JP2013200285A - 蛍光検出装置及び蛍光検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出装置であって、強度変調したレーザ光を測定対象物に照射するレーザ光源部と、レーザ光を強度変調するための変調周波数を有する変調信号をバイアス信号として用いて誘導放出を行うことにより、蛍光の光信号を増幅する光増幅部と、増幅された蛍光の光信号を受光し、蛍光の電気信号を出力する受光素子とを含む受光部と、変調信号に対するバイアス信号の位相差である第1位相差を変化させるための位相差変化部と、第1位相差が変化する毎に蛍光の電気信号を取得することで、第1位相差のうち、取得した蛍光の電気信号の直流成分を最大化するときの第2位相差を求め、第2位相差から蛍光の蛍光緩和時間を求める処理部と、を有する。
【選択図】図1
Description
蛍光検出装置及び蛍光検出方法を用いたフローサイトメータは、蛍光試薬でラベル化された細胞、DNA、RNA、酵素、蛋白等の測定対象物をシース液に流す。この測定対象物にレーザ光を照射することにより、測定対象物に付与された蛍光色素が蛍光を発する。フローサイトメータは、この蛍光を検出することにより、測定対象物の情報を取得することができる。
当該蛍光検出装置は、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するレーザ光源部と、
前記レーザ光を強度変調するための変調周波数を有する変調信号をバイアス信号として用いて誘導放出を行うことにより、前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を増幅する光増幅部と、前記光増幅部によって増幅された前記蛍光の光信号を受光し、前記蛍光の電気信号を出力する受光素子とを含む受光部と、
前記変調信号に対する前記バイアス信号の位相差である第1位相差を変化させるための位相差変化部と、
前記第1位相差が前記位相差変化部によって変化する毎に前記蛍光の電気信号を前記受光部から取得することで、前記第1位相差のうち、取得した前記蛍光の電気信号の直流成分を最大化するときの第2位相差を求め、前記第2位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求める処理部と、を有する。
当該蛍光検出方法は、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するステップと、
前記レーザ光を強度変調するための変調周波数を有する変調信号をバイアス信号として用いて誘導放出を行うことにより、前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を増幅するステップと、
増幅された前記蛍光の光信号を受光し、前記蛍光の電気信号を出力するステップと、
前記変調信号に対する前記バイアス信号の位相差である第1位相差を変化させるステップと、
前記第1位相差が変化する毎に前記蛍光の電気信号を取得することで、前記第1位相差のうち、取得した前記蛍光の電気信号の直流成分を最大化するときの第2位相差を求め、前記第2位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求めるステップと、を有する。
<第1実施形態>
(フローサイトメータの構成)
まず、図1を参照して、第1実施形態のフローサイトメータの構成について説明する。図1は、本実施形態のフローサイトメータの一例を示す概略構成図である。フローサイトメータは、測定対象物12にレーザ光を照射し、レーザ光が照射された測定対象物12から発せられる蛍光を受光することにより、測定対象物12の情報を取得することができる。
フローサイトメータは、フローセル10と、レーザ光源部20と、第1受光部30と、第2受光部40と、制御部50と、分析装置60と、出力部70と、を備える。また、フローセル10の下流には、測定対象物12を回収するための容器16が配置される。以下、各構成について詳細に説明する。
図2に示すように、レーザ光源部20は、レーザ光源21と、レンズ系22と、レーザドライバ23とを有している。
レーザ光源21は、強度が一定のCW(連続波)レーザ光を強度変調して出射する。
レンズ系22は、レーザ光源21から出射されたレーザ光を、フローセル10中の所定の照射位置(測定場)に集束させる。
レーザドライバ23は、後述する制御部50と電気的に接続されており、制御部50から供給された変調信号の周波数(変調周波数)でレーザ光の強度を変調するように構成されている。
