JP2001272343A - Double resonance absorption microscope - Google Patents

Double resonance absorption microscope

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JP2001272343A
JP2001272343A JP2000082890A JP2000082890A JP2001272343A JP 2001272343 A JP2001272343 A JP 2001272343A JP 2000082890 A JP2000082890 A JP 2000082890A JP 2000082890 A JP2000082890 A JP 2000082890A JP 2001272343 A JP2001272343 A JP 2001272343A
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JP
Japan
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light
state
sample
excited state
wavelength
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Application number
JP2000082890A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Iketaki
慶記 池滝
Masaaki Fujii
正明 藤井
Takashige Omatsu
尾松  孝茂
Taku Sato
卓 佐藤
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Japan Science and Technology Agency
Olympus Corp
Nippon Roper Co Ltd
Original Assignee
Nippon Roper Co Ltd
Japan Science and Technology Corp
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458Fluorescence microscopy

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Pathology (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new double resonance absorption microscope, capable of suppressing deterioration in S/N caused by the contamination of fluorescence signals with exciting light, and has superior three-dimensional spatial resolution. SOLUTION: This double resonance absorption microscope is provided with a light source for a pumping beam which excites sample molecules from its ground state to a first electron excitated state, and a light source for erasing light exciting the sample molecule in the first electron excitated state to a second electron excitated state or to a higher excitated state, and detects the emission of light generated, when the sample molecule in each excitated state is made to be de-excited to the ground state. The pumping beam has a photon energy which is 1/2 or less that of the excitation energy for exciting the sample molecules from the ground state to first electronic excitation state.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、二重共鳴
吸収過程を利用した顕微鏡である二重共鳴吸収顕微鏡に
関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明
は、背景光(励起光)の蛍光信号への混入に起因したS
/Nの劣化を抑制することができ、且つ、優れた三次元
空間分解能をも有する、新しい二重共鳴吸収顕微鏡に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a double resonance absorption microscope which is a microscope utilizing a double resonance absorption process. More specifically, the invention of this application is based on the fact that the background light (excitation light) is mixed into the fluorescence signal.
The present invention relates to a new double resonance absorption microscope capable of suppressing deterioration of / N and having excellent three-dimensional spatial resolution.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、レーザー技術や電子画像技術をは
じめとする周辺技術の進歩にともない、様々なタイプの
高性能かつ多機能な顕微鏡が開発されてきている。本願
発明の発明者も、その一つとして、複数波長の光を試料
に照明することによって発生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制御および試料の化
学分析を可能とする顕微鏡(以下、二重共鳴吸収顕微鏡
と呼ぶ)をすでに提案している(特願平6−32916
5参照)。
2. Description of the Related Art In recent years, various types of high-performance and multifunctional microscopes have been developed with advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology. One of the inventors of the present invention is a microscope that enables a contrast control of an obtained image and a chemical analysis of a sample using a double resonance absorption process generated by illuminating a sample with light of a plurality of wavelengths. (Hereinafter referred to as double resonance absorption microscope) (Japanese Patent Application No. 6-32916).
5).

【0003】この二重共鳴吸収顕微鏡では、二重共鳴吸
収過程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ことができる。その
原理を説明すると、まず、基底状態(S0状態:図1)
の試料分子(つまり、試料を構成する分子)が持つ価電
子軌道の電子を、レーザー光などの共鳴波長λ1光によ
り第一電子励起状態へ励起させ(S1状態:図2)、続
いて共鳴波長λ2光により第二電子励起状態またはさら
に高位の励起状態へ励起させる(S2状態:図3)。分
子は、この励起状態から蛍光あるいは燐光を発光したり
して基底状態に戻る(図4)。そして、図2に示した吸
収や図4に示した蛍光や燐光の発光を用いて吸収像や発
光像を観察する。
In this double resonance absorption microscope, a specific molecule is selected using a double resonance absorption process, and the absorption and fluorescence resulting from a specific optical transition can be observed. To explain the principle, first, the ground state (S 0 state: FIG. 1)
The electrons in the valence orbitals of the sample molecules (that is, the molecules constituting the sample) are excited to the first electron excited state by the resonance wavelength λ 1 light such as laser light (S 1 state: FIG. 2). The light is excited to the second electron excited state or a higher excited state by the resonance wavelength λ 2 light (S 2 state: FIG. 3). The molecules return to the ground state by emitting fluorescence or phosphorescence from the excited state (FIG. 4). Then, an absorption image and a light emission image are observed using the absorption shown in FIG. 2 and the emission of fluorescence and phosphorescence shown in FIG.

【0004】S1状態への励起過程においては、単位体
積内のS1状態の分子数は照射する光の強度が増加する
にしたがって増加する。線吸収係数は、分子一個当たり
の吸収断面積と単位体積当たりの分子数の積で与えられ
るので、S2状態への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共
鳴波長λ1の光の強度に依存する。すなわち、共鳴波長
λ2(以下、波長λ2と略称)に対する線吸収係数は共鳴
波長λ1(以下、波長λ1と略称)の光の強度で制御でき
る。このことは、波長λ1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を波長λ1の光で完全に制御できる
ことを示している。また、S2状態からの蛍光または燐
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も画像コントラストの制
御が可能となる。
[0004] In the excitation process to S 1 state, the number of molecules S 1 state of the unit volume increases as the intensity of light irradiation is increased. 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, during the excitation process to the S 2 state, the linear absorption coefficient for the subsequently irradiated resonance wavelength λ 2 is first It depends on the intensity of the irradiated resonance wavelength lambda 1 of light. That is, the linear absorption coefficient for the resonance wavelength λ 2 (hereinafter abbreviated as wavelength λ 2 ) can be controlled by the intensity of light having the resonance wavelength λ 1 (hereinafter abbreviated as wavelength λ 1 ). This sample was irradiated with light of two wavelengths of the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2, if taking a transmission image due to the wavelength lambda 2, the contrast of the transmission image indicates that full control with light having a wavelength lambda 1 ing. When a de-excitation process by fluorescence or phosphorescence from the S 2 state is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S 1 state. Therefore, it is possible to control the image contrast even when used as a fluorescence microscope.

【0005】また、この二重共鳴吸収顕微鏡は、コント
ラストの制御のみならず、化学分析も可能にする。図1
に示される最外穀価電子軌道は個々の分子に固有なエネ
ルギー準位をもつので、波長λ1は分子によって異な
る。同時に波長λ2も分子固有のものとなる。単一波長
で照明・観察を行う従来の顕微鏡においても、ある程度
は特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察することが
可能ではあるが、一般にはいくつかの分子の吸収帯の波
長領域は重複するため、試料の化学組成の正確な同定ま
では不可能である。これに対し、二重共鳴吸収顕微鏡で
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、従来技術よりも正確な試料
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持つ光の
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、吸収像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をも行うことができる。
The double resonance absorption microscope enables not only control of contrast but also chemical analysis. FIG.
Since the outermost grain valence orbit shown in ( 1) has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ 1 differs depending on the molecule. At the same time, the wavelength λ 2 is also unique to the molecule. Even with a conventional microscope that illuminates and observes at a single wavelength, it is possible to observe an absorption image or a fluorescence image of a specific molecule to some extent, but in general, the wavelength region of the absorption band of some molecules overlaps. Therefore, accurate identification of the chemical composition of the sample is not possible. On the other hand, in the double resonance absorption microscope, molecules that absorb or emit light are limited by two wavelengths of the wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 , so that the chemical composition of the sample can be identified more accurately than in the prior art. In the case of exciting valence electrons, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is absorbed strongly determined polarization direction of the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2, taken absorption image or fluorescence image Then, the orientation of the same molecule can be identified.

【0006】本願発明の発明者はさらに、回折限界を越
える高い空間分解能の二重共鳴吸収顕微鏡をも提案して
いる(特願平8−302232参照)。二重共鳴吸収過
程については、図5に例示したようにS2状態からの蛍
光が極めて弱くなるある種の分子が存在する。このよう
な光学的性質を持つ分子に対しては、以下のような極め
て興味深い現象が起きる。図6は、図5と同じく二重共
鳴吸収過程の概念図であるが、横紬にX軸を設けて空間
的距離の広がりを表現しており、波長λ1光および波長
λ2光が照射されている空間領域A1(=蛍光抑制領域)
と、波長λ1光のみが照射されて波長λ2光が照射されて
いない空間領域A0(=蛍光領域)について示してい
る。空間領域A0では波長λ1光による励起によってS1
状態の分子が多数生成される。このとき空間領域A0
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光が照射されるので、S1状態の分
子が即座に高位のS2状態へと励起され、S1状態の分子
は存在しなくなる。このため空間領域A1においては、
波長λ3の蛍光は全く発生せず、しかもS2状態からの蛍
光はもともとないので、完全に蛍光自体が抑制されるこ
ととなる。すなわち蛍光が発生するのは空間領域A0
みとなる。このような現象の発生が数種類の分子におい
て確認されている。
The inventor of the present invention has also proposed a double resonance absorption microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit (see Japanese Patent Application No. 8-322232). In the double resonance absorption process, there are certain molecules whose fluorescence from the S 2 state becomes extremely weak as illustrated in FIG. The following very interesting phenomena occur for molecules having such optical properties. FIG. 6 is a conceptual diagram of the double resonance absorption process as in FIG. 5, but the X axis is provided on the horizontal line to express the spread of the spatial distance, and the wavelength λ 1 light and the wavelength λ 2 light are irradiated. Spatial area A 1 (= fluorescence suppression area)
And a spatial region A 0 (= fluorescent region) where only the wavelength λ 1 light is irradiated and the wavelength λ 2 light is not irradiated. S by the excitation by the spatial region A 0 at a wavelength lambda 1 light 1
Many molecules in the state are generated. At this time, fluorescence emitted at the wavelength λ 3 is seen from the spatial region A 0 . However, in spatial regions A 1, since the wavelength lambda 2 light is irradiated, is excited and the molecules of S 1 state to immediately higher level S 2 state, molecules of S 1 state is no longer present. Therefore, in the spatial region A 1,
Since no fluorescence of the wavelength λ 3 is generated and the fluorescence from the S 2 state is not originally present, the fluorescence itself is completely suppressed. That is only the spatial region A 0 of fluorescence is generated. The occurrence of such a phenomenon has been confirmed in several types of molecules.

【0007】したがって、従来の走査型レーザー顕微鏡
などでは、レーザー光を集光して観察試料上に形成され
るマイクロビームのサイズが集光レンズの開口数と波長
による回折限界で決まるので、それ以上の空間分解能が
原理的に期待できないにの対し、図6で示した現象によ
れば波長λ1光と波長λ2光を空間的に一部分重ね合わせ
ることで、波長λ2光の照射で蛍光領域が抑制されるた
め、たとえば波長λ1光の照射領域に着目すると、蛍光
領域は集光レンズの開口数と波長とで決まるビームのサ
イズよりも狭くなっており、実質的に空間分解能の向上
が図られている。本願発明者による二重共鳴吸収顕微鏡
(特願平8−302232参照)は、この原理を用い
て、回折限界を越える超解像顕微鏡を実現しているので
ある。
Therefore, in a conventional scanning laser microscope or the like, the size of a microbeam formed on an observation sample by condensing a laser beam is determined by the numerical aperture of the condenser lens and the diffraction limit by the wavelength. Nino contrast, the wavelength lambda 1 light and the wavelength lambda 2 light according to the phenomena shown by making spatially partially overlapping in Figure 6, the fluorescence region upon irradiation with wavelength lambda 2 light spatial resolution is unable theoretically expected because There is inhibited, for example, when focusing on the irradiation area of the wavelength lambda 1 light, fluorescent region is narrower than the size of the beam determined by the numerical aperture and the wavelength of the condenser lens, it is substantially improved in spatial resolution It is planned. The double resonance absorption microscope (see Japanese Patent Application No. 8-302232) by the present inventor has realized a super-resolution microscope exceeding the diffraction limit by using this principle.

【0008】そして本願発明の発明者は、この二重共鳴
吸収顕微鏡の超解像性をさらに高めるべく、その機能を
十分に活かすための試料の調整や波長λ1光・波長λ2
の試料への照射タイミングなどをもすでに提案している
(特願平9−255444参照)。より具体的には、試
料を染色分子により染色する。この染色分子として、基
底状態を含め少なくとも3つの量子状態(S0状態,S1
状態,S2状態・・・)を有し、且つS1状態を除く高位
の量子状態から基底状態へ脱励起するときの遷移におい
て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(以下、蛍光ラベラー分子と呼ぶ)を用いるの
である。このような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てなる試料に、
波長λ 1光を照射して蛍光ラベラー分子をS1状態に励起
させ、続いて即座に波長λ2光を照射して蛍光ラベラー
分子をより高位の量子準位に励起させることで、S1
態からの蛍光を効果的に抑制できるようになる。この際
に、上述したような空間的な蛍光領域の人為的な抑制を
行うことにより、空間分解能のさらなる向上が実現され
る。
The inventor of the present invention proposes that the double resonance
To further enhance the super-resolution of absorption microscopes,
Adjustment of sample and wavelength λ to make full use1Light / wavelength λTwolight
We have already proposed the timing of irradiation of samples
(See Japanese Patent Application No. 9-255444). More specifically,
The material is stained with the staining molecules. As the dye molecule,
At least three quantum states including the bottom state (S0State, S1
State, STwoState) and S1High except state
In the transition during deexcitation from the quantum state to the ground state
Thermal relaxation process is more dominant than fluorescence relaxation process
The use of various molecules (hereinafter referred to as fluorescent labeler molecules)
It is. Such fluorescent labeler molecules and biochemical staining
A sample that is chemically bonded to a biomolecule that has undergone technology
Wavelength λ 1Irradiate the fluorescent labeler molecules with S1Excited to state
And then immediately the wavelength λTwoFluorescent labeler by irradiating light
By exciting molecules to higher quantum levels, S1Condition
Fluorescence from the state can be effectively suppressed. On this occasion
In addition, artificial suppression of the spatial fluorescent region as described above
By doing so, the spatial resolution can be further improved.
You.

【0009】上記の蛍光ラベラー分子の光学的性質は、
以下のように量子化学的な見地から説明できる。一般
に、分子はそれを構成する各原子の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分子軌道をもっていて、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
弱い力で束縛される。
The optical properties of the above fluorescent labeler molecule are as follows:
It can be explained from the quantum chemical point of view as follows. Generally, molecules are connected by σ or π bonds of each of the constituent atoms. In other words, the molecular orbit of the molecule is σ
It has a molecular orbital or a π molecular orbital, and electrons existing in these molecular orbitals play an important role of bonding each atom. Among them, the electron of the σ molecular orbit strongly binds each atom and determines the distance between atoms in the molecule, which is the skeleton of the molecule. On the other hand, electrons in the π molecular orbital make little contribution to the bonding of each atom, but rather are bound by an extremely weak force to the whole molecule.

【0010】多くの場合、σ分子軌道にいる電子を光で
励起させると、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。その結果として、
原子の運動エネルギーや構造変化するために光が分子に
与えたエネルギーのほとんどが熱エネルギーに形を変え
る。したがって、励起エネルギーは蛍光という光の形態
で消費されない。また、分子の構造変化は極めて高速に
おこるので(たとえばピコ秒より短い)、その過程で仮
に蛍光が起きても極めて蛍光寿命が短い。しかしそれに
対して、π分子軌道の電子が励起しても、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、ナノ秒のオーダーで蛍光を放出して脱励起
する性質を持つ。
In many cases, when electrons in the σ molecular orbit are excited by light, the atomic spacing of the molecule changes greatly, and a large structural change including dissociation of the molecule occurs. As a result,
Most of the energy that light gives to molecules to change the kinetic energy and structure of atoms changes into thermal energy. Therefore, the excitation energy is not consumed in the form of light called fluorescence. In addition, since the structural change of a molecule occurs at a very high speed (for example, shorter than a picosecond), even if fluorescence occurs in the process, the fluorescence lifetime is extremely short. However, even when electrons in the π molecular orbital are excited, the structure of the molecule itself hardly changes, stays at a high-order quantum discrete level for a long time, emits fluorescence in the order of nanoseconds, and escapes. Exciting.

【0011】量子化学よれば、分子がπ分子軌道を持つ
ことと、二重結合を持つこととは同等であり、用いる蛍
光ラベラー分子には、二重結合を豊富に持つ分子を選定
することが必要条件となる。そして、二重結合を持つ分
子でもベンゼンやビラジンなどの6員環分子において
は、S2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)。したがって、ベンゼンやビラジン
などの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なり、しかも
光照射によりS1状態からS2状態に励起させることで分
子からの蛍光を容易に抑制でき、上述の二重共鳴吸収顕
微鏡の超解像性を効果的に利用することができるように
なる。
According to quantum chemistry, the fact that a molecule has a π molecular orbit is equivalent to having a double bond, and it is necessary to select a molecule having abundant double bonds as a fluorescent labeler molecule to be used. It is a necessary condition. Also, it has been confirmed that even in a molecule having a double bond, fluorescence from the S2 state is extremely weak in a six-membered ring molecule such as benzene or virazine (for example, M .. Fujii et.al., Chem. Phys.). . Lett.
171 (1990) 341). Therefore, the fluorescence lifetime of the molecule containing a 6-membered ring molecule, such as benzene or pyrazine from the selection them if the state S1 as fluorescence probe molecule is prolonged, yet from a molecule by exciting the S 1 state to S 2 state by light irradiation Can be easily suppressed, and the super-resolution of the above-described double resonance absorption microscope can be effectively used.

