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JP4017472B2 - microscope - Google Patents

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JP4017472B2
JP4017472B2 JP2002234665A JP2002234665A JP4017472B2 JP 4017472 B2 JP4017472 B2 JP 4017472B2 JP 2002234665 A JP2002234665 A JP 2002234665A JP 2002234665 A JP2002234665 A JP 2002234665A JP 4017472 B2 JP4017472 B2 JP 4017472B2
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武史 渡邊
正明 藤井
尾松  孝茂
公寿 山元
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡、特に染色した試料を機能性の高いレーザー光源からの複数の波長の光により照明して、高い空間分解能を得る高性能かつ高機能の新しい光学顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光学顕微鏡の技術は古く、種々のタイプの顕微鏡が開発されてきた。また、近年では、レーザー技術および電子画像技術をはじめとする周辺技術の進歩により、更に高機能の顕微鏡システムが開発されている。
【0003】
このような背景の中、例えば特開平8−184552号公報において、複数波長の光で試料を照明することにより発する二重共鳴吸収過程を用いて、得られる画像のコントラストの制御のみならず化学分析も可能にした高機能な顕微鏡が提案されている。
【0004】
この顕微鏡は、二重共鳴吸収を用いて特定の分子を選択し、特定の光学遷移に起因する吸収および蛍光を観測するものである。この原理について、図4〜図7を参照して説明する。図4は、試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造を示すもので、先ず、図4に示す基底状態(S0状態)の分子がもつ価電子軌道の電子を波長λ1の光により励起して、図5に示す第1電子励起状態(S1状態)とする。次に、別の波長λ2の光により同様に励起して図6に示す第2電子励起状態(S2状態)とする。この励起状態により、分子は蛍光あるいは燐光を発光して、図7に示すように基底状態に戻る。
【0005】
二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、図5の吸収過程や図7の蛍光や燐光の発光を用いて、吸収像や発光像を観察する。この顕微鏡法では、最初にレーザー光等により共鳴波長λ1の光で図5のように試料を構成する分子をS1状態に励起させるが、この際、単位体積内でのS1状態の分子数は、照射する光の強度が増加するに従って増加する。
【0006】
ここで、線吸収係数は、分子一個当りの吸収断面積と単位体積当たりの分子数との積で与えられるので、図6のような励起過程においては、続いて照射する共鳴波長λ2に対する線吸収係数は、最初に照射した波長λ1の光の強度に依存することになる。すなわち、波長λ2に対する線吸収係数は、波長λ1の光の強度で制御できることになる。このことは、波長λおよび波長λ2の2波長の光で試料を照射し、波長λ2による透過像を撮影すれば、透過像のコントラストは波長λ1の光で完全に制御できることを示している。
【0007】
また、図6の励起状態での蛍光または燐光による脱励起過程が可能である場合には、その発光強度はS1状態にある分子数に比例する。したがって、蛍光顕微鏡として利用する場合には画像コントラストの制御が可能となる。
【0008】
さらに、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、上記の画像コントラストの制御のみならず、化学分析も可能にする。すなわち、図4に示される最外殻価電子軌道は、各々の分子に固有なエネルギー準位を持つので、波長λ1は分子によって異なることになり、同時に波長λ2も分子固有のものとなる。
【0009】
ここで、従来の単一波長で照明する場合でも、ある程度特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察することが可能であるが、一般にはいくつかの分子における吸収帯の波長領域は重複するので、試料の化学組成の正確な同定までは不可能である。
【0010】
これに対し、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、波長λ1および波長λ2の2波長により吸収あるいは発光する分子を限定するので、従来法よりも正確な試料の化学組成の同定が可能となる。また、価電子を励起する場合、分子軸に対して特定の電場ベクトルをもつ光のみが強く吸収されるので、波長λ1および波長λ2の偏光方向を決めて吸収または蛍光像を撮影すれば、同じ分子でも配向方向の同定まで可能となる。
【0011】
また、最近では、例えば特開2001−100102号公報において、二重共鳴吸収過程を用いて回折限界を越える高い空間分解能をもつ蛍光顕微鏡も提案されている。
【0012】
図8は、分子における二重共鳴吸収過程の概念図で、基底状態S0の分子が、波長λ1の光で第1電子励起状態であるS1に励起され、更に波長λ2の光で第2電子励起状態であるS2に励起されている様子を示している。なお、図8はある種の分子のS2からの蛍光が極めて弱いことを示している。
【0013】
図8に示すような光学的性質を持つ分子の場合には、極めて興味深い現象が起きる。図9は、図8と同じく二重共鳴吸収過程の概念図で、横軸のX軸は空間的距離の広がりを表わし、波長λ2の光を照射した空間領域A1と波長λ2の光が照射されない空間領域A0とを示している。
【0014】
図9において、空間領域A0では波長λ1の光の励起によりS1状態の分子が多数生成され、その際に空間領域A0からは波長λ3で発光する蛍光が見られる。しかし、空間領域A1では、波長λ2の光を照射したため、S1状態の分子のほとんどが即座に高位のS2状態に励起されて、S1状態の分子は存在しなくなる。このような現象は、幾つかの分子により確認されている。これにより、空間領域A1では、波長λ3の蛍光は完全になくなり、しかもS2状態からの蛍光はもともとないので、空間領域A1では蛍光自体が完全に抑制され(蛍光抑制効果)、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。
【0015】
このことは、顕微鏡の応用分野から考察すると、極めて重要な意味を持っている。すなわち、従来の走査型レーザー顕微鏡等では、レーザー光を集光レンズによりマイクロビームに集光して観察試料上を走査するが、その際のマイクロビームのサイズは、集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界となり、原理的にそれ以上の空間分解能は期待できない。
【0016】
ところが、図9の場合には、波長λ1と波長λ2との2種類の光を空間的に上手く重ね合わせて、波長λ2の光の照射により蛍光領域を抑制することで、例えば波長λ1の光の照射領域に着目すると、蛍光領域を集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界よりも狭くでき、実質的に空間分解能を向上させることが可能となる。したがって、この原理を利用することで、回折限界を越える二重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微鏡、例えば蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。
【0017】
さらに、顕微鏡の超解像性を高めるため、例えば特開平11−95120号公報において、超解像顕微鏡の機能を十分に活かすための蛍光ラベラー分子や、利用する波長λ1および波長λ2の2つの光の試料への照射タイミング等が開示されている。この先行技術では、少なくとも基底状態を含む3つの量子状態を有し、第1電子励起状態を除く高位のエネルギー状態から基底状態へ脱励起するときの遷移が蛍光による緩和過程よりも熱緩和過程が支配的である各種分子を染色する蛍光ラベラー分子と、生化学的な染色技術を施した生体分子とを化学結合させた試料を、染色する分子を励起する波長λ1の光でS1状態に励起し、続いて波長λ2の光により即座に高位の量子準位に励起することで、S1状態からの蛍光を抑制するようにしている。このように分子の光学的性質を利用して、空間的な蛍光領域を人為的に抑制することで、空間分解能の向上を図ることができる。
【0018】
このような分子の光学的性質は、量子化学的な立場から説明することができる。すなわち、一般に、分子はそれを構成する各原子がσまたはπ結合によって結ばれている。言い換えると、分子の分子軌道は、σ分子軌道またはπ分子軌道を有していて、これらの分子軌道に存在する電子が各原子を結合する重要な役割を担っている。そのなかでも、σ分子軌道の電子は各原子を強く結合し、分子の骨格である分子内の原子間距離を決めている。これに対して、π分子軌道の電子は各原子の結合にほとんど寄与しないで、むしろ分子全体に極めて弱い力で束縛されている。
