JP2004029345A - Microscope - Google Patents

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JP2004029345A
JP2004029345A JP2002184939A JP2002184939A JP2004029345A JP 2004029345 A JP2004029345 A JP 2004029345A JP 2002184939 A JP2002184939 A JP 2002184939A JP 2002184939 A JP2002184939 A JP 2002184939A JP 2004029345 A JP2004029345 A JP 2004029345A
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Japanese (ja)
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Yoshinori Iketaki
池滝 慶記
Takeshi Watanabe
渡邊 武史
Masaaki Fujii
藤井 正明
Takashige Omatsu
尾松 孝茂
Kimihisa Yamamoto
山元 公寿
Tomoo Suzuki
鈴木 智雄
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Japan Science and Technology Agency
Olympus Corp
Nippon Roper Co Ltd
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Olympus Corp
Nippon Roper Co Ltd
Japan Science and Technology Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microscope capable of realizing complete observation of an image by preventing discoloration of an observation molecule. <P>SOLUTION: The microscope has an exciting light source 1 generating exciting light for exciting the molecule in a sample 9 from a base state to a 1st excitation state, a condensing optical system 8 condensing the exciting light from the light source 1 on the sample 9, and a detection means 14 detecting emitted light when the molecule in the excited sample 9 is deexcited, and the light source 1 is a pulse light source. The microscope is constituted to satisfy ν<1/τ and 1/(I<SB>0</SB>×σ<SB>0</SB>)<T<τ when it is assumed that the repeating frequency of the exciting light from the pulse light source is ν, pulse width is T, the life of the molecule in the sample 9 in the 1st excitation state is τ, absorption cross section obtained when the molecule in the sample 9 is excited from the base state to the 1st excitation state is σ<SB>0</SB>, and photon flux on the condensed surface of the sample by the exciting light is I<SB>0</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡、特に染色した試料を機能性の高いレーザー光源からの複数の波長の光により照明して、高い空間分解能を得る高性能かつ高機能の新しい光学顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光学顕微鏡の技術は古く、種々のタイプの顕微鏡が開発されてきた。また、近年では、レーザー技術および電子画像技術をはじめとする周辺技術の進歩により、更に高機能の顕微鏡システムが開発されている。
【0003】
このような背景の中、例えば特開平8−184552号公報において、複数波長の光で試料を照明することにより発する二重共鳴吸収過程を用いて、得られる画像のコントラストの制御のみならず化学分析も可能にした高機能な顕微鏡が提案されている。
【0004】
この顕微鏡は、二重共鳴吸収を用いて特定の分子を選択し、特定の光学遷移に起因する吸収および蛍光を観測するものである。この原理について、図3〜図6を参照して説明する。図3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3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4に示す第1電子励起状態(S1状態)とする。次に、別の波長λ2の光により同様に励起して図5に示す第2電子励起状態(S2状態)とする。この励起状態により、分子は蛍光あるいは燐光を発光して、図6に示すように基底状態に戻る。
【0005】
二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、図4の吸収過程や図6の蛍光や燐光の発光を用いて、吸収像や発光像を観察する。この顕微鏡法では、最初にレーザー光等により共鳴波長λ1の光で図4のように試料を構成する分子をS1状態に励起させるが、この際、単位体積内でのS1状態の分子数は、照射する光の強度が増加するに従って増加する。
【0006】
ここで、線吸収係数は、分子一個当りの吸収断面積と単位体積当たりの分子数との積で与えられるので、図5のような励起過程においては、続いて照射する共鳴波長λ2に対する線吸収係数は、最初に照射した波長λ1の光の強度に依存することになる。すなわち、波長λ2に対する線吸収係数は、波長λ1の光の強度で制御できることになる。このことは、波長λおよび波長λ2の2波長の光で試料を照射し、波長λ2による透過像を撮影すれば、透過像のコントラストは波長λ1の光で完全に制御できることを示している。
【0007】
また、図5の励起状態での蛍光または燐光による脱励起過程が可能である場合には、その発光強度はS1状態にある分子数に比例する。したがって、蛍光顕微鏡として利用する場合には画像コントラストの制御が可能となる。
【0008】
さらに、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、上記の画像コントラストの制御のみならず、化学分析も可能にする。すなわち、図3に示される最外殻価電子軌道は、各々の分子に固有なエネルギー準位を持つので、波長λ1は分子によって異なることになり、同時に波長λ2も分子固有のものとなる。
【0009】
ここで、従来の単一波長で照明する場合でも、ある程度特定の分子の吸収像あるいは蛍光像を観察することが可能であるが、一般にはいくつかの分子における吸収帯の波長領域は重複するので、試料の化学組成の正確な同定までは不可能である。
【0010】
これに対し、二重共鳴吸収過程を用いた顕微鏡法では、波長λ1および波長λ2の2波長により吸収あるいは発光する分子を限定するので、従来法よりも正確な試料の化学組成の同定が可能となる。また、価電子を励起する場合、分子軸に対して特定の電場ベクトルをもつ光のみが強く吸収されるので、波長λ1および波長λ2の偏光方向を決めて吸収または蛍光像を撮影すれば、同じ分子でも配向方向の同定まで可能となる。
【0011】
また、最近では、例えば特開2001−100102号公報において、二重共鳴吸収過程を用いて回折限界を越える高い空間分解能をもつ蛍光顕微鏡も提案されている。
【0012】
図7は、分子における二重共鳴吸収過程の概念図で、基底状態S0の分子が、波長λ1の光で第1電子励起状態であるS1に励起され、更に波長λ2の光で第2電子励起状態であるS2に励起されている様子を示している。なお、図7はある種の分子のS2からの蛍光が極めて弱いことを示している。
【0013】
図7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8は、図7と同じく二重共鳴吸収過程の概念図で、横軸のX軸は空間的距離の広がりを表わし、波長λ2の光を照射した空間領域A1と波長λ2の光が照射されない空間領域A0とを示している。
【0014】
