JP2003066338A - Microscope - Google Patents

Microscope

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JP2003066338A
JP2003066338A JP2001257395A JP2001257395A JP2003066338A JP 2003066338 A JP2003066338 A JP 2003066338A JP 2001257395 A JP2001257395 A JP 2001257395A JP 2001257395 A JP2001257395 A JP 2001257395A JP 2003066338 A JP2003066338 A JP 2003066338A
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JP
Japan
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light
state
light source
sample
wavelength
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Pending
Application number
JP2001257395A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Iketaki
慶記 池滝
Masaaki Fujii
正明 藤井
Takashige Omatsu
尾松  孝茂
Kimihisa Yamamoto
公寿 山元
Tomoo Suzuki
智雄 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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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Priority to US10/103,190 priority patent/US6859313B2/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-function microscope which is capable of detecting the chemical base characterized by a specific vibration level by measuring a photoresponse at a super-high resolution by using light of two wavelengths; a IR ray or far IR ray corresponding to the resonance wavelength excitable to the specific vibration level in the molecules or crystals existing within a sample without using a far UV light source and a ray corresponding to the wavelength excitable to an electron excitation state of a high level from the specific vibration level. SOLUTION: This microscope has the first light source 1 which generates the first light for causing the transition of the molecules in a sample 15 from a base state to the high vibration level of a lowest electron state, the second light sources (1 and 3) which generate the second light for causing the transition of the molecules described above from the high vibration level of the lowest electron state to a quantum state of a higher energy level, optical systems (5, 7 and 9) which partly superpose the irradiation regions of the first light and the second light on each other over the sample 15, and a photodetector 21 which detects the emitted light from the regions irradiated with the first light and the second light on the sample 15.

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】本発明は、顕微鏡に関するも
ので、より詳しくは、2波長の光を用い、そのうち少な
くとも1つの光は赤外線または近赤外線で、試料内に存
在する分子または結晶における特定の振動準位に励起可
能な共鳴波長に対応し、もう一つの光はその振動準位か
ら高位の電子励起状態に励起可能な波長に対応し、これ
ら2波長の光を空間的に1部オーバーラップさせて試料
に照射することにより、光の回折限界より狭い領域から
誘起される光応答(例えば、蛍光)を測定して、特定の
振動準位で特徴づけられる化学基を高感度で検出する高
機能な顕微鏡に関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a microscope, and more particularly, it uses two wavelengths of light, at least one of which is infrared or near infrared, and which is specific to molecules or crystals present in a sample. Corresponding to the resonance wavelength that can be excited to the vibrational level, the other light corresponds to the wavelength that can be excited from the vibrational level to the higher electronic excited state, and these two wavelengths of light partially overlap with each other spatially. And irradiating the sample, the photoresponse (eg, fluorescence) induced from a region narrower than the diffraction limit of light is measured, and the chemical group characterized by a particular vibrational level is detected with high sensitivity. It concerns a functional microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】光学顕微鏡の技術は古く、種々のタイプ
の顕微鏡が開発されてきた。また、近年では、レーザー
技術および電子画像技術をはじめとする周辺技術の進歩
により、更に高機能の顕微鏡システムが開発されてい
る。
2. Description of the Related Art The technique of an optical microscope is old and various types of microscopes have been developed. In recent years, further advanced microscope systems have been developed due to advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic image technology.

【0003】このような背景の中、例えば特開平8−1
84552号公報において、複数波長の光で試料を照明
することにより発する二重共鳴吸収過程を用いて、得ら
れる画像のコントラストの制御のみならず化学分析も可
能にした高機能な顕微鏡が提案されている。
Under such a background, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-1
In Japanese Patent No. 84552, there is proposed a high-performance microscope capable of not only controlling the contrast of an obtained image but also performing chemical analysis by using a double resonance absorption process generated by illuminating a sample with light of a plurality of wavelengths. There is.

【0004】この顕微鏡は、二重共鳴吸収を用いて特定
の分子を選択し、特定の光学遷移に起因する吸収および
蛍光を観測するものである。この原理を図12〜図15
を参照して説明する。図12は、試料を構成する分子の
価電子軌道の電子構造を示すもので、先ず、図12に示
す基底状態(S0状態)の分子がもつ価電子軌道の電子
を波長λ1の光により励起して、図13に示す第1励起
状態(S1状態)とする。次に、別の波長λ2の光によ
り同様に励起して図14に示す第2励起状態(S2状
態)とする。この励起状態により、分子は蛍光あるいは
燐光を発光して、図15に示すように基底状態に戻る。
This microscope uses double resonance absorption to select a specific molecule and observes absorption and fluorescence due to a specific optical transition. This principle is shown in FIGS.
Will be described with reference to. FIG. 12 shows the electronic structure of the valence orbits of the molecules that make up the sample. First, the electrons of the valence orbit of the molecules in the ground state (S0 state) shown in FIG. 12 are excited by light of wavelength λ1. To the first excited state (S1 state) shown in FIG. Next, it is similarly excited with light of another wavelength λ2 to obtain the second excited state (S2 state) shown in FIG. In this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence and returns to the ground state as shown in FIG.

【0005】二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、
図13の吸収過程や図15の蛍光や燐光の発光を用い
て、吸収像や発光像を観察する。この顕微鏡法では、ま
ず最初にレーザー光等により共鳴波長λ1の光で図13
のように試料を構成する分子をS1状態に励起させる
が、この際、単位体積内でのS1状態の分子数は、照射
する光の強度が増加するに従って増加する。
In microscopy using the double resonance absorption process,
The absorption image and the emission image are observed using the absorption process of FIG. 13 and the emission of fluorescence and phosphorescence of FIG. In this microscopic method, first, a laser beam or the like is used to generate light having a resonance wavelength λ1.
As described above, the molecules constituting the sample are excited to the S1 state. At this time, the number of molecules in the S1 state within the unit volume increases as the intensity of the irradiation light increases.

【0006】ここで、線吸収係数は、分子一個当りの吸
収断面積と単位体積当たりの分子数との積で与えられる
ので、図14のような励起過程においては、続いて照射
する共鳴波長λ2に対する線吸収係数は、最初に照射し
た波長λ1の光の強度に依存することになる。すなわ
ち、波長λ2に対する線吸収係数は、波長λ1の光の強
度で制御できることになる。このことは、波長λおよび
波長λ2の2波長の光で試料を照射し、波長λ2による
透過像を撮影すれば、透過像のコントラストは波長λ1
の光で完全に制御できることを示している。
Since the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross section per molecule and the number of molecules per unit volume, in the excitation process as shown in FIG. The linear absorption coefficient with respect to will depend on the intensity of the light having the wavelength λ1 initially irradiated. That is, the linear absorption coefficient for the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light of the wavelength λ1. This means that if the sample is irradiated with light of two wavelengths of wavelength λ and wavelength λ2 and a transmission image with wavelength λ2 is taken, the contrast of the transmission image is wavelength λ1.
It shows that it can be completely controlled by the light.

【0007】また、図14の励起状態での蛍光または燐
光による脱励起過程が可能である場合には、その発光強
度はS1状態にある分子数に比例する。したがって、蛍
光顕微鏡として利用する場合には画像コントラストの制
御が可能となる。
Further, when the deexcitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state of FIG. 14 is possible, the emission intensity thereof is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, when used as a fluorescence microscope, the image contrast can be controlled.

【0008】さらに、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡
法では、上記の画像コントラストの制御のみならず、化
学分析も可能にする。すなわち、図12に示される最外
殻価電子軌道は、各々の分子に固有なエネルギー準位を
持つので、波長λ1は分子によって異なることになり、
同時に波長λ2も分子固有のものとなる。
Further, the microscopy using the double resonance absorption process enables not only the above-mentioned control of image contrast but also chemical analysis. That is, since the outermost shell valence orbit shown in FIG. 12 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 is different depending on the molecule,
At the same time, the wavelength λ2 becomes peculiar to the molecule.

【0009】ここで、従来の単一波長で照明する場合で
も、ある程度特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察
することが可能であるが、一般にはいくつかの分子の吸
収帯の波長領域は重複するので、試料の化学組成の正確
な同定までは不可能である。
Here, it is possible to observe an absorption image or a fluorescence image of a specific molecule to some extent even when illuminating with a conventional single wavelength, but generally, the wavelength range of the absorption band of some molecules is Due to the overlap, accurate identification of the chemical composition of the sample is not possible.

【0010】これに対し、二重共鳴吸収過程を用いた顕
微鏡法では、波長λ1および波長λ2の2波長により吸
収あるいは発光する分子を限定するので、従来法よりも
正確な試料の化学組成の同定が可能となる。また、価電
子を励起する場合、分子軸に対して特定の電場ベクトル
をもつ光のみが強く吸収されるので、波長λ1および波
長λ2の偏光方向を決めて吸収または蛍光像を撮影すれ
ば、同じ分子でも配向方向の同定まで可能となる。
On the other hand, in the microscopic method using the double resonance absorption process, since the molecules that absorb or emit light are limited by the two wavelengths of wavelength λ1 and wavelength λ2, the chemical composition of the sample can be identified more accurately than the conventional method. Is possible. Further, when exciting a valence electron, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization direction of wavelength λ1 and wavelength λ2 is determined and an absorption or fluorescence image is taken, the same result is obtained. Even molecules can be identified in the orientation direction.

【0011】また、最近では、例えば特開平10−14
2151号公報に開示されているように、二重共鳴吸収
過程を用いて回折限界を越える高い空間分解能をもつ蛍
光顕微鏡も提案されている。図16は、分子における二
重共鳴吸収過程の概念図で、基底状態S0の分子が、波
長λ1の光で第1励起状態であるS1に励起され、更に
波長λ2の光で第2励起状態であるS2に励起されてい
る様子を示している。なお、図16はある種の分子のS
2からの蛍光が極めて弱いことを示している。
Recently, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-14
As disclosed in Japanese Patent No. 2151, a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding the diffraction limit by using a double resonance absorption process has also been proposed. FIG. 16 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule. A molecule in the ground state S0 is excited to S1 which is a first excited state by light having a wavelength λ1, and further in a second excited state by light having a wavelength λ2. It shows a state of being excited by a certain S2. Note that FIG. 16 shows S of a certain molecule.
It shows that the fluorescence from 2 is extremely weak.

