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JP2011179906A - Sample evaluation method and sample evaluation device - Google Patents

Sample evaluation method and sample evaluation device Download PDF

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JP2011179906A
JP2011179906A JP2010043047A JP2010043047A JP2011179906A JP 2011179906 A JP2011179906 A JP 2011179906A JP 2010043047 A JP2010043047 A JP 2010043047A JP 2010043047 A JP2010043047 A JP 2010043047A JP 2011179906 A JP2011179906 A JP 2011179906A
Authority
JP
Japan
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excitation light
sample
light
optical system
phase
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010043047A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Iketaki
慶記 池滝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
Priority to JP2010043047A priority Critical patent/JP2011179906A/en
Publication of JP2011179906A publication Critical patent/JP2011179906A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sample evaluation device capable of simultaneously and continuously detecting the response lights at a plurality of the spatially different measuring points in a sample by simple constitution and capable of evaluating the sample with high precision. <P>SOLUTION: The sample evaluation device is equipped with illumination optical systems (11, 14 and 15) for condensing excitation light of a multimode to the sample 16 to form condensing spots at a plurality of the spatial positions of the sample 16 and detection parts (18, 19 and 21) having a plurality of light detection elements 20 and 22 for independently detecting the response lights, which are emitted from the sample 16 at a plurality of condensing spot forming positions, at the same time. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、試料評価方法および試料評価装置に関するものである。   The present invention relates to a sample evaluation method and a sample evaluation apparatus.

試料評価方法として、例えば、溶液または生体試料内の分子の運動を解析する蛍光相関分析法(FCS法)が知られている。蛍光相関分析法は、ブラウン運動などの粒子の拡散運動に関する解析に古くから用いられている。例えば、図13に示すように、希薄な蛍光分子101の溶液102に、細いレーザ励起光ビーム103を集光させて、蛍光強度を長時間測定すると、測定される蛍光強度は、測定領域内の蛍光分子数に比例する。したがって、揺らぎの大きは、測定領域内の蛍光分子数をNとして、S/Nで表現すると、(1/N)1/2となる。 As a sample evaluation method, for example, a fluorescence correlation analysis method (FCS method) for analyzing the movement of molecules in a solution or a biological sample is known. The fluorescence correlation analysis method has been used for a long time to analyze the diffusion motion of particles such as Brownian motion. For example, as shown in FIG. 13, when a thin laser excitation light beam 103 is condensed on a dilute solution 102 of fluorescent molecules 101 and the fluorescence intensity is measured for a long time, the measured fluorescence intensity is within the measurement region. It is proportional to the number of fluorescent molecules. Therefore, the magnitude of the fluctuation is (1 / N) 1/2 when expressed as S / N where N is the number of fluorescent molecules in the measurement region.

蛍光相関分析法は、このように蛍光の小さな揺らぎの大きさと、後述する時間相関とを計測する方法である。この計測法において、物理量である蛍光相関関数が1/2に減少する時間、すなわち相関時間τは、次式で表される。 The fluorescence correlation analysis method is a method for measuring the magnitude of small fluctuation of fluorescence and the time correlation described later. In this measurement method, the time for which the fluorescence correlation function, which is a physical quantity, is reduced to ½, that is, the correlation time τ 0 is expressed by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

上記式(1)において、Dは蛍光分子の並進拡散係数であり、Wはレーザビームの動径方向の強度分布関数がガウス分布であるときのビーム半径である。このτは、物理的には、蛍光分子が拡散によってレーザ励起光ビーム103を横切る時間に相当する。 In the above formula (1), D is the translational diffusion coefficient of the fluorescent molecule, and W is the beam radius when the radial intensity distribution function of the laser beam is a Gaussian distribution. This τ 0 physically corresponds to the time when the fluorescent molecule crosses the laser excitation light beam 103 by diffusion.

蛍光の揺らぎを測定する場合、通常、蛍光を光電子増倍管で受光して、その出力電流f(t)を測定する。この場合、出力電流f(t)は、レーザ光の強度が極端に大きくなければ、蛍光量に比例する。したがって、蛍光相関関数は、このf(t)について時間(T)に関する相関関数を求めることに他ならない。この蛍光相関関数をG(τ)とすると、G(τ)は次式で与えられる。   When measuring fluctuations in fluorescence, the fluorescence is usually received by a photomultiplier tube and the output current f (t) is measured. In this case, the output current f (t) is proportional to the amount of fluorescence unless the intensity of the laser beam is extremely high. Therefore, the fluorescence correlation function is nothing but finding a correlation function with respect to time (T) for this f (t). When this fluorescence correlation function is G (τ), G (τ) is given by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

また、レーザ強度がガウス分布に近い場合、蛍光相関関数G(τ)は、次式のようになる。   When the laser intensity is close to a Gaussian distribution, the fluorescence correlation function G (τ) is expressed by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

前述したように、蛍光相関分析法は、蛍光性分子の並進拡散係数(数1におけるD)が得られる物理量を測定するものであるが、基本的には、蛍光の揺らぎを与える熱力学量であれば、どんな量でも同じ原理で測定することができる。例えば、蛍光分子が流動してレーザビームを横切れば、蛍光の揺らぎを観測することができる。また、化学反応などで蛍光性分子が他の分子と結合すれば、その結合した分子の速度を揺らぎとして観測することができる。これにより、化学反応の進行をリアルタイムで知ることが可能となる。   As described above, the fluorescence correlation analysis method measures the physical quantity by which the translational diffusion coefficient (D in Equation 1) of the fluorescent molecule is obtained, but basically, it is a thermodynamic quantity that gives a fluctuation of fluorescence. Any amount can be measured on the same principle. For example, if the fluorescent molecule flows and crosses the laser beam, the fluorescence fluctuation can be observed. In addition, if a fluorescent molecule is bound to another molecule by a chemical reaction or the like, the speed of the bound molecule can be observed as fluctuation. This makes it possible to know the progress of the chemical reaction in real time.

また、蛍光の偏光を解析すれば、分子の回転運動を測定することもできる。さらに、G(τ)の強度から、観察領域に存在する分子数を直接測定することもできる。具体的には、図13において、期待する揺らぎ現象が完結するような特定の計測時間(T)内の揺らぎ関数f(t)を測定し、その測定した揺らぎ関数f(t)から上記式(2)を用いて蛍光相関関数G(τ)を求めればよい。なお、図13において、レーザ励起光ビーム103の光源としては、一般に、アルゴンレーザやクリプトンレーザの連続発振レーザが用いられる。   In addition, if the polarization of fluorescence is analyzed, the rotational movement of the molecule can be measured. Furthermore, the number of molecules present in the observation region can be directly measured from the intensity of G (τ). Specifically, in FIG. 13, a fluctuation function f (t) within a specific measurement time (T) at which the expected fluctuation phenomenon is completed is measured, and the above equation ( The fluorescence correlation function G (τ) may be obtained using 2). In FIG. 13, a continuous wave laser such as an argon laser or a krypton laser is generally used as the light source of the laser excitation light beam 103.

図14は、従来の蛍光相関分析装置の要部構成図である。この蛍光相関分析装置は、例えば特許文献1に開示されているもので、励起光源としてアルゴンレーザ等の連続発振レーザ111が用いられる。連続発振レーザ111から射出されたレーザビームは、ビームスプリッタ112を透過してレンズ113により蛍光色素を含有した観察試料溶液114に集光照射される。これにより、蛍光色素は励起されて、蛍光を発生する。   FIG. 14 is a block diagram of a main part of a conventional fluorescence correlation analyzer. This fluorescence correlation analyzer is disclosed in Patent Document 1, for example, and a continuous wave laser 111 such as an argon laser is used as an excitation light source. The laser beam emitted from the continuous wave laser 111 passes through the beam splitter 112 and is focused and irradiated onto the observation sample solution 114 containing the fluorescent dye by the lens 113. Thereby, the fluorescent dye is excited to generate fluorescence.

観察試料溶液114から発生した蛍光は、レンズ113により平行光にされた後、ビームスプリッタ112で反射され、さらに、レンズ115により集光されてピンホール116を経て、光電子増倍管やCCD等の検出器117で検出される。この光検出器117の出力は、プリアンプ118で増幅された後、アナログ・デジタル(AD)変換器119によりデジタルデータに変換されて、時系列データとしてコンピュータ120のメモリに取り込まれる。そして、コンピュータ120により、上記式(2)に従って蛍光相関関数G(τ)が計算される。   Fluorescence generated from the observation sample solution 114 is converted into parallel light by the lens 113, reflected by the beam splitter 112, further collected by the lens 115, and passed through the pinhole 116, such as a photomultiplier tube or a CCD. It is detected by the detector 117. The output of the photodetector 117 is amplified by a preamplifier 118, converted to digital data by an analog / digital (AD) converter 119, and taken into the memory of the computer 120 as time series data. Then, the computer 120 calculates the fluorescence correlation function G (τ) according to the above equation (2).

ところで、蛍光相関分析法による分析機能として、近年では、さらに高度な機能が要求されている。例えば、蛍光相関分析法が広く応用されている生物分野では、細胞内の代謝現象を解明する機能が要求されている。ここで、細胞内の代謝現象の多くは、細胞膜を挟む内側と外側とで顕著に発現する。このため、細胞内の代謝現象を解明するためには、空間的に微少量離れた細胞の内外の蛍光相関関数を同時に計測して、それらの比較に基づいて代謝物質の挙動を解明することが要求される。   By the way, in recent years, more advanced functions are required as analysis functions by the fluorescence correlation analysis method. For example, in the biological field where fluorescence correlation analysis is widely applied, a function for elucidating intracellular metabolic phenomena is required. Here, many intracellular metabolic phenomena are prominently expressed inside and outside the cell membrane. Therefore, in order to elucidate intracellular metabolic phenomena, it is necessary to simultaneously measure fluorescence correlation functions inside and outside cells that are spatially separated by a small amount, and to elucidate the behavior of metabolites based on their comparison. Required.

しかしながら、図14に示したような従来の蛍光相関分析装置は、連続発振レーザから射出されたレーザビームを、観察試料溶液に集光して、その集光点の1点における蛍光相関関数を計測するものであり、細胞膜を挟んだ任意の距離の複数点における蛍光相関関数を同時に計測することはできない。そのため、空間的に異なる測定点における蛍光相関関数を同時に計測でき、細胞内の代謝現象を分析できるような機能を有する蛍光相関分析法の開発が望まれている。   However, the conventional fluorescence correlation analyzer as shown in FIG. 14 condenses the laser beam emitted from the continuous wave laser on the observation sample solution and measures the fluorescence correlation function at one of the focusing points. Therefore, it is impossible to simultaneously measure the fluorescence correlation functions at a plurality of points at arbitrary distances across the cell membrane. Therefore, it is desired to develop a fluorescence correlation analysis method having a function capable of simultaneously measuring fluorescence correlation functions at spatially different measurement points and analyzing intracellular metabolic phenomena.