図8において、空間領域A0では波長λ1の光の励起によりS1状態の分子が多数生成され、その際に空間領域A0からは波長λ3で発光する蛍光が見られる。しかし、空間領域A1では、波長λ2の光を照射したため、S1状態の分子のほとんどが即座に高位のS2状態に励起されて、S1状態の分子は存在しなくなる。このような現象は、幾つかの分子により確認されている。これにより、空間領域A1では、波長λ3の蛍光は完全になくなり、しかもS2状態からの蛍光はもともとないので、空間領域A1では蛍光自体が完全に抑制され、空間領域A0からのみ蛍光が発することになる。
【0015】
このことは、顕微鏡の応用分野から考察すると、極めて重要な意味を持っている。すなわち、従来の走査型レーザー顕微鏡等では、レーザー光を集光レンズによりマイクロビームに集光して観察試料上を走査するが、その際のマイクロビームのサイズは、集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界となり、原理的にそれ以上の空間分解能は期待できない。
【0016】
ところが、図8の場合には、波長λ1と波長λ2との2種類の光を空間的に上手く重ね合わせて、波長λ2の光の照射により蛍光領域を抑制することで、例えば波長λ1の光の照射領域に着目すると、蛍光領域を集光レンズの開口数と波長とで決まる回折限界よりも狭くでき、実質的に空間分解能を向上させることが可能となる。したがって、この原理を利用することで、回折限界を越える二重共鳴吸収過程を用いた超解像顕微鏡、例えば蛍光顕微鏡を実現することが可能となる。
【0017】
さらに、顕微鏡の超解像性を高めるため、例えば特開平11−95120号公報において、超解像顕微鏡の機能を十分に活かすための蛍光ラベラー分子や、利用する波長λ1および波長λ2の2つの光の試料への照射タイミング等が開示されている。この先行技術では、少なくとも基底状態を含む3つの量子状態を有し、第1電子励起状態を除く高位のエネルギー状態から基底状態へ脱励起するときの遷移が蛍光による緩和過程よりも熱緩和過程が支配的である各種分子を染色する蛍光ラベラー分子と、生化学的な染色技術を施した生体分子とを化学結合させた試料を、染色する分子を励起する波長λ1の光でS1状態に励起し、続いて波長λ2の光により即座に高位の量子準位に励起することで、S1状態からの蛍光を抑制するようにしている。このように分子の光学的性質を利用して、空間的な蛍光領域を人為的に抑制することで、空間分解能の向上を図ることができる。
【0018】
このような分子の光学的性質は、量子化学的な立場から説明することができる。すなわち、一般に、分子はそれを構成する各原子がσまたはπ結合によって結ばれている。言い換えると、分子の分子軌道は、σ分子軌道またはπ分子軌道を有していて、これらの分子軌道に存在する電子が各原子を結合する重要な役割を担っている。そのなかでも、σ分子軌道の電子は各原子を強く結合し、分子の骨格である分子内の原子間距離を決めている。これに対して、π分子軌道の電子は各原子の結合にほとんど寄与しないで、むしろ分子全体に極めて弱い力で束縛されている。
【0019】
多くの場合、σ分子軌道にいる電子を光で励起すると、分子の原子間隔が大きく変化し、分子の解離を含む大きな構造変化が起こる。その結果、原子の運動エネルギーや構造変化のために、光が分子に与えたエネルギーのほとんどが熱エネルギーに変化する。したがって、励起エネルギーは蛍光という光の形態では消費されない。また、分子の構造変化は極めて高速(ピコ秒より短い)に起こるので、その過程で仮に蛍光が起きてもその寿命が極めて短い。
【0020】
これに対し、π分子軌道の電子は、励起しても分子の構造自体はほとんど変化せず、高位の量子的な離散準位に長時間とどまり、ナノ秒オーダで蛍光を放出して脱励起する性質を有している。
【0021】
量子化学によれば、分子がπ分子軌道をもつことと、二重結合をもつこととは同等であり、用いる蛍光ラベラー分子には、二重結合を豊富にもつ分子を選定することが必要条件となる。このことは、二重結合をもつ分子でもベンゼンやピラジン等の6員環分子において、S2励起状態からの蛍光が極めて弱いことが確かめられている(例えば、M.Fujii et.al.Chem.Phys.Lett.171(1990)341)。
【0022】
したがって、ベンゼンやピラジン等の6員環分子を含む分子を蛍光ラベラー分子として選定すれば、S1状態からの蛍光寿命が長く、しかも光励起によりS1状態からS2状態に励起することで、分子からの蛍光を容易に抑制できるので、超解像性を効果的に利用することができる。すなわち、これら蛍光ラベラー分子により染色して観察を行なえば、高空間分解能で試料の蛍光像を観察することができるのみならず、その分子の側鎖の化学基を調整することにより、生体試料の特定の化学組織のみを選択的に染色できるので、試料の詳細な化学組成までも分析可能となる。
【0023】
また、一般に、二重共鳴吸収過程は2つ光の波長や偏光状態等が特定の条件を満たすときにのみ起こるので、これを用いることで分子の構造を非常に詳細に知ることができる。すなわち、光の偏光方向と分子の配向方向とは強い相関関係があり、2つ波長の光のそれそれの偏光方向と分子の配向方向とが特定の角度をなすとき、二重共鳴吸収過程が強く起こる。したがって、2つ波長の光を試料に同時に照射して、それぞれの光りの偏光方向を回転することにより、蛍光の消失の程度が変化するので、その様子から観測しようとする組織の空間配向の情報も得ることができる。このことは、2つ光の波長を調整することでも可能である。
【0024】
以上のように、上記の特開平11−95120号公報記載の技術によると、超解像性以外にも、高い分析能力を有していることがわかる。さらに、波長λ1と波長λ2との2つの光の照射タイミングを工夫することで、S/Nを改善し、かつ蛍光抑制を効果的に起すことができ、超解像性をより効果的に発現することが可能となる。
【0025】
このような超解像顕微鏡法の具体例として、例えば特開2001−100102号公報には、蛍光ラベラー分子をS0状態からS1状態へ励起する波長λ1の光(特にレーザー光)をポンプ光とし、S1状態からS2状態へ励起する波長λ2の光をイレース光として、図9に示すように、光源81からポンプ光を、光源82からイレース光をそれぞれ放射させ、ポンプ光はダイクロイックミラー83で反射させた後、輪帯光学系84により試料95上に集光させ、イレース光は位相板86で中空ビーム化した後、ダイクロイックミラー83を透過させてポンプ光と空間的に重ね合わせて輪帯光学系84により試料95上に集光させるようにしたものが提案されている。
【0026】
この顕微鏡によると、イレース光の強度がゼロとなる光軸近傍以外の蛍光は抑制されるので、結果的にポンプ光の広がりより狭い領域(Δ<0.61・λ1/NA、NAは輪帯光学系84の開口数)に存在する蛍光ラベラー分子のみが観察されることになり、結果的に超解像性が発現することになる。なお、イレース光を中空ビーム化する位相板86は、例えば、図10に示すように、光軸に対して点対称な位置で位相差πを与えるように構成したものや、液晶面を用いた液晶空間変調器を用いることができる。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超解像顕微鏡法を含む蛍光検出型の顕微鏡においては、蛍光色素の退色の問題がある。特に、市販のレーザー顕微鏡では、励起光源すなわちポンプ光光源として主に連続発振(CW)レーザーを用いているが、観測中にしばしば退色現象が発生して、十分な画像観察を行う前にコントラストが低下してしまうという問題がある。
【0028】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、観察分子の退色を防止して、十分な画像観察を行うことができる顕微鏡を提供することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項1に係る顕微鏡の発明は、試料内の分子を基底状態から第1励起状態へ励起させるための励起光を発生する励起光源と、
該励起光源からの励起光を試料上に集光する集光光学系と、
励起された試料内の分子が脱励起する際の発光を検出する検出手段とを有し、上記励起光源はパルス光源であり、該パルス光源からの励起光の繰り返し周波数をν、パルス幅をT、試料内の分子の第1励起状態の寿命をτ、試料内の分子が基底状態から第1励起状態に励起されるときの吸収断面積をσ、励起光の試料集光面におけるフォトンフラックスをIとするとき、
【数3】
ν<1/τ         ・・・(1)
1/(I・σ)<T<τ    ・・・(2)
を満たすよう構成したことを特徴とするものである。
【0030】
請求項2に係る発明は、少なくとも基底状態を含む3つの電子状態を有する分子を含む試料を観察する顕微鏡であって、
上記分子を基底状態から第1電子励起状態へ遷移させる第1の光を発生する第1の光源と、
上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、
上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、
上記分子が第1電子励起状態から基底状態に脱励起する際の発光を検出する検出手段とを有し、
