JP2001147374A - 3次元イメージ取得方法及びその装置 - Google Patents
3次元イメージ取得方法及びその装置Info
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Abstract
の生体試料を容易にかつ損傷させることなく固定でき、
これらの内部の正確な3次元イメージを取得できる方法
及びその装置を提供すること。 【解決手段】 光トラップ用光源1から発生し、対物レ
ンズ6で収束された光トラップ用レーザー光の焦点位置
を、ガルバノミラー5及び調整可能マウント7により3
次元的に走査させ、該光トラップ用レーザー光でトラッ
プされた試料10をセル8の溶液9中で3次元的に移動
させることにより、分析用光源11から発生し、対物レ
ンズ16で収束された分析用レーザー光の焦点位置に対
して試料10を3次元的に移動可能とし、これによって
試料10から蛍光やラマン散乱光による3次元イメージ
を得る。
Description
液滴、細胞等の微小試料を光学的にマニュピレートして
3次元イメージを得る方法及びその装置に関するもので
ある。
ーザー顕微鏡ともいう。)あるいは顕微ラマン分光装置
は、高分子、ガラス、細胞等の微小(微粒子)試料の内
部における蛍光やラマン散乱光の3次元イメージを得る
ために用いられている(例えば、蛍光の3次元イメージ
については「新しい光学顕微鏡(第二巻)共焦点レーザ
ー顕微鏡の医学・生物学への応用」、ラマン散乱光の3
次元イメージについては「アナリティカルケミストリ
ー」誌、第69巻、1997年、45頁〜50頁、また
は「モレキュラークリスタル・アンド・リキィドクリス
タル」誌、第314巻、1998年、191頁〜196
頁参照)。
用いている。共焦点配置とは、点光源(例えば、レーザ
ー光源)と点検出器(例えば、ピンホールを装着した光
検出器)とが共に試料内の一点に対して結像関係にあ
る。このため、焦点面以外からの画像の寄与がなく、3
次元試料中の特定の面だけの像、いわゆる断層像が得ら
れる。
ザー光)を照射しながら、試料または光束を走査させ、
共焦点配置により焦点部からのみの反射光または散乱光
について連続的に分光測定を行う。光束を固定して試料
そのものを走査する方式をステージ走査型と呼び、試料
は固定して光束の方を走査する方式を光束走査式と呼
ぶ。
型の場合はステージの移動範囲によって視野が決まるた
め、視野を広くすることが可能であり、また、光束が固
定されているため、ピンホール位置に分光器の入射スリ
ットを合わせることによって蛍光やラマン散乱光のスペ
クトルを得ることができる。しかし、生体試料等の溶液
中にある試料等はステージ走査時に容易に動いてしまう
ため、試料を機械的(ガラス基板の間に挟む等)に、ま
たは接着剤(ポリリジン等)等で試料台に固定する必要
があり、この場合、直径数10ミクロン以下の小さな試
料に対してはその固定が困難である上、固定することに
よる試料の損傷が問題となっていた。
特徴であるが、光束を走査するために共焦点配置のため
のピンホール位置で光の揺らぎが生じ、このため、ピン
ホール径が1mm程度(分光器の入射スリットは10分
の1以下)と非常に大きくなり、スペクトル分解能が悪
くなって一度に同定できる分子の種類の数が限定されて
しまうという問題があった。また、ステージ走査型の場
合程ではないにしろ、ある程度の試料固定が必要となる
ため、固定時における試料の損傷が問題となっていた。
の微小試料や細胞等の生体試料を容易にかつ損傷させる
ことなく固定でき、これらの内部の正確な3次元イメー
ジを取得できる方法及びその装置を提供することにあ
る。
の固定に光トラップ(光ピンセットとも呼ぶ。)を利用
する。この光トラップはレーザー光の光圧力によって微
粒子を非接触・非破壊で捕獲する方法である。
獲の基本原理は、1970年にアシュキンによって示さ
れ(「フィジカル・レビュー・レター」誌、第24巻、
1970年、156〜159頁参照)、後に、アシュキ
ンを含むグループによって高開口数の対物レンズを用い
た簡便な方法が報告された(「オプティクス・レター」
誌、第11巻、288〜290頁参照)。これによっ
て、対物レンズにより集光されたレーザーの焦点位置近
