JP2013517491A5

JP2013517491A5 -

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Publication number: JP2013517491A5
Application number: JP2012549334A
Authority: JP
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2031-01-18

Description

すべての化学結合は、それらに固有の振動数を有する。光と物質の相互作用を使用することによって、これらの分子振動に関する情報の取得を目指す方法は、振動感受性の光学技術と呼ばれる。これらの技術のうち最もよく知られているのは、赤外（ＩＲ）分光法である。赤外分光法は、サンプル中に存在する化学結合に特異的な吸収線を観察する。１９２８年に発見されたラマン散乱（この効果を発見した物理学者であるチャンドラシェーカル・ヴェンカタ・ラーマンの名前に由来する）は、使用される可視光線を、光線と相互作用する分子の振動スペクトルに接近させることを可能にする。ラマン散乱では、分子に入射する角振動数ω_ｐのポンプ波が、ストークス波と呼ばれる角振動数ω_ｓの波（図１（Ａ））およびアンチストークス波と呼ばれる角振動数ω_ＡＳの波（図１（Ｂ））の中へと非弾性的に散乱される。生成された波とポンプ波との間の振動数の差は、ω_ｐ−ω_ｓ＝ω_ａｓ−ω_ｐ＝Ω_Ｒとなるように（角振動数Ω_Ｒの）分子ラマン遷移に依存する。この過程を光子的に見ると、ストークス波およびアンチストークス波は、それぞれ基底振動準位および励起振動準位からの吸収に相当する。励起振動準位（Ｂ）からアンチストークス波を生成する過程は、ストークス波を生成する過程よりもずっと起こりにくい。ストークス波を生成する過程は、自発的ラマン分光法において実際に観察される唯一の過程である。ストークス波のスペクトル分布の詳細な研究によって、サンプル中に存在する化学結合の密度に関する情報が生み出される。この非弾性散乱の自発的過程は、蛍光発光に比べて非常に非効率である（１０^−１６ｃｍ^２／分子に達するフルオロフォア１光子の吸収断面積に対して、ラマン断面積は１０^−３０ｃｍ^２／分子のオーダーである）。

ＣＡＲＳ（コヒーレントアンチストークスラマン散乱）ラマン分光法は、４つの波を混合する過程であって、サンプル中に存在する振動性結合を検出することができる。この過程は、たとえばＲ．Ｗ．Ｂｏｙｄの非線形光学（ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ、ボストン、１９９２年）に記載されている。本方法は、角振動数ω_ｐおよびω_ｓ（または振動数ν_ｐおよびν_ｓ）の２つのレーザパルスを送出することを含む。この方法の角振動数差は、解析中の振動準位における角振動数Ωに等しい。ω_ｐ−ω_ｓ＝Ωというこの共鳴の形態において、角振動数Ωの振動準位は活性化された状態で存在しており、角振動数ω_ｐのビームを角振動数ω_ａｓ＝２ω_ｐ−ω_ｓのビームへと非弾性的に散乱させることが可能であろう（図２（Ａ））。この新たな放射ω_ａｓ（以下、「ＣＡＲＳ散乱信号」と呼ぶ）が存在することは、サンプル中に角振動数Ωにて振動する結合が存在する痕跡（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）である。ＣＡＲＳの第１の実装の本質は、スペクトル的にピコ秒という狭さの２つのパルスをサンプルに向けることにある。これらのパルスの角振動数差によって、たった１つの特異的な振動性結合を検出することができるだけである。同定を最適にするためには、サンプル中に存在するすべての振動性結合がテストされる。これは「多重ＣＡＲＳ」（たとえばＭ．ＭｕｌｌｅｒおよびＪ．Ｓｃｈｉｎｓの「多重ＣＡＲＳ分光法を用いた脂質膜の熱力学的状態の画像化」（ＰｈｙｓｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＢ１０６巻、３７１５〜３７２３頁（２００２年）を参照）と呼ばれるモードの操作により行われる。ここではスペクトル的に狭いパルスω_ｐとスペクトル的に広いパルスω_ｓとがサンプルに向けられる（図２（Ｂ））。したがって、サンプル中に存在するすべての振動準位Ω_ｉを検出することができ、生じた信号ω_ａｓのスペクトルを得ることができる。技術的な観点から、狭スペクトルはたとえばピコ秒のレーザから生じ、広域スペクトルはたとえばフェムト秒のレーザ、または超連続体（ＳＣ）を生み出すフォトニック結晶ファイバーから生じる。