【0012】図16に示すような光学的性質を持つ分子
の場合には、極めて興味深い現象が起きる。図17は、
図16と同じく二重共鳴吸収過程の概念図で、横軸のX
軸は空間的距離の広がりを表わし、波長λ2の光を照射
した空間領域A1と波長λ2の光が照射されない空間領
域A0とを示している。
An extremely interesting phenomenon occurs in the case of a molecule having optical properties as shown in FIG. Figure 17
Similar to FIG. 16, it is a conceptual diagram of the double resonance absorption process.
The axis represents the spread of the spatial distance, and shows the spatial area A1 irradiated with the light of wavelength λ2 and the spatial area A0 not irradiated with the light of wavelength λ2.

【0013】図17において、空間領域A0では波長λ
1の光の励起によりS1状態の分子が多数生成され、そ
の際に空間領域A0からは波長λ3で発光する蛍光が見
られる。しかし、空間領域A1では、波長λ2の光を照
射したため、S1状態の分子のほとんどが即座に高位の
S2状態に励起されて、S1状態の分子は存在しなくな
る。このような現象は、幾つかの分子により確認されて
いる。これにより、空間領域A1では、波長λ3の蛍光
は完全になくなり、しかもS2状態からの蛍光はもとも
とないので、空間領域A1では蛍光自体が完全に抑制さ
れ、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。
In FIG. 17, in the spatial area A0, the wavelength λ
A large number of molecules in the S1 state are generated by the excitation of light of No. 1, and at that time, fluorescence emitted at the wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the space region A1, since the light having the wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher S2 state, and the molecules in the S1 state do not exist. This phenomenon has been confirmed by some molecules. As a result, the fluorescence of wavelength λ3 completely disappears in the spatial area A1, and since the fluorescence from the S2 state does not exist originally, the fluorescence itself is completely suppressed in the spatial area A1 and the fluorescence is emitted only from the spatial area A0. Become.

【0014】このことは、顕微鏡の応用分野から考察す
ると、極めて重要な意味を持っている。すなわち、従来
の走査型レーザー顕微鏡等では、レーザー光を集光レン
ズによりマイクロビームに集光して観察試料上を走査す
るが、その際のマイクロビームのサイズは、集光レンズ
の開口数と波長とで決まる回折限界となり、原理的にそ
れ以上の空間分解能は期待できない。
This has a very important meaning when considered from the application field of the microscope. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, laser light is condensed into a microbeam by a condenser lens to scan an observation sample, and the size of the microbeam at that time is the numerical aperture and wavelength of the condenser lens. The diffraction limit is determined by and, and in principle, a higher spatial resolution cannot be expected.

【0015】ところが、図17の場合には、波長λ1と
波長λ2との2種類の光を空間的に上手く重ね合わせ
て、波長λ2の光の照射により蛍光領域を抑制すること
で、例えば波長λ1の光の照射領域に着目すると、蛍光
領域を集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界よ
りも狭くでき、実質的に空間分解能を向上させることが
可能となる。したがって、この原理を利用することで、
回折限界を越える二重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微
鏡、例えば蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。
However, in the case of FIG. 17, two kinds of light of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 are spatially superposed well, and the fluorescent region is suppressed by the irradiation of the light of the wavelength λ2. Focusing on the light irradiation area, the fluorescent area can be made narrower than the diffraction limit determined by the numerical aperture and wavelength of the condenser lens, and the spatial resolution can be substantially improved. Therefore, by using this principle,
It becomes possible to realize a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope, which uses a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit.

【0016】さらに、顕微鏡の超解像性を高めるため、
例えば特開平11−95120号公報において、超解像
顕微鏡の機能を十分に活かすための蛍光ラベラー分子
や、利用する波長λ1および波長λ2の2つの光の試料
への照射タイミング等が開示されている。この先行技術
では、少なくとも基底状態を含む3つの量子状態を有
し、第1励起状態を除く高位のエネルギー状態から基底
状態へ脱励起するときの遷移が蛍光による緩和過程より
も熱緩和過程が支配的である各種分子を染色する蛍光プ
ローブ分子と、生化学的な染色技術を施した生体分子と
を化学結合させた試料を、染色する分子を励起する波長
λ1の光でS1状態に励起し、続いて波長λ2の光によ
り即座に高位の量子準位に励起することで、S1状態か
らの蛍光を抑制するようにしている。このように分子の
光学的性質を利用して、空間的な蛍光領域を人為的に抑
制することで、空間分解能の向上を図ることができる。
Further, in order to enhance the super resolution of the microscope,
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-95120 discloses a fluorescent labeler molecule for fully utilizing the function of the super-resolution microscope, the irradiation timing of two light beams of wavelength λ1 and wavelength λ2 to be used, and the like. . In this prior art, there are three quantum states including at least the ground state, and the transition at the time of deexcitation from a higher energy state excluding the first excited state to the ground state is dominated by the thermal relaxation process rather than the relaxation process by fluorescence. A sample in which a fluorescent probe molecule that stains various target molecules is chemically bound to a biomolecule that has undergone a biochemical staining technique is excited to the S1 state with light having a wavelength λ1 that excites the molecule to be stained, Then, the fluorescence from the S1 state is suppressed by immediately exciting it to a higher quantum level with light of wavelength λ2. In this way, the spatial resolution can be improved by artificially suppressing the spatial fluorescent region by utilizing the optical properties of the molecule.

【0017】このような分子の光学的性質は、量子化学
的な立場から説明することができる。すなわち、一般
に、分子はそれを構成する各原子がσまたはπ結合によ
って結ばれている。言い換えると、分子の分子軌道は、
σ分子軌道またはπ分子軌道を有していて、これらの分
子軌道に存在する電子が各原子を結合する重要な役割を
担っている。そのなかでも、σ分子軌道の電子は各原子
を強く結合し、分子の骨格である分子内の原子間距離を
決めている。これに対して、π分子軌道の電子は各原子
の結合にほとんど寄与しないで、むしろ分子全体に極め
て弱い力で束縛されている。
The optical properties of such molecules can be explained from the viewpoint of quantum chemistry. That is, in general, in a molecule, each atom constituting the molecule is connected by a σ or π bond. In other words, the molecular orbital of a molecule is
It has a σ molecular orbital or a π molecular orbital, and the electrons existing in these molecular orbitals play an important role in binding each atom. Among them, the electrons in the σ molecular orbital bond each atom strongly and determine the interatomic distance within the molecule, which is the skeleton of the molecule. On the other hand, the electrons in the π molecular orbital make little contribution to the bond of each atom, and are rather bound to the whole molecule by an extremely weak force.

【0018】多くの場合、σ分子軌道にいる電子を光で
励起すると、分子の原子間隔が大きく変化し、分子の解
離を含む大きな構造変化が起こる。その結果、原子の運
動エネルギーや構造変化のために、光が分子に与えたエ
ネルギーのほとんどが熱エネルギーに変化する。したが
って、励起エネルギーは蛍光という光の形態では消費さ
れない。また、分子の構造変化は極めて高速(ピコ秒よ
り短い)に起こるので、その過程で仮に蛍光が起きても
その寿命が極めて短い。
In many cases, when an electron in the σ molecular orbital is excited by light, the atomic spacing of the molecule is greatly changed, and a large structural change including dissociation of the molecule occurs. As a result, most of the energy given to the molecule by light changes into thermal energy due to the kinetic energy and structural change of atoms. Therefore, the excitation energy is not consumed in the form of light called fluorescence. Further, since the structural change of the molecule occurs at an extremely high speed (shorter than picosecond), even if fluorescence occurs in the process, its lifetime is extremely short.

【0019】これに対し、π分子軌道の電子は、励起し
ても分子の構造自体はほとんど変化せず、高位の量子的
な離散準位に長時間とどまり、ナノ秒オーダで蛍光を放
出して脱励起する性質を有している。
On the other hand, the electron in the π molecular orbital hardly changes the structure of the molecule even when excited, stays in the high quantum discrete level for a long time, and emits fluorescence in the order of nanosecond. It has the property of de-excitation.

【0020】量子化学によれば、分子がπ分子軌道をも
つことと、二重結合をもつこととは同等であり、用いる
蛍光ラベラー分子には、二重結合を豊富にもつ分子を選
定することが必要条件となる。このことは、二重結合を
もつ分子でもベンゼンやピラジン等の6員環分子におい
て、S2励起状態からの蛍光が極めて弱いことが確かめ
られている(例えば、M.Fujii et.al.Chem.Phys.Lett.1
71(1990)341)。
According to quantum chemistry, it is equivalent that a molecule has a π molecular orbital and that it has a double bond, and a molecule having abundant double bonds should be selected as the fluorescent labeler molecule to be used. Is a necessary condition. This indicates that even in a molecule having a double bond, the fluorescence from the S2 excited state is extremely weak in a 6-membered ring molecule such as benzene or pyrazine (for example, M. Fujii et.al. Chem. Phys). .Lett.1
71 (1990) 341).

【0021】したがって、ベンゼンやピラジン等の6員
環分子を含む分子を蛍光ラベラー分子として選定すれ
ば、S1状態からの蛍光寿命が長く、しかも光励起によ
りS1状態からS2状態に励起することで、分子からの
蛍光を容易に抑制できるので、超解像性を効果的に利用
することができる。すなわち、これら蛍光ラベラー分子
により染色して観察を行えば、高空間分解能で試料の蛍
光像を観察することができるのみならず、その分子の側
鎖の化学基を調整することにより、生体試料の特定の化
学組織のみを選択的に染色できるので、試料の詳細な化
学組成までも分析可能となる。
Therefore, if a molecule containing a 6-membered ring molecule such as benzene or pyrazine is selected as the fluorescent labeler molecule, the fluorescence lifetime from the S1 state is long, and moreover, the molecule is obtained by exciting from the S1 state to the S2 state by photoexcitation. Since the fluorescence from the can be easily suppressed, the super resolution can be effectively used. That is, if observation is performed by staining with these fluorescent labeler molecules, not only a fluorescent image of the sample can be observed with high spatial resolution, but by adjusting the side chain chemical groups of the molecule, Since only specific chemical tissues can be selectively stained, even detailed chemical composition of a sample can be analyzed.