【0012】すなわち、これらの蛍光ラベラー分子によ
り試料を染色して観察を行えば、高空間分解能の蛍光像
を取得することができるだけでなく、その蛍光ラベラー
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、試料の詳細な化
学組成までも分析可能となる。
That is, if a sample is stained with these fluorescent labeler molecules and observed, not only can a fluorescent image with high spatial resolution be obtained, but also the chemical groups of the side chains of the fluorescent labeler molecules can be adjusted. Thereby, only a specific chemical tissue of a biological sample can be selectively stained, and even a detailed chemical composition of the sample can be analyzed.

【0013】一般に、二重共鳴吸収過程は二つの光の波
長や偏光状態等が特定の条件を満たす場合のみに起こる
ので、これを用いることで非常に詳細な分子の構造を知
ることが可能となる。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、二波長光それぞれの
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、二波長光を
試料に照射して、各光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
察しようとする組織の空間配向の情報も得られる。さら
に、二つの波長の光を調整させることでもこのことが可
能である。
In general, the double resonance absorption process occurs only when the wavelengths and polarization states of two lights satisfy specific conditions, so that it is possible to know a very detailed molecular structure by using this. Become. That is, there is a strong correlation between the polarization direction of the light and the orientation direction of the molecules, and when the polarization direction of each of the two-wavelength light and the orientation direction of the molecules make a specific angle, the double resonance absorption process occurs strongly. Therefore, by irradiating the sample with two-wavelength light and rotating the polarization direction of each light, the degree of disappearance of the fluorescence changes, and from that state, information on the spatial orientation of the tissue to be observed can be obtained. This is also possible by adjusting the light of the two wavelengths.

【0014】他方、波長λ1光と波長λ2光の照射タイミ
ングを適当なものに調整することにより(特願平9−2
55444参照)、蛍光像のS/Nを改善し、且つ蛍光
抑制をさらに効果的に起こすことも可能となっている。
On the other hand, by adjusting the irradiation timing of the wavelength λ 1 light and the wavelength λ 2 light to an appropriate timing (Japanese Patent Application No. 9-2980).
55544), it is possible to improve the S / N of the fluorescent image and more effectively suppress the fluorescence.

【0015】また、本願発明の発明者により、波長λ1
光と波長λ2光の照射タイミングのさらなる工夫によ
り、S/Nおよび蛍光抑制のさらなる向上を実現するこ
とも提案されている(特願平10―97924参照)と
ころで、前述した波長λ1光の照射領域の一部分への波
長λ2光の照射領域の重ね合わせは、波長λ2光を中空ビ
ーム化して、つまり中央部(軸近傍領域)がゼロ強度で
あり、且つ軸対象な強度分布を有する中空ビーム光にし
て、波長λ1光の一部分と空間的に重ね合わせ、試料上
に集光することで実現できる。図7は、この重合せおよ
びそれによる蛍光抑制を例示した概念図である。中空ビ
ーム化した波長λ2光の重ね合わせにより、波長λ2光の
強度がゼロとなる光軸近傍の領域以外では蛍光は抑制さ
れ、波長λ1光の広がりよりも狭い領域に存在する蛍光
ラベラー分子の蛍光のみが観察される。その結果、超解
像性が発現する。また波長λ2光の中空ビーム化では、
たとえば図8に例示したように、光軸に対して点対称な
位置となる位相差πを通過光に与える位相板を用いるこ
とができる。
The inventors of the present invention have proposed that the wavelength λ 1
According to a further contrivance irradiation timing of the light and the wavelength lambda 2 light, also it proposed are (see Japanese Patent Application No. 10-97924) to realize a further improvement in S / N and fluorescence suppression Incidentally, the wavelength lambda 1 light above The superposition of the irradiation area of the wavelength λ 2 light on a part of the irradiation area is performed by converting the wavelength λ 2 light into a hollow beam, that is, the central part (area near the axis) has zero intensity, and has an axis-symmetric intensity distribution. This can be realized by forming a hollow beam light, spatially overlapping a part of the wavelength λ 1 light, and condensing it on a sample. FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the polymerization and the suppression of fluorescence by the polymerization. The superposition of the hollow beam of the wavelength lambda 2 light, other than the region near the optical axis of the intensity of the wavelength lambda 2 light is zero fluorescence is suppressed, fluorescence present in an area smaller than the extent of the wavelength lambda 1 light labeler Only the fluorescence of the molecule is observed. As a result, super-resolution is developed. In the case of a hollow beam of λ 2 light,
For example, as illustrated in FIG. 8, a phase plate that gives the passing light a phase difference π that is point-symmetric with respect to the optical axis can be used.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】さて、以上のように本
願発明の発明者によってこれまで開発されてきた二重共
鳴吸収顕微鏡は、その超解像性と分析能力において際立
った有用性と技術的優位性を示しているものの、未だに
以下に示すような改良すべき点が残されているのが実情
である。なおここからは、試料分子(=試料を構成する
分子)をS0状態からS1状態へ励起させる光をポンプ
光、S1状態の分子をS2状態へ励起させる光をイレース
光と呼ぶこととする。また、蛍光ラベラー分子を用いて
試料を染色する場合には、試料分子とはこの蛍光ラベラ
ー分子のこととなる。
As described above, the double resonance absorption microscope that has been developed by the inventor of the present invention as described above has outstanding utility and technical advantages in its super-resolution and analytical ability. In spite of its superiority, the fact remains that the following points need to be improved. Hereinafter, light that excites sample molecules (= molecules constituting the sample) from the S 0 state to the S 1 state is referred to as pump light, and light that excites molecules in the S 1 state to the S 2 state is referred to as erase light. And When a sample is stained using a fluorescent labeler molecule, the sample molecule is the fluorescent labeler molecule.

【0017】まず第一に、励起対象の分子によっては、
その分子からの蛍光の波長帯域と、その分子を励起させ
るイレース光およびポンプ光の波長とが近接または重複
することがあり、そのため、蛍光信号の検出の際に励起
光が背景光となって、本来測定すべき蛍光信号の抽出が
困難となる場合があった。特にイレース光は、分子をS
1状態からS2状態へ励起させる必要があるので強度が比
較的強く、その影響は特に考慮する必要がある。たとえ
ば、先行例(特願平10―97924)では、試料を蛍
光ラベラー分子で染色する場合、蛍光ラベラー分子とし
てローダミン6G(Rhordamin-6G)を用いたとすると、
図9に例示したように、このローダミン6Gの蛍光帯域
は約530nmから650nmの波長領域に広がってお
り、ローダミン6Gに対するポンプ光の波長は532n
m、イレース光の波長は599nmとなるため、蛍光帯
域と励起波長とが重複してしまう。このため、蛍光像の
S/Nが良好なものとならないといった問題があった。
First, depending on the molecule to be excited,
The wavelength band of the fluorescence from the molecule and the wavelengths of the erase light and the pump light that excite the molecule may be close to or overlap with each other, so that when the fluorescence signal is detected, the excitation light becomes the background light, In some cases, it was difficult to extract a fluorescence signal to be measured originally. In particular, erasing light causes molecules to be S
Since it is necessary to excite from the 1 state to the S 2 state, the intensity is relatively strong, and its influence needs to be particularly considered. For example, in the prior example (Japanese Patent Application No. 10-97924), when a sample is stained with a fluorescent labeler molecule, assuming that rhodamine 6G (Rhordamin-6G) is used as the fluorescent labeler molecule,
As illustrated in FIG. 9, the fluorescence band of the rhodamine 6G extends in a wavelength region from about 530 nm to 650 nm, and the wavelength of the pump light for the rhodamine 6G is 532n.
m, since the wavelength of the erase light is 599 nm, the fluorescence band and the excitation wavelength overlap. For this reason, there is a problem that the S / N of the fluorescent image is not good.

【0018】また第二に、近年の顕微鏡の高性能化にお
いて、光軸方向の深さ分解能、つまり三次元空間分解能
を実現することは大きな課題となっているが、他の従来
の光学顕微鏡と同様、二重共鳴吸収顕微鏡も光軸方向の
深さ分解能を持ち合わせていないのである。前述したよ
うにポンプ光とイレース光の照射領域を一部分重ね合わ
せた場合における空間分解能の向上は、平面分解能のみ
についてのものである。イレース光が重なっているポン
プ光のビーム周縁領域では蛍光が抑制されるが、イレー
ス光の中空部の光軸上では全く蛍光が抑制されず、光軸
上にある分子が発光する。すなわち、原理的には光軸方
向の深さ分解能は無いことになる。深さ分解能を持たせ
るために、たとえば検出器の全面で且つ共焦点位置にピ
ンホールを設置することも可能であるが、実用上、ピン
ホールを含む結像光学系のアライメントが複雑化した
り、検出器に到達する蛍光の光子数が低下したりすると
いう問題点がある。したがって、結像光学系等の構成が
複雑化することなく、平面分解能とともに深さ分解能を
も持ち合わせることは、従来には全くない、極めて高性
能な顕微鏡を実現することになるのである。
Secondly, realizing depth resolution in the direction of the optical axis, that is, three-dimensional spatial resolution, has become a major issue in recent years in improving the performance of microscopes. Similarly, the double resonance absorption microscope does not have a depth resolution in the optical axis direction. As described above, the improvement of the spatial resolution when the irradiation areas of the pump light and the erase light are partially overlapped is only for the planar resolution. Fluorescence is suppressed in the beam peripheral region of the pump light where the erase light overlaps, but the fluorescence is not suppressed at all on the optical axis of the hollow portion of the erase light, and molecules on the optical axis emit light. That is, in principle, there is no depth resolution in the optical axis direction. In order to have depth resolution, for example, it is possible to install a pinhole on the entire surface of the detector and at the confocal position. However, in practice, the alignment of the imaging optical system including the pinhole becomes complicated, There is a problem that the number of fluorescence photons reaching the detector is reduced. Therefore, it is possible to realize an extremely high-performance microscope that has never had a plane resolution and a depth resolution without complicating the configuration of the imaging optical system and the like.

【0019】この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑
みてなされたものであり、二重共鳴吸収顕微鏡を改良
し、背景光(励起光)の蛍光信号への混入に起因したS
/Nの劣化を抑制することができ、且つ、優れた三次元
空間分解能をも有する、新しい二重共鳴吸収顕微鏡を提
供することを課題としている。
The invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and is an improvement of the double resonance absorption microscope, which has been developed by combining the background light (excitation light) with the fluorescence signal.
It is an object of the present invention to provide a new dual resonance absorption microscope that can suppress deterioration of / N and has excellent three-dimensional spatial resolution.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、試料分子を基底状態から
第一電子励起状態へ励起させるポンプ光の光源と、第一
電子励起状態の試料分子を第二電子励起状態またはより
高い励起状態へ励起させるイレース光の光源とを備え、
各励起状態の試料分子が基底状態へ脱励起する際の発光
を検出する二重共鳴吸収顕微鏡において、ポンプ光が、
基底状態の試料分子を第一電子励起状態へ励起させる励
起エネルギーの1/2以下である光子エネルギーを有し
ていることや、イレース光が、第一電子励起状態の試料
分子を第二電子励起状態へ励起させる励起エネルギーの
1/2以下である光子エネルギーを有していることや、
ポンプ光およびイレース光それぞれが上記光子エネルギ
ーを有していることを特徴とする二重共鳴吸収顕微鏡
(請求項1〜3)を提供する。
Means for Solving the Problems The present invention solves the above-mentioned problems by providing a pump light source for exciting a sample molecule from a ground state to a first electronically excited state, An erase light source for exciting the sample molecules to a second electronic excited state or a higher excited state,
In a double resonance absorption microscope that detects light emission when sample molecules in each excited state are de-excited to the ground state, pump light
That the sample molecule in the ground state has a photon energy of 1 / or less of the excitation energy to excite the sample molecule in the first electronic excited state; Having a photon energy that is less than or equal to half of the excitation energy to excite the state,
A double resonance absorption microscope (Claims 1 to 3) is provided, wherein each of the pump light and the erase light has the photon energy.

【0021】また、この出願の発明は、この二重共鳴吸
収顕微鏡において、第一電子励起状態の試料分子からの
発光の光子エネルギー帯域と、第一電子励起状態の試料
分子を第二電子励起状態またはより高い励起状態へ励起
させる励起エネルギー帯域とが重複していること(請求
項4)をその態様として提供する。
Further, the invention of this application is based on the double resonance absorption microscope, wherein the photon energy band of light emission from the sample molecule in the first electronically excited state and the sample molecule in the first electronically excited state are converted into the second electronically excited state. Alternatively, it is provided as an aspect that the excitation energy band for exciting to a higher excited state overlaps (claim 4).

【0022】さらにまた、上記の二重共鳴吸収顕微鏡に
おいて、平面方向の超解像性を持たせるべく、ポンプ光
およびイレース光の照射領域を一部分重ね合わせる重ね
手段を備え、この重ね手段を介してポンプ光およびイレ
ース光を試料に照射することにより、第一電子励起状態
の試料分子が基底状態へ脱励起する際の発光領域を一部
分抑制すること(請求項5)や、その超解像性の実現を
より効果的なものとすべく、試料が基底状態を含め少な
くとも三つの電子状態を有する蛍光ラベラー分子により
染色されており、前記試料分子がこの蛍光ラベラー分子
となっていること(請求項6)をその態様として提供す
る。
Further, in the above double resonance absorption microscope, a superimposing means for partially superimposing the irradiation areas of the pump light and the erase light is provided so as to have super-resolution in a plane direction, and the superimposing means is provided through the superimposing means. By irradiating the sample with the pump light and the erase light, the light emission region when the sample molecules in the first electronically excited state are de-excited to the ground state is partially suppressed (Claim 5). In order to make the realization more effective, the sample is stained with a fluorescent labeler molecule having at least three electronic states including a ground state, and the sample molecule is the fluorescent labeler molecule. ) Is provided as an embodiment thereof.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記の通り、
二重共鳴吸収顕微鏡において、ポンプ光が、S0状態の
試料分子(または蛍光ラベラー分子)をS1状態へ励起
させる励起エネルギーの1/2以下である光子エネルギ
ーを有していることや、イレース光が、S1状態の試料
分子(または蛍光ラベラー分子)をS2状態へ励起させ
る励起エネルギーの1/2以下である光子エネルギーを
有していることを特徴としている。すなわち、この出願
の発明の二重共鳴吸収顕微鏡は、非共鳴光学効果の一つ
である非共鳴多光子励起過程を利用しているのである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention of this application is as described above,
In the double resonance absorption microscope, the pump light has photon energy that is 1 / or less of the excitation energy for exciting the sample molecule (or fluorescent labeler molecule) in the S 0 state to the S 1 state, light, are characterized by having a photon energy is less than 1/2 of the excitation energy to excite the sample molecules in S 1 state (or fluorescence probe molecule) to S 2 state. That is, the double resonance absorption microscope of the invention of this application utilizes a non-resonant multiphoton excitation process which is one of the non-resonant optical effects.

【0024】ここで、二光子の場合の非共鳴多光子励起
過程(非共鳴二光子励起過程と呼ぶ)について説明す
る。非共鳴二光子励起過程とは、たとえば図10に例示
したように、ある二つのエネルギー準位(=電子励起状
態:S0とS1)をもった物質を仮定し、それら準位間の
エネルギーをE01としたとき、E01の半分の光子エネル
ギーE01/2を有する高いフォトンフラックスの光を物
質に入射させると、S0からS1への遷移が可能になると
いう効果のことである。
Here, the non-resonant multiphoton excitation process in the case of two photons (referred to as a non-resonant two-photon excitation process) will be described. The non-resonant two-photon excitation process refers to a material having two energy levels (= electronically excited states: S 0 and S 1 ) as illustrated in FIG. when was the E 01, when the light having a high photon flux having a photon energy E 01/2 of half the E 01 to the substance, is that the S 0 effect of allowing the transition to S 1 .

【0025】量子力学の2次までの摂動計算によれば、
非共鳴二光子励起過程によるS0からS1への遷移確率a
(S0→S1)は次式で与えられる。
According to the perturbation calculation up to the second order in quantum mechanics,
Transition probability a from S 0 to S 1 by non-resonant two-photon excitation process
(S 0 → S 1 ) is given by the following equation.

【0026】[0026]

【数1】 (Equation 1)

【0027】この数1において、 Fsin(ωt)=励起光の振幅 −er=試料分子の電気双極子モーメント ω=励起光の角振動数 h=プランク定数 t=時刻 t' ,t"=tの積分変数 ωj0 ,ω1j=あるjというバーチャルな量子状態を仮
定したときの試料分子の共鳴周波数 χj1 ,χ0j=S1およびS2間の電気双極子モーメント
の行列要素 である。
In equation (1), Fsin (ωt) = amplitude of excitation light−er = electric dipole moment of sample molecule ω = angular frequency of excitation light h = Planck constant t = time t ′, t ″ = t Integral variables ω j0 , ω 1j = resonance frequency of the sample molecule 仮 定 j1 , χ0j = matrix element of electric dipole moment between S 1 and S 2 assuming a virtual quantum state of a certain j.

【0028】また、χj1 ,χ0jは次式で与えられる。Χ j1 and 0j are given by the following equations.

【0029】[0029]

【数2】 (Equation 2)

【0030】この数2において、 uk ,um=遷移に関与する分子の終状態kと始状態mの波
動関数 である。
[0030] In this number 2 is the wave function of u k, u m = final state k and the initial state m of molecules involved in the transition.

【0031】一方、通常の一光子励起過程の場合は、バ
ーチャルな中間状態を経ずに励起する遷移過程となり、
その遷移確率は1次の摂動論を用いて次式で与えられ
る。
On the other hand, in the case of a normal one-photon excitation process, a transition process is performed in which excitation is performed without passing through a virtual intermediate state.
The transition probability is given by the following equation using first-order perturbation theory.