なお、レーザ光源部20は、1つのレーザ光源を用いてもよいし、複数のレーザ光源を用いてもよい。複数のレーザ光源が用いられる場合には、複数のレーザ光源からのレーザ光がダイクロイックミラー等を用いて、1つのレーザ光のビームに合成されることにより、測定場に向けて出射されるレーザ光が形成されることが好ましい。
第1受光部30は、例えば、フォトダイオード等の光電変換器を備える。光電変換器は、受光した前方散乱光を電気信号に変換する。
第1受光部30の光電変換器によって変換された電気信号は分析装置60へ出力され、当該電気信号は、測定対象物12がフローセル10の測定場を通過するタイミングを知らせるためのトリガ信号として用いられる。
また、第1受光部30は、例えば、前方散乱光を光電変換器に集束させるレンズ系(図示省略)と、レーザ光が光電変換器に直接入射しないようにレンズ系の測定対象物12側前面に設けられた遮蔽板(図示省略)とを有してもよい。
図3に示すように、第2受光部40は、レンズ系41と、バンドパスフィルタ(BPF)42と、光増幅器43と、信号処理部44と、位相シフタ45と、を有する。
レンズ系41は、第2受光部40に入射した光を集光する。
BPF42は、光増幅器43の前面に設けられ、所定の波長帯域の蛍光のみを透過させるフィルタである。なお、透過させる蛍光の波長帯域は、蛍光色素14が発する蛍光の波長帯域に対応して設定されている。また、BPF42の代わりに、バンドリジェクトフィルタを用いてもよい。
光増幅器43は、蛍光の光信号を増幅するために設けられており、位相シフタ45を介して制御部50と電気的に接続され、制御部50から送信された変調信号でバイアスされている。これにより、光増幅器43を構成するレーザ媒質の原子あるいは分子は、変調信号により励起される。そして、蛍光が入射すると、レーザ媒質の原子あるいは分子の誘導放出により、光増幅器43に入射した蛍光は増幅される。なお、光増幅器43は、本発明における光増幅部の一例である。
光増幅器43を用いることにより、蛍光の光信号が電気信号に変換される前に、蛍光の光信号を増幅することができる。
位相シフタ45は、光増幅器43と制御部50との間に設けられ、制御部50から送信された変調信号を光増幅器43に供給する。また、位相シフタ45は、後述する分析装置60と電気的に接続されている。位相シフタ45は、分析装置60によって電圧が制御されることにより、光増幅器43に供給される信号(バイアス信号)の変調信号に対する位相差(以下、バイアス信号の位相差という)を変化させる。なお、位相シフタ45は、本発明における位相差変化部の一例である。また、バイアス信号の位相差は、本発明における第1位相差の一例である。
光増幅器43を構成するレーザ媒質の原子あるいは分子は、変調信号のエネルギーを吸収すると、基底状態から励起状態に遷移し、一定時間後に光を放出(自然放出)して、再び基底状態に戻る。また、励起状態の原子あるいは分子は、変調信号と同じ周波数の光信号(蛍光信号)が入射されると、同一方向に向けて連鎖反応的に光を放出(誘導放出)する。レーザ媒質の原子あるいは分子が単位時間あたりに自然放出、吸収または誘導放出する確率は、それぞれA、B12W、B21Wで表される。ここで、Wは入射光のエネルギー密度であり、A,B12,B21は状態が遷移する確率である。また、原子あるいは分子の集団が熱平衡状態にある場合、B12=B21であることから、以降ではB12及びB21のそれぞれを単にBと表す。
基底状態の原子あるいは分子の密度(占位数)をN1、励起状態の原子あるいは分子の密度(占位数)をN2としたとき、N1,N2の時間変化を表す微分方程式(レート方程式)は、以下の式(1)のように示される。下記の式(1)では、励起状態の原子あるいは分子の密度の時間変化(式(1)の左辺)は、励起状態の原子あるいは分子の自然放出の発生頻度(式(1)の右辺第1項)と、誘導放出の発生頻度(式(1)の右辺第2項)に応じて低減することを示している。
ここで、変調信号の変調周波数は、例えば、108Hz程度であることから、角周波数ω>>1となる。また、入射光の強度wは、例えば、数mW〜数十mW程度である。これにより、(a/ω)・sinωtの値と、(bw/2ω)・sin(2ωt+θ)の値は、極めて小さくなることから、ほぼ影響が無いと考えられる。したがって、式(7)は、以下の式(8)のように近似することができる。
ここで、入射光が進行する方向の光増幅器43の長さは、数cm〜数十cm程度であることから、t<<1とすることができる。したがって、式(9)のexp{(bwcosθ)t}は、以下の式(10)のように近似することができる。
