JP2012112863A - Multiphoton excitation measuring device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multiphoton excitation measuring device capable of identifying chemical components.SOLUTION: The multiphoton excitation measuring device of the present invention performs measurement of a sample using multiphoton absorption phenomenon by optical pulses having high luminance and comprises: a multi-wavelength light source for emitting multiple optical pulses having different wavelengths; a scanning optical system which overlaps, in the sample, light paths of the multiple optical pulses having different wavelengths generated at the multi-wavelength light source and which scans an overlapping position in the sample; and a detector for detecting signal light along with multiphoton excitation generated from the sample by radiation of the optical pulses.

Description

本発明は、ピーク光強度の高い超短パルス光を試料に照射して、多光子吸収現象を用いて試料を測定する多光子励起測定装置に関するものである。   The present invention relates to a multiphoton excitation measurement apparatus that irradiates a sample with ultrashort pulse light having a high peak light intensity and measures the sample using a multiphoton absorption phenomenon.

顕微鏡で蛍光観察を行う手段として、特許文献1に示すように特定のある波長の超短パルス光による多光子励起を利用した蛍光観察法が知られている。   As a means for performing fluorescence observation with a microscope, as shown in Patent Document 1, a fluorescence observation method using multiphoton excitation by ultrashort pulse light having a specific wavelength is known.

多光子励起では、吸収波長のほぼ整数倍の波長を持つ光線を同時に蛍光体に照射することにより、本来の吸収波長と同等な励起現象が引き起こされる。多光子励起で用いられる励起光は一般に赤外光であり、紫外光や可視光の励起現象を計測する目的で用いられる。   In multiphoton excitation, an excitation phenomenon equivalent to the original absorption wavelength is caused by simultaneously irradiating the phosphor with a light beam having a wavelength that is approximately an integral multiple of the absorption wavelength. The excitation light used in multiphoton excitation is generally infrared light, and is used for the purpose of measuring the excitation phenomenon of ultraviolet light and visible light.

一般に波長が長い光のほうが散乱しにくいという性質(レイリー散乱)を持つため、生体試料のような散乱性試料では、多光子励起を利用した方が試料のより深くまで光を入射させることが出来る。このことは、通常の可視光では観察することができなかった生体の深部まで観察することが可能になることを意味する。しかも、赤外光は紫外光や可視光よりも光毒性が低いので、生体試料をできる限り傷つけないで形態観察することができる。   In general, light with a longer wavelength is less likely to scatter (Rayleigh scattering), so in a scattering sample such as a biological sample, light can be made to enter deeper by using multiphoton excitation. . This means that it is possible to observe the deep part of the living body that could not be observed with normal visible light. Moreover, since infrared light has lower phototoxicity than ultraviolet light and visible light, it is possible to observe the form of a biological sample without damaging it as much as possible.

例えばセロトニンという脳内物質は、紫外線領域に吸収波長を持つ自家蛍光特性を有する。しかしながら、紫外光は脳内の深部にまで到達することができず、また光毒性も強い。このような状況下で多光子励起レーザー走査型顕微鏡は有効に働く。紫外光と赤外光は波長が3倍程度離れているので、3光子励起を行えば赤外光を使ってセロトニンを励起できる。   For example, a brain substance called serotonin has an autofluorescent property having an absorption wavelength in the ultraviolet region. However, ultraviolet light cannot reach the deep part of the brain and is highly phototoxic. Under such circumstances, the multiphoton excitation laser scanning microscope works effectively. Since ultraviolet light and infrared light are about three times apart in wavelength, serotonin can be excited using infrared light if three-photon excitation is performed.

以上のように多光子励起を利用した蛍光観察は大きなメリットを持っており、現在の形態観察において非常に有効な手段となっている。   As described above, fluorescence observation using multiphoton excitation has a great merit and is a very effective means in current morphological observation.

特開2010−008989号公報JP 2010-008989 A

しかしながら、特許文献1に記載の顕微鏡は、ある特定の波長の光のみを用いた単一波長による多光子励起を応用したものである。そのため、いくつかの分子の吸収帯の波長領域が重複してしまうと、試料の化学成分の同定(機能観察)までは不可能である。   However, the microscope described in Patent Document 1 applies multiphoton excitation by a single wavelength using only light of a specific wavelength. For this reason, if the wavelength regions of the absorption bands of several molecules overlap, it is impossible to identify the chemical component of the sample (function observation).

そこで本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、より多くの化学成分の識別を可能とする多光子励起測定装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a multiphoton excitation measurement apparatus that can identify more chemical components.

本発明の多光子励起測定装置は、高輝度の光パルスによる多光子吸収現象を用いて試料の測定を行う多光子励起測定装置であって、波長の異なる複数の光パルスを出射する多波長光源と、多波長光源にて発生した波長の異なる複数の光パルスの光路を試料内で重ねて、重なった位置を試料内で走査する走査光学系と、光パルスの照射により試料から発生する多光子励起にともなう信号光を検出する検出器を有することを特徴とする。   The multiphoton excitation measurement apparatus of the present invention is a multiphoton excitation measurement apparatus that measures a sample by using a multiphoton absorption phenomenon caused by a high-intensity light pulse, and emits a plurality of light pulses having different wavelengths. A scanning optical system in which optical paths of a plurality of light pulses having different wavelengths generated by a multi-wavelength light source are overlapped in the sample and the overlapping position is scanned in the sample, and multi-photons generated from the sample by irradiation of the light pulse It has a detector which detects the signal light accompanying excitation.

本発明の顕微鏡によれば、複数の波長の光による分子の吸収像、あるいは蛍光像を観察することにより、より多くの分子の区別が可能となる効果が得られる。   According to the microscope of the present invention, by observing an absorption image or a fluorescence image of molecules by light having a plurality of wavelengths, an effect of enabling more molecules to be distinguished can be obtained.

本発明の第1、及び、第2の実施形態に係る多光子励起測定装置の要部の構成を示す図The figure which shows the structure of the principal part of the multiphoton excitation measuring apparatus which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 図1に示した多波長光源の一例の要部構成を示す図The figure which shows the principal part structure of an example of the multiwavelength light source shown in FIG. 本発明の第1、及び、第2の実施形態に係る別の多光子励起測定装置の要部の構成を示す図The figure which shows the structure of the principal part of another multiphoton excitation measuring apparatus which concerns on 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る多光子励起測定装置の要部の構成を示す図The figure which shows the structure of the principal part of the multiphoton excitation measuring apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る多光子励起測定装置の要部の構成を示す図The figure which shows the structure of the principal part of the multiphoton excitation measuring apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 多波長光源から発生する複数の光パルスのスペクトル分布を示す図Diagram showing the spectral distribution of multiple light pulses generated from a multi-wavelength light source 本発明の第4の実施形態に係る多光子励起測定装置の要部の構成を示す図The figure which shows the structure of the principal part of the multiphoton excitation measuring device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図7に示した円筒ビーム形成器の要部の構成を示す図The figure which shows the structure of the principal part of the cylindrical beam former shown in FIG. 図7に示した多波長光源の一例の要部構成を示す図The figure which shows the principal part structure of an example of the multiwavelength light source shown in FIG. 図7に示した多波長励起測定装置内の面Cにおける光プロファイルを示す図The figure which shows the optical profile in the surface C in the multiwavelength excitation measuring apparatus shown in FIG. 蒸留水の透過スペクトルを示す図Diagram showing the transmission spectrum of distilled water

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における多光子励起測定装置の概略構成を示す図である。この多光子励起測定装置100は複数の波長の光を出射する多波長光源101と、レーザー走査光学ユニット102と、光ファイバ103とを有する。多波長光源101から発振した光パルスは、光ファイバ103を通してレーザー走査光学ユニット102に入射され、、試料104に集光する。ここで、光ファイバ103は、光ファイバコネクタ105、106によって、それぞれ多波長光源101、レーザー走査光学ユニット102と接続される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a multiphoton excitation measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The multiphoton excitation measurement apparatus 100 includes a multiwavelength light source 101 that emits light having a plurality of wavelengths, a laser scanning optical unit 102, and an optical fiber 103. The light pulse oscillated from the multi-wavelength light source 101 is incident on the laser scanning optical unit 102 through the optical fiber 103 and condensed on the sample 104. Here, the optical fiber 103 is connected to the multi-wavelength light source 101 and the laser scanning optical unit 102 by optical fiber connectors 105 and 106, respectively.

試料104は、例えばシトクロムC(タンパク質)が生細胞内に存在するミトコンドリアであり、試料104に集光された光パルスは、シトクロムCでの多光子吸収により強い共鳴ラマン散乱を示す。   The sample 104 is mitochondria in which, for example, cytochrome C (protein) is present in a living cell, and the light pulse collected on the sample 104 exhibits strong resonance Raman scattering due to multiphoton absorption in the cytochrome C.

図2は、図1に示した多波長光源101の一例の部分構成を示す図である。この多波長光源101は、パルスジェネレータ201、202、半導体レーザー203、204、ファイバ増幅器205、206、パルス幅圧縮機207、208、反射ミラー209、ダイクロイックプリズム210、及び光ファイバコネクタ105を有する。パルスジェネレータ201、202は、共に数ns以下の電気パルスを発生し、この電気パルスにより、それぞれ半導体レーザー203、204に電流を注入する。   FIG. 2 is a diagram showing a partial configuration of an example of the multi-wavelength light source 101 shown in FIG. The multi-wavelength light source 101 includes pulse generators 201 and 202, semiconductor lasers 203 and 204, fiber amplifiers 205 and 206, pulse width compressors 207 and 208, a reflection mirror 209, a dichroic prism 210, and an optical fiber connector 105. The pulse generators 201 and 202 both generate electric pulses of several ns or less, and currents are injected into the semiconductor lasers 203 and 204, respectively, with the electric pulses.

半導体レーザー203、204は、パルスジェネレータ201、202からの電気パルスにより注入される電流によって、利得が瞬間的に発生又は消滅する、いわゆるゲインスイッチ動作をする。これにより半導体レーザー203、205は、短波長から長波長へと時間的にチャープした数十ピコ秒幅の光パルスを発生する。半導体レーザー203、204は、例えば、面発光レーザー(VCSEL)、量子井戸分布帰還型レーザーダイオード(QWDFBLD)、量子ドット分布帰還型レーザーダイオード(QDDFBLD)などが使用可能であるが、本実施の形態ではVCSELを使用する。また、光パルスの波長は、試料104の多光子吸収により共鳴ラマン散乱光が発生する波長であればよい。例えば、可視から近赤外光、赤外光が使用可能であるが、ここでは、半導体レーザー203から1064nm帯、半導体レーザー204から1100nm帯の近赤外光が発振することとする。   The semiconductor lasers 203 and 204 perform a so-called gain switch operation in which a gain is instantaneously generated or extinguished by a current injected by an electric pulse from the pulse generators 201 and 202. As a result, the semiconductor lasers 203 and 205 generate an optical pulse with a width of several tens of picoseconds chirped temporally from a short wavelength to a long wavelength. As the semiconductor lasers 203 and 204, for example, a surface emitting laser (VCSEL), a quantum well distributed feedback laser diode (QWDFBLD), a quantum dot distributed feedback laser diode (QDDFBLD), or the like can be used. Use VCSEL. Further, the wavelength of the light pulse may be any wavelength at which resonant Raman scattered light is generated by multiphoton absorption of the sample 104. For example, visible to near-infrared light and infrared light can be used. Here, it is assumed that near-infrared light in the 1064 nm band from the semiconductor laser 203 and 1100 nm band from the semiconductor laser 204 oscillates.

半導体レーザー203,204から発生した光パルスは、ファイバ増幅器205,206にて増幅する。ファイバ増幅器205,206は、ファイバレーザーまたは、半導体レーザーで励起され、被励起媒質として、Nd,Yb,Tm,Erなどをドープしたシングルクラッド、または、ダブルクラッドの光ファイバ、あるいは、断面に空隙がある光ファイバを用いる。ここで、被励起媒質としてYbがドープされたシングルクラッド光ファイバを用いる。   Optical pulses generated from the semiconductor lasers 203 and 204 are amplified by fiber amplifiers 205 and 206. The fiber amplifiers 205 and 206 are pumped by a fiber laser or a semiconductor laser, and a single clad or double clad optical fiber doped with Nd, Yb, Tm, Er, or the like as a pumped medium, or a gap in the cross section. An optical fiber is used. Here, a single clad optical fiber doped with Yb is used as the excited medium.

ファイバ増幅器205,206によって、半導体レーザー203,204にて発振した光パルスは平均出力が数十mWから数Wの光パルスに増幅する。   The optical pulses oscillated by the semiconductor lasers 203 and 204 are amplified by the fiber amplifiers 205 and 206 into optical pulses having an average output of several tens mW to several W.

増幅後の1064nm帯、1100nm帯の二つの光パルスは、例えば、1100nm帯の光パルスを反射ミラー209で、1064nm帯の光パルスに光路が直行する用に反射させる。そして、二つの光パルスの光路が直行する部分に設置した、1064nm帯の光を透過し、1100nm帯の光を反射するダイクロイックプリズム210を用いて、2つの光パルスの光路を同一伝搬路に合成する。合成された光パルスは、光ファイバコネクタ105を経て多波長光源101から出射する。   The two optical pulses in the 1064 nm band and the 1100 nm band after amplification are reflected by, for example, the 1100 nm band optical pulse by the reflection mirror 209 so that the optical path is perpendicular to the 1064 nm band optical pulse. Then, using the dichroic prism 210 that transmits the light of 1064 nm band and reflects the light of 1100 nm band, installed in the part where the optical path of the two optical pulses is orthogonal, the optical path of the two optical pulses is synthesized into the same propagation path. To do. The synthesized light pulse is emitted from the multi-wavelength light source 101 via the optical fiber connector 105.