【0019】
多くの場合、σ分子軌道にいる電子を光で励起すると、分子の原子間隔が大きく変化し、分子の解離を含む大きな構造変化が起こる。その結果、原子の運動エネルギーや構造変化のために、光が分子に与えたエネルギーのほとんどが熱エネルギーに変化する。したがって、励起エネルギーは蛍光という光の形態では消費されない。また、分子の構造変化は極めて高速(ピコ秒より短い)に起こるので、その過程で仮に蛍光が起きてもその寿命が極めて短い。
【0020】
これに対し、π分子軌道の電子は、励起しても分子の構造自体はほとんど変化せず、高位の量子的な離散準位に長時間とどまり、ナノ秒オーダで蛍光を放出して脱励起する性質を有している。
【0021】
量子化学によれば、分子がπ分子軌道をもつことと、二重結合をもつこととは同等であり、用いる蛍光ラベラー分子には、二重結合を豊富にもつ分子を選定することが必要条件となる。このことは、二重結合をもつ分子でもベンゼンやピラジン等の6員環分子において、S2励起状態からの蛍光が極めて弱いことが確かめられている(例えば、M.Fujii et.al.Chem.Phys.Lett.171(1990)341)。
【0022】
したがって、ベンゼンやピラジン等の6員環分子を含む分子を蛍光ラベラー分子として選定すれば、S1状態からの蛍光寿命が長く、しかも光励起によりS1状態からS2状態に励起することで、分子からの蛍光を容易に抑制できるので、超解像性を効果的に利用することができる。すなわち、これら蛍光ラベラー分子により染色して観察を行なえば、高空間分解能で試料の蛍光像を観察することができるのみならず、その分子の側鎖の化学基を調整することにより、生体試料の特定の化学組織のみを選択的に染色できるので、試料の詳細な化学組成までも分析可能となる。
【0023】
また、一般に、二重共鳴吸収過程は2つ光の波長や偏光状態等が特定の条件を満たすときにのみ起こるので、これを用いることで分子の構造を非常に詳細に知ることができる。すなわち、光の偏光方向と分子の配向方向とは強い相関関係があり、2つ波長の光のそれそれの偏光方向と分子の配向方向とが特定の角度をなすとき、二重共鳴吸収過程が強く起こる。したがって、2つ波長の光を試料に同時に照射して、それぞれの光りの偏光方向を回転することにより、蛍光の消失の程度が変化するので、その様子から観測しようとする組織の空間配向の情報も得ることができる。このことは、2つ光の波長を調整することでも可能である。
【0024】
以上のように、上記の特開平11−95120号公報記載の技術によると、超解像性以外にも、高い分析能力を有していることがわかる。さらに、波長λ1と波長λ2との2つの光の照射タイミングを工夫することで、S/Nを改善し、かつ蛍光抑制を効果的に起すことができ、超解像性をより効果的に発現することが可能となる。
【0025】
このような超解像顕微鏡法の具体例として、例えば特開2001−100102号公報には、蛍光ラベラー分子をS0状態からS1状態へ励起する波長λ1の光(特にレーザー光)をポンプ光とし、S1状態からS2状態へ励起する波長λ2の光をイレース光として、図10に示すように、光源81からポンプ光を、光源82からイレース光をそれぞれ放射させ、ポンプ光はダイクロイックミラー83で反射させた後、輪帯光学系84により試料115上に集光させ、イレース光は位相板86で中空ビーム化した後、ダイクロイックミラー83を透過させてポンプ光と空間的に重ね合わせて輪帯光学系84により試料115上に集光させるようにしたものが提案されている。
【0026】
この顕微鏡によると、イレース光の強度がゼロとなる光軸近傍以外の蛍光は抑制されるので、結果的にポンプ光の広がりより狭い領域(Δ<0.61・λ1/NA、NAは輪帯光学系84の開口数)に存在する蛍光ラベラー分子のみが観察されることになり、結果的に超解像性が発現することになる。なお、イレース光を中空ビーム化する位相板86は、例えば、図11に示すように、光軸に対して点対称な位置で位相差πを与えるように構成したものや、液晶面を用いた液晶空間変調器を用いることができる。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている超解像顕微鏡法を含む蛍光検出型の顕微鏡においては、蛍光の検出感度が低く、良好な蛍光顕微鏡画像が得られないと言う問題がある。
【0028】
すなわち、従来の超解像顕微鏡は、ナノメータオーダーの分解能で空間計測が可能であるが、その反面、観察領域に存在する蛍光ラベラー分子の絶対量が減少し、極限の場合、1分子すなわち単一分子を計測しなければならない状況が発生する。この単一分子の検出には、一般に、パルスカウンティング法が用いられている。このパルスカウンティング法とは、分子が主にパルス光源からのポンプ光の照射により第1電子励起状態に励起されたときに、そのときの蛍光収率(φ)に応じて発光する事象に着目した計測法である。ここで蛍光収率とは、励起状態にある分子が、蛍光発光過程により基底状態に脱励起する過程であり、例えば、メタノール中のローダミン6G分子では蛍光収率は0.9であり、殆どが蛍光過程で1個の光子を放出して脱励起する。
【0029】
パルスカウンティング法では、一定時間、ポンプ光を照射したときの蛍光発光現象の発生事象数(N)を計測する。したがって、ローダミン6G分子の場合には、蛍光寿命が3nsecなので、パルス幅3nsecの光パルスが間欠的に検出器で観測されることになる。ここで、単位体積あたり1個の分子が存在し、単位時間内の発生事象数がnoとすると、単位体積あたりm個の分子が存在すれば、事象数はm・noとなる。このように、計測領域に存在する分子が少なく、光パルスを間欠的に照射する条件では、発生事象数を計測することで、微小領域に存在する分子の空間分布、すなわち蛍光顕微鏡画像が得られる。
【0030】
ところが、超解像顕微鏡法では、ポンプ光の他にイレース光を同時照射し、しかもこのイレース光の強度、言い換えると光子数は、分子から発光する蛍光光子と比較して遥かに多いため、蛍光発光現象の発生事象数を計測する際のS/Nが低下するという問題がある。このため、従来は、検出光学系の光路にフィルタ等を配置してイレース光の光子を除去するようにしているが、このような対策を施しても、検出器には蛍光過程が起こる発生事象数と比較して無視できない頻度でイレース光の光子が入射してしまい、その結果、検出しようとする蛍光分子の空間分布とは対応しない蛍光画像となって、良好な蛍光顕微鏡画像が得られなくなる。
【0031】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、パルスカウンティング法によりS/Nが向上でき、所望の微量発光分子を確実に検出して良好な顕微鏡画像が得られるよう適切に構成した顕微鏡を提供することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項1に係る顕微鏡の発明は、試料内の分子を基底状態から励起状態に励起するためのパルス励起光を発生するパルス光源と、
上記パルス励起光を試料上に集光する集光光学系と、
上記パルス励起光を受光して電気パルス信号に変換する第1の変換手段と、
上記パルス励起光により励起された試料内の分子が脱励起するときの発光を受光して電気パルス信号に変換する第2の変換手段と、
上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相上記第2の変換手段からの電気パルス信号の位相とが一致するように、上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相を調整する調整手段と、
上記調整手段で位相が調整された電気パルス信号上記第2の変換手段からの電気パルス信号との論理演算の出力を計測する計測手段と、
を有し、上記計測手段の出力に基づいて上記試料の顕微鏡画像を得るよう構成したことを特徴とするものである。
【0033】
さらに、請求項2に係る顕微鏡の発明は、少なくとも基底状態を含む3つの電子状態を有する分子を含む試料を観察する顕微鏡であって、
上記分子を基底状態から第1電子励起状態へ遷移させるパルス状の第1の光を発生する第1の光源と、
上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、
上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、
上記第1の光を受光して電気パルス信号に変換する第1の変換手段と、
上記分子が第1電子励起状態から基底状態に脱励起する際の発光を受光して電気パルス信号に変換する第2の変換手段と、
上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相上記第2の変換手段からの電気パルス信号の位相とが一致するように、上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相を調整する調整手段と、