式(14)より、光増幅器43から出力される蛍光の光信号には、入射光(蛍光)の周波数と変調信号の周波数との加算周波数を成分とする高周波成分と、入射光の周波数と変調信号の周波数との差分周波数を成分とする低周波成分とが含まれていることがわかる。すなわち、変調信号を用いたバイアス信号で誘導放出が行われることにより、光増幅器43は、入射光すなわち蛍光の光信号と、変調信号とをミキシングした結果を得ることができる。また、蛍光の光信号と、蛍光の光信号と同じ周波数を有する変調信号とをミキシングした結果が得られることによって、レーザ光によって変調された蛍光を復調することができる。さらに、蛍光の光信号は、Nb/2(>1)倍に増幅されている。
光電変換器442は、例えばフォトダイオードや光電子増倍管等であり、蛍光を受光し、光信号を電気信号に変換して出力する受光素子を有している。ここで、フォトダイオードは、光電子増倍管と比べて、量子効率が優れている一方で、増幅率が劣るという特性を有している。このため、蛍光の光信号を増幅する光電変換器を用いて蛍光を検出する従来技術の構成では、フォトダイオードを光電変換器に用いることが困難であった。一方、本実施形態では、蛍光の光信号が光増幅器43によって増幅されていることから、光電変換器で蛍光の光信号を増幅させなくてもよい。これにより、本実施形態では、従来技術において光電変換器に用いることが困難であったフォトダイオードを、光電変換器442に用いることができる。なお、信号処理部44の光電変換器442に含まれる受光素子は、本発明における受光素子の一例である。
LPF443は、光電変換器442から出力された蛍光の電気信号のうち、変調信号の周波数と蛍光信号の周波数との加算周波数を成分とする高周波成分を除去し、変調信号の周波数と蛍光信号の周波数との差分周波数を成分とする低周波成分、すなわち直流成分を通過させるためのフィルタである。これにより、上記直流成分が、蛍光の電気信号の実数部成分(Re成分)として、信号処理部44のLPF443から出力される。LPF443から直流成分が出力されることにより、LPF443以降の信号処理において、高周波回路よりも製作するのが容易な低周波回路を用いてフローサイトメータを構成することができる。
なお、光電変換器442に低速な受光素子を用いた場合、電気信号の高周波成分が受光素子において自ずと除去されるので、例えば、光電変換処理後に、電気信号用のフィルタを用いて電気信号の高周波成分を除去する処理を行なくてもよい。これにより、信号処理部44の部品点数を低減することができるので、結果として、フローサイトメータの製造コストを低減することができる。
信号処理部44のA/D変換器444は、LPF443から出力された蛍光の電気信号のRe成分をデジタルデータに変換する。変換されたデジタルデータは、分析装置60に供給される。
発振器51から出力された所定の周波数の信号(変調信号)は、パワースプリッタ52により、2つのアンプ53,54に分配される。アンプ53で増幅された変調信号は、レーザ光源部20へ出力される。また、アンプ54で増幅された変調信号は、第2受光部40へ出力される。アンプ54で増幅された変調信号を第2受光部40へ出力するのは、前述したように、変調信号を、第2受光部40の光増幅器43のバイアス信号として用いるためである。
なお、分析装置60は、本発明における処理部の一例である。
また、最適位相差とは、式(15)で示したように、蛍光の位相差θと等しくなるときのバイアス信号の位相差φである。したがって、最適位相差を求めることにより、蛍光の位相差θを精度良く求めることができる。
さらに、位相差抽出部61は、測定対象物12が測定場を通過する間に、最適位相差を求めることが好ましい。これにより、バイアス信号の位相差を蛍光の位相差に合わせることができるので、測定対象物12の測定中に最大の蛍光強度を得ることが可能になる。このため、測定対象物12の情報を精度良く取得することができる。
そして、位相差抽出部61は、求められた位相差θを蛍光緩和時間算出部62に送信する。
蛍光緩和時間算出部62は、位相差抽出部61から受信した位相差θを用いて、蛍光緩和時間τをτ=tanθ/(2πf)(fは変調信号の周波数の値である)に従って求める。蛍光緩和時間τを、上記式に従って求めることができるのは、蛍光は、略1次遅れの緩和応答に従うからである。
なお、位相シフタ45は、最適位相差が分析装置60の位相差抽出部61によって求められたときに、バイアス信号の位相差φを最適位相差に設定してもよい。つまり、位相差抽出部61は、バイアス信号の位相差φが最適位相差に設定されるように、位相シフタ45の電圧を制御してもよい。また、フローサイトメータは、位相シフタ45がバイアス信号の位相差φを最適位相差に設定した後、別の測定対象物を用いてレーザ光源部20、第2受光部40および分析装置60を通して、当該別の測定対象物の蛍光緩和時間を求めるようにしてもよい。