光ファイバコネクタ105は、SC型、FC型、ST型、MU型、LC型の各種コネクタが使用可能であるが、本実施の形態では、FC型を用いる。   As the optical fiber connector 105, various types of connectors of SC type, FC type, ST type, MU type, and LC type can be used. In this embodiment, the FC type is used.

多波長光源101より出射した光パルスは、図1に示すように光ファイバ103を伝搬し、光ファイバコネクタ106を介して、レーザー走査光学ユニット102に入射する。ここで、光ファイバコネクタ106も光ファイバコネクタ105と同様にFC型を用いる。   The light pulse emitted from the multi-wavelength light source 101 propagates through the optical fiber 103 and enters the laser scanning optical unit 102 through the optical fiber connector 106 as shown in FIG. Here, the optical fiber connector 106 also uses the FC type similarly to the optical fiber connector 105.

レーザー走査光学ユニット102内に入射した光パルスは、自由空間に出射され、二次元走査ミラー107に入射する。ここで、走査ミラーは、光パルスの走査方向を変化させ、光の伝播角度が操作される。二次元走査ミラー107は、例えば、互いに直行する2本の軸周りに揺動可能な2枚のガル場のミラーで構成される。   The light pulse incident on the laser scanning optical unit 102 is emitted to free space and enters the two-dimensional scanning mirror 107. Here, the scanning mirror changes the scanning direction of the light pulse, and the light propagation angle is manipulated. The two-dimensional scanning mirror 107 includes, for example, two Gullfield mirrors that can swing around two axes that are orthogonal to each other.

二次元走査ミラー107を経た光パルスは、瞳投影レンズ108により集光されて中間像として結像された後、結像レンズ109により平行光とされ、ダイクロイックミラー110と透過して、対物レンズ111により試料104に集光される。これにより、試料104に含まれるシトクロムCが多光子励起されて、ラマン散乱光が発せられる。試料104から発せられた光は、対物レンズ111を経て、特定波長帯の光(波長帯は、試料104に集光される光パルスとの波長とは異なる)を反射するダイクロイックミラー110に入射する。この光は試料104に集光させる光パルスの波長と異なるため、ダイクロイックミラー110で反射され、集光レンズ112により検出器113に集光されて、電気信号に変換される。   The light pulse that has passed through the two-dimensional scanning mirror 107 is condensed by the pupil projection lens 108 and formed as an intermediate image, then converted into parallel light by the imaging lens 109, transmitted through the dichroic mirror 110, and the objective lens 111. Thus, the light is condensed on the sample 104. Thereby, the cytochrome C contained in the sample 104 is multiphoton excited, and Raman scattered light is emitted. Light emitted from the sample 104 passes through the objective lens 111 and enters a dichroic mirror 110 that reflects light in a specific wavelength band (the wavelength band is different from the wavelength of the light pulse collected on the sample 104). . Since this light is different from the wavelength of the optical pulse to be collected on the sample 104, it is reflected by the dichroic mirror 110, collected by the condenser lens 112 on the detector 113, and converted into an electrical signal.

また、検出器113は回折光学素子やプリズムなどの波長分離手段を備えた、いわゆる分光光度計であることがより望ましい。これにより、シトクロムCの分布画像がより正確に得られる。   The detector 113 is more preferably a so-called spectrophotometer provided with wavelength separating means such as a diffractive optical element and a prism. Thereby, the distribution image of cytochrome C can be obtained more accurately.

光パルスの集光位置は、二次元走査ミラー107によって、試料104内をXY方向に走査される。ここで、光パルスの試料104上での集光位置の座標と、検出器113により検出された電気信号とを対応づけて記憶することにより、2次元的な多光子励起ラマン散乱画像を得ることができる。例えば、二次元走査ミラーをMEMSで構成する場合は、MEMSに設けられたそれぞれの電極へ印加した電圧量から、二次元走査ミラーの角度や光の走査角度(もしくは試料104での集光位置の座標)を算出することができる。   The condensing position of the light pulse is scanned in the XY direction in the sample 104 by the two-dimensional scanning mirror 107. Here, a two-dimensional multiphoton-excited Raman scattering image is obtained by associating and storing the coordinates of the condensing position of the light pulse on the sample 104 and the electric signal detected by the detector 113. Can do. For example, when the two-dimensional scanning mirror is configured by MEMS, the angle of the two-dimensional scanning mirror and the light scanning angle (or the condensing position on the sample 104 are determined from the amount of voltage applied to each electrode provided in the MEMS. Coordinates) can be calculated.

また、集光位置をZ方向に変化させる手段を備えることが、より望ましく、例えば、対物レンズ111をPZTやKTNを用いた可変焦点レンズとすることで3次元的な多光子励起ラマン散乱画像を高速に取得することが可能となる。   It is more desirable to provide a means for changing the condensing position in the Z direction. For example, a three-dimensional multiphoton excitation Raman scattering image can be obtained by making the objective lens 111 a variable focus lens using PZT or KTN. It becomes possible to acquire at high speed.

本発明では、既述のように、1064nm帯と1100nm帯の光パルスを試料104入射させる。これにより、それぞれ2光子励起によって、532nm帯と550nm帯の可視光による励起と同様の効果を与えることとなる。   In the present invention, as described above, the sample 104 is irradiated with light pulses in the 1064 nm band and the 1100 nm band. Thus, the two-photon excitation gives the same effect as the excitation by visible light in the 532 nm band and the 550 nm band.

ここで、酸化型タンパク質と還元型タンパク質は、ラマン散乱の波長依存特性が異なっている。例えば、酸化型タンパク質は入射波長が増大するにつれて増加する特性を示し、還元型タンパク質は入射波長が増大するにつれて減少する特性を示す。増加、及び減少の特性は上述のものに限られず、逆になっていても良いが、いずれにせよ酸化型タンパク質と還元型タンパク質は、532nm帯の光励起によるラマン散乱と、550nm帯の光励起によるラマン散乱スペクトルが異なり、また、ラマン散乱量と波長の関係式は異なる式で表される。なお、物質のスペクトル特性を示す式は物質に応じて予め決定されている。   Here, the oxidized protein and the reduced protein have different wavelength-dependent characteristics of Raman scattering. For example, oxidized proteins exhibit properties that increase as incident wavelength increases, and reduced proteins exhibit properties that decrease as incident wavelength increases. The characteristics of increase and decrease are not limited to those described above, and may be reversed. In any case, oxidized protein and reduced protein have Raman scattering due to photoexcitation in the 532 nm band and Raman due to photoexcitation in the 550 nm band. The scattering spectra are different, and the relational expression between the amount of Raman scattering and the wavelength is expressed by different expressions. In addition, the formula which shows the spectral characteristic of a substance is previously determined according to the substance.

ここで、532nm帯のラマン散乱量と、550nm帯のラマン散乱量には、それぞれ酸化型タンパク質のラマン散乱と還元型タンパク質のラマン散乱量が含まれている。この532nm帯のラマン散乱量と550nm帯のラマン散乱量の値、及び酸化型タンパク質と還元型タンパク質のラマン散乱特性の波長依存性(ラマン散乱スペクトルの関係式)を用いて、酸化型タンパク質及び還元型タンパク質の、532nm帯及び550nm帯のラマン散乱量をそれぞれ算出することができる。これにより、異なる物質のラマン散乱スペクトルの波長領域が重複している場合にも、各波長帯における特定物質のラマン散乱量を算出することができる。   Here, the Raman scattering amount of the oxidized protein and the Raman scattering amount of the reduced protein are included in the Raman scattering amount of the 532 nm band and the Raman scattering amount of the 550 nm band, respectively. Using the values of the Raman scattering amount in the 532 nm band and the Raman scattering amount in the 550 nm band, and the wavelength dependence of the Raman scattering characteristics of the oxidized protein and the reduced protein (relational expression of the Raman scattering spectrum), the oxidized protein and the reduced protein are reduced. The amount of Raman scattering in the 532 nm band and the 550 nm band of the type protein can be calculated. Thereby, even when the wavelength regions of the Raman scattering spectra of different substances overlap, the amount of Raman scattering of the specific substance in each wavelength band can be calculated.

以上のように、複数波長のラマン散乱光の光量比較により多変量解析による成分分析が可能になる。   As described above, component analysis by multivariate analysis can be performed by comparing the amounts of Raman scattered light having a plurality of wavelengths.

また、上述のように試料104上での光パルスの集光位置の座標が検出器113により検出された電気信号を対応づけて記憶されおり、画像化を行うことで各物質の濃度分布を画像化することができる。   Further, as described above, the coordinates of the condensing position of the light pulse on the sample 104 are stored in association with the electric signal detected by the detector 113, and the concentration distribution of each substance is imaged by imaging. Can be

上記構成により、酸化型タンパク質と還元型タンパク質を識別し、それぞれの濃度分布を画像化すること(機能観察)が可能となる。   With the above-described configuration, it is possible to distinguish between oxidized protein and reduced protein, and to image the concentration distribution of each (function observation).

また、本発明の多光子励起測定装置では、試料の観察部分(光パルス集光位置)以外の部分に対して低侵襲であり、安価に(共焦点光学系を必要とせず)、光伝搬方向(光軸方向)の解像度を高めることが可能となる。   Further, the multiphoton excitation measurement apparatus of the present invention is less invasive to the part other than the observation part (light pulse condensing position) of the sample, is inexpensive (no confocal optical system is required), and the light propagation direction The resolution in the (optical axis direction) can be increased.

また、本実施の形態において、1064nm帯の光パルスと1100nm帯の光パルスの発振を同期させて、且つ、集光位置を一致させて、試料104に照射することで、二つの光の相互作用による多光子吸収現象が引き起こされる。すなわち、和周波である541nm帯の可視光励起によるラマン散乱画像を得ることも可能となる。   In this embodiment mode, the oscillation of the 1064 nm band light pulse and the 1100 nm band light pulse is synchronized, and the condensing position is made coincident to irradiate the sample 104, whereby the interaction between the two lights is performed. Causes multiphoton absorption. That is, it becomes possible to obtain a Raman scattering image by excitation of visible light in the 541 nm band which is the sum frequency.

ここで、和周波は2波長の光パルスの集光点を含むごく限られた領域にのみ発生する。そのため、和周波と同じ周波数を有する単一波長の光パルスを試料104に入射した場合と比較すると、和周派が発生する場合の方が、ラマン散乱が発生する領域が限定される。そのため、複数波長の光パルスを入射させて和周波を発生させることで、測定の分解能をより向上させることができる。   Here, the sum frequency is generated only in a very limited region including the focal point of the two-wavelength light pulse. Therefore, compared to the case where a single-wavelength light pulse having the same frequency as the sum frequency is incident on the sample 104, the region where the Raman scattering occurs is limited when the sum circumference is generated. For this reason, the resolution of measurement can be further improved by generating a sum frequency by injecting light pulses having a plurality of wavelengths.

このように、波長の異なる二つの光パルスが重なり合うことで引き起こされる2光子吸収、言い換えると、エネルギーが異なる二つの光子が出合って引き起こす2光子吸収を、以降、本明細書では『和光子吸収』とし、それによる励起を『和光子励起』とする。   Thus, the two-photon absorption caused by the overlapping of two light pulses having different wavelengths, in other words, the two-photon absorption caused by the two photons having different energies meeting each other, hereinafter referred to as “Wako photon absorption”. And the resulting excitation is called “Wako photon excitation”.

また、試料内で発生するラマン散乱光は、試料内で偏光方向が回転し、試料入射前の光パルスと異なる偏光成分を含むため、ダイクロイックミラー110の代わりに偏光分離ミラーを用いてもよい。ダイクロイックミラーを用いることで、全ての偏光成分のラマン散乱光の出力を求めることが可能となる。その結果、より高精度な機能画像観察が可能となる。一方、偏光分離ミラーを用いる場合は、ミラーの固定角度尤度がより広くなり、対振動性や耐熱性に優れた顕微鏡となる。本発明では、複数の波長の光パルスを試料に照射し、それらのラマン散乱光を計測する必要があり、偏光分離ミラーを用いることによる耐振動性や耐熱性の向上の効果が大きい。   In addition, since the Raman scattered light generated in the sample has a polarization direction rotated in the sample and includes a polarization component different from the light pulse before the sample is incident, a polarization separation mirror may be used instead of the dichroic mirror 110. By using a dichroic mirror, it is possible to obtain the output of Raman scattered light of all polarization components. As a result, functional image observation with higher accuracy is possible. On the other hand, when a polarization separation mirror is used, the fixed angle likelihood of the mirror becomes wider, and the microscope has excellent vibration resistance and heat resistance. In the present invention, it is necessary to irradiate a sample with light pulses having a plurality of wavelengths and measure their Raman scattered light, and the effect of improving vibration resistance and heat resistance by using a polarization separation mirror is great.

なお、本実施の形態は2光子吸収をベースに説明したが、3光子吸収以上の多光子吸収であってもよい。また、本実施の形態は2つの異なる波長の光を用いて説明したが、多波長光源101は3つ以上の波長の光を使用するものであってもよい。   In addition, although this Embodiment demonstrated based on two-photon absorption, the multiphoton absorption more than three-photon absorption may be sufficient. Further, although the present embodiment has been described using light of two different wavelengths, the multi-wavelength light source 101 may use light of three or more wavelengths.