上記第1の光源はパルスレーザーであり、該パルスレーザーからの第1の光の繰り返し周波数をν、パルス幅をT、上記分子の第1電子励起状態の寿命をτ、上記分子が基底状態から第1電子励起状態に励起されるときの吸収断面積をσ、第1の光の試料集光面におけるフォトンフラックスをIとするとき、上記(1)式および(2)式を満たすよう構成したことを特徴とするものである。
【0031】
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の顕微鏡において、上記パルス光源からの励起光の繰り返し周波数は、試料を走査するサンプリング周波数よりも大きいことを特徴とするものである。
【0032】
請求項4に係る発明は、請求項2に記載の顕微鏡において、上記パルスレーザーからの第1の光の繰り返し周波数は、試料を走査するサンプリング周波数よりも大きいことを特徴とするものである。
【0033】
請求項5に係る発明は、請求項2または4に記載の顕微鏡において、上記第2の光源はパルスレーザーであり、該パルスレーザーからの第2の光のパルス幅は、上記第1の光源からの第1の光のパルス幅よりも長いことを特徴とするものである。
【0034】
請求項6に係る発明は、請求項2または4に記載の顕微鏡において、上記第2の光源は連続発振レーザーであることを特徴とするものである。
【0035】
以下、本発明の原理について、図2を参照して説明する。
【0036】
図2は、分子一般の量子準位を示すエネルギーダイヤグラムである。例えば、共鳴する波長で、分子をまず基底状態S0から第1電子励起状態S1に励起すると、分子は所定の蛍光収量で蛍光を発して基底状態に緩和する。ここで、S1状態に止まる寿命をτとすると、その緩和速度は、1/τで与えられる。蛍光性の分子の場合、通常、τは凝集相中でナノ秒のオーダーであり、緩和速度は10〜10/secのオーダーである。
【0037】
この時、S1状態にある分子に、二重共鳴吸収過程の条件を満たす波長のイレース光を照射すると、S1状態の分子はσIの速度で減少する。ここで、σはイレース光に対するS1状態の分子の吸収断面積であり、Iはイレース光のフォトンフラックスである。遷移先は、S2状態またはそれ以上の遷移可能な量子状態であったり、3重項状態であったりするが、いずれにしろ蛍光収量が極めて小さい量子状態に遷移する。これが二重共鳴吸収過程であるが、一般に分子はS1状態以外からは蛍光を発しないので、二重共鳴吸収過程が起こると分子からの蛍光は抑制される。上述したように、超解像顕微鏡は、この原理を基礎にしている。
【0038】
ところで、色素分子にポンプ光を長時間照射すると、色素分子の退色を招く。これも、ポンプ光の単独照射による一種の二重共鳴吸収現象である。すなわち、S1状態にある分子が更にポンプ光を吸収して、イオン化してしまう現象が発生する。これは、分子解離を伴う化学反応であり、もはや分子は以前の光学的な性質を失ってしまう。特に、蛍光分子の場合には、蛍光収量が低下して蛍光ラベラーとして機能しなくなる。
【0039】
一般に、分子の励起過程が終了するまでの時間は、数ピコ秒あれば十分であり、大体の分子は励起後、数ナノ秒以内に蛍光を発してS0状態に戻る。この過程を更に詳しく説明する。分子がポンプ光によりS0状態からS1状態に励起するときの吸収断面積をσ、ポンプ光の照射時間をT、ポンプ光のフォトンフラックスをIとすると、T>1/(I・σ)を満たす条件では、1分子が63%以上の確率でS1状態に励起する。例えばローダミン6Gの場合には、σが10−17cmであるから、ポンプ光として例えば波長532nmで、光強度が1nWの微弱な光を1μmに集光させると、T>10−17secなる条件が実現して、分子は瞬時に励起する。
【0040】
したがって、原理的には、ポンプ光光源として、フェムト秒やピコ秒のパルス幅を有する市販のパルスレーザーが使用可能である。しかし、励起後の励起寿命τの間に、ポンプ光が入射すると分子がイオン化して退色するおそれがある。したがって、ポンプ光光源のパルス幅は、分子の励起寿命τよりもできるだけ短い方が望ましい。
【0041】
また、蛍光が終了する励起寿命後にポンプ光を再び照射すれば、分子は退色することなくS1状態に励起するので、非常に高い頻度で蛍光を発することになる。したがって、次に照射するポンプ光の時間間隔はτ以上であることが望ましく、特にτ間隔でフェムト秒やピコ秒のパルス幅のポンプ光を照射すれば、退色する確率が非常に少ない状態で分子を常時S1状態に維持することができ、これにより時間平均での蛍光の発生確率を最大にすることができ、十分な画像観察を行うことが可能になる。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明による顕微鏡の一実施の形態について説明する。
【0043】
図1は、本発明の一実施の形態における顕微鏡の構成を示す図である。本実施の形態の顕微鏡は、イレース光を中空ビーム化して超解像性を発現させて空間分解能を向上させたレーザー走査型の顕微鏡で、ローダミン6Gで染色された生体試料を観察するものである。
【0044】
ここで、ローダミン6Gは、530nmの波長帯域で吸収が最大となり、また、第1電子励起状態(S1)から、よりエネルギー的に高い高位の電子励起状態に励起できる吸収帯が、波長600〜650nmの領域に存在する。
【0045】
そこで、本実施の形態では、第1の光源としてレーザーダイオード(LD)励起型のモードロックNd:YAGレーザー1を用い、その2倍高調波(532nm)をポンプ光として用いる。このLD励起型のモードロックNd:YAGレーザー1は、レーザー共振器の設計パラメータの調整により、MHzオーダーの繰り返し周波数で、ピコ秒のレーザーパルスを発振することができる。例えば、スイス:Time−Bandwidth社製のGE−100シリーズは、標準仕様で、100MHzの繰り返し周波数において、パルス幅:6psecのパルス光を平均出力50mWで発振することができる。これは、1パルスの持つエネルギーが、500pJに対応する。また、共振器を設計変更することで、繰り返し周波数を、25MHz〜1GHzの間で調整することができる。
【0046】
また、第2の光源は、市販で廉価かつ信頼性の高いCWのHe−Neレーザー2を用い、その基本波(633nm)をイレース光として用いる。
【0047】
LD励起型のモードロックNd:YAGレーザー1からのポンプ光は、キューベット型のハーフミラーからなるビームコンバイナー3に入射させる。また、CWのHe−Neレーザー2からのイレース光は、図10に示したような位相板4を通すことで中空ビーム化してビームコンバイナー3に入射させてポンプ光と同軸上に合成し、これらポンプ光およびイレース光を、キューベット型のハーフミラーからなるビームセパレーター5を透過させた後、互いに直交する軸を中心に揺動可能なガルバノミラー6および7で順次反射させて対物レンズ8によりローダミン6Gで染色された生体試料9の表面に集光させ、その集光点をガルバノミラー6,7の揺動により移動させて試料面上を2次元走査する。なお、図1では、図面を簡略化するために、ガルバノミラー6,7を互いに平行な軸を中心に揺動するように示している。また、位相板4は、図10に示すような位相分布をイレース光に与えるべく、蒸着膜がコートされている。これにより、光軸で光強度をキャンセルして中空状のビームに整形される。
【0048】
一方、ポンプ光およびイレース光の照射により試料9から発する蛍光は、対物レンズ8によりコリメートしたのち、入射光路とは逆の経路を辿って、ガルバノミラー7および6を経てビームセパレーター5に入射させ、該ビームセパレーター5で反射される蛍光を投影レンズ10によりピンホール11に集光させる。
【0049】
ピンホール11は、試料9の蛍光発光点に対して共焦点位置に配置し、このピンホール11を透過した蛍光を、ポンプ光カットノッチフィルター12およびイレース光カットノッチフィルター13を透過させて、それぞれポンプ光およびイレース光を除去した後、光電子増倍管14で受光して蛍光信号を得る。
【0050】
光電子増倍管14から得られる蛍光信号は、A/D変換して顕微鏡を制御する図示しないコンピュータのビデオフレームメモリに格納し、このビデオフレームメモリに格納された映像信号をD/A変換して、試料9の蛍光2次元画像を図示しないCRT等のモニタにリアルタイムで表示する。なお、ガルバノミラー6,7は、モニタに表示する蛍光2次元画像のビデオレートに同期して揺動させる。
【0051】
本実施の形態では、生体試料9を染色するローダミン6Gの励起寿命(τ)が3nsecであることから、上記(1)式を満足するため、LD励起型のモードロックNd:YAGレーザー1からのポンプ光の繰り返し周波数(ν)を、333MHz以下とする。
【0052】
また、対物レンズ8は、開口数(NA)が0.9のものを用いる。この場合、試料9上でのポンプ光(波長λ=532nm)の集光径(d)は、レイリーの式から、
【数4】
d=1.22・λ/NA
=0.72(μm)
となり、その集光面積は、約4×10−9cmとなる。
【0053】
