JP2005099054A - Fluorometer for micro matter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エバネッセント波による蛍光を利用して微小物質の蛍光測定を行う微小物質の蛍光測定装置に関するものである。 The present invention relates to a fluorescence measuring apparatus for a minute substance that measures fluorescence of a minute substance using fluorescence by an evanescent wave.
従来、例えば、蛋白質やATP(アデノシン3リン酸)などの1分子を観察する目的で、エバネッセント波による蛋白質やATPの分子ごとの発蛍光を観測する蛍光観察が用いられている。 Conventionally, for example, for the purpose of observing one molecule such as protein or ATP (adenosine triphosphate), fluorescence observation is used to observe the fluorescence of each protein or ATP molecule by an evanescent wave.
この場合、これら蛋白質やATPなどの試料は、その試料粒子を蛍光ビーズに結合させてガラス基板により挟むか、ガラス基板上に固定して2次元(平面的)に分布した状態を実現し、この状態でエバネッセント波を励起し、蛍光が試料から発せられることを利用して、試料粒子の特異性を強調させる蛍光観察を行うようにしている。 In this case, these proteins, ATP, and other samples are realized in such a state that the sample particles are bound to fluorescent beads and sandwiched between glass substrates or fixed on a glass substrate and distributed two-dimensionally (planarly). In this state, an evanescent wave is excited, and fluorescence observation that emphasizes the specificity of sample particles is performed using the fact that fluorescence is emitted from the sample.
ここで、試料粒子が結合される蛍光ビーズは、試料粒子と同等のサイズで、数nmから数10nmのものが用いられる。また、エバネッセント照明は、レーザ光を例えばプリズム内で全反射させると反射面の反対側に励起される、いわゆるしみだし光を利用したもので、入射光の強さや入射角によってエバネッセントの場の強さを決定しているが、ここでは基板面上から試料粒子の高さに相当する領域にのみ蛍光励起能力を得られるようにしている。 Here, the fluorescent beads to which the sample particles are bonded are of the same size as the sample particles and have a size of several to several tens of nm. Also, evanescent illumination uses so-called oozing light that is excited to the opposite side of the reflecting surface when the laser light is totally reflected inside the prism, for example, and the intensity of the evanescent field depends on the intensity of the incident light and the incident angle. Here, the fluorescence excitation capability can be obtained only in the region corresponding to the height of the sample particles from the substrate surface.
ところで、このような微小物質検鏡に用いられる蛍光観察では、蛍光剤の褪色があり、観察可能な時間には限界がある。この時間は、蛍光剤の量、励起光の強さ、観察に用いる顕微鏡の明るさによって決まるが、特に観察対象である試料粒子のサイズが大きければ、それだけ多くの蛍光剤で染色することができるので、発蛍光も明るく長時間持続できることにもなる。 By the way, in the fluorescence observation used in such a microscopic material microscope, the fluorescent agent has a fading color, and there is a limit to the observable time. This time is determined by the amount of the fluorescent agent, the intensity of the excitation light, and the brightness of the microscope used for observation. Particularly, if the size of the sample particle to be observed is large, it can be stained with as many fluorescent agents as possible. Therefore, the fluorescence is bright and can last for a long time.
ところが、上述したように試料粒子のサイズが極めて小さいものの場合は、試料粒子に対する蛍光剤の量は極めて少なく、褪色によって短時間のうちに観察対象の蛍光が失われてしまう。 However, in the case where the size of the sample particle is extremely small as described above, the amount of the fluorescent agent with respect to the sample particle is extremely small, and the fluorescence of the observation target is lost in a short time due to the fading.
このような場合、観察対象を他のものに変更し、場合によっては合焦も取り直して観察を続けるようにしているが、これら観察場所の変更や合焦などの準備をする間にも、励起光の下では、他の観察対象についても蛍光剤の褪色も進んでいるため、安定した蛍光観察が得られないという問題があった。 In such a case, the observation target is changed to another one, and in some cases, the in-focus state is again adjusted so that the observation is continued. Under the light, the other fluorescent objects are also fading in the fluorescent agent, so that there is a problem that stable fluorescent observation cannot be obtained.