【0032】[0032]

【数3】 (Equation 3)

【0033】数1と数3を比較すると明らかなように、
0からS1への遷移確率は、非共鳴二光子励起過程の場
合には励起光の振幅強度の4乗に比例(言い換えると、
励起光の強度の2乗に比例)し、一光子励起過程の場合
には励起光の振幅強度の2乗に比例(言い換えると、励
起光の強度に線形比例)する。すなわち、非共鳴二光子
励起過程の場合には蛍光強度も励起光の強度のほぼ2乗
に比例し、一光子励起過程の場合には蛍光強度も線形比
例することになる。
As is clear from the comparison between Equations 1 and 3,
The transition probability from S 0 to S 1 is proportional to the fourth power of the amplitude of the excitation light in the case of a non-resonant two-photon excitation process (in other words,
It is proportional to the square of the intensity of the excitation light, and in the case of the one-photon excitation process, it is proportional to the square of the amplitude intensity of the excitation light (in other words, linearly proportional to the intensity of the excitation light). That is, in the case of the non-resonant two-photon excitation process, the fluorescence intensity is substantially proportional to the square of the intensity of the excitation light, and in the case of the one-photon excitation process, the fluorescence intensity is also linearly proportional.

【0034】したがって、このような非共鳴二光子励起
過程を二重共鳴吸収過程に組み合わせる、すなわち、S
0状態からS1状態への励起(以下、S0→S1励起と略
称)やS1状態からS2状態への励起(以下、S1→S2
起と略称)に非共鳴二光子励起過程を用いれば、極めて
優れたS/Nの蛍光信号を得ることができるのである。
Therefore, such a non-resonant two-photon excitation process is combined with a double resonance absorption process, ie, S
Non-resonant two-photon excitation for excitation from the 0 state to the S 1 state (hereinafter abbreviated as S 0 → S 1 excitation) and excitation from the S 1 state to the S 2 state (hereinafter abbreviated as S 1 → S 2 excitation) If the process is used, an extremely excellent S / N fluorescence signal can be obtained.

【0035】この原理を、図11および図12を用いて
説明する。図11は、二重共鳴吸収過程および非共鳴二
光子励起過程の組合せを蛍光ラベラー分子のエネルギー
ダイヤグラムとともに概念的に例示したものである。図
12は、励起光の光子エネルギーと試料分子の吸収・蛍
光強度スペクトルとの関係を例示したものである。ま
ず、図11に例示したように、通常のS0→S1励起に必
要なエネルギーの半分の光子エネルギーE01/2(波長
に換算すると、通常のS0→S1励起の場合の2倍の長
さ:2λ1)を持つポンプ光で、S0から仮想的準位SV0
を介してS1への励起を行う。引き続き、通常のS1→S
2励起に必要なエネルギーの半分の光子エネルギーE12
/2(波長に換算すると、通常のS1→S2励起の場合の
2倍の長さ:2λ2)を持つイレース光で、S1から仮想
的準位SV1を介してS2への励起を行う。なお、E12
2のイレース光は、E01/2のポンプ光の照射後、S1
の分子が蛍光を発する前に、試料へ照射する。
This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 11 conceptually illustrates a combination of a double resonance absorption process and a non-resonant two-photon excitation process together with an energy diagram of a fluorescent labeler molecule. FIG. 12 illustrates the relationship between the photon energy of the excitation light and the absorption / fluorescence intensity spectrum of the sample molecule. First, as exemplified in FIG. 11, the photon energy E 01/2 , which is half the energy required for ordinary S 0 → S 1 excitation (in terms of wavelength, is twice that of ordinary S 0 → S 1 excitation). length of: 2 [lambda] 1) a pump light with a virtually level from S 0 S V0
Excitation to S 1 via Continue with normal S 1 → S
2 Photon energy E 12 of half the energy required for excitation
/ 2 (in terms of wavelength, twice the length of ordinary S 1 → S 2 pumping: 2λ 2 ), and is an erase light from S 1 to S 2 via virtual level S V1 . Excitation is performed. In addition, E 12 /
2 of the erase light after the irradiation of the pump light E 01/2, S 1
The sample is illuminated before any of the molecules fluoresce.

【0036】そして、たとえば図12に例示したよう
に、二重共鳴吸収過程のみの場合においては、波長λ1
を持つポンプ光の光子エネルギーE01はS0→S1吸収帯
域に属しており、波長λ2を持つイレース光の光子エネ
ルギーE12はS1→S2吸収帯域にも蛍光帯域にも属して
いるが、これに対し、波長2λ1を持つポンプ光の光子
エネルギーE01/2および波長2λ2を持つイレース光
の光子エネルギーE12/2は、S0→S1吸収帯域、S1
→S2吸収帯域、蛍光帯域のいずれにも属していない。
For example, as shown in FIG. 12, in the case of only the double resonance absorption process, the wavelength λ 1
The photon energy E 01 of the pump light having the wavelength belongs to the S 0 → S 1 absorption band, and the photon energy E 12 of the erase light having the wavelength λ 2 belongs to both the S 1 → S 2 absorption band and the fluorescence band. are, but contrast, the photon energy E 12/2 of the erase light having photon energy E 01/2 and wavelength 2 [lambda] 2 of the pump light of a wavelength 2 [lambda] 1 is, S 0 → S 1 absorption band, S 1
→ Does not belong to either the S 2 absorption band or the fluorescence band.

【0037】したがって、波長2λ1・光子エネルギー
01/2のポンプ光でS1状態の試料分子(または蛍光
ラベラー分子)を生成し、このS1状態の分子が蛍光を
発する前に波長2λ2・光子エネルギーE12/2のイレ
ース光によってS2状態に励起することで、励起波長は
蛍光帯域よりも遥かに低いエネルギー領域に存在して、
蛍光帯域に重なることがないので、励起光が背景光とし
て混入していない、極めて良好なS/Nの蛍光信号を取
得することができるのである。
[0037] Thus, in the pump light of wavelength 2 [lambda] 1 · photon energy E 01/2 to generate a sample molecules of S 1 state (or fluorescence probe molecule), wavelength 2 [lambda] 2 before the molecules of the S 1 state fluoresces and photon energy E 12 / by the second erase light by exciting the S 2 state, the excitation wavelength is present in much lower energy region than fluorescence band,
Since there is no overlap with the fluorescent band, it is possible to obtain an extremely good S / N fluorescent signal in which the excitation light is not mixed as the background light.

【0038】また、S0→S1励起、S1→S2励起のいず
れか一方について非共鳴二光子励起過程を用いる、すな
わちポンプ光、イレース光のいずれか一方を励起エネル
ギーの1/2の光子エネルギーを有するものとしてもよ
い。通常のS0→S1励起波長と蛍光帯域が重なる場合、
通常のS1→S2励起波長と蛍光帯域が重なる場合のいず
れか一方が生じるときに、有効的である。
A non-resonant two-photon excitation process is used for either S 0 → S 1 excitation or S 1 → S 2 excitation, that is, one of the pump light and the erase light is reduced to の of the excitation energy. It may have photon energy. When the normal S 0 → S 1 excitation wavelength and the fluorescence band overlap,
This is effective when one of the cases where the normal S 1 → S 2 excitation wavelength and the fluorescence band overlap occurs.

【0039】さらにまた、以上の説明は、二光子の場合
の非共鳴多光子励起過程についてのものであるが、同様
にして三光子以上の非共鳴多光子励起過程を用いても、
この発明の二重共鳴吸収顕微鏡では、励起光の混入を極
めて効果的に防ぐことができる。n次の非共鳴多光子励
起過程では、ポンプ光およびイレース光は、通常のS 0
→S1励起、S1→S2励起に必要な励起エネルギーの1
/nの光子エネルギーとなる。たとえば、三光子の非共
鳴三光子励起過程では、ポンプ光およびイレース光の光
子エネルギーは励起エネルギーの1/3であればよい。
Further, the above description is based on the case of two photons.
About the nonresonant multiphoton excitation process of
Even using a non-resonant multiphoton excitation process of three or more photons,
In the double resonance absorption microscope of the present invention, the mixing of the excitation light is extremely small.
Can be effectively prevented. nth-order nonresonant multiphoton excitation
In the starting process, the pump light and the erase light 0
→ S1Excitation, S1→ STwo1 of excitation energy required for excitation
/ N photon energy. For example, the non-shared
In the three-photon excitation process, pump light and erase light
The electron energy may be 1/3 of the excitation energy.

【0040】多くの蛍光ラベラー分子では、非共鳴多光
子励起過程で用いる光子エネルギーは小さく、仮想的準
位以外のいわゆる通常の電子励起準位は存在せず、ポン
プ光およびイレース光に対して透明になる。この性質を
利用することにより、極めて優れた性能の超解像顕微鏡
が実現できる。
In many fluorescent labeler molecules, the photon energy used in the non-resonant multiphoton excitation process is small, there is no so-called ordinary electronic excitation level other than the virtual level, and it is transparent to pump light and erase light. become. By utilizing this property, a super-resolution microscope with extremely excellent performance can be realized.

【0041】またさらに、この非共鳴多光子励起過程を
用いることで、二重共鳴吸収顕微鏡に光軸方向の深さ分
解能、つまり三次元空間分解能を付与することができ
る。ここでも説明の簡略化のため、非共鳴二光子励起過
程を基にして説明する。
Further, by using this non-resonant multiphoton excitation process, it is possible to impart a depth resolution in the optical axis direction, that is, a three-dimensional spatial resolution, to the double resonance absorption microscope. Here, for simplification of the description, the description will be made based on the non-resonant two-photon excitation process.

【0042】励起光として波長λ1光、集光レンズとし
て無収差の光学系を仮定するとき、光学系の開口(開口
数:NA)一杯で波長λ1光を集光すると、その像空間
(x,y,z)における三次元複素振幅分布I(x,y,z)は、次式
で与えられる。
The wavelength lambda 1 light as excitation light, when assuming an optical system aplanatic as a condenser lens, an optical system opening (numerical aperture: NA) when collecting light of wavelengths lambda 1 light is full, the image space
The three-dimensional complex amplitude distribution I (x, y, z) at (x, y, z) is given by the following equation.

【0043】[0043]

【数4】 (Equation 4)

【0044】ただし、fは焦点距離、(ξ,ζ)は瞳面の
座標である。積分領域は全開口である。
Where f is the focal length, and (ξ, ζ) are the coordinates of the pupil plane. The integration area is a full aperture.

【0045】前記数3によれば、波長λ1光を照射し、
通常の一光子励起過程で試料分子をS1状態に励起する
と、その励起分子量qone(x,y,z)はI(x,y,z)2に比例す
る。一方、数4によれば、波長2λ1光により非共鳴二
光子励起過程で試料分子を励起すると、その励起分子量
qtwo(x,y,z)はI(x,y,z)4に比例する。qone(x,y,z)お
よびqtwo(x,y,z)を規格化して周波数空間にフーリエ変
換すると、実際に観察し得る解像度を示す物理量(三次
元OTF)になる。すなわち、規格化した一光子励起過
程の励起分子量および非共鳴二光子励起過程の励起分子
量をQone(x,y,z)とQtwo(x,y,z)と書けば、下記の数5
および数6のような関係となる。
According to the above equation (3), light of wavelength λ 1 is irradiated,
When a sample molecule is excited to the S 1 state in a normal one-photon excitation process, the excited molecular weight qone (x, y, z) is proportional to I (x, y, z) 2 . On the other hand, according to Equation 4, when the sample molecules are excited by the non-resonant two-photon excitation process with the wavelength 2λ 1 light, the excited molecular weight qtwo (x, y, z) is proportional to I (x, y, z) 4 . . When the qone (x, y, z) and qtwo (x, y, z) are normalized and Fourier-transformed into a frequency space, a physical quantity (three-dimensional OTF) indicating a resolution that can be actually observed is obtained. That is, if the normalized excited molecular weight in the one-photon excitation process and the excited molecular weight in the non-resonant two-photon excitation process are written as Qone (x, y, z) and Qtwo (x, y, z),
And the relationship as shown in Equation 6.

【0046】[0046]

【数5】 (Equation 5)

【0047】[0047]

【数6】 (Equation 6)

【0048】ここで、k1x,k1y,k1zは波長λ1
励起光に対する波数ベクトル成分であり、k2x,k
y,k2zは波長2λ1の励起光に対する波数ベクトル
成分である。
Here, k1 x , k1 y , and k1 z are wave vector components for the excitation light of wavelength λ 1 , and k2 x , k1
2 y and k 2 z are wave number vector components for the excitation light of wavelength 2λ 1 .

【0049】仮に、瞳面は光軸対称として、r=(x2
+x21/2なるパラメータを導入し、数5および数6を
用いて、(k1r,k1z)および(k2r,k2z)の空
間分布の断面を求めると、図13(a)(b)に例示し
たようになる。k1rおよびk2rは、各々、光軸からの
動径方向に関する波長λ1光および波長2λ1光の波数ベ
クトル成分である。
Assuming that the pupil plane is symmetric with respect to the optical axis, r = (x 2
+ X 2 ) 1/2 is introduced, and the cross sections of the spatial distributions of (k1 r , k1 z ) and (k2 r , k2 z ) are obtained by using Equations 5 and 6, and FIG. As shown in (b). k1 r and k2 r are wave number vector components of the wavelength λ 1 light and the wavelength 2λ 1 light in the radial direction from the optical axis, respectively.

【0050】図13(a)(b)によれば、非共鳴二光
子励起過程も一光子励起過程も、動径方向の空間周波数
帯域の上限Kmaxと下限Kminは光学系の開口数NAを用
いて、
According to FIGS. 13A and 13B, in both the non-resonant two-photon excitation process and the one-photon excitation process, the upper limit Kmax and the lower limit Kmin of the spatial frequency band in the radial direction use the numerical aperture NA of the optical system. hand,

【0051】[0051]

【数7】 (Equation 7)

【0052】で表され、空間分解能はほぼ同じである。
しかし、光軸方向の分解能に関しては顕著な差がある。
一光子励起過程では、原点を含むk1z軸方向には値を
持たないのである。すなわち、光軸方向には全く分解能
を持たないことを示している。それに対して、非共鳴二
光子励起過程では、光軸方向であるk2z軸方向にも、
The spatial resolution is almost the same.
However, there is a remarkable difference in the resolution in the optical axis direction.
In the one-photon excitation process, there is no value in the k1 z- axis direction including the origin. In other words, this indicates that there is no resolution in the optical axis direction. On the other hand, in the non-resonant two-photon excitation process, the k2 z- axis direction,

【0053】[0053]

【数8】 (Equation 8)

【0054】という値をもつことがわかる。つまり光軸
方向の深さ分解能をもつのである。これは、前記数1が
示すように、S1状態の励起分子の発生量が励起光の2
乗に比例するために、励起分子が極めて狭い空間領域に
局在することに対応している。
It can be seen that it has the value That is, it has a depth resolution in the optical axis direction. This is because the amount of excited molecules in the S 1 state is equal to 2
This is proportional to the power and corresponds to the fact that the excited molecule is localized in a very narrow space region.

【0055】したがって、S1状態の励起分子を生成す
る際に非共鳴二光子励起過程を用いることにより、すな
わち基底状態の試料分子をS1状態へ励起させる励起エ
ネルギーの1/2である光子エネルギーを有しているポ
ンプ光を用いることにより、二重共鳴吸収顕微鏡に光軸
方向の深さ分解能を付加することができるのである。
[0055] Thus, by using the non-resonant two-photon excitation process in generating the excited molecules of S 1 state, i.e. 1/2 in which photon energy of the excitation energy to excite the sample molecules in the ground state to the S 1 state By using the pump light having the above, depth resolution in the optical axis direction can be added to the double resonance absorption microscope.

【0056】また、二重共鳴吸収顕微鏡を、前述したよ
うに、ポンプ光およびイレース光の照射領域を一部分重
ね合わせる重ね手段(たとえばイレース光を中空ビーム
化する位相板などを含んだ光学系)を介してポンプ光お
よびイレース光を試料に照射することにより、S1状態
の試料分子が基底状態へ脱励起する際の発光領域を一部
分抑制する態様とすれば、優れた平面分解能とともに、
深さ分解能を持ち合わせることができ、極めて高性能な
超解像顕微鏡が実現される。
As described above, the double resonance absorption microscope is provided with superimposing means (for example, an optical system including a phase plate for converting the erase light into a hollow beam) for partially overlapping the irradiation area of the pump light and the erase light. By irradiating the sample with the pump light and the erase light through the light source, the light emission region when the sample molecules in the S 1 state are de-excited to the ground state is partially suppressed.
An extremely high-performance super-resolution microscope that can have depth resolution can be realized.

【0057】もちろん以上のことは、S1→S2励起のた
めのイレース光についても同様であり、通常のS1→S2
励起に必要な励起エネルギーの1/2の光子エネルギー
とすることにより、三次元空間分解能が実現される。ま
た、三光子以上の非共鳴多光子励起過程を用いた場合で
も、ポンプ光およびイレース光それぞれの光子エネルギ
ーを1/nとすることで、同様に三次元空間分解能が実
現される。
[0057] Of course, more than that is the same for the erase light for the S 1 → S 2 excitation, usually the S 1 → S 2
By setting the photon energy to 励 起 of the excitation energy required for excitation, a three-dimensional spatial resolution is realized. Even when a non-resonant multiphoton excitation process of three or more photons is used, three-dimensional spatial resolution can be similarly achieved by setting the photon energies of the pump light and the erase light to 1 / n.

