JP2012226055A - 蛍光顕微鏡用解像度評価チャートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い波長領域の光源に対応でき継続的に使用可能な蛍光顕微鏡用解像度評価チャートおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】蛍光顕微鏡用解像度評価チャート１１は、蛍光顕微鏡の照明光に対して光学的に平滑な基板１２と、基板１２上に形成され、照明光により励起され発光する量子ドットを含む、２次元構造を有する発光部（非発光部分１４，１６，１８を除いた部分）とを備える。発光部の２次元構造は、熱可塑性樹脂１３に量子ドットを分散させ、基板１２上に塗布し、モールド２０のパターンを熱転写することにより形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蛍光顕微鏡用解像度評価チャートおよび該蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法に関するものである。

近年、生物用の顕微鏡の用途が拡大するとともに、高解像度化が急速に進展している。例えば、分光計測と波面制御の融合技術をベースにした超解像顕微鏡法では、１００ｎｍを上回る空間分解能を有している。このような高解像度化により、より微細な組織が認識できるようになった。これに応じて、顕微鏡画像の空間分解能を高精度で定量的に評価および較正ことが要求されている。このため、既知の空間形状を有する蛍光構造体を含む較正用のテストチャートである「解像度評価チャート」が不可欠となっている。

例えば、特許文献１には、コヒーレント・ラマン顕微鏡の結像性能を評価するのに用いる解像度評価用チャートが記載されている。この解像度評価用チャートは、基板上に基板と異なる振動スペクトルを有し、かつ照明光励起に対して蛍光を発生しないラマン活性物質の波長オーダの細線パターンを形成する。そして、この細線パターンをコヒーレント・ラマン顕微鏡で撮影することにより、該コヒーレント・ラマン顕微鏡の結像性能を評価している。

また、電子ビーム描画法により、ナノスケールの微細空間構造を有する蛍光体、すなわち、蛍光色素分子をドープしたパターンを形成する技術が存在する。例えば、特許文献２では、基板上に形成した有機薄膜に色素蒸気輸送法により蛍光色素材料を含浸させ、この蛍光色素材料の発光中心を電子ビームにより破壊して非発光部分を形成した蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの発明が開示されている。この発明による蛍光顕微鏡用解像度評価チャートは、蛍光色素を均一且つ高濃度で含有することができ、さらに、電子ビームの直径を非常に細くし、例えば２００〜３００ｎｍの極細線の非発光部分を１μｍ以下の間隔で描画することによって、高精度な結像性能の評価を可能にしている。

さらに、非特許文献１には、紫外線硬化樹脂を用いたナノインプリンティング技術により、生物用蛍光顕微鏡の結像特性を評価する技術が記載されている。この技術では、発光体として有機物の蛍光色素を用いた１００ｎｍスケールの微細なパターンをカバーガラス上に形成する。

特開２００９−２２９７１４号公報 特開２００５−２５８１５３号公報

Japanese Journal of Applied Physics, Volume 49, Issue 4, pp. 048003-048003-2 (2010).

しかしながら、引用文献１に開示された解像度評価チャートは、コヒーレント・ラマン顕微鏡用に開発されたものであり、ラマン活性物質としては計測時のバックグランド光を出さないものを選択する。したがって、この計測チャートは、一般の蛍光顕微鏡に使用できるものではない。

また、特許文献２のように、蛍光色素を含浸させたポリマー層を電子線ビームで破壊して細線を描画する場合は、シリコンウェハーのような不透明なガラス以外の導電性基板を使用しなくてはならない。生物顕微鏡の結像光学系では、カバーガラスの存在も加味して画質評価を行うが、特許文献２の発明では、カバーガラスのような絶縁体にはパターン形成することができない。このため、生物顕微鏡においては適用できない。

さらに、特許文献１および非特許文献１では、発光体に蛍光色素を用いているが、蛍光色素は固有の励起スペクトルと蛍光スペクトルを持つため、通常、単色の光源を用いるレーザ顕微鏡においては、ドープする色素によっては発光効率が低く、解像度評価チャートとしては機能しない場合がある。また、蛍光色素分子は基本的に褪色性を有しており、所謂「使い捨て」の試料であるため高コストとなる。特に、電子ビーム描画法の作業工程は高コストであり、現実的には、一般の生物用顕微鏡ユーザーに手の届かないものである。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、幅広い波長領域の光源に対応でき継続的に使用可能な蛍光顕微鏡用解像度評価チャートおよびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成する蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの発明は、
蛍光顕微鏡の結像性能を評価するために用いる蛍光顕微鏡用解像度評価チャートであって、
前記蛍光顕微鏡の照明光に対して光学的に平滑な基板と、
前記基板上に形成され、前記照明光により励起され発光する微細半導体を含む、２次元構造を有する発光部と
を備えることを特徴とするものである。