(実施の形態2)
本実施の形態1では、1030nm帯、1064nm帯、1100nm帯などの赤外光(光パルス)をミトコンドリア(試料)に照射し、試料内のシトクロムCによって発生したラマン散乱光を計測する例について示した。しかし、本発明の多光子励起測定装置は、任意の試料(材料)に対して、その試料が異なる光学特性を示す複数の異なる波長の光を照射することで同様の効果を得ることが可能となる。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, an example is shown in which infrared light (light pulse) in the 1030 nm band, 1064 nm band, 1100 nm band, or the like is irradiated to the mitochondria (sample) and Raman scattered light generated by cytochrome C in the sample is measured. It was. However, the multiphoton excitation measurement apparatus of the present invention can obtain the same effect by irradiating an arbitrary sample (material) with a plurality of light beams having different optical characteristics. Become.

例えば、本実施の形態では、1400nm帯と1867nm帯の波長の光パルスを発振する図2と同様の構成の多波長光源を用い、人体を試料とする図1と同様の構成の多光子励起測定装置について説明する。本実施の形態では、人体内部のヘモグロビン濃度分布(形態画像)と、ヘモグロビンの酸素化の割合(機能画像)の両方を取得することが可能となる。   For example, in the present embodiment, a multi-photon excitation measurement having a configuration similar to that of FIG. 1 using a multi-wavelength light source having a configuration similar to FIG. The apparatus will be described. In the present embodiment, both the hemoglobin concentration distribution (morphological image) inside the human body and the oxygenation ratio (functional image) of hemoglobin can be acquired.

より詳細には下記に示す。   More details are shown below.

本実施の形態により、1400nm帯と1867nm帯の二つの光の2光子吸収を利用して700nm帯と933nm帯の二つの波長の吸光度を求めることが可能となる。また更に、1400nm帯と1867nm帯の和光子吸収を利用して800nm帯の吸光度を求めることが可能となる。また、波長800nm帯の酸素化ヘモグロビン(Hb)と脱酸素化ヘモグロビン(HbO)の吸光度は等しく、700nm帯の吸光度は脱酸素化ヘモグロビンの方が高く、933nm帯の吸光度は酸素化ヘモグロビンの方が高い。このため、少なくとも800nm帯の波長の吸光度を求めることで、酸素化ヘモグロビン(Hb)と脱酸素化ヘモグロビン(HbO)の総和であるヘモグロビンの濃度が求められる。 According to the present embodiment, it is possible to obtain absorbances at two wavelengths of 700 nm band and 933 nm band using two-photon absorption of two lights of 1400 nm band and 1867 nm band. Furthermore, it is possible to determine the absorbance in the 800 nm band using the sum photon absorption in the 1400 nm band and the 1867 nm band. Moreover, the absorbance of oxygenated hemoglobin (Hb) in the wavelength band of 800 nm and that of deoxygenated hemoglobin (HbO 2 ) are equal, the absorbance in the 700 nm band is higher in deoxygenated hemoglobin, and the absorbance in the 933 nm band is higher in oxygenated hemoglobin. Is expensive. For this reason, the concentration of hemoglobin which is the sum of oxygenated hemoglobin (Hb) and deoxygenated hemoglobin (HbO 2 ) is determined by determining the absorbance at a wavelength of at least 800 nm band.

更に、700nm帯、933nm帯のうち、何れかの吸光度を計測し、800nm帯の吸光度と比較することで、酸素化ヘモグロビン(Hb)と脱酸素化ヘモグロビン(HbO)それぞれの濃度を算出することができる。これにより、ヘモグロビンの酸素化の割合を求めることが可能となる。 Furthermore, the concentration of each of oxygenated hemoglobin (Hb) and deoxygenated hemoglobin (HbO 2 ) is calculated by measuring the absorbance of either 700 nm band or 933 nm band and comparing it with the absorbance in the 800 nm band. Can do. This makes it possible to determine the oxygenation rate of hemoglobin.

例えば、酸素化ヘモグロビンの濃度をx、脱酸素化ヘモグロビンの濃度をyとするとし、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの濃度に対する800nmの光の吸光度の関数をfとし、脱酸素化ヘモグロビンの濃度に対する700nmの光の吸光度の関数をgとし、脱酸素化ヘモグロビンの濃度に対する700nmの光の吸光度の関数をhとすると、
f(x+y)=(800nmの吸光度)
g(x)+h(y)=(700nmの吸光度)
として連立方程式を解くことで、ヘモグロビンの酸素化の割合を求めることが可能になる。
For example, suppose that the oxygenated hemoglobin concentration is x, the deoxygenated hemoglobin concentration is y, the function of the absorbance of light at 800 nm with respect to the oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin concentrations is f, and the deoxygenated hemoglobin concentration. If the function of the absorbance of 700 nm light with respect to g is g, and the function of the absorbance of 700 nm light with respect to the concentration of deoxygenated hemoglobin is h,
f (x + y) = (800 nm absorbance)
g (x) + h (y) = (absorbance at 700 nm)
By solving the simultaneous equations as follows, it becomes possible to obtain the oxygenation rate of hemoglobin.

なお、上述の例では800nm帯の吸光度を利用したが、700nm帯、933nm帯で得られた吸光度量を使用して、酸素化ヘモグロビン(Hb)と脱酸素化ヘモグロビン(HbO)の各濃度を算出してもよい。また、ヘモグロビン濃度の総和を求める差異に800nm帯の吸光度を利用したが、700nm帯、933nm帯の吸光度量を利用して得られた酸素化ヘモグロビン(Hb)と脱酸素化ヘモグロビン(HbO)のそれぞれの濃度からヘモグロビンの総和を算出しても良い。 In the above example, the absorbance in the 800 nm band was used. However, using the absorbance amounts obtained in the 700 nm band and the 933 nm band, the concentrations of oxygenated hemoglobin (Hb) and deoxygenated hemoglobin (HbO 2 ) were determined. It may be calculated. Moreover, although the absorbance in the 800 nm band was used for the difference in obtaining the total hemoglobin concentration, oxygenated hemoglobin (Hb) and deoxygenated hemoglobin (HbO 2 ) obtained using the absorbance amounts in the 700 nm band and the 933 nm band were used. You may calculate the sum total of hemoglobin from each density | concentration.

本発明では直接700nm帯、800nm帯、933nm帯の光を生体に照射する場合に比べて、多光子励起現象を用いることで、より生体の透過率が高い長波長の赤外光を用いることが可能であり、生体のより深い部分のヘモグロビン濃度や酸素化の割合を調べることが可能となるため望ましい。   In the present invention, it is possible to use long-wavelength infrared light having a higher transmittance of the living body by using the multi-photon excitation phenomenon as compared with the case of directly irradiating the living body with light of 700 nm band, 800 nm band, and 933 nm band. This is desirable because it is possible to examine the hemoglobin concentration and oxygenation ratio in a deeper part of the living body.

また、本実施の形態では、実施の形態1と同様に、試料に光パルスを照射し、返ってきた光の出力を計測する構成をとってもよいが、試料に入射させる光パルスと試料から返ってきた光の波長は同じであり、ダイクロイックミラー110の変わりに偏光分離ミラーを用いることが望ましい。これによって、試料から返ってきた光を検出器113に導き、試料内での減衰量(吸光度)が求められる。   In the present embodiment, as in the first embodiment, the sample may be irradiated with a light pulse and the output of the returned light may be measured. However, the light pulse incident on the sample and the sample returned from the sample may be used. The wavelengths of the light beams are the same, and it is desirable to use a polarization separation mirror instead of the dichroic mirror 110. Thereby, the light returned from the sample is guided to the detector 113, and the attenuation amount (absorbance) in the sample is obtained.

また、図3に示すように、レーザー走査光学ユニット102からダイクロイックミラー110を省いたレーザー走査光学ユニット302を用いて、試料104に光パルスを照射し、レーザー走査光学ユニット302と反対側に検出器303を備える多光子励起測定装置300としてもよい。この構成により、より正確に吸光度を調べることが可能となり、より正確なヘモグロビン濃度分布や酸素化割合を求めることが可能となる(より高精度な機能画像観察が可能となる)ため望ましい。   Further, as shown in FIG. 3, a laser pulse optical unit 302 in which the dichroic mirror 110 is omitted from the laser scanning optical unit 102 is used to irradiate the sample 104 with light pulses, and a detector on the opposite side of the laser scanning optical unit 302. A multiphoton excitation measurement apparatus 300 including 303 may be used. This configuration is desirable because it is possible to examine the absorbance more accurately and to obtain a more accurate hemoglobin concentration distribution and oxygenation ratio (a more accurate functional image observation is possible).

また、試料104と検出器の間には集光レンズ301を設置することで、更に測定の精度が向上するため望ましい。   In addition, it is desirable to install a condenser lens 301 between the sample 104 and the detector because the measurement accuracy is further improved.

なお、図1の構成では、光の透過率が低い試料や散乱が多い試料においても機能画像観察が可能となる。そのため、観察可能な資料の種類は図3の構成より多くすることができるというメリットを有している。   In the configuration of FIG. 1, functional image observation is possible even for a sample with low light transmittance or a sample with much scattering. Therefore, there is an advantage that the number of types of materials that can be observed can be increased compared to the configuration of FIG.

(実施の形態3)
図4は、本発明の実施の形態3における多光子励起測定装置の概略構成を示す図である。この多光子励起測定装置400は、図1に示す多光子励起測定装置100と同様に、多波長光源101にて発振した波長の異なる二つの光パルスを、光ファイバ103を通してレーザー走査光学ユニットに入射させて、試料104(シトクロムCを生細胞内に含んだミトコンドリア)に照射する構成となる。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a multiphoton excitation measurement apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. Similar to the multiphoton excitation measurement apparatus 100 shown in FIG. 1, this multiphoton excitation measurement apparatus 400 makes two optical pulses oscillated by a multiwavelength light source 101 incident on a laser scanning optical unit through an optical fiber 103. Thus, the sample 104 (mitochondria containing cytochrome C in living cells) is irradiated.

ただし、本実施形態に示すレーザー走査光学ユニット402では、入射した光パルスは自由空間に出射され、回折格子401に入射する。ここで、回折格子401は二つの波長の異なる光パルスを、その波長に応じて反射角が異なるように回折するため、例えば、図4の点線と破線で示すように光路が分離される。波長によって光路が分離された二つの波長の光パルスは共に、対物レンズ404により試料104内に入射する。対物レンズ404は、光路が分離された2つの光パルスを試料内で再び重ねあわせるように設計されており、光パルスは試料104内で同じ位置に集光される。この対物レンズは、例えば、回折格子から対物レンズまでの距離をaとし、対物レンズと資料内の集光位置までの距離をbとし、対物レンズの焦点距離をfとすると、
1/f = 1/a + 1/b
の関係になるようなfの対物レンズを選択すればよい。
However, in the laser scanning optical unit 402 shown in this embodiment, the incident light pulse is emitted into free space and enters the diffraction grating 401. Here, since the diffraction grating 401 diffracts light pulses having two different wavelengths so that the reflection angles differ according to the wavelengths, the optical paths are separated as indicated by a dotted line and a broken line in FIG. 4, for example. Both optical pulses of two wavelengths whose optical paths are separated by the wavelength are incident on the sample 104 by the objective lens 404. The objective lens 404 is designed so that two light pulses whose optical paths are separated are superimposed again in the sample, and the light pulses are collected at the same position in the sample 104. For example, when the distance from the diffraction grating to the objective lens is a, the distance from the objective lens to the condensing position in the material is b, and the focal length of the objective lens is f,
1 / f = 1 / a + 1 / b
It is sufficient to select an objective lens of f that satisfies the following relationship.

これにより、試料104に含まれるシトクロムCが多光子励起されて、ラマン散乱光が発せられる。   Thereby, the cytochrome C contained in the sample 104 is multiphoton excited, and Raman scattered light is emitted.

二つの光パルスが重なる(交わる)位置では、実施の形態1と同様に、それぞれの光パルスの2光子吸収(励起)と共に、二つの波長の異なる光パルスの和光子吸収(励起)現象が発生し、そこで発生するラマン散乱光を検出器113にて電気信号に変換する。   At the position where two light pulses overlap (intersect), the two-photon absorption (excitation) of each light pulse and the sum photon absorption (excitation) phenomenon of two light pulses of different wavelengths occur as in the first embodiment. The Raman scattered light generated there is converted into an electrical signal by the detector 113.

本実施の形態では、対物レンズ404がXY方向に並進運動することで、二つの波長の異なる光パルスの重なる位置は、試料104内をXY方向に走査する。   In the present embodiment, the objective lens 404 translates in the XY direction, so that the position where two light pulses having different wavelengths overlap each other scans the sample 104 in the XY direction.

また、検出器113も回折光学素子やプリズムなどの波長分離手段を備えた、いわゆる分光光度計であることがより望ましい。これにより、シトクロムCの分布画像がより正確に得られる。   The detector 113 is more preferably a so-called spectrophotometer provided with wavelength separation means such as a diffractive optical element and a prism. Thereby, the distribution image of cytochrome C can be obtained more accurately.

