JP2014059192A - Fluorescence microscopy device and method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To derive long distance information in comparison with a FRET method in which a distance is evaluated through a fluorescence measurement.SOLUTION: The fluorescence microscopy device comprises: (1) an electromagnetic system that is capable of synthesizing and applying a static magnetic field from three axial directions orthogonal to each other; (2) a fluorescence detection magnetic resonance measurement part that measures fluorescence detection magnetic resonance spectrum of a paramagnetic nanoparticle marked by a phosphor while changing an application angle of the static magnetic field generated by the electromagnetic system; and (3) a calculation part that calculates a distance between the phosphor and the paramagnetic nanoparticle from an angle dependency on a static magnetic field direction of fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum.

Description

本発明は、生きた細胞内で生理機能をその場で可視化する蛍光顕微鏡を使った観察において、細胞内に存在する生体分子の長距離構造変化情報を評価する技術に属する。特に、注目する生体分子を修飾しているエネルギー供与を担う蛍光分子(ドナー)とそのエネルギー受容を担う蛍光分子(アクセプター)の2つの特定部位が構造上どのくらいの距離を経て存在しているかを蛍光強度測定によって評価する技術、いわゆる、蛍光共鳴エネルギー移動(Fluorescence resonance energy transfer:FRET)の原理を使って距離情報を導出する従来技術に属する。   The present invention belongs to a technique for evaluating long-range structural change information of biomolecules existing in cells in observation using a fluorescence microscope that visualizes physiological functions in a living cell on the spot. In particular, the fluorescence shows how far the two specific sites of the fluorescent molecule (donor) responsible for energy donation that modifies the biomolecule of interest and the fluorescent molecule (acceptor) responsible for energy reception exist in the structure. This technique belongs to a conventional technique for deriving distance information by using a principle of fluorescence resonance energy transfer (FRET) that is evaluated by intensity measurement.

FRETの解説書としては「Principles of Fluorescence Spectroscopy」(Springer)、「バイオイメージングがわかる−細胞内分子を観察する多様な技術とその原理」(羊土社)が挙げられる、またFRETを使った蛍光計測の手法種別は「FRET imaging」(Nature biotechnology 21, 187 (2003))に紹介されている。   FRET's explanations include "Principles of Fluorescence Spectroscopy" (Springer), "Understanding bioimaging-various techniques for observing intracellular molecules and their principles" (Yodosha), and fluorescence using FRET The type of measurement method is introduced in “FRET imaging” (Nature biotechnology 21, 187 (2003)).

最も単純な蛍光顕微鏡の装置構成を図1に示す。励起用光源(1-1)から出力された光はダイクロイックミラー(1-2)を通して顕微鏡対物レンズ(1-3)へ導入され、適当なビーム径に収束されて試料(1−4)内に存在する蛍光体(1−5)に照射される。蛍光体(1−5)からの蛍光は同じ光路を通り、ダイクロイックミラー(1-2)、更にバンドパスフィルター(1-6)などを通して希望の波長だけを選別し蛍光検出器(1-7)で計測される。蛍光検出器(1-7)で測定された蛍光強度データは、コンピュータ(1-8)に取り込まれ解析・表示される。必要に応じて、顕微鏡ステージ(1−10)の位置を制御するために制御信号が顕微鏡ステージ制御回路(1−9)へと送信され、試料(1−4)が設置される顕微鏡ステージ(1−10)が制御される。   The simplest apparatus configuration of the fluorescence microscope is shown in FIG. The light output from the excitation light source (1-1) is introduced into the microscope objective lens (1-3) through the dichroic mirror (1-2), converged to an appropriate beam diameter, and placed in the sample (1-4). Irradiate existing phosphor (1-5). Fluorescence from the phosphor (1-5) passes through the same optical path, and only the desired wavelength is selected through the dichroic mirror (1-2) and further the bandpass filter (1-6), and the fluorescence detector (1-7) It is measured by. The fluorescence intensity data measured by the fluorescence detector (1-7) is taken into the computer (1-8) and analyzed and displayed. If necessary, a control signal is transmitted to the microscope stage control circuit (1-9) to control the position of the microscope stage (1-10), and the microscope stage (1-4) on which the sample (1-4) is installed -10) is controlled.

蛍光共鳴エネルギー移動(Fluorescence resonance energy transfer:FRET)を使った蛍光計測の一般手法は、エネルギー供与体(ドナー:D)とエネルギー受容体(アクセプター:A)が近距離に存在したときに生じるドナーからアクセプターへのエネルギー移動に帰する。エネルギー移動効率は(1)ドナーの蛍光スペクトルとアクセプターの励起スペクトルの重なり、(2)