一方、例えば、筋肉収縮の基本単位の一つであるアクトミオシン系の機構では、ミオシン(蛋白分子)のアクチンフィラメントを動かすエネルギーがATPの加水分解によるものとして、このATPの消費量を観測することが行われているが、この観測において、ミオシン分子をcy5 で染色したような場合、1個のミオシン分子を蛍光観察できる時間は、せいぜい60秒程度とされており、これではATP消費量の観測には不十分で、従来よりさらに長く蛍光を発し続ける方法の開発が望まれている。 On the other hand, for example, in the mechanism of the actomyosin system, which is one of the basic units of muscle contraction, the energy for moving the actin filament of myosin (protein molecule) is due to ATP hydrolysis, and this ATP consumption is observed. However, in this observation, when the myosin molecule is stained with cy5, the time during which one myosin molecule can be observed with fluorescence is at most about 60 seconds. Development of a method that continues to emit fluorescence for a longer time than before has been desired.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、微小物質からの蛍光を長時間安定に測定することが可能な微小物質の蛍光測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fluorescence measuring apparatus for a minute substance that can stably measure fluorescence from the minute substance for a long time.
請求項1記載の発明は、分子レベルの微小物質を含有する試料溶液を所定の容器に収容し、この容器に励起光を照射するとともに、底面上で分子レベルの蛍光測定を行なう微小物質の蛍光測定装置において、前記容器の底面上の微小領域に対して複数回の励起光照射を行なう光照射機構と、前記容器に対して上下動可能な対物レンズの駆動機構とを有し、
前記駆動機構が前記容器の内側底面に前記対物レンズを合焦させることにより、前記容器の内側底面に固定又は浮遊する微小物質からの蛍光を長時間安定に測定することを特徴としている。
According to the first aspect of the present invention, a sample solution containing a molecular level minute substance is accommodated in a predetermined container, the excitation light is irradiated to the container, and the fluorescence of the minute substance that performs the molecular level fluorescence measurement on the bottom surface. In the measurement apparatus, a light irradiation mechanism that performs excitation light irradiation a plurality of times on a minute region on the bottom surface of the container, and a drive mechanism of an objective lens that can move up and down with respect to the container,
The drive mechanism focuses the objective lens on the inner bottom surface of the container, thereby stably measuring fluorescence from a minute substance fixed or floating on the inner bottom surface of the container for a long time.
請求項2記載の発明は、前記光照射機構が前記容器の底面付近に対して2次元走査可能に構成され、ビデオレート速度の測定を行なうことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, the light irradiation mechanism is configured to be capable of two-dimensional scanning with respect to the vicinity of the bottom surface of the container, and measures the video rate.
この結果、請求項1記載の発明によれば、蛍光寿命の短い1分子程度の観察対象でも、その蛍光を長時間安定に測定することができる。 As a result, according to the first aspect of the present invention, the fluorescence can be stably measured for a long time even with an observation target of about one molecule having a short fluorescence lifetime.
また、請求項2記載の発明によれば、測定対象に応じて試料の蛍光の高速な変化や移動にも追随することができる。 In addition, according to the second aspect of the present invention, it is possible to follow a fast change and movement of the fluorescence of the sample in accordance with the measurement target.
本発明によれば、蛍光寿命の短い1分子程度の観察対象でも、その発蛍光を長時間安定に測定することができる。また、測定対象に応じて試料の蛍光の高速な変化や移動にも追随することができる。 According to the present invention, the fluorescence can be measured stably for a long time even with an observation target of about one molecule having a short fluorescence lifetime. Further, it is possible to follow high-speed changes and movements of the fluorescence of the sample according to the measurement object.
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の微小物質検鏡装置を正立型顕微鏡に適用した例を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example in which the microscopic material inspection apparatus of the present invention is applied to an upright microscope.
