Squier, J.

A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
[CrossRef]

Squire, A.

A. Squire and P. I. H. Bastiaens, J. Microsc. (Oxford) 193, 36 (1999).
[CrossRef]

Sucharov, L. O. D.

Taroni, P.

Torricelli, A.

Valentini, G.

Webb, S. E. D.

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

M. J. Cole, J. Siegel, S. E. D. Webb, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, M. J. Lever, L. O. D. Sucharov, M. A. A. Neil, R. Juškaitis, and T. Wilson, Opt. Lett. 25, 1361 (2000).
[CrossRef]

Wilson, T.

Biophys. J. (1)

K. C. Benny Lee, J. Siegel, S. E. D. Webb, S. Lévêque-Fort, M. J. Cole, R. Jones, K. Dowling, P. M. W. French, and M. J. Lever, Biophys. J. 81, 1250 (2001).

Drug Discovery Today (1)

M. V. Rogers, Drug Discovery Today,  2, 156 (1997).
[CrossRef]

Electron. Lett. (1)

R. Jones, K. Dowling, M. J. Cole, D. Parsons-Karavassilis, M. J. Lever, P. M. W. French, J. D. Hares, and A. K. L. Dymoke-Bradshaw, Electron. Lett. 35, 256 (1999).
[CrossRef]

J. Microsc. (Oxford) (2)

A. Squire and P. I. H. Bastiaens, J. Microsc. (Oxford) 193, 36 (1999).
[CrossRef]

A. H. Buist, M. Muller, J. Squier, and G. J. Brakenhoff, J. Microsc. (Oxford) 192, 217 (1998).
[CrossRef]

J. Mod. Opt. (1)

J. Hewett, T. McKechnie, W. Sibbett, J. Ferguson, C. Clark, and M. Padgett, J. Mod. Opt. 47, 2021 (2000).
[CrossRef]

Lasers Surg. Med. (1)

J.-M. I. Maarek, L. Marcu, M. C. Fishbein, and W. S. Grundfest, Lasers Surg. Med. 27, 241 (2000).
[CrossRef]

Opt. Lett. (4)

Rev. Sci. Instrum. (1)

P. C. Schneider and R. M. Clegg, Rev. Sci. Instrum. 68, 4107 (1997).
[CrossRef]

Other (2)

J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy (Plenum, New York, 1983).
[CrossRef]

Optical Insights, LLC, Suite 60, 1807 Second Street, Santa Fe, N.  Mex.  87505, http://www.optical-insights.com ; “Multispectral two dimensional imaging spectrometer,” U.S.  patents5,926,283 (July20, 1999) and ;5,982,497 (November9, 1999).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental setup for whole-field, optically sectioned multispectral fluorescence lifetime imaging. The multispectral imager splits a single image at image plane 1 by its spectral content into two images, spatially identical but with different wavelength bands (image plane  2).

Fig. 2
Fig. 2

Spectrally resolved fluorescence image pairs of 15- and 4.5μm-diameter fluorescent microspheres: (a) conventional and (c) sectioned intensity images and (b) conventional and (d) sectioned FLIM maps. The fluorescence lifetime false-color scale spans 1.5  ns (blue) to 7  ns (pink). Each image pair consists of two spatially identical subimages corresponding to the wavelength bands indicated. The fluorescence decay curves, shown with single-exponential fits in (e) and (f), correspond to the regions marked A and B of FLIM maps (b) and (d), respectively. The red arrow in (e) indicates the peak of the secondary fluorescence emission of the small spheres.

Fig. 3
Fig. 3

Spectrally resolved image pairs of (a)–(c) FLIM maps of freshly extracted, unfixed rate heart muscle tissue. The fluorescence lifetime false-color scale spans 0.4  ns (blue) to 1.0  ns (pink).

Metrics