上記調整手段で位相が調整された電気パルス信号上記第2の変換手段からの電気パルス信号との論理演算の出力を計測する計測手段と、
を有し、上記計測手段の出力に基づいて上記試料の顕微鏡画像を得るよう構成したことを特徴とするものである。
【0034】
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の顕微鏡において、上記計測手段は、上記調整手段で調整された電気パルス信号と上記第2の変換手段からの電気パルス信号との論理積を演算する論理演算器と、この論理演算器の出力パルスを計数するパルスカウンターとを有することを特徴とするものである。
請求項4に係る発明は、請求項1に記載の顕微鏡において、上記計測手段は、上記パルス光源の出射口における光源の発光時間を基準として、上記第2の変換手段が上記分子の脱励起による発光を受光するまでの伝播時間、上記第1の変換手段からの電気パルス信号を遅らせて位相を調整することを特徴とするものである。
請求項5に係る発明は、請求項2に記載の顕微鏡において、上記計測手段は、上記第1の光源の出射口における光源の発光時間を基準として、上記第2の変換手段が上記分子の脱励起による発光を受光するまでの伝播時間、上記第1の変換手段からの電気パルス信号を遅らせて位相を調整することを特徴とするものである。
【0035】
以下、本発明の原理について、図1を参照して説明する。
【0036】
図1は、超解像蛍光顕微鏡においてイレース光がCW光源である場合の動作を示すタイムチャートで、図1(a)はポンプ光レーザーパルスの発振タイミングを示しており、図1(b)は蛍光ラベラー分子の蛍光発光タイミングを示しており、図1(c)は蛍光を受光する検出器の蛍光出力信号を示しており、図1(d)は検出用ゲートパルスのタイミングを示している。
【0037】
図1(a)に示すように、ポンプ光レーザーパルスのパルス幅すなわち発光時間をt、発光時間間隔をTとすると、蛍光ラベラー分子は、図1(b)に示すように、ポンプ光レーザーの出射口におけるレーザー発光時間を基準として顕微鏡光学系で試料上に集光されるまでの伝搬時間d1だけ遅れて、ポンプ光レーザーと同期して時間間隔Tで発光する。しかし、蛍光ラベラー分子の蛍光寿命は、一般に有限値τ(数ナノ秒)を持つので、ポンプ光レーザーの発光時間tがτよりも長いときは、蛍光ラベラー分子の発光時間はtと一致するが、tがτよりも短いときはτとなる。
【0038】
この蛍光ラベラー分子からの蛍光は、図1(c)に示すように、検出光学系によりさらに伝搬時間d2遅れて検出器に到達するので、結局、ポンプ光レーザーの出射口より(d1+d2)時間遅れた状態で、ポンプ光レーザーパルスに同期して受光される。ここで、蛍光を受光する検出器は、一般に固有の応答時間rを持つので、rが蛍光発光時間よりも大きければ、出力される蛍光出力信号のパルス幅はrとなり、反対の場合には蛍光発光時間そのものとなる。
【0039】
パルスカウンティング法では、図1(c)における単位時間内の蛍光出力信号のパルス数を計測することになるが、超解像蛍光顕微鏡ではポンプ光の他に強いイレース光を照射するため、このイレース光が検出器に混入してノイズの原因となる。例えば、イレース光がCW光源の場合には、検出器から図1(c)に斜線で示すようなパルス状の疑似信号が出力される。しかも、この疑似信号の大多数は、ポンプ光レーザーパルスの発光時間間隔Tがその発光時間tや蛍光ラベラー分子の蛍光発光時間と比較して圧倒的に長いため、ポンプ光が発生していない発光時間間隔Tの間に発生する。このため、この疑似信号が計数されて、計測精度すなわちS/Nが劣化することになる。また、イレース光が発生しなくても、暗電流信号が統計的に発生して、同様に計測精度の劣化を招くことになる。
【0040】
そこで、本発明では、第1の変換手段および調整手段により、図1(a)に示すポンプ光レーザーパルスに同期して蛍光出力信号と位相が完全に一致する図1(d)に示すような検出用ゲートパルスを生成し、計測手段において、この検出用ゲートパルスと蛍光検出信号との相関、例えば論理積をとって、その出力パルスすなわち検出用ゲートパルスが高レベルにあるときの蛍光検出信号のパルスを計測する。このようにすれば、蛍光検出信号のパルス列のうち、イレース光照射による疑似信号パルスを除外して、ポンプ光照射に起因するパルスのみを良好なS/Nで計測できるので、特に所望の蛍光分子が空間的に1分子しか存在しない場合でも、その分子からのポンプ光照射に起因する蛍光検出信号を確実に検出でき、良好な蛍光顕微鏡画像を得ることが可能となる。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明による顕微鏡の一実施の形態について、図2および図3を参照して説明する。
【0042】
図2は顕微鏡の構成を示す図であり、図3はその信号処理回路の一例の構成を示すブロック図である。本実施の形態の顕微鏡は、イレース光を中空ビーム化して超解像性を発現させて空間分解能を向上させたレーザー走査型の超解像蛍光顕微鏡で、ローダミン6Gで染色された生体試料を観察するものである。
【0043】
ここで、ローダミン6Gは、530nmの波長帯域で吸収が最大となり、また、第1電子励起状態(S1)から、よりエネルギー的に高い高位の電子励起状態に励起できる吸収帯が、波長600〜650nmの領域に存在する。
【0044】
そこで、本実施の形態では、第1の光源としてレーザーダイオード(LD)励起型のモードロックNd:YAGレーザー1を用い、その2倍高調波(532nm)をポンプ光として用いる。このLD励起型のモードロックNd:YAGレーザー1は、レーザー共振器の設計パラメータの調整により、MHzオーダーの繰り返し周波数で、ピコ秒のレーザーパルスを発振することができる。例えば、スイス:Time-Bandwidth社製のGE−100シリーズは、標準仕様で、100MHzの繰り返し周波数において、パルス幅:6psecのパルス光を平均出力50mWで発振することができる。これは、1パルスの持つエネルギーが、500pJに対応する。また、共振器を設計変更することで、繰り返し周波数を、25MHz〜1GHzの間で調整することができる。
【0045】
また、第2の光源は、市販で廉価かつ信頼性の高いCWのHe−Neレーザー2を用い、その基本波(633nm)をイレース光として用いる。
【0046】
図2において、LD励起型のモードロックNd:YAGレーザー1からのポンプ光は、ビームサンプラー3で二つに分岐し、その一方をPin−フォトダイオード4で受光し、他方をキューベット型のハーフミラーからなるビームコンバイナー5に入射させる。また、CWのHe−Neレーザー2からのイレース光は、図11に示したような位相板6を通すことで中空ビーム化してビームコンバイナー5に入射させてポンプ光と同軸上に合成し、これらポンプ光およびイレース光を、キューベット型のハーフミラーからなるビームセパレーター7を透過させた後、互いに直交する軸を中心に揺動可能なガルバノミラー8および9で順次反射させて対物レンズ10によりローダミン6Gで染色された生体試料11の表面に集光させ、その集光点をガルバノミラー8,9の揺動により移動させて試料面上を2次元走査する。なお、図2では、図面を簡略化するために、ガルバノミラー8,9を互いに平行な軸を中心に揺動するように示している。また、位相板6は、図11に示すような位相分布をイレース光に与えるべく、蒸着膜がコートされている。これにより、光軸上で光強度をキャンセルして中空状のビームに整形される。
【0047】
一方、ポンプ光およびイレース光の照射により試料11から発する蛍光は、対物レンズ10によりコリメートしたのち、入射光路とは逆の経路を辿って、ガルバノミラー9および8を経てビームセパレーター7に入射させ、該ビームセパレーター7で反射される蛍光を投影レンズ12によりピンホール13に集光させる。
【0048】
ピンホール13は、試料11の蛍光発光点に対して共焦点位置に配置し、このピンホール13を透過した蛍光を、ポンプ光カットノッチフィルター14およびイレース光カットノッチフィルター15を透過させて、それぞれポンプ光およびイレース光を除去した後、光電子増倍管16で受光して蛍光出力信号を得る。
【0049】
次に、図3に示す信号処理回路について説明する。ビームサンプラー3で分岐されたNd:YAGレーザー1からのポンプ光を受光するPin−フォトダイオード4からの出力電気信号は、ディスクリミネーター21に供給して方形電気的なパルス信号、例えばTTLのクロック信号に変換する。このディスクリミネーター21は、パルス光の応答信号を方形電気的に整形するだけでなく、ある一定の波高閾値以上の強度をもつ光パルスのみを信号変換するもので、これによりレーザー出力光以外の原因で発生する疑似電気応答を除去する。これらPin−フォトダイオード4およびディスクリミネーター21は、第1の変換手段を構成する。
【0050】
ディスクリミネーター21から出力されるクロック信号は、遅延回路22を経てゲートジェネレーター23に供給し、ゲートジェネレーター23において入力クロック信号に同期して図1(d)に示した適宜のパルス幅および波高値の検出用ゲートパルスを生成して、この検出用ゲートパルスを論理演算器24の一方の入力端子に供給する。ここで、遅延回路22およびゲートジェネレーター23は、調整手段を構成する。