図において、11は正立型顕微鏡のステージで、このステージ11には、エバネッセント照明装置12を設けている。この照明装置12は、枠体13を有し、この枠体13をステージ11に対しガイド14により紙面と垂直方向に移動可能にしている。
In the figure, 11 is a stage of an upright microscope, and this stage 11 is provided with an
このエバネッセント照明装置12の枠体13は、その上面をステージ11面と面一にしていて、後述する対物レンズ15に対向する部分に透穴131を形成している。
The
そして、この透穴131上にディシュ16を載置している。このディシュ16には、蛋白質やATPなどの試料粒子が内側底面に固定または浮遊する水溶液17を収容している。この場合、蛋白質やATPなどの試料粒子は、1個ごとにcy3 やcy5 などの蛍光剤で標識されている。
The
このディシュ16は、ステージ11のクレンメル34に保持され、図示左右方向に移動できるようにしている。なお、ディシュ16の代わりに試料粒子をスライドガラスとカバーガラスで挟むようにしたものを用いてもよい。
The
照明装置12の枠体13内で、透穴131に対応する位置にエバネッセント照明用のプリズム18を保持している。この場合、プリズム18とディシュ16との間には、マッチングオイル19を介在させている。このマッチングオイル19は、プリズム18に入射される後述するレーザ光の全反射をプリズム18の上面またはディシュ16の外側底面で発生させずに、ディシュ16の内側底面でのみ発生するようにするためのものである。
An
また、エバネッセント照明装置12の枠体13内には、支持台20上に半導体レーザ発振器21を設けている。この半導体レーザ発振器21は、所定のレーザ光を発振するもので、このレーザ発振器21より出力されたレーザ光をレンズ22を通しミラー23で偏向させてプリズム18に入射するようにしている。この場合、ディシュ16がガラス製で、その屈折率Nd=1.42 、水溶液17の屈折率naq=1.33とすれば、ディシュ16の底面に対しプリズム18を介して与えられるレーザ光の入射角度をθ=20度以下とすれば、全反射を起こすことが可能となり、これによって、ディシュ16の内側底面付近にエバネッセント場を生成してエバネッセント照明をするようにしている。
Further, a
なお、エバネッセント照明装置12の枠体13内部のプリズム18から出たレーザ光が当たる部分には、表面処理層35を形成していて、レーザ光が乱反射により迷光にならないようにしている。
Note that a
レンズ22とミラー23の間のレーザ光路には、プリズム18に入射されるレーザ光を断続するための断続手段24を設けている。この断続手段24は、図2(a)(b)に示すように円周方向に等間隔に複数(図示例では2個)のスリット241を形成した導電性の円板ディスク242を軸244により支持台245に回転自在に支持している。この場合、軸244は、先端を尖らせたハブ243により支持台245に支持していて、円板ディスク242に摩擦抵抗の少ない滑らかな回転が得られるようになっている。また、円板ディスク242には、図2(c)に示すようにディスク242面を挟むようにコ字形の電磁石246、247を配置し、これら電磁石246、247より円板ディスク242面を垂直に透過する磁束により生ずるディスク242面の渦電流により円板ディスク242に対する回転駆動力を得るようにしている。
The laser beam path between the
そして、このような断続手段24は、レンズ22とミラー23の間のレーザ光路に円板ディスク242を配置し、円板ディスク242の回転にともなうレーザ光路へのスリット241の挿脱動作により、プリズム18より全反射面に照射されるレーザ光を断続させ、ディシュ16内側底面でのエバネッセント場励起を断続して発生させるようにしている。つまり、ディシュ16内側底面でのエバネッセント励起光を断続して発生させることにより、単位時間当たりの励起強度を小さくできるようにしている。ちなみに、スリット241により90%の時間をカットし、10%の時間のみレーザ光を通過させれば、連続した場合に比べて、励起強度は1/10になる。
Such an
図3は、レーザ発振器21および断続手段24の制御回路を示している。この場合、レーザ発振器21には、コントローラ25を接続している。このコントローラ25は、電源251とレーザドライバ252を有していて、このレーザドライバ252によりレーザ発振器21を起動してレーザ光を発生させるようにしている。また、コントローラ25の電源251には、周波数変調器26を接続し、この周波数変調器26に断続手段24の電磁石246、247を接続している。
FIG. 3 shows a control circuit for the
この周波数変調器26は、操作部27の操作に応じて出力の周波数を可変できるようにしたもので、この時の出力周波数により円板ディスク242面を透過する磁束の時間変化率を可変することで、渦電流による円板ディスク242の回転数を可変できるようにして、レーザ光の断続周期を変えられるようにしている。
The
ここでは、周波数変調により円板ディスク242の回転数を変えるようにしたが、電磁石246、247に供給する電圧(電流)を可変することによって円板ディスク242の回転数を変えることも可能である。
Here, the rotational speed of the
図1に戻って、ディシュ16の水溶液17に対応して液浸タイプの対物レンズ15を設けている。この対物レンズ15は、ディシュ16の内側底面でのエバネッセント励起光による試料粒子の蛍光の状態を、透過照明用光源30よりコンデンサレンズ31を通して与えられる透過照明光により観察像として取り込み、さらに鏡筒32を通して撮像部33に送り込み、試料粒子の蛍光反応を観察できるようにしている。
Returning to FIG. 1, an immersion
この場合、対物レンズ15は、図示しないレボルバに各種倍率のものが複数個設けられていて、所望する倍率のものを選択できるようになっている。また、対物レンズ15は、上下方向に駆動可能にして焦点を可変し、ディシュ16の内側底面に合焦できるようにしている。なお、合焦を得には、ステージ11を上下方向に駆動してもよい。
In this case, the