Ｒｉｍｋｅらによる国際特許出願第２００８１３５２５７号では、先に引用した国際特許出願第２００５／１２４３２２号に開示されたヘテロダイン検出の設計が使用される。また、使用されたレーザ光源は、１０６４ｎｍにて放射され５３２ｎｍにて複製されたピコ秒レーザを含む。次に５３２ｎｍのビームは光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）に供給される。ＯＰＯは、１／λ_{ｓｉｇｎａｌ}（ｎｍ）＋λ_{ｉｄｌｅｒ}（ｎｍ）＝１／５３２（ｎｍ）に従って調整可能な２つの「信号」波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}および「遊び（ｉｄｌｅｒ）」波長λ_{ｉｄｌｅｒ}を生成する。したがって、１０６４ｎｍのレーザおよび遊びビームは、それぞれポンプビームおよびストークスビームの役割を果たす。信号ビームは、サンプル中で生成されたアンチストークスビームと同波長である。信号ビームは、アンチストークスビームと再結合される。この干渉によって生じた信号は、国際特許出願第２００５／１２４３２２号に説明されたヘテロダイン干渉法に従って検出される。この非常に有効な技術では、２つの信号波長および遊び波長を生成可能なＯＰＯを使用することが必要となる。

非共鳴寄与を除外可能にするＣＡＲＳ信号を検出する別の技術が、Ｘｉｅらによる米国特許出願第７３５２４５８号に記載されている。観察されたアンチストークス波長を（振動数νにて）高速に調節することにより、非共鳴ＣＡＲＳ背景ノイズが抑制される。実際には、２つのビーム（ポンプまたはストークス）のうち１つが、２つの波長を搬送するレーザ光源により供給される。また、もう一方のビームは、レーザ光源によって単一波長にて生成される。第１の光源により搬送される２つの波長間の高速調節によって、ＣＡＲＳ信号の共鳴励起および非共鳴励起を同じ振動数にて調節することが可能となる。したがって、ＣＡＲＳ信号の非共鳴ノイズは、ＣＡＲＳ信号を振動数νにて調節することにより抑制される。実際は、この方法は２つの波長を放射する光源と、調節が機能できる共鳴信号−非共鳴信号間の良好なコントラストとを必要とする。

変形態様によると、本装置はまた、１以上の励起ビームをスキャンすることにより、１以上の励起ビームが共鳴媒質と非共鳴媒質との界面の異なる位置にてサンプルを横断することを可能にする角度スキャン装置を含む。

第２の態様によると、本願発明は、サンプル中に誘導された共鳴非線形光信号を検出するための方法に関する。サンプルは、界面を形成する共鳴媒質および非共鳴媒質を含む。本方法は、ポンプビームと呼ばれる共鳴媒質を励起するための少なくとも１つの第１の光線を第１の所定の角振動数ω_ｐにて放射するステップを含む。前記ポンプビームは、光軸に沿ってサンプルに入射し、共鳴媒質と非共鳴媒質との前記界面を横断する。本方法は、光軸に関して対称な少なくとも２つの方向において、１以上の励起ビームとサンプルの共鳴媒質−非共鳴媒質の軸方向界面との相互作用から生じた非線形光信号を検出するステップと、前記信号間の差が得られることを可能にするために、検出された信号を処理するステップとを含む。得られた信号の差は、サンプルの共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる。

別の態様によると、１以上の励起ビームが、角度スキャンを受けることにより、共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面の様々な位置にてサンプルを横断する。