【0022】また、一般に、2重共鳴吸収過程は2つ光
の波長や偏光状態等が特定の条件を満たすときにのみ起
こるので、これを用いることで分子の構造を非常に詳細
に知ることができる。すなわち、光の偏光方向と分子の
配向方向とは強い相関関係があり、2つ波長の光のそれ
それの偏光方向と分子の配向方向とが特定の角度をなす
とき、2重共鳴吸収過程が強く起こる。したがって、2
つ波長の光を試料に同時に照射して、それぞれの光りの
偏光方向を回転することにより、蛍光の消失の程度が変
化するので、その様子から観測しようとする組織の空間
配向の情報も得ることができる。このことは、2つ光の
波長を調整することでも可能である。
In general, the double resonance absorption process occurs only when the wavelength of two lights, the polarization state, etc. satisfy a specific condition. Therefore, by using this, the structure of the molecule can be known in great detail. it can. That is, there is a strong correlation between the polarization direction of light and the orientation direction of molecules, and when the polarization direction of light of two wavelengths and the orientation direction of molecules form a specific angle, the double resonance absorption process occurs. It happens strongly. Therefore, 2
By simultaneously irradiating the sample with light of two wavelengths and rotating the polarization direction of each light, the degree of fluorescence disappearance changes, so it is also possible to obtain information on the spatial orientation of the tissue to be observed from that state. You can This is also possible by adjusting the wavelengths of the two lights.

【0023】以上のように、上記の特開平11−951
20号公報記載の技術によると、超解像性以外にも、高
い分析能力を有していることがわかる。さらに、波長λ
1と波長λ2との2つの光の照射タイミングを工夫する
ことで、S/Nを改善し、かつ蛍光抑制を効果的に起こ
すことができ、超解像性をより効果的に発現することが
可能となる。
As described above, Japanese Patent Laid-Open No. 11-951 mentioned above.
According to the technique described in Japanese Patent Publication No. 20, it is understood that it has a high analysis capability in addition to the super resolution. Furthermore, the wavelength λ
By devising the irradiation timing of two lights of 1 and wavelength λ2, S / N can be improved, fluorescence can be suppressed effectively, and super-resolution can be more effectively expressed. It will be possible.

【0024】このような超解像顕微鏡法の具体例とし
て、例えば特開2001−100102号公報には、蛍
光ラベラー分子をS0状態からS1状態へ励起する波長
λ1の光(特にレーザー光)をポンプ光とし、S1状態
からS2状態へ励起する波長λ2の光をイレース光とし
て、図18に示すように、光源51からポンプ光を、光
源52からイレース光をそれぞれ放射させ、ポンプ光は
ダイクロイックミラー53で反射させた後、輪帯光学系
54により試料55上に集光させ、イレース光は位相板
56で中空ビーム化した後、ダイクロイックミラー53
を透過させてポンプ光と空間的に重ね合わせて輪帯光学
系54により試料55上に集光させるようにしたものが
提案されている。
As a specific example of such super-resolution microscopy, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-100102, pumping light of wavelength λ1 (especially laser light) that excites fluorescent labeler molecules from the S0 state to the S1 state. As shown in FIG. 18, pump light is emitted from the light source 51 and erase light is emitted from the light source 52, and the pump light is the dichroic mirror 53. After being reflected by, the light is condensed on the sample 55 by the annular optical system 54, the erase light is made into a hollow beam by the phase plate 56, and then the dichroic mirror 53.
Has been proposed in which the light is transmitted and is spatially superposed on the pump light and is condensed on the sample 55 by the annular optical system 54.

【0025】この顕微鏡によると、イレース光の強度が
ゼロとなる光軸近傍以外の蛍光は抑制されるので、結果
的にポンプ光の広がりより狭い領域(Δ<0.61・λ
1/NA、NAは輪帯光学系54の開口数)に存在する
蛍光ラベラー分子のみが観察されることになり、結果的
に超解像性が発現することになる。なお、イレース光を
中空ビーム化する位相板56は、図19に示すように、
光軸に対して点対称な位置で位相差を与えるように構成
する。
According to this microscope, fluorescence other than near the optical axis where the intensity of the erase light is zero is suppressed, and as a result, a region (Δ <0.61 · λ) narrower than the spread of the pump light is suppressed.
For 1 / NA and NA, only fluorescent labeler molecules existing in the numerical aperture of the ring zone optical system 54) are observed, and as a result, super-resolution is exhibited. The phase plate 56 for converting the erase light into a hollow beam, as shown in FIG.
The phase difference is provided at a position symmetrical with respect to the optical axis.

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らによる種々の実験検討によると、従来提案されてい
る超解像顕微鏡における観察原理は、空間分解能の点で
は確かに優れているものの、得られる情報量すなわち構
造分別能力においては改良すべき点があることが判明し
た。すなわち、超解像顕微鏡では、蛍光標識分子で染色
した試料にポンプ光およびイレース光を集光して蛍光標
識分子からの蛍光を検出するが、この場合の発光メカニ
ズムは、基底状態の分子がポンプ光により電子状態と振
動状態とが結合したいわゆる高位振電準位に励起され、
その後、第1電子励起状態の最低振動準位に熱緩和され
て、それより基底状態に蛍光を発して脱励起する(Kash
aの法則)。この場合、得られる情報は「蛍光標識分子
は試料内のどの空間位置に染色されているか」のみとな
る。
However, according to various experiments conducted by the present inventors, the observation principle in the super-resolution microscope proposed hitherto is certainly excellent in terms of spatial resolution. It was found that there is a point to be improved in the amount of information that can be obtained, that is, in the structure classification ability. That is, in a super-resolution microscope, pump light and erase light are collected on a sample stained with a fluorescent labeled molecule to detect the fluorescence from the fluorescent labeled molecule. Excited to a so-called high vibronic level where the electronic state and the vibrational state are combined by light,
After that, it is thermally relaxed to the lowest vibrational level of the first electronic excited state, and then emits fluorescence to the ground state to be deexcited (Kash
law of a). In this case, the only information obtained is "which spatial position in the sample the fluorescent labeled molecule is stained with".

【0027】ところが、バイオサイエンスの現場では、
試料が生体であることから、特に細胞の生命活動をリア
ルタイムでかつ高解像度で見たいという要望が強く、
「蛍光標識分子が細胞のどの部位にどの様な状態で結合
しているのか」という詳細な情報も必要とされている。
しかも、可能であれば試料を染色せず、高い空間分解能
を保ちつつ自然のままで生命活動を見たいという高度な
要求もある。
However, in the field of bioscience,
Since the sample is a living body, there is a strong demand for real-time and high-resolution observation of cell vital activities.
There is also a need for detailed information on "where in the cell the fluorescent labeling molecule is bound and in what state".
Moreover, there is also a high demand to see life activity in its natural state while maintaining high spatial resolution without staining the sample if possible.

【0028】一般に、蛍光標識分子を生物試料に染色す
る理由の1つは、大多数の生体分子は基底状態から第1
電子励起状態に遷移させるエネルギーが大きく、励起光
源として遠紫外光源が必要となるが、現段階では、遠紫
外領域で安定した商用レーザー光源が存在せず、この領
域ではレーザー顕微鏡システムを構成することができな
いためである。なお、遠紫外光源としてキセノンランプ
や水銀ランプがあるが、これらの光源は輝度が弱く、光
のダイバージェンスや偏光性などにおいてレーザー光源
と比較すると質がかなり悪いため、実用的でない。
In general, one of the reasons for staining a biological sample with a fluorescently labeled molecule is that most biomolecules are first to ground state.
The energy for transitioning to the electronically excited state is large, and a far-ultraviolet light source is required as an excitation light source, but at this stage, there is no stable commercial laser light source in the far-ultraviolet region, and a laser microscope system should be configured in this region. This is because it cannot be done. Note that there are xenon lamps and mercury lamps as far-ultraviolet light sources, but these light sources are not practical because they have low brightness and are considerably poor in quality in comparison with laser light sources in terms of light divergence and polarization.

【0029】したがって、かかる点に鑑みてなされた本
発明の目的は、遠紫外光源を用いることなく、試料内に
存在する分子または結晶における特定の振動準位に励起
可能な共鳴波長に対応する赤外線または遠赤外線と、そ
の特定の振動準位から高位の電子励起状態に励起可能な
波長に対応する光線との2波長の光を用いて、光の回折
限界より狭い領域から誘起される光応答を測定して、特
定の振動準位で特徴づけられる化学基を高感度で検出で
きる高機能な顕微鏡を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention made in view of the above point is that an infrared ray corresponding to a resonance wavelength capable of being excited to a specific vibrational level in a molecule or a crystal existing in a sample without using a far-ultraviolet light source. Alternatively, by using light of two wavelengths, that is, a far infrared ray and a ray corresponding to a wavelength capable of being excited to a higher electronic excited state from a particular vibrational level, an optical response induced from a region narrower than the diffraction limit of light is used. An object is to provide a highly functional microscope capable of measuring and detecting a chemical group characterized by a specific vibrational level with high sensitivity.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項1に係る顕微鏡の発明は、試料中の分子を基底状態か
ら最低電子状態の高振動準位へ遷移させる第1の光を発
生する第1の光源と、上記分子を上記最低電子状態の高
振動準位から、よりエネルギー準位の高い量子状態へ遷
移させる第2の光を発生させる第2の光源と、上記第1
の光および上記第2の光を上記試料上で照射領域を一部
分重ね合わせる光学系と、上記試料上の上記第1の光お
よび上記第2の光が照射された領域からの発光を検出す
る光検出器とを有することを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention of a microscope according to claim 1 generates a first light which causes a molecule in a sample to transit from a ground state to a high vibrational level of a lowest electronic state. A first light source, a second light source for generating a second light that causes the molecule to transit from a high vibration level of the lowest electronic state to a quantum state of a higher energy level, and the first light source.
Of the above-mentioned light and the above-mentioned second light, which partially overlaps the irradiation area on the above-mentioned sample, and light for detecting the light emission from the above-mentioned area where the above-mentioned first light and the above-mentioned second light are irradiated. And a detector.