【0051】
また、光電子増倍管16からの蛍光出力信号は、ディスクリミネーター25で方形電気的なパルス信号、例えばTTLのクロック信号に変換して、論理演算器24の他方の入力端子に供給する。ここで、光電子増倍管16およびディスクリミネーター25は、第2の変換手段を構成する。
【0052】
論理演算器24は論理積(AND)を演算するもので、本実施の形態ではゲートジェネレーター23からの検出用ゲートパルスと、ディスクリミネーター25からのクロック信号とが共に正論理、すなわち両パルスが同時に入力したときに1個のパルスを出力する。なお、ディスクリミネーター25からのクロック信号に対する検出用ゲートパルスのタイミングは、遅延回路22で調整し、パルス幅はゲートジェネレーター23で調整する。
【0053】
論理演算器24の出力は、パルスカウンター26に供給し、ここで単位時間に入力するパルス数を計数して、そのデータをパーソナルコンピュータ27のフレームメモリに格納する。ここで、論理演算器24およびパルスカウンター26は、計測手段を構成する。このようにして、ガルバノミラー8,9をビデオレートに同期して揺動させながら、各画素のデータをフレームメモリに格納して、試料11の蛍光2次元画像をCRT等のモニタ28にリアルタイムで表示する。
【0054】
本実施の形態によれば、光電子増倍管16からの蛍光出力信号に対応するパルスのうち、ポンプ光パルスと因果関係のないパルスは論理演算器24で除去され、ポンプ光パルスにより観察試料11を励起したときの蛍光信号に対応するパルスのみがパルスカウントされるので、極めて高いS/Nで微弱な蛍光信号を画像化することができる。
【0055】
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、本発明は、上記実施の形態のようなポンプ光パルスとイレース光とを用いる超解像蛍光顕微鏡に限らず、パルス光源により試料内の分子を基底状態から励起状態に励起し、その分子が脱励起するときの発光を検出する顕微鏡にも有効に適用することができる。
【0056】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、パルスカウンティング法によるS/Nを向上でき、所望の微量発光分子を確実に検出して良好な顕微鏡画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理を説明するための図である。
【図2】 本発明の一実施の形態における顕微鏡の構成を示す図である。
【図3】 図1に示す顕微鏡の信号処理回路の一例の構成を示すブロック図である。
【図4】 試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造を示す概念図である。
【図5】 図4の分子の第1電子励起状態を示す概念図である。
【図6】 同じく、第2電子励起状態を示す概念図である。
【図7】 同じく、第2電子励起状態から基底状態に戻る状態を示す概念図である。
【図8】 分子における二重共鳴吸収過程を説明するための概念図である。
【図9】 同じく、二重共鳴吸収過程を説明するための概念図である。
【図10】 従来の超解像顕微鏡の一例の構成を示す図である。
【図11】 図10に示す位相板の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1 Nd:YAGレーザー
2 He−Neレーザー
3 ビームサンプラー
4 Pin−フォトダイオード
5 ビームコンバイナー
6 位相板
7 ビームセパレーター
8,9 ガルバノミラー
10 対物レンズ
11 試料
12 投影レンズ
13 ピンホール
14 ポンプ光カットノッチフィルター
15 イレース光カットノッチフィルター
16 光電子増倍管
21,25 ディスクリミネーター
22 遅延回路
23 ゲートジェネレーター
24 論理演算器
26 パルスカウンター
27 パーソナルコンピュータ
28 モニタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microscope, and more particularly to a new high-performance and high-performance optical microscope that obtains high spatial resolution by illuminating a stained sample with light of a plurality of wavelengths from a highly functional laser light source.
[0002]
[Prior art]
Optical microscope technology is old and various types of microscopes have been developed. In recent years, more advanced microscope systems have been developed due to advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology.
[0003]
In such a background, for example, in JP-A-8-184552, chemical analysis as well as control of contrast of an image obtained by using a double resonance absorption process generated by illuminating a sample with light of a plurality of wavelengths. A high-performance microscope that has made it possible is also proposed.
[0004]
This microscope selects specific molecules using double resonance absorption and observes absorption and fluorescence due to specific optical transitions. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows the electronic structure of the valence electron orbit of the molecules constituting the sample. First, the electrons in the valence electron orbit of the molecule in the ground state (S0 state) shown in FIG. 4 are excited by light of wavelength λ1. Thus, the first electronic excitation state (S1 state) shown in FIG. Next, the second electron excitation state (S2 state) shown in FIG. 6 is obtained by exciting similarly with light of another wavelength λ2. In this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence and returns to the ground state as shown in FIG.
[0005]
In the microscope method using the double resonance absorption process, an absorption image and a light emission image are observed using the absorption process of FIG. 5 and the fluorescence and phosphorescence emission of FIG. In this microscope method, first, the molecules constituting the sample are excited to the S1 state as shown in FIG. 5 with light having a resonance wavelength λ1 by laser light or the like. At this time, the number of molecules in the S1 state in the unit volume is It increases as the intensity of light to be applied increases.