（説明済）図１（Ａ）と図１（Ｂ）は、ラマン散乱過程におけるストークス放射およびアンチストークス放射の原理を示す。（説明済）図２（Ａ）と図２（Ｂ）は、２つの異なるモードにおけるＣＡＲＳ放射の原理を示す。（説明済）図３（Ａ）と図３（Ｂ）は、共鳴および非共鳴ＣＡＲＳ過程の図である。共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面において、ＣＡＲＳ散乱を実装するための幾何学的条件を示す略図である。図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、励起ビームの焦点の相対位置の関数として、共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面とともにＣＡＲＳ散乱信号のずれを示す図である。ヤングの二重スリットの実験設定を示す図である。パラメータζ＝（ω_ｐ−ω_ｓ−ΩＲ）／Γ（ラマン共鳴に対する正規化偏移）の関数として、ＣＡＲＳ散乱信号のずれを説明する数値シミュレーションにより得られた曲線である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）は、パラメータζの関数として（図８（Ａ））、および励起ビームの焦点の界面に対するＸ座標上の位置として（図８（Ｂ））、空間（ｋ_ｘ＞０）および空間（ｋ_ｘ＜０）においてそれぞれ計算された光強度、および光強度の差を示す数値シミュレーションにより得られた曲線である。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、ＣＡＲＳ検出を実装するための３つの可能なモダリティを示す図である。本願発明の例示的な態様に従って、ＣＡＲＳ散乱の検出を実装するための装置を示す図である。ポリスチレンビーズ（直径２０μｍ、屈折率ｎ＝１．５６の水溶液に浸されている）に対してラマン偏移の関数としてＣＡＲＳ散乱の強度を示す、図１０の構成を用いて得られた実験的な曲線である。本願発明の別の例示的な態様に従ってＣＡＲＳ散乱を検出を実装するための装置を示す図である。図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、本願発明の他の例示的な態様に従ってＣＡＲＳ散乱を検出を実装するための装置を示す図である。図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）は、共鳴のない図１３（Ａ）の実験条件下で測定された信号を示す図である。図１５（Ａ）と図１５（Ｂ）は、共鳴のある図１３（Ａ）の実験条件下で測定された信号を示す図である。図１３（Ａ）に従った装置を用いた界面の配向性ならびに共鳴媒質および非共鳴媒質の相対位置を決定を示す図である。

レーザシステム１０１は、たとえばいわゆる２色用途において、２つのスペクトル的に狭く調節可能なレーザ光源１０８を含む。レーザ光源１０８は、たとえば６９０〜１０００ｎｍの波長にて放射され、ポンプレーザ８０９によって送出されるチタン：サファイア型、または５３２ｎｍにて放射されるネオジム：ＹＶＯ４型である。調節可能なレーザは、たとえば通常３ピコ秒（ｐｓ）のオーダーのピコ秒のパルスを放射することにより、角振動数ω_ｐ（通常は波長７３０ｎｍ）のポンプ励起ビームおよび角振動数ω_ｓのストークス励起ビームを形成する。パルスピッカー（ｐｉｃｋｅｒ）１１０が使用されることにより、ピークパルス力を減らすことなく、ポンプ励起レーザおよびプローブ励起レーザのパルス反復振動数を減少させてもよい。調節可能なストークスビームまたはポンプビームを用いることにより、特にアンチストークス放射スペクトルを、共鳴媒質のラマンスペクトルを決定することを目的とした分光法における用途に対して、スキャンすることができる。たとえば光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）、光学的パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）、ピコ秒ネオジム：ガラス発振器、イッテルビウムまたはエルビウム添加光ファイバーなどの他の調整可能なレーザ光源が使用されてもよい。また光源は、観察されるラマン線の分光幅に応じて、ナノ秒（ｎｓ）またはフェムト秒（ｆｓ）のレーザ光源であってもよい。しかし、ナノ秒パルスはスペクトル的には非常に良いが、ピコ秒パルスよりも低い最大出力および低い繰り返し周波数しか有さない。さらに、ナノ秒パルスに関連した熱的効果は、生物学的サンプルによりダメージを与えうる。未加工のフェムト秒パルスは一般に、スペクトルが広すぎる。凝縮相（固体または液体）では線幅が約１０〜２０ｃｍ^−１である。これはピコ秒パルスの使用に対応する。