光パルスの試料104上での交わる位置の座標と、検出器113により検出されたラマン散乱光のスペクトルとを対応づけて記憶することにより、2次元的な多光子励起ラマン散乱画像を得ることができる。これにより、ミトコンドリア中におけるシトクロムCの濃度分布を観測することができる。   By storing the coordinates of the intersecting positions of the light pulses on the sample 104 and the spectrum of the Raman scattered light detected by the detector 113, a two-dimensional multiphoton excitation Raman scattering image can be obtained. it can. Thereby, the concentration distribution of cytochrome C in mitochondria can be observed.

また、本実施の形態では、回折格子401の格子面上に二つの光パルスの焦点が位置するように集光レンズ403を備えることが望ましい。   In the present embodiment, it is desirable to provide the condensing lens 403 so that the focal points of the two light pulses are positioned on the grating surface of the diffraction grating 401.

これによって、試料104内で二つの光パルスが交わる位置とそれぞれの光パルスの焦点の位置が一致するため、より強い多光子励起現象が発生し、よりノイズの少ないシトクロムCの濃度分布画像を取得することが可能となる。   As a result, the position where the two light pulses intersect in the sample 104 and the position of the focal point of each light pulse coincide with each other, so that a stronger multiphoton excitation phenomenon occurs and a density distribution image of cytochrome C with less noise is acquired. It becomes possible to do.

本実施の形態では、波長の異なる二つの光パルスの光路が異なるため、交わる部分のみで和光子励起現象が発生する。このため、和光子励起によるラマン散乱スペクトルを計測することによって、散乱スペクトルの観測点を増加させることが出来る。また、和周派の発生領域が集光点付近に限定されるため、和周派を発生させて散乱スペクトルを計測することで、より高分解能のシトクロムC濃度分布画像が得られる。   In the present embodiment, since the optical paths of two optical pulses having different wavelengths are different, the Wako photon excitation phenomenon occurs only at the intersecting portion. For this reason, the number of observation points of the scattered spectrum can be increased by measuring the Raman scattering spectrum by the Wako photon excitation. Moreover, since the generation area of the Japanese circle group is limited to the vicinity of the condensing point, a higher resolution cytochrome C concentration distribution image can be obtained by generating the Japanese circle group and measuring the scattering spectrum.

本実施の形態では、実施の形態1と同様に、1064nm帯と1100nm帯の光パルスを試料104入射させることで、532nm帯、541nm帯、550nm帯の可視光による励起と同様の効果を与えることとなる。1064nm帯の光パルスで励起した場合と、1100nm帯の光パルスで励起した場合の、ラマン散乱画像を比較することで、酸化型タンパク質と還元型タンパク質を識別し、それぞれの濃度分布を画像化すること(機能観察)が可能となる。   In the present embodiment, as in the first embodiment, the same effects as excitation by visible light in the 532 nm band, 541 nm band, and 550 nm band are given by making the sample 104 enter the 1064 nm band and 1100 nm band light pulses. It becomes. By comparing Raman scattering images when excited with a light pulse in the 1064 nm band and excited with a light pulse in the 1100 nm band, the oxidized protein and the reduced protein are identified, and each concentration distribution is imaged. (Function observation) becomes possible.

また、本実施の形態の多光子励起測定装置も、試料の観察部分(光パルス集光位置)以外の部分に対して低侵襲であり、安価に(共焦点光学系を必要とせず)、光伝搬方向(光軸方向)の解像度を高めることが可能となる。   In addition, the multiphoton excitation measurement apparatus of the present embodiment is also less invasive with respect to parts other than the observation part (light pulse condensing position) of the sample, and is inexpensive (without requiring a confocal optical system). It is possible to increase the resolution in the propagation direction (optical axis direction).

また、本実施の形態では、光ファイバ103を通してレーザー走査光学ユニット402に入射した光パルスを集光レンズ403に通して、2次元走査回折格子401の反射面で集光させることが望ましい。   In the present embodiment, it is desirable that the light pulse incident on the laser scanning optical unit 402 through the optical fiber 103 is passed through the condenser lens 403 and condensed on the reflection surface of the two-dimensional scanning diffraction grating 401.

これによって、2次元走査回折格子401の反射面をより小さくすることが可能となり、より低コストで、より低消費電力の2次元走査が可能となる。   As a result, the reflecting surface of the two-dimensional scanning diffraction grating 401 can be made smaller, and two-dimensional scanning with lower power consumption can be achieved at a lower cost.

また、試料104内における二つの光パルスがそれぞれの集光位置で重なるため、より高コントラストな機能画像が得られる。   Further, since the two light pulses in the sample 104 overlap at the respective condensing positions, a functional image with higher contrast can be obtained.

また、対物レンズ404の手前の光パルス光路に略垂直な二面(A面、B面)において、A面とB面での二つの光パルスのビーム径の拡大率と、二つの光パルス光路の間隔の拡大率がほぼ一致することが望ましい。なお、ビーム径の拡大率とは、B面でのビーム径÷A面でのビーム径を意味する。これによって、試料104内において、二つの光パルスはそれぞれの集光位置で重なる。つまり、最も光強度が高い位置で和光子吸収(和光子励起)を行うことが可能となり、得られるラマン散乱スペクトルも強くなる。その結果、より高コントラストな機能画像が得られる。   Further, on two surfaces (A surface and B surface) substantially perpendicular to the optical pulse optical path before the objective lens 404, the expansion ratio of the beam diameters of the two optical pulses on the A surface and the B surface, and the two optical pulse optical paths. It is desirable that the enlargement ratios of the intervals substantially coincide. The beam diameter enlargement ratio means the beam diameter on the B surface / the beam diameter on the A surface. As a result, in the sample 104, the two light pulses overlap at the respective condensing positions. That is, it becomes possible to perform the Wako photon absorption (Wako photon excitation) at the position where the light intensity is highest, and the obtained Raman scattering spectrum is also strengthened. As a result, a functional image with higher contrast can be obtained.

また、本実施の形態は、図5に示す構成を採用しても良い。すなわち、試料104内にて発生したラマン散乱光を、試料104に入射させた光パルス光路を逆走させて、対物レンズ404からレーザー走査光学ユニット内に再び取り込み、回折格子401で反射させる。多光子励起測定装置500は、その後ダイクロイックミラー110を用いて試料104に入射する前の光パルスと試料104で反射した光の光路を分離し、検出器113に入射させるレーザー走査光学ユニット501を備えたとしてもよい。   Further, this embodiment may adopt the configuration shown in FIG. That is, the Raman scattered light generated in the sample 104 travels backward in the optical pulse optical path made incident on the sample 104 and is again taken into the laser scanning optical unit from the objective lens 404 and reflected by the diffraction grating 401. The multiphoton excitation measurement apparatus 500 includes a laser scanning optical unit 501 that separates a light pulse before being incident on the sample 104 and an optical path of the light reflected by the sample 104 using the dichroic mirror 110 and makes the light incident on the detector 113. May be.

図4の構成のほうが、より多くの試料からの光を受光することが可能となり、電気ノイズが少なく、より正確(再現性が高い)シトクロムCの濃度分布、酸化/還元の割合の画像が得られるため望ましい。しかし、図5の構成では、より正確に分光光度を計測することが可能となり、成分分析の正確性が増すため望ましい。   The configuration of FIG. 4 can receive light from a larger number of samples, and there is less electrical noise, and more accurate (highly reproducible) cytochrome C concentration distribution and oxidation / reduction ratio images can be obtained. Is desirable. However, the configuration of FIG. 5 is desirable because it allows more accurate spectrophotometric measurement and increases the accuracy of component analysis.

また、言うまでもなく、本実施の形態の光学構成を実施の形態2と同様に、生体内のヘモグロビンの濃度や酸素化の割合を調べる多光子励起測定装置として用いてもよく、更に、別の試料の機能画像観察や形態画像観察に用いてもよい。   Needless to say, the optical configuration of the present embodiment may be used as a multiphoton excitation measurement device for examining the concentration of hemoglobin and the proportion of oxygenation in a living body, as in the second embodiment, and another sample. It may be used for functional image observation and morphological image observation.

本実施の形態の多光子励起測定装置では、実施の形態1、2に示すように二つの波長の光パルスが同光路の構成に比べて、Z方向の解像度が高くなるため望ましい。また、実施の形態1,2の構成の多光子励起測定装置は、より光学系が単純で安価な構成とすることが可能となるため望ましい。   In the multiphoton excitation measurement apparatus of this embodiment, as shown in the first and second embodiments, the optical pulses of two wavelengths are desirable because the resolution in the Z direction is higher than that of the configuration of the same optical path. In addition, the multiphoton excitation measurement apparatus having the configuration of the first and second embodiments is desirable because the optical system can be made simpler and less expensive.

(実施の形態4)
図7は、本発明の実施の形態4における多光子励起測定装置の概略構成を示す図である。この多光子励起測定装置700は、多波長光源701にて発振した波長の異なる二つの光パルスを、それぞれ別の光ファイバ103、703を通してレーザー走査光学ユニット702に入射させて、試料104(シトクロムCを生細胞内に含んだミトコンドリア)に照射する構成となる。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a multiphoton excitation measurement apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In this multiphoton excitation measurement apparatus 700, two optical pulses having different wavelengths oscillated by a multiwavelength light source 701 are incident on a laser scanning optical unit 702 through separate optical fibers 103 and 703, respectively, and a sample 104 (cytochrome C) is introduced. Mitochondria contained in living cells).

ここで、光ファイバ103は、光ファイバコネクタ105、106によって、それぞれ多波長光源101、レーザー走査光学ユニット702と接続される。   Here, the optical fiber 103 is connected to the multi-wavelength light source 101 and the laser scanning optical unit 702 by optical fiber connectors 105 and 106, respectively.

試料104は、シトクロムC(タンパク質)が生細胞内に存在するミトコンドリアであり、試料104に集光された光パルスは、シトクロムCでの多光子吸収により強い共鳴ラマン散乱を示す。   The sample 104 is mitochondria in which cytochrome C (protein) is present in a living cell, and the light pulse collected on the sample 104 exhibits strong resonance Raman scattering due to multiphoton absorption in the cytochrome C.

図9は、図7に示した多波長光源701の一例の部分構成を示す図である。この多波長光源701は、パルスジェネレータ201、202、半導体レーザー203、204、ファイバ増幅器205、206、パルス幅圧縮機207、208、及び、光ファイバコネクタ105、705を有する。   FIG. 9 is a diagram showing a partial configuration of an example of the multi-wavelength light source 701 shown in FIG. The multi-wavelength light source 701 includes pulse generators 201 and 202, semiconductor lasers 203 and 204, fiber amplifiers 205 and 206, pulse width compressors 207 and 208, and optical fiber connectors 105 and 705.

パルスジェネレータ201、202は、共に数ns以下の電気パルスを発生し、この電気パルスにより、それぞれ半導体レーザー203、204に電流を注入する。   The pulse generators 201 and 202 both generate electric pulses of several ns or less, and currents are injected into the semiconductor lasers 203 and 204, respectively, with the electric pulses.

半導体レーザー203、204は、パルスジェネレータ201、202からの電気パルスにより注入される電流によって利得が瞬間的に発生消滅する、いわゆるゲインスイッチ動作し、これにより短波長から長波長へと時間的にチャープした数十ピコ秒幅の光パルスを発生する。半導体レーザー203、204は、例えば、面発光レーザー(VCSEL)、量子井戸分布帰還型レーザーダイオード(QWDFBLD)、量子ドット分布帰還型レーザーダイオード(QDDFBLD)などが使用可能であるが、本実施の形態ではVCSELを使用する。また、光パルスの波長は、試料104の多光子吸収により共鳴ラマン散乱する波長であればよく、可視から近赤外光、赤外光が使用可能である。ここでは、半導体レーザー203から1064nm帯、半導体レーザー204から1100nm帯の近赤外光が発振することとする。   The semiconductor lasers 203 and 204 perform a so-called gain switching operation in which a gain is instantaneously generated and extinguished by a current injected by an electric pulse from the pulse generators 201 and 202, thereby chirping from a short wavelength to a long wavelength in time. An optical pulse having a width of several tens of picoseconds is generated. As the semiconductor lasers 203 and 204, for example, a surface emitting laser (VCSEL), a quantum well distributed feedback laser diode (QWDFBLD), a quantum dot distributed feedback laser diode (QDDFBLD), or the like can be used. Use VCSEL. The wavelength of the light pulse may be any wavelength that causes resonance Raman scattering due to multiphoton absorption of the sample 104, and visible to near-infrared light and infrared light can be used. Here, it is assumed that near-infrared light in the 1064 nm band from the semiconductor laser 203 and the 1100 nm band from the semiconductor laser 204 oscillate.

半導体レーザー203,204から発生した光パルスは、ファイバ増幅器205,206にて増幅する。ファイバ増幅器205、206は、ファイバレーザーまたは、半導体レーザーで励起される。ファイバレーザー中の被励起媒質として、Nd,Yb,Tm,Erなどをドープしたシングルクラッド、または、ダブルクラッドの光ファイバ、あるいは、断面に空隙がある光ファイバを用いる。ここで、被励起媒質としてYbがドープされたシングルクラッド光ファイバを用い、波長940nmの半導体レーザーを用いて励起する。   Optical pulses generated from the semiconductor lasers 203 and 204 are amplified by fiber amplifiers 205 and 206. The fiber amplifiers 205 and 206 are excited by a fiber laser or a semiconductor laser. As a pumped medium in the fiber laser, a single clad or double clad optical fiber doped with Nd, Yb, Tm, Er, or the like, or an optical fiber having a gap in the cross section is used. Here, a single clad optical fiber doped with Yb is used as a pumped medium, and excitation is performed using a semiconductor laser having a wavelength of 940 nm.