好適には、前記微細半導体は、量子ドットである。

また、前記発光部は、前記微細半導体を熱可塑性の無極性媒質の保護層で固着して形成されることが好ましく、該無極性媒質は、オレフィン系の樹脂であることが好ましい。

また、前記基板は透明なガラス基板であることが好ましい。

上記目的を達成する蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法の発明は、
無極性の熱可塑性樹脂に微細半導体を分散させるステップと、
前記微細半導体が分散された前記熱可塑性樹脂を光学的に平滑な基板に塗布するステップと、
前記基板の前記熱可塑性樹脂が塗布された面に、２次元構造の凹凸を有する型を押圧し、該２次元構造を転写するステップと
を含むことを特徴とするものである。

また、前記２次元構造を転写するステップは、前記熱可塑性樹脂が塗布された前記基板を過熱して前記熱可塑性樹脂を軟化させ、前記過熱された基板の前記熱可塑性樹脂が塗布された面に前記型を押圧し、該型が押圧された状態で前記基板を冷却して前記熱可塑性樹脂を硬化させ、前記基板および樹脂から前記型を剥離させることが好ましい。

本発明によれば、照明光により励起され発光する微細半導体を含み、２次元構造を有する発光部を基板上に形成したので、幅広い波長領域の光源に対応でき継続的に使用可能な蛍光顕微鏡用解像度評価チャートおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る蛍光顕微鏡用解像度評価チャートを示す平面図である。 図１に示す蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの詳細を模式的に拡大して示す平面図および断面図である。 本発明の実施形態に係る蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法を示すフローチャートである。 図３のフローチャートのカバーガラスへの熱転写のステップの詳細を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る蛍光顕微鏡用解像度評価チャートを示す平面図である。また、図２は、図１に示す蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの詳細を模式的に拡大して示す平面図および断面図である。本発明の実施の形態に係る蛍光顕微鏡用解像度評価チャート１１は、カバーガラス等の光学的に平滑な透明ガラスの基板１２上に、発光部と発光部内に設けられた非発光部分とを含んで構成される。非発光部分１４，１６および１８は、ライン幅がそれぞれ1μｍ，３μｍおよび５μｍの微細な細線を、各ライン幅とほぼ同じ間隔で平行に配列した３つの細線群（それぞれ、１μｍパターン部１５，３μｍパターン部１７，５μｍパターン部１９）である。基板上に形成された非発光部分の２次元形状は、図１のような平行な細線群に限られず、四角形、円形等種々の形状を形成することができる。また、ライン幅である１μｍ、３μｍおよび５μｍは例示であり、後述する製造方法によれば、ライン幅を１００ｎｍ程度とすることも可能である。

発光部は、無極性の熱可塑性樹脂１３が固着されており、この熱可塑性樹脂１３は、蛍光顕微鏡の照明光により励起され発光する微細半導体である量子ドットを含んでいる。後述する蛍光顕微鏡用解像度評価チャート１１の製造工程で説明するように、量子ドットは無極性であるため、無極性の熱可塑性樹脂１３に凝集することなく分散することができる。無極性の熱可塑性樹脂としては、例えばポリプロピレン等のオレフィン系の樹脂やポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）樹脂を使用することができる。

量子ドットは、半導体原子が集まった直径が５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の微粒子であり、量子閉じ込め効果により特殊な光学特性を有する。量子ドットとしては、例えばＣｄＳ等の半導体微粒子をＺｎＳ層で覆ったコア／シェル型の構造（ＣｄＳ／ＺｎＳ）を有するものが知られている。量子ドットは、粒子の直径を変えることにより発生する蛍光の波長を制御することができる。量子ドットの半導体微粒子としては、ＣｄＳに限られず、ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＩｎＰおよびＩｎＧａ等が知られている。なお、量子ドットは、電子を３次元的に閉じ込めたものであるが、１次元または２次元的に閉じ込めた場合も、電子は量子的な振る舞いをし、発光体やレーザ媒質として利用することができる。本願の微細半導体は、量子ドットに代えて、例えば、電子を２次元的に閉じ込めた量子細線を用いることも可能である。