しかして、このようにすれば、レーザ発振器21とプリズム18との間にスリット241を形成した円板ディスク242を設け、この円板ディスク242を回転することにより、プリズム18内の全反射面に照射されるレーザ光を断続させ、ディシュ16内側底面でのエバネッセント励起光を断続して発生させるようにしたので、励起光の単位時間当たりの強度を小さくできるようになり、これにより、発光時間の短い1分子程度の観察対象でも、その発蛍光を長時間持続することが可能になって、長時間に渡っての試料観察を実現できる。
In this way, the
また、エバネッセント照明装置12の枠体13は、ステージ11に対しガイド14により紙面と垂直方向に移動可能になっており、さらにステージ11のクレンメル34にディシュ16が保持され、図示左右方向に移動できるようになっているので、枠体13の移動によりレーザ光のプリズム18内での全反射位置を、対物レンズ15の光軸を含む紙面と垂直な面に沿って存在させるようにすれば、その後は、クレンメル34によるディシュ16の左右の移動だけで試料を対物レンズ15の光軸上に移動できるようになり、試料の観察位置である対物レンズ15の光軸上への位置出しを簡単にできる。
Further, the
なお、上述では、スリット241を有する円板ディスク242を回転させるようにしたが、スリット241をレーザ光の光路上に固定し、ミラー23の反射面を照射角度が変わるように動かすようにしてもよい(揺動運動)。この場合、ミラー23の揺動運動は、揺動運動機構を用いて自動的に行うようになる。また、ミラー23の代わりに複数のミラーを外周面に配置したポリゴンミラーを用い、各ミラー面が図示のミラー23と等価になるようにポリゴンミラーの回転軸を紙面に垂直にして回転させても同様な効果が得られる。さらに、スリット241を有する円板ディスク242の回転に代わるものとしては、液晶シャッタも考えられる。液晶シャッタでは、レーザ光を通過する時間と遮断する時間の比を変化できるので、単位時間の蛍光強度を制御して蛍光持続時間を可変できる。
In the above description, the
(第2の実施の形態)
図4は、第2の実施の形態の概略構成を示すもので、図1と同一部分には、同符号を付している。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a schematic configuration of the second embodiment, and the same components as those in FIG.
この場合、レンズ22とミラー23の間のレーザ光路に、AOD(Acoustic Optical Device)41上に圧電体42を接着してなる走査手段40を設け、圧電体42を振動させて超音波を発生させ、AOD41の超音波の場の中でスポット状レーザ光の光路を曲げるようにすることで、プリズム18に入射されるレーザ光を走査するようにしている。
In this case, scanning means 40 formed by adhering a
この場合、圧電体42による超音波の強さを制御可能とすれば、レーザ光の走査幅を変えることができるので、プリズム18に入射されるレーザ光の断続周期を変えることができる。また、AOD41上の圧電体42に対し直角方向に他の圧電体を接着させ、この他の圧電体からも超音波を発生させてレーザ光を走査させ、圧電体42との走査を組み合わせて行うようにすれば、2次元のラスター走査を行うこともできる。
In this case, if the intensity of the ultrasonic wave by the
このようにしても、プリズム18へのレーザ光を断続させ、ディシュ16内側底面でのエバネッセント励起光を断続して発生させるようにできるので、エバネッセント光の単位時間当たりの励起を短くして蛍光の褪色を少なくすることができる。また、AOD41を使用することでレーザ光の走査を、2次元走査で100回/秒程度の速さで行うことが可能になるので、試料の蛍光の高速な変化や高速の移動にも追随することができる。
Even in this case, since the laser light to the
従って、このようにしても第1の実施の形態と同様な効果を期待でき、例えばビデオレート速度の画像形成でも長時間に渡って観察を行うことができる。また、AOD40自身の振動が少ないので、このようなAOD40を用いた断続手段40が試料の近くに配置されても、試料への振動の影響を少なくすことができる。
Therefore, even in this way, the same effect as that of the first embodiment can be expected. For example, even when an image is formed at a video rate, observation can be performed for a long time. Further, since the vibration of the
以上、実施の形態について述べたが、本発明中には以下の発明も含まれる。 As mentioned above, although embodiment was described, the following invention is also contained in this invention.
(1)エバネッセント波の励起光をスリットを通して断続させるようにしている。 (1) The evanescent wave excitation light is intermittently passed through the slit.
このようにすれば、蛍光寿命の短い1分子程度の観察対象でも、その発蛍光を長時間持続することができる。 In this way, even the observation object of about one molecule with a short fluorescence lifetime can sustain the fluorescence for a long time.
(2)(1)において、スリットは、円板ディスクに設けられ、該円板ディスクを回転することで励起光を断続するようにしている。 (2) In (1), the slit is provided in the disk disk, and the excitation light is interrupted by rotating the disk disk.