【0058】ここで以下に、試料を染色する蛍光ラベラ
ー分子のうち、一光子励起過程の場合における励起光波
長と蛍光波長とが近接または重なってしまうものを例記
しておく。これらの蛍光ラベラー分子を用いて試料を染
色した場合には、非共鳴二光子励起過程に起因するこの
出願の発明の上記効果、すなわち背景光の混入していな
い蛍光信号のS/Nの向上が、より顕著なものとなる。
Hereinafter, among the fluorescent labeler molecules that stain the sample, those in which the excitation light wavelength and the fluorescence wavelength in the one-photon excitation process are close to or overlap with each other will be described. When the sample is stained using these fluorescent labeler molecules, the above-described effect of the invention of the present application caused by the non-resonant two-photon excitation process, that is, the improvement of the S / N of the fluorescent signal free of background light is improved. Will be more prominent.

【0059】[蛍光ラベラー分子の例] 2,2"-Dimethyl-p-terphenyl: P-terphenyl(PTP): 3,3',2",3"-Tetramethyl-P-quaterphenyl: 2,2'''-Dimethyl-P-quaterphenyl: 2-Methyl-5-t-butyl-p-quaterphenyl: 2-(4-Biphenylyl)-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxiazol
(BPBD-365): 2-(4-Biphenylyl)-phenyl-1,3,4-oxadiazol: 2,5,2''''5,''''-Tetramethyl-p-quinquephenyl: 3,5,3''''5,''''-Tetra-t-butyl-p-quinquephenyl: 2,5-Diphenyloxazol: 2,5-Diphenylfuran: PQP(p-Quanterphenyl: 2,5-Bis-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazol: p-Quaterphenyl-4-4'''-disulfonicacid Disodiumsalt: p-Quaterphenyl-4-4'''-disulfonicacid Dipotassiumsa
lt: 4,4'''-Bis-(2-butyloctyloxy)-p-quanterphenyl: 3,5,3''''5,''''-Tetra-t-butyl-p-sexiphenyl: 2-(1-Naphthyl)-5-phenyloxazol: 2-(4-Biphenylyl)-6-phenylbenzoxazotetrasulfonicaci
d Potassium Salt: 2-(4-Biphenylyl)-6-phenylbenzoxazol-1,3: 4,4'-Diphenylstilbene: [1,1'-Biphenyl]-4-sulfonic acid, 4,4"-1,2-ethene-d
iylbis-,dipotassium salt: 2,5-Bis-(4-biphenylyl)-oxazol: 2,2'-([1,1'-Biphenyl]-4,4'-diyldi-2,1-ethenediyl)-
bis-benzenesulfonic acid Disodium Salt: 7-Amino-4-methylcarbostyryl: 1,4-Di[2-(5-phenyloxazoly)]benzene: 7-Hydroxy-4-methylcoumarin: p-Bis(o-methylstyryl)-benzene: Benzofuran,2,2'-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diyl-bis-tetr
asulfonic-acid: 7-Dimethylamino-4-methylquinolom-2: 7-Amino-4-methylcoumarin: 2-(p-Dimethylaminostyryl)-pyridylmethyl Iodide: 7-Diethylaminocoumarun: 7-Diethylamino-4-methylcoumarin: 2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-8-methylqinolizino-[9,9a,
1-gh]-coumarin: 7-Diethylamino-4-trifluormethylcoumarin: 7-Dimethylamino-4-trifluormethylcoumarin: 7-Amino-4-trifluormethylcoumarin: 2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydroquinolizino-[9,9a,1-gh]-co
umarin: 7-Ethylamino-6-methyl-4-trifluormethylcoumarin: 7-Ethylamino-4-trifluormethylcoumarin: 2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-carboethoxyquinolizino-
-[9,9a,1-gh]coumarin: 2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-(3-pyridyl)-quinolizino
-[9,9a,1-gh]coumarin: 3-(2'-N-Methylbenzimidazolyl)-7-n,n-diethylaminoco
umarin: 2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-acetylquinolizino-[9,9
a,1-gh]-coumarin: N-Methyl-4-trifluormethylpiperidino-[3,2-g]-coumar
in: 2-(p-Dimethylaminostyryl)-benzothiazolylethyl Iodi
de: 3-(2'-Benzimidazolyl)-7-N,N-diethylaminocoumarin: Brillantsulfaflavin: 3-(2'-Benzothiazolyl)-7-diethylaminocoumarin: 2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-8-trifluormethylquinolizi
no-[9,9a,1gh]coumarin: 3,3'-Diethyloxacarbocyanine Iodide: 3,3'-Dimethyl-9-ethylthiacarbocyanine Iodide: Disodium Fluorescein (Uranin): 9-(o-Carboxyphenyl)-2,7-dichloro-6-hydroxy-3H-xant
hen-3-on2,7-Dichlorofluorescien・Fluorescein 548: Fluorol 555 (Fluorol 7GA): o-(6-Amino-3-imino-3H-xanthen-9-yl)-benzonic acid
(Rhodamine 560): BenzoicAcid,2-[6-(ethylamino)-3-(ethylimino)-2,7-d
imethyl-3H-xanthen9-yl],perchlorate(Rhodamine 57
5): Benzonic Acid,2-[6-(ethylamino)-3-(ethylimino)-2,
7-dimethyl-3X-xanthen-9-yl]-ethylester,monohydroch
loride (Rhodamine 590): 1,3'-Diethyl-4,2'-quinolyloxacarbocyanine Iodide: 1,1'-Diethyl-2,2'-carbocyanine Iodid: 2-[6-(diethylamino)-3-(diethylimino)-3H-xanthen-9-
yl]benzonic acid (Rhodamine 610): Ethanaminium,N-[(6-diethylamino)-9-(2,4-disulfophe
nyl)-3H-xanthen-3-ylidene]-N- ethylhydroxid,inner
salt,sodium salt: Malachit Green: 3,3'-Diethylthiacarbocyanine Iodide: 1,3'-Diethyl-4,2'-quinolylthiacarbocyanine Iodide: 8-(2-Carboxyphenyl)-2,3,5,6,11,12,14,15-octahydro-
1H,4H,10H,13H-diquinolizino[9,9a,1-bc: 9',9a',1-hi]xanthylium Perchlorate(Rhodamine640): 4-Dicyanmethylene-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyry
l)-4H-pyran: 3,3'-Diethyloxadicarbocyanine Iodide: 8-(2,4-Disulfophenyl)-2,3,5,6,11,12,14,15-octahydr
o-1H,4H,10H,13H-diquinolizino [9,9a,1-bc:9',1-hi]x
anthene (Sulforhodamine 640): 5,9-Diaminobenzo[a]phenoxazonium Perchorate: 9-Diethylamino-5H-benzo(a)phenoxazin-5-one: 5-Amino-9-diethylimino(a)phenoxazonium Perchlorat
e: 3-Ethylamino-7-ethylimino-2,8-dimethylphenoxazin-5
-ium Perchorate: 8-(Trifluoromethyl)-2,3,5,6,11,12,14,15-octahydro-
1H,4H,10H,13H-diquinolizino[9,9a,1-bc:9',9a,1-hi]x
anthylium Perchlorate: 1-Ethyl-2-(4-(p-Dimethylaminophenyl)-1,3-butadieny
l)-pyridinium Perchlorate: Carbazine 122: 9-Ethylamino-5-ethylimino-10-methyl-5H-benzo(a)phe
noxazoniumPerchlorate: 3-Diethylamino-7-diethyliminophenoxazonium Perchlo
rate: 3-Diethylthiadicarbocyanine Iodide: Oxazine 750: 1-Ethyl-4-(4-(p-Dimethylaminophenyl)-1,3-butadieny
l)-pyridininum Perchlorate: 1,1',3,3,3',3'-Hexamethylindodicarbocyanine Iodid
e: 1,1'-Diethyl-4,4'-carbocyanine Iodide: 2-(4-(p-Dimethylaminophenyl)-1,3-butadienyl)-1,3,3
-trimethyl-3H-indoliumPerchlorate: 2-(4-(p-Dimethylaminophenyl)-1,3-butadienyl)-3-eth
ylbenzothoazolium Perchlorate: 1,1'-Diethyl-2,2'-dicarbocyanine Iodide: 1-Ethyl-4-(4-(9-(2,3,6,7-tetrahydro-1H,5H-benzo(i,
j)-chinolinozinium))-1,3-buta dienyl)-pyridinium P
erchlorate: 3,3'-DimethyloxatricarbocyanineIodide: 1-Ethyl-4-(p-Dimethylaminophenyl)-1,3-buta dienyl)
-quinolinium Perchlorate: 8-Cyano-2,3,5,6,11,12,14,15-octahydro-1H,4H,10H,13
H-diquinolizino[9,9a,1-bc:9a',1-hi]xanthylium Perc
hlorate (Rhodamine800]: 2-(6-(4-Dimethylaminophenyl)-2,4-neopentylene-1,3,
5)-3-methylbenzothiazoliumPerchlorate: 1,1',3,3,3',3'-Hexamethylindotricarbocyanine Iodid
e: IR125 : 3,3'-Diethylthiatricarbocyanine Iodide : IR144 : 2-(6-(9-(2,3,6,7,-Tetrahydro-1H,5H-benzo(i,j)-chin
olizinium))-2,4-neopentylene-1,3,5-hexatrienyl)-3-
methyllbenzothiazolium Perchlorate: 3,3'-Diethyl-9,11-neopentylenethiatricarbocyanine
Iodide: 1,1',3,3,3',3'-Hexamethyl-4,4',5,5'-dibenzo-2,2'-i
ndotricarbocyanine Iodide: 3,3'-Diethyl-4,4',5,5'-dibenzothiatricarbocyanine
Iodide: 1,2'-Diethyl-4,4'-dicarbocyanine Iodide: IR140: 2-(8-(4-p-Dimethyhlaminophenyl)-2,4-neopentylene-
1,3,5,7-octatetraenyl)-3-methylbenzothiazolium Per
chlorate: IR132 : 2-(8-(9-(2,3,6,7-Tetrahydro-1H,5H-benzo(i,j)chinol
izinium))-2,4-neopentylene-1,3,5,7-octatetraenyl)-
3-methylbenzothiazolium Perchlorate: IR26: IR 5 以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の
実施の形態についてさらに詳しく説明する。
[Example of fluorescent labeler molecule] 2,2 "-Dimethyl-p-terphenyl: P-terphenyl (PTP): 3,3 ', 2", 3 "-Tetramethyl-P-quaterphenyl: 2,2'''-Dimethyl-P-quaterphenyl: 2-Methyl-5-t-butyl-p-quaterphenyl: 2- (4-Biphenylyl) -5- (4-t-butylphenyl) -1,3,4-oxiazol
(BPBD-365): 2- (4-Biphenylyl) -phenyl-1,3,4-oxadiazol: 2,5,2 '''' 5, ''''-Tetramethyl-p-quinquephenyl: 3,5, 3 '''' 5, ''''-Tetra-t-butyl-p-quinquephenyl: 2,5-Diphenyloxazol: 2,5-Diphenylfuran: PQP (p-Quanterphenyl: 2,5-Bis- (4-biphenylyl ) -1,3,4-oxadiazol: p-Quaterphenyl-4-4 '''-disulfonicacid Disodiumsalt: p-Quaterphenyl-4-4'''-disulfonicacid Dipotassiumsa
lt: 4,4 '''-Bis- (2-butyloctyloxy) -p-quanterphenyl: 3,5,3''''5,''''-Tetra-t-butyl-p-sexiphenyl: 2- ( 1-Naphthyl) -5-phenyloxazol: 2- (4-Biphenylyl) -6-phenylbenzoxazotetrasulfonicaci
d Potassium Salt: 2- (4-Biphenylyl) -6-phenylbenzoxazol-1,3: 4,4'-Diphenylstilbene: [1,1'-Biphenyl] -4-sulfonic acid, 4,4 "-1,2- ethene-d
iylbis-, dipotassium salt: 2,5-Bis- (4-biphenylyl) -oxazol: 2,2 '-([1,1'-Biphenyl] -4,4'-diyldi-2,1-ethenediyl)-
bis-benzenesulfonic acid Disodium Salt: 7-Amino-4-methylcarbostyryl: 1,4-Di [2- (5-phenyloxazoly)] benzene: 7-Hydroxy-4-methylcoumarin: p-Bis (o-methylstyryl) -benzene: Benzofuran, 2,2 '-[1,1'-biphenyl] -4,4'-diyl-bis-tetr
asulfonic-acid: 7-Dimethylamino-4-methylquinolom-2: 7-Amino-4-methylcoumarin: 2- (p-Dimethylaminostyryl) -pyridylmethyl Iodide: 7-Diethylaminocoumarun: 7-Diethylamino-4-methylcoumarin: 2,3,5 , 6-1H, 4H-Tetrahydro-8-methylqinolizino- [9,9a,
1-gh] -coumarin: 7-Diethylamino-4-trifluormethylcoumarin: 7-Dimethylamino-4-trifluormethylcoumarin: 7-Amino-4-trifluormethylcoumarin: 2,3,5,6-1H, 4H-Tetrahydroquinolizino- [9,9a, 1-gh] -co
umarin: 7-Ethylamino-6-methyl-4-trifluormethylcoumarin: 7-Ethylamino-4-trifluormethylcoumarin: 2,3,5,6-1H, 4H-Tetrahydro-9-carboethoxyquinolizino-
-[9,9a, 1-gh] coumarin: 2,3,5,6-1H, 4H-Tetrahydro-9- (3-pyridyl) -quinolizino
-[9,9a, 1-gh] coumarin: 3- (2'-N-Methylbenzimidazolyl) -7-n, n-diethylaminoco
umarin: 2,3,5,6-1H, 4H-Tetrahydro-9-acetylquinolizino- [9,9
a, 1-gh] -coumarin: N-Methyl-4-trifluormethylpiperidino- [3,2-g] -coumar
in: 2- (p-Dimethylaminostyryl) -benzothiazolylethyl Iodi
de: 3- (2'-Benzimidazolyl) -7-N, N-diethylaminocoumarin: Brillantsulfaflavin: 3- (2'-Benzothiazolyl) -7-diethylaminocoumarin: 2,3,5,6-1H, 4H-Tetrahydro-8- trifluormethylquinolizi
no- [9,9a, 1gh] coumarin: 3,3'-Diethyloxacarbocyanine Iodide: 3,3'-Dimethyl-9-ethylthiacarbocyanine Iodide: Disodium Fluorescein (Uranin): 9- (o-Carboxyphenyl) -2,7-dichloro -6-hydroxy-3H-xant
hen-3-on2,7-Dichlorofluorescien ・ Fluorescein 548: Fluorol 555 (Fluorol 7GA): o- (6-Amino-3-imino-3H-xanthen-9-yl) -benzonic acid
(Rhodamine 560): BenzoicAcid, 2- [6- (ethylamino) -3- (ethylimino) -2,7-d
imethyl-3H-xanthen9-yl], perchlorate (Rhodamine 57
5): Benzonic Acid, 2- [6- (ethylamino) -3- (ethylimino) -2,
7-dimethyl-3X-xanthen-9-yl] -ethylester, monohydroch
loride (Rhodamine 590): 1,3'-Diethyl-4,2'-quinolyloxacarbocyanine Iodide: 1,1'-Diethyl-2,2'-carbocyanine Iodid: 2- [6- (diethylamino) -3- (diethylimino) -3H-xanthen-9-
yl] benzonic acid (Rhodamine 610): Ethanaminium, N-[(6-diethylamino) -9- (2,4-disulfophe
nyl) -3H-xanthen-3-ylidene] -N-ethylhydroxid, inner
salt, sodium salt: Malachit Green: 3,3'-Diethylthiacarbocyanine Iodide: 1,3'-Diethyl-4,2'-quinolylthiacarbocyanine Iodide: 8- (2-Carboxyphenyl) -2,3,5,6,11,12 , 14,15-octahydro-
1H, 4H, 10H, 13H-diquinolizino [9,9a, 1-bc: 9 ', 9a', 1-hi] xanthylium Perchlorate (Rhodamine640): 4-Dicyanmethylene-2-methyl-6- (p-dimethylaminostyry
l) -4H-pyran: 3,3'-Diethyloxadicarbocyanine Iodide: 8- (2,4-Disulfophenyl) -2,3,5,6,11,12,14,15-octahydr
o-1H, 4H, 10H, 13H-diquinolizino [9,9a, 1-bc: 9 ', 1-hi] x
anthene (Sulforhodamine 640): 5,9-Diaminobenzo [a] phenoxazonium Perchorate: 9-Diethylamino-5H-benzo (a) phenoxazin-5-one: 5-Amino-9-diethylimino (a) phenoxazonium Perchlorat
e: 3-Ethylamino-7-ethylimino-2,8-dimethylphenoxazin-5
-ium Perchorate: 8- (Trifluoromethyl) -2,3,5,6,11,12,14,15-octahydro-
1H, 4H, 10H, 13H-diquinolizino [9,9a, 1-bc: 9 ', 9a, 1-hi] x
anthylium Perchlorate: 1-Ethyl-2- (4- (p-Dimethylaminophenyl) -1,3-butadieny
l) -pyridinium Perchlorate: Carbazine 122: 9-Ethylamino-5-ethylimino-10-methyl-5H-benzo (a) phe
noxazoniumPerchlorate: 3-Diethylamino-7-diethyliminophenoxazonium Perchlo
rate: 3-Diethylthiadicarbocyanine Iodide: Oxazine 750: 1-Ethyl-4- (4- (p-Dimethylaminophenyl) -1,3-butadieny
l) -pyridininum Perchlorate: 1,1 ', 3,3,3', 3'-Hexamethylindodicarbocyanine Iodid
e: 1,1'-Diethyl-4,4'-carbocyanine Iodide: 2- (4- (p-Dimethylaminophenyl) -1,3-butadienyl) -1,3,3
-trimethyl-3H-indoliumPerchlorate: 2- (4- (p-Dimethylaminophenyl) -1,3-butadienyl) -3-eth
ylbenzothoazolium Perchlorate: 1,1'-Diethyl-2,2'-dicarbocyanine Iodide: 1-Ethyl-4- (4- (9- (2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H-benzo (i,
j) -chinolinozinium))-1,3-buta dienyl) -pyridinium P
erchlorate: 3,3'-DimethyloxatricarbocyanineIodide: 1-Ethyl-4- (p-Dimethylaminophenyl) -1,3-buta dienyl)
-quinolinium Perchlorate: 8-Cyano-2,3,5,6,11,12,14,15-octahydro-1H, 4H, 10H, 13
H-diquinolizino [9,9a, 1-bc: 9a ', 1-hi] xanthylium Perc
hlorate (Rhodamine800): 2- (6- (4-Dimethylaminophenyl) -2,4-neopentylene-1,3,
5) -3-methylbenzothiazoliumPerchlorate: 1,1 ', 3,3,3', 3'-Hexamethylindotricarbocyanine Iodid
e: IR125: 3,3'-Diethylthiatricarbocyanine Iodide: IR144: 2- (6- (9- (2,3,6,7, -Tetrahydro-1H, 5H-benzo (i, j) -chin
olizinium))-2,4-neopentylene-1,3,5-hexatrienyl) -3-
methyllbenzothiazolium Perchlorate: 3,3'-Diethyl-9,11-neopentylenethiatricarbocyanine
Iodide: 1,1 ', 3,3,3', 3'-Hexamethyl-4,4 ', 5,5'-dibenzo-2,2'-i
ndotricarbocyanine Iodide: 3,3'-Diethyl-4,4 ', 5,5'-dibenzothiatricarbocyanine
Iodide: 1,2'-Diethyl-4,4'-dicarbocyanine Iodide: IR140: 2- (8- (4-p-Dimethyhlaminophenyl) -2,4-neopentylene-
1,3,5,7-octatetraenyl) -3-methylbenzothiazolium Per
chlorate: IR132: 2- (8- (9- (2,3,6,7-Tetrahydro-1H, 5H-benzo (i, j) chinol
izinium))-2,4-neopentylene-1,3,5,7-octatetraenyl)-
3-Methylbenzothiazolium Perchlorate: IR26: IR5 Hereinafter, examples will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in further detail.