このような要望に応えるものとして、本出願人は、例えば特許文献2において、時系列に複数の測定点での蛍光相関分析を可能とした蛍光相関分析装置を既に提案している。この蛍光相関分析装置は、励起光を複数の測定点の各々に所定時間停止させながら順次繰り返し移動させ、その各測定点において検出される蛍光強度の断続的な時系列信号に基づいて蛍光相関分析を行うものである。   In order to meet such a demand, the present applicant has already proposed a fluorescence correlation analyzer that enables fluorescence correlation analysis at a plurality of measurement points in time series in Patent Document 2, for example. This fluorescence correlation analyzer repeatedly moves excitation light to each of a plurality of measurement points for a predetermined time in order, and performs fluorescence correlation analysis based on intermittent time-series signals of fluorescence intensity detected at each measurement point. Is to do.

特開2001−272346号公報JP 2001-272346 A 特許第3984132号公報Japanese Patent No. 3984132

しかしながら、上記特許文献2に開示の蛍光相関分析装置は、複数の測定点での蛍光相関分析が可能であるものの、複数の測定点で検出される蛍光強度は、それぞれ異なるタイミングで検出された断続的な時系列信号である。このため、蛍光相関に基づく分析精度が低下することが懸念される。また、励起光を複数の測定点に順次移動させるための走査機構を要するため、構成が複雑化することが懸念される。なお、このような試料内の異なる測定点における同時刻での応答光(被測定光)に基づく試料の評価法は、蛍光に限らず、散乱光等の他の応答光を検出して行われる場合もある。   However, although the fluorescence correlation analyzer disclosed in Patent Document 2 can perform fluorescence correlation analysis at a plurality of measurement points, the fluorescence intensities detected at the plurality of measurement points are intermittently detected at different timings. Time series signal. For this reason, there is a concern that the analysis accuracy based on the fluorescence correlation is lowered. Further, since a scanning mechanism for sequentially moving the excitation light to a plurality of measurement points is required, there is a concern that the configuration becomes complicated. Note that the sample evaluation method based on response light (measurement light) at different measurement points in the sample at the same time is not limited to fluorescence, but is performed by detecting other response light such as scattered light. In some cases.

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、簡単な構成で、試料の空間的に異なる複数の測定点における応答光を、同時にかつ連続的に検出でき、試料を高精度で評価可能な試料評価方法および試料評価装置を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention made in view of such points is to enable response light at a plurality of spatially different measurement points of a sample to be detected simultaneously and continuously with a simple configuration and to evaluate a sample with high accuracy. Is to provide a simple sample evaluation method and sample evaluation apparatus.

上記目的を達成する第1の観点に係る試料評価方法の発明は、
試料にマルチモードの励起光を集光して、該試料の複数の空間的位置に集光スポットを形成し、該複数の集光スポットの形成位置において前記試料から発生する応答光を同時に独立して検出して、該複数の応答光に基づいて前記試料を評価する、ことを特徴とするものである。
The invention of the sample evaluation method according to the first aspect of achieving the above object is as follows:
Multi-mode excitation light is condensed on the sample to form a condensed spot at a plurality of spatial positions of the sample, and the response light generated from the sample at the position where the plurality of condensed spots are formed is simultaneously independent. And the sample is evaluated based on the plurality of response lights.

第2の観点に係る発明は、第1の観点に係る試料評価方法において、
前記応答光は、前記試料から放出される蛍光である、ことを特徴とするものである。
The invention according to the second aspect is the sample evaluation method according to the first aspect,
The response light is fluorescence emitted from the sample.

さらに、上記目的を達成する第3の観点に係る試料評価装置の発明は、
試料にマルチモードの励起光を集光して、前記試料の複数の空間的位置に集光スポットを形成する照明光学系と、
前記複数の集光スポットの形成位置において前記試料から発生する応答光を同時に独立して検出する複数の光検出素子を有する検出部と、
を備えることを特徴とするものである。
Furthermore, the invention of the sample evaluation apparatus according to the third aspect of achieving the above object is
An illumination optical system for condensing multi-mode excitation light on the sample and forming focused spots at a plurality of spatial positions of the sample;
A detection unit having a plurality of light detection elements that simultaneously and independently detect response light generated from the sample at the formation positions of the plurality of focused spots;
It is characterized by providing.

第4の観点に係る発明は、第3の観点に係る試料評価装置において、
前記検出部は、前記応答光として前記試料から放出される蛍光を検出する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a fourth aspect is the sample evaluation apparatus according to the third aspect,
The detection unit detects fluorescence emitted from the sample as the response light.

第5の観点に係る発明は、第3または4の観点に係る試料評価装置において、
前記照明光学系は、
シングルモードの励起光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源からの励起光をマルチモードにビーム整形するビーム整形光学系とを有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a fifth aspect is the sample evaluation apparatus according to the third or fourth aspect,
The illumination optical system includes:
A laser light source that emits single-mode excitation light;
And a beam shaping optical system that shapes the excitation light from the laser light source into a multimode.

第6の観点に係る発明は、第3乃至5のいずれかの観点に係る試料評価装置において、
前記励起光の光路と前記試料とを相対的に変位させて、前記励起光による前記試料の照明領域を変更する照明領域変更部を有する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a sixth aspect is the sample evaluation device according to any one of the third to fifth aspects,
It has an illumination area change part which changes the illumination area of the sample by the excitation light by relatively displacing the optical path of the excitation light and the sample.

第7の観点に係る発明は、第5の観点に係る試料評価装置において、
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の位相を空間変調する位相変調素子を有し、
該位相変調素子は、同心円状の少なくとも2つの領域を有し、かつ隣接する領域が(2m+1)πの位相差(ただし、mは整数)を発生させるように形成されて、前記照明光学系の光軸に沿った複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a seventh aspect is the sample evaluation device according to the fifth aspect,
The beam shaping optical system has a phase modulation element that spatially modulates the phase of the excitation light,
The phase modulation element has at least two concentric regions, and adjacent regions are formed so as to generate a phase difference of (2m + 1) π (where m is an integer). The condensed spot of the excitation light is formed at a plurality of spatial positions along the optical axis.

第8の観点に係る発明は、第5の観点に係る試料評価装置において、
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の位相を空間変調する位相変調素子を有し、
該位相変調素子は、前記励起光の位相が前記照明光学系の光軸周りを2πで周回する放射状の複数の領域を有し、前記照明光学系の光軸に沿った複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とするものである。
The invention according to an eighth aspect is the sample evaluation apparatus according to the fifth aspect,
The beam shaping optical system has a phase modulation element that spatially modulates the phase of the excitation light,
The phase modulation element has a plurality of radial regions in which the phase of the excitation light circulates around the optical axis of the illumination optical system by 2π, and is at a plurality of spatial positions along the optical axis of the illumination optical system. A condensing spot for the excitation light is formed.

第9の観点に係る発明は、第5の観点に係る試料評価装置において、
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の偏光を制御する偏光制御素子を有し、
該偏光制御素子は、前記励起光の電場ベクトルを中央部と周辺部とで反対方向に向ける複数の領域を有し、前記照明光学系の光軸に沿った複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a ninth aspect is the sample evaluation device according to the fifth aspect,
The beam shaping optical system has a polarization control element that controls polarization of the excitation light,
The polarization control element has a plurality of regions in which an electric field vector of the excitation light is directed in opposite directions between a central portion and a peripheral portion, and the excitation light is disposed at a plurality of spatial positions along an optical axis of the illumination optical system. This is characterized in that a condensing spot is formed.

第10の観点に係る発明は、第5の観点に係る試料評価装置において、
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の位相を空間変調する位相変調素子を有し、
該位相変調素子は、前記照明光学系の光軸と直交する方向に複数の領域を有し、かつ隣接する領域が(2m+1)πの位相差(ただし、mは整数)を発生させるように形成されて、前記照明光学系の光軸と直交する面内の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a tenth aspect is the sample evaluation device according to the fifth aspect,
The beam shaping optical system has a phase modulation element that spatially modulates the phase of the excitation light,
The phase modulation element has a plurality of regions in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, and adjacent regions generate a phase difference of (2m + 1) π (where m is an integer). Then, the condensing spots of the excitation light are formed at a plurality of spatial positions in a plane orthogonal to the optical axis of the illumination optical system.

第11の観点に係る発明は、第5の観点に係る試料評価装置において、
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の偏光を制御する偏光制御素子を有し、
該偏光制御素子は、前記照明光学系の光軸と直交する方向に複数の領域を有し、かつ隣接する領域が前記励起光の電場ベクトルを反対方向に向けるように形成されて、前記照明光学系の光軸と直交する面内の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とするものである。
The invention according to an eleventh aspect is the sample evaluation apparatus according to the fifth aspect,
The beam shaping optical system has a polarization control element that controls polarization of the excitation light,
The polarization control element has a plurality of regions in a direction orthogonal to the optical axis of the illumination optical system, and the adjacent regions are formed so as to direct the electric field vector of the excitation light in the opposite direction. The condensing spots of the excitation light are formed at a plurality of spatial positions in a plane orthogonal to the optical axis of the system.

第12の観点に係る発明は、第5乃至11のいずれかの観点に係る試料評価装置において、
前記ビーム整形光学系は、前記励起光を位相変調する液晶空間変調器を有し、
該液晶空間変調器は、当該液晶空間変調器の液晶面に与えられる位相パターンにより、前記試料の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成するように、前記励起光を位相変調する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a twelfth aspect is the sample evaluation device according to any one of the fifth to eleventh aspects,
The beam shaping optical system has a liquid crystal spatial modulator for phase modulating the excitation light,
The liquid crystal spatial modulator phase-modulates the excitation light so as to form condensing spots of the excitation light at a plurality of spatial positions of the sample by a phase pattern given to the liquid crystal surface of the liquid crystal spatial modulator. It is characterized by that.

第13の観点に係る発明は、第3の観点に係る試料評価装置において、
前記照明光学系は、マルチモードの励起光を射出するレーザ光源を有し、
該レーザ光源からの励起光を前記試料に集光させて、該試料の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a thirteenth aspect is the sample evaluation apparatus according to the third aspect,
The illumination optical system has a laser light source that emits multi-mode excitation light,
The excitation light from the laser light source is condensed on the sample, and the condensed spots of the excitation light are formed at a plurality of spatial positions of the sample.

第14の観点に係る発明は、第3乃至13のいずれかの観点に係る試料評価装置において、
前記検出部は、
前記照明光学系によって形成される集光スポットの数に応じて、前記試料からの応答光の検出光路を複数の光路に分離する光路分離光学系と、
該光路分離光学系で分離された前記複数の検出光路から、それぞれ異なる前記集光スポットからの応答光を分離して抽出する複数のピンホールと、を有し、
該複数のピンホールでそれぞれ抽出される前記集光スポットからの応答光を、前記複数の光検出素子で独立して検出する、ことを特徴とするものである。
The invention according to a fourteenth aspect is the sample evaluation device according to any one of the third to thirteenth aspects,
The detector is
An optical path separation optical system that separates a detection optical path of response light from the sample into a plurality of optical paths according to the number of condensing spots formed by the illumination optical system;
A plurality of pinholes that separate and extract response light from the different focused spots from the plurality of detection optical paths separated by the optical path separation optical system,
Response light from the focused spot respectively extracted by the plurality of pinholes is detected independently by the plurality of light detection elements.