このようにすれば、安価な構成にして励起光を断続できる。 In this way, the excitation light can be interrupted with an inexpensive configuration.
(3)エバネッセント波の励起光をミラーの反射角度を変えることで断続させるようにしている。 (3) The evanescent wave excitation light is intermittently changed by changing the reflection angle of the mirror.
このようにすれば、安価な構成にして励起光を断続できる。 In this way, the excitation light can be interrupted with an inexpensive configuration.
(4)(3)において、ミラーの反射角度の変更は、揺動運動機構を用いて自動的に行うようにしている。 (4) In (3), the reflection angle of the mirror is automatically changed using a swing motion mechanism.
このようにすれば、安価な構成にして励起光を断続できる。 In this way, the excitation light can be interrupted with an inexpensive configuration.
(5)(3)において、ミラーはポリゴンミラーで、該ポリゴンミラーを回転駆動するようにしている。 (5) In (3), the mirror is a polygon mirror, and the polygon mirror is driven to rotate.
このようにすれば、ミラーの回転機構を簡単にできる。 In this way, the mirror rotation mechanism can be simplified.
(6)エバネッセント波の励起光をスポット光の偏向断続により断続させるようにしている。 (6) The excitation light of the evanescent wave is interrupted by intermittently deflecting the spot light.
このようにすれば、蛍光寿命の短い1分子程度の観察対象でも、その発蛍光を長時間持続することができる。 In this way, even the observation object of about one molecule with a short fluorescence lifetime can sustain the fluorescence for a long time.
(7)(6)において、スポット光の偏向走査にAODを用いるようにしている。このようにすれば、試料への振動の影響を少なくできる。 (7) In (6), AOD is used for deflection scanning of spot light. In this way, the influence of vibration on the sample can be reduced.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the implementation stage, it can change variously in the range which does not change the summary.
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。 Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. If the above effect is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
11…ステージ、12…エバネッセント照明装置、
13…枠体、131…透穴、
14…ガイド、15…対物レンズ、
16…ディシュ、17…水溶液、
18…プリズム、19…マッチングオイル、
20…支持台、21…半導体レーザ発振器、
22…レンズ、23…ミラー、
24…断続手段、241…スリット、
242…円板ディスク、243…ハブ、
244…軸、245…支持台、
246、247…電磁石、25…コントローラ、
251…電源、252…レーザドライバ、
26…周波数変調器、27…操作部、
30…透過照明用光源、31…コンデンサレンズ、
32…鏡筒、33…撮像部、34…クレンメル、
35…表面処理層、40…走査手段、
41…AOD、42…圧電体
11 ... Stage, 12 ... Evanescent lighting device,
13 ... Frame, 131 ... Through hole,
14 ... guide, 15 ... objective lens,
16 ... Dish, 17 ... Aqueous solution,
18 ... Prism, 19 ... Matching oil,
20 ... support stand, 21 ... semiconductor laser oscillator,
22 ... Lens, 23 ... Mirror,
24: Intermittent means, 241 ... Slit,
242 ... disc, 243 ... hub,
244 ... axis, 245 ... support base,
246, 247 ... electromagnet, 25 ... controller,
251 ... Power supply, 252 ... Laser driver,
26: Frequency modulator, 27: Operation unit,
30 ... Light source for transmitted illumination, 31 ... Condenser lens,
32 ... Lens barrel, 33 ... Imaging unit, 34 ... Clemmel,
35 ... surface treatment layer, 40 ... scanning means,
41 ... AOD, 42 ... Piezoelectric material
Claims (2)
前記容器の底面上の微小領域に対して複数回の励起光照射を行なう光照射機構と、
前記容器に対して上下動可能な対物レンズの駆動機構とを有し、
前記駆動機構が前記容器の内側底面に前記対物レンズを合焦させることにより、前記容器の内側底面に固定又は浮遊する微小物質からの蛍光を長時間安定に測定することを特徴とする微小物質の蛍光測定装置。 In a fluorescence measuring apparatus for a micro substance that contains a sample solution containing a micro substance at a molecular level in a predetermined container, irradiates the container with excitation light, and performs a fluorescence measurement at a molecular level on the bottom surface.
A light irradiation mechanism that performs excitation light irradiation a plurality of times on a minute region on the bottom surface of the container;
An objective lens drive mechanism capable of moving up and down relative to the container;
The driving mechanism causes the objective lens to focus on the inner bottom surface of the container, so that the fluorescence from the minute substance fixed or floating on the inner bottom surface of the container is stably measured for a long time. Fluorescence measuring device.
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