傍に直径約20μmから20nmの微粒子を安定にトラ
ップすることが可能になった。
光が使われていたが、代わりに近赤外域のレーザー光を
用いることによって、細胞等の生体微粒子に対して利用
できることも示されている(例えば、特公平2−915
45号公報、または「ネイチャー」誌、330巻、19
87年、769〜771頁等参照)。
イメージを得るために、分光分析用のレーザー光ととも
に光トラップ用のレーザー光を用いる。これらのレーザ
ー光としては、試料への損傷が少ない近赤外波長(60
0nmから1800nm)の波長域を持つHe−Neレ
ーザー、半導体レーザー、Nd−YAGレーザー、Nd
−YVO4レーザー、Nd−GLASSレーザー、Nd
−YLFレーザー、クリプトンレーザー、ルビーレーザ
ー、金蒸気レーザー、アレキサンドライトレーザー、色
素レーザー、チタンサファイアレーザー等を用いるが、
分析スペクトルへの光トラップ用レーザー光による影響
を避けるため、波長差が10nm以上(実用的には20
0nm以上)の2つのレーザー光を用いる。
鏡)により収束された光トラップ用のレーザー光を微粒
子試料に照射することにより光圧力を発生させ、この光
圧力によって試料を固定する。光圧力はレーザー光の強
度や対物レンズの開口数等によって決まるが、走査のた
めには、試料を固定するのに必要な光圧力より大きな光
圧力でなければならない。これは光束の焦点位置を走査
(連続的に移動)させた場合、光トラップされた微粒子
試料に対し溶液抵抗がかかるため、これを相殺するため
の光圧力が必要となるからである。さらに、分析用レー
ザー光による光トラップの影響も考慮する必要がある
(これについては後で詳しく述べる。)。
は水平方向と垂直方向の2つの機構からなる。まず、水
平方向を走査させるためには、対物レンズに入射する平
行なレーザ光をガルバノミラー(光軸を平行移動させる
ための光学部品)で2次元的に移動させるか、または対
物レンズとレーザー光の双方を光軸に対し垂直な面で2
次元的に移動させることによって実現できる。そして、
垂直方向に走査させるためには、収束のための対物レン
ズを光軸方向に連続的に移動させることによって実現で
きる。但し、水平方向、垂直方向のいずれの場合におい
ても、移動速度は試料への光圧力の大きさによって制限
を受ける。
は、光トラップを防ぐためにパルスレーザー光を用いた
り、光トラップ用のレーザー光より出力の小さなレーザ
ー光を用いる、もしくは開口数の小さい対物レンズで集
光する等を行う。試料からの反射光または散乱光に含ま
れる蛍光やラマン散乱光を再び対物レンズ(または対物
カセグレン鏡)を用いてピンホールに集光される。そし
て、これらの光を分光器でスペクトルにし、検出器でそ
の光強度を測定することにより、分子の種類を識別する
ことができる。
ラップを利用することによって、直径数10ミクロン以
下の微粒子試料の固定が容易となるとともに、溶液中等
にある細胞等の生体試料を損傷を与えることなく固定で
き、分子の種類毎の3次元イメージの取得に非常に有効
である。
明の実施の形態に従って具体的に説明する。なお、本発
明は以下の実施の形態の例のみに限定されるものではな
い。
すもので、図中、1は光トラップ用光源、2はビームエ
クスパンダ、3はレーザーラインフィルタ、4は反射ミ
ラー、5はガルバノミラー、6は対物レンズ、7は調整
可能マウント、8はセル、9は溶液、10は微粒子試
料、11は分析用光源、12はレーザーラインフィル
タ、13はビームエクスパンダ、14,15はビームス
プリッタ、16は対物レンズ、17は可視光源、18は
集光レンズ、19は可視透過フィルタ、20,21はホ
ログラフィックノッチフィルタ、22はビームスプリッ
タ、23はテレビカメラ、24は反射ミラー、25は収
束レンズ、26はピンホール、27は集光レンズ、28
は反射ミラー、29は調整可能マウント、30は回折格
子、31は反射ミラー、32は収束レンズ、33はマル
チチャネル検出器である。
m、最大出力2.5WのNd−YVO4レーザーを用い
た。レーザー光はビームエクスパンダ2を用いて適当な
直径に調節し、レーザーラインフィルタ3を通すことに