したがって、単位時間、単位面積あたりに試料集光面を通過する光子数、すなわちフォトンフラックスIは、6.5×1028photons/cm/secとなる。また、ローダミン6Gのポンプ光に対するS0状態からS1状態への分子の吸収断面積(σ)は、10−17cmであることから、この場合の1/(σ・I)は、約1.5psecとなる。そこで、本実施の形態では、上記(2)式を満足するため、LD励起型のモードロックNd:YAGレーザー1から発生するポンプ光のパルス幅(T)を、6psec(>1.5psec)とする。
【0054】
このようにすれば、基底状態のローダミン6G分子をS1状態に十分な確率で励起することができると共に、ポンプ光のパルス幅(T=6psec)は、ローダミン6G分子の励起寿命(τ=3nsec)よりも遥かに短いので、再励起は発生せず、退色の影響も無視することができる。
【0055】
また、試料9の蛍光2次元画像を表示するモニタとしてCRTを用いる場合、一般に、CRTは525本の走査線を有しており、1フレームを1/30secとすると、1ラインの走査期間は63.5μsecである。したがって、光電子増倍管14から得られる蛍光信号をデジタル化して、コンピュータのビデオフレームメモリに格納するには、上記の走査期間に同期して蛍光信号をA/D変換する必要があり、そのためにはガルバノミラー6,7をビデオレートに完全に同期して揺動させる必要がある。
【0056】
ここで、例えばCRTの画素の縦横比を1対1にする場合には、1ライン走査期間すなわち63.5μsecを更に525画素にサンプリングする必要があり、このサンプリング周波数がビデオレート(ω)に対応し、この場合には8.27MHzとなる。したがって、この場合には、ポンプ光の繰り返し周波数(ν)が8.27MHzよりも大きくないと、1画素当たりにポンプ光を1パルス以上照射できなくなり、このため変動の少ない良好な蛍光信号が得られず、顕微鏡画像をリアルタイムでCRTに表示することが困難になる。
【0057】
このため、本実施の形態では、ポンプ光の繰り返し周波数(ν)を、333MHz以下で、ω<νを満足する100MHzとする。このようにすれば、1画素当たりにポンプ光を10パルス以上照射できるので、各パルスによる蛍光を積算した統計変動の極めて少ない良好な蛍光信号を得ることができ、退色を防ぎつつ、コントラストの良好な顕微鏡画像をCRT上にリアルタイムで表示することができる。
【0058】
さらに、本実施の形態では、イレース光光源としてCWのHe−Neレーザー2を用いているので、時間領域においてポンプ光とイレース光とを完全にオーバーラップさせることができる。したがって、超解像顕微鏡において超解像性の基礎となる蛍光抑制効果を極めて有効に誘起でき、空間分解能の向上に効果的に寄与することができる。
【0059】
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試料9の染色色素としてローダミン6Gを用いたが、他のクマリン系の色素や蛍光蛋白等の蛍光標識を用いることもできる。また、イレース光光源はCWレーザーに限らず、パルスレーザーを用いることもできる。この場合には、パルスレーザーからのイレース光の繰り返し周波数をポンプ光の繰り返し周波数と同期させ、かつイレース光のパルス幅をポンプ光のそれよりも長くする。このようにすれば、時間領域においてイレース光とポンプ光とを完全にオーバーラップさせることができるので、上記実施の形態と同様に、蛍光抑制効果を極めて有効に誘起でき、空間分解能の向上に効果的に寄与することができる。
【0060】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、試料内の分子を基底状態から第1励起状態へ励起させるための励起光を発生する励起光源をパルス光源として、該パルス光源からの励起光の繰り返し周波数をν、パルス幅をT、試料内の分子の第1励起状態の寿命をτ、試料内の分子が基底状態から第1励起状態に励起されるときの吸収断面積をσ、励起光の試料集光面におけるフォトンフラックスをIとするとき、ν<1/τ、および、1/(I・σ)<T<τ、を満たすように構成したので、観察分子の退色を防止でき、十分な画像観察を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態における顕微鏡の構成を示す図である。
【図2】本発明の原理を説明するための図である。
【図3】試料を構成する分子の価電子軌道の電子構造を示す概念図である。
【図4】図3の分子の第1電子励起状態を示す概念図である。
【図5】同じく、第2電子励起状態を示す概念図である。
【図6】同じく、第2電子励起状態から基底状態に戻る状態を示す概念図である。
【図7】分子における二重共鳴吸収過程を説明するための概念図である。
【図8】同じく、二重共鳴吸収過程を説明するための概念図である。
【図9】従来の超解像顕微鏡の一例の構成を示す図である。
【図10】図9に示す位相板の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1 Nd:YAGレーザー
2 He−Neレーザー
3 ビームコンバイナー
4 位相板
5 ビームセパレーター
6,7 ガルバノミラー
8 対物レンズ
9 試料
10 投影レンズ
11 ピンホール
12 ポンプ光カットノッチフィルター
13 イレース光カットノッチフィルター
14 光電子増倍管
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microscope, and particularly to a new high-performance and high-performance optical microscope that illuminates a stained sample with light of a plurality of wavelengths from a highly functional laser light source to obtain high spatial resolution.
[0002]
[Prior art]
The technology of optical microscopes is old, and various types of microscopes have been developed. In recent years, further advanced microscope systems have been developed with advances in peripheral technologies such as laser technology and electronic imaging technology.
[0003]
Against this background, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-184552, not only control of the contrast of an obtained image but also chemical analysis is performed using a double resonance absorption process generated by illuminating a sample with light of a plurality of wavelengths. There has been proposed a high-performance microscope that has made it possible.
[0004]
This microscope uses a double resonance absorption to select a specific molecule, and observes absorption and fluorescence caused by a specific optical transition. This principle will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows the electronic structure of the valence orbits of the molecules constituting the sample. First, the electrons of the valence orbits of the molecules in the ground state (S0 state) shown in FIG. 3 are excited by light of wavelength λ1. Then, the first electronically excited state (S1 state) shown in FIG. 4 is set. Next, it is similarly excited by light of another wavelength λ2 to be in the second electronically excited state (S2 state) shown in FIG. Due to this excited state, the molecule emits fluorescence or phosphorescence, and returns to the ground state as shown in FIG.