【0060】[0060]

【実施例】[実施例1]図14は、この発明の二重共鳴
吸収顕微鏡の一例を示した要部構成の概略図である。こ
の図14に例示した二重共鳴吸収顕微鏡はレーザー走査
型蛍光顕微鏡を構成しており、二重共鳴吸収過程および
非共鳴多光子励起過程の利用はもちろんのこと、ポンプ
光およびイレース光の照射領域の一部重合せをも行い得
る態様となっている。このような図14の二重共鳴吸収
顕微鏡について、[A]光源部・[B]試料観察系・
[C]検出系に分けて以下に説明する。なお、非共鳴多
光子励起過程は非共鳴二光子励起過程を用いるとし、試
料(10)は、蛍光ラベラー分子としてのローダミン6
Gにより染色した生体試料であるとする。
[Embodiment 1] FIG. 14 is a schematic diagram of a configuration of a main part showing an example of a double resonance absorption microscope according to the present invention. The double resonance absorption microscope illustrated in FIG. 14 constitutes a laser scanning fluorescence microscope, and uses not only the double resonance absorption process and the non-resonant multiphoton excitation process but also the irradiation region of the pump light and the erase light. This is an embodiment in which partial polymerization can be performed. With respect to such a double resonance absorption microscope of FIG. 14, [A] a light source unit, [B] a sample observation system,
[C] The detection system will be described separately below. Note that the non-resonant multiphoton excitation process uses a non-resonant two-photon excitation process, and the sample (10) has rhodamine 6 as a fluorescent labeler molecule.
Assume that the sample is a biological sample stained with G.

【0061】[A]光源部 基本光源には、過飽和色素を用いたピコ秒パルスレーザ
ー光を発するNd:YAGレーザー(1)を用い、その
基本波(波長1064nm・光子エネルギー約1.16
5eV)からポンプ光およびイレース光を生成する。な
おここでは、光子(電子)エネルギーeV=1239.
8/波長nmを変換式とする。
[A] Light Source Section An Nd: YAG laser (1) emitting a picosecond pulse laser beam using a supersaturated dye is used as a basic light source, and its fundamental wave (wavelength 1064 nm, photon energy about 1.16) is used.
5eV) to generate pump light and erase light. Here, the photon (electron) energy eV = 1239.
8 / wavelength nm is used as the conversion formula.

【0062】<1>ポンプ光 まず、ポンプ光について説明する。ローダミン6Gを通
常の一光子励起過程でS0→S1励起させるには、約2.
3eVの光子エネルギーE01が必要となる。またローダ
ミン6Gは、約550nm、つまり光子エネルギーに換
算して約2.25eV、からS0→S1吸収帯が始まる
(図9参照)。したがって、波長2λ1=約1064n
m・光子エネルギーE01/2=約1.165eVを持つ
Nd:YAGレーザー(1)からの基本波をポンプ光と
することで、ローダミン6Gを非共鳴二光子励起過程で
0→S1励起させることができる。
<1> Pump Light First, the pump light will be described. To excite Rhodamine 6G from S 0 → S 1 in the usual one-photon excitation process, about 2.
Photon energy E 01 of 3eV is required. In Rhodamine 6G, the S 0 → S 1 absorption band starts at about 550 nm, that is, about 2.25 eV in terms of photon energy (see FIG. 9). Therefore, the wavelength 2λ 1 = about 1064n
m · photon energy E 01/2 = Nd having about 1.165EV: a fundamental wave of a YAG laser (1) by the pump light, S 0 → S 1 pumped rhodamine 6G in a non-resonant two-photon excitation process Can be done.

【0063】このような光子エネルギーE01/2・波長
2λ1を持つポンプ光の必要強度、つまりローダミン6
Gを非共鳴二光子励起過程でS0→S1励起させるのに必
要な強度、について説明する。まず前記数1において、
波長2λ1のポンプ光のフォントンフラックスをI(2
λ1)とすると、単位時間内に非共鳴二光子励起過程で
0→S1励起する蛍光ラベラー分子の数は、
[0063] required intensity of the pump light having such photon energy E 01/2 · Wavelength 2 [lambda] 1, that is rhodamine 6
The intensity required to excite G from S 0 to S 1 in the non-resonant two-photon excitation process will be described. First, in Equation 1,
The fonton flux of the pump light having a wavelength of 2λ 1 is represented by I (2
λ 1 ), the number of fluorescent labeler molecules that excite S 0 → S 1 in a non-resonant two-photon excitation process within a unit time is:

【0064】[0064]

【数9】 (Equation 9)

【0065】で与えられる。数9において、n0(t)
およびn1(t)は、レーザー光を照射してからの経過
時間tにおける、S0状態およびS1状態の単位体積あた
りの蛍光ラベラー分子数である。ここで、物理量σ
01(2λ1)を、下記数10のとおりに定義し、非共鳴
二光子励起過程における吸収断面積とする。
Is given by In Equation 9, n 0 (t)
And n 1 (t) are the number of fluorescent labeler molecules per unit volume in the S 0 state and the S 1 state at the elapsed time t from the irradiation of the laser beam. Here, the physical quantity σ
01 (2λ 1 ) is defined as Equation 10 below, and is defined as the absorption cross section in the non-resonant two-photon excitation process.

【0066】[0066]

【数10】 (Equation 10)

【0067】単位体積あたりの蛍光ラベラー分子数をN
0とすると、数9の微分方程式は、
The number of fluorescent labeler molecules per unit volume is expressed as N
Assuming 0 , the differential equation of Equation 9 is

【0068】[0068]

【数11】 [Equation 11]

【0069】と解くことができる。Can be solved.

【0070】ここで、下記の数12の関係を満たせば、
大部分の蛍光ラベラー分子がS1状態へ励起され、蛍光
観察に必要な発光量を得ることができる。
Here, if the following expression 12 is satisfied,
Most of the fluorescent labeler molecules are excited to the S 1 state, and the amount of light required for fluorescence observation can be obtained.

【0071】[0071]

【数12】 (Equation 12)

【0072】たとえば、Nd:YAGレーザー(1)か
らのレーザー光のパルス幅tを30psec程度とすると、
ローダミン6Gの非共鳴二光子励起過程での吸収断面積
σ01(2λ1)は約10-50cm4sec/photon以下であるこ
とから、非共鳴二光子励起過程でのローダミン6GのS
0→S1励起に必要なレーザー光のフォントンフラックス
I(2λ1)は約1030photon/cm2/sec以下となる。N
d:YAGレーザー(1)からの基本波(パルス幅t=
30psec程度)をサブミクロンのサイズに集光したとき
の1パルス当たりのレーザー強度は10nJ/pulse以下と
なる。これは市販のNd:YAGレーザーでも十分に賄
えるエネルギーである。したがって、非共鳴二光子励起
過程によって、安価で手に入りやすいレーザーを用いる
ことができるという利点もある。
For example, if the pulse width t of the laser beam from the Nd: YAG laser (1) is about 30 psec,
Since the absorption cross section σ 01 (2λ 1 ) of the rhodamine 6G during the non-resonant two-photon excitation process is about 10 −50 cm 4 sec / photon or less, the S of rhodamine 6G during the non-resonant two-photon excitation process is reduced.
0 → The fonton flux I (2λ 1 ) of the laser beam required for S 1 excitation is about 10 30 photon / cm 2 / sec or less. N
d: fundamental wave from YAG laser (1) (pulse width t =
(About 30 psec), the laser intensity per pulse when condensed to a submicron size is 10 nJ / pulse or less. This is energy that can be sufficiently covered by a commercially available Nd: YAG laser. Therefore, there is an advantage that an inexpensive and easily available laser can be used by the non-resonant two-photon excitation process.

【0073】<2>イレース光 次に、イレース光について説明する。ローダミン6Gを
通常の一光子励起過程でS1→S2励起させるには、約
1.92eVの光子エネルギーE12が必要となる。また
ローダミン6Gは、約640nm、つまり光子エネルギ
ーに換算して1.94eV、からS1→S2吸収帯が始ま
る。したがって、Nd:YAGレーザー(1)からの基
本波を波長変換して波長2λ2=約1197nm・光子
エネルギーE12/2=約1.036eVとし、それをイ
レース光として用いることで、ローダミン6Gを非共鳴
二光子励起過程でS1→S2励起させることができる。
<2> Erase Light Next, the erase light will be described. In order to excite Rhodamine 6G from S 1 to S 2 in the ordinary one-photon excitation process, a photon energy E 12 of about 1.92 eV is required. In Rhodamine 6G, the S 1 → S 2 absorption band starts at about 640 nm, that is, 1.94 eV in terms of photon energy. Therefore, Nd: a fundamental wave of a YAG laser (1) and wavelength 2 [lambda] 2 = about 1197Nm · photon energy E 12/2 = about 1.036eV to wavelength conversion, by using it as the erase light, Rhodamine 6G S 1 → S 2 can be excited in the non-resonant two-photon excitation process.

【0074】このイレース光のNd:YAGレーザー
(1)からの生成は、たとえば特願平10−97924
と同様に、Ba(NO3)2結晶からなるラマンシフター(3)
を用いて行うことができる。レーザー光をBa(NO3)2結晶
からなるラマンシフター(3)に通すと、波数にして1
045cm-1づつ低エネルギー側にシフトしたストーク
ス光が発生される。このストークス光は完全にコヒーレ
ントであり、Nd:YAGレーザー(1)からの波長1
064nmの基本波を入射させると、波長1197.4
nmの一次のストークス光が発生される。この一次スト
ークス光で非共鳴二光子励起過程によりローダミン6G
をS1→S2励起させると、ほぼ599nm(光子エネル
ギー:2.07eV)のギャップのある準位間遷移が可
能となる。したがって、ローダミン6Gに対しては、こ
の波長1197nmの一次ストークス光をイレース光と
して用いることができる。
The generation of the erase light from the Nd: YAG laser (1) is described, for example, in Japanese Patent Application No. 10-97924.
Raman shifter made of Ba (NO 3 ) 2 crystal (3)
Can be performed. When a laser beam is passed through a Raman shifter (3) made of Ba (NO 3 ) 2 crystal, the wave number becomes 1
Stokes light shifted to the low energy side by 045 cm -1 is generated. This Stokes light is completely coherent and has a wavelength of 1 from the Nd: YAG laser (1).
When a fundamental wave of 064 nm is incident, the wavelength is 1197.4.
nm primary Stokes light is generated. Rhodamine 6G is generated by the non-resonant two-photon excitation process using this primary Stokes light.
Is excited by S 1 → S 2 , a transition between levels having a gap of about 599 nm (photon energy: 2.07 eV) is possible. Therefore, for Rhodamine 6G, this primary Stokes light of 1197 nm can be used as erase light.

【0075】続いて、このような光子エネルギーE12
2・波長2λ2を持つイレース光の必要強度、つまりロ
ーダミン6Gを非共鳴二光子励起過程でS1→S2励起さ
せるのに必要な強度、について説明する。
Subsequently, the photon energy E 12 /
2. The required intensity of the erase light having a wavelength of 2λ 2 , that is, the intensity required to excite Rhodamine 6G from S 1 to S 2 in the non-resonant two-photon excitation process will be described.

【0076】まず、ポンプ光・イレース光の照射および
蛍光信号の測定は、たとえば図15に例示したタイミン
グで行うものとする。図15に例示したタイミングは、
特願平10−97924に開示されている時間分解計測
法で用いられる照射・測定タイミングを例示したもので
ある。この時間分解計測法は、ポンプ光およびイレース
光のパルス幅tp,teが、蛍光ラベラー分子の蛍光寿命
τより短い場合に特に有効な方法である。まず、パルス
幅tpのポンプ光で蛍光ラベラー分子をS0→S 1励起さ
せ、ポンプ光の照射終了後、即座にパルス幅teのイレ
ース光を照射して蛍光ラベラー分子をS1→S2励起させ
る。このとき、本実施例では、前述したようにポンプ光
およびイレース光の照射領域の一部重ね合わせを行い、
空間的に観察不要な領域の蛍光を抑制する(図6参
照)。そして、蛍光抑制領域A1以外の蛍光領域A0から
の、イレース光の照射終了時から蛍光ラベラー分子の発
光終了時までの時間tgの蛍光信号を検出するのであ
る。
First, irradiation of pump light and erase light
The measurement of the fluorescence signal is performed, for example, using the timing shown in FIG.
It should be done in a group. The timing illustrated in FIG.
Time-resolved measurement disclosed in Japanese Patent Application No. 10-97924.
Illumination and measurement timing used in the method
is there. This time-resolved measurement method uses pump light and erase
Light pulse width tp, TeIs the fluorescence lifetime of the fluorescent labeler molecule
This is a particularly effective method when it is shorter than τ. First, the pulse
Width tpFluorescent labeler molecules with S pump light0→ S 1Excited
Immediately after the end of the pump light irradiation, the pulse width teIre
Irradiates the fluorescent labeler molecule with S1→ STwoExcited
You. At this time, in this embodiment, as described above, the pump light
And partially overlap the erased light irradiation area,
Suppresses fluorescence in areas that are spatially unnecessary (see Fig. 6).
See). Then, the fluorescence suppression area A1Fluorescent area A other than0From
Of the fluorescent labeler molecule from the end of the erase light irradiation
Time t to end of lightgFluorescence signal is detected
You.

【0077】このような照射・測定タイミングを前提と
した場合、前記数11に従い、ポンプ光を時間tpだけ
照射したときに生成されるS1状態の分子数をn1(t
p)とすると、時間teだけイレース光を照射したとき
のS1状態の分子数は、下記の微分方程式で与えられ
る。
[0077] When assuming such radiation and measurement timing in accordance with the number 11, the number of molecules of S 1 state produced upon irradiation of the pump light by the time t p n 1 (t
Assuming that p), the number of molecules in the S 1 state when the erase light is irradiated for the time t e is given by the following differential equation.

【0078】[0078]

【数13】 (Equation 13)

【0079】数13において、a2(S1→S2)およびa
2(f)は、各々、非共鳴二光子励起過程によるS1→S
2の遷移確率および誘導放出確率である。さらに、遷移
確率および誘導放出確率に対してσ12(2λ2)および
σf(2λ2)という断面積を定義し、数13を解くと、
In Equation 13, a 2 (S 1 → S 2 ) and a 2
2 (f) is S 1 → S due to the non-resonant two-photon excitation process.
The transition probability and stimulated emission probability of 2 . Further, the cross sections of σ 12 (2λ 2 ) and σ f (2λ 2 ) are defined for the transition probability and the stimulated emission probability.