以上が本実施形態のフローサイトメータの概略構成である。
図7は、本実施形態の蛍光検出方法のフローの一例を説明する図である。本実施形態の蛍光検出方法は、測定対象物12にレーザ光を照射し、レーザ光が照射された測定対象物12から発せられる蛍光を受光することにより、測定対象物12の情報を取得することができる。
まず、制御部50の発振器51は、所定の周波数の信号、例えば正弦波信号やパルス信号等を変調信号として生成し(ステップS1)、生成された変調信号をレーザ光源部20及び第2受光部40に供給する(ステップS2)。
一方、第2受光部40の光増幅器43には、発振器51から供給された変調信号がバイアス信号として用いられている。また、分析装置60の位相差抽出部61は、バイアス信号の位相差の初期値を0°として、この位相差を変化させるように、位相シフタ45を制御する。
測定場を通過する測定対象物12にレーザ光が照射された際に発せられる蛍光が第2受光部40に受光されると、バイアス信号の位相差の変化量が所定値(例えば180°)以下の間(ステップS4)、光増幅器43は、蛍光の光信号の増幅を行う(ステップS5)。これにより、蛍光の位相差の情報であるRe成分を含む光信号が増幅される。光増幅器43にて増幅された光信号は、信号処理部44において電気信号に変換され、蛍光の電気信号のRe成分のデジタルデータが、信号処理部44から出力される(ステップS6)。
そして、バイアス信号の位相差の変化量が所定値以下の間、ステップS5〜ステップS7の処理が繰り返し行われる。
そして、バイアス信号の位相差の変化量が所定値よりも大きくなると(ステップS4)、位相差抽出部61は、バイアス信号の位相差のうち蛍光の電気信号の直流成分を最大化する最適位相差を、蛍光の位相差θとして求める(ステップS8)。
そして、蛍光緩和時間算出部62は、位相差算出部61によって求められた位相差θを用いて、蛍光緩和時間τを求める(ステップS9)。
なお、位相シフタ45は、蛍光の位相差θが求められると、バイアス信号の位相差φを、最適位相差に設定することが好ましい(ステップS10)。
出力部70は、求められた蛍光緩和時間τ等の情報を出力する。
また、変調信号を用いたバイアス信号でバイアスされた光増幅部43が、蛍光の光信号を増幅することにより、蛍光の光信号と、バイアス信号とがミキシングされる。このため、例えば、電気信号を混合するためのミキサー等の混合器を設ける必要がない。したがって、光信号を増幅するための装置と、混合器とを個別に設ける必要がないので、部品点数を低減することができ、フローサイトメータの製造コストを低減することができる。
例えば、ハーフミラー等を用いて蛍光を2つに分け、一方の蛍光と所定の参照信号とをミキシングすることにより得られたRe成分と、参照信号に対して位相が90°シフトした信号と他方の蛍光とをミキシングすることにより得られたIm成分とを用いて、tan−1(Im/Re)(ImはIm成分の値、ReはRe成分の値である)を算出することにより、変調信号に対する蛍光の位相差θを算出する従来技術では、2つの復調回路が必要となるため、受光素子や信号処理回路の数が増大する。このため、この従来技術では、フローサイトメータの製造コストが嵩むおそれがある。一方、本実施形態では、蛍光の復調回路の数が1つであるため、従来技術と比較して復調回路の数を低減することができる。したがって、本実施形態では、従来技術と比較して、フローサイトメータの製造コストを低減することができる、という利点がある。
また、例えば、1つの復調回路に入力される参照信号に位相を所定時間毎に90°ずつシフトさせてRe成分とIm成分とを時系列的に取得し、tan−1(Im/Re)を算出することにより、変調信号に対する蛍光の位相差θを算出する従来技術では、時系列的にRe成分とIm成分とを取得するための高速な演算処理が必要となるため、大型の演算処理回路を用いる必要がある。このため、この従来技術では、フローサイトメータのサイズが大型化するおそれがある。一方、本実施形態では、高速な演算処理を要しないため、大型の演算処理回路を設ける必要がない。したがって、本実施形態では、従来技術と比較して、フローサイトメータのサイズを小型化することができる、という利点がある。
例えば、本発明の蛍光検出装置及び蛍光検出方法を、蛍光顕微鏡に適用することも可能である。本発明の蛍光検出装置及び蛍光検出方法を蛍光顕微鏡に適用した場合、測定場における測定対象物の滞在時間を長くすることができるので、例えば、バイアス信号の位相変化の間隔を小さくすることにより、変調信号に対する蛍光の位相差の検出精度を向上させることができ、ひいては、蛍光の蛍光緩和時間の精度を向上させることができる。