例えば、ＣｄＳの量子ドットは、半導体構造の量子バンドを持ち、５４０ｎｍよりも短波長の励起光で発光し、蛍光波長は常に５５０ｎｍである。したがって、ＣｄＳの量子ドットを使用すれば、レーザ顕微鏡においては、Ａｒレーザ（波長５１４ｎｍ，４８８ｎｍ），Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの２倍波（波長５３２ｎｍ），青色半導体レーザ（波長３８０ｎｍ〜５００ｎｍ）等による蛍光画像を同じ条件で評価することができる。

この蛍光顕微鏡用解像度評価チャート１１は、基板（カバーガラス）１２上に形成することにより、当該蛍光顕微鏡で生物試料を観察する場合と同じ光学系の条件で結像性能を評価することができる。

次に、図３を参照して、本発明の実施形態に係る蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法の一例を説明する。本発明に係る蛍光顕微鏡用解像度評価チャートは、熱式のナノインプリント技術を用いて形成する。

まず、熱可塑性樹脂であるポリプロピレンをキシレンに溶解させ、溶剤に溶かした状態の熱硬化性樹脂を用意する（ステップＳ１０１）。次に、ステップＳ１０１で得られたポリプロピレン溶液（熱硬化性樹脂）に例えばＣｄＳの量子ドットを分散させる（ステップＳ１０２）。ここで、量子ドットは極性を持たないので、無極性のオレフィン系の樹脂であるポリプロピレンに均一に分散させることができる。

次に、ステップＳ１０２で生成したＣｄＳの量子ドットを含む熱硬化性樹脂を基板（カバーガラス）に塗布する（ステップＳ１０３）。具体的には、基板（カバーガラス）上に熱硬化性樹脂の溶液をスピンコートすることにより、熱硬化性樹脂をカバーガラス上に薄膜を形成するように塗布する。

次に、カバーガラスの基板上に形成すべき２次元構造の微細な凹凸を有するモールド（型）を準備する（ステップＳ１０４）。モールドは石英やシリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等の平板上に、半導体用フォトマスクの製造に用いられるパターン整形技術を用いて形成する。これによって、数１０ｎｍからの微細なパターンを形成することが可能である。

さらに、ステップＳ１０４で準備されたモールドの微細な凹凸の２次元構造を、基板上に転写する（ステップＳ１０５）。この熱転写のステップを図４を用いて説明する。まず、図４（ａ）の状態で、熱可塑性樹脂１３が塗布された基板（カバーガラス）１２を加熱して、熱可塑性樹脂１３を軟化させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、基板（カバーガラス）１２の熱可塑性樹脂１３が塗布された面に対して、モールド２０の２次元構造が形成された面を押圧する。こうすることによって、モールド２０の凸の部分に対応する熱可塑性樹脂１３が押出され、モールド２０の凸部と基板（カバーガラス）１２の面とがほぼ接するまで、熱可塑性樹脂１３が変形する。この凸部に対応して熱可塑性樹脂１３が押出された部分が、図２の非発光部１４，１６および１８となる。さらに、この押圧状態を維持したまま、基板と熱可塑性樹脂とを冷却する。これにより、熱硬化樹脂１３が硬化してモールド２０の凹凸が熱可塑性樹脂１３に転写される。

その後、図４（ｃ）に示すように、基板（カバーガラス）１２および熱可塑性樹脂１３から、モールド２０を剥離させる。このとき、モールド２０の凸部に対応する部分の基板（カバーガラス）１２上に薄い熱可塑性樹脂１３の膜が残る場合があるが、蛍光顕微鏡用解像度評価チャート１１として用いる場合は、モールド２０の凹部に対応する部分と十分なコントラストが得られるので問題とならない。

なお、非特許文献１に開示される従来技術によるナノインプリント技術を用いた解像度評価チャートの作成では、紫外線硬化性樹脂を用いて紫外線照射によるパターニングを行う光ナノインプリント技術を用いていた。しかし、量子ドットを用いる場合、量子ドットは紫外線硬化性樹脂に分散せず凝集してしまうので、この技術を適用することはできない。これは、従来使用される蛍光色素分子が極性を有し、極性媒質の紫外線硬化性樹脂に分散されるのに対して、量子ドットは極性を持たないためである。そこで、本発明者は鋭意検討した結果、無極性のオレフィン系の樹脂を熱硬化性樹脂として使用して、熱転写型のナノインプリントを用いて、量子ドットを含む蛍光顕微鏡用解像度評価チャートを作成することに想到したものである。