[0006]
Here, since the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross section per molecule and the number of molecules per unit volume, in the excitation process as shown in FIG. The coefficient depends on the intensity of the light having the wavelength λ1 irradiated first. That is, the linear absorption coefficient with respect to the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light with the wavelength λ1. This indicates that the contrast of the transmitted image can be completely controlled with the light of the wavelength λ1 when the sample is irradiated with the light of the two wavelengths of the wavelength λ and the wavelength λ2 and a transmission image with the wavelength λ2 is taken.
[0007]
Further, when the deexcitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state of FIG. 6 is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, image contrast can be controlled when used as a fluorescence microscope.
[0008]
Furthermore, the microscope method using a double resonance absorption process enables not only the above-described image contrast control but also chemical analysis. That is, since the outermost valence electron orbit shown in FIG. 4 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 varies depending on the molecule, and the wavelength λ2 is also unique to the molecule.
[0009]
Here, even when illuminating with a conventional single wavelength, it is possible to observe an absorption image or fluorescence image of a specific molecule to some extent, but generally the wavelength regions of absorption bands of several molecules overlap. It is impossible to accurately identify the chemical composition of the sample.
[0010]
On the other hand, in the microscope method using the double resonance absorption process, the molecules that absorb or emit light are limited by the two wavelengths of λ1 and λ2, so that the chemical composition of the sample can be identified more accurately than the conventional method. Become. In addition, when valence electrons are excited, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization direction of the wavelengths λ1 and λ2 is determined and an absorption or fluorescence image is taken, the same Even molecules can be used to identify the orientation direction.
[0011]
Recently, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-100102, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit using a double resonance absorption process has been proposed.
[0012]
FIG. 8 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule. A molecule in the ground state S0 is excited by light having a wavelength λ1 to S1, which is a first electronically excited state, and further excited by a second electron by light having a wavelength λ2. The state of being excited by the state S2 is shown. FIG. 8 shows that the fluorescence from S2 of certain molecules is extremely weak.
[0013]
In the case of molecules having optical properties as shown in FIG. 8, a very interesting phenomenon occurs. FIG. 9 is a conceptual diagram of the double resonance absorption process, as in FIG. 8. The horizontal X axis represents the spread of the spatial distance, and the light of the wavelength region λ2 and the light of the wavelength region λ2 is not irradiated. A space area A0 is shown.
[0014]
In FIG. 9, in the spatial region A0, a large number of molecules in the S1 state are generated by excitation of light of wavelength λ1, and at this time, fluorescence emitted at wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the spatial region A1, since the light of wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher S2 state and no S1 state molecule exists. Such a phenomenon has been confirmed by several molecules. Thereby, in the spatial region A1, the fluorescence of the wavelength λ3 is completely lost, and the fluorescence from the S2 state is not originally present. Therefore, in the spatial region A1, the fluorescence itself is completely suppressed (fluorescence suppression effect), and only from the spatial region A0. Fluorescence will be emitted.
[0015]
This is extremely important when considered from the field of application of a microscope. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, a laser beam is condensed on a micro beam by a condensing lens and scanned on an observation sample. The size of the micro beam at that time is determined by the numerical aperture and wavelength of the condensing lens. The diffraction limit is determined by, and in principle, no further spatial resolution can be expected.
[0016]
However, in the case of FIG. 9, two types of light of wavelength λ1 and wavelength λ2 are spatially superposed and the fluorescent region is suppressed by irradiation with light of wavelength λ2, for example, the light of wavelength λ1. Focusing on the irradiation region, the fluorescent region can be made narrower than the diffraction limit determined by the numerical aperture and wavelength of the condenser lens, and the spatial resolution can be substantially improved. Therefore, by utilizing this principle, it becomes possible to realize a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope, using a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit.
[0017]
Further, in order to enhance the super-resolution of the microscope, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-95120, a fluorescent labeler molecule for fully utilizing the function of the super-resolution microscope and two light beams having wavelengths λ1 and λ2 to be used are used. The timing of irradiation of the sample is disclosed. In this prior art, there are at least three quantum states including the ground state, and the transition when the de-excitation from the higher energy state excluding the first electronic excited state to the ground state is a thermal relaxation process rather than the relaxation process by fluorescence. A sample in which a fluorescent labeler molecule for staining various dominant molecules and a biomolecule subjected to biochemical staining technology are chemically bonded is excited to the S1 state with light of wavelength λ1 that excites the molecule to be stained. Subsequently, the fluorescence from the S1 state is suppressed by immediately exciting to a higher quantum level with light of wavelength λ2. As described above, the spatial resolution can be improved by artificially suppressing the spatial fluorescent region by utilizing the optical properties of the molecules.
[0018]
The optical properties of such molecules can be explained from a quantum chemical standpoint. That is, in general, in a molecule, each atom constituting the molecule is connected by a σ or π bond. In other words, the molecular orbitals of the molecules have σ molecular orbitals or π molecular orbitals, and the electrons existing in these molecular orbitals play an important role in bonding each atom. Among them, the electrons in the σ molecular orbitals strongly bond each atom, and determine the interatomic distance in the molecule that is the skeleton of the molecule. On the other hand, the electrons in the π molecular orbitals hardly contribute to the bonding of each atom, but rather are bound to the whole molecule by a very weak force.
[0019]
In many cases, when electrons in the σ molecular orbital are excited by light, the atomic spacing of the molecules changes greatly, and a large structural change including molecular dissociation occurs. As a result, most of the energy that light gives to molecules changes to thermal energy due to atomic kinetic energy and structural changes. Therefore, excitation energy is not consumed in the form of light called fluorescence. In addition, since the structure change of molecules occurs at a very high speed (shorter than picoseconds), even if fluorescence occurs in the process, the lifetime is extremely short.
[0020]
On the other hand, electrons in the π molecular orbitals do not substantially change the molecular structure even when excited, stay in the high-level quantum discrete level for a long time, and emit fluorescence in the order of nanoseconds to be de-excited. It has properties.
[0021]
According to quantum chemistry, having a π molecular orbital is equivalent to having a double bond, and it is necessary to select a molecule with abundant double bonds as the fluorescent labeler molecule to be used. It becomes. This is confirmed that even in a molecule having a double bond, the fluorescence from the S2 excited state is extremely weak in a 6-membered ring molecule such as benzene and pyrazine (for example, M. Fujii et.al.Chem.Phys. Lett. 171 (1990) 341).
[0022]
Therefore, if a molecule containing a six-membered ring molecule such as benzene or pyrazine is selected as the fluorescent labeler molecule, the fluorescence lifetime from the S1 state is long, and further, the fluorescence from the molecule is excited by excitation from the S1 state to the S2 state by photoexcitation. Can be easily suppressed, so that super-resolution can be effectively utilized. In other words, if the fluorescent labeler molecules are stained and observed, not only can the fluorescence image of the sample be observed with high spatial resolution, but also by adjusting the chemical groups of the side chains of the molecule, Since only a specific chemical tissue can be selectively stained, even a detailed chemical composition of a sample can be analyzed.
[0023]
In general, the double resonance absorption process occurs only when two light wavelengths, polarization states, and the like satisfy specific conditions. By using this, the molecular structure can be known in detail. That is, there is a strong correlation between the polarization direction of light and the orientation direction of molecules, and when the polarization direction of two wavelengths of light and the orientation direction of molecules form a specific angle, the double resonance absorption process is It happens strongly. Therefore, by simultaneously irradiating the sample with two wavelengths of light and rotating the polarization direction of each light, the degree of disappearance of the fluorescence changes, so information on the spatial orientation of the tissue to be observed from that state Can also be obtained. This is also possible by adjusting the wavelengths of the two lights.