[0005]
In the microscopy using the double resonance absorption process, an absorption image and an emission image are observed using the absorption process in FIG. 4 and the emission of fluorescence and phosphorescence in FIG. In this microscopy, molecules constituting the sample are first excited to the S1 state as shown in FIG. 4 by laser light or the like at a resonance wavelength λ1. At this time, the number of molecules in the S1 state in a unit volume is: It increases as the intensity of the irradiated light increases.
[0006]
Here, the linear absorption coefficient is given by the product of the absorption cross-sectional area per molecule and the number of molecules per unit volume. Therefore, in the excitation process as shown in FIG. The coefficient will depend on the intensity of the light of the wavelength λ1 which is first irradiated. That is, the linear absorption coefficient for the wavelength λ2 can be controlled by the intensity of the light having the wavelength λ1. This indicates that the contrast of the transmitted image can be completely controlled by the light of the wavelength λ1 if the sample is irradiated with the light of the two wavelengths of the wavelength λ and the wavelength λ2 and the transmission image of the wavelength λ2 is taken.
[0007]
When the de-excitation process by fluorescence or phosphorescence in the excited state in FIG. 5 is possible, the emission intensity is proportional to the number of molecules in the S1 state. Therefore, when used as a fluorescence microscope, it is possible to control the image contrast.
[0008]
Furthermore, microscopy using the double resonance absorption process allows not only control of the image contrast as described above, but also chemical analysis. That is, since the outermost valence orbit shown in FIG. 3 has an energy level unique to each molecule, the wavelength λ1 differs depending on the molecule, and the wavelength λ2 also becomes unique to the molecule.
[0009]
Here, even when illuminating with a conventional 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 regions of the absorption bands of some molecules overlap, so However, accurate identification of the chemical composition of a sample is not possible.
[0010]
On the other hand, in the microscopy using the double resonance absorption process, molecules that absorb or emit at two wavelengths, wavelength λ1 and wavelength λ2, are limited, so that it is possible to identify the chemical composition of a sample more accurately than the conventional method. Become. Also, when exciting valence electrons, only light having a specific electric field vector with respect to the molecular axis is strongly absorbed. Therefore, if the polarization directions of the wavelengths λ1 and λ2 are determined and the absorption or fluorescence images are taken, the same results can be obtained. Even molecules can be used to identify the orientation direction.
[0011]
Recently, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-100102 has proposed a fluorescence microscope having a high spatial resolution exceeding a diffraction limit by using a double resonance absorption process.
[0012]
FIG. 7 is a conceptual diagram of a double resonance absorption process in a molecule, in which a molecule in a ground state S0 is excited by light having a wavelength λ1 into S1, which is a first electronically excited state, and further, is excited by a light having a wavelength λ2. The state of being excited by the state S2 is shown. FIG. 7 shows that the fluorescence from S2 of a certain molecule is extremely weak.
[0013]
In the case of a molecule having optical properties as shown in FIG. 7, a very interesting phenomenon occurs. FIG. 8 is a conceptual diagram of the double resonance absorption process as in FIG. 7, in which the X axis on the horizontal axis represents the expansion of the spatial distance, and the spatial region A1 irradiated with light of wavelength λ2 and the light of wavelength λ2 are not irradiated. A spatial area A0 is shown.
[0014]
In FIG. 8, in the spatial region A0, a large number of molecules in the S1 state are generated by the excitation of the light having the wavelength λ1, and at this time, fluorescence emitted at the wavelength λ3 is seen from the spatial region A0. However, in the spatial region A1, since the light of the wavelength λ2 is irradiated, most of the molecules in the S1 state are immediately excited to the higher-order S2 state, and the molecules in the S1 state no longer exist. Such a phenomenon has been confirmed by several molecules. Thereby, in the spatial region A1, the fluorescence of the wavelength λ3 completely disappears, and furthermore, the fluorescence from the S2 state is not originally present. Therefore, in the spatial region A1, the fluorescence itself is completely suppressed, and the fluorescence is emitted only from the spatial region A0. Become.
[0015]
This is extremely important when viewed from the microscope application field. That is, in a conventional scanning laser microscope or the like, a laser beam is condensed into a microbeam by a condensing lens to scan over an observation sample. At this time, the size of the microbeam depends on the numerical aperture of the condensing lens and the wavelength. , And a higher spatial resolution cannot be expected in principle.
[0016]
However, in the case of FIG. 8, the two types of light of the wavelength λ1 and the wavelength λ2 are spatially well overlapped, and the fluorescent region is suppressed by irradiation with the light of the wavelength λ2. Focusing on the irradiation area, the fluorescent area can be narrower than the diffraction limit determined by the numerical aperture and wavelength of the condenser lens, and the spatial resolution can be substantially improved. Therefore, by utilizing this principle, it becomes possible to realize a super-resolution microscope, for example, a fluorescence microscope, using a double resonance absorption process exceeding the diffraction limit.
[0017]
Further, in order to enhance the super-resolution of the microscope, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-95120 discloses a fluorescent labeler molecule for fully utilizing the function of the super-resolution microscope, and two light beams of wavelengths λ1 and λ2 to be used. And the irradiation timing of the sample. This prior art has at least three quantum states including a ground state, and the transition when de-excited from a higher energy state excluding the first electronically excited state to the ground state is more a thermal relaxation process than a fluorescence relaxation process. A sample in which a fluorescent labeler molecule that stains various dominant molecules and a biomolecule that has been subjected to biochemical staining technology are chemically bonded is excited into the S1 state by light having a wavelength λ1 that excites the molecule to be stained. Subsequently, the light of wavelength λ2 is immediately excited to a higher quantum level to suppress the fluorescence from the S1 state. As described above, the spatial resolution can be improved by artificially suppressing the spatial fluorescent region using the optical properties of molecules.
[0018]
The optical properties of such molecules can be explained from a quantum chemical standpoint. That is, generally, each atom constituting the molecule is connected by σ or π bond. In other words, the molecular orbital of the molecule has a σ 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 bonds 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 are rather bound to the whole molecule by an extremely weak force.
[0019]
In many cases, when an electron in a σ molecular orbital is excited by light, the interatomic distance of the molecule changes greatly, causing a large structural change including dissociation of the molecule. As a result, most of the energy given to the molecule by light changes to thermal energy due to the kinetic energy and structural change of the atom. 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 (less than picosecond), even if fluorescence occurs in the process, the life is extremely short.
[0020]
On the other hand, the electrons in the π molecular orbital structure hardly change even when excited, stay at a high quantum discrete level for a long time, emit fluorescence in the order of nanoseconds, and excite them. Has properties.
[0021]
According to quantum chemistry, a molecule has a π molecular orbit and a double bond is equivalent, and it is necessary to select a molecule with a large number of double bonds for the fluorescent labeler molecule used. It becomes. It has been confirmed that the fluorescence from the S2 excited state is extremely weak in a 6-membered ring molecule such as benzene and pyrazine even in a molecule having a double bond (for example, M. Fujii et. Al. Chem. Phys. Lett., 171 (1990) 341).
[0022]
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 the light is excited from the S1 state to the S2 state by photoexcitation, so that the fluorescence from the molecule is increased. Can be easily suppressed, so that the super-resolution can be effectively used. In other words, if observation is performed by staining with these fluorescent labeler molecules, not only can the fluorescence image of the sample be observed with high spatial resolution, but also by adjusting the chemical groups of the side chains of the molecule, the biological sample can be analyzed. Since only a specific chemical tissue can be selectively stained, even the detailed chemical composition of the sample can be analyzed.