このようにして作成した蛍光顕微鏡用解像度評価チャートは、幅広い波長領域の照明光により励起され発光する微細半導体である量子ドットを含み、２次元の微細構造を有する発光部を基板上に形成したので、幅広い波長領域の光源に対応して顕微鏡画像の空間分解能の高精度且つ定量的な評価および較正が可能となる。さらに、量子ドットは、蛍光色素と異なり褪色性が無いので、継続的に使用することができる。その結果、解像度評価チャートに係るコストを大幅に低減することができる。

また、本発明の蛍光顕微鏡用解像度評価チャートは、カバーガラスのような透明な絶縁体の基板上に形成することができるので、生物顕微鏡においてカバーガラスの存在も考慮した画質評価を行うことができる。

さらに、ナノインプリント技術を用いたので、高コストの電子ビーム描画法を用いる場合と比較して安価に製造することが可能である。また、発光部は、量子ドットを熱可塑性の無極性媒質とくにオレフィン系の樹脂による保護層で固着して形成したので、量子ドットを含む発光部を光ナノインプリント技術で形成することが難しかったところ、熱インプリント技術を用いることで可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、基板はカバーガラスに限られず、他のガラスのプレートやシリコン等種々の材料の上に形成することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレンに限られず、ポリエチレン等無極性の種々の熱可塑性樹脂を用いることができる。量子ドットの微細半導体としては、光に対して蛍光を発するものであれば良くＣｄＳの他、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｓ_３等を使用することができる。または、コアシェル型の量子ドットの場合は、ＣｄＳ／ＺｎＳの他、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ／ＺｎＳ、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＴｅ等種々の量子ドットを使用することができる。さらに、基板上に熱可塑性樹脂を塗布するのは、スピンコート法によるとしたが、塗布する方法はこれに限られず、ドロップキャスト法やディップコート法等種々の方法を利用することができる。

１１ 蛍光顕微鏡用解像度評価チャート
１２ 基板（カバーガラス）
１３ 熱可塑性樹脂
１４ 非発光部分
１５ １μｍパターン部
１６ 非発光部分
１７ ３μｍパターン部
１８ 非発光部分
１９ ５μｍパターン部
２０ モールド

Claims (10)

1. 蛍光顕微鏡の結像性能を評価するために用いる蛍光顕微鏡用解像度評価チャートであって、
   前記蛍光顕微鏡の照明光に対して光学的に平滑な基板と、
   前記基板上に形成され、前記照明光により励起され発光する微細半導体を含む、２次元構造を有する発光部と
   を備えた蛍光顕微鏡用解像度評価チャート。
2. 前記微細半導体は、量子ドットであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャート。
3. 前記発光部は、前記微細半導体を熱可塑性の無極性媒質の保護層で固着して形成されることを特徴とする請求項２に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャート。
4. 前記無極性媒質は、オレフィン系の樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャート。
5. 前記基板は透明なガラス基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャート。
6. 無極性の熱可塑性樹脂に微細半導体を分散させるステップと、
   前記微細半導体が分散された前記熱可塑性樹脂を光学的に平滑な基板に塗布するステップと、
   前記基板の前記熱可塑性樹脂が塗布された面に、２次元構造の凹凸を有する型を押圧し、該２次元構造を転写するステップと
   を含む蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法。
7. 前記微細半導体は、量子ドットであることを特徴とする請求項６に記載の蛍光顕微鏡用評価チャートの製造方法。
8. 前記２次元構造を転写するステップは、前記熱可塑性樹脂が塗布された前記基板を過熱して前記熱可塑性樹脂を軟化させ、前記過熱された基板の前記熱可塑性樹脂が塗布された面に前記型を押圧し、該型が押圧された状態で前記基板を冷却して前記熱可塑性樹脂を硬化させ、前記基板および樹脂から前記型を剥離させることを特徴とする請求項６または７に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法。
9. 前記熱可塑性樹脂は、オレフィン系の樹脂であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法。
10. 前記基板は透明なガラス基板であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の蛍光顕微鏡用解像度評価チャートの製造方法。
    

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