[0024]
As described above, according to the technique described in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-95120, it can be seen that in addition to super-resolution, it has a high analytical capability. Furthermore, by devising the irradiation timing of the two lights of wavelength λ1 and wavelength λ2, S / N can be improved and fluorescence suppression can be effectively caused, and super-resolution is more effectively expressed. It becomes possible to do.
[0025]
As a specific example of such super-resolution microscopy, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-100102, light having a wavelength λ1 (especially laser light) that excites a fluorescent labeler molecule from the S0 state to the S1 state is used as pump light. As shown in FIG. 10, the light of wavelength λ2 that is excited from the S1 state to the S2 state is used as the erase light, and the pump light is emitted from the light source 81 and the erase light is emitted from the light source 82, respectively, and the pump light is reflected by the dichroic mirror 83. After that, it is condensed on the sample 115 by the annular optical system 84, and the erase light is converted into a hollow beam by the phase plate 86, and then transmitted through the dichroic mirror 83 and spatially overlapped with the pump light to be annular optical system. 84 is proposed to be condensed on the sample 115.
[0026]
According to this microscope, fluorescence other than the vicinity of the optical axis where the intensity of the erase light becomes zero is suppressed. As a result, a region narrower than the spread of the pump light (Δ <0.61 · λ1 / NA, where NA is an annular zone) Only the fluorescent labeler molecules present in the numerical aperture) of the optical system 84 are observed, and as a result, super-resolution is developed. As the phase plate 86 for converting the erase light into a hollow beam, for example, as shown in FIG. 11, a configuration in which a phase difference π is given at a point-symmetrical position with respect to the optical axis, or a liquid crystal surface is used. A liquid crystal spatial modulator can be used.
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
However, the fluorescence detection type microscope including the conventionally proposed super-resolution microscopy has a problem that the fluorescence detection sensitivity is low and a good fluorescence microscope image cannot be obtained.
[0028]
That is, the conventional super-resolution microscope can perform spatial measurement with nanometer-order resolution, but on the other hand, the absolute amount of fluorescent labeler molecules present in the observation region is reduced, and in the extreme case, one molecule, that is, a single molecule A situation arises where molecules must be measured. A pulse counting method is generally used for the detection of this single molecule. This pulse counting method focused on the phenomenon of light emission depending on the fluorescence yield (φ) at the time when a molecule was excited to the first electronic excited state mainly by irradiation of pump light from a pulse light source. It is a measurement method. Here, the fluorescence yield is a process in which a molecule in an excited state is deexcited to a ground state by a fluorescence emission process. For example, the fluorescence yield is 0.9 for rhodamine 6G molecules in methanol, and most of them. In the fluorescence process, one photon is emitted and de-excited.
[0029]
In the pulse counting method, the number (N) of occurrence events of the fluorescence emission phenomenon when the pump light is irradiated for a certain time is measured. Therefore, in the case of rhodamine 6G molecule, since the fluorescence lifetime is 3 nsec, an optical pulse with a pulse width of 3 nsec is intermittently observed by the detector. Here, if there is one molecule per unit volume and the number of generated events within a unit time is no, the number of events is m · no if there are m molecules per unit volume. In this way, under the condition that there are few molecules in the measurement region and the light pulse is irradiated intermittently, the spatial distribution of molecules existing in the micro region, that is, a fluorescence microscope image can be obtained by measuring the number of occurrence events. .
[0030]
However, in super-resolution microscopy, erase light is simultaneously irradiated in addition to pump light, and the intensity of this erase light, in other words, the number of photons is much larger than that of fluorescent photons emitted from molecules. There is a problem that the S / N at the time of measuring the number of occurrences of the light emission phenomenon is lowered. For this reason, conventionally, a filter or the like is arranged in the optical path of the detection optical system to remove the photons of the erase light. However, even if such measures are taken, a phenomenon in which a fluorescence process occurs in the detector The photons of erase light are incident at a frequency that cannot be ignored compared to the number, resulting in a fluorescence image that does not correspond to the spatial distribution of the fluorescent molecules to be detected, and a good fluorescence microscope image cannot be obtained. .
[0031]
Accordingly, an object of the present invention made in view of the above point is that a microscope configured appropriately so that a S / N can be improved by a pulse counting method, and a desired microscopic light emitting molecule can be reliably detected and a good microscopic image can be obtained. Is to provide.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
  The invention of a microscope according to claim 1 that achieves the above object is provided for exciting molecules in a sample from a ground state to an excited state.pulseA pulsed light source that generates excitation light;
  the abovepulseA condensing optical system for condensing the excitation light on the sample;
  the abovepulseFirst conversion means for receiving excitation light and converting it into an electrical pulse signal;
  the abovepulseSecond conversion means for receiving light emitted when molecules in the sample excited by the excitation light are deexcited and converting them into electric pulse signals;
  Phase of electric pulse signal from the first conversion meansWhenElectric pulse signal from the second conversion meansSo that the phase of the electric pulse signal from the first conversion means is the same asAdjusting means for adjusting;
  the aboveBy adjusting meansPhaseAdjusted electrical pulse signalWhenElectric pulse signal from the second conversion meansOutput of logical operation withMeasuring means for measuring
  And a microscope image of the sample is obtained based on the output of the measuring means.
[0033]
  Furthermore, the invention of the microscope according to claim 2 is a microscope for observing a sample including a molecule having at least three electronic states including a ground state,
  A first light source that generates pulsed first light that causes the molecule to transition from a ground state to a first electronically excited state;
  A second light source that generates a second light that causes the molecule to transition from a first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
  An optical system for irradiating the sample with at least a part of the irradiation region of the first light and the second light,
  First conversion means for receiving the first light and converting it into an electrical pulse signal;
  Second conversion means for receiving light emitted when the molecule is deexcited from the first electronically excited state to the ground state and converting it into an electric pulse signal;
  Phase of electric pulse signal from the first conversion meansWhenElectric pulse signal from the second conversion meansSo that the phase of the electric pulse signal from the first conversion means is the same asAdjusting means for adjusting;
  the aboveBy adjusting meansPhaseAdjusted electrical pulse signalWhenElectric pulse signal from the second conversion meansOutput of logical operation withMeasuring means for measuring
  And a microscope image of the sample is obtained based on the output of the measuring means.
[0034]
  According to a third aspect of the present invention, in the microscope according to the first or second aspect, the measuring means is a logical product of the electric pulse signal adjusted by the adjusting means and the electric pulse signal from the second converting means. And a pulse counter that counts the output pulses of the logic operator.
According to a fourth aspect of the present invention, in the microscope according to the first aspect, the measurement means is configured such that the second conversion means is based on de-excitation of the molecule with reference to the light emission time of the light source at the exit of the pulse light source. The phase is adjusted by delaying the propagation time until light emission is received and the electric pulse signal from the first conversion means.
According to a fifth aspect of the present invention, in the microscope according to the second aspect, the measurement unit is configured such that the second conversion unit is configured to remove the molecule on the basis of the light emission time of the light source at the exit of the first light source. It is characterized in that the phase is adjusted by delaying the propagation time until light emission by excitation is received and the electric pulse signal from the first conversion means.
[0035]
The principle of the present invention will be described below with reference to FIG.
[0036]
FIG. 1 is a time chart showing the operation when the erase light is a CW light source in the super-resolution fluorescence microscope. FIG. 1A shows the oscillation timing of the pump light laser pulse, and FIG. The fluorescence emission timing of the fluorescent labeler molecule is shown, FIG. 1 (c) shows the fluorescence output signal of the detector that receives the fluorescence, and FIG. 1 (d) shows the timing of the detection gate pulse.