【0080】[0080]

【数14】 [Equation 14]

【0081】が得られる。数14において、n1(te
は、蛍光抑制領域A1における単位体積内のS1状態の蛍
光ラベラー分子数である。蛍光ラベラー分子は、このn
1(t e)に比例して蛍光抑制領域A1から蛍光を発して
しまう。そのため、超解像性を高めるには、蛍光抑制領
域A1のn1(te)を極力小さくする必要がある。たと
えば、蛍光領域A0(=観察領域)における蛍光ラベラ
ー分子数n1(te)の10%以下に押さえ込むことが好
ましい。この場合、数14より、
Is obtained. In Equation 14, n1(Te)
Is the fluorescence suppression area A1In unit volume at1Firefly in state
The number of light labeler molecules. The fluorescent labeler molecule
1(T e) In proportion to the fluorescence suppression area A1Emits fluorescence from
I will. Therefore, in order to increase super-resolution,
Area A1N1(Te) Must be as small as possible. And
For example, the fluorescent region A0Fluorescent labeler at (= observation area)
-Number of molecules n1(TeIt is better to keep it below 10% of
Good. In this case, from Equation 14,

【0082】[0082]

【数15】 (Equation 15)

【0083】が得られ、さらに整理して、Is obtained and further organized,

【0084】[0084]

【数16】 (Equation 16)

【0085】が得られる。ローダミン6Gの場合、波長
599nmでは、σ12(2λ2)+σf(2λ2)は10-50
cm4sec/photonのオーダーであり、イレース光のパルス
幅teを30psecとして数16より計算すると、イレー
ス光に必要なフォントンフラックスI(2λ2)も、ポン
プ光同様に、1030photon/cm2/sec程度となる。
Is obtained. In the case of Rhodamine 6G, at a wavelength of 599 nm, σ 12 (2λ 2 ) + σ f (2λ 2 ) is 10 −50.
cm 4 in the order of sec / photon, the pulse width t e of the erase light is calculated from the number 16 as 30 psec, font emission flux I (2 [lambda] 2) required for the erase light likewise the pump light, 10 30 photon / cm 2 / sec.

【0086】したがって、必要強度を有する光子エネル
ギーE01/2・波長2λ1ポンプ光および光子エネルギ
ーE12/2・波長2λ2イレース光の発生は、一台のN
d:YAGレーザー(1)で可能となる。図14の例で
は、一台のNd:YAGレーザー(1)からの基本波を
ハーフミラー(2)で分岐し、その透過光はポンプ光と
して用い、反射光は前述のようにラマンシフター(3)
で波長変換してイレース光として用いるように構成され
ている。
[0086] Thus, generation of photon energy E 01/2 · Wavelength 2 [lambda] 1 pump light and the photon energy E 12/2 · Wavelength 2 [lambda] 2 erase light having a required strength, a single of N
d: It becomes possible with the YAG laser (1). In the example of FIG. 14, the fundamental wave from one Nd: YAG laser (1) is split by a half mirror (2), the transmitted light is used as pump light, and the reflected light is Raman shifter (3) as described above. )
, And is configured to be used as erase light after wavelength conversion.

【0087】このようにして得られたイレース光は、ラ
マンシフター(3)の後側に設けられた反射ミラー
(4)(5)によりビームコンバイナーとしてのダイク
ロイックミラー(7)へ入射される。反射ミラー(4)
(5)として、表面に干渉膜がコーティングされている
ものを用いることで、ラマンシフター(3)により波長
変換されなかった余計なNd:YAGレーザー(1)の
基本波をカットするようにしてもよい。
The erase light thus obtained is incident on a dichroic mirror (7) as a beam combiner by reflection mirrors (4) and (5) provided behind the Raman shifter (3). Reflection mirror (4)
As (5), by using the one whose surface is coated with an interference film, an unnecessary fundamental wave of the Nd: YAG laser (1) which is not wavelength-converted by the Raman shifter (3) may be cut. Good.

【0088】<3>ポンプ光およびイレース光の重合せ さて、本実施例では、ダイクロイックミラー(7)への
光路上に、イレース光を中空ビーム化させるための位相
板(6)が設けられている。この位相板(6)として
は、たとえば図16に示したような構造を持つものを用
いることができる。図16に例示した位相板(6)は、
光軸を中心に位相を周回して2πずらす働きをする図8
の構成を簡素化したものであり、光軸の周りを四等分割
して、各領域がπ/2づつずらし、光軸に対して軸対象
となる点で位相がπずれるものとなっている。この位相
板(6)を通過することで、イレース光は、中央部の強
度がゼロで、且つ軸対象の強度分布を持つ中空ビームと
なる。
<3> Superposition of Pump Light and Erase Light In this embodiment, on the optical path to the dichroic mirror (7), a phase plate (6) for converting the erase light into a hollow beam is provided. I have. As the phase plate (6), for example, a phase plate having a structure as shown in FIG. 16 can be used. The phase plate (6) illustrated in FIG.
FIG. 8 showing a function of rotating the phase around the optical axis and shifting the phase by 2π.
Is divided into four equal parts around the optical axis, each area is shifted by π / 2, and the phase is shifted by π at a point symmetrical with respect to the optical axis. . By passing through the phase plate (6), the erase light becomes a hollow beam having zero intensity at the center and having an axially symmetric intensity distribution.

【0089】そして、中空ビーム状のイレース光は、ダ
イクロイックミラー(7)でポンプ光と同じ光軸上を進
行するようにコンバインされる。これにより、ポンプ光
の一部に中空ビーム状イレース光が重なって、蛍光領域
0および蛍光抑制領域A1が生じるようになる。
The erase light in the form of a hollow beam is combined by the dichroic mirror (7) so as to travel on the same optical axis as the pump light. As a result, the hollow beam erase light overlaps a part of the pump light, and the fluorescent region A 0 and the fluorescent suppression region A 1 are generated.

【0090】したがって、本実施例においては、ポンプ
光およびイレース光の照射領域を一部分重ね合わせる重
ね手段は、位相板(6)、または位相板(6)とダイク
ロイックミラー(7)の組合せであると言うことができ
る。
Therefore, in this embodiment, the overlapping means for partially overlapping the irradiation areas of the pump light and the erase light is a phase plate (6) or a combination of the phase plate (6) and the dichroic mirror (7). I can say.

【0091】[B]試料観察系 以上のように生成され、同軸に調整されたポンプ光とイ
レース光は、ハーフミラー(8)で反射され、試料観察
系の対物レンズ(9)を介して試料(10)上に集光さ
れる。試料(10)は、前述したように、ローダミン6
Gで染色された生体細胞である。この試料(10)は、
三次元移動ステージ(11)上に搭載されており、集光
面上での二次元移動と光軸に沿った一次元移動が可能と
なっている。三次元移動ステージ(11)としては、た
とえば、インチワーム方式のPZT(圧電素子)で駆動
され、数nmという高い位置分解能での位置決めが可能
なものを用いることができる。
[B] Sample Observation System The pump light and the erase light generated and adjusted coaxially as described above are reflected by the half mirror (8) and passed through the objective lens (9) of the sample observation system. (10) Light is collected on the upper surface. Sample (10) contains rhodamine 6 as described above.
Living cells stained with G. This sample (10)
Mounted on a three-dimensional movement stage (11), two-dimensional movement on the light-collecting surface and one-dimensional movement along the optical axis are possible. As the three-dimensional moving stage (11), for example, a stage driven by an inch worm type PZT (piezoelectric element) and capable of positioning with a high positional resolution of several nm can be used.

【0092】[C]蛍光検出系 蛍光検出系は、光電子倍増管(14)、接眼レンズ(1
3)、赤外線カットフィルター(12)という極めて単
純な構成となっている。非共鳴二光子励起過程を用いた
ことにより、ポンプ光およびイレース光が蛍光信号に背
景光として混入することも極めて効果的に抑制すること
ができるが、さらに完全なるポンプ光およびイレース光
の迷光除去を実現すべく、シャープカットフィルターの
一つである赤外線カットフィルター(12)が蛍光光路
上に挿脱自在に備えられていてもよい。
[C] Fluorescence Detection System The fluorescence detection system comprises a photomultiplier tube (14), an eyepiece (1)
3) An extremely simple structure of an infrared cut filter (12). By using the non-resonant two-photon excitation process, it is possible to extremely effectively prevent the pump light and the erase light from being mixed into the fluorescence signal as background light, but it is possible to further completely eliminate the stray light of the pump light and the erase light. In order to achieve the above, an infrared cut filter (12), which is one of the sharp cut filters, may be provided on the fluorescent light path so as to be freely inserted and removed.

【0093】この赤外線カットフィルター(12)とし
ては、たとえば波長1μmの光をカットできるものを用
いて、ポンプ光およびイレース光の迷光を完全にカット
できる。また、ローダミン6Gの蛍光帯域は、570n
m前後であり、元々の光源の波長500nmとも離れて
いるので、それほど高性能でないラフな作りの赤外線カ
ットフィルターでも十分な迷光除去効果が得られる。
As the infrared cut filter (12), for example, a filter capable of cutting light having a wavelength of 1 μm can be used to completely cut off stray light of pump light and erase light. The fluorescent band of rhodamine 6G is 570n.
m and a distance of 500 nm from the wavelength of the original light source, so that a stray light removing effect can be sufficiently obtained even with a rough infrared cut filter having not so high performance.

【0094】さらにまた、ポンプ光およびイレース光の
波長2λ1,2λ2は蛍光帯域に重なっていないので、従
来の二重共鳴吸収顕微鏡のように波長が重複する蛍光信
号を切り捨てる必要がなく、蛍光信号量の低下を伴わず
に、すべての蛍光帯域の信号を無駄なく計測できる。さ
らには、検出器自体も、光電子倍増管という廉価で一般
的な市販品ですむという利点がある。
Further, since the wavelengths 2λ 1 and 2λ 2 of the pump light and the erase light do not overlap with the fluorescence band, it is not necessary to discard the fluorescence signals having the overlapping wavelengths as in the conventional double resonance absorption microscope, and to eliminate the fluorescence. The signals in all the fluorescent bands can be measured without waste without reducing the signal amount. Further, there is an advantage that the detector itself can be an inexpensive general commercial product such as a photomultiplier tube.

【0095】たとえば特願平10−97924における
二重共鳴吸収顕微鏡では、励起光と蛍光信号との分離の
ために、分光器やノッチフィルターなどの高価で精密な
光学素子を多用していたり、またICCDカメラと分光
器を組み合わせて、蛍光スペクトル全体を計測し、イレ
ース光およびポンプ光を計算機上で取り除くという複雑
な操作をも必要としていた。しかも、ICCDカメラと
分光器のシステムは極めて高価であり、ユーザーの負担
が大きすぎる。
For example, in the double resonance absorption microscope disclosed in Japanese Patent Application No. 10-97924, expensive and precise optical elements such as a spectroscope and a notch filter are often used to separate excitation light and fluorescence signal. A complicated operation of measuring an entire fluorescence spectrum by combining an ICCD camera and a spectroscope and removing an erase light and a pump light on a computer was also required. Moreover, the system of the ICCD camera and the spectroscope is extremely expensive, and the burden on the user is too large.

【0096】他方、計測法として、前述の図15に例示
したような時間分解計測法を用いれば、万一励起光が混
入してしまったとしても、蛍光計測時には完全にカット
することができ、S/Nを格段に向上させることができ
る。
On the other hand, if a time-resolved measurement method as illustrated in FIG. 15 is used as a measurement method, even if excitation light is mixed in, it can be completely cut off during fluorescence measurement. S / N can be remarkably improved.

【0097】以上のように、この発明の二重共鳴吸収顕
微鏡によれば、簡単な構成で、極めて優れたS/Nの蛍
光像を高い信号強度で得ることができる。
As described above, according to the double resonance absorption microscope of the present invention, an extremely excellent S / N fluorescence image with a high signal intensity can be obtained with a simple configuration.

【0098】[実施例2]ここでは、図14に例示した
この発明の二重共鳴吸収顕微鏡における光軸方向の深さ
分解能について説明する。
[Embodiment 2] Here, the depth resolution in the optical axis direction in the double resonance absorption microscope of the present invention illustrated in FIG. 14 will be described.

【0099】まず最初に、前記数4を用いて、非共鳴2
光子励起過程により、どのような蛍光強度分布が生じる
かを定量的に論じる。まず、試料に空間的に均一に蛍光
ラベラー分子が分布されていると仮定する。具体的な計
算条件を表1に示す。
First, the non-resonant 2
We discuss quantitatively what kind of fluorescence intensity distribution is generated by the photon excitation process. First, it is assumed that the fluorescent labeler molecules are spatially and uniformly distributed in the sample. Table 1 shows specific calculation conditions.

【0100】[0100]

【表1】 [Table 1]

【0101】図17および図18は、各々、ポンプ光励
起による試料からの焦平面における横方向(X軸方向)
の蛍光強度分布および焦点を原点とした光軸方向(Z軸
方向)の蛍光強度分布を例示したものであり、各図中、
実線曲線は非共鳴二光子励起過程を用いた場合の分布、
点線曲線は一光子励起過程を用いた場合の分布を示して
いる。また各蛍光強度分布は、前記数5および数6を用
いて算出した。
FIGS. 17 and 18 show the horizontal direction (X-axis direction) in the focal plane from the sample by pump light excitation.
And the fluorescence intensity distribution in the optical axis direction (Z-axis direction) with the focal point as the origin.
The solid curve is the distribution using the non-resonant two-photon excitation process,
The dotted curve shows the distribution when the one-photon excitation process is used. Further, each fluorescence intensity distribution was calculated using Equations 5 and 6.

【0102】これら図17および図18によれば、一光
子励起過程の場合における蛍光強度分布は、ポンプ光の
励起波長が短いので、非共鳴二光子励起過程のそれと比
較すると、光軸近傍の蛍光強度に集中している。これに
対し、非共鳴二光子励起過程の場合における蛍光強度分
布は、一光子励起過程のものと比較すると、急速に収束
し、焦点から遠方では強度がゼロであることが分かる。
すなわち、非共鳴二光子励起過程では励起したローダミ
ン6G分子は焦点近傍に局在しおり、試料三次元内の特
定の場所のみから蛍光を発していることが分かる。これ
により、二重共鳴吸収顕微鏡における三次元空間分解能
が可能となっている。
According to FIGS. 17 and 18, the fluorescence intensity distribution in the one-photon excitation process is shorter than that in the non-resonant two-photon excitation process because the excitation wavelength of the pump light is short. Focus on strength. In contrast, the fluorescence intensity distribution in the case of the non-resonant two-photon excitation process converges rapidly compared to that in the one-photon excitation process, and the intensity is zero at a distance from the focal point.
That is, in the non-resonant two-photon excitation process, the excited rhodamine 6G molecule is localized near the focal point, and emits fluorescence only from a specific place in the three-dimensional sample. This enables three-dimensional spatial resolution in a double resonance absorption microscope.

【0103】また、図19は、一光子励起過程および非
共鳴二光子励起過程の場合の、イレース光による焦平面
におけるS1→S2励起確率を例示したものである。イレ
ース光が中空ビーム化されて一次のベッセルビームとな
っていると仮定すると、S1→S2励起確率は下記の数1
7で計算できる。このとき数17においてm=1として
計算する。そして、このS1→S2励起確率は、一光子励
起過程の場合ではレーザー光強度の1乗に比例し、二光
子励起過程の場合ではレーザー光強度の2乗に比例し
て、数5および数6に従うこととなる。
FIG. 19 illustrates the S 1 → S 2 excitation probability in the focal plane by the erase light in the case of the one-photon excitation process and the non-resonant two-photon excitation process. Assuming that the erase light is converted into a hollow beam to form a first-order Bessel beam, the excitation probability of S 1 → S 2 is given by the following equation (1).
7 can be calculated. At this time, the calculation is performed assuming that m = 1 in Expression 17. The S 1 → S 2 excitation probability is proportional to the first power of the laser light intensity in the case of the one-photon excitation process, and is proportional to the square of the laser light intensity in the case of the two-photon excitation process. Equation 6 is to be followed.

【0104】[0104]

【数17】 [Equation 17]

【0105】計算結果によれば、図19に例示した空間
分布に従って蛍光抑制がなされることがわかる。イレー
ス光が中空ビーム化されていると仮定しているので、一
光子励起過程と非共鳴二光子励起過程のいずれの場合
も、その形状は顕微鏡の光軸方向の深さ分解能には影響
を与えない。しかし、光軸と直交する平面のプロファイ
ルでは、非共鳴二光子励起過程の方がややブロードして
中空領域が広いので、平面分解能に関して影響を与え
る。
According to the calculation results, it is understood that the fluorescence is suppressed according to the spatial distribution illustrated in FIG. Since it is assumed that the erase light is converted into a hollow beam, its shape affects the depth resolution in the optical axis direction of the microscope in both the one-photon excitation process and the non-resonant two-photon excitation process. Absent. However, in the profile of a plane perpendicular to the optical axis, the non-resonant two-photon excitation process is slightly broader and the hollow region is wider, so that it affects the planar resolution.

【0106】次に、数14により表される蛍光抑制特性
曲線と図17,18,19に例示したビームプロファイ
ルを用いて、蛍光抑制効果が発現した時の蛍光強度分布
を求める。図20および図21は、各々、非共鳴二光子
励起過程を用いた場合における、焦点近傍の焦点面内の
横方向(X軸方向)および光軸方向(Z軸方向)の蛍光
強度分布を例示したものである。計算には数17を用い
た。試料がローダミン6Gにより染色されているとし
て、イレース光は波長1197nm、フォトンフラック
ス1032photons/cm2/secを有するものとして計算し
た。
Next, the fluorescence intensity distribution when the fluorescence suppression effect is developed is obtained by using the fluorescence suppression characteristic curve represented by Expression 14 and the beam profiles exemplified in FIGS. FIGS. 20 and 21 exemplify the fluorescence intensity distributions in the horizontal direction (X-axis direction) and the optical axis direction (Z-axis direction) in the focal plane near the focal point when the non-resonant two-photon excitation process is used, respectively. It was done. Equation 17 was used for the calculation. Assuming that the sample was stained with rhodamine 6G, the calculation was performed assuming that the erase light had a wavelength of 1197 nm and a photon flux of 10 32 photons / cm2 / sec.