[0023]
In general, the double resonance absorption process occurs only when the two light wavelengths, polarization states, and the like satisfy specific conditions. Therefore, by using this, the structure of a molecule can be known in detail. That is, there is a strong correlation between the polarization direction of light and the orientation direction of molecules, and when the polarization direction of each of the two wavelengths of light and the orientation direction of molecules form a specific angle, the double resonance absorption process occurs. It happens strongly. Therefore, by simultaneously irradiating the sample with light of two wavelengths and rotating the polarization direction of each light, the extent of the disappearance of the fluorescence changes. Can also be obtained. This is also possible by adjusting the wavelengths of the two lights.
[0024]
As described above, according to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-95120, it can be seen that the technique has high analytical performance in addition to super-resolution. Further, by devising the irradiation timing of the two lights of the wavelength λ1 and the wavelength λ2, the S / N can be improved and the fluorescence can be effectively suppressed, and the super-resolution is more effectively exhibited. It is possible to do.
[0025]
As a specific example of such super-resolution microscopy, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-100102 discloses that light (particularly laser light) having a wavelength λ1 that excites a fluorescent labeler molecule from the S0 state to the S1 state is used as a pump light. As shown in FIG. 9, pump light is emitted from a light source 81 and erase light is emitted from a light source 82, and the pump light is reflected by a dichroic mirror 83, as shown in FIG. After that, the light is condensed on the sample 95 by the annular optical system 84, the erase light is converted into a hollow beam by the phase plate 86, then transmitted through the dichroic mirror 83 and spatially overlapped with the pump light to form the annular optical system. There has been proposed a device for focusing light on a sample 95 according to 84.
[0026]
According to this microscope, fluorescence other than near the optical axis where the intensity of the erase light becomes zero is suppressed, and as a result, a region narrower than the spread of the pump light (Δ <0.61 · λ1 / NA, NA Only the fluorescent labeler molecules present in the (numerical aperture of the optical system 84) are observed, and as a result, super-resolution is developed. As the phase plate 86 for converting the erase light into a hollow beam, for example, as shown in FIG. 10, a structure in which a phase difference π is provided at a point symmetric position with respect to the optical axis, or a liquid crystal surface is used. A liquid crystal spatial modulator can be used.
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a fluorescence detection type microscope including super-resolution microscopy, there is a problem of fading of a fluorescent dye. In particular, in a commercially available laser microscope, a continuous wave (CW) laser is mainly used as an excitation light source, that is, a pump light source. However, a fading phenomenon often occurs during observation, and the contrast is reduced before sufficient image observation is performed. There is a problem of lowering.
[0028]
Therefore, an object of the present invention made in view of the above point is to provide a microscope capable of preventing fading of observed molecules and performing sufficient image observation.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The microscope according to claim 1, which achieves the above object, comprises an excitation light source that generates excitation light for exciting molecules in a sample from a ground state to a first excitation state,
A focusing optical system that focuses the excitation light from the excitation light source on the sample,
Detecting means for detecting light emission when molecules in the excited sample are de-excited. The excitation light source is a pulse light source, and the repetition frequency of the excitation light from the pulse light source is ν, and the pulse width is T. Τ is the lifetime of the molecule in the sample in the first excited state, and σ is the absorption cross section when the molecule in the sample is excited from the ground state to the first excited state. 0 And the photon flux of the excitation light on the sample focusing surface 0 When
[Equation 3]
ν <1 / τ (1)
1 / (I 0 ・ Σ 0 ) <T <τ (2)
It is characterized by having been configured to satisfy the following.
[0030]
The invention according to claim 2 is a microscope for observing a sample including a molecule having at least three electronic states including a ground state,
A first light source that generates first light that causes the molecule to transition from a ground state to a first electronically excited state;
A second light source that generates second light that causes the molecule to transition from the first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system for irradiating the sample with at least a part of an irradiation area of the first light and the second light overlapped;
Detecting means for detecting light emission when the molecule is de-excited from the first electronically excited state to the ground state,
The first light source is a pulsed laser, and the repetition frequency of the first light from the pulsed laser is ν, the pulse width is T, the lifetime of the first electronically excited state of the molecule is τ, and the molecule is shifted from the ground state. The absorption cross section when excited to the first electronic excited state is σ 0 , The photon flux of the first light on the sample focusing surface is I 0 In this case, the configuration is such that the expressions (1) and (2) are satisfied.
[0031]
According to a third aspect of the present invention, in the microscope according to the first aspect, a repetition frequency of the excitation light from the pulse light source is higher than a sampling frequency for scanning the sample.
[0032]
According to a fourth aspect of the present invention, in the microscope according to the second aspect, a repetition frequency of the first light from the pulse laser is higher than a sampling frequency for scanning the sample.
[0033]
The invention according to claim 5 is the microscope according to claim 2 or 4, wherein the second light source is a pulse laser, and a pulse width of the second light from the pulse laser is different from the first light source. Is longer than the pulse width of the first light.
[0034]
The invention according to claim 6 is the microscope according to claim 2 or 4, wherein the second light source is a continuous wave laser.
[0035]
Hereinafter, the principle of the present invention will be described with reference to FIG.
[0036]
FIG. 2 is an energy diagram showing a general quantum level of a molecule. For example, when the molecule is first excited from the ground state S0 to the first electronically excited state S1 at the wavelength of resonance, the molecule emits fluorescence with a predetermined fluorescence yield and relaxes to the ground state. Here, assuming that the life remaining in the S1 state is τ, the relaxation rate is given by 1 / τ. For fluorescent molecules, τ is typically on the order of nanoseconds in the aggregate phase and the relaxation rate is 8 -10 9 / Sec.
[0037]
At this time, when molecules in the S1 state are irradiated with erase light having a wavelength that satisfies the conditions of the double resonance absorption process, the molecules in the S1 state decrease at a rate of σI. Here, σ is the absorption cross section of molecules in the S1 state with respect to the erase light, and I is the photon flux of the erase light. The transition destination may be an S2 state or a higher quantum state capable of transition, or a triplet state, but in any case, transition to a quantum state with an extremely small fluorescence yield. This is the double resonance absorption process. In general, molecules do not emit fluorescence from a state other than the S1 state, and thus the fluorescence from the molecule is suppressed when the double resonance absorption process occurs. As described above, the super-resolution microscope is based on this principle.
[0038]
When the dye molecules are irradiated with the pump light for a long time, the dye molecules are discolored. This is also a kind of double resonance absorption phenomenon caused by the single irradiation of the pump light. That is, a phenomenon occurs in which the molecules in the S1 state further absorb the pump light and are ionized. This is a chemical reaction involving molecular dissociation, and the molecule no longer loses its previous optical properties. In particular, in the case of a fluorescent molecule, the fluorescent yield decreases and the fluorescent molecule does not function as a fluorescent labeler.
[0039]
In general, the time required to complete the molecular excitation process is only a few picoseconds, and most molecules emit fluorescence within several nanoseconds after excitation and return to the S0 state. This process will be described in more detail. The absorption cross section when the molecule is excited from the S0 state to the S1 state by the pump light is σ 0 , The irradiation time of the pump light is T, and the photon flux of the pump light is I 0 Then, T> 1 / (I 0 ・ Σ 0 Under the conditions that satisfy (), one molecule is excited to the S1 state with a probability of 63% or more. For example, in the case of rhodamine 6G, σ 0 Is 10 -17 cm 2 Therefore, if weak light having a wavelength of 532 nm and a light intensity of 1 nW is condensed to 1 μm as pump light, for example, T> 10 -17 The condition of sec is realized, and the molecule is instantaneously excited.