第15の観点に係る発明は、第14の観点に係る試料評価装置において、
前記照明光学系は、前記励起光の開口数を制御する開口数制御部を有し、
前記検出部は、前記開口数制御部による前記励起光の開口数の制御に同期して、前記複数のピンホールの位置および/または径を制御するピンホール制御部を有する、
ことを特徴とするものである。
The invention according to a fifteenth aspect is the sample evaluation device according to the fourteenth aspect,
The illumination optical system has a numerical aperture control unit that controls the numerical aperture of the excitation light,
The detection unit includes a pinhole control unit that controls positions and / or diameters of the plurality of pinholes in synchronization with the control of the numerical aperture of the excitation light by the numerical aperture control unit.
It is characterized by this.

第16の観点に係る発明は、第3乃至15のいずれかの観点に係る試料評価装置において、
前記光検出素子は、一光子型の光検出素子からなる、ことを特徴とするものである。
The invention according to a sixteenth aspect is the sample evaluation device according to any one of the third to fifteenth aspects,
The photodetecting element is a one-photon type photodetecting element.

第17の観点に係る発明は、第16の観点に係る試料評価装置において、
前記光検出素子は、アバランシュフォトダイオードまたは光電子増倍管からなる、ことを特徴とするものである。
The invention according to a seventeenth aspect is the sample evaluation device according to the sixteenth aspect,
The photodetecting element comprises an avalanche photodiode or a photomultiplier tube.

本発明によれば、試料にマルチモードの励起光を集光して、試料の複数の空間的位置に集光スポットを形成し、これにより各集光スポット位置の試料から発生する応答光を同時に独立して検出するので、走査機構を要することなく、簡単な構成で、試料の空間的に異なる複数の測定点における応答光を、同時にかつ連続的に検出でき、試料を高精度で評価することが可能となる。   According to the present invention, multi-mode excitation light is condensed on a sample to form a condensed spot at a plurality of spatial positions of the sample, whereby response light generated from the sample at each condensed spot position is simultaneously generated. Since detection is performed independently, response light at multiple spatially different measurement points of the sample can be detected simultaneously and continuously with a simple configuration without the need for a scanning mechanism, and the sample can be evaluated with high accuracy. Is possible.

本発明の第1実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the fluorescence correlation analyzer which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1に示す位相変調素子の一例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of the phase modulation element shown in FIG. 第1実施の形態による励起光の集光ビーム形状を模式的に拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows typically the condensing beam shape of excitation light by a 1st embodiment. 図3に示す集光ビームの強度分布を解析する説明図である。It is explanatory drawing which analyzes the intensity distribution of the condensing beam shown in FIG. 図3に示す集光ビームの光軸上および焦点面上での強度プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the intensity profile on the optical axis and focal plane of the condensing beam shown in FIG. 本発明の第2実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the fluorescence correlation analyzer which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施の形態に係る蛍光相関分析装置に使用可能な位相変調素子の一例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of the phase modulation element which can be used for the fluorescence correlation analyzer based on 3rd Embodiment of this invention. 第3実施の形態に係る蛍光相関分析装置に使用可能な位相変調素子の他の二つの例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of two other examples of the phase modulation element which can be used for the fluorescence correlation analyzer based on 3rd Embodiment. 第3実施の形態の変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of 3rd Embodiment. 本発明の第4実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the fluorescence correlation analyzer which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施の形態に係る蛍光相関分析装置に使用可能な偏光制御素子の三つの例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the three examples of the polarization control element which can be used for the fluorescence correlation analyzer based on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the fluorescence correlation analyzer which concerns on 6th Embodiment of this invention. 蛍光相関分析法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a fluorescence correlation analysis method. 従来の蛍光相関分析装置の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the conventional fluorescence correlation analyzer.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を蛍光相関分析装置に適用した場合を例示するが、本発明は蛍光相関分析装置に限らず、試料を評価する種々の装置に適用できるものである。   Embodiments of the present invention will be described below. The following embodiments exemplify the case where the present invention is applied to a fluorescence correlation analyzer, but the present invention is not limited to the fluorescence correlation analyzer and can be applied to various apparatuses for evaluating a sample.

(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。図1において、レーザ光源(例えば、Krレーザ)11から射出されるコヒーレントなレーザ照明光は、ダイクロイックプリズム13で反射される。本実施の形態では、レーザ光源11から光強度分布が単一モードの励起光を射出する。本明細書では、光強度分布が単一モードの励起光を、シングルモードの励起光と称する。ダイクロイックプリズム13で反射されたシングルモードの励起光は、ビーム整形光学系を構成する位相変調素子14により位相が空間変調されて、光強度分布が多モードの励起光に変換される。本明細書では、光強度分布が多モードの励起光を、マルチモードの励起光と称する。位相変調素子14によりマルチモード化された励起光は、対物レンズ15により蛍光色素を含有する観察試料溶液16に集光して照射される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a fluorescence correlation analyzer according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, coherent laser illumination light emitted from a laser light source (for example, Kr laser) 11 is reflected by a dichroic prism 13. In the present embodiment, the laser light source 11 emits excitation light having a single-mode light intensity distribution. In the present specification, excitation light having a single-mode light intensity distribution is referred to as single-mode excitation light. The phase of the single-mode excitation light reflected by the dichroic prism 13 is spatially modulated by the phase modulation element 14 constituting the beam shaping optical system, and the light intensity distribution is converted into multi-mode excitation light. In this specification, excitation light having a multimode light intensity distribution is referred to as multimode excitation light. The excitation light converted into the multimode by the phase modulation element 14 is condensed and irradiated onto the observation sample solution 16 containing the fluorescent dye by the objective lens 15.

また、励起光の照射により観察試料溶液16から発生する蛍光(応答光)は、対物レンズ15により捕集されて、位相変調素子14を経てダイクロイックプリズム13を透過する。そして、投影レンズ17を経て光路分離光学系を構成するハーフプリズム18により2分され、その一方の蛍光がピンホール19を経て光検出素子20により検出され、他方の蛍光がピンホール21を経て光検出素子22により検出される。なお、ピンホール19,21は、光軸方向の位置および/または径が、公知の機構により調整可能に構成されている。   Further, the fluorescence (response light) generated from the observation sample solution 16 by the excitation light irradiation is collected by the objective lens 15 and passes through the dichroic prism 13 through the phase modulation element 14. Then, the light is divided into two by a half prism 18 constituting an optical path separation optical system via a projection lens 17, and one fluorescence thereof is detected by a light detection element 20 via a pinhole 19, and the other fluorescence is emitted through a pinhole 21. It is detected by the detection element 22. The pinholes 19 and 21 are configured such that the position and / or the diameter in the optical axis direction can be adjusted by a known mechanism.

したがって、図1においては、レーザ光源11、ダイクロイックプリズム13、位相変調素子14および対物レンズ15により、照明光学系が構成されている。また、対物レンズ15、位相変調素子14、ダイクロイックプリズム13、投影レンズ17、ハーフプリズム18、ピンホール19,21、および光検出素子20,22により、検出部が構成されている。なお、光検出素子20,22の各々は、例えば、一光子型のアバランシュフォトダイオードあるいは光電子増倍管を用いて構成される。   Therefore, in FIG. 1, the illumination optical system is configured by the laser light source 11, the dichroic prism 13, the phase modulation element 14, and the objective lens 15. The objective lens 15, the phase modulation element 14, the dichroic prism 13, the projection lens 17, the half prism 18, the pinholes 19 and 21, and the light detection elements 20 and 22 constitute a detection unit. Each of the photodetecting elements 20 and 22 is configured using, for example, a one-photon avalanche photodiode or a photomultiplier tube.

光検出器20,22の出力は、それぞれプリアンプ23,24で増幅された後、アナログ・デジタル(AD)変換器25,26によりデジタルデータに変換されて、時系列データとしてコンピュータを含む解析部27に同時に取り込まれる。   The outputs of the photodetectors 20 and 22 are respectively amplified by preamplifiers 23 and 24, then converted to digital data by analog / digital (AD) converters 25 and 26, and an analysis unit 27 including a computer as time-series data. Are taken in simultaneously.

本実施の形態において、ビーム整形光学系である位相変調素子14は、例えば、図2に示すように、入射する励起光に対して中央部14aと周辺部14bとで(2m+1)πの位相差(ただし、mは整数)、つまり位相差λ/2(位相角π)を与えるように、輪帯状に構成される。この位相変調素子14は、例えば、ガラス基板等の光学基板上にフッ化マグネシウム等の高屈折率の光学薄膜を蒸着したり、光学基板を直接エッチングしたりして形成することができる。   In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 2, the phase modulation element 14 which is a beam shaping optical system has a phase difference of (2m + 1) π between the central portion 14a and the peripheral portion 14b with respect to the incident excitation light. (Where m is an integer), that is, in a ring shape so as to give a phase difference λ / 2 (phase angle π). The phase modulation element 14 can be formed, for example, by vapor-depositing an optical thin film having a high refractive index such as magnesium fluoride on an optical substrate such as a glass substrate or directly etching the optical substrate.

このように構成された位相変調素子14を用いて、励起光の位相を空間変調して、つまりマルチモード化して、対物レンズ15により集光すると、対物レンズ15の焦点の近傍において、図3に模式的に拡大して示すように、光の干渉により励起光が当たらない微小な3次元ダークホール28aを有する集光ビーム28が形成される。そして、光軸を含む強度分布として、焦点fの前後(z1、z2)に強い集光スポットが現れる強度分布が得られる。本実施の形態では、この光軸上で離間した2点(z1、z2)の集光スポットをプローブとして利用する。   When the phase of the excitation light is spatially modulated, that is, converted into a multimode by using the phase modulation element 14 configured as described above, and condensed by the objective lens 15, in the vicinity of the focal point of the objective lens 15, FIG. As schematically enlarged, a condensed beam 28 having a minute three-dimensional dark hole 28a that is not exposed to excitation light due to light interference is formed. Then, as an intensity distribution including the optical axis, an intensity distribution in which a strong focused spot appears before and after the focal point f (z1, z2) is obtained. In the present embodiment, two focused spots (z1, z2) separated on the optical axis are used as probes.

このため、図1の蛍光相関分析装置においては、一方のピンホール19が、例えば図3の集光スポット位置z1と共焦点関係に配置され、他方のピンホール21が、図3の集光スポット位置z2と共焦点関係に配置されて、それぞれのピンホール19,21を透過した蛍光が、対応する光検出素子20,22により同時に検出される。   For this reason, in the fluorescence correlation analyzer of FIG. 1, one pinhole 19 is disposed in a confocal relationship with, for example, the condensing spot position z1 in FIG. 3, and the other pinhole 21 is disposed in the condensing spot in FIG. Fluorescence that has been placed in a confocal relationship with the position z2 and transmitted through the pinholes 19 and 21 is simultaneously detected by the corresponding light detection elements 20 and 22.