【0107】たとえば、パルス幅30psecのレーザー光
を想定し、NA=0.75の無収差レンズで集光する
と、スペックは大体10μJ/pulseであり、光強度とし
ては極めて弱く、市販のレーザーでも十分賄える現実的
な値である。図20から明らかなように、非共鳴二光子
励起過程を用いたこの発明の二重共鳴吸収顕微鏡では、
ポンプ光の波長1064nmを単位として、約λ/20
の蛍光サイズが実現していることが分かる。言い換える
と、赤外光を利用して50nmの空間分解能が得られる
ことを示している。一方、図21は光軸方向の深さ分解
能を示しているが、約4λの深さ分解能を得ている。
For example, assuming a laser beam having a pulse width of 30 psec and condensing with an aberration-free lens having an NA of 0.75, the specification is approximately 10 μJ / pulse, the light intensity is extremely weak, and a commercially available laser is sufficient. It is a realistic value that can be covered. As is clear from FIG. 20, in the double resonance absorption microscope of the present invention using the non-resonant two-photon excitation process,
When the wavelength of the pump light is 1064 nm, about λ / 20
It can be seen that the fluorescent size of has been realized. In other words, it indicates that a spatial resolution of 50 nm can be obtained using infrared light. On the other hand, FIG. 21 shows the depth resolution in the optical axis direction, and a depth resolution of about 4λ is obtained.

【0108】また、図22は、図20と図21で計算し
た蛍光強度分布を空間周波数領域にフーリエ変換した場
合の空間分解能を例示したものである。この図22から
明らかなように、この発明によって、従来の二重共鳴吸
収顕微鏡では得られなかった光軸方向の深さ分解能があ
ることが分かる。すなわち、光軸であるk1z方向に周
波数成分を持っていることに対応する。
FIG. 22 illustrates the spatial resolution when the fluorescence intensity distribution calculated in FIGS. 20 and 21 is Fourier-transformed into the spatial frequency domain. As is apparent from FIG. 22, according to the present invention, there is a depth resolution in the optical axis direction that cannot be obtained by the conventional double resonance absorption microscope. That is, this corresponds to having a frequency component in the k1z direction which is the optical axis.

【0109】以上より、図14に例示したこの発明の二
重共鳴吸収顕微鏡は、ポンプ光およびイレース光の空間
的重合せによる横方向の超解像性とともに、非共鳴二光
子励起過程による縦方向(深さ方向)の空間分解能をも
獲得できることがわかる。なお、位相板(6)をイレー
ス光の光路に対して挿脱自在なものとしておくことで、
蛍光信号の測定において深さ分解能のみを求める場合に
は位相板(6)を外し、平面分解能をも同時に求める場
合には位相板(6)を挿入するようにして、いずれかを
選択自在とすることもできる。
As described above, the double resonance absorption microscope of the present invention illustrated in FIG. 14 has a lateral super-resolution by the spatial superposition of the pump light and the erase light, and a vertical direction by the non-resonant two-photon excitation process. It can be seen that spatial resolution in the (depth direction) can also be obtained. By setting the phase plate (6) to be removable from the optical path of the erase light,
The phase plate (6) is removed when only the depth resolution is required in the measurement of the fluorescence signal, and the phase plate (6) is inserted when the planar resolution is also required at the same time, so that either one can be selected. You can also.

【0110】[実施例3]さて、上述した図14の二重
共鳴吸収顕微鏡は、S0→S1励起(ポンプ光)およびS
1→S2励起(イレース光)の両方に非共鳴二光子励起過
程を用いた場合のものであるが、この発明では、S0
1励起またはS1→S2励起のいずれか一方に非共鳴二
光子励起過程を用いることも可能である。
Example 3 The double resonance absorption microscope of FIG. 14 described above shows that the S 0 → S 1 excitation (pump light) and the S
1 → S 2 excitation but those in the case of using the non-resonant two-photon excitation process to both (erase light), in the present invention, S 0
It is also possible to use a non-resonant two-photon excitation process for either the S 1 excitation or the S 1 → S 2 excitation.

【0111】図23は、S0→S1励起には一光子励起過
程を、S1→S2励起には非共鳴二光子励起過程を用いた
場合のこの発明の二重共鳴吸収顕微鏡を例示したもので
ある。この図23の二重共鳴吸収顕微鏡は、図14と同
様に、レーザー走査型蛍光顕微鏡を構成しており、ポン
プ光およびイレース光の照射領域の一部重合せをも行い
得る態様であり、非共鳴多光子励起過程は非共鳴二光子
励起過程を用いるとし、試料(114)は、蛍光ラベラ
ー分子としてのローダミン6Gにより染色した生体試料
であるとする。
FIG. 23 illustrates a double resonance absorption microscope of the present invention in which a one-photon excitation process is used for S 0 → S 1 excitation and a non-resonant two-photon excitation process is used for S 1 → S 2 excitation. It was done. The double resonance absorption microscope of FIG. 23 constitutes a laser scanning fluorescence microscope similarly to FIG. 14, and is an embodiment in which the irradiation area of the pump light and the erase light can be partially polymerized. It is assumed that the resonance multiphoton excitation process uses a non-resonant two-photon excitation process, and the sample (114) is a biological sample stained with rhodamine 6G as a fluorescent labeler molecule.

【0112】したがって、ポンプ光は、通常の一光子励
起過程でのS0→S1励起に必要な光子エネルギーE01
約2.33eV・波長λ1=約532nmとなり、イレ
ース光は非共鳴二光子励起過程でのS1→S2励起に必要
な光子エネルギーE12/2=約1.036eV・波長2
λ2=約1197nmとなる。
Therefore, the pump light has a photon energy E 01 = E 01 = necessary for S 0 → S 1 excitation in the ordinary one-photon excitation process.
About 2.33 eV · wavelength lambda 1 = about 532nm, and the erase light-resonant two-photon excitation S in the process 1 → S 2 photon energy required for excitation E 12/2 = about 1.036EV · Wavelength 2
λ 2 = about 1197 nm.

【0113】まず、一光子励起過程によるポンプ光は、
ハーフミラー(102)により分光されたNd:YAG
レーザー(101)からの波長1064nm・パルス幅
30psecの基本波がKTP結晶(103)を通過するこ
とで2倍波(波長532nm)に変換されて、生成され
る。このポンプ光は、テレスコープ(104)で拡大さ
れ、反射ミラー(105)によりビームコンバイナーと
してのダイクロイックミラー(111)へ入射される。
First, the pump light due to the one-photon excitation process is:
Nd: YAG separated by half mirror (102)
A fundamental wave having a wavelength of 1064 nm and a pulse width of 30 psec from the laser (101) passes through the KTP crystal (103) and is converted into a second harmonic (wavelength of 532 nm) to be generated. The pump light is enlarged by a telescope (104) and is incident on a dichroic mirror (111) as a beam combiner by a reflection mirror (105).

【0114】他方、非共鳴二光子励起過程によるイレー
ス光は、ハーフミラー(102)により分光された他方
の基本波がラマンシフター(106)を通過することで
波長1197.4nmの一次ストークス光が発生して、
生成される。ラマンシフター(106)は、図14の場
合と同様、Ba(NO3)2結晶からなり、結晶光子の共鳴波数
1047cm-1の整数倍で、長波長側(光子エネルギーで
言えば低エネルギー側)の入射光を波長変換するもので
ある。このイレース光は、テレスコープ(107)で拡
大された後、位相板(108)で中空ビーム化される。
On the other hand, as for the erase light by the non-resonant two-photon excitation process, the primary Stokes light having a wavelength of 1197.4 nm is generated when the other fundamental wave separated by the half mirror (102) passes through the Raman shifter (106). do it,
Generated. As in the case of FIG. 14, the Raman shifter (106) is made of Ba (NO 3 ) 2 crystal and has an integral multiple of the resonance wave number of the crystal photon of 1047 cm −1 and has a longer wavelength side (lower energy side in terms of photon energy). The wavelength of the incident light is converted. The erase light is expanded by a telescope (107) and then converted into a hollow beam by a phase plate (108).

【0115】図24(b)は、波長1197nm用の位
相板(108)の一例を示したものである。図24
(b)に例示した位相板(108)は、図24(a)に
その断面を例示したように、ガラス基板上の領域を4分
割して、それぞれの領域にフッ化マグネシュームを蒸着
したものであり、各領域においてフッ化マグネシューム
の膜厚を変化させて、波長1197nmに対して光軸に
点対称な位置の領域を通過したイレース光の位相が互い
にπだけずれるようにしてある。結果として、光軸上で
強度がゼロとなる理想的な中空ビーム形状を持つイレー
ス光が生成できる。なお、位相板(108)は挿脱自在
とされ、イレース光の中空ビーム化は任意に選択可能と
なっていることが好ましい。ここでは、横方向超解像性
を付与すべく、イレース光は中空ビーム化されて、ポン
プ光の一部分にのみ中空ビームイレース光が重ね合わさ
れるとして説明する。
FIG. 24 (b) shows an example of a phase plate (108) for a wavelength of 1197 nm. FIG.
The phase plate (108) illustrated in (b) is obtained by dividing a region on a glass substrate into four parts and depositing magnesium fluoride in each region as illustrated in the cross section in FIG. 24 (a). In addition, the thickness of the magnesium fluoride is changed in each region so that the phases of the erase lights that have passed through the regions that are point-symmetrical to the optical axis with respect to the wavelength of 1197 nm are shifted from each other by π. As a result, erase light having an ideal hollow beam shape with zero intensity on the optical axis can be generated. It is preferable that the phase plate (108) can be inserted and removed, and the hollow beam of the erase light can be arbitrarily selected. Here, a description will be given assuming that the erase light is formed into a hollow beam so as to provide the horizontal super-resolution, and the hollow beam erase light is superimposed only on a part of the pump light.

【0116】中空ビーム化されたイレース光は、反射ミ
ラー(109)によりダイクロイックミラー(111)
へ入射される。反射ミラー(109)とダイクロイック
ミラー(111)の間の光路にはノッチフィルター(1
10)が挿入されており、イレース光がこのノッチフィ
ルター(110)を通過することで、ラマンシフター
(106)で変換できなかったNd:YAGレーザー
(101)の基本波である波長1064nm光をカット
して、完全に波長1197nmのイレース光のみとされ
る。
The erase beam converted into a hollow beam is converted into a dichroic mirror (111) by a reflection mirror (109).
Incident on A notch filter (1) is provided in the optical path between the reflection mirror (109) and the dichroic mirror (111).
10) is inserted, and when the erase light passes through the notch filter (110), the light having a wavelength of 1064 nm, which is the fundamental wave of the Nd: YAG laser (101) which cannot be converted by the Raman shifter (106), is cut. Thus, only the erase light having a wavelength of 1197 nm is completely obtained.

【0117】そして、光子エネルギーE01=約2.33
eV・波長λ1=約532nmのポンプ光および光子エ
ネルギーE12/2=約1.036eV・波長2λ2=約
1197nmのイレース光は、ダイクロイックミラー
(111)によって同軸光とされ、試料観察光学系に導
かれる。
Then, the photon energy E 01 = about 2.33
eV · Wavelength lambda 1 = erase light of the pump light and the photon energy E 12/2 = about 1.036EV · Wavelength 2 [lambda] 2 = about 1197nm to about 532nm is a coaxial light by the dichroic mirror (111), a sample observation optical system It is led to.

【0118】なお、図23ではKTP結晶(103)は
ハーフミラー(102)のポンプ光光路側に設けられて
いるが、ハーフミラー(102)の入射側に設けられて
いてもイレース光は生成できる。すなわち、KTP結晶
(103)を通過しても2倍波に変換されない基本波が
あるため、レーザー強度が十分あれば、ラマンシフター
(106)へ未変換基本波が入射されて、S1→S2励起
に必要な強度のイレース光を生成することができる。
In FIG. 23, the KTP crystal (103) is provided on the side of the pump light path of the half mirror (102), but the erase light can be generated even if it is provided on the incident side of the half mirror (102). . That is, since there is a fundamental wave that is not converted into a second harmonic even after passing through the KTP crystal (103), if the laser intensity is sufficient, the unconverted fundamental wave is incident on the Raman shifter (106), and S 1 → S (2 ) Erase light having the intensity required for excitation can be generated.

【0119】同軸光とされたポンプ光および中空ビーム
イレース光は、ハーフミラー(112)で試料観察光学
系の光軸上に乗り、対物レンズ(113)により試料面
上に集光される。
The pump light and the hollow beam erase light, which have been converted into coaxial light, ride on the optical axis of the sample observation optical system by the half mirror (112) and are focused on the sample surface by the objective lens (113).

【0120】本実施例では、試料(114)の後側にも
観察用の顕微鏡光学系が設けられており、試料(11
4)の透過光は、透過光用レンズ(116a)(116
b)を介してCCDカメラ(119)により観察され
る。
In this embodiment, a microscope optical system for observation is also provided on the rear side of the sample (114).
The transmitted light of 4) is transmitted light lenses (116a) and (116).
Observed by a CCD camera (119) via b).

【0121】他方、試料面から発光した蛍光は、対物レ
ンズ(113)およびハーフミラー(112)を通過し
て、ノッチフィルター(118)を通過する。このノッ
チフィルター(118)は、波長λ1532nmのポン
プ光の迷光をカットする。イレース光は、波長2λ2
あるので蛍光信号に混入しないため、ノッチフィルター
などを用いて蛍光信号から除去する必要はない。
On the other hand, the fluorescent light emitted from the sample surface passes through the objective lens (113) and the half mirror (112), and passes through the notch filter (118). The notch filter (118) cuts the stray light of the pump light of wavelength lambda 1 532 nm. Erase light, because not mixed into the fluorescent signal since the wavelength 2 [lambda] 2, need not be removed from the fluorescent signal by using a notch filter.

【0122】そして、ポンプ光の迷光が除去された蛍光
は、結像レンズ(119)により共焦点位置に置かれた
ピンホール(120)径上に集光され、ピンホール(1
23)を通過して分光器(121)で波長分光された
後、その蛍光スペクトルがICCDカメラ(122)で
直接撮像される。
The fluorescent light from which the stray light of the pump light has been removed is condensed on the diameter of the pinhole (120) placed at the confocal position by the imaging lens (119), and is then focused on the pinhole (1).
After passing through 23) and being spectrally separated by the spectroscope (121), the fluorescence spectrum is directly imaged by the ICCD camera (122).

【0123】蛍光信号は、ポンプ光および中空ビームイ
レース光の重合せ照射によって優れた平面解像を持つと
ともに、イレース光についての非共鳴二光子励起過程に
よって優れた深さ解像を持つものとなる。もちろん、ポ
ンプ光およびイレース光ともに背景光として蛍光信号に
混入しないので、S/Nも極めて高いものとなる。
The fluorescence signal has an excellent plane resolution due to the superposition of the pump light and the hollow beam erase light, and also has an excellent depth resolution due to the non-resonant two-photon excitation process for the erase light. . Of course, since neither the pump light nor the erase light is mixed into the fluorescent light signal as background light, the S / N becomes extremely high.

【0124】このような蛍光信号の三次元画像化は、た
とえばコンピュータ(図示していない)を用いて以下の
ように行うことができる。
The three-dimensional imaging of such a fluorescence signal can be performed, for example, using a computer (not shown) as follows.

【0125】試料が搭載されている三次元移動ステージ
(115)をポンプ光およびイレースの光軸に対して直
交する面で二次元走査を行いつつ、光軸方向にも一次元
移動させる。各走査ポイントからの蛍光信号がICCD
カメラ(122)からコンピュータに入力される。各蛍
光信号データをグラフィック化すれば、試料(114)
の三次元蛍光像が得られる。より具体的には、コンピュ
ータは、基本光源としてのNd:YAGレーザー(10
1)のコントローラー(図示していない)を駆動して、
レーザー発振のタイミングを制御すると同時に、三次元
移動ステージ(115)を制御して、レーザー発振のタ
イミングとの同期により試料(114)を三次元走査す
る。また同様に、レーザー発振との同期によりICCD
カメラ(122)から試料(114)の蛍光スペクトル
信号のデータをコンピュータへ入力する。
The three-dimensional moving stage (115) on which the sample is mounted is moved one-dimensionally in the optical axis direction while performing two-dimensional scanning on a plane orthogonal to the optical axes of the pump light and the erase. The fluorescent signal from each scanning point is ICCD
Input from the camera (122) to the computer. If each fluorescence signal data is visualized, the sample (114)
Is obtained. More specifically, the computer uses an Nd: YAG laser (10
By driving the controller (not shown) of 1),
At the same time as controlling the laser oscillation timing, the three-dimensional movement stage (115) is controlled, and the sample (114) is three-dimensionally scanned in synchronization with the laser oscillation timing. Similarly, ICCD is synchronized with laser oscillation.
The data of the fluorescence spectrum signal of the sample (114) is input to the computer from the camera (122).

【0126】ここで、ポンプ光およびイレース光のパル
ス幅30psecは、ローダミン6G分子の蛍光寿命3nsec
よりも遙かに短いため、前述した時間分解計測法を利用
してICCDカメラ(122)の計測時間ゲートやN
d:YAGレーザー(101)の光路長を調整すること
ができる。たとえば前述の図15に例示したタイミング
でいうと、tpがポンプ光のパルス幅30psec、teがイ
レース光のパルス幅30psec、tgがICCDカメラ
(122)の計測ゲートとなる。これにより、万一、極
少量のポンプやイレース光が蛍光信号に混入したとして
も、蛍光計測時にはICCDカメラ(122)に混入し
ないように制御でき、さらなるS/N向上が実現され
る。
Here, the pulse width of the pump light and the erase light of 30 psec corresponds to the fluorescence lifetime of the rhodamine 6G molecule of 3 nsec.
Therefore, the measurement time gate of the ICCD camera (122) and N
d: The optical path length of the YAG laser (101) can be adjusted. For example, say at a timing illustrated in FIG. 15 described above, t p is the pulse width 30psec of the pump light, t e is the pulse width 30psec of the erase light, t g is the measurement gate of ICCD camera (122). As a result, even if a very small amount of pump or erase light is mixed in the fluorescence signal, it can be controlled so as not to be mixed in the ICCD camera (122) at the time of fluorescence measurement, and a further improvement in S / N is realized.