Claims

界面（４３）を形成する共鳴媒質（４１）および非共鳴媒質（４２）を含むタイプのサンプル（１０５）中に誘導された共鳴非線形光信号を検出するための装置（１００）であって、
第１の所定の角振動数ω_ｐにて所定タイプのサンプルの共鳴媒質を励起するためのポンプビームと呼ばれる少なくとも１つの第１の励起ビームの放射源（８０１）と、
サンプルに入射する前記ポンプビームの光軸に関して少なくとも２つの対称な方向（ベクトルｋ方向とベクトルｋ’方向）において、前記ポンプビームと、共鳴媒質−入射したポンプビームの光軸に沿って非ゼロ成分を有するサンプルの非共鳴媒質間に形成された界面である軸方向界面との相互作用から生じた非線形光信号を検出するための光検出モジュール（１０６）と、
検出された非線形光信号（^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ方向），^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ’方向））を処理することにより、検出された非線形光信号中の差（ ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ方向）と ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ’方向））を得ることを可能にする処理装置（１２５）と、を含み、
得られた非線形光信号の差（ ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ方向）と ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ’方向））は、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる装置。
放射源（８０１）は、第１の角振動数ω_ｐとは異なる少なくとも第２の角振動数ω_ｓにて、共鳴媒質を励起するための第２の励起ビームの放射を少なくとも可能にし、
第１の励起ビームと第２の励起ビームとは同一直線上である請求項１に記載の装置。
放射源は、角振動数ω_ｐのポンプビームおよび角振動数ω_ｓのストークスビームの放射を可能にし、これによって所定タイプの前記サンプル中で、角振動数ω_ａｓ＝２ω_ｐ−ω_ｓのＣＡＲＳ散乱信号と呼ばれる非線形光信号が生じることが可能となり、
得られた非線形光信号の差は、共鳴媒質のラマン放射の指標となる請求項２に記載の装置。
共通の焦点体（４５）中にて１以上の前記励起ビームの焦点を合せることにより、所定タイプの前記サンプルの共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面を横断する焦点レンズ（１０７）を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
光検出モジュール（１０６）は、少なくとも１つのシャドーマスクと、光軸に関して対称な２つの相補的な半空間に統合された非線形光信号の検出を可能とする少なくとも１つの検出器とを含み、
差は、２つの半空間にて統合された非線形光信号に関してとられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
光検出モジュール（１０６）は、
集められた非線形光信号を第１の経路と第２の経路に分離させる光スプリット要素（１１３）と、
各経路において、
非線形光信号を隠すシャドーマスク（１１４，１１５）と、
検出器（１１６，１１７）と、を含み、
各経路の非線形光信号は、２つの半空間に従ってそれぞれ隠される請求項５に記載の装置。
光検出モジュールは、前記非線形光信号を収集するための集光レンズ（１１１）を含む請求項５または６に記載の装置。
１つ以上のシャドーマスクが、射出瞳または集光レンズの射出瞳の像の中心に配置される請求項７に記載の装置。
光検出モジュール（１０６）は、光軸に関して対称な方向に収集された非線形光信号をそれぞれ検出することを可能にする画像記録システム（１２０）を含み、
差は、検出された少なくとも１組の非線形光信号のペアに関してとられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
光検出モジュールは、前記非線形光信号を収集するための集光レンズを含む請求項９に記載の装置。
画像記録システムは、集光レンズの射出瞳上または射出瞳の像上に配置されている請求項１０に記載の装置。
前記非線形光信号の光検出モジュール（１０６）は、所定の振動数（ν）にて光軸の周りを回転するマスク（１３０）を含み、
マスクは、前記非線形光信号を部分的に隠し、
検出器は、マスクによって隠されない空間の一部に統合された非線形光信号の検出を可能にすることによって、マスクの回転振動数にて調節され、最大値および最小値を有する信号を搬送し、
処理装置（１２５）は、マスクの回転振動数にて非線形光信号の振動数成分の振幅を得るために調節された前記非線形光信号の処理を可能にし、
振幅は、前記最大値と最小値の差に比例し、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
処理装置はまた、調節され検出された非線形光信号の振動数成分の位相を得ることも可能にし、
位相は、共鳴媒質および非共鳴媒質の相対位置の指標となる請求項１２に記載の装置。
マスクは、光軸の周りを回転する半円盤（１３４）を含む請求項１２または１３に記載の装置。