ここで、ファイバ増幅器205,206によって、半導体レーザー203,204にて発振した光パルスは平均出力が数十mWから数Wの光パルスに増幅する。   Here, the optical pulses oscillated by the semiconductor lasers 203 and 204 are amplified by the fiber amplifiers 205 and 206 into optical pulses having an average output of several tens mW to several W.

増幅後の1064nm帯、1100nm帯の二つの光パルスは、それぞれ、光ファイバコネクタ105、705を経て多波長光源701から出射する。   The two amplified optical pulses of the 1064 nm band and 1100 nm band are emitted from the multi-wavelength light source 701 through the optical fiber connectors 105 and 705, respectively.

光ファイバコネクタ705も、本実施の形態では、FC型とする。   The optical fiber connector 705 is also an FC type in this embodiment.

多波長光源701より出射した光パルスは、図7に示すように光ファイバ103、703を伝搬し、光ファイバコネクタ106、706を介して、レーザー走査光学ユニット702に入射する。ここで、光ファイバコネクタ706も光ファイバコネクタ705と同様にFC型を用いる。   The light pulse emitted from the multi-wavelength light source 701 propagates through the optical fibers 103 and 703 and enters the laser scanning optical unit 702 via the optical fiber connectors 106 and 706 as shown in FIG. Here, the optical fiber connector 706 also uses the FC type as in the optical fiber connector 705.

本実施形態に示すレーザー走査光学ユニット702では、入射した2つの光パルスはともに自由空間に放出され、コリメートレンズ707,708を通して平行光となる。   In the laser scanning optical unit 702 shown in the present embodiment, the two incident light pulses are both emitted into free space and become parallel light through the collimating lenses 707 and 708.

その後、多波長光源701にて発振した波長の異なる二つの光パルスのうち、片方(ここでは1100nm帯の光パルスとする)を円筒ビーム形成器704に入射する。ここで、円筒ビーム形成器704は図8に示すように、向かい合った一対のアキシコレンズ(円錐レンズ)801、802で構成され、アキシコレンズ801の平面側から入射したガウシアンビーム803を円筒ビーム804に変換する構成となる。   Thereafter, one of the two optical pulses having different wavelengths oscillated by the multi-wavelength light source 701 (here, an optical pulse in the 1100 nm band) is incident on the cylindrical beam former 704. Here, as shown in FIG. 8, the cylindrical beam former 704 includes a pair of facing axico lenses (conical lenses) 801 and 802, and converts a Gaussian beam 803 incident from the plane side of the axico lens 801 into a cylindrical beam 804. It becomes composition.

円筒ビーム形成器704から出射した1100nm帯の光パルスは図7に示すように、反射ミラー209とダイクロイックプリズム210で反射させて、円筒ビーム形成器704に入射させなかった、もう一方の光パルス(1064nm帯の光パルス)と同一伝搬路に重ねあわされる。   As shown in FIG. 7, the light pulse in the 1100 nm band emitted from the cylindrical beam former 704 is reflected by the reflection mirror 209 and the dichroic prism 210 and is not incident on the cylindrical beam former 704 ( (1064 nm band optical pulse) and the same propagation path.

光路が一致した二つの波長の異なる光パルスは、二次元走査ミラー107に入射する。ここで、伝播角度が走査される。   Two optical pulses having different wavelengths and having the same optical path are incident on the two-dimensional scanning mirror 107. Here, the propagation angle is scanned.

二次元走査ミラー107を経た光パルスは、瞳投影レンズ108により集光されて中間像として結像された後、結像レンズ109により平行光とされ、対物レンズ111により試料104に集光される。これにより、試料104に含まれるシトクロムCが多光子励起されて、ラマン散乱光が発せられる。   The light pulse that has passed through the two-dimensional scanning mirror 107 is condensed by the pupil projection lens 108 and formed as an intermediate image, then converted into parallel light by the imaging lens 109, and condensed on the sample 104 by the objective lens 111. . Thereby, the cytochrome C contained in the sample 104 is multiphoton excited, and Raman scattered light is emitted.

ここで、対物レンズ111直後の面Cにおける、光パルスのプロファイル(光強度分布)を図10に示す。1064nm帯の光パルスのプロファイル1001は光軸を中心としてガウシアン分布を示す。また、1100nm帯の光パルスのプロファイル1002も同様に光軸を中心とするが、円環状の光強度分布を示す。また、図10では、1100nm帯の光強度のうち、1100nm帯の光の最高強度のe^-2以上の光強度の部分を斜線部で示している。また、1064nm帯の光強度のうち、1064nm帯の光の最高強度のe^-2以上の光強度の部分を斜線部で示している。   Here, FIG. 10 shows a light pulse profile (light intensity distribution) on the surface C immediately after the objective lens 111. The optical pulse profile 1001 in the 1064 nm band shows a Gaussian distribution with the optical axis as the center. Similarly, an optical pulse profile 1002 in the 1100 nm band is centered on the optical axis, but shows an annular light intensity distribution. Further, in FIG. 10, a portion of light intensity equal to or higher than e ^ −2 of the maximum intensity of light in the 1100 nm band is indicated by hatching in the light intensity in the 1100 nm band. In addition, among the light intensities in the 1064 nm band, a portion having a light intensity equal to or higher than e ^ −2 of the maximum intensity of the light in the 1064 nm band is indicated by a hatched portion.

1100nm帯の光パルスのプロファイル1002において、内径a、外径bは、円筒ビーム形成器704におけるアキシコレンズ801とアキシコレンズ802の間隔を広げることで拡大することが可能である。1100nm帯の光パルスのプロファイル1002における内径aが1064nm帯の光パルスのビーム径(光強度が最も高い位置の光強度のe-2倍の部分と光軸との距離)より大きくなるように二つのアキシコレンズを配置することで、二つの光パルスのプロファイルの重なりを抑制することが可能となる。このように、対物レンズ直後の面Cにおける二つの光パルスのプロファイルの重なりを無くすと、1100nm帯の光パルスの集光位置以外で、二つの光パルスのプロファイルの重なりが無くなる。ただし、1100nm帯の光パルスのプロファイルも集光位置では光軸中真付近にピーク光強度を持つ1ピークのプロファイルとなる。つまり、1100nm帯の光パルスと1064nm帯の光パルスは、1100nm帯の光パルスの集光位置でのみ重なり合うこととなる。 In the optical pulse profile 1002 in the 1100 nm band, the inner diameter a and the outer diameter b can be increased by widening the distance between the axico lens 801 and the axico lens 802 in the cylindrical beam former 704. The inner diameter “a” in the optical pulse profile 1002 of the 1100 nm band is larger than the beam diameter of the light pulse of the 1064 nm band (the distance between the portion of e −2 times the light intensity at the highest light intensity and the optical axis). By arranging two axico lenses, it is possible to suppress overlapping of profiles of two light pulses. As described above, when the overlap of the profiles of the two light pulses on the surface C immediately after the objective lens is eliminated, the overlap of the profiles of the two light pulses is eliminated except at the position where the light pulse in the 1100 nm band is focused. However, the profile of the light pulse in the 1100 nm band is also a one-peak profile having a peak light intensity near the true center of the optical axis at the condensing position. That is, the 1100 nm band optical pulse and the 1064 nm band optical pulse overlap only at the condensing position of the 1100 nm band optical pulse.

このため、1100nm帯の光パルスの集光位置でのみ、和光子励起によるラマン散乱光が発生する。そのため、測定の分解能を向上させることが可能になる。   For this reason, the Raman scattered light by the sum photon excitation is generated only at the condensing position of the light pulse in the 1100 nm band. As a result, the measurement resolution can be improved.

この和光子励起によるラマン散乱光は、試料104後方の集光レンズ301により検出器303に集光されて、電気信号に変換される。二次元走査ミラー107によって、光パルスの集光位置は試料104内をXY方向に走査され、光パルスの試料104上での集光位置の座標と、検出器113により検出された電気信号とを対応づけて記憶することにより、2次元的な和光子励起ラマン散乱画像を得ることができる。   The Raman scattered light generated by the sum photon excitation is condensed on the detector 303 by the condenser lens 301 behind the sample 104 and converted into an electric signal. The two-dimensional scanning mirror 107 scans the sample 104 in the X and Y directions for the light pulse condensing position, and the coordinates of the light pulse condensing position on the sample 104 and the electrical signal detected by the detector 113 are obtained. By storing the data in association with each other, a two-dimensional sum photon excited Raman scattering image can be obtained.

本発明では、既述のように、1064nm帯と1100nm帯の光パルスを試料104入射させる。これにより、それぞれ2光子励起によって、532nm帯と550nm帯の可視光による励起と同様の効果を与えることとなる。   In the present invention, as described above, the sample 104 is irradiated with light pulses in the 1064 nm band and the 1100 nm band. Thus, the two-photon excitation gives the same effect as the excitation by visible light in the 532 nm band and the 550 nm band.

酸化型タンパク質と還元型タンパク質は、532nm帯の光励起によるラマン散乱と、550nm帯の光励起によるラマン散乱スペクトルが異なるため、上記構成により、酸化型タンパク質と還元型タンパク質を識別し、それぞれの濃度分布を画像化すること(機能観察)が可能となる。   Oxidized protein and reduced protein differ in Raman scattering due to photoexcitation in the 532 nm band and Raman scattering spectrum due to photoexcitation in the 550 nm band. Imaging (functional observation) becomes possible.

また、本発明の多光子励起測定装置では、試料の観察部分(光パルス集光位置)以外の部分に対して低侵襲であり、安価に(共焦点光学系を必要とせず)、光伝搬方向(光軸方向)の解像度を高めることが可能となる。   Further, the multiphoton excitation measurement apparatus of the present invention is less invasive to the part other than the observation part (light pulse condensing position) of the sample, is inexpensive (no confocal optical system is required), and the light propagation direction The resolution in the (optical axis direction) can be increased.

また、実施の形態1と同様に、二つの異なる波長の光が重なり合う集光位置においては、541nm帯の光励起によるラマン散乱スペクトル画像を得ることも可能となる。   As in the first embodiment, it is also possible to obtain a Raman scattering spectrum image by light excitation in the 541 nm band at a condensing position where two light beams having different wavelengths overlap.

また、本実施の形態では、検出器303にピンホールを備え、共焦点光学系を採用することにより、1064nm帯と1100nm帯の光パルスの集光位置で発生したラマン散乱光のみを計測することが可能となる。   In the present embodiment, the detector 303 is provided with a pinhole, and a confocal optical system is used to measure only the Raman scattered light generated at the condensing positions of the 1064 nm band and 1100 nm band light pulses. Is possible.

これにより、同位置における、532nm,541nm,550nmの三つの波長の光の吸光度を比較することが可能となるため望ましい。   This is desirable because it is possible to compare the absorbance of light of three wavelengths of 532 nm, 541 nm, and 550 nm at the same position.

以上、実施の形態1から4では、波長の異なる光を発振する複数のパルス光源を備えた多波長光源の例を示したが、波長可変の一つのパルス光源を備えた多波長光源を用いた場合であっても、複数の波長の多光子吸収率を計測することが可能となる。つまり、形態画像観察だけでなく機能画像観察が可能な多光子励起測定装置となる。   As described above, in the first to fourth embodiments, an example of a multi-wavelength light source including a plurality of pulse light sources that oscillate light having different wavelengths has been described. However, a multi-wavelength light source including one pulse light source having a variable wavelength is used. Even in this case, it is possible to measure the multiphoton absorption rate of a plurality of wavelengths. That is, it becomes a multiphoton excitation measurement apparatus capable of not only morphological image observation but also functional image observation.

しかし、実施の形態1から4に示したように、本発明の多光子励起測定装置では、複数のパルス光源を備えた多波長光源を用い、波長の異なる複数の光を同時に発振することで、それぞれの2光子吸収、3光子吸収…現象だけでなく、和光子吸収現象を利用することが可能となるためより多くの波長の多光子吸収率を計測することが可能となるため望ましい。   However, as shown in the first to fourth embodiments, the multi-photon excitation measurement apparatus of the present invention uses a multi-wavelength light source including a plurality of pulse light sources and simultaneously oscillates a plurality of lights having different wavelengths. Each photon absorption, photon absorption,..., Not only the phenomenon but also the photon absorption phenomenon can be used, so that it is possible to measure the multiphoton absorption rate of more wavelengths.

更に、実施の形態3、4に示すように波長の異なる複数の光の光路を変えて、ある一部分でのみ重ならせる構成とすることによって、解像度を高めることも可能となる。   Furthermore, as shown in Embodiments 3 and 4, it is possible to increase the resolution by changing the optical paths of a plurality of lights having different wavelengths so that they overlap each other only in a certain part.

また、本発明の実施の形態1から4について、Z方向の解像度は実施の形態1、2 < 実施の形態4 < 実施の形態3 であり、光学系部分の価格についても、実施の形態1、2 < 実施の形態4 < 実施の形態3 となるため、用途に応じて適した実施の形態を用いることが望ましい。   In addition, with respect to the first to fourth embodiments of the present invention, the resolution in the Z direction is the first and second embodiments <the fourth embodiment> the third embodiment, and the price of the optical system portion is also the first embodiment, 2 <Embodiment 4 <Embodiment 3 Therefore, it is desirable to use an embodiment suitable for the application.