これにより、光検出素子20,22から得られる出力信号(蛍光強度)に基づいて、解析部27において、上述した公知の方法で、観察試料溶液16の空間的に異なる位置(z1、z2)の蛍光の揺らぎ、すなわち蛍光相関関数を同時に測定することができる。また、光検出素子20,22の一方から得られる蛍光強度をI(t)、他方から得られる蛍光強度をI(t)とするとき、これらI(t)およびI(t)に基づいて、解析部27で下記の式(4)を演算することにより、蛍光相互相関分析法(FCCS法)による相互相関関数g(τ)を算出することができる。 As a result, based on the output signals (fluorescence intensity) obtained from the light detection elements 20 and 22, the analysis unit 27 uses the above-described known method to determine the spatially different positions (z1, z2) of the observation sample solution 16. The fluorescence fluctuation, that is, the fluorescence correlation function can be measured simultaneously. Further, when the fluorescence intensity obtained from one of the light detection elements 20 and 22 is I A (t) and the fluorescence intensity obtained from the other is I B (t), these I A (t) and I B (t) Based on the above, the analysis unit 27 calculates the following equation (4), whereby the cross-correlation function g (τ) by the fluorescence cross-correlation analysis method (FCCS method) can be calculated.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

さらに、共焦点蛍光コインシデンス分析法(CFCA法)により、光検出素子20,22から得られる出力信号(蛍光強度)に基づいて、解析部27により二つの蛍光分子からの蛍光揺らぎの一致度をハイスループットで検出することができる。   Further, by the confocal fluorescence coincidence analysis method (CFCA method), based on the output signals (fluorescence intensity) obtained from the light detection elements 20 and 22, the analysis unit 27 increases the degree of coincidence of the fluorescence fluctuations from the two fluorescent molecules. It can be detected with throughput.

ここで、図3に示した集光ビーム28の強度分布について考察する。なお、位相変調素子14は、図4に説明図を示すように、入射する励起光の半径(瞳の半径)を1に規格したときの中央部14a(内輪部)の半径をαとする。すなわち、輪帯比率をα(例えば、1/21/2)とする。この場合、中央部14a(内輪部)の瞳が独立に集光されたとすると、その電場(Uin(v,u))は、次式で与えられる。 Here, the intensity distribution of the focused beam 28 shown in FIG. 3 will be considered. In the phase modulation element 14, as shown in an explanatory diagram of FIG. 4, the radius of the central portion 14 a (inner ring portion) when the radius of incident excitation light (pupil radius) is standardized to 1 is α. In other words, the ring zone ratio is α (for example, 1/2 1/2 ). In this case, if the pupil of the central portion 14a (inner ring portion) is collected independently, the electric field (U in (v, u)) is given by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

上記式(5)において、Cは入射光強度等で決まる比例係数であり、J0(x)はベッセル0次関数を示す。また、図4に示すように、ρは瞳面の動径方向の長さ、vは焦点近傍における光軸上から動径方向に無次元に換算された距離、uは同じく焦点からの相対的な光軸上の距離(換算座標)を表す。ここで、v,uは、次式のように実際の距離r,zに関係付けられている。なお、NAは、対物レンズ15の開口数を示す。 In the above equation (5), C is a proportional coefficient determined by the incident light intensity and the like, and J 0 (x) represents a Bessel zero-order function. In addition, as shown in FIG. 4, ρ is the radial length of the pupil plane, v is a dimensionlessly converted from the optical axis in the vicinity of the focal point to the radial direction, and u is also relative to the focal point. This represents the distance on the optical axis (converted coordinates). Here, v and u are related to actual distances r and z as in the following equation. NA represents the numerical aperture of the objective lens 15.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

また、対物レンズ15とその焦点との間に空気以外の光学媒質が存在する場合は、その屈折率をnとすると、上記式(6)は、次式のように表される。   Further, when an optical medium other than air exists between the objective lens 15 and its focal point, when the refractive index is n, the above equation (6) is expressed as the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

一方、周辺部14b(外輪部)の瞳が独立に集光された場合の電場(Uout(v,u))は、次式で与えられる。 On the other hand, the electric field (U out (v, u)) when the pupil of the peripheral portion 14b (outer ring portion) is collected independently is given by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

したがって、位相変調素子14により輪帯位相変調された励起光が集光する場合は、位相が互いに反転したUout(v,u)とUin(v,u)とが焦点面上で重なり合うので、輪帯位相変調された励起光の全体が集光する場合の電場U(v,u)は、次式で与えられる。 Therefore, when the excitation light that has been subjected to annular phase modulation by the phase modulation element 14 is collected, U out (v, u) and U in (v, u) whose phases are mutually inverted overlap on the focal plane. The electric field U (v, u) when the entire ring-phase-modulated excitation light is collected is given by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

ここで、外輪部と内輪部とをそれぞれ通過する励起光は、位相が反転している。したがって、それぞれの光量が同じで、外輪部の面積と内輪部の面積とが同じになる輪帯比率α=1/21/2の場合、焦点fにおいて電場強度が完全に相殺される。この場合の輪帯位相変調された励起光の3次元的なエネルギー強度プロファイルI(u,v)は、次式で表される。 Here, the phases of the excitation light passing through the outer ring portion and the inner ring portion are inverted. Accordingly, when the respective light amounts are the same and the annular zone ratio α = 1/2 1/2 where the area of the outer ring portion and the area of the inner ring portion are the same, the electric field strength is completely canceled at the focal point f. In this case, the three-dimensional energy intensity profile I (u, v) of the annular phase-modulated excitation light is expressed by the following equation.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

以上の解析モデルは、励起光の3次元的な偏光を考慮しないスカラーモデルであるが、開口数を小さくして集光する場合は、極めて良い近似となる。   The above analysis model is a scalar model that does not consider the three-dimensional polarization of the excitation light, but it is a very good approximation when condensing light with a small numerical aperture.

上記式(10)において、v=0とすると、下記の式(11)で示す光軸を含む断面における強度プロファイルI(0,u)が得られる。また、u=0とすると、下記の式(12)で示す焦点面上における強度プロファイルI(v,0)が得られる。   In the above equation (10), when v = 0, an intensity profile I (0, u) in a cross section including the optical axis represented by the following equation (11) is obtained. If u = 0, an intensity profile I (v, 0) on the focal plane represented by the following formula (12) is obtained.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

また、上記式(11)および式(12)は、ベッセル関数の性質を用いれば、解析的に積分でき、それぞれ式(13)および式(14)のように表される。なお、J1(x)は一次のベッセル関数を示す。 Moreover, the said Formula (11) and Formula (12) can be integrated analytically if the property of a Bessel function is used, and are each represented like Formula (13) and Formula (14). J 1 (x) represents a first-order Bessel function.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

すなわち、式(13)および式(14)が輪帯位相変調された励起光で得られる3次元ダークホール28aの外形形状である。ここで、式(13)によると、焦点面内において、v=3.5の近傍で最大値を取るので、この値を用いて式(13)および式(14)を規格すると、それぞれ式(15)および式(16)が得られる。   That is, Expression (13) and Expression (14) are the outer shapes of the three-dimensional dark hole 28a obtained by the ring-phase-modulated excitation light. Here, according to the equation (13), the maximum value is taken in the vicinity of v = 3.5 in the focal plane, and when the equation (13) and the equation (14) are normalized using this value, the equation (13) 15) and equation (16) are obtained.

Figure 2011179906
Figure 2011179906

図5は、式(15)および式(16)で表される強度プロファイルI(v,0)およびI(0,u)を比較して示す図であり、破線はI(v,0) を示し、実線はI(0,u)を示す。なお、図5は、式(15)および式(16)において、NA=1、λ=1として、縦軸に強度を、横軸にuおよびvを、焦点を原点0とする同じスケールで示している。   FIG. 5 is a diagram showing a comparison of the intensity profiles I (v, 0) and I (0, u) represented by the equations (15) and (16), and the broken line represents I (v, 0). The solid line indicates I (0, u). FIG. 5 shows the same scale in equations (15) and (16), where NA = 1 and λ = 1, the vertical axis represents intensity, the horizontal axis represents u and v, and the focal point is zero. ing.

図5から明らかなように、光軸上での強度プロファイルI(0,u)は、焦点面上での強度プロファイルI(v,0)と比較して、ピーク強度が5倍程度あり、しかも、焦点から第1ピーク位置までの距離uは、u=9.3となり、焦点面内における焦点からピーク位置までの距離(v=3.5)の3倍近く長い。これにより、ダークホールは、光軸方向に長く、しかも強度比率もアンバランスなサイズであることがわかる。なお、ピークからピークまでの実際の距離は、例えば、波長λを600nm、開口数NAを0.9 と仮定すると、図3において、焦点面内のリング状のスポット径がおおよそ740nmであり、光軸方向の位置z1−z2の距離が2200nmとなる。   As is apparent from FIG. 5, the intensity profile I (0, u) on the optical axis has a peak intensity about five times that of the intensity profile I (v, 0) on the focal plane, and The distance u from the focal point to the first peak position is u = 9.3, which is nearly three times longer than the distance from the focal point to the peak position (v = 3.5) in the focal plane. As a result, it can be seen that the dark hole is long in the optical axis direction and has an unbalanced intensity ratio. For example, assuming that the wavelength λ is 600 nm and the numerical aperture NA is 0.9, the actual spot-to-peak distance is approximately 740 nm in the ring-shaped spot diameter in the focal plane in FIG. The distance between the axial positions z1 to z2 is 2200 nm.

以上のように、本実施の形態に係る蛍光相関分析装置では、励起光を位相変調素子14により輪帯位相変調することによりマルチモード化して、対物レンズ15の焦点近傍に、3次元ダークホール28aを有する集光ビーム28を形成する。そして、この集光ビーム28の焦点の前後(z1、z2)に現れる強度の強い集光スポットをプローブとして利用して、各々の集光スポットにより励起される蛍光を同時に計測する。したがって、走査機構を要することなく、簡単な構成で、これらの蛍光出力に基づいて、焦点の前後の集光スポット位置z1、z2における蛍光相関関数を同時に測定したり、蛍光の種々の空間的相関情報を算出したりすることが可能となる。これにより、例えば、対物レンズ15の焦点位置に、観察試料溶液16中の細胞膜が移動すると、細胞の内側および外側における生体分子の挙動を1分子レベルで解析することが可能となる。   As described above, in the fluorescence correlation analyzer according to the present embodiment, the excitation light is converted into a multimode by ring-phase modulation by the phase modulation element 14, and the three-dimensional dark hole 28a is formed near the focal point of the objective lens 15. To form a focused beam 28. Then, by using a focused spot having a high intensity appearing before and after the focal point (z1, z2) of the focused beam 28 as a probe, fluorescence excited by each focused spot is simultaneously measured. Therefore, the fluorescence correlation function at the condensing spot positions z1 and z2 before and after the focal point is measured at the same time based on these fluorescence outputs with a simple configuration without requiring a scanning mechanism, and various spatial correlations of fluorescence. It is possible to calculate information. Thereby, for example, when the cell membrane in the observation sample solution 16 moves to the focal position of the objective lens 15, the behavior of biomolecules inside and outside the cell can be analyzed at a single molecule level.