[0040]
Therefore, in principle, a commercially available pulse laser having a femtosecond or picosecond pulse width can be used as the pump light source. However, when the pump light is incident during the excitation lifetime τ after the excitation, molecules may be ionized and discolored. Therefore, it is desirable that the pulse width of the pump light source be as short as possible than the excitation lifetime τ of the molecule.
[0041]
Further, if the pump light is re-irradiated after the excitation lifetime at which the fluorescence ends, the molecules are excited to the S1 state without fading, so that the fluorescence is emitted at a very high frequency. Therefore, it is desirable that the time interval of the next pump light to be irradiated is longer than τ. In particular, if the pump light is irradiated with a femtosecond or picosecond pulse width at the τ interval, the molecular light will have a very low probability of fading. Can always be maintained in the S1 state, thereby maximizing the probability of occurrence of fluorescence on a time average, and enabling sufficient image observation.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a microscope according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0043]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a microscope according to an embodiment of the present invention. The microscope according to the present embodiment is a laser scanning microscope in which erase light is formed into a hollow beam to develop super-resolution to improve spatial resolution, and observes a biological sample stained with rhodamine 6G. .
[0044]
Here, the absorption of rhodamine 6G is maximized in the wavelength band of 530 nm, and the absorption band capable of being excited from the first electronic excited state (S1) to a higher energy electronically excited state has a wavelength of 600 to 650 nm. Exists in the area of
[0045]
Therefore, in the present embodiment, a mode-locked Nd: YAG laser 1 of a laser diode (LD) excitation type is used as the first light source, and its second harmonic (532 nm) is used as the pump light. The LD-excited mode-locked Nd: YAG laser 1 can oscillate picosecond laser pulses at a repetition frequency on the order of MHz by adjusting the design parameters of the laser resonator. For example, the GE-100 series manufactured by Time-Bandwidth, Switzerland, can oscillate pulse light having a pulse width of 6 psec with an average output of 50 mW at a repetition frequency of 100 MHz as a standard specification. This corresponds to the energy of one pulse corresponding to 500 pJ. Also, the repetition frequency can be adjusted between 25 MHz and 1 GHz by changing the design of the resonator.
[0046]
As the second light source, a commercially available and inexpensive and highly reliable CW He-Ne laser 2 is used, and its fundamental wave (633 nm) is used as erase light.
[0047]
The pump light from the LD-excitation mode-locked Nd: YAG laser 1 is made incident on a beam combiner 3 composed of a cuvette-type half mirror. The erase light from the CW He-Ne laser 2 passes through a phase plate 4 as shown in FIG. 10 to form a hollow beam, is incident on the beam combiner 3, and is synthesized coaxially with the pump light. After the pump light and the erase light are transmitted through a beam separator 5 composed of a cuvette-type half mirror, they are sequentially reflected by galvano mirrors 6 and 7 which can swing about axes orthogonal to each other, and then are subjected to rhodamine by an objective lens 8. Light is condensed on the surface of the biological sample 9 stained with 6G, and the light converging point is moved by the swinging of the galvanometer mirrors 6 and 7 to two-dimensionally scan the sample surface. In FIG. 1, for simplification of the drawing, the galvanometer mirrors 6 and 7 are shown to swing about axes parallel to each other. The phase plate 4 is coated with a vapor-deposited film so as to give the erase light a phase distribution as shown in FIG. Thereby, the light intensity is canceled at the optical axis and the beam is shaped into a hollow beam.
[0048]
On the other hand, the fluorescence emitted from the sample 9 by the irradiation of the pump light and the erase light is collimated by the objective lens 8, then follows a path opposite to the incident optical path, and enters the beam separator 5 through the galvanometer mirrors 7 and 6. The fluorescence reflected by the beam separator 5 is condensed on a pinhole 11 by a projection lens 10.
[0049]
The pinhole 11 is arranged at a confocal position with respect to the fluorescence emission point of the sample 9, and the fluorescence transmitted through the pinhole 11 is transmitted through the pump light cut notch filter 12 and the erase light cut notch filter 13, respectively. After removing the pump light and the erase light, the light is received by the photomultiplier 14 to obtain a fluorescence signal.
[0050]
A fluorescent signal obtained from the photomultiplier 14 is A / D converted and stored in a video frame memory of a computer (not shown) for controlling a microscope, and the video signal stored in the video frame memory is D / A converted. And a two-dimensional fluorescence image of the sample 9 is displayed in real time on a monitor (not shown) such as a CRT. The galvanometer mirrors 6 and 7 swing in synchronization with the video rate of the fluorescent two-dimensional image displayed on the monitor.
[0051]
In the present embodiment, since the excitation lifetime (τ) of rhodamine 6G that stains the biological sample 9 is 3 nsec, the above equation (1) is satisfied, so that the LD excitation type mode-locked Nd: YAG laser 1 The repetition frequency (ν) of the pump light is set to 333 MHz or less.
[0052]
The objective lens 8 has a numerical aperture (NA) of 0.9. In this case, the pump light (wavelength λ) 1 = 532 nm) from the Rayleigh equation:
(Equation 4)
d = 1.22 · λ 1 / NA
= 0.72 (μm)
And the focusing area is about 4 × 10 -9 cm 2 It becomes.
[0053]
Therefore, the number of photons passing through the sample condensing surface per unit time and unit area, that is, the photon flux I 0 Is 6.5 × 10 28 photons / cm 2 / Sec. In addition, the absorption cross section (σ) of the molecule from the S0 state to the S1 state with respect to the pump light of rhodamine 6G. 0 ) Is 10 -17 cm 2 Therefore, 1 / (σ in this case 0 ・ I 0 ) Is about 1.5 psec. Therefore, in the present embodiment, in order to satisfy the above equation (2), the pulse width (T) of the pump light generated from the LD-excitation mode-locked Nd: YAG laser 1 is set to 6 psec (> 1.5 psec). I do.
[0054]
In this way, the rhodamine 6G molecule in the ground state can be excited to the S1 state with a sufficient probability, and the pulse width of the pump light (T = 6 psec) can be adjusted to the excitation lifetime (τ = 3 nsec) of the rhodamine 6G molecule. Since it is much shorter than this, no re-excitation occurs and the effects of bleaching can be neglected.
[0055]
When a CRT is used as a monitor for displaying a two-dimensional fluorescence image of the sample 9, the CRT generally has 525 scanning lines, and if one frame is 1/30 sec, the scanning period of one line is 63. 0.5 μsec. Therefore, in order to digitize the fluorescent signal obtained from the photomultiplier 14 and store it in the video frame memory of the computer, it is necessary to A / D convert the fluorescent signal in synchronization with the scanning period. It is necessary to swing the galvanometer mirrors 6 and 7 completely in synchronization with the video rate.
[0056]
Here, for example, when the aspect ratio of the CRT pixel is set to 1: 1, it is necessary to sample one line scanning period, that is, 63.5 μsec, to 525 pixels, and this sampling frequency corresponds to the video rate (ω). In this case, the frequency is 8.27 MHz. Therefore, in this case, if the repetition frequency (ν) of the pump light is not higher than 8.27 MHz, one or more pulses of the pump light cannot be irradiated per pixel, so that a good fluorescent signal with little fluctuation can be obtained. This makes it difficult to display a microscope image on a CRT in real time.