[0037]
As shown in FIG. 1 (a), if the pulse width of the pump laser pulse, that is, the emission time is t and the emission time interval is T, the fluorescent labeler molecule is shown in FIG. 1 (b). The light is emitted at a time interval T in synchronization with the pump light laser, delayed by a propagation time d1 until the light is collected on the sample by the microscope optical system with reference to the laser emission time at the emission port. However, since the fluorescence lifetime of the fluorescent labeler molecule generally has a finite value τ (several nanoseconds), the emission time of the fluorescent labeler molecule coincides with t when the emission time t of the pump laser is longer than τ. , T is shorter than τ.
[0038]
As shown in FIG. 1 (c), the fluorescence from the fluorescent labeler molecule reaches the detector with a further delay of propagation time d2 by the detection optical system, so that it is eventually delayed by (d1 + d2) time from the exit of the pump light laser. In this state, light is received in synchronization with the pump light laser pulse. Here, a detector that receives fluorescence generally has a unique response time r. Therefore, if r is larger than the fluorescence emission time, the pulse width of the output fluorescence output signal is r. It becomes the light emission time itself.
[0039]
In the pulse counting method, the number of pulses of the fluorescence output signal within a unit time in FIG. 1C is measured. In the super-resolution fluorescence microscope, strong erase light is emitted in addition to the pump light. Light enters the detector and causes noise. For example, when the erase light is a CW light source, a pulse-like pseudo signal as indicated by the oblique lines in FIG. 1C is output from the detector. In addition, most of the pseudo signals are light emission in which pump light is not generated because the light emission time interval T of the pump light laser pulse is overwhelmingly longer than the light emission time t and the fluorescence light emission time of the fluorescent labeler molecule. Occurs during time interval T. For this reason, this pseudo signal is counted, and the measurement accuracy, that is, the S / N is deteriorated. Further, even if no erase light is generated, a dark current signal is statistically generated, and similarly the measurement accuracy is deteriorated.
[0040]
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 1 (d), the phase of the fluorescence output signal completely coincides with the pump light laser pulse shown in FIG. 1 (a) by the first converting means and adjusting means. A detection gate pulse is generated, and in the measuring means, the correlation between the detection gate pulse and the fluorescence detection signal, for example, a logical product is taken, and the output pulse, that is, the fluorescence detection signal when the detection gate pulse is at a high level. Measure the pulse. In this way, it is possible to measure only the pulses caused by the pump light irradiation with good S / N by excluding the pseudo signal pulse due to the erase light irradiation from the pulse train of the fluorescence detection signal. Even when only one molecule exists spatially, a fluorescence detection signal resulting from irradiation of pump light from that molecule can be reliably detected, and a good fluorescence microscope image can be obtained.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a microscope according to the present invention will be described with reference to the drawings with reference to FIGS.
[0042]
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the microscope, and FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the signal processing circuit. The microscope of the present embodiment is a laser scanning super-resolution fluorescence microscope in which erase light is converted into a hollow beam to develop super-resolution to improve spatial resolution, and a biological sample stained with rhodamine 6G is observed. To do.
[0043]
Here, rhodamine 6G has a maximum absorption in the wavelength band of 530 nm, and an absorption band that can be excited from the first electronic excited state (S1) to a higher electronically excited state has a wavelength of 600 to 650 nm. Exists in the area.
[0044]
Therefore, in this embodiment, a laser diode (LD) excitation type mode-locked Nd: YAG laser 1 is used as the first light source, and its double harmonic (532 nm) is used as pump light. This LD-pumped mode-locked Nd: YAG laser 1 can oscillate picosecond laser pulses at a repetition rate on the order of MHz by adjusting design parameters of the laser resonator. For example, the GE-100 series manufactured by Time-Bandwidth, Switzerland, is a standard specification and can oscillate pulsed light having a pulse width of 6 psec with an average output of 50 mW at a repetition frequency of 100 MHz. This corresponds to 500 pJ of energy of one pulse. Further, by changing the design of the resonator, the repetition frequency can be adjusted between 25 MHz and 1 GHz.
[0045]
The second light source uses a commercially available, inexpensive and highly reliable CW He-Ne laser 2 and its fundamental wave (633 nm) is used as erase light.
[0046]
In FIG. 2, the pump light from the LD-pumped mode-locked Nd: YAG laser 1 is split into two by a beam sampler 3, one of which is received by a Pin-photodiode 4, and the other is a cuvette-type half. The light is incident on a beam combiner 5 made of a mirror. Further, the erase light from the CW He-Ne laser 2 passes through the phase plate 6 as shown in FIG. 11 to form a hollow beam, is incident on the beam combiner 5, and is synthesized coaxially with the pump light. The pump light and the erase light are transmitted through a beam separator 7 composed of a cuvette type half mirror, and then sequentially reflected by galvanometer mirrors 8 and 9 that can swing around axes orthogonal to each other. The sample is condensed on the surface of the biological sample 11 stained with 6G, and the condensing point is moved by swinging the galvanometer mirrors 8 and 9 to perform two-dimensional scanning on the sample surface. In FIG. 2, in order to simplify the drawing, the galvanometer mirrors 8 and 9 are shown so as to swing around axes parallel to each other. The phase plate 6 is coated with a vapor deposition film so as to give the phase distribution as shown in FIG. 11 to the erase light. As a result, the light intensity is canceled on the optical axis and shaped into a hollow beam.
[0047]
On the other hand, the fluorescence emitted from the sample 11 by the irradiation of the pump light and the erase light is collimated by the objective lens 10, followed by a path opposite to the incident optical path, and incident on the beam separator 7 through the galvanometer mirrors 9 and 8. The fluorescence reflected by the beam separator 7 is condensed on the pinhole 13 by the projection lens 12.
[0048]
The pinhole 13 is disposed at a confocal position with respect to the fluorescence emission point of the sample 11, and the fluorescence transmitted through the pinhole 13 is transmitted through the pump light cut notch filter 14 and the erase light cut notch filter 15, respectively. After removing the pump light and erase light, the photomultiplier 16 receives the light and obtains a fluorescence output signal.
[0049]
Next, the signal processing circuit shown in FIG. 3 will be described. An output electric signal from the Pin-photodiode 4 that receives the pump light from the Nd: YAG laser 1 branched by the beam sampler 3 is supplied to a discriminator 21 to be a square electric pulse signal, for example, a TTL clock. Convert to signal. The discriminator 21 not only squarely shapes the response signal of the pulsed light, but also converts only an optical pulse having an intensity equal to or higher than a certain peak height threshold. Remove the pseudo electrical response caused by the cause. The Pin-photodiode 4 and the discriminator 21 constitute first conversion means.
[0050]
The clock signal output from the discriminator 21 is supplied to the gate generator 23 through the delay circuit 22, and the appropriate pulse width and peak value shown in FIG. 1D are synchronized with the input clock signal in the gate generator 23. The detection gate pulse is generated, and this detection gate pulse is supplied to one input terminal of the logical operation unit 24. Here, the delay circuit 22 and the gate generator 23 constitute adjustment means.
[0051]
The fluorescence output signal from the photomultiplier tube 16 is converted into a square electric pulse signal, for example, a TTL clock signal by the discriminator 25 and supplied to the other input terminal of the logic unit 24. Here, the photomultiplier tube 16 and the discriminator 25 constitute a second conversion means.
[0052]
The logical operation unit 24 calculates a logical product (AND). In this embodiment, the detection gate pulse from the gate generator 23 and the clock signal from the discriminator 25 are both positive logic, that is, both pulses are When input simultaneously, one pulse is output. The timing of the detection gate pulse with respect to the clock signal from the discriminator 25 is adjusted by the delay circuit 22, and the pulse width is adjusted by the gate generator 23.