12 測定対象物
20 レーザ光源部
30 第1受光部
40 第2受光部
43 光増幅器
45 位相シフタ
50 制御部
51 発振器
60 分析装置
61 位相差抽出部
62 蛍光緩和時間算出部
70 出力部
Claims (6)
- 測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出装置であって、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するレーザ光源部と、
前記レーザ光を強度変調するための変調周波数を有する変調信号をバイアス信号として用いて誘導放出を行うことにより、前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を増幅する光増幅部と、前記光増幅部によって増幅された前記蛍光の光信号を受光し、前記蛍光の電気信号を出力する受光素子とを含む受光部と、
前記変調信号に対する前記バイアス信号の位相差である第1位相差を変化させるための位相差変化部と、
前記第1位相差が前記位相差変化部によって変化する毎に前記蛍光の電気信号を前記受光部から取得することで、前記第1位相差のうち、取得した前記蛍光の電気信号の直流成分を最大化するときの第2位相差を求め、前記第2位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求める処理部と、を有する、
ことを特徴とする蛍光検出装置。 - 前記処理部は、前記測定対象物が前記レーザ光の照射位置を通過する間に、前記第2位相差を求める、請求項1に記載の蛍光検出装置。
- 前記光増幅器は、前記第2位相差の情報を含む光信号を出力する、請求項1又は2に記載の蛍光検出装置。
- 前記位相差変化部は、前記第2位相差が前記処理部によって求められると、前記第1位相差を前記第2位相差に設定した後、別の測定対象物を用いて前記レーザ光源部、前記受光部および前記処理部を通して、前記別の測定対象物の蛍光緩和時間をもとめる、請求項1〜3の何れか1項に記載の蛍光検出装置。
- 測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出方法であって、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するステップと、
前記レーザ光を強度変調するための変調周波数を有する変調信号をバイアス信号として用いて誘導放出を行うことにより、前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を増幅するステップと、
増幅された前記蛍光の光信号を受光し、前記蛍光の電気信号を出力するステップと、
前記変調信号に対する前記バイアス信号の位相差である第1位相差を変化させるステップと、
前記第1位相差が変化する毎に前記蛍光の電気信号を取得することで、前記第1位相差のうち、取得した前記蛍光の電気信号の直流成分を最大化するときの第2位相差を求め、前記第2位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求めるステップと、を有する、
ことを特徴とする蛍光検出方法。 - 前記蛍光の蛍光緩和時間を求めるステップでは、前記測定対象物が前記レーザ光の照射位置を通過する間に、前記第2位相差を求める、請求項5に記載の蛍光検出方法。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106124468A (zh) * | 2016-06-20 | 2016-11-16 | 浙江大学 | 一种基于光激活及结构光照明的超分辨荧光显微方法及装置 |
Citations (2)
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JPH08122057A (ja) * | 1994-10-27 | 1996-05-17 | Kubota Corp | 光学式測距装置 |
JPH09329548A (ja) * | 1996-06-11 | 1997-12-22 | Bunshi Bio Photonics Kenkyusho:Kk | 蛍光寿命測定装置 |
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2012
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