【0031】請求項2に係る発明は、請求項1に記載の
顕微鏡において、上記第1の光源は、700nm以上の
赤外光または近赤外領域の光を発生することを特徴とす
るものである。
The invention according to claim 2 is the microscope according to claim 1, characterized in that the first light source emits infrared light of 700 nm or more or light in the near infrared region. is there.

【0032】請求項3に係る発明は、請求項1または2
に記載の顕微鏡において、上記第1の光または上記第2
の光の少なくとも一方を空間的に強度変調する空間フィ
ルタを有することを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2.
The microscope according to claim 1, wherein the first light or the second light is used.
Is characterized by having a spatial filter for spatially intensity-modulating at least one of the light.

【0033】請求項4に係る発明は、請求項3に記載の
顕微鏡において、上記第1の光源または上記第2の光源
の少なくとも一方がパルス光源であることを特徴とする
ものである。
The invention according to claim 4 is the microscope according to claim 3, characterized in that at least one of the first light source and the second light source is a pulse light source.

【0034】請求項5に係る発明は、請求項4に記載の
顕微鏡において、上記第1の光源および上記第2の光源
がコヒーレント光源であることを特徴とするものであ
る。
The invention according to claim 5 is the microscope according to claim 4, characterized in that the first light source and the second light source are coherent light sources.

【0035】請求項6に係る発明は、請求項5に記載の
顕微鏡において、上記第1の光源または上記第2の光源
の少なくとも一方が波長可変の光源であることを特徴と
するものである。
The invention according to claim 6 is the microscope according to claim 5, wherein at least one of the first light source and the second light source is a variable wavelength light source.

【0036】請求項7に係る発明は、請求項1〜6のい
ずれか一項に記載の顕微鏡において、上記第1の光の波
長が、−CH、−NH、−OH、C=C、C=O、−C
、−CHOH、−CN等の化学基のいずれかの基音
またはその高い倍音状態に励起することを特徴とするも
のである。
The invention according to claim 7 is the microscope according to any one of claims 1 to 6, wherein the wavelength of the first light is -CH, -NH, -OH, C = C, C. = O, -C
It is characterized in that it excites to the fundamental tone of any of the chemical groups such as H 2 , —CHOH, and —CN, or a high overtone state thereof.

【0037】本発明による顕微鏡の好適実施の形態で
は、波長の異なる第1および第2の光を用い、そのうち
少なくとも1つの光は赤外線または近赤外線とし、これ
らの光を空間的に1部オーバーラップさせて試料に照射
することで、光の回折限界より狭い領域からの光応答信
号を検出する。その際、赤外線または近赤外線の波長は
試料内に存在する分子または結晶における特定の振動準
位に励起可能な共鳴波長に対応し、もう一つの光はその
振動準位から高位の電子励起状態に励起可能な波長に対
応しており、2波長の光照射により誘起される光応答
(例えば、蛍光)を測定することで、該振動準位で特徴
づけられる化学基を高感度で検出する。
In a preferred embodiment of the microscope according to the invention, first and second light of different wavelengths are used, at least one of which is infrared or near infrared and these lights are spatially partly overlapped. Then, by irradiating the sample, a photoresponse signal from a region narrower than the diffraction limit of light is detected. At that time, the infrared or near-infrared wavelength corresponds to the resonance wavelength that can excite a specific vibrational level in the molecule or crystal present in the sample, and the other light changes from that vibrational level to a higher electronic excited state. Corresponding to the excitable wavelength, the chemical group characterized by the vibrational level is detected with high sensitivity by measuring the optical response (for example, fluorescence) induced by the irradiation of two wavelengths of light.

【0038】以下に、その原理を説明する。The principle will be described below.

【0039】すなわち、本発明の好適実施の形態による
顕微鏡は、赤外光または近赤外光をポンプ光とする二重
共鳴過程を基礎としている。ここで、赤外光または近赤
外光と物質との相互作用は非常に特徴的であり、物質を
構成する原子同士の結合状態に起因する振動運動状態
や、分子においてはその構造に起因する回転運動状態を
強く反映する。これらの振動運動状態や回転運動状態
は、赤外光または近赤外光と物質との相互作用を非常に
敏感に変化させ、その結果として、物質を構成する元素
の検出のみならず、化学基を含む化学結合状態や試料内
における物質の環境をも知ることができる。
That is, the microscope according to the preferred embodiment of the present invention is based on the double resonance process using infrared light or near infrared light as pump light. Here, the interaction between infrared light or near-infrared light and a substance is very characteristic, and it is caused by a vibrational motion state caused by a bond state between atoms constituting a substance and a structure in a molecule. Strongly reflects the rotational movement state. These oscillating motion state and rotational motion state change the interaction between infrared light or near infrared light and a substance very sensitively, and as a result, not only the detection of the elements constituting the substance but also the chemical group It is also possible to know the chemical bond state including and the environment of the substance in the sample.

【0040】その背景を、図1を用いて分光学的に説明
する。図1は分子一般の量子構造を示すもので、特定の
電子状態には、複数の複雑な振動準位と回転準位とが属
している。言い換えると、分子等の価電子が電子軌道を
変化させたときに生じる電子励起状態、例えば熱励起に
より隣接する原子の距離が変化する振動励起状態、およ
び分子等が回転運動をすることで生じる回転励起状態の
3つの状態が複雑に結合して、物質は様々な量子状態を
もつ。
The background will be described spectroscopically with reference to FIG. FIG. 1 shows a quantum structure of a general molecule, and a plurality of complicated vibrational and rotational levels belong to a specific electronic state. In other words, an electronically excited state that occurs when a valence electron of a molecule or the like changes the electron orbit, for example, a vibrationally excited state in which the distance between adjacent atoms changes due to thermal excitation, and a rotation that occurs when a molecule or the like makes a rotational motion. A material has various quantum states by complexly coupling three excited states.

【0041】一般に、一番エネルギー的に低い基底状態
(S0)から、特定の振動・回転準位と結合した第1電
子励起状態(S1)に、物質、特に分子を励起(いわゆ
る、電子励起)するためには、可視・紫外光の波長領域
の光を照射しなくてはならない。言い換えると、これら
の状態間のエネルギーは大きく、これらの光の波長を光
子エネルギーに換算すると2eV以上となる。現在、ラ
イフサイエンスの分野で重要な研究対象となっている生
体分子の大多数については、励起波長が紫外から遠紫外
と非常に短波長で、光子エネルギーに換算すると4eV
以上と非常にエネルギーが高い。
In general, a substance, particularly a molecule, is excited (so-called electronic excitation) from the ground state (S0) having the lowest energy to the first electronic excited state (S1) that is bound to a specific vibrational / rotational level. In order to do so, light in the visible / ultraviolet wavelength range must be irradiated. In other words, the energy between these states is large, and when the wavelength of these lights is converted into photon energy, it becomes 2 eV or more. Currently, the majority of biomolecules, which are important research subjects in the field of life science, have excitation wavelengths of very short wavelengths from ultraviolet to far ultraviolet, and when converted to photon energy, they are 4 eV.
The energy is extremely high.

【0042】それに対して、同じ電子状態に属する振動
・回転状態間に関する遷移(振動・回転励起)では、電
子励起と比較すると状態間のエネルギー差が小さいの
で、励起に必要な光の光子エネルギーは小さく、波長帯
域としては赤外・近赤外領域となる。
On the other hand, in the transition between vibrational / rotational states belonging to the same electronic state (vibrational / rotational excitation), the energy difference between the states is smaller than that in electronic excitation, so the photon energy of light required for excitation is It is small and the wavelength band is in the infrared / near infrared region.

【0043】これに関して、例えば「近赤外分光法」、
日本分光学会、測定法シリーズ32、尾崎季洋、河田
聡 編、学会出版センター1996年には、各種物質の
赤外・近赤外領域の吸収スペクトルが示されており(赤
外・近赤外分光法)、700nmより長波長領域で、様
々な振動・回転励起による吸収ラインが確認されてい
る。これらの各線は、物質内の−OH、−CH、−C
H、−NH等の化学基の振動・回転遷移に起因するも
のであり、そのスペクトル形状は物質固有のもので、俗
に「分子の指紋」とも呼ばれる詳細なデーターが完成さ
れている。
In this regard, for example, “near infrared spectroscopy”,
The Spectroscopic Society of Japan, Measurement Method Series 32, Toshihiro Ozaki, Kawada
Satoshi, Academic Society Publishing Center 1996, the absorption spectra of various substances in the infrared / near-infrared region are shown (infrared / near-infrared spectroscopy).・ An absorption line due to rotational excitation has been confirmed. These each line, -OH in substance, -CH 3, -C
This is due to vibrational / rotational transition of chemical groups such as H and —NH 3 , and its spectral shape is peculiar to a substance, and detailed data commonly known as “molecular fingerprint” has been completed.

【0044】一般に、物質の赤外・近赤外領域での吸収
をはじめとする光応答を測定すれば、物質の材料構成が
明らかになる。それのみならず、−OH、−CH、−
CH、−NH等の化学基は、周りの環境、例えば近接
する空間に別な物質(特に分子)が存在したり、相が変
化したりすると敏感に大きく変化をする。すなわち、吸
収ラインの波長が変化する。
In general, the material composition of a substance is clarified by measuring the optical response including the absorption of the substance in the infrared / near infrared region. Not only that, -OH, -CH 3, -
Chemical groups such as CH and —NH 3 sensitively and largely change when another substance (particularly a molecule) is present in the surrounding environment, for example, in a space adjacent to the chemical group or when the phase is changed. That is, the wavelength of the absorption line changes.

【0045】具体的な例としては、蛍光顕微鏡観察にお
いては、蛍光色素分子で生体組繊を染色すると、色素分
子は組織の特定の化学基や部位に物理吸着または化学吸
着し、その際に吸着した色素分子の電気陰性度が変化し
たり、pHの違いにより赤外・近赤外領域の吸収スペク
トルが微妙に変化する。この変化より、色素分子が組織
内でどのような環境に存在するかの情報が得られる。
As a specific example, in fluorescent microscope observation, when a living tissue is dyed with a fluorescent dye molecule, the dye molecule physically or chemically adsorbs to a specific chemical group or site of the tissue, and at that time, it is adsorbed. The electronegativity of the dye molecule changes, and the absorption spectrum in the infrared / near infrared region changes subtly due to the difference in pH. This change provides information on the environment in which the dye molecule exists in the tissue.