より他の波長成分を除いた後、反射ミラー4によりガル
バノミラー5へ導入し、収束用の対物レンズ6(開口数
0.8)を用いて集光した。
物レンズ6の焦点位置を光軸に対し垂直な面内で自由に
移動できる。さらに、対物レンズ6を固定する調整可能
マウント7を光軸方向に移動することによって焦点位置
を光軸方向へも自由に移動することができるため、結果
的に焦点位置を3次元的に自由に設定することが可能で
ある。
ば、ガラス、プラスチック)からなる中空の容器であ
り、その内部は光透過性を有しかつ試料に応じてこれに
影響を及ぼすことのない溶液(例えば、水)9が満たさ
れ、この溶液9中に微粒子試料10がある。微粒子試料
10は対物レンズ6により収束されたレーザー光によっ
て光トラップされる。光トラップされた微粒子試料10
はレーザー光の焦点近傍に安定に固定され、レーザー光
の焦点位置を変化させることによって3次元的に移動さ
せることができる。なお、微粒子試料10を観察するた
めの可視光学系については後述する。
m、最大出力1Wのチタンサファイアレーザーを用い
た。レーザー光はビームエクスパンダ12を用い、適当
な直径に調節し、レーザーラインフィルタ13を通すこ
とにより他の波長成分を除いた後、ビームスプリッタ1
4で反射させ、ビームスプリッタ15を透過させた後、
対物レンズ16(開口数0.55)で収束して試料10
に照射した。
のハロゲンランプを用いた。光源17からの光は集光レ
ンズ18を通してから可視透過フィルタ19を通した
後、ビームスプリッタ15で反射させ、対物レンズ16
を用いて試料10に照射した。試料10からの反射光及
び散乱光より、光トラップ用光源1の波長の光をホログ
ラフィックノッチフィルタ20で除去し、さらに分析用
光源11の波長の光をホログラフィックノッチフィルタ
21で除去した後、ビームスプリッタ22によりテレビ
カメラ23に導入することによって試料を観察すること
ができる。
ビームスプリッタ22を透過し、反射ミラー24で収束
レンズ25に導入される。収束レンズ25の焦点にはピ
ンホール26があり、試料の焦点外から発生したラマン
散乱光が排除される。そして、このラマン散乱光は集光
レンズ27を通り、反射ミラー28で調整マウント29
に固定された回折格子30に照射される。
射ミラー31で収束レンズ32へ導入され、マルチチャ
ネル検出器33に結像される。そして、マルチチャネル
検出器33で光強度を測定することにより、分子の種類
を同定したり、分子の状態を知ることができる。さら
に、光トラップされている微粒子試料10を前記方法に
より2次元または3次元に連続的に走査することによっ
て、2次元または3次元のラマン散乱光のイメージを得
ることができる。
ィールド法によってポリ−L−チロシンを修飾した直径
約10μmのポリスチレンビーズを用いた。以下にその
作製法の詳細を述べる。
ルエーテル50mlに入れ、塩化スズ1.8mlを滴下
する。25℃で1時間、さらに0℃で30分撹拌する。
反応液を除去し、ジオキサンと水の3:1の混合溶液で
洗浄後、ジオキサンと3M塩酸の3:1の混合溶液で洗
浄し、水がなくなるまでジオキサンで洗い、さらにジオ
キサンがなくなるまでメタノールで洗った後、減圧下で
乾燥させてクロロメチル化ポリスチレン樹脂を得た。
ボニル(BOC)−ニトロ−L−アルギニンと当量のト
リエチルアミンをアルコール20mlに溶解し、これに
10gのクロロメチル化樹脂を加えて80℃で1昼夜加
熱環流する。樹脂をろ過してエタノール、水、メタノー
ルの順で十分洗浄して乾燥し、t−BOC−L−アルギ
ニンが表面に結合した樹脂を得た。
0mlを加え、室温で30分間ふりまぜる。溶液を除
き、氷酢酸、エタノール、ジメチルホルムアミド(DM
F)の順で十分に洗浄する。さらに、トリエチルアミン
3mlをDMF30mlに溶解した液で20分間洗浄
し、これを除去してさらにDMFで十分に洗浄する。こ
れにより、アルギニンの先端に結合した保護基であるt
−BOC基を外した。t−BOC−L−チロシン1.7
6gを精製したDMFに溶解し、これに保護基を外した
当該樹脂を入れ、10分間ふりまぜた後、ジシクロヘキ
シルカルボジイミド(DCC)1.32gをDMF3m
lに溶解して加え、2時間ふりまぜた。