[0053]
The output of the logic unit 24 is supplied to a pulse counter 26, where the number of pulses input per unit time is counted, and the data is stored in the frame memory of the personal computer 27. Here, the logic unit 24 and the pulse counter 26 constitute a measuring means. In this manner, the data of each pixel is stored in the frame memory while the galvanometer mirrors 8 and 9 are swung in synchronization with the video rate, and the fluorescence two-dimensional image of the sample 11 is displayed on the monitor 28 such as a CRT in real time. indicate.
[0054]
According to the present embodiment, among the pulses corresponding to the fluorescence output signal from the photomultiplier tube 16, the pulse having no causal relationship with the pump light pulse is removed by the logic unit 24, and the observation sample 11 is detected by the pump light pulse. Since only the pulse corresponding to the fluorescence signal at the time of excitation is pulse-counted, a weak fluorescence signal can be imaged with an extremely high S / N.
[0055]
In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, the present invention is not limited to the super-resolution fluorescence microscope using the pump light pulse and the erase light as in the above embodiment, and the molecule in the sample is excited from the ground state to the excited state by the pulse light source, and the molecule The present invention can also be effectively applied to a microscope that detects light emission when is deexcited.
[0056]
【The invention's effect】
  As described above, the present inventionAccording to the pulseThe S / N ratio by the counting method can be improved, and a desired microscopic light emitting molecule can be reliably detected and a good microscopic image can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a microscope according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing a configuration of an example of a signal processing circuit of the microscope shown in FIG.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an electronic structure of a valence electron orbit of a molecule constituting a sample.
5 is a conceptual diagram showing a first electronic excited state of the molecule of FIG.
FIG. 6 is also a conceptual diagram showing a second electron excited state.
FIG. 7 is also a conceptual diagram showing a state in which the second electron excited state returns to the ground state.
FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process in a molecule.
FIG. 9 is also a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of an example of a conventional super-resolution microscope.
11 is a plan view showing the configuration of the phase plate shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Nd: YAG laser
2 He-Ne laser
3 Beam sampler
4 Pin-photodiode
5 Beam combiner
6 Phase plate
7 Beam separator
8,9 Galvano mirror
10 Objective lens
11 samples
12 Projection lens
13 pinhole
14 Pump light cut notch filter
15 Erase light cut notch filter
16 photomultiplier tubes
21, 25 Discriminator
22 Delay circuit
23 Gate generator
24 logic unit
26 Pulse counter
27 Personal computer
28 Monitor

Claims (5)

試料内の分子を基底状態から励起状態に励起するためのパルス励起光を発生するパルス光源と、
上記パルス励起光を試料上に集光する集光光学系と、
上記パルス励起光を受光して電気パルス信号に変換する第1の変換手段と、
上記パルス励起光により励起された試料内の分子が脱励起するときの発光を受光して電気パルス信号に変換する第2の変換手段と、
上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相上記第2の変換手段からの電気パルス信号の位相とが一致するように、上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相を調整する調整手段と、
上記調整手段で位相が調整された電気パルス信号上記第2の変換手段からの電気パルス信号との論理演算の出力を計測する計測手段と、
を有し、上記計測手段の出力に基づいて上記試料の顕微鏡画像を得るよう構成したことを特徴とする顕微鏡。
A pulsed light source that generates pulsed excitation light for exciting molecules in the sample from the ground state to the excited state;
A condensing optical system for condensing the pulsed excitation light on the sample;
First conversion means for receiving the pulse excitation light and converting it into an electric pulse signal;
Second conversion means for receiving light emitted when molecules in the sample excited by the pulse excitation light are deexcited and converting them into electric pulse signals;
As the phase of the electric pulse signal from the phase and the second converting means of the electric pulse signal from said first converting means coincide, to adjust the phase of the electric pulse signal from said first conversion means Adjusting means;
Measuring means for measuring the output of the logical operation of the electric pulse signal from the electrical pulse signal and the second conversion means whose phase is adjusted by the adjustment means,
And a microscope configured to obtain a microscope image of the sample based on the output of the measuring means.
少なくとも基底状態を含む3つの電子状態を有する分子を含む試料を観察する顕微鏡であって、
上記分子を基底状態から第1電子励起状態へ遷移させるパルス状の第1の光を発生する第1の光源と、
上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、
上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、
上記第1の光を受光して電気パルス信号に変換する第1の変換手段と、
上記分子が第1電子励起状態から基底状態に脱励起する際の発光を受光して電気パルス信号に変換する第2の変換手段と、
上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相上記第2の変換手段からの電気パルス信号の位相とが一致するように、上記第1の変換手段からの電気パルス信号の位相を調整する調整手段と、
上記調整手段で位相が調整された電気パルス信号上記第2の変換手段からの電気パルス信号との論理演算の出力を計測する計測手段と、
を有し、上記計測手段の出力に基づいて上記試料の顕微鏡画像を得るよう構成したことを特徴とする顕微鏡。
A microscope for observing a sample including a molecule having at least three electronic states including a ground state,
A first light source that generates pulsed first light that causes the molecule to transition from a ground state to a first electronically excited state;
A second light source that generates a second light that causes the molecule to transition from a first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system for irradiating the sample with at least a part of the irradiation region of the first light and the second light,
First conversion means for receiving the first light and converting it into an electrical pulse signal;
Second conversion means for receiving light emitted when the molecule is deexcited from the first electronically excited state to the ground state and converting it into an electric pulse signal;
As the phase of the electric pulse signal from the phase and the second converting means of the electric pulse signal from said first converting means coincide, to adjust the phase of the electric pulse signal from said first conversion means Adjusting means;
Measuring means for measuring the output of the logical operation of the electric pulse signal from the electrical pulse signal and the second conversion means whose phase is adjusted by the adjustment means,
And a microscope configured to obtain a microscope image of the sample based on the output of the measuring means.
上記計測手段は、上記調整手段で調整された電気パルス信号と上記第2の変換手段からの電気パルス信号との論理積を演算する論理演算器と、この論理演算器の出力パルスを計数するパルスカウンターとを有することを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡。  The measuring means includes a logical operator that calculates a logical product of the electric pulse signal adjusted by the adjusting means and the electric pulse signal from the second converting means, and a pulse that counts output pulses of the logical operator. The microscope according to claim 1, further comprising a counter. 上記計測手段は、上記パルス光源の出射口における光源の発光時間を基準として、上記第2の変換手段が上記分子の脱励起による発光を受光するまでの伝播時間、上記第1の変換手段からの電気パルス信号を遅らせて位相を調整することを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。The measurement means is based on the light emission time of the light source at the emission port of the pulse light source, the propagation time until the second conversion means receives light emission due to deexcitation of the molecule, and the time from the first conversion means. The microscope according to claim 1, wherein the phase is adjusted by delaying the electric pulse signal. 上記計測手段は、上記第1の光源の出射口における光源の発光時間を基準として、上記第2の変換手段が上記分子の脱励起による発光を受光するまでの伝播時間、上記第1の変換手段からの電気パルス信号を遅らせて位相を調整することを特徴とする請求項2に記載の顕微鏡。The measurement means is based on the light emission time of the light source at the exit of the first light source, the propagation time until the second conversion means receives light emitted by deexcitation of the molecule, and the first conversion means. The microscope according to claim 2, wherein the phase is adjusted by delaying an electric pulse signal from.
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