【0046】このように、赤外・近赤外光を用いると、
物質構成のみならず物質が試料の中でどのような状態で
存在するかまでも判明する。この赤外・近赤外光の極め
て優れた分析能力と2重共鳴吸収過程とを組み合わせる
ことで(赤外2重共鳴吸収過程)、空間分解能において
も傑出した顕微分光法を実現することができる。
In this way, when infrared / near infrared light is used,
Not only the substance composition but also the state in which the substance exists in the sample is clarified. By combining this extremely excellent infrared / near-infrared light analysis capability with the double resonance absorption process (infrared double resonance absorption process), an outstanding microscopic spectroscopic method can be realized in terms of spatial resolution. .

【0047】図2は、本発明の基礎となる赤外2重共鳴
吸収過程の概念図を示すものである。図2において、基
底状態(S0)の分子は、第1波長の赤外または近赤外
光(ポンプ光)により高位の特定の振動・回転準位に励
起され、さらにこの状態(S0(V1))より別の第2
波長の光(プローブ光)により第1電子励起状態(S
1)に属する何れかの振動・回転状態に励起される(振
動・回転共鳴吸収)。ここで、プローブ光は、一般に可
視または紫外光領域の光となる。
FIG. 2 is a conceptual diagram of the infrared double resonance absorption process which is the basis of the present invention. In FIG. 2, a molecule in the ground state (S0) is excited to a specific vibrational / rotational level at a higher level by the infrared or near-infrared light (pump light) having the first wavelength, and the state (S0 (V1) ) Another second
The first electronic excited state (S
It is excited to any vibration / rotation state belonging to 1) (vibration / rotation resonance absorption). Here, the probe light is generally light in the visible or ultraviolet region.

【0048】図3は、赤外2重共鳴吸収過程後の脱励起
過程を示すものである。図3に示すように、ある場合に
は、S1の何れかの振動・回転状態は、一度S1の最低
の振動・回転状態に熱緩和し、そこから第3波長の蛍光
を放出して、S0に属する何れかの振動・回転状態に脱
励起する。その後、再び熱緩和して基底状態に戻る。ま
た、ある場合には、S1で光化学変化し、別の化学物質
やイオン・電子などの2次生成物を発生する。
FIG. 3 shows the deexcitation process after the infrared double resonance absorption process. As shown in FIG. 3, in some cases, any one of the vibration / rotation states of S1 is thermally relaxed to the lowest vibration / rotation state of S1, and then the fluorescence of the third wavelength is emitted from the vibration / rotation state of S0, so that S0 Is de-excited to any of the vibration / rotation states belonging to. After that, the heat is relaxed again to return to the ground state. Further, in some cases, photochemical change occurs in S1 to generate other chemical substances or secondary products such as ions and electrons.

【0049】このように、赤外2重共鳴吸収過程では、
少なくとも必要条件として赤外または近赤外光が振動・
回転共鳴吸収をする必要があるので、赤外2重共鳴吸収
過程で検出される各種光応答は、各種物質の赤外・近赤
外領域の吸収スペクトルと同等の内容をもっている。
Thus, in the infrared double resonance absorption process,
At least as a requirement, infrared or near-infrared light will
Since it is necessary to perform rotational resonance absorption, various optical responses detected in the infrared double resonance absorption process have the same contents as the absorption spectra of various substances in the infrared / near infrared region.

【0050】したがって、赤外2重共鳴吸収過程の特徴
として、検出感度が極めて高いことが挙げられる。例え
ば、赤外・近赤外分光では、赤外または近赤外光の吸収
スペクトルをとることが基本であるが、光源の強度変動
などにより、吸収が弱い場合には赤外・近赤外分光の強
度変化を捕らえにくくなる。それに対して、赤外2重共
鳴吸収過程では、ポンプ光とプローブ光とを試料に照射
しない限り、2次生成物が発生しないので、現象の有無
を捕らえ易くなる。これはゼロレベル検出と呼ばれるも
ので、蛍光顕微鏡、光電子顕微鏡または蛍光X線分析等
で用いられる手法であり、その検出感度の高さには定評
がある。
Therefore, a characteristic of the infrared double resonance absorption process is that the detection sensitivity is extremely high. For example, infrared / near-infrared spectroscopy basically takes an absorption spectrum of infrared or near-infrared light, but if absorption is weak due to intensity fluctuation of the light source, etc., infrared / near-infrared spectroscopy It becomes difficult to capture the change in intensity. On the other hand, in the infrared double resonance absorption process, since the secondary product is not generated unless the sample is irradiated with the pump light and the probe light, it is easy to detect the presence or absence of the phenomenon. This is called zero level detection and is a technique used in fluorescence microscopes, photoelectron microscopes, fluorescent X-ray analysis and the like, and its high detection sensitivity is well-established.

【0051】さて、赤外2重共鳴吸収過程は、結像論的
に見て極めて興味深い現象が期待できる。図4(a)、
(b)は、赤外2重共鳴吸収過程によって観察試料内の
分析対象となる分子を検出する様子を示すもので、図4
(a)は赤外または近赤外光であるポンプ光と、可視ま
たは紫外光であるプローブ光とが試料上で1部空間的に
オーバーラップして集光している状態を示し、図4
(b)は集光部でのポンプ光とプローブ光との重なり具
合を示している。
Now, the infrared double resonance absorption process can be expected to be a very interesting phenomenon in terms of imaging theory. FIG. 4 (a),
FIG. 4B shows a state of detecting a molecule to be analyzed in the observation sample by the infrared double resonance absorption process.
FIG. 4A shows a state in which the pump light, which is infrared or near-infrared light, and the probe light, which is visible or ultraviolet light, are spatially partially overlapped and condensed on the sample, and FIG.
(B) shows the degree of overlap between the pump light and the probe light at the condensing part.

【0052】赤外2重共鳴吸収過程では、ポンプ光とプ
ローブ光とを同時に照射した場合にのみ、赤外2重共鳴
吸収過程特有の光応答が観測される。したがって、図4
に示すように、ポンプ光とプローブ光とが試料上で1部
空間的にオーバーラップして集光している場合には、オ
ーバーラップ領域にのみ存在する観察対象分子が光応答
信号を発生する。この意味は、空間計測という観点から
みると極めて重大である。
In the infrared double resonance absorption process, an optical response peculiar to the infrared double resonance absorption process is observed only when the pump light and the probe light are simultaneously irradiated. Therefore, FIG.
As shown in FIG. 3, when the pump light and the probe light are spatially partially overlapped and collected on the sample, the observation target molecule existing only in the overlap region generates a photoresponse signal. . This meaning is extremely important from the viewpoint of spatial measurement.

【0053】例えば、従来の顕微鏡として、図5に示す
ようなレーザー走査型顕微鏡が知られている。このレー
ザー走査型顕微鏡では、レーザー光源61からのレーザ
ービームを反射ミラー62、ビームスプリッタ63およ
び対物レンズ64を経て、ステージ上に載置された観察
試料65上に集光させ、その集光するレーザービームと
試料65とを相対的に移動させてレーザービームにより
試料65を走査し、レーザービームの照射による試料6
5での光応答、例えば蛍光を対物レンズ64を経てビー
ムスプリッタ63で往路と分離した後、フィルタ66、
中継レンズ67およびピンホール68を経て光電子増倍
管等の光検出器69で受光して、コンピュータ上で画像
化するようにしている。
For example, a laser scanning microscope as shown in FIG. 5 is known as a conventional microscope. In this laser scanning microscope, a laser beam from a laser light source 61 is passed through a reflection mirror 62, a beam splitter 63 and an objective lens 64 to be focused on an observation sample 65 placed on a stage, and the focused laser is focused. The sample 65 is scanned by the laser beam by moving the beam and the sample 65 relative to each other, and the sample 6 is irradiated with the laser beam.
5, the optical response such as fluorescence is separated from the outward path by the beam splitter 63 via the objective lens 64, and then the filter 66,
A photodetector 69 such as a photomultiplier tube receives the light through the relay lens 67 and the pinhole 68, and an image is formed on a computer.

【0054】一般に、この種の顕微鏡の空間分解能は、
集光したビームサイズで決まってしまう。詳しくは、集
光光学系とレーザービームの波長とで規定される回折限
界で決まり、原理的にそれ以上の空間分解能は期待でき
ない。
In general, the spatial resolution of this type of microscope is
It depends on the size of the focused beam. In detail, it is determined by the diffraction limit defined by the focusing optical system and the wavelength of the laser beam, and in principle, a spatial resolution higher than that cannot be expected.

【0055】ところが、図4の現象を用いれば、光応答
は集光したレーザービームの1部分であるので、回折限
界を超える高い空間分解能で狙った物質を観察できる超
解像顕微鏡法が実現する。この超解像顕微鏡法の画期的
なことは、空間分解能の高さと同時に、赤外2重共鳴吸
収過程特有の分析能力の高さを持ち合わせていることで
あり、光学顕微鏡としては最高機能を有する。加えて、
赤外2重共鳴吸収過程では、ポンプ光とプローブ光との
光子エネルギーの和に相当する状態間の励起が可能とな
る。例えば、通常の生体アミノ酸分子であるチロシン、
トリプトファン、核酸などではS0からS1状態へ励起
させる光子エネルギーは最低でも4eVが必要であり、
波長に換算して300nm以下の紫外光源が必要であ
る。
However, if the phenomenon shown in FIG. 4 is used, since the optical response is a part of the focused laser beam, a super-resolution microscope method capable of observing a target substance with a high spatial resolution exceeding the diffraction limit is realized. . The epoch-making feature of this super-resolution microscopy is the high spatial resolution as well as the high analytical capability peculiar to the infrared double resonance absorption process. Have. in addition,
In the infrared double resonance absorption process, excitation between states corresponding to the sum of photon energies of pump light and probe light becomes possible. For example, tyrosine, which is a normal biogenic amino acid molecule,
For tryptophan, nucleic acid, etc., the photon energy for exciting S0 to S1 state needs to be at least 4 eV,
An ultraviolet light source having a wavelength of 300 nm or less is required.