(第2実施の形態)
図6は、本発明の第2実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。この蛍光相関分析装置は、図1に示した構成において、励起光の照明光学系に開口絞りを有する開口数制御部31を設け、この開口数制御部31により観察試料溶液16に集光させる励起光の開口数を制御する。また、ピンホール19に対応してピンホール制御部32を設け、ピンホール21に対応してピンホール制御部33を設ける。そして、開口数制御部31による励起光の開口数の制御に同期(連動)して、ピンホール制御部32,33により対応するピンホール19,21の光軸方向の位置および/または径を自動的に制御する。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a main part configuration diagram of a fluorescence correlation analyzer according to the second embodiment of the present invention. In the fluorescence correlation analyzer, the excitation light illumination optical system is provided with a numerical aperture control unit 31 having an aperture stop in the configuration shown in FIG. 1, and the numerical aperture control unit 31 collects the light on the observation sample solution 16. Control the numerical aperture of light. A pinhole control unit 32 is provided corresponding to the pinhole 19, and a pinhole control unit 33 is provided corresponding to the pinhole 21. Then, the position and / or diameter of the corresponding pinholes 19 and 21 in the optical axis direction is automatically set by the pinhole control units 32 and 33 in synchronization (interlocking) with the control of the numerical aperture of the excitation light by the numerical aperture control unit 31. Control.

すなわち、観察試料溶液16に集光させる励起光の開口数を制御すると、図3に示した集光ビーム28の光軸上での集光スポット位置(z1、z2)やその大きさが変化するので、それに応じてピンホール19,21の光軸方向位置および/または径を制御する。その他の構成は、第1実施の形態と同様であるので、同一作用を成す構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。   That is, when the numerical aperture of the excitation light focused on the observation sample solution 16 is controlled, the focused spot position (z1, z2) on the optical axis of the focused beam 28 shown in FIG. Therefore, the positions and / or diameters of the pinholes 19 and 21 in the optical axis direction are controlled accordingly. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are assigned to components having the same action, and the description thereof is omitted.

本実施の形態に係る蛍光相関分析装置によれば、観察試料溶液16に集光される励起光の開口数の制御に応じて、ピンホール19,21の光軸方向の位置および/または径が自動的に最適に制御されるので、第1実施の形態の効果に加えて、高精度の蛍光相関分析を容易に行うことが可能となる。   According to the fluorescence correlation analyzer according to the present embodiment, the positions and / or diameters of the pinholes 19 and 21 in the optical axis direction are controlled according to the control of the numerical aperture of the excitation light collected on the observation sample solution 16. Since it is automatically optimally controlled, in addition to the effects of the first embodiment, highly accurate fluorescence correlation analysis can be easily performed.

(第3実施の形態)
図7は、本発明の第3実施の形態に係る蛍光相関分析装置に使用可能なビーム整形光学系を構成する位相変調素子の一例を示すものである。この位相変調素子41は、励起光の瞳を2分割するように、光軸と直交する方向に2つの領域41a,41bを形成し、その隣接する領域41a,41bが、励起光に対して(2m+1)πの位相差(ただし、mは整数)、つまり位相差λ/2(位相角π)を与えるように、図2の場合と同様に、ガラス基板等の光学基板に光学薄膜を蒸着、あるいは光学基板にエッチングを施したものである。
(Third embodiment)
FIG. 7 shows an example of a phase modulation element constituting a beam shaping optical system that can be used in the fluorescence correlation analysis apparatus according to the third embodiment of the present invention. The phase modulation element 41 forms two regions 41a and 41b in a direction orthogonal to the optical axis so as to divide the pupil of the excitation light into two, and the adjacent regions 41a and 41b correspond to the excitation light ( 2m + 1) π phase difference (where m is an integer), that is, an optical thin film is deposited on an optical substrate such as a glass substrate in the same manner as in FIG. 2 so as to give a phase difference λ / 2 (phase angle π). Alternatively, the optical substrate is etched.

このように構成された位相変調素子41を用いて励起光を集光させると、焦点面上では、位相変調素子41の隣接領域の境界面で電場強度の符号が反転して電場が0となる。その結果、図7に焦点面上での強度分布を合わせて模式的に示すように、焦点面上で2つの集光スポットが空間的に分離されて形成される。   When the excitation light is condensed using the phase modulation element 41 configured as described above, the sign of the electric field intensity is inverted at the boundary surface of the adjacent region of the phase modulation element 41 on the focal plane, and the electric field becomes zero. . As a result, as schematically shown in FIG. 7 together with the intensity distribution on the focal plane, two focused spots are spatially separated on the focal plane.

本発明の第3実施の形態に係る蛍光相関分析装置では、図1あるいは図6に示した構成において、位相変調素子14に代えて、ビーム整形光学系として、図7に示した位相変調素子41を用いる。そして、焦点面上に空間的に分離して形成される2つの集光スポットをプローブとして用いて、一方のピンホール19を焦点面上の一方の集光スポットと共焦点関係に配置し、他方のピンホール21を焦点面上の他方の集光スポットと共焦点関係に配置して、ピンホール19,21を透過した蛍光を、対応する光検出素子20,22により同時に検出する。   In the fluorescence correlation analysis apparatus according to the third embodiment of the present invention, the phase modulation element 41 shown in FIG. 7 is used as a beam shaping optical system in place of the phase modulation element 14 in the configuration shown in FIG. 1 or FIG. Is used. Then, using two condensing spots formed spatially separated on the focal plane as probes, one pinhole 19 is arranged in a confocal relationship with one condensing spot on the focal plane, and the other The pinhole 21 is arranged in a confocal relationship with the other focused spot on the focal plane, and the fluorescence transmitted through the pinholes 19 and 21 is simultaneously detected by the corresponding light detection elements 20 and 22.

したがって、本実施の形態によれば、走査機構を要することなく、簡単な構成で、光検出素子20,22から得られる蛍光出力に基づいて、上記実施の形態の場合と同様にして、焦点面上で空間的に異なる位置における蛍光相関関数を同時に測定したり、蛍光の種々の空間的相関情報を算出したりすることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the focal plane is obtained in the same manner as in the above-described embodiment based on the fluorescence output obtained from the light detection elements 20 and 22 with a simple configuration without requiring a scanning mechanism. It is possible to simultaneously measure fluorescence correlation functions at spatially different positions and to calculate various spatial correlation information of fluorescence.

なお、位相変調素子41は、図7の構成に限らず、隣接する領域が、励起光に対して(2m+1)πの位相差を与えるように、図8(a)に示すように、光軸と直交する方向に3つの領域41a〜41cを形成して、励起光の瞳を3分割したものや、図8(b)に示すように、光軸を中心に4つの領域41a〜41dを形成して、励起光の瞳を4分割したもの、あるいは、さらに多分割したものを用いることもできる。このように、励起光の瞳を3領域以上に分割して、一つの励起光から焦点面上に3つ以上の集光スポットを空間的に分離して形成する場合は、光路分離光学系を、例えば複数のハーフミラープリズムを用いて、集光スポットの数に応じて蛍光の検出光路をシリアルにまたはパラレルに分離し、その分離された複数の検出光路から、それぞれピンホールを介して異なる集光スポットからの蛍光を分離して検出するように構成すればよい。   Note that the phase modulation element 41 is not limited to the configuration of FIG. 7, and an optical axis as shown in FIG. 8A so that adjacent regions give a phase difference of (2m + 1) π to the excitation light. The three regions 41a to 41c are formed in a direction orthogonal to each other, and the excitation light pupil is divided into three regions, or four regions 41a to 41d are formed around the optical axis as shown in FIG. 8B. Then, the pupil of the excitation light divided into four or more divided can be used. As described above, when the excitation light pupil is divided into three or more regions and three or more condensing spots are spatially separated from one excitation light on the focal plane, an optical path separation optical system is used. For example, by using a plurality of half mirror prisms, the fluorescence detection optical paths are separated serially or in parallel according to the number of condensing spots, and different collection light is obtained from each of the separated detection optical paths via pinholes. What is necessary is just to comprise so that the fluorescence from a light spot may be isolate | separated and detected.

また、図7や図8に示したような位相変調素子41を用いることなく、励起光の光源として、空間的にマルチモード化されたビームを発生する光源を用いることもできる。すなわち、レーザ共振器の境界条件を適切に選ぶことにより、ビーム断面で縦がn、横がmのn×mの複数のピークを持つモードパターンの光を発振させることができる。これは、いわゆるTEMモードと呼ばれるもので、図9(a)および(b)に代表的な低次のTEM10モードと、TEM20モードとの二つのパターンを示す(オーム社:新世代工学シリーズ「レーザ工学」1999年、中井貞雄著)。このように、レーザ自身が空間的にマルチモード化したビームを発振する場合は、図7や図8に示したような位相変調素子41を用いることなく、焦点面上で空間的に分離された複数の集光スポットを形成することができるので、構成を簡略化することが可能となる。 In addition, a light source that generates a spatially multimode beam can be used as a light source of excitation light without using the phase modulation element 41 as shown in FIGS. In other words, by appropriately selecting the boundary condition of the laser resonator, it is possible to oscillate light of a mode pattern having a plurality of n × m peaks each having a vertical n and horizontal m in the beam cross section. This is called a so-called TEM mode, and shows two patterns of a typical low-order TEM 10 mode and a TEM 20 mode in FIGS. 9A and 9B (Ohm: New Generation Engineering Series). “Laser Engineering” by Sadao Nakai, 1999). Thus, when the laser itself oscillates a spatially multimode beam, it is spatially separated on the focal plane without using the phase modulation element 41 as shown in FIG. 7 or FIG. Since a plurality of focused spots can be formed, the configuration can be simplified.

(第4実施の形態)
図10は、本発明の第4実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。この蛍光相関分析装置は、ビーム整形光学系として、反射型の液晶空間変調器を用いたものである。図10において、レーザ光源(例えば、Krレーザ)51から射出されるコヒーレントなレーザ照明光(励起光)は、液晶空間変調器52で反射されてマルチモード化された後、ダイクロイックミラー53を透過して、対物レンズ54により蛍光色素を含有する観察試料溶液55に集光して照射される。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a main part configuration diagram of a fluorescence correlation analyzer according to the fourth embodiment of the present invention. This fluorescence correlation analyzer uses a reflective liquid crystal spatial modulator as a beam shaping optical system. In FIG. 10, coherent laser illumination light (excitation light) emitted from a laser light source (for example, Kr laser) 51 is reflected by a liquid crystal spatial modulator 52 to be converted into a multimode, and then transmitted through a dichroic mirror 53. The observation sample solution 55 containing the fluorescent dye is condensed and irradiated by the objective lens 54.

また、励起光の照射により観察試料溶液55から発生する蛍光(応答光)は、対物レンズ54により捕集されて、ダイクロイックミラー53で反射される。そして、蛍光分離フィルタ56により励起光成分が除去された後、光路分離光学系を構成するハーフプリズム57により2分されて、その一方の蛍光が集光レンズ58およびピンホール59を経て光検出素子60により検出され、他方の蛍光が集光レンズ61およびピンホール62を経て光検出素子63により検出される。なお、ピンホール59,62は、光軸方向の位置および/または径が、公知の機構により調整可能に構成されている。   Further, the fluorescence (response light) generated from the observation sample solution 55 by the irradiation of the excitation light is collected by the objective lens 54 and reflected by the dichroic mirror 53. Then, after the excitation light component is removed by the fluorescence separation filter 56, it is divided into two by the half prism 57 constituting the optical path separation optical system, and one of the fluorescence passes through the condensing lens 58 and the pinhole 59, and is a light detection element. The other fluorescence is detected by the light detection element 63 through the condenser lens 61 and the pinhole 62. The pinholes 59 and 62 are configured such that the position and / or diameter in the optical axis direction can be adjusted by a known mechanism.