【0127】この時間分解計測法を用いる場合には、ノ
ッチフィルター(118)を外して構成の簡素化を図っ
てもよい。もちろん、光学系構成よりもS/Nを重視す
る場合には、ノッチフィルター(118)を残したま
ま、時間分解計測法を併用することができる。
When this time-resolved measurement method is used, the structure may be simplified by removing the notch filter (118). Of course, if the S / N is more important than the optical system configuration, the time-resolved measurement method can be used together with the notch filter (118) remaining.

【0128】なお、図23の例では、三次元移動ステー
ジ(115)のメカニカルスキャンを前提にしている
が、もちろん、ハーフミラー(111)を揺動するガル
バノミラーにより、レーザービーム自体を走査すること
も可能である。
In the example of FIG. 23, the mechanical scan of the three-dimensional moving stage (115) is premised. However, it is needless to say that the laser beam itself is scanned by the galvanomirror that swings the half mirror (111). Is also possible.

【0129】ところで、以上の本実施例の二重共鳴吸収
顕微鏡はS0→S1励起に一光子励起過程を、S1→S2
起に非共鳴二光子励起過程を用いた場合の構成となって
いるが、その逆に、S0→S1励起には非共鳴二光子励起
過程を、S1→S2励起には一光子励起過程を用いた構成
として、上述と同様な効果を実現することももちろん可
能である。この場合、ポンプ光については、ポンプ光光
路上のKTP結晶(103)を外して、Nd:YAGレ
ーザー(101)の基本波1064nm(=2λ1)を
そのままポンプ光として利用する。イレース光について
は、KTP結晶(103)をラマンシフター(106)
の入射側のイレース光光路上に挿入して、KTP結晶
(103)により基本波1064nmを2倍波532n
mに変換させ、ラマンシフター(106)により2倍波
532nmから599nm(=λ2)の二次ストークス
光を生成させて、それをイレース光として利用する。ま
た、位相板(108)としては、図24(c)に例示し
たように波長599nmに対応させたものを用い、59
9nmのイレース光は理想的な中空ビームとなる。ノッ
チフィルター(118)としては、599nmのイレー
ス光の迷光をカットできるものを用いる。
Incidentally, the double resonance absorption microscope of this embodiment described above has a configuration in which a one-photon excitation process is used for S 0 → S 1 excitation and a non-resonant two-photon excitation process is used for S 1 → S 2 excitation. On the contrary, the same effect as above is realized by using a non-resonant two-photon excitation process for S 0 → S 1 excitation and a one- photon excitation process for S 1 → S 2 excitation. It is of course possible to do so. In this case, with respect to the pump light, the KTP crystal (103) on the pump light path is removed, and the fundamental wave of 1064 nm (= 2λ 1 ) of the Nd: YAG laser (101) is used as the pump light as it is. As for the erase light, the KTP crystal (103) is converted into a Raman shifter (106).
And the KTP crystal (103) is used to insert the fundamental wave 1064 nm into the second harmonic 532n.
m, and a secondary Stokes light having a second harmonic of 532 nm to 599 nm (= λ 2 ) is generated by the Raman shifter (106), and is used as erase light. A phase plate (108) corresponding to a wavelength of 599 nm as shown in FIG.
The 9-nm erase light becomes an ideal hollow beam. As the notch filter (118), a filter capable of cutting off stray light of 599 nm erase light is used.

【0130】この発明は以上の例に限定されるものでは
なく、細部については様々な態様が可能であることは言
うまでもない。たとえば、以上の実施例は蛍光ラベラー
分子の一代表例としてローダミン6Gを用いて試料を染
色した場合のものであるが、その他の蛍光ラベラー分子
を用いても、同様に優れたS/N向上、三次元空間分解
能を実現できる。蛍光ラベラー分子に合わせて、光学的
非線形効果を用いた波長可変のOPA、OPO、OPG
レーザーシステムなどを用いて、然るべき光子エネルギ
ー・波長のポンプ光およびイレース光を発生させれば良
い。
The present invention is not limited to the above-described example, and it goes without saying that various embodiments are possible in detail. For example, in the above examples, a sample is stained using rhodamine 6G as a typical example of a fluorescent labeler molecule. 3D spatial resolution can be realized. Wavelength-tunable OPA, OPO, OPG using optical nonlinear effect according to fluorescent labeler molecule
A laser system or the like may be used to generate pump light and erase light of appropriate photon energy and wavelength.

【0131】[0131]

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、励起光の蛍光信号への混入を抑制して、
極めて優れたS/Nを達成することができ、且つ、優れ
た三次元空間分解能をも実現できる、新しい二重共鳴吸
収顕微鏡が提供される。
As described above in detail, according to the invention of this application, the excitation light is prevented from being mixed into the fluorescent signal,
A new dual resonance absorption microscope capable of achieving extremely excellent S / N and also achieving excellent three-dimensional spatial resolution is provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】基底状態の試料分子の電子配置を例示した図で
ある。
FIG. 1 is a diagram illustrating the electron configuration of a sample molecule in a ground state.

【図2】S1状態に励起された試料分子の電子配置を例
示した図である。
FIG. 2 is a diagram exemplifying an electron configuration of a sample molecule excited to an S 1 state.

【図3】S2状態に励起された試料分子の電子配置を例
示した図である。
FIG. 3 is a diagram exemplifying an electron arrangement of a sample molecule excited to an S 2 state.

【図4】脱励起した試料分子の電子配置を例示した図で
ある。
FIG. 4 is a diagram illustrating an electron configuration of a sample molecule that has been deexcited.

【図5】二重共鳴吸収過程を例示した概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a double resonance absorption process.

【図6】二重共鳴吸収過程を空間的に例示した概念図で
ある。
FIG. 6 is a conceptual diagram spatially illustrating a double resonance absorption process.

【図7】ポンプ光およびイレース光の一部重合せおよび
それによる蛍光抑制を例示した概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram exemplifying partial polymerization of pump light and erase light and suppression of fluorescence by the polymerization.

【図8】中空ビーム化用の位相板について例示した概念
図である。
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a phase plate for forming a hollow beam.

【図9】ローダミン6Gの吸収特性(実線)および蛍光
特性(点線)を例示した図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the absorption characteristics (solid line) and the fluorescence characteristics (dotted line) of Rhodamine 6G.

【図10】非共鳴二光子励起過程を例示した概念図であ
る。
FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a non-resonant two-photon excitation process.

【図11】この出願の発明における非共鳴二光子励起過
程を用いた二重共鳴吸収過程を例示した概念図である。
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a double resonance absorption process using a non-resonant two-photon excitation process in the invention of this application.

【図12】励起光と吸収帯域および蛍光帯域との関係を
例示した図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between excitation light, an absorption band, and a fluorescence band.

【図13】(a)(b)は、各々、一光子励起過程およ
び非共鳴二光子励起過程の場合における空間分解能を例
示した概念図である。
FIGS. 13A and 13B are conceptual diagrams illustrating the spatial resolution in the case of a one-photon excitation process and a case of a non-resonant two-photon excitation process, respectively.

【図14】この出願の発明の二重共鳴吸収顕微鏡の一実
施例を示した概略図である。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an embodiment of the double resonance absorption microscope of the invention of this application.

【図15】時間分解計測法における照射・測定タイミン
グの一例を示した図である。
FIG. 15 is a diagram showing an example of irradiation / measurement timing in the time-resolved measurement method.

【図16】中空ビーム化用の位相板の一例を示した概略
図である。
FIG. 16 is a schematic view showing an example of a phase plate for forming a hollow beam.

【図17】一光子励起過程(点線)および非共鳴二光子
励起過程(実線)を用いた場合における、焦平面内のX
軸方向の蛍光強度分布を例示した図である。
FIG. 17 shows X in the focal plane when a one-photon excitation process (dotted line) and a non-resonant two-photon excitation process (solid line) are used.
It is the figure which illustrated the fluorescence intensity distribution of the axial direction.

【図18】一光子励起過程(点線)および非共鳴二光子
励起過程(実線)を用いた場合における、焦点を原点と
したZ軸方向の蛍光強度分布を例示した図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating a fluorescence intensity distribution in the Z-axis direction with the focal point as the origin when a one-photon excitation process (dotted line) and a non-resonant two-photon excitation process (solid line) are used.

【図19】一光子励起過程(点線)および非共鳴二光子
励起過程(実線)を用いた場合における、焦平面内のX
軸方向のS1→S2励起確率を例示した図である。
FIG. 19 shows X in the focal plane when a one-photon excitation process (dotted line) and a non-resonant two-photon excitation process (solid line) are used.
It is the figure which illustrated S1 → S2 excitation probability of an axial direction.

【図20】非共鳴二光子励起過程を用いた場合における
焦平面内のX軸方向の蛍光強度分布を例示した図であ
る。
FIG. 20 is a diagram illustrating a fluorescence intensity distribution in the X-axis direction in the focal plane when a non-resonant two-photon excitation process is used.

【図21】非共鳴2光子励起過程を用いた場合における
Z軸方向の蛍光強度分布を例示した図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a fluorescence intensity distribution in the Z-axis direction when a non-resonant two-photon excitation process is used.

【図22】非共鳴2光子励起過程を用いた場合における
空間分解能を例示した概念図である。
FIG. 22 is a conceptual diagram illustrating a spatial resolution when a non-resonant two-photon excitation process is used.

【図23】この出願の発明の二重共鳴吸収顕微鏡の別の
一実施例を示した概略図である。
FIG. 23 is a schematic view showing another embodiment of the double resonance absorption microscope of the invention of this application.

【図24】(a)(b)(c)は、各々、位相板の概略
断面、波長1197.4nm光用の位相板の概略平面、
波長599nm光用の位相板の概略平面を例示した図で
ある
24 (a), (b) and (c) are schematic cross sections of a phase plate, a schematic plane of a phase plate for light having a wavelength of 1197.4 nm, respectively.
It is the figure which illustrated the schematic plane of the phase plate for wavelength 599nm light.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Nd:YAGレーザー 2、8 ハーフミラー 3 ラマンシフター 4、5 反射ミラー 6 位相板 7 ダイクロイックミラー 9 対物レンズ 10 試料 11 三次元移動ステージ 12 赤外線カットフィルター 13 接眼レンズ 14 光電子倍増管 101 Nd:YAGレーザー 102、112 ハーフミラー 103 KTP結晶 104、107 テレスコープ 105、109 反射ミラー 106 ラマンシフター 108 位相板 110、118 ノッチフィルター 111 ダイクロイックミラー 113 対物レンズ 114 試料 115 三次元移動ステージ 116a,116b 透過光用レンズ 117 CCDカメラ 119 結像レンズ 120 ピンホール 121 分光器 122 ICCDカメラ Reference Signs List 1 Nd: YAG laser 2,8 half mirror 3 Raman shifter 4,5 reflection mirror 6 phase plate 7 dichroic mirror 9 objective lens 10 sample 11 three-dimensional moving stage 12 infrared cut filter 13 eyepiece 14 photomultiplier tube 101 Nd: YAG laser 102, 112 Half mirror 103 KTP crystal 104, 107 Telescope 105, 109 Reflecting mirror 106 Raman shifter 108 Phase plate 110, 118 Notch filter 111 Dichroic mirror 113 Objective lens 114 Sample 115 Three-dimensional moving stage 116a, 116b Lens for transmitted light 117 CCD camera 119 Imaging lens 120 Pinhole 121 Spectroscope 122 ICCD camera

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 正明 愛知県岡崎市竜美南2−3−1 6号棟 303号 (72)発明者 尾松 孝茂 神奈川県横浜市戸塚区平戸5−10−9 (72)発明者 佐藤 卓 神奈川県川崎市幸区塚越4−320−4− 1209 Fターム(参考) 2G043 AA03 DA02 DA05 EA01 EA02 EA13 FA01 FA02 FA03 GA07 GB19 HA02 HA09 HA15 JA01 JA02 KA01 KA02 KA09 LA02 LA03 MA01 NA01 2H052 AA07 AA09 AC04 AC15 AC27 AC29 AC34 AF07 AF14 AF21 AF25  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Masaaki Fujii 2-3-1 Tatsumi Minami, Okazaki City, Aichi Prefecture Building No. 6, No. 303 (72) Inventor Takashi Omatsu 5-10-9 Hirado, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture (72 ) Inventor Taku Sato 4-320-4-1209 Fuka term (reference) 4320-4-1 Tsukagoshi, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa 2G043 AA03 DA02 DA05 EA01 EA02 EA13 FA01 FA02 FA03 GA07 GB19 HA02 HA09 HA15 JA01 JA02 KA01 KA02 KA09 LA02 LA03 MA01 NA01 2H052 AA07 AA09 AC04 AC15 AC27 AC29 AC34 AF07 AF14 AF21 AF25

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料分子を基底状態から第一電子励起状
態へ励起させるポンプ光の光源と、第一電子励起状態の
試料分子を第二電子励起状態またはより高い励起状態へ
励起させるイレース光の光源とを備え、各励起状態の試
料分子が基底状態へ脱励起する際の発光を検出する二重
共鳴吸収顕微鏡において、 ポンプ光が、基底状態の試料分子を第一電子励起状態へ
励起させる励起エネルギーの1/2以下である光子エネ
ルギーを有していることを特徴とする二重共鳴吸収顕微
鏡。
A pump light source for exciting a sample molecule from a ground state to a first electronic excited state, and an erase light for exciting a sample molecule in the first electronic excited state to a second electronic excited state or a higher excited state. In a dual resonance absorption microscope that includes a light source and detects light emission when sample molecules in each excited state are de-excited to the ground state, pump light excites the ground-state sample molecules to the first electronic excited state. A double resonance absorption microscope characterized by having a photon energy that is not more than half of the energy.
【請求項2】 試料分子を基底状態から第一電子励起状
態へ励起させるポンプ光の光源と、第一電子励起状態の
試料分子を第二電子励起状態またはより高い励起状態へ
励起させるイレース光の光源とを備え、各励起状態の試
料分子が基底状態へ脱励起する際の発光を検出する二重
共鳴吸収顕微鏡において、 イレース光が、第一電子励起状態の試料分子を第二電子
励起状態へ励起させる励起エネルギーの1/2以下であ
る光子エネルギーを有していることを特徴とする二重共
鳴吸収顕微鏡。
2. A pump light source for exciting a sample molecule from a ground state to a first electronic excited state, and an erase light for exciting a sample molecule in the first electronic excited state to a second electronic excited state or a higher excited state. In a double resonance absorption microscope that includes a light source and detects light emission when sample molecules in each excited state are de-excited to the ground state, the erase light changes the sample molecules in the first electronic excited state to the second electronic excited state. A double resonance absorption microscope having a photon energy that is equal to or less than half the excitation energy to be excited.
【請求項3】 試料分子を基底状態から第一電子励起状
態へ励起させるポンプ光の光源と、第一電子励起状態の
試料分子を第二電子励起状態またはより高い励起状態へ
励起させるイレース光の光源とを備え、各励起状態の試
料分子が基底状態へ脱励起する際の発光を検出する二重
共鳴吸収顕微鏡において、 ポンプ光が、基底状態の試料分子を第一電子励起状態へ
励起させる励起エネルギーの1/2以下である光子エネ
ルギーを有しており、イレース光が、第一電子励起状態
の試料分子を第二電子励起状態へ励起させる励起エネル
ギーの1/2以下である光子エネルギーを有しているこ
とを特徴とする二重共鳴吸収顕微鏡。
3. A pump light source for exciting a sample molecule from a ground state to a first electronic excited state, and an erase light for exciting the sample molecule in the first electronic excited state to a second electronic excited state or a higher excited state. In a dual resonance absorption microscope that includes a light source and detects light emission when sample molecules in each excited state are de-excited to the ground state, pump light excites the ground-state sample molecules to the first electronic excited state. The erase light has a photon energy that is less than half the excitation energy that excites the sample molecule in the first electronic excited state to the second electronic excited state. A double resonance absorption microscope.
【請求項4】 第一電子励起状態の試料分子からの発光
の光子エネルギー帯域と、第一電子励起状態の試料分子
を第二電子励起状態またはより高い励起状態へ励起させ
る励起エネルギー帯域とが重複している請求項1ないし
3のいずれかの二重共鳴吸収顕微鏡。
4. A photon energy band of light emitted from a sample molecule in a first electronically excited state overlaps with an excitation energy band for exciting a sample molecule in a first electronically excited state to a second electronically excited state or a higher excited state. The double resonance absorption microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項5】 ポンプ光およびイレース光の照射領域を
一部分重ね合わせる重ね手段を備え、この重ね手段を介
してポンプ光およびイレース光を試料に照射することに
より、第一電子励起状態の試料分子が基底状態へ脱励起
する際の発光領域を一部分抑制する請求項1ないし4の
いずれかの二重共鳴吸収顕微鏡。
5. An apparatus for irradiating a sample with the pump light and the erase light through the overlapping means, wherein the sample molecules in the first electronically excited state are provided. The double resonance absorption microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein a light emission region upon deexcitation to a ground state is partially suppressed.
【請求項6】 試料は、基底状態を含め少なくとも三つ
の電子状態を有する蛍光ラベラー分子により染色されて
おり、前記試料分子はこの蛍光ラベラー分子である請求
項1ないし5のいずれかの二重共鳴吸収顕微鏡。
6. The double resonance according to claim 1, wherein the sample is stained with a fluorescent labeler molecule having at least three electronic states including a ground state, and the sample molecule is the fluorescent labeler molecule. Absorption microscope.
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