【0056】しかし、現在のところ、300nmより短
波長の光を出す廉価で安定して発振する商用レーザー光
源は存在せず、また集光光学系も紫外帯域で使える硝材
は高価であり、システム全体の作製価格も高くなる。加
えて、試料として生体細胞を考えると、紫外光はダメー
ジが大きく、バイオリサーチャーが切望する生きたまま
での生物の観察に不向きである。ところが、赤外2重共
鳴吸収過程により、上記の「近赤外分光法」に開示され
ている−CHの900nm(光子エネルギーに換算して
1.4eV)近傍に存在する振動準位を用いれば、プロ
ーブ光の波長を475nm(光子エネルギーに換算して
2.6eV)に設定することにより、赤外2重共鳴吸収
過程後のS1とS0とのある振動・回転準位間で発する
蛍光を観測することができる。
However, at present, there is no inexpensive and stable commercial laser light source that emits light of a wavelength shorter than 300 nm, and the condensing optical system is expensive because the glass material that can be used in the ultraviolet band is expensive. Also, the manufacturing cost will increase. In addition, considering living cells as a sample, ultraviolet light is highly damaged, and is not suitable for observing living organisms that bioresearchers long for. However, if the vibrational level existing near 900 nm (1.4 eV in terms of photon energy) of -CH disclosed in the above-mentioned "near infrared spectroscopy" is used by the infrared double resonance absorption process. , By setting the wavelength of the probe light to 475 nm (2.6 eV in terms of photon energy), we observe the fluorescence emitted between some vibration and rotation levels of S1 and S0 after the infrared double resonance absorption process. can do.

【0057】この場合、光源波長が長くなり、試料のダ
メージが軽減できるのは元より、ポンプ光およびプロー
ブ光の波長に対応する市販のレーザー光源も各種存在す
る。例えば、プローブ光の475nmに対応するもとし
てアルゴンレーザー(476.5nm)があり、ポンプ
光の900nmに対応するものとして、AlGaAs系
の廉価で信頼性の高い商用の半導体レーザーが利用でき
る。
In this case, the wavelength of the light source becomes long, and the damage to the sample can be reduced, and there are various commercially available laser light sources corresponding to the wavelengths of the pump light and the probe light. For example, there is an argon laser (476.5 nm) that corresponds to 475 nm of probe light, and an inexpensive and highly reliable AlGaAs-based commercial semiconductor laser can be used as one that corresponds to 900 nm of pump light.

【0058】赤外2重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微
鏡法において、空間分解能を高めるためのポンプ光とプ
ローブ光との空間的な重ね合わせ方法には、図4に示し
たようにポンプ光とプローブ光との位置を単純にずらし
て集光する方法の他に、少なくとも一方の光を空間的に
強度変調してオーバーラップさせる等の種々の方法が考
えられる。例えば、図6(a)〜(c)に示すように、
ポンプ光およびプローブ光の双方のビーム面の3つの領
域にモードを持たせて、それらの一部を重ね合わせるよ
うにしてもよい。
In the super-resolution microscopy using the infrared double resonance absorption process, the method of spatially superimposing the pump light and the probe light on each other for enhancing the spatial resolution is as shown in FIG. In addition to the method of simply shifting the positions of the light and the probe light to collect the light, various methods such as spatially intensity-modulating at least one of the lights and overlapping them are conceivable. For example, as shown in FIGS.
It is also possible to give modes to the three regions of the beam surfaces of both the pump light and the probe light, and to overlap some of them.

【0059】図6(a)では、ポンプ光およびプローブ
光がビーム面内で3領域に分かれており、隣接する領域
で位相がπだけずれた強度変調されている。このような
ビームを回折限界まで集光すると、形成されるビームパ
ターンは、図6(b)に示すように、外形のサイズは回
折限界で規定されるが、3つの空間モードを持つように
なる。すなわち、隣り合う領域で光の位相が反転するた
めに、境界面で電場強度がキャンセルするためである。
したがって、3つの空間モードを持つポンプ光とプロー
ブ光とを図6(c)に示すように1部だけ重ねれば、赤
外2重共鳴吸収過程により応答する空間領域は全体の3
分の1に限定される。すなわち、空間分解能は光学的回
折限界を上回り、3倍に改善される。
In FIG. 6A, the pump light and the probe light are divided into three regions in the beam plane, and the intensity is modulated in the adjacent regions with the phase shifted by π. When such a beam is focused to the diffraction limit, the formed beam pattern has three spatial modes, although the outer size is defined by the diffraction limit, as shown in FIG. 6B. . That is, the phase of light is reversed in the adjacent regions, and the electric field strength is canceled at the boundary surface.
Therefore, if only one part of the pump light and the probe light having three spatial modes is overlapped as shown in FIG. 6C, the spatial region that responds to the infrared double resonance absorption process is 3
Limited to one part. That is, the spatial resolution exceeds the optical diffraction limit and is improved three times.

【0060】この空間変調法を用いたポンプ光とプロー
ブ光との重複法には種々のパターンがあり、例えば図7
(a)〜(c)に示すように、ポンプ光およびプローブ
光のビーム面の2つの領域にモードを持つようにして、
試料面上で1部オーバーラップさせる方法もある。この
場合は、横方向の空間分解能が2倍に向上する。また、
図8(a)〜(c)に示すように重複させて、縦方向お
よび横方向の双方の空間分解能を向上させる方法もあ
る。この方法は、図7の場合と同様に、ポンプ光および
プローブ光のビーム面の2つの領域にモードを持つよう
にして試料面に1部オーバーラップして集光させるが、
その際に縦方向に1部ずらすことで、ポンプ光とプロー
ブ光とが縦方向にオーバーラップする領域を限定する。
例えば、縦方向に半ピッチずらせば、空間分解能はその
方向で約2倍に向上する。
There are various patterns in the method of overlapping the pump light and the probe light using this spatial modulation method. For example, FIG.
As shown in (a) to (c), modes are provided in two regions of the beam surfaces of the pump light and the probe light,
There is also a method of overlapping a part on the sample surface. In this case, the spatial resolution in the horizontal direction is doubled. Also,
There is also a method of overlapping as shown in FIGS. 8A to 8C to improve the spatial resolution in both the vertical and horizontal directions. As in the case of FIG. 7, this method has a mode in two regions of the beam surfaces of the pump light and the probe light so that the light beam is partially overlapped on the sample surface and condensed.
At this time, by shifting one part in the vertical direction, the region where the pump light and the probe light overlap in the vertical direction is limited.
For example, if the pitch is shifted by half a pitch in the vertical direction, the spatial resolution is improved about twice in that direction.

【0061】[0061]

【発明の実施の形態】以下、本発明による顕微鏡の一実
施の形態について、図9〜図11を参照して説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a microscope according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0062】図9は、本発明の一実施の形態としての赤
外2重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微鏡の概略構成を
示す図である。この超解像顕微鏡は、プローブ光および
ポンプ光をともに空間変調して超解像性を発現させ、空
間分解能を向上させたレーザー走査型の顕微鏡で、レー
ザーショット毎に観察試料から発光する蛍光スペクトル
を観測して解析することにより、その化学構造や組成を
解析することができるものである。以下、図9に従って
本実施の形態を説明する。
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a super-resolution microscope using an infrared double resonance absorption process as one embodiment of the present invention. This super-resolution microscope is a laser scanning microscope with spatial resolution improved by spatially modulating both probe light and pump light, and the fluorescence spectrum emitted from the observation sample for each laser shot. By observing and analyzing, it is possible to analyze its chemical structure and composition. This embodiment will be described below with reference to FIG.

【0063】本実施の形態では、光源としてパルス光源
である1台のTiサファイヤレーザー1を用い、このT
iサファイヤレーザー1からのパルスレーザービームか
らポンプ光(第1の光)とプローブ光(第2の光)とを
生成して、ベンゼン環に結合した−CHメチレン基を
観察する。ここで、−CH基の振動励起による吸収
は、上記の「近赤外分光法」に示されているように、8
85nm〜895nmの波長帯域にその存在が確認され
ている。これは、Tiサファイヤレーザー1のチューニ
ング波長レンジ780nm〜920nmに抱合されてい
る(スペクトラフィジクス社:プロダクツガイド)。
In this embodiment, one Ti sapphire laser 1 which is a pulsed light source is used as the light source, and the T
Pump light (first light) and probe light (second light) are generated from the pulsed laser beam from the i sapphire laser 1 to observe the -CH 2 methylene group bonded to the benzene ring. Here, the absorption by vibrational excitation of the —CH 2 group is 8% as shown in the above “near infrared spectroscopy”.
Its existence has been confirmed in the wavelength band of 85 nm to 895 nm. This is conjugated to the tuning wavelength range of 780 nm to 920 nm of Ti sapphire laser 1 (Spectra Physics, Inc .: Products Guide).

【0064】−CH基の振動励起による吸収ライン
は、試料内の環境によって多少変化するが、Tiサファ
イヤレーザー1の発振波長の調整で共鳴吸収条件を実現
できる。また、Tiサファイヤレーザー1を非線形光学
結晶、例えばBBOにより波長変換を行うと倍波である
390nm〜460nm波長の光を生成することができ
る。これを光子エネルギーに変換すると、2.7eV〜
3.2eVであり、S0状態に属する高振動励起準位か
らS1状態に属する何れかの振動準位に励起可能であ
る。また、確認すべきこととして、390nm〜460
nm波長単独では基底状態にあるベンゼン環をS1準位
に励起できず、光照射により如何なる光応答も検出され
ない。したがって、本実施の形態では、Tiサファイヤ
レーザー1の基本波をポンプ光に、倍波をプローブ光に
利用する。
The absorption line due to vibrational excitation of the —CH 2 group changes to some extent depending on the environment in the sample, but the resonance absorption condition can be realized by adjusting the oscillation wavelength of the Ti sapphire laser 1. Further, when the Ti sapphire laser 1 is subjected to wavelength conversion with a non-linear optical crystal such as BBO, it is possible to generate light having a wavelength of 390 nm to 460 nm that is a harmonic. If this is converted into photon energy, 2.7 eV ~
It is 3.2 eV, and can be excited from the high vibrational excitation level belonging to the S0 state to any vibrational level belonging to the S1 state. Moreover, it should be confirmed that 390 nm to 460 nm
The nm wavelength alone cannot excite the benzene ring in the ground state to the S1 level, and no photoresponse is detected by light irradiation. Therefore, in this embodiment, the fundamental wave of the Ti sapphire laser 1 is used as pump light and the harmonic wave is used as probe light.