したがって、図10においては、レーザ光源51、液晶空間変調器52、ダイクロイックミラー53および対物レンズ54により照明光学系が構成されている。また、対物レンズ54、ダイクロイックミラー53、蛍光分離フィルタ56、ハーフプリズム57、集光レンズ58,61、ピンホール59,62、および光検出素子60,63により検出部が構成されている。なお、光検出素子60,63の各々は、上記実施の形態の場合と同様に、例えば、一光子型のアバランシュフォトダイオードあるいは光電子増倍管を用いて構成される。   Therefore, in FIG. 10, an illumination optical system is configured by the laser light source 51, the liquid crystal spatial modulator 52, the dichroic mirror 53, and the objective lens 54. The objective lens 54, the dichroic mirror 53, the fluorescence separation filter 56, the half prism 57, the condenser lenses 58 and 61, the pinholes 59 and 62, and the light detection elements 60 and 63 constitute a detection unit. Each of the photodetecting elements 60 and 63 is configured using, for example, a one-photon avalanche photodiode or a photomultiplier tube, as in the case of the above-described embodiment.

また、光検出器60,63の出力は、図示しないが、上記実施の形態の場合と同様に、それぞれプリアンプで増幅された後、AD変換器によりデジタルデータに変換されて、コンピュータを含む解析部に同時に取り込まれる。   Although not shown, the outputs of the photodetectors 60 and 63 are each amplified by a preamplifier and converted into digital data by an AD converter, as in the case of the above embodiment, and an analysis unit including a computer. Are taken in simultaneously.

かかる構成において、液晶空間変調器52は、例えば、光アドレス型平行配向液晶空間変調器として周知である。この光アドレス型平行配向液晶空間変調器は、光学像伝達素子を介して液晶ディスプレーと結合され、パーソナルコンピュータ(PC)から所望の位相パターン像を直接入力して液晶ディスプレーに表示し、その表示されたパターン像を光アドレス型平行配向液晶空間変調器に直接投影して、読み出し光を所望の位相パターンで位相変調するようにしたビデオ信号入力可能なものが市販されている。   In such a configuration, the liquid crystal spatial modulator 52 is well known as, for example, an optically addressed parallel alignment liquid crystal spatial modulator. This optically addressed parallel alignment liquid crystal spatial modulator is coupled to a liquid crystal display via an optical image transmission element, and directly inputs a desired phase pattern image from a personal computer (PC) and displays it on the liquid crystal display. On the other hand, a video signal can be input by projecting the pattern image directly onto the optical address type parallel alignment liquid crystal spatial modulator and modulating the readout light with a desired phase pattern.

本実施の形態に係る蛍光相関分析装置においては、このようなビデオ信号入力可能な光アドレス型平行配向液晶空間変調器からなる液晶空間変調器52を用いて、レーザ光源51からの励起光を位相変調してマルチモード化し、観察試料溶液55内で、例えば、第1実施の形態に示したように光軸上での2点に、あるいは第3実施の形態に示したように焦点面上の2点に集光スポットを形成する。そして、これら2点の集光スポットで発生する蛍光を、それぞれピンホール59,62を経て光検出素子60,63により分離して同時に検出して、各位置の蛍光相関情報や、蛍光の種々の空間的相関情報を算出する。   In the fluorescence correlation analysis apparatus according to the present embodiment, the excitation light from the laser light source 51 is phase-shifted using the liquid crystal spatial modulator 52 formed of such an optically addressed parallel alignment liquid crystal spatial modulator capable of inputting a video signal. In the observation sample solution 55, for example, two points on the optical axis as shown in the first embodiment, or on the focal plane as shown in the third embodiment. Condensing spots are formed at two points. Then, the fluorescence generated at the two light-converging spots is separated and simultaneously detected by the light detection elements 60 and 63 via the pinholes 59 and 62, and the fluorescence correlation information at each position and various fluorescences are detected. Calculate spatial correlation information.

このように、本実施の形態においては、液晶空間変調器52として、ビデオ信号入力可能な光アドレス型平行配向液晶空間変調器を用いているので、走査機構を要することなく、簡単な構成で、空間的に分離した所望の複数の集光スポットが得られるように、励起光を容易に位相変調することができる。なお、本実施の形態では、光軸上あるいは焦点面上に2つの集光スポットを形成するようにしたが、図8(a),(b)に示したように、焦点面上で3つ以上の集光スポットを形成するように、励起光を液晶空間変調器52により空間変調することもできる。この場合は、上述したと同様にして、例えば複数のハーフミラープリズムを用いて、集光スポットの数に応じて蛍光の検出光路をシリアルにまたはパラレルに分離し、その分離された複数の検出光路から、それぞれ集光レンズおよびピンホールを介して異なる集光スポットからの蛍光を分離して検出するように構成すればよい。   As described above, in the present embodiment, since the optical address type parallel alignment liquid crystal spatial modulator capable of inputting a video signal is used as the liquid crystal spatial modulator 52, a scanning mechanism is not required and a simple configuration can be used. The excitation light can be easily phase-modulated so as to obtain a desired plurality of focused spots that are spatially separated. In the present embodiment, two focused spots are formed on the optical axis or the focal plane. However, as shown in FIGS. 8A and 8B, three focal spots are formed on the focal plane. The excitation light can also be spatially modulated by the liquid crystal spatial modulator 52 so as to form the above-mentioned condensed spot. In this case, in the same manner as described above, for example, by using a plurality of half mirror prisms, the fluorescence detection optical paths are separated serially or in parallel according to the number of condensing spots, and the plurality of separated detection optical paths are separated. Therefore, the fluorescent light from different condensing spots may be separated and detected through the condensing lens and the pinhole, respectively.

(第5実施の形態)
図11(a),(b)および(c)は、本発明の第5実施の形態に係る蛍光相関分析装置に使用可能なビーム整形光学系を構成する偏光制御素子の二つの例を示すものである。図11(a)に示す偏光制御素子65は、ガラス基板等の光学基板を放射状に8領域に区分し、かつ、中央部65aと周辺部65bとに区分して、励起光の電場ベクトルが、放射方向において中央部65aと周辺部65bとで反対方向を向くように、水晶などの偏光子を張り合わせたり、結晶軸の異なる物質を張り合わせたり、エッチングを施したりして構成されたものである。また、図11(b)に示す偏光制御素子66は、励起光の電場ベクトルが、放射状の8領域の中央部66aの円周方向と周辺部66bの円周方向とで反対方向を向くように、同様に、水晶などの偏光子を張り合わせたり、結晶軸の異なる物質を張り合わせたり、エッチングを施したりして構成されたものである。
(Fifth embodiment)
FIGS. 11A, 11B, and 11C show two examples of polarization control elements constituting a beam shaping optical system that can be used in the fluorescence correlation analyzer according to the fifth embodiment of the present invention. It is. The polarization control element 65 shown in FIG. 11 (a) divides an optical substrate such as a glass substrate into 8 regions radially, and divides into a central portion 65a and a peripheral portion 65b, and the electric field vector of the excitation light is The center portion 65a and the peripheral portion 65b are opposite to each other in the radial direction, and are configured by attaching polarizers such as quartz, attaching substances having different crystal axes, or performing etching. In addition, the polarization control element 66 shown in FIG. 11 (b) is such that the electric field vector of the excitation light faces in the opposite direction between the circumferential direction of the central portion 66a and the circumferential direction of the peripheral portion 66b of the eight radial regions. Similarly, it is configured by bonding polarizers such as quartz, bonding materials having different crystal axes, and performing etching.

このように、励起光の電場ベクトルを中央部65a(66a)と周辺部65b(66b)とで反転させる偏光制御素子65(66)を用いて励起光を集光させると、図3に示したと同様に、光軸上の焦点の前後に集光スポットが形成される。したがって、このような構成の偏光制御素子65(66)を、第1実施の形態あるいは第2実施の形態に説明した位相変調素子14に代えて用いれば、同様にして、走査機構を要することなく、簡単な構成で、光軸上の異なる位置における蛍光相関関数を同時に測定したり、蛍光の種々の空間的相関情報を算出したりすることができる。   When the excitation light is condensed using the polarization control element 65 (66) that inverts the electric field vector of the excitation light at the central portion 65a (66a) and the peripheral portion 65b (66b) as shown in FIG. Similarly, focused spots are formed before and after the focal point on the optical axis. Therefore, if the polarization control element 65 (66) having such a configuration is used in place of the phase modulation element 14 described in the first embodiment or the second embodiment, similarly, there is no need for a scanning mechanism. With a simple configuration, it is possible to simultaneously measure fluorescence correlation functions at different positions on the optical axis and calculate various spatial correlation information of fluorescence.

また、図11(c)に示す偏光制御素子67は、ガラス基板等の光学基板を2分する領域67a,67bで、励起光の電場ベクトルが反対方向を向くように、光学基板に水晶などの偏光子を張り合わせたり、結晶軸の異なる物質を張り合わせたり、エッチングを施したりして構成されたものである。   In addition, the polarization control element 67 shown in FIG. 11C is made of a crystal or the like on the optical substrate so that the electric field vector of the excitation light faces in the opposite direction in the regions 67a and 67b that bisect the optical substrate such as a glass substrate. It is configured by laminating polarizers, laminating materials with different crystal axes, and performing etching.

図11(c)に示した偏光制御素子67を用いて励起光を集光させると、図7に示したと同様に、焦点面上で2つの集光スポットが空間的に分離されて形成される。したがって、この偏光制御素子67を、第3実施の形態に説明した位相変調素子41に代えて用いれば、同様にして、走査機構を要することなく、簡単な構成で、光軸上の異なる位置における蛍光相関関数を同時に測定したり、蛍光の種々の空間的相関情報を算出したりすることができる。なお、図11(c)では、偏光制御素子67に2つの領域67a,67bを形成したが、隣接する領域で偏光方向を反転させるように3つ以上の領域を形成して、焦点面上で空間的に分離された3つ以上の集光スポットを形成することも可能である。   When the excitation light is condensed using the polarization control element 67 shown in FIG. 11C, two condensed spots are spatially separated and formed on the focal plane, as shown in FIG. . Therefore, if this polarization control element 67 is used in place of the phase modulation element 41 described in the third embodiment, similarly, it does not require a scanning mechanism and can be easily configured at different positions on the optical axis. The fluorescence correlation function can be measured simultaneously, and various spatial correlation information of fluorescence can be calculated. In FIG. 11C, two regions 67a and 67b are formed in the polarization control element 67. However, three or more regions are formed so as to reverse the polarization direction in the adjacent regions, and on the focal plane. It is also possible to form three or more focused spots that are spatially separated.