[0057]
For this reason, in this embodiment, the repetition frequency (ν) of the pump light is set to 100 MHz which is 333 MHz or less and satisfies ω <ν. In this manner, since 10 or more pulses of the pump light can be emitted per pixel, a good fluorescent signal with extremely small statistical fluctuation obtained by integrating the fluorescent light by each pulse can be obtained. A simple microscope image can be displayed on a CRT in real time.
[0058]
Further, in this embodiment, since the CW He-Ne laser 2 is used as the erase light source, the pump light and the erase light can completely overlap in the time domain. Therefore, the fluorescence suppression effect, which is the basis of the super-resolution in the super-resolution microscope, can be very effectively induced, and can effectively contribute to the improvement of the spatial resolution.
[0059]
It should be noted that the present invention is not limited only to the above-described embodiment, and various modifications or changes can be made. For example, in the above embodiment, rhodamine 6G is used as the dye for the sample 9, but other coumarin dyes or fluorescent labels such as fluorescent proteins can also be used. Further, the erase light source is not limited to the CW laser, and a pulse laser can also be used. In this case, the repetition frequency of the erase light from the pulse laser is synchronized with the repetition frequency of the pump light, and the pulse width of the erase light is made longer than that of the pump light. In this way, the erase light and the pump light can be completely overlapped in the time domain, so that the fluorescence suppression effect can be very effectively induced as in the above embodiment, and the spatial resolution can be improved. Can contribute to the future.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the repetition frequency of the excitation light from the pulsed light source is set as the pulsed light source that generates the excitation light for exciting the molecules in the sample from the ground state to the first excited state. , The pulse width T, the lifetime of the molecule in the sample in the first excited state is τ, and the absorption cross section when the molecule in the sample is excited from the ground state to the first excited state is σ. 0 And the photon flux of the excitation light on the sample focusing surface 0 Where ν <1 / τ and 1 / (I 0 ・ Σ 0 ) <T <τ, so that fading of the observed molecules can be prevented and sufficient image observation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a microscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an electronic structure of a valence orbit of molecules constituting a sample.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a first electronically excited state of the molecule of FIG. 3;
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a second electronically excited state.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state of returning from a second electronically excited state to a ground state.
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process in a molecule.
FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining a double resonance absorption process.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an example of a conventional super-resolution microscope.
FIG. 10 is a plan view showing a configuration of a phase plate shown in FIG. 9;
[Explanation of symbols]
1 Nd: YAG laser
2 He-Ne laser
3 Beam combiner
4 Phase plate
5 Beam separator
6,7 Galvanomirror
8 Objective lens
9 samples
10. Projection lens
11 Pinhole
12 Pump light cut notch filter
13 Erase light cut notch filter
14 Photomultiplier tube

Claims (6)

試料内の分子を基底状態から第1励起状態へ励起させるための励起光を発生する励起光源と、
該励起光源からの励起光を試料上に集光する集光光学系と、
励起された試料内の分子が脱励起する際の発光を検出する検出手段とを有し、
上記励起光源はパルス光源であり、該パルス光源からの励起光の繰り返し周波数をν、パルス幅をT、試料内の分子の第1励起状態の寿命をτ、試料内の分子が基底状態から第1励起状態に励起されるときの吸収断面積をσ、励起光の試料集光面におけるフォトンフラックスをIとするとき、
Figure 2004029345
を満たすよう構成したことを特徴とする顕微鏡。
An excitation light source for generating excitation light for exciting molecules in the sample from a ground state to a first excited state;
A focusing optical system that focuses the excitation light from the excitation light source on the sample,
Having detection means for detecting light emission when molecules in the excited sample are de-excited,
The excitation light source is a pulsed light source. The repetition frequency of the excitation light from the pulsed light source is ν, the pulse width is T, the lifetime of the first excited state of the molecule in the sample is τ, and the molecule in the sample is shifted from the ground state to the first state. When the absorption cross section at the time of excitation to one excitation state is σ 0 and the photon flux of the excitation light on the sample focusing surface is I 0 ,
Figure 2004029345
A microscope characterized by satisfying the following.
少なくとも基底状態を含む3つの電子状態を有する分子を含む試料を観察する顕微鏡であって、
上記分子を基底状態から第1電子励起状態へ遷移させる第1の光を発生する第1の光源と、
上記分子を第1電子励起状態から、よりエネルギー準位の高い第2電子励起状態へ遷移させる第2の光を発生する第2の光源と、
上記第1の光および上記第2の光の照射領域を少なくとも一部分重ね合わせて上記試料に照射する光学系と、
上記分子が第1電子励起状態から基底状態に脱励起する際の発光を検出する検出手段とを有し、
上記第1の光源はパルスレーザーであり、該パルスレーザーからの第1の光の繰り返し周波数をν、パルス幅をT、上記分子の第1電子励起状態の寿命をτ、上記分子が基底状態から第1電子励起状態に励起されるときの吸収断面積をσ、第1の光の試料集光面におけるフォトンフラックスをIとするとき、
Figure 2004029345
を満たすよう構成したことを特徴とする顕微鏡。
A microscope for observing a sample including a molecule having at least three electronic states including a ground state,
A first light source that generates first light that causes the molecule to transition from a ground state to a first electronically excited state;
A second light source that generates second light that causes the molecule to transition from the first electronically excited state to a second electronically excited state having a higher energy level;
An optical system for irradiating the sample with at least a part of an irradiation area of the first light and the second light overlapped;
Detecting means for detecting light emission when the molecule is de-excited from the first electronically excited state to the ground state,
The first light source is a pulsed laser. The repetition frequency of the first light from the pulsed laser is ν, the pulse width is T, the lifetime of the molecule in the first electronically excited state is τ, and the molecule is shifted from the ground state. When the absorption cross section when excited to the first electronically excited state is σ 0 and the photon flux of the first light on the sample focusing surface is I 0 ,
Figure 2004029345
A microscope characterized by satisfying the following.
上記パルス光源からの励起光の繰り返し周波数は、試料を走査するサンプリング周波数よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。The microscope according to claim 1, wherein a repetition frequency of the excitation light from the pulse light source is higher than a sampling frequency for scanning the sample. 上記パルスレーザーからの第1の光の繰り返し周波数は、試料を走査するサンプリング周波数よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の顕微鏡。The microscope according to claim 2, wherein a repetition frequency of the first light from the pulse laser is higher than a sampling frequency for scanning a sample. 上記第2の光源はパルスレーザーであり、該パルスレーザーからの第2の光のパルス幅は、上記第1の光源からの第1の光のパルス幅よりも長いことを特徴とする請求項2または4に記載の顕微鏡。3. The apparatus according to claim 2, wherein the second light source is a pulse laser, and a pulse width of the second light from the pulse laser is longer than a pulse width of the first light from the first light source. Or the microscope according to 4. 上記第2の光源は連続発振レーザーであることを特徴とする請求項2または4に記載の顕微鏡。The microscope according to claim 2, wherein the second light source is a continuous wave laser.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009098450A (en) * 2007-10-17 2009-05-07 Olympus Corp Microscope
JP2013105175A (en) * 2011-11-11 2013-05-30 Leica Microsystems Cms Gmbh Method and apparatus for illumination and detection in resolft microscopy

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