【0065】図9において、Tiサファイヤレーザー1
からパルス発光するレーザービーム(基本波)は、ビー
ムスプリッター2により2光路に分割し、その一方のレ
ーザービームは、KDP結晶3を通過させて2倍波に変
換することによりプローブ光として利用し、そのプロー
ブ光を空間フィルタとしての位相板4を透過させて空間
的に強度変調してダイクロイックミラー5に入射させ
る。また、ビームスプリッター2で2分割された他方の
レーザービームは、そのままポンプ光として利用し、そ
のポンプ光を、ミラー6、平行移動可能なプリズム7a
を有する遅延光学系7を経て空間フィルタとしての位相
板8に入射させて空間的に強度変調した後、位置調整用
レンズ9およびミラー10を経てダイナミックミラー5
に入射させて、該ダイクロイックミラー5でプローブ光
と合成して出射させる。
In FIG. 9, Ti sapphire laser 1
A laser beam (fundamental wave) emitted in pulse form is split into two optical paths by a beam splitter 2, and one of the laser beams is used as a probe light by passing through a KDP crystal 3 and being converted into a double wave. The probe light is transmitted through the phase plate 4 as a spatial filter, spatially intensity-modulated, and incident on the dichroic mirror 5. The other laser beam split into two by the beam splitter 2 is used as it is as pump light, and the pump light is used as a mirror 6 and a parallel-movable prism 7a.
After being made incident on the phase plate 8 as a spatial filter through the delay optical system 7 having the above and spatially intensity-modulated, the dynamic mirror 5 is passed through the position adjusting lens 9 and the mirror 10.
And is combined with the probe light by the dichroic mirror 5 to be emitted.

【0066】このように、本実施の形態ではTiサファ
イヤレーザー1を用いて第1の光源を構成すると共に、
このTiサファイヤレーザー1とKDP結晶3とを用い
て第2の光源を構成する。なお、ダイナミックミラー5
で合成するポンプ光のプローブ光に対する位置は、位置
調整用レンズ9により微調整して、試料面上でのポンプ
光とプローブ光との空間的重なり具合を調整する。
As described above, in this embodiment, the Ti sapphire laser 1 is used to form the first light source, and
The Ti sapphire laser 1 and the KDP crystal 3 are used to form a second light source. The dynamic mirror 5
The position of the pump light combined with the probe light with respect to the probe light is finely adjusted by the position adjusting lens 9 to adjust the degree of spatial overlap between the pump light and the probe light on the sample surface.

【0067】ダイクロイックミラー5から出射されるポ
ンプ光およびプローブ光は、レンズ11を経てハーフミ
ラー12で反射させた後、対物レンズ13により二次元
移動ステージ14上に設置された観察試料15上に集光
させる。
The pump light and the probe light emitted from the dichroic mirror 5 pass through the lens 11 and are reflected by the half mirror 12, and are then collected by the objective lens 13 on the observation sample 15 set on the two-dimensional moving stage 14. Light up.

【0068】一方、ポンプ光およびプローブ光の照射に
より観察試料15から発光する蛍光は、対物レンズ13
およびハーフミラー12を経てハーフミラー16に入射
させ、該ハーフミラー16で反射される蛍光を、レンズ
17によりピンホール18の中央に集光させ、さらにレ
ンズ19によりスペクトルメーターとしての透過型回折
格子20を経て光電子変換原理を用いた高感度のICC
Dカメラ21に入射させる。ここで、ピンホール18は
空間フィルターとして機能し、観察試料15以外から発
する蛍光等、例えば光学系から発する蛍光等をカットし
て測定のSN比を高める役割をする。
On the other hand, the fluorescence emitted from the observation sample 15 upon irradiation with the pump light and the probe light is the objective lens 13.
Further, the fluorescence reflected by the half mirror 16 through the half mirror 12 and the half mirror 16 is condensed at the center of the pinhole 18 by the lens 17, and further, the transmission diffraction grating 20 as a spectrum meter is obtained by the lens 19. Highly sensitive ICC using the photoelectric conversion principle
It is incident on the D camera 21. Here, the pinhole 18 functions as a spatial filter, and plays a role of increasing the S / N ratio of the measurement by cutting off the fluorescence emitted from other than the observation sample 15, for example, the fluorescence emitted from the optical system.

【0069】本実施の形態で特徴的なのは、検出系にお
けるスペクトルメーターとして透過型回折格子20を用
いていることである。このように透過型回折格子20を
用いれば、単に蛍光を測定するだけではなく、蛍光スペ
クトルやレーザー照射に対する時間応答をも測定できる
ので、観察試料15の化学構造や組成をも解析すること
ができる。
A feature of this embodiment is that the transmission diffraction grating 20 is used as a spectrum meter in the detection system. By using the transmission diffraction grating 20 in this way, not only fluorescence can be measured but also the fluorescence spectrum and the time response to laser irradiation can be measured, so that the chemical structure and composition of the observation sample 15 can also be analyzed. .

【0070】また、ハーフミラー16を透過する観察試
料15からの蛍光は、結像レンズ22によりCCDカメ
ラ23に結像させて蛍光スポット像を直接観察できるよ
うにし、これにより対物レンズ13のピント合わせ等を
行ない得るようにする。
Further, the fluorescence from the observation sample 15 transmitted through the half mirror 16 is focused on the CCD camera 23 by the imaging lens 22 so that the fluorescent spot image can be directly observed, whereby the objective lens 13 is focused. And so on.

【0071】本実施の形態おいて、超解像機能を効率的
に引き出すためには、ポンプ光とプローブ光とを所定の
条件で空間的に重ね合わせることと、それらの光を時間
的に重ね合わせることが重要となる。時間的な重なりに
ついては、Tiサファイヤレーザー1がパルス光源であ
るので、ポンプ光とプローブ光とが試料面に同時にパル
ス照射されるように、遅延光学系7のプリズム7aを平
行移動させて、それらの光の光路差を調整する。なお、
この光路差の調整は、例えば、試料面からのレーザー散
乱光を高速のPINフォトダイオード等で検出し、その
出力信号をサンプリングオシロスコープで測定しながら
行なうことができる。
In this embodiment, in order to effectively bring out the super-resolution function, the pump light and the probe light are spatially overlapped under a predetermined condition, and those lights are temporally overlapped. Matching is important. Regarding the temporal overlap, since the Ti sapphire laser 1 is a pulse light source, the prism 7a of the delay optical system 7 is moved in parallel so that the pump light and the probe light are simultaneously pulse-irradiated on the sample surface. Adjust the optical path difference of the light. In addition,
The adjustment of the optical path difference can be performed, for example, while detecting the laser scattered light from the sample surface with a high-speed PIN photodiode and measuring the output signal with a sampling oscilloscope.

【0072】一方、ポンプ光とプローブ光との空間的な
重ね合わせについては、本実施の形態では図8に示した
重ね合わせ方を利用する。すなわち、ポンプ光およびプ
ローブ光を、それぞれ対応する位相板8および4によ
り、ビーム面の2つの空間的領域にモードを持つように
空間強度変調する。
On the other hand, regarding the spatial superposition of the pump light and the probe light, the superposition method shown in FIG. 8 is used in the present embodiment. That is, the pump light and the probe light are spatially intensity-modulated so that the corresponding phase plates 8 and 4 have modes in two spatial regions of the beam surface.

【0073】このため、位相板8は、図10(a)およ
び(b)に平面図および側面図を示すように、位相板8
を形成する石英ガラス基板上を2つの領域分け、そのう
ちの片方をポンプ光の位相がπだけずれるように化学エ
ッチングして、図10(c)に示すようなポンプ光のモ
ードパターンを生成するように構成する。同様に、位相
板4は、図11(a)および(b)に平面図および側面
図を示すように、位相板4を形成する石英ガラス基板上
を2つの領域分け、そのうちの片方をプローブ光の位相
がπだけずれるように化学エッチングして、図11
(c)に示すようなプローブ光のモードパターンを生成
するように構成する。
Therefore, the phase plate 8 has a phase plate 8 as shown in the plan view and the side view in FIGS. 10 (a) and 10 (b).
The quartz glass substrate for forming the is divided into two regions, and one of the regions is chemically etched so that the phase of the pump light is shifted by π so that a mode pattern of the pump light as shown in FIG. 10C is generated. To configure. Similarly, as shown in the plan view and the side view in FIGS. 11A and 11B, the phase plate 4 is divided into two regions on the quartz glass substrate forming the phase plate 4, one of which is used for the probe light. 11 is chemically etched so that the phase of
It is configured to generate a mode pattern of probe light as shown in (c).

【0074】このようにして、図8(a)に示したよう
に、ポンプ光およびプローブ光がそれぞれのビーム面の
2つの空間的領域にモードを持つように空間強度変調
し、それらの光を、図9に示す位置調整用レンズ9によ
り図8(b)に示すように実質上2次元の空間分解能が
倍になるように重ね合わせて観察試料15に集光するよ
うにする。
In this way, as shown in FIG. 8A, the pump light and the probe light are spatially intensity-modulated so that they have modes in two spatial regions of their respective beam surfaces, and these lights are modulated. By using the position adjusting lens 9 shown in FIG. 9, the two-dimensional spatial resolution is substantially doubled as shown in FIG.