(第6実施の形態)
図12は、本発明の第6実施の形態に係る蛍光相関分析装置の要部構成図である。この蛍光相関分析装置は、走査型の超解像顕微鏡の機能を備えるものである。超解像顕微鏡は、例えば特開2005−121432号公報等に開示されており、公知である。本実施の形態においては、ポンプ光光源71として、例えば、NdYAGレーザを有し、その2倍高調波を発生するレーザ光源を用い、イレース光光源72として、例えば、Krレーザを用いる。
(Sixth embodiment)
FIG. 12 is a main part configuration diagram of a fluorescence correlation analyzer according to the sixth embodiment of the present invention. This fluorescence correlation analyzer has the function of a scanning super-resolution microscope. A super-resolution microscope is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-121432, and is well known. In the present embodiment, for example, a laser light source that has an NdYAG laser and generates its second harmonic is used as the pump light source 71, and a Kr laser is used as the erase light source 72, for example.

ポンプ光光源71から射出されるポンプ光は、ダイクロイックミラー73で反射された後、ダイクロイックミラー74を透過し、ガルバノミラー75,76および瞳投影レンズ77を経て対物レンズ78により、例えば蛍光色素を含有した観察試料溶液80に集光照射される。そして、ガルバノミラー75,76により、対物レンズ78の焦点面内で二次元走査される。   The pump light emitted from the pump light source 71 is reflected by the dichroic mirror 73, passes through the dichroic mirror 74, and contains, for example, a fluorescent dye by the objective lens 78 through the galvano mirrors 75 and 76 and the pupil projection lens 77. The observed sample solution 80 is condensed and irradiated. Then, two-dimensional scanning is performed within the focal plane of the objective lens 78 by the galvanometer mirrors 75 and 76.

また、イレース光光源72から射出されるイレース光は、ビーム整形光学系81で位相変調された後、ダイクロイックミラー73を透過し、これによりポンプ光と同軸に合成される。そして、ダイクロイックミラー73を透過したイレース光は、後段のダイクロイックミラー74を透過して、ガルバノミラー75,76および瞳投影レンズ77を経て、対物レンズ78により観察試料溶液80に集光照射される。ここで、ビーム整形光学系81は、例えば、図2(a),(b)に示したような位相変調素子14により構成することも可能であるが、本実施の形態は、第4実施の形態で説明した光アドレス型平行配向液晶空間変調器からなる液晶空間変調器を用いて構成する。   The erase light emitted from the erase light source 72 is phase-modulated by the beam shaping optical system 81 and then transmitted through the dichroic mirror 73, thereby being synthesized coaxially with the pump light. The erase light transmitted through the dichroic mirror 73 is transmitted through the subsequent dichroic mirror 74, passes through the galvano mirrors 75 and 76, and the pupil projection lens 77, and is condensed and irradiated onto the observation sample solution 80 by the objective lens 78. Here, for example, the beam shaping optical system 81 can be configured by the phase modulation element 14 as shown in FIGS. 2A and 2B, but this embodiment is the fourth embodiment. The liquid crystal spatial modulator composed of the optical address type parallel alignment liquid crystal spatial modulator described in the embodiment is used.

一方、ポンプ光の照射により観察試料溶液80から発生する蛍光(応答光)は、対物レンズ78により捕集され、瞳投影レンズ77およびガルバノミラー76,75を経てダイクロイックミラー74で反射されて、往路の光路と分離される。そして、蛍光分離フィルタ82を経てハーフプリズム83により2分され、その一方の蛍光が集光レンズ84およびピンホール85を経て光検出器86により検出され、他方の蛍光が集光レンズ87およびピンホール88を経て光検出器89により検出される。   On the other hand, the fluorescence (response light) generated from the observation sample solution 80 by the irradiation of the pump light is collected by the objective lens 78, reflected by the dichroic mirror 74 through the pupil projection lens 77 and the galvanometer mirrors 76 and 75, and forwarded. Separated from the optical path. Then, the light is divided into two by the half prism 83 through the fluorescence separation filter 82, one of the fluorescence is detected by the photodetector 86 through the condenser lens 84 and the pinhole 85, and the other fluorescence is detected by the condenser lens 87 and the pinhole. The light is detected by the photodetector 89 via 88.

光検出器86,89は、上記実施の形態の場合と同様に、一光子型のアバランシュフォトダイオードあるいは光電子増倍管が用いられる。これら光検出器86,89の出力は、図示しないが、上記実施の形態の場合と同様に、それぞれプリアンプで増幅された後、AD変換器によりデジタルデータに変換されて、コンピュータを含む解析部に同時に取り込まれる。   As the photodetectors 86 and 89, a one-photon avalanche photodiode or a photomultiplier tube is used as in the case of the above embodiment. Although not shown in the figure, the outputs of these photodetectors 86 and 89 are each amplified by a preamplifier and then converted to digital data by an AD converter, as in the case of the above-described embodiment. It is taken in at the same time.

本実施の形態では、蛍光相関分析装置を超解像顕微鏡として機能させる場合、すなわち、ポンプ光とイレース光とを合成して観察試料溶液80を超解像で観察する場合、対物レンズ78の焦点面上でイレース光の中空スポットが形成されるように、ビーム整形光学系81によりイレース光を空間変調する。また、ピンホール85,88は、対物レンズ78の焦点面、あるいは観察試料溶液80内でイレース光の集光ビームに図3に示したような3次元ダークホールを形成する場合は、その3次元ダークホール内の光軸方向の所望の位置、と共役な位置関係に配置する。そして、ガルバノミラー75,76により、対物レンズ78の焦点面内でポンプ光およびイレース光を二次元走査する。   In this embodiment, when the fluorescence correlation analyzer functions as a super-resolution microscope, that is, when the observation sample solution 80 is observed with super-resolution by combining pump light and erase light, the focus of the objective lens 78 is increased. The beam shaping optical system 81 spatially modulates the erase light so that a hollow spot of erase light is formed on the surface. Further, the pinholes 85 and 88 are three-dimensional when a three-dimensional dark hole as shown in FIG. 3 is formed on the focal plane of the objective lens 78 or the focused beam of erase light in the observation sample solution 80. Arranged in a positional relationship conjugate with a desired position in the optical axis direction in the dark hole. Then, pump light and erase light are two-dimensionally scanned in the focal plane of the objective lens 78 by the galvanometer mirrors 75 and 76.

これにより、光検出器86,89の出力に基づいて、対物レンズ78の回折限界を上回る観察試料溶液80の超解像蛍光像を得る。なお、ピンホール85,88は、観察試料溶液80の同一位置または異なる位置に対して共役な位置に配置することが可能である。これにより、ピンホール85,88が観察試料溶液80の同一位置に対して共役な場合は、光検出器86,89のいずれか一方の出力、あるいは双方の合成出力に基づいて超解像蛍光像を得ることができる。また、ピンホール85,88が観察試料溶液80の異なる位置に対して共役な場合は、光検出器86,89の出力に基づいて、観察試料溶液80の深さ方向の異なる位置での超解像蛍光像を同時に独立して得ることができる。   Thereby, a super-resolution fluorescent image of the observation sample solution 80 exceeding the diffraction limit of the objective lens 78 is obtained based on the outputs of the photodetectors 86 and 89. Note that the pinholes 85 and 88 can be arranged at positions that are conjugate to the same position or different positions of the observation sample solution 80. Thereby, when the pinholes 85 and 88 are conjugated to the same position of the observation sample solution 80, the super-resolution fluorescent image is based on the output of one of the photodetectors 86 and 89, or the combined output of both. Can be obtained. When the pinholes 85 and 88 are conjugated to different positions of the observation sample solution 80, the super solution at different positions in the depth direction of the observation sample solution 80 is based on the outputs of the photodetectors 86 and 89. Image fluorescence images can be obtained independently and simultaneously.

これに対し、蛍光相関分析装置により観察試料溶液80の蛍光相関を分析する場合、すなわち、ポンプ光の照射を停止させてイレース光を励起光として観察試料溶液80に集光照射する場合は、ガルバノミラー75,76の駆動を停止させて、イレース光光源72からの励起光の位相を、ビーム整形光学系81により第4実施の形態において説明したと同様に空間変調する。また、ピンホール85,88は、上記第4実施の形態で説明したように、観察試料溶液80内で光軸上あるいは焦点面上に分離して形成される励起光の集光スポットの位置に応じて適宜調整する。そして、光検出器86,89の出力に基づいて、上記実施の形態と同様にして、各位置の蛍光相関情報や、蛍光の種々の空間的相関情報を算出する。なお、観察試料溶液80に対するマルチスポット化された励起光の同時照明領域は、ガルバノミラー75,76を揺動したり、観察試料溶液80の試料台(図示せず)を移動させたりして、励起光の光路と観察試料溶液80とを相対的に変位させることにより変更することができる。したがって、本実施の形態においては、ガルバノミラー75,76や試料台が照明領域変更部を構成する。   On the other hand, when analyzing the fluorescence correlation of the observation sample solution 80 with the fluorescence correlation analyzer, that is, when irradiating the observation sample solution 80 with the erase light as excitation light by stopping the irradiation of the pump light, the galvano The driving of the mirrors 75 and 76 is stopped, and the phase of the excitation light from the erase light source 72 is spatially modulated by the beam shaping optical system 81 as described in the fourth embodiment. Further, as described in the fourth embodiment, the pinholes 85 and 88 are located at the positions of the condensed spots of excitation light formed separately on the optical axis or the focal plane in the observation sample solution 80. Adjust accordingly. Based on the outputs of the photodetectors 86 and 89, the fluorescence correlation information at each position and various spatial correlation information of the fluorescence are calculated in the same manner as in the above embodiment. In the simultaneous illumination region of the excitation light that is converted into multi-spots on the observation sample solution 80, the galvanometer mirrors 75 and 76 are swung or the sample stage (not shown) of the observation sample solution 80 is moved. It can be changed by relatively displacing the optical path of the excitation light and the observation sample solution 80. Therefore, in this embodiment, the galvanometer mirrors 75 and 76 and the sample stage constitute an illumination area changing unit.

このように、本実施の形態に係る蛍光相関分析装置は、超解像顕微鏡の機能を有するので、多機能な分析装置を実現することができる。   Thus, since the fluorescence correlation analyzer according to the present embodiment has the function of a super-resolution microscope, a multifunctional analyzer can be realized.

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、ビーム整形光学系により励起光を空間変調して対物レンズの焦点面上に中空状の集光ビームを形成し、その中空状の励起光照射領域からの蛍光の検出光路を複数の光路に分割して、励起光照射領域の任意の複数の位置、例えば光軸対称位置の蛍光を、それぞれピンホールを介して同時に検出して、蛍光相関を分析することも可能である。また、上記実施の形態において、ピンホールの径を変えると、式(6)からv,uが変化して、焦点面および光軸上で、焦点と集光点との間隔が変化する。したがって、ピンホールの径を変えて、試料の細胞中で測定位置(励起光の集光位置)を微妙にずらして細胞の三次元的な蛍光相関を測定し、試料を評価することもできる。   In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, the excitation light is spatially modulated by a beam shaping optical system to form a hollow condensed beam on the focal plane of the objective lens, and the fluorescence detection optical path from the hollow excitation light irradiation region is made into a plurality of optical paths. It is possible to divide and analyze fluorescence correlation by simultaneously detecting fluorescence at arbitrary positions in the excitation light irradiation region, for example, optical axis symmetric positions via pinholes. In the above embodiment, when the diameter of the pinhole is changed, v and u are changed from the equation (6), and the distance between the focal point and the focal point is changed on the focal plane and the optical axis. Therefore, the sample can be evaluated by changing the pinhole diameter and measuring the three-dimensional fluorescence correlation of the cell by slightly shifting the measurement position (excitation light condensing position) in the cell of the sample.