光検出モジュールは、前記非線形光信号を集めるための装置を含む請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置。
マスクは、収集装置の射出瞳または前記射出瞳の瞳孔の像の中心に配置される請求項１５に記載の装置。
共鳴媒質と非共鳴媒質との界面の異なる位置にて、１以上の励起ビームが所定タイプのサンプルを横断することを可能とする、１以上の励起ビームを角度スキャンするための装置をさらに含む請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
放射源が少なくとも１つの可変波長励起ビームを放射することにより、所定タイプのサンプルの共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴のスペクトルを得ることを可能にする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
サンプル（１０５）中に誘導された共鳴非線形光信号を検出するための方法であって、
サンプルは、界面（４３）を形成する共鳴媒質（４１）および非共鳴媒質（４２）を含み、
本方法は、
第１の所定の角振動数ω_ｐにて、ポンプビームと呼ばれる共鳴媒質の少なくとも１つの第１の励起ビームを放射するステップと、
光軸に関して少なくとも２つの対称な方向（ベクトルｋ方向とベクトルｋ’方向）において、１以上の前記ポンプビームと、共鳴媒質−入射したポンプビームの光軸に沿って非ゼロ成分を有するサンプルの非共鳴媒質間に形成された界面である軸方向界面との相互作用から生じた非線形光信号を検出するステップと、
検出された非線形光信号（Ｉ^Ｆｗｄ（ベクトルｋ方向），Ｉ^Ｆｗｄ（ベクトルｋ’方向））を処理することにより、非線形光信号間の差（ ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ方向）と ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ’方向））を得ることを可能にするステップと、を含み、
前記ポンプビームは、光軸に沿ってサンプルに入射し、共鳴媒質と非共鳴媒質との前記界面を横断し、
得られた非線形光信号の差（ ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ方向）と ^ＩＦｗｄ（ベクトルｋ’方向））は、サンプルの共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる方法。
第１の角振動数ω_ｐとは異なる少なくとも１つの第２の角振動数ω_ｓにて共鳴媒質を励起するための少なくとも１つの第２の励起ビームを放射するステップを含む請求項１９に記載の方法。
角振動数ω_ｐのポンプビームおよび角振動数ω_ｓのストークスビームを放射するステップを含み、
前記ポンプビームとストークスビームとの相互作用から生じた非線形光信号は角振動数ω_ａｓ＝２ω_ｐ−ω_ｓのＣＡＲＳ散乱信号と呼ばれる信号であって、
非線形光信号の差は、共鳴媒質のラマン放射の指標である請求項２０に記載の方法。
１以上の前記励起ビームは、共通の焦点体（４５）中へと集中されることにより、共鳴媒質と非共鳴媒質との間で前記界面が横断されることを可能とする請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
非線形光信号の検出は、光軸に関して対称な２つの相補的な半空間へと非線形光信号を統合することにより実現され、
検出された非線形光信号を処理するステップは、２つの半空間へと統合された非線形光信号間の差を計算することを含む請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
非線形光信号を検出するステップは、光軸に関して対称な方向に非線形光信号をそれぞれ検出することにより実現され、
非線形光信号を処理するステップは、検出された少なくとも１組の非線形光信号のペアの信号間の差を計算することを含む請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
非線形光信号を検出するステップは、所定の振動数（ν）にて光軸の周りを回転するマスク（１３０）によって、前記非線形光信号を部分的に隠すことを含み、
非線形光信号を検出するステップは、最大値と最小値を有するマスクの回転振動数にて調節された非線形光信号を搬送するために、マスクによって隠されていない空間の一部へと統合し、
非線形光信号を処理するステップは、調節された非線形光信号のマスクの回転振動数における振動数成分の振幅を決定することを含み、
振幅は、調節された非線形光信号の前記最大値と最小値の差に比例し、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴の指標となる請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
調節され検出された非線形光信号の振動数成分の位相を決定するステップをさらに含み、
位相は、共鳴媒質および非共鳴媒質の相対位置の指標となる請求項２５に記載の方法。
１以上の励起ビームが、角度スキャンを受けることにより、共鳴媒質と非共鳴媒質との間の界面の複数の位置にてサンプルを横断する請求項１９〜２６のいずれか１項に記載の方法。
少なくとも１つの励起ビームが可変の放射波長を有することにより、共鳴媒質の振動共鳴または電子共鳴のスペクトルを得ることが可能となる請求項１９〜２７のいずれか１項に記載の方法。