で洗浄した後、前述と同じ方法で保護基のt−BOC基
を外した。さらに同様の方法で、t−BOC−L−チロ
シンを反応させて保護基のt−BOC基を外すことを1
00回繰り返し、表面がポリ−L−チロシンで覆われた
ポリスチレンビーズを得た。
ロシン修飾のポリスチレンビーズをごく少量、水中に分
散させ、そのうちのビーズ1個に対し本装置によるラマ
ンイメージ測定を行った。
次元イメージ取得測定を行った結果、ポリスチレンに含
まれる一置換ベンゼン基のラマンピーク(1000cm
-1)はビーズ内部に均一に分布しているの対し、ポリ−
L−チロシンに含まれる二置換ベンゼン基のラマンピー
ク(826または850cm-1)はビーズの外周に沿っ
て円形リング状に分布していた。
次元イメージ取得測定を行った結果、一置換ベンゼン基
のラマンピークはビーズ内部に均一に分布しているの対
して、二置換ベンゼン基のラマンピークはビーズの外周
に沿って球状に分布していた。
すもので、ここでは第1の実施の形態において分光分析
用レーザー光の焦点位置を3次元的に変化させるように
なした例を示す。即ち、34は分析用光源11のレーザ
ー光(ここでは可視光源からの光も含めて)の位置を光
軸に対して垂直な面内で自由に移動するガルバノミラー
であり、35は対物レンズ16を光軸方向に移動自在に
固定する調整可能マウント35である。
て光トラップ用光源1のレーザー光の焦点位置をガルバ
ノミラー5及び調整可能マウント7により3次元的に変
化させるのと同様な手法により、分析用光源11のレー
ザー光の焦点位置を3次元的に変化させる。この場合、
光トラップされた微粒子試料10をイメージ測定中に移
動させる必要はなく、ガルバノミラー5及び調整可能マ
ウント7はなくても良い。
合と同様の方法で作製したポリ−L−チロシン修飾のポ
リスチレンビーズの微粒子試料10についてラマンイメ
ージ測定を行った。その結果、第1の実施の形態の場合
と同様の結果が得られた。
試料の固定に非破壊・非接触の光トラップを用いること
によって、直径数10ミクロン以下の小さな微粒子試料
の固定が容易となるとともに、細胞等の生体試料を損傷
を与えることなく固定でき、分子の種類毎の3次元イメ
ージの取得に非常に有効である。
ダ、3,13:レーザーラインフィルタ、4,24,2
8,31:反射ミラー、5,34:ガルバノミラー、
6,16:対物レンズ、7,35:調整可能マウント、
8:セル、9:溶液、10:微粒子試料、11:分析用
光源、14,15,22:ビームスプリッタ、17:可
視光源、18,27:集光レンズ、19:可視透過フィ
ルタ、20,21:ホログラフィックノッチフィルタ、
23:テレビカメラ、25,32:収束レンズ、26:
ピンホール、29:調整可能マウント、30:回折格
子、33:マルチチャネル検出器。
Claims (5)
- 【請求項1】 光トラップ用レーザー光で微小試料をト
ラップし、分光分析用レーザー光を走査させて該微小試
料の3次元イメージを得ることを特徴とする3次元イメ
ージ取得方法。 - 【請求項2】 分光分析用レーザー光の焦点部で、微小
試料をトラップした光トラップ用レーザー光を走査させ
て該微小試料の3次元イメージを得ることを特徴とする
3次元イメージ取得方法。 - 【請求項3】 分光分析用レーザー光と光トラップ用レ
ーザー光との波長差を10nm以上としたことを特徴と
する請求項1または2記載の3次元イメージ取得方法。 - 【請求項4】 光トラップ用レーザー光を発生する光ト
ラップ用光源と、 分光分析用レーザー光を発生する分光分析用光源と、 微小試料を3次元方向に移動自在に保持する試料保持手
段と、 光トラップ用レーザー光もしくは分光分析用レーザー光
の焦点位置を3次元的に走査・移動する走査手段と、 微小試料からの反射光または散乱光を受光して蛍光やラ
マン散乱光による3次元イメージを得る分析手段とを備
えたことを特徴とする3次元イメージ取得装置。 - 【請求項5】 分光分析用レーザー光と光トラップ用レ
ーザー光との波長差を10nm以上としたことを特徴と
する請求項4記載の3次元イメージ取得装置。
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