11 レーザ光源
14 位相変調素子
15 対物レンズ
16 観察試料溶液
18 ハーフプリズム
19,21 ピンホール
20,22 光検出素子
31 開口数制御部
32,33 ピンホール制御部
41 位相変調素子
51 レーザ光源
52 液晶空間変調器
54 対物レンズ
55 観察試料溶液
57 ハーフプリズム
59,62 ピンホール
60,63 光検出素子
65,66,67 偏光制御素子
71 ポンプ光光源
72 イレース光光源
75,76 ガルバノミラー
78 対物レンズ
80 観察試料溶液
81 ビーム整形光学系
83 ハーフプリズム
85,88 ピンホール
86,89 光検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Laser light source 14 Phase modulation element 15 Objective lens 16 Observation sample solution 18 Half prism 19, 21 Pinhole 20, 22 Photodetection element 31 Numerical aperture control part 32, 33 Pinhole control part 41 Phase modulation element 51 Laser light source 52 Liquid crystal space Modulator 54 Objective lens 55 Observation sample solution 57 Half prism 59, 62 Pinhole 60, 63 Photodetection element 65, 66, 67 Polarization control element 71 Pump light source 72 Erase light source 75, 76 Galvano mirror 78 Objective lens 80 Observation sample Solution 81 Beam shaping optical system 83 Half prism 85, 88 Pinhole 86, 89 Photodetector

Claims (17)

試料にマルチモードの励起光を集光して、該試料の複数の空間的位置に集光スポットを形成し、該複数の集光スポットの形成位置において前記試料から発生する応答光を同時に独立して検出して、該複数の応答光に基づいて前記試料を評価する、ことを特徴とする試料評価方法。   Multi-mode excitation light is condensed on the sample to form a condensed spot at a plurality of spatial positions of the sample, and the response light generated from the sample at the position where the plurality of condensed spots are formed is simultaneously independent. And evaluating the sample based on the plurality of response lights. 前記応答光は、前記試料から放出される蛍光である、ことを特徴とする請求項1に記載の試料評価方法。   The sample evaluation method according to claim 1, wherein the response light is fluorescence emitted from the sample. 試料にマルチモードの励起光を集光して、前記試料の複数の空間的位置に集光スポットを形成する照明光学系と、
前記複数の集光スポットの形成位置において前記試料から発生する応答光を同時に独立して検出する複数の光検出素子を有する検出部と、
を備えることを特徴とする試料評価装置。
An illumination optical system for condensing multi-mode excitation light on the sample and forming focused spots at a plurality of spatial positions of the sample;
A detection unit having a plurality of light detection elements that simultaneously and independently detect response light generated from the sample at the formation positions of the plurality of focused spots;
A sample evaluation apparatus comprising:
前記検出部は、前記応答光として前記試料から放出される蛍光を検出する、ことを特徴とする請求項3に記載の試料評価装置。   The sample evaluation apparatus according to claim 3, wherein the detection unit detects fluorescence emitted from the sample as the response light. 前記照明光学系は、
シングルモードの励起光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源からの励起光をマルチモードにビーム整形するビーム整形光学系とを有する、ことを特徴とする請求項3または4に記載の試料評価装置。
The illumination optical system includes:
A laser light source that emits single-mode excitation light;
The sample evaluation apparatus according to claim 3, further comprising: a beam shaping optical system that shapes the excitation light from the laser light source into a multimode beam.
前記励起光の光路と前記試料とを相対的に変位させて、前記励起光による前記試料の照明領域を変更する照明領域変更部を有する、ことを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載の試料評価装置。   The illumination region changing unit for changing the illumination region of the sample by the excitation light by relatively displacing the optical path of the excitation light and the sample. The sample evaluation apparatus described. 前記ビーム整形光学系は、前記励起光の位相を空間変調する位相変調素子を有し、
該位相変調素子は、同心円状の少なくとも2つの領域を有し、かつ隣接する領域が(2m+1)πの位相差(ただし、mは整数)を発生させるように形成されて、前記照明光学系の光軸に沿った複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とする請求項5に記載の試料評価装置。
The beam shaping optical system has a phase modulation element that spatially modulates the phase of the excitation light,
The phase modulation element has at least two concentric regions, and adjacent regions are formed so as to generate a phase difference of (2m + 1) π (where m is an integer). 6. The sample evaluation apparatus according to claim 5, wherein a condensing spot of the excitation light is formed at a plurality of spatial positions along the optical axis.
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の位相を空間変調する位相変調素子を有し、
該位相変調素子は、前記励起光の位相が前記照明光学系の光軸周りを2πで周回する放射状の複数の領域を有し、前記照明光学系の光軸に沿った複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とする請求項5に記載の試料評価装置。
The beam shaping optical system has a phase modulation element that spatially modulates the phase of the excitation light,
The phase modulation element has a plurality of radial regions in which the phase of the excitation light circulates around the optical axis of the illumination optical system by 2π, and is at a plurality of spatial positions along the optical axis of the illumination optical system. 6. The sample evaluation apparatus according to claim 5, wherein a condensing spot of the excitation light is formed.
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の偏光を制御する偏光制御素子を有し、
該偏光制御素子は、前記励起光の電場ベクトルを中央部と周辺部とで反対方向に向ける複数の領域を有し、前記照明光学系の光軸に沿った複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とする請求項5に記載の試料評価装置。
The beam shaping optical system has a polarization control element that controls polarization of the excitation light,
The polarization control element has a plurality of regions in which an electric field vector of the excitation light is directed in opposite directions between a central portion and a peripheral portion, and the excitation light is disposed at a plurality of spatial positions along an optical axis of the illumination optical system. The sample evaluation apparatus according to claim 5, wherein a condensing spot is formed.
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の位相を空間変調する位相変調素子を有し、
該位相変調素子は、前記照明光学系の光軸と直交する方向に複数の領域を有し、かつ隣接する領域が(2m+1)πの位相差(ただし、mは整数)を発生させるように形成されて、前記照明光学系の光軸と直交する面内の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とする請求項5に記載の試料評価装置。
The beam shaping optical system has a phase modulation element that spatially modulates the phase of the excitation light,
The phase modulation element has a plurality of regions in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, and adjacent regions generate a phase difference of (2m + 1) π (where m is an integer). The sample evaluation apparatus according to claim 5, wherein the condensed spots of the excitation light are formed at a plurality of spatial positions in a plane orthogonal to the optical axis of the illumination optical system.
前記ビーム整形光学系は、前記励起光の偏光を制御する偏光制御素子を有し、
該偏光制御素子は、前記照明光学系の光軸と直交する方向に複数の領域を有し、かつ隣接する領域が前記励起光の電場ベクトルを反対方向に向けるように形成されて、前記照明光学系の光軸と直交する面内の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とする請求項5に記載の試料評価装置。
The beam shaping optical system has a polarization control element that controls polarization of the excitation light,
The polarization control element has a plurality of regions in a direction orthogonal to the optical axis of the illumination optical system, and the adjacent regions are formed so as to direct the electric field vector of the excitation light in the opposite direction. The sample evaluation apparatus according to claim 5, wherein the excitation light condensing spots are formed at a plurality of spatial positions in a plane orthogonal to the optical axis of the system.
前記ビーム整形光学系は、前記励起光を位相変調する液晶空間変調器を有し、
該液晶空間変調器は、当該液晶空間変調器の液晶面に与えられる位相パターンにより、前記試料の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成するように、前記励起光を位相変調する、ことを特徴とする請求項5乃至11のいずれか一項に記載の試料評価装置。
The beam shaping optical system has a liquid crystal spatial modulator for phase modulating the excitation light,
The liquid crystal spatial modulator phase-modulates the excitation light so as to form condensing spots of the excitation light at a plurality of spatial positions of the sample by a phase pattern given to the liquid crystal surface of the liquid crystal spatial modulator. The sample evaluation device according to any one of claims 5 to 11, wherein
前記照明光学系は、マルチモードの励起光を射出するレーザ光源を有し、
該レーザ光源からの励起光を前記試料に集光させて、該試料の複数の空間的位置に前記励起光の集光スポットを形成する、ことを特徴とする請求項3に記載の試料評価装置。
The illumination optical system has a laser light source that emits multi-mode excitation light,
The sample evaluation apparatus according to claim 3, wherein the excitation light from the laser light source is condensed on the sample to form a condensed spot of the excitation light at a plurality of spatial positions of the sample. .
前記検出部は、
前記照明光学系によって形成される集光スポットの数に応じて、前記試料からの応答光の検出光路を複数の光路に分離する光路分離光学系と、
該光路分離光学系で分離された前記複数の検出光路から、それぞれ異なる前記集光スポットからの応答光を分離して抽出する複数のピンホールと、を有し、
該複数のピンホールでそれぞれ抽出される前記集光スポットからの応答光を、前記複数の光検出素子で独立して検出する、ことを特徴とする請求項3乃至13のいずれか一項に記載の試料評価装置。
The detector is
An optical path separation optical system that separates a detection optical path of response light from the sample into a plurality of optical paths according to the number of condensing spots formed by the illumination optical system;
A plurality of pinholes that separate and extract response light from the different focused spots from the plurality of detection optical paths separated by the optical path separation optical system,
14. The response light from the focused spot respectively extracted by the plurality of pinholes is detected independently by the plurality of light detection elements. 14. Sample evaluation device.
前記照明光学系は、前記励起光の開口数を制御する開口数制御部を有し、
前記検出部は、前記開口数制御部による前記励起光の開口数の制御に同期して、前記複数のピンホールの位置および/または径を制御するピンホール制御部を有する、
ことを特徴とする請求項14に記載の試料評価装置。
The illumination optical system has a numerical aperture control unit that controls the numerical aperture of the excitation light,
The detection unit includes a pinhole control unit that controls positions and / or diameters of the plurality of pinholes in synchronization with the control of the numerical aperture of the excitation light by the numerical aperture control unit.
The sample evaluation apparatus according to claim 14.
前記光検出素子は、一光子型の光検出素子からなる、ことを特徴とする請求項3乃至15のいずれか一項に記載の試料評価装置。   The sample evaluation apparatus according to claim 3, wherein the light detection element is a one-photon type light detection element. 前記光検出素子は、アバランシュフォトダイオードまたは光電子増倍管からなる、ことを特徴とする請求項16に記載の試料評価装置。   The sample evaluation apparatus according to claim 16, wherein the light detection element includes an avalanche photodiode or a photomultiplier tube.
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