また、実施の形態1から4について、共通して下記のことが言える。   The following can be said in common with respect to the first to fourth embodiments.

まず、言うまでもなく多波長光源101の代わりに、任意の波長の光パルスを発振する多波長光源を用いることにより、任意の波長励起の光学特性画像を得ることが可能となる。   First, it goes without saying that an optical characteristic image of arbitrary wavelength excitation can be obtained by using a multi-wavelength light source that oscillates an optical pulse of an arbitrary wavelength instead of the multi-wavelength light source 101.

例えば、試料がミトコンドリア内のシトクロムCであって、試料のラマン散乱スペクトルを観察する場合は、図2における半導体レーザー201の代わりに1030nm帯の光パルスを発振する半導体レーザーを用いてもよい。試料に1030nm帯と1100nm帯の光パルスを照射することが可能となり、1030nm帯と1100nm帯のそれぞれの光パルスの2光子励起と1030nm帯と1100nm帯の和光子励起により、515nm帯、532nm帯、550nm帯の三つの波長の可視光励起によるラマン散乱画像を得ることが可能となる。   For example, when the sample is cytochrome C in mitochondria and the Raman scattering spectrum of the sample is observed, a semiconductor laser that oscillates a light pulse in the 1030 nm band may be used instead of the semiconductor laser 201 in FIG. The sample can be irradiated with light pulses of 1030 nm band and 1100 nm band, and by two-photon excitation and sum photon excitation of 1030 nm band and 1100 nm band, respectively, 515 nm band, 532 nm band, It becomes possible to obtain a Raman scattering image by excitation with visible light of three wavelengths in the 550 nm band.

シトクロムCは515nm帯の光パルス励起によるラマン散乱による強いラマンピーク(753,1127,1314,1583cm−1)が観察されるため望ましい。上述の1064nm帯と1100nm帯の二つの波長の光パルスを照射する構成に比べて、より正確にシトクロムCの分布画像観察(形態画像観察)が可能となる。この特徴は、1045nm未満の波長の光パルスと1045nmより長波長の光パルスをシトクロムCに照射するすべての本発明の構成に適用可能となる。 Cytochrome C is desirable because a strong Raman peak (753, 1127, 1314, 1583 cm −1 ) due to Raman scattering due to light pulse excitation in the 515 nm band is observed. Compared to the configuration in which the light pulses of the two wavelengths of the 1064 nm band and the 1100 nm band described above are irradiated, cytochrome C distribution image observation (morphological image observation) can be performed more accurately. This feature can be applied to all configurations of the present invention in which cytochrome C is irradiated with light pulses having a wavelength of less than 1045 nm and light pulses having a wavelength longer than 1045 nm.

また、1080nm未満の波長の光パルスと1080nmより長波長の光パルスを照射する構成では、シトクロムCの酸化/還元の比率をより正確に求めることが可能となるため望ましい。   In addition, the configuration in which the light pulse with a wavelength of less than 1080 nm and the light pulse with a wavelength longer than 1080 nm are irradiated is desirable because the oxidation / reduction ratio of cytochrome C can be obtained more accurately.

また、実施の形態1から4では、半導体レーザーとファイバーアンプからなる多波長光源を用いたが、一般的に多光子励起測定装置に用いられるチタンサファイアレーザー光源などを用いてもよい。   In the first to fourth embodiments, a multiwavelength light source including a semiconductor laser and a fiber amplifier is used. However, a titanium sapphire laser light source that is generally used in a multiphoton excitation measurement apparatus may be used.

また、YbやNdなどの希土類を添加したYAG、YVOなどのレーザー媒質を用いたQスイッチ短パルス固体レーザーを用いてもよい。 Alternatively, a Q-switched short pulse solid-state laser using a laser medium such as YAG or YVO 4 to which rare earth such as Yb or Nd is added may be used.

ただし、半導体レーザーとファイバーアンプからなるパルス光源を用いることによって、より安価に様々な波長の光パルス発振が可能となるため望ましく、より多種類の化学物質の同定が可能となる。   However, it is desirable to use a pulsed light source composed of a semiconductor laser and a fiber amplifier because it is possible to oscillate optical pulses of various wavelengths at a lower cost, and it is possible to identify more types of chemical substances.

また、チタンサファイアレーザー光源や、Qスイッチ短パルス固体レーザーを用いることによって、より高ピークの光パルスを試料に照射することが可能となるため、化学物質の濃度計測精度が向上するため望ましい。   Further, by using a titanium sapphire laser light source or a Q-switched short pulse solid-state laser, it is possible to irradiate a sample with a light pulse with a higher peak, which is desirable because the concentration measurement accuracy of chemical substances is improved.

また、試料が生体の場合には、生体への光透過特性に優れているクロム・フォルステライトレーザー光源などのファイバレーザーを用いることで、より生体の深部まで高精度に形態画像観察や機能画像観察が可能となるため望ましい。   In addition, when the sample is a living body, use of a fiber laser such as a chrome forsterite laser light source that excels in light transmission properties to the living body enables morphological image observation and functional image observation to a deeper depth of the living body. Is desirable because it becomes possible.

また、実施の形態1から4に示す多光子励起測定装置において、3つ以上の波長が異なる光パルスを試料に照射することが望ましく、更に、形態画像の正確性と機能画像のコントラストが向上する。   In the multiphoton excitation measurement apparatus shown in Embodiments 1 to 4, it is desirable to irradiate the sample with light pulses having three or more different wavelengths, and the accuracy of the morphological image and the contrast of the functional image are improved. .

ただし、試料に照射する光パルスのスペクトルは、図6に示すように、最も短波長のものから、それぞれ、中心波長をλ、λ…λ、λn+1とし、波長の半値全幅をΔλ、Δλ…Δλ、Δλn+1とすると、少なくとも一つのn(nは自然数)に対して下記の数式1を満たすことが望ましい。 However, as shown in FIG. 6, the spectrum of the light pulse applied to the sample is the shortest wavelength, and the center wavelengths are λ 1 , λ 2 ... Λ n , and λ n + 1 , respectively, and the full width at half maximum of the wavelength. Is Δλ 1 , Δλ 2 ... Δλ n , Δλ n + 1 , it is desirable to satisfy the following formula 1 for at least one n (n is a natural number).

Figure 2012112863
Figure 2012112863

これにより、隣り合う波長の光のm光子励起(mは2以上の自然数)による光学特性の切り分けの精度が大きく向上するため、得られる機能画像の高コントラスト化が可能となる。   Thereby, since the accuracy of the separation of the optical characteristics by m photon excitation (m is a natural number of 2 or more) of light of adjacent wavelengths is greatly improved, it is possible to increase the contrast of the obtained functional image.

また、より望ましくは、少なくとも一つの波長に対して数式2を満たすことが望ましい。   More preferably, it is desirable to satisfy Equation 2 for at least one wavelength.

Figure 2012112863
Figure 2012112863

これにより、隣り合う波長の光の和光子励起による光学特性の切り分け精度も大きく向上するため、得られる機能画像の更なる高コントラスト化が可能となる。   As a result, the accuracy of separating the optical characteristics by the sum photon excitation of the light of the adjacent wavelengths is greatly improved, so that it is possible to further increase the contrast of the obtained functional image.

また、試料がシトクロムCを含む場合には、
(1)1045nmより短波長
(2)1045nmより長波長で1080nmより短波長
(3)1080nmより長波長
の三つの波長領域の光パルスを少なくとも一つづつ含むことで、形態画像の正確性と機能画像のコントラストが共に最も高くなるため望ましい。
When the sample contains cytochrome C,
(1) Wavelength shorter than 1045 nm (2) Wavelength longer than 1045 nm and shorter than 1080 nm (3) Accuracy and function of morphological image by including at least one light pulse in three wavelength regions longer than 1080 nm This is desirable because the contrast of the image is the highest.

多波長光源からの波長に関係なく、複数波長の光短パルスを試料に照射する多光子励起測定装置において、波長が異なる複数の光パルスを同時に試料に照射する場合と、別々に試料に照射する場合に、試料から出射する光(実施の形態1ではラマン散乱光。蛍光などの場合も同様。)を計測し、比較することが望ましい。これにより、更に高コントラストな機能画像観察が可能となる。   In a multiphoton excitation measurement device that irradiates a sample with short optical pulses of multiple wavelengths regardless of the wavelength from the multiwavelength light source, the sample is irradiated with multiple light pulses of different wavelengths simultaneously, and the sample is irradiated separately In this case, it is desirable to measure and compare light emitted from the sample (Raman scattered light in the first embodiment; the same applies to fluorescence). Thereby, functional image observation with higher contrast becomes possible.

例えば、実施の形態1を例にとると、まず、1064nm帯、1100nm帯の光パルスをそれぞれ別々(のタイミングで)に試料104に照射し、532nm帯、550nm帯の可視光励起によるラマン散乱画像を取得する。次に、1064nm帯、1100nm帯の光パルスを同時に試料104に照射し、541nm帯の可視光励起によるラマン散乱画像を取得する。   For example, taking Embodiment 1 as an example, first, the sample 104 is irradiated with light pulses of 1064 nm band and 1100 nm band separately (at the timing), and Raman scattering images by visible light excitation in the 532 nm band and 550 nm band are obtained. get. Next, the sample 104 is simultaneously irradiated with light pulses in the 1064 nm band and 1100 nm band, and a Raman scattering image by visible light excitation in the 541 nm band is acquired.

これにより、より正確に、532nm帯、541nm帯、550nm帯、それぞれの波長によるラマン散乱光の切り分けができる。つまり、より正確なそれぞれの波長のラマン散乱画像を取得することが可能となり、機能画像観察の正確性(再現性)を高めることが可能となる。図示しないが、各光パルスの発振タイミングを制御するタイミング制御手段を備えていてもよい。   Thereby, it is possible to more accurately separate Raman scattered light according to the respective wavelengths of the 532 nm band, the 541 nm band, and the 550 nm band. That is, more accurate Raman scattering images of respective wavelengths can be acquired, and the accuracy (reproducibility) of functional image observation can be improved. Although not shown, a timing control means for controlling the oscillation timing of each optical pulse may be provided.

また、更に望ましくは、複数波長の光パルスの光強度をそれぞれ独立に変えて試料に照射し、試料から出射する光を計測して比較することが望ましく、これによって、2光子励起による光学特性と3光子励起による光学特性(ラマン散乱、吸光特性、蛍光特性)、さらに多光子励起による光学特性を切り分けることが可能となる。   More preferably, it is desirable to irradiate the sample while changing the light intensity of the light pulses of a plurality of wavelengths independently, and to measure and compare the light emitted from the sample. It is possible to classify optical characteristics (Raman scattering, light absorption characteristics, fluorescence characteristics) by three-photon excitation, and optical characteristics by multiphoton excitation.

例えば、ラマン散乱光を計測する場合は、2光子励起によるラマン散乱、3光子励起によるラマン散乱、更に、高次のラマン散乱の切り分けが可能となるため、より高コントラストの機能画像観察が可能となる。また、同様に、蛍光とラマン散乱の切り分けも可能となるため、更に、機能画像のコントラスト向上に繋がる。   For example, when measuring Raman scattered light, it is possible to separate Raman scattering by two-photon excitation, Raman scattering by three-photon excitation, and further higher-order Raman scattering, so that higher-contrast functional image observation is possible. Become. Similarly, since fluorescence and Raman scattering can be separated, the contrast of the functional image is further improved.

また、同様に、二つの波長の光パルスのパルス波形を変形させる手段を備えることが望ましい。パルス波形を変形させ、且つ、二つの光パルス発振のタイミングを調節することにより、二つの光パルス光路が重なり合う位置におけるそれぞれの光パルスの2光子吸収、3光子吸収、和光子吸収の吸収率を任意に調節することが可能となり、機能画像のコントラスト向上が可能となる。   Similarly, it is desirable to provide means for deforming the pulse waveforms of the optical pulses having two wavelengths. By modifying the pulse waveform and adjusting the timing of the two optical pulse oscillations, the two-photon absorption, the three-photon absorption, and the sum photon absorption of each optical pulse at the position where the two optical pulse optical paths overlap can be obtained. It can be arbitrarily adjusted, and the contrast of the functional image can be improved.

また、増幅後の二つの波長の光パルス(実施の形態1の一つ目の例では、1064nm帯、1100nm帯の二つの光パルス)光路に、それぞれ、図2に示すようなパルス幅圧縮機207、208を設置し、より短パルス化してもよい。試料105内の対抗し励起現象が、より顕著に起こるため、より高精度な機能画像観察が可能となる。パルス幅圧縮機207、208について、詳細を図示しないが、波長分散特性を示す光ファイバや、回折格子とミラーを組み合わせて、波長によって光路長が異なる分散補償手段などを用いることが可能となる。半導体レーザーをゲインスイッチ動作させて発生させる光パルスは、短波長から長波長へと時間的にチャープした波長特性を示すため、上述のように、波長によって光学距離が異なる構成のパルス幅圧縮機を用いて、パルス幅の圧縮が可能となるため望ましい。より安価な多波長光源が可能となる。   In addition, optical pulses of two wavelengths after amplification (in the first example of the first embodiment, two optical pulses in the 1064 nm band and 1100 nm band) are respectively provided with pulse width compressors as shown in FIG. 207 and 208 may be installed to shorten the pulse. Since the counter-excitation phenomenon in the sample 105 occurs more remarkably, more accurate functional image observation is possible. Although the details of the pulse width compressors 207 and 208 are not shown, it is possible to use an optical fiber exhibiting chromatic dispersion characteristics, a dispersion compensation means having a different optical path length depending on the wavelength by combining a diffraction grating and a mirror, and the like. Since an optical pulse generated by operating a gain switch of a semiconductor laser exhibits a wavelength characteristic chirped in time from a short wavelength to a long wavelength, as described above, a pulse width compressor having a configuration in which the optical distance differs depending on the wavelength is used. Use is desirable because it allows compression of the pulse width. A cheaper multi-wavelength light source is possible.