【0075】なお、本発明は上記実施の形態にのみ限定
されるものではなく、幾多の変形または変更が可能であ
る。例えば、上記実施の形態では、−CHメチレン基
を観察するようにしたが、例えば−CH(3倍音:90
0nm〜910nm)、−NH第2級アミン(3倍音:
1010nm〜1040nm)、遊離−OHアルコール
(3倍音:730nm〜745nm)の振動励起準位を
用いて、試料中の化学組成を高解像で映像化することも
できる。その他にも、上記の「近赤外分光法」に記載さ
れているように、C=C、C=O、−CHOH、−CN
等の化学基を分別することができる。
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, but various modifications and changes can be made. For example, in the above embodiment, the -CH 2 methylene group was observed, but for example, -CH (3rd overtone: 90
0 nm to 910 nm), -NH secondary amine (3rd overtone:
It is also possible to visualize the chemical composition in the sample with high resolution by using the vibrational excitation levels of 1010 nm to 1040 nm) and free-OH alcohol (3rd harmonic: 730 nm to 745 nm). In addition, as described in "Near infrared spectroscopy" above, C = C, C = O, -CHOH, -CN
Chemical groups such as can be separated.

【0076】また、上記実施の形態では、Tiサファイ
ヤレーザー1を共通に用い、その基本波をポンプ光と
し、さらに基本波をKDP結晶3で倍波に変換したもの
をプローブ光としたが、ポンプ光を放射する光源(第1
の光源)とプローブ光を放射する光源(第2の光源)と
を独立して設けることもできる。このように、第1の光
源および第2の光源を独立して設ける場合には、その少
なくとも一方の光源はパルス光源とし、さらに好ましく
は波長可変光源として超解像観察すべき化学基に応じた
所望の第1の波長および第2の波長を得るようにする。
In the above embodiment, the Ti sapphire laser 1 is used in common, the fundamental wave thereof is used as the pump light, and the fundamental wave converted into the harmonic wave by the KDP crystal 3 is used as the probe light. A light source that emits light (first
Light source) and a light source (second light source) that emits probe light may be provided independently. As described above, when the first light source and the second light source are provided independently, at least one of the light sources is a pulse light source, and more preferably, a wavelength variable light source according to the chemical group to be observed by super-resolution. Try to obtain the desired first and second wavelengths.

【0077】[0077]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試料中
の分子を基底状態から最低電子状態の高振動準位へ遷移
させる第1の光と、分子を上記最低電子状態の高振動準
位から、よりエネルギー準位の高い量子状態へ遷移させ
る第2の光とを、一部分重ね合わせて上記試料上に照射
して、その照射領域からの発光を検出するようにしたの
で、遠紫外光源を用いることなく、光の回折限界より狭
い領域から誘起される発光を検出して、特定の振動準位
で特徴づけられる化学基を高感度で検出することができ
る。
As described above, according to the present invention, the first light for transitioning the molecule in the sample from the ground state to the high vibration level of the lowest electronic state and the molecule for the high vibration of the lowest electronic state. The second light that causes a transition from a level to a quantum state with a higher energy level is partially overlapped and irradiated on the sample, and the light emission from the irradiation region is detected. Without using a light source, luminescence induced from a region narrower than the diffraction limit of light can be detected, and a chemical group characterized by a specific vibrational level can be detected with high sensitivity.

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

【図1】 本発明の原理を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図2】 同じく、本発明の原理を説明するための図で
ある。
FIG. 2 is also a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図3】 同じく、本発明の原理を説明するための図で
ある。
FIG. 3 is likewise a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図4】 ポンプ光とプローブ光との同時照射の一態様
を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an aspect of simultaneous irradiation of pump light and probe light.

【図5】 走査型レーザー顕微鏡の概略構成を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a scanning laser microscope.

【図6】 ポンプ光とプローブ光との同時照射の他の態
様を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing another mode of simultaneous irradiation of pump light and probe light.

【図7】 同じく、更に他の態様を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing still another mode.

【図8】 同じく、更に他の態様を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing still another mode.

【図9】 本発明の一実施の形態としての赤外2重共鳴
吸収過程を用いた超解像顕微鏡の概略構成を示す図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a super-resolution microscope using an infrared double resonance absorption process as one embodiment of the present invention.

【図10】 図9に示すポンプ光用の位相板の構成およ
びポンプ光の空間モードパターンを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a phase plate for pump light shown in FIG. 9 and a spatial mode pattern of pump light.

【図11】 同じく、プローブ光用の位相板の構成およ
びプローブ光の空間モードパターンを示す図である。
FIG. 11 is also a diagram showing a configuration of a phase plate for probe light and a spatial mode pattern of probe light.

【図12】 試料を構成する分子の価電子軌道の電子構
造を示す概念図である。
FIG. 12 is a conceptual diagram showing an electronic structure of a valence orbit of a molecule constituting a sample.

【図13】 図12の分子の第1励起状態を示す概念図
である。
13 is a conceptual diagram showing a first excited state of the molecule of FIG.

【図14】 同じく、第2励起状態を示す概念図であ
る。
FIG. 14 is likewise a conceptual diagram showing a second excited state.

【図15】 同じく、第2励起状態から基底状態に戻る
状態を示す概念図である。
FIG. 15 is a conceptual diagram similarly showing a state in which the second excited state returns to the ground state.

【図16】 分子における二重共鳴吸収過程を説明する
ための概念図である。
FIG. 16 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process in a molecule.

【図17】 同じく、二重共鳴吸収過程を説明するため
の概念図である。
FIG. 17 is likewise a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process.

【図18】 従来の超解像顕微鏡の一例の構成を示す図
である。
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of an example of a conventional super-resolution microscope.

【図19】 図18に示す位相板の構成を示す平面図で
ある。
FIG. 19 is a plan view showing the structure of the phase plate shown in FIG. 18.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Tiサファイヤレーザー 2 ビームスプリッター 3 KDP結晶 4,8 位相板 5 ダイクロイックミラー 6,10 ミラー 7 遅延光学系 7a プリズム 9 位置調整用レンズ 11,17,19 レンズ 12,16 ハーフミラー 13 対物レンズ 14 二次元移動ステージ 15 観察試料 18 ピンホール 20 透過型回折格子 21 ICCDカメラ 22 結像レンズ 23 CCDカメラ 1 Ti sapphire laser 2 beam splitter 3 KDP crystal 4,8 Phase plate 5 dichroic mirror 6,10 mirror 7 Delay optical system 7a prism 9 Position adjustment lens 11, 17, 19 lenses 12,16 Half mirror 13 Objective lens 14 Two-dimensional movement stage 15 observation samples 18 pinholes 20 Transmission type diffraction grating 21 ICCD camera 22 Imaging lens 23 CCD camera

フロントページの続き (72)発明者 池滝 慶記 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 藤井 正明 愛知県岡崎市竜見南2−3−16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 山元 公寿 東京都大田区田園調布9−2−304 (72)発明者 鈴木 智雄 千葉県千葉市美浜区中瀬1−3 幕張テク ノガーデンD−10E 株式会社日本ローパ ー内 Fターム(参考) 2H052 AA08 AA09 AC13 AC30 AC34 AF07 AF14 Continued front page    (72) Inventor Keiki Ikedaki             2-43 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Ori             Inside Npus Optical Industry Co., Ltd. (72) Inventor Masaaki Fujii             2-3-3 Ryumiminami 2-3-16, Okazaki-shi, Aichi (72) Inventor Takashige Omatsu             5-10-9 Hirado, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa (72) Inventor Koju Yamamoto             9-2-304 Denenchofu, Ota-ku, Tokyo (72) Inventor Tomoo Suzuki             Makuhari Tech 1-3, Nakase, Mihama-ku, Chiba City, Chiba Prefecture             Nogarden D-10E Nippon Ropa Co., Ltd.             -In F term (reference) 2H052 AA08 AA09 AC13 AC30 AC34                       AF07 AF14

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料中の分子を基底状態から最低電子状
態の高振動準位へ遷移させる第1の光を発生する第1の
光源と、 上記分子を上記最低電子状態の高振動準位から、よりエ
ネルギー準位の高い量子状態へ遷移させる第2の光を発
生させる第2の光源と、 上記第1の光および上記第2の光を上記試料上で照射領
域を一部分重ね合わせる光学系と、 上記試料上の上記第1の光および上記第2の光が照射さ
れた領域からの発光を検出する光検出器とを有すること
を特徴とする顕微鏡。
1. A first light source for generating a first light for transitioning a molecule in a sample from a ground state to a high vibrational level of a lowest electronic state, and the molecule from the high vibrational level of the lowest electronic state. A second light source for generating a second light that transits to a quantum state having a higher energy level, and an optical system for partially overlapping the irradiation regions of the first light and the second light on the sample. And a photodetector for detecting light emission from a region of the sample irradiated with the first light and the second light.
【請求項2】 上記第1の光源は、700nm以上の赤
外光または近赤外領域の光を発生することを特徴とする
請求項1に記載の顕微鏡。
2. The microscope according to claim 1, wherein the first light source emits infrared light having a wavelength of 700 nm or more or light in the near infrared region.
【請求項3】 上記第1の光または上記第2の光の少な
くとも一方を空間的に強度変調する空間フィルタを有す
ることを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡。
3. The microscope according to claim 1, further comprising a spatial filter spatially intensity-modulating at least one of the first light and the second light.
【請求項4】 上記第1の光源または上記第2の光源の
少なくとも一方がパルス光源であることを特徴とする請
求項3に記載の顕微鏡。
4. The microscope according to claim 3, wherein at least one of the first light source and the second light source is a pulse light source.
【請求項5】 上記第1の光源および上記第2の光源が
コヒーレント光源であることを特徴とする請求項4に記
載の顕微鏡。
5. The microscope according to claim 4, wherein the first light source and the second light source are coherent light sources.
【請求項6】 上記第1の光源または上記第2の光源の
少なくとも一方が波長可変の光源であることを特徴とす
る請求項5に記載の顕微鏡。
6. The microscope according to claim 5, wherein at least one of the first light source and the second light source is a variable wavelength light source.
【請求項7】 上記第1の光の波長が、−CH、−N
H、−OH、C=C、C=O、−CH、−CHOH、
−CN等の化学基のいずれかの基音またはその高い倍音
状態に励起することを特徴とする請求項1〜6のいずれ
か一項に記載の顕微鏡。
7. The wavelength of the first light is --CH, --N.
H, -OH, C = C, C = O, -CH 2, -CHOH,
The microscope according to any one of claims 1 to 6, wherein the microscope excites to a fundamental tone of one of the chemical groups such as -CN or a higher harmonic state thereof.
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