また、ファイバ増幅器205、206は、複数のファイバ増幅器を直列に繋いだ多段増幅器であってもよい。ファイバ増幅器1段ごとの増幅率は1000倍以下が望ましく、これによって、ノイズが少なく、高効率な光パルス増幅が可能となるため、より正確な形態画像が得られる。   The fiber amplifiers 205 and 206 may be multistage amplifiers in which a plurality of fiber amplifiers are connected in series. The amplification factor for each stage of the fiber amplifier is desirably 1000 times or less, and this makes it possible to perform optical pulse amplification with less noise and high efficiency, so that a more accurate form image can be obtained.

また、一段ごとの増幅率は50倍以上が望ましく、より安価に、検体の多光子励起が可能となる。   Further, the amplification factor for each stage is desirably 50 times or more, and the multiphoton excitation of the specimen can be performed at a lower cost.

また、生体内のヘモグロビン濃度や酸素化割合を求める応用の場合は、水に吸収が少ない波長の光を用いることが望ましい。図11には、セル長1cmの蒸留水の透過スペクトルを示す。図11に示すように、波長1440nm以下の光パルスと波長1625nm以上の光パルスを用いて、生体に照射することが望ましい。これにより生体内のより深い位置のヘモグロビン濃度や酸素化割合を求めることが可能となる。   Moreover, in the application for obtaining the hemoglobin concentration and oxygenation ratio in the living body, it is desirable to use light having a wavelength that is less absorbed by water. FIG. 11 shows a transmission spectrum of distilled water having a cell length of 1 cm. As shown in FIG. 11, it is desirable to irradiate a living body using a light pulse having a wavelength of 1440 nm or less and a light pulse having a wavelength of 1625 nm or more. This makes it possible to obtain the hemoglobin concentration and oxygenation ratio at a deeper position in the living body.

また、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンは、800nm付近の光に対して吸光度が等しい。このため、800nm付近の光の吸光度と800nm帯より短波の吸光度、800nm帯より長波の吸光度を求めることが望ましい。つまり、二つの波長の異なる光パルスによる和光子励起によって800nmの波長の光の吸光度を求める構成とすることが望ましく、多波長光源にて生成する二つの光パルスの波長をλ1[nm]、λ2[nm]とすると、下記条件(1)〜(3)をすべて満たすことが望ましく、それによって、ヘモグロビンの酸素化割合をより正確に計測することが可能となる。   Further, oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin have the same absorbance with respect to light near 800 nm. For this reason, it is desirable to determine the absorbance of light in the vicinity of 800 nm, the absorbance of short waves from the 800 nm band, and the absorbance of long waves from the 800 nm band. In other words, it is desirable to obtain the absorbance of light having a wavelength of 800 nm by sum photon excitation using light pulses having two different wavelengths, and the wavelengths of two light pulses generated by a multi-wavelength light source are λ1 [nm] and λ2 When it is [nm], it is desirable to satisfy all of the following conditions (1) to (3), whereby the oxygenation rate of hemoglobin can be measured more accurately.

(1)λ1 < 1440
(2)1625 < λ2 < 1925
(3)λ1 = (λ3*λ2)/(λ2−λ3)
ここで、λ3は800nmに略同一であって、790nmから810nmの範囲において、略同一とみなし、同様の効果を得る。
(1) λ1 <1440
(2) 1625 <λ2 <1925
(3) λ1 = (λ3 * λ2) / (λ2-λ3)
Here, λ3 is substantially the same as 800 nm, and in the range from 790 nm to 810 nm, it is regarded as substantially the same, and the same effect is obtained.

また、(2)と(3)の条件を満たすために、
(4)1340 < λ1
も満たすことが必要となる。
In order to satisfy the conditions (2) and (3),
(4) 1340 <λ1
It is necessary to satisfy.

また、(3)は
(3)´790 <(λ1*λ2)/(λ1+λ2)< 810と
透過である。
Further, (3) is (3) ′ 790 <(λ1 * λ2) / (λ1 + λ2) <810.

また、本発明の多光子励起測定装置では、顕著な多光子吸収を発生させることで、高精度な多光子励起を発生させることが可能となり、形態画像観察に用いる場合に解像度を向上させることが可能となる。このため、検体内の線形吸収による吸光エネルギーに対して、多光子吸収による吸光エネルギーがある程度大きいことが望ましい。   In the multiphoton excitation measurement apparatus of the present invention, it is possible to generate highly accurate multiphoton excitation by generating significant multiphoton absorption, and to improve resolution when used for morphological image observation. It becomes possible. For this reason, it is desirable that the absorption energy due to multiphoton absorption is somewhat larger than the absorption energy due to linear absorption in the specimen.

少なくとも多光子吸収による吸光エネルギーが、線形吸収による吸光エネルギーの10%以上であることがのぞましい。   It is preferable that the light absorption energy due to multiphoton absorption is at least 10% of the light absorption energy due to linear absorption.

また、和光子吸収による総吸光エネルギーは、重なり合った複数の光パルスの光強度に比例し、各光パルスの吸光エネルギー比は、各光パルスの波長に逆比例する。   Further, the total light absorption energy due to the sum photon absorption is proportional to the light intensity of a plurality of overlapping light pulses, and the light absorption energy ratio of each light pulse is inversely proportional to the wavelength of each light pulse.

このため、パルス幅が同程度で、光強度が大きな光パルスと光強度が小さな光パルスを重ねた場合、光強度が小さな光パルスのほうが多光子吸収による光吸収率が高くなる。つまり、試料から出た後の光強度が小さいほうの光パルス出力をモニターしながら、両光パルスの重なり具合を調整する(発振タイミングを調節する)ことで、より顕著に多光子吸収による吸光度を求めることが可能となり、高コントラストな機能性画像が得られるため望ましい。   For this reason, when a light pulse with the same pulse width and a high light intensity and a light pulse with a low light intensity are overlapped, the light pulse with a low light intensity has a higher light absorption rate due to multiphoton absorption. In other words, by monitoring the output of the light pulse with the smaller light intensity after leaving the sample, adjusting the overlap of both light pulses (adjusting the oscillation timing), the absorbance due to multiphoton absorption is more prominent. This is desirable because it can be obtained and a high-contrast functional image can be obtained.

そのため、実施の形態1から4の成分濃度計において、波長の異なる二つの光パルスを試料に照射し、試料内で重なり合うようにそれぞれの光パルスの光路、発振のタイミングを調整する場合において、二つの光パルスの光強度に差があることが望ましい。   For this reason, in the component densitometers of the first to fourth embodiments, when the sample is irradiated with two light pulses having different wavelengths and the optical path and oscillation timing of each light pulse are adjusted so as to overlap in the sample, It is desirable that there is a difference in the light intensity of the two light pulses.

より望ましくは、波長が短い方の光パルスの光強度が小さいことが望ましい。   More desirably, the light intensity of the light pulse having the shorter wavelength is desirably small.

また、波長の異なる複数の光パルスを試料に照射する構成の場合も同様のことが言える。   The same applies to a configuration in which a sample is irradiated with a plurality of light pulses having different wavelengths.

また、光強度が小さい方の光パルスをSC(スーパーコンティニューム)光源やSLD、フェムト秒OPOなどの広帯域パルス光源を用いて発振させることが望ましく、より様々な波長の吸光度をより高精度に計測することが可能となるめ、望ましい。これにより、更に、高精度な機能性画像が得られる。   In addition, it is desirable to oscillate the light pulse with the smaller light intensity by using a broadband pulse light source such as SC (super continuum) light source, SLD, femtosecond OPO, etc., and measure the absorbance of various wavelengths with higher accuracy. This is desirable because it can be done. Thereby, a functional image with higher accuracy can be obtained.

また、実施の形態1から4において、少なくとも一つの光パルスが波長可変光源から生成されていることがより望ましく、より高感度でより高精度に複数の波長の光吸光度を計測することが可能となる。これにより、より光が届き難い、散乱体や透過率が低い試料の奥深い位置まで高精度に機能性画像を得ることが可能となる。   In the first to fourth embodiments, it is more desirable that at least one light pulse is generated from a wavelength tunable light source, and it is possible to measure the light absorbance of a plurality of wavelengths with higher sensitivity and higher accuracy. Become. As a result, it is possible to obtain a functional image with high accuracy up to a deep position of a scatterer or a sample having a low transmittance, which is more difficult to receive light.

また、実施の形態1から4では、シトクロムCやヘモグロビンを含む生体を対象の試料とした多光子励起測定装置について示したが、本発明の多光子励起測定装置の応用範囲はこれらに限らず、様々な用途において同様の効果を発揮する。   In the first to fourth embodiments, the multiphoton excitation measurement device using a living body containing cytochrome C or hemoglobin as a target sample has been shown. However, the application range of the multiphoton excitation measurement device of the present invention is not limited to these, The same effect is exhibited in various applications.

例えば、体内の血糖値などを計測する成分濃度計として用いることも可能となる。例えば、血糖値を計測する場合、波長3〜4μm帯の遠赤外光の光パルスを人体に照射することで、グルコースの分子振動による基準振動にあたる光吸収特性と、倍音などの光吸収特性の両方を観察することが可能となり、より高精度な成分濃度計測が可能となるため望ましい。   For example, it can be used as a component concentration meter for measuring blood sugar levels in the body. For example, when measuring blood sugar levels, by irradiating a human body with a far-infrared light pulse with a wavelength of 3 to 4 μm, the light absorption characteristics corresponding to the reference vibration due to the molecular vibration of glucose and the light absorption characteristics such as overtones. Both can be observed, which is desirable because it enables more accurate component concentration measurement.

また、2〜1μm帯の近赤外光の光パルスを用いることで、分子振動の倍音と、電子振動による光吸収特性の両方を応用した成分濃度計測が可能となるため、より高精度な血糖値計測が可能となるため望ましい。   In addition, by using optical pulses of near-infrared light in the 2 to 1 μm band, it is possible to measure component concentrations applying both overtones of molecular vibrations and light absorption characteristics due to electronic vibrations. This is desirable because value measurement is possible.

また、本発明の多光子励起測定装置は、半導体材料など他の試料を多光子励起(非線形励起)して計測する計測装置としても応用することが可能である。   The multiphoton excitation measurement apparatus of the present invention can also be applied as a measurement apparatus that performs measurement by multiphoton excitation (nonlinear excitation) of another sample such as a semiconductor material.

また、本発明の多光子励起測定装置は波長の異なる複数の光パルスを同時に発振させて、その和光子励起による物質の蛍光を利用した蛍光顕微鏡として用いる場合、多波長光源からの光パルス出力を可変にしておくことが望ましい。   In addition, when the multi-photon excitation measurement apparatus of the present invention simultaneously oscillates a plurality of light pulses having different wavelengths and uses it as a fluorescence microscope utilizing the fluorescence of the substance by the sum photon excitation, it outputs the light pulse output from the multi-wavelength light source. It is desirable to make it variable.

これにより、過飽和吸収や蛍光の非線形現象を利用した物質の同定が可能となり、より多くの物質の濃度(分布)を計測することが可能となる。   This makes it possible to identify substances using supersaturated absorption and non-linear fluorescence phenomena, and to measure the concentration (distribution) of more substances.

なお、上記の実施形態では、多光子励起測定装置を、複数の物質の濃度分布を算出するために使用する例を説明した。しかしながら、物質の濃度を算出しない場合(すなわちスペクトルを観測するのみ)でも、測定できる観測点を従来の測定装置よりも増加させることができる。これにより測定精度をより向上させることができるという特有の効果を奏することができる。   In the above-described embodiment, the example in which the multiphoton excitation measurement device is used to calculate the concentration distribution of a plurality of substances has been described. However, even when the concentration of the substance is not calculated (that is, only the spectrum is observed), the number of observation points that can be measured can be increased as compared with the conventional measurement apparatus. As a result, it is possible to obtain a specific effect that the measurement accuracy can be further improved.

また、複数の物質を含む試料を測定する場合に、各物質の吸収スペクトルの重複が少ない2つの波長帯域を用いて測定を行うことで、その後の演算を行うことなく、各物質の濃度を求めることができる。例えば、物質Aでラマン散乱が発生する波長λ1(また、物質Bではラマン散乱がおきにくい波長)と、物質Bでラマン散乱が発生する波長λ2(また、物質Aではラマン散乱が起きにくい波長)を用いて測定を行うことで、一度の測定で2つの異なる物質の濃度を算出することができる。   In addition, when measuring a sample containing a plurality of substances, the concentration of each substance is obtained without performing subsequent calculations by performing measurements using two wavelength bands with little overlap of absorption spectra of each substance. be able to. For example, a wavelength λ1 at which Raman scattering occurs in the substance A (and a wavelength at which Raman scattering is difficult to occur at the substance B) and a wavelength λ2 at which Raman scattering occurs at the substance B (and a wavelength at which Raman scattering is unlikely to occur at the substance A). By performing the measurement using, the concentration of two different substances can be calculated in one measurement.

また、λ1とλ2の和周波が、物質A及び物質Bの何れかのラマン散乱が発生する波長帯に存在する場合には、この和周派の波長領域で得られた測定結果を用いることで、物質Aまたは物質Bの測定点を増加させることができる。したがって、測定精度をより向上させることができる。   In addition, when the sum frequency of λ1 and λ2 is present in the wavelength band where Raman scattering occurs in either substance A or substance B, the measurement results obtained in this sum frequency group are used. The measurement points of the substance A or the substance B can be increased. Therefore, measurement accuracy can be further improved.

以上のように、本発明の多光子励起測定装置は、得られた測定スペクトルの使用方法が特定の目的に限定されるものではなく、また得られた測定スペクトルを用いた演算方法も、ある特定の方法に限られるものではない。   As described above, the multiphoton excitation measurement device of the present invention is not limited to the specific purpose of using the obtained measurement spectrum, and there is also a specific calculation method using the obtained measurement spectrum. It is not limited to the method.

以上、本発明の測定装置について示したが、本明細書にて示した構成は一例であって、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることは言うまでもない。   As mentioned above, although it showed about the measuring apparatus of this invention, the structure shown by this specification is an example, and it cannot be overemphasized that various changes are possible in the range which does not deviate from the main point of this invention.

本発明に係る多光子励起測定装置は、上記実施の形態で説明した生細胞を計測する多光子励起レーザー走査型顕微鏡に限らず、半導体材料など他の試料を多光子励起(非線形励起)して計測する計測装置にも適用可能である。   The multiphoton excitation measurement apparatus according to the present invention is not limited to the multiphoton excitation laser scanning microscope for measuring living cells described in the above embodiment, but multiphoton excitation (nonlinear excitation) of other samples such as semiconductor materials. The present invention can also be applied to a measuring device that measures.

また、物質の構造を観察するだけでなく、化学物質の同定をも可能とする測定装置を提供することができる。   In addition, it is possible to provide a measuring apparatus that can not only observe the structure of a substance but also identify a chemical substance.

100 多光子励起測定装置
101 多波長光源
102 レーザー走査光学ユニット
103 シングルモード光ファイバ
104 試料
105 光ファイバコネクタ
106 光ファイバコネクタ
107 二次元走査ミラー
108 瞳投影レンズ
109 結像レンズ
110 ダイクロイックミラー
111 対物レンズ
112 集光レンズ
113 検出器
201 パルスジェネレータ
202 パルスジェネレータ
203 半導体レーザー
204 半導体レーザー
205 ファイバ増幅器
206 ファイバ増幅器
207 パルス幅圧縮機
208 パルス幅圧縮機
209 反射ミラー
210 ダイクロイックプリズム
300 多光子励起測定装置
301 集光レンズ
302 レーザー走査光学ユニット
303 検出器
400 多光子励起測定装置
401 回折格子
402 レーザー走査光学ユニット
403 集光レンズ
404 対物レンズ
500 多光子励起測定装置
501 レーザー走査光学ユニット
700 多光子励起測定装置
702 レーザー走査光学ユニット
703 光ファイバ
704 円筒ビーム形成器
705 光ファイバコネクタ
706 光ファイバコネクタ
707 コリメートレンズ
708 コリメートレンズ
801 アキシコレンズ
802 アキシコレンズ
803 ガウシアンビーム
804 円筒ビーム
1001 1064nm帯の光パルスのプロファイル
1002 1100nm帯の光パルスのプロファイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Multiphoton excitation measuring apparatus 101 Multiwavelength light source 102 Laser scanning optical unit 103 Single mode optical fiber 104 Sample 105 Optical fiber connector 106 Optical fiber connector 107 Two-dimensional scanning mirror 108 Pupil projection lens 109 Imaging lens 110 Dichroic mirror 111 Objective lens 112 Condensing lens 113 Detector 201 Pulse generator 202 Pulse generator 203 Semiconductor laser 204 Semiconductor laser 205 Fiber amplifier 206 Fiber amplifier 207 Pulse width compressor 208 Pulse width compressor 209 Reflecting mirror 210 Dichroic prism 300 Multiphoton excitation measuring apparatus 301 Condensing lens 302 Laser scanning optical unit 303 Detector 400 Multiphoton excitation measuring device 401 Diffraction grating 402 Laser scanning optical unit 403 Condensing lens 404 Objective lens 500 Multiphoton excitation measurement device 501 Laser scanning optical unit 700 Multiphoton excitation measurement device 702 Laser scanning optical unit 703 Optical fiber 704 Cylindrical beam former 705 Optical fiber connector 706 Optical fiber connector 707 Collimating lens 708 Collimating lens 801 Axico lens 802 Axico lens 803 Gaussian beam 804 Cylindrical beam 1001 Profile of light pulse in 1064 nm band 1002 Profile of light pulse in 1100 nm band

Claims (11)

光パルスによる多光子吸収現象を用いて試料の測定を行う多光子励起測定装置であって、
波長の異なる複数の光パルスを出射する多波長光源と、
前記多波長光源にて発生した前記波長の異なる複数の光パルスの光路を前記試料内で重ねて、重なった位置を試料内で走査する走査光学系と、
前記光パルスの照射により前記試料から発生する多光子励起にともなう信号光を検出する検出器と、
を有することを特徴とする多光子励起測定装置。
A multiphoton excitation measurement device that measures a sample using a multiphoton absorption phenomenon caused by a light pulse,
A multi-wavelength light source that emits a plurality of light pulses having different wavelengths;
A scanning optical system that superimposes the optical paths of a plurality of light pulses having different wavelengths generated by the multi-wavelength light source in the sample, and scans the overlapped position in the sample;
A detector for detecting signal light accompanying multiphoton excitation generated from the sample by irradiation of the light pulse;
A multiphoton excitation measurement apparatus comprising:
前記波長の異なる複数の光パルスのうち少なくとも一つの光パルスの光路を、前記多波長光源から前記光パルスが出射された後に別の少なくとも一つの光パルスの光路と分離し、
前記試料内で再び重なり合わせることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起測定装置。
Separating an optical path of at least one optical pulse among the plurality of optical pulses having different wavelengths from an optical path of at least one other optical pulse after the optical pulse is emitted from the multi-wavelength light source;
The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 1, wherein the multiphoton excitation measurement apparatus overlaps again in the sample.
前記波長の異なる複数の光パルスのうち少なくとも一つの光パルスを円筒ビームに変換する手段と、
前記試料内において前記円筒ビームを集光する集光光学系と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の多光子励起測定装置。
Means for converting at least one of the plurality of light pulses having different wavelengths into a cylindrical beam;
A condensing optical system for condensing the cylindrical beam in the sample;
The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 1, wherein
前記波長の異なる複数の光パルスのうち少なくとも二つの光パルスが重なり合う位置において、前記少なくとも二つの光パルスが集光するように光学系が設計されていることを特徴とする請求項2または請求項3記載の多光子励起測定装置。 The optical system is designed so that the at least two optical pulses are condensed at a position where at least two optical pulses of the plurality of optical pulses having different wavelengths overlap each other. 3. The multiphoton excitation measurement apparatus according to 3. 前記波長の異なる複数の光パルスを発振するタイミングを変化させるタイミング制御手段をそなえ、
前記タイミング制御手段は
前記波長の異なる複数の光パルスの光路が、前記試料内で同時に重なり合う位置に集光するように少なくとも複数の波長の異なる光パルスを発振し、前記複数の波長の光が集光するタイミングとは異なるタイミングで、前記複数の波長の異なる光パルスのうち少なくとも一部の光パルスが前記試料内で集光するように前記光パルスを発振させることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起測定装置。
Comprising timing control means for changing the timing of oscillating a plurality of optical pulses having different wavelengths;
The timing control means oscillates at least a plurality of light pulses having different wavelengths so that optical paths of the plurality of light pulses having different wavelengths are simultaneously overlapped in the sample, and collects light having the plurality of wavelengths. 2. The light pulse is oscillated so that at least a part of the plurality of light pulses having different wavelengths is condensed in the sample at a timing different from the timing of light emission. The multiphoton excitation measurement apparatus described.
前記複数の波長の光が前記試料内に同時に重なり合うように集光した場合に得られた信号光と、前記少なくとも一部の光パルスが前記試料内に集光した場合に得られた信号光を比較することを特徴とする請求項6に記載の多光子励起測定装置。 The signal light obtained when the light of the plurality of wavelengths is condensed so as to overlap in the sample at the same time, and the signal light obtained when the at least some light pulses are condensed in the sample. The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 6, wherein comparison is performed. 前記光パルスを円筒ビームに変換する手段は、一組の円錐レンズを含み、前記円筒ビームを集光する集光光学系から出射する光の強度分布を、それぞれの光パルスで異ならせることを特徴とする請求項3に記載の多光子励起測定装置。 The means for converting the light pulse into a cylindrical beam includes a pair of conical lenses, and the intensity distribution of light emitted from a condensing optical system for condensing the cylindrical beam is made different for each light pulse. The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 3. 前記多波長光源は、1045nmより短波長の光パルスと、1045nmより長波長の光パルスを少なくとも発振し、前記1045nmより短波長の光パルスを前記試料に照射して得られた信号と、前記1045nmより長波長の光パルスを前記試料に照射して得られた信号と、前記1045nmより短波長の光パルスと前記1045nmより長波長の光パルスの和周波波長で得られた信号と、を用いて、前記試料内の酸化型タンパク質と還元型タンパク質の濃度分布を求めることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起測定装置。 The multi-wavelength light source oscillates at least a light pulse having a wavelength shorter than 1045 nm and a light pulse having a wavelength longer than 1045 nm, irradiates the sample with a light pulse having a wavelength shorter than 1045 nm, and the 1045 nm. Using a signal obtained by irradiating the sample with a light pulse having a longer wavelength, and a signal obtained at a sum frequency wavelength of the light pulse having a wavelength shorter than 1045 nm and the light pulse having a wavelength longer than 1045 nm. The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 1, wherein concentration distributions of oxidized protein and reduced protein in the sample are obtained. 前記多波長光源から、
波長λ1、λ2の光パルスであって
790nm <(λ1*λ2)/(λ1+λ2)< 810nm
を満たす光パルスを発振し、
前記試料内の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度分布を求めることを特徴とする請求項1に記載の多光子励起測定装置。
From the multi-wavelength light source,
Light pulses with wavelengths λ1 and λ2, and 790 nm <(λ1 * λ2) / (λ1 + λ2) <810 nm
Oscillate an optical pulse that satisfies
The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 1, wherein concentration distributions of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin in the sample are obtained.
前記λ1、λ2は、それぞれ
1340nm < λ1 < 1440nm
1625nm < λ2 < 1925nm
を満たすことを特徴とする請求項7に記載の多光子励起測定装置。
The λ1 and λ2 are 1340 nm <λ1 <1440 nm, respectively.
1625 nm <λ2 <1925 nm
The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 7, wherein:
前記多波長光源にて発生させる前記波長の異なる複数の光パルスのスペクトルについて、最も短波長のものから、それぞれ、中心波長をλ、λ…λ、λn+1とし、波長の半値全幅をΔλ、Δλ…Δλ、Δλn+1とし、
少なくとも一つのn(nは自然数)に対して
λn+1−λ> Δλn+1 Δλ
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の多光子励起測定装置。
With respect to the spectrum of the plurality of optical pulses having different wavelengths generated by the multi-wavelength light source, the center wavelengths are set to λ 1 , λ 2 ... Λ n , λ n + 1 from the shortest wavelength, respectively, and the half value of the wavelength The total width is Δλ 1 , Δλ 2 ... Δλ n , Δλ n + 1 ,
For at least one n (n is a natural number), λ n + 1 −λ n > Δλ n + 1 + Δλ n
The multiphoton excitation measurement apparatus according to claim 1, wherein:
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011089987A (en) * 2009-10-22 2011-05-06 Panalytical Bv X-ray diffraction and fluorescence
JP2014052532A (en) * 2012-09-07 2014-03-20 Saitama Univ Nonlinear optical microscope
CN104237199A (en) * 2014-08-28 2014-12-24 中国农业大学 Raman detection system and Raman detection method based on diffusion mode
WO2016067526A1 (en) * 2014-10-30 2016-05-06 Canon Kabushiki Kaisha Nonlinear optical microscope and method for acquiring information
CN108027279A (en) * 2015-06-01 2018-05-11 瑟斯技术公司 Modified Raman spectrum system
JPWO2020245999A1 (en) * 2019-06-06 2020-12-10

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011089987A (en) * 2009-10-22 2011-05-06 Panalytical Bv X-ray diffraction and fluorescence
JP2014052532A (en) * 2012-09-07 2014-03-20 Saitama Univ Nonlinear optical microscope
CN104237199A (en) * 2014-08-28 2014-12-24 中国农业大学 Raman detection system and Raman detection method based on diffusion mode
WO2016067526A1 (en) * 2014-10-30 2016-05-06 Canon Kabushiki Kaisha Nonlinear optical microscope and method for acquiring information
CN108027279A (en) * 2015-06-01 2018-05-11 瑟斯技术公司 Modified Raman spectrum system
JP2018518719A (en) * 2015-06-01 2018-07-12 セルステック アーベー Improved Raman spectroscopy system
JPWO2020245999A1 (en) * 2019-06-06 2020-12-10
WO2020245999A1 (en) * 2019-06-06 2020-12-10 日本電信電話株式会社 Light source
US11933730B2 (en) 2019-06-06 2024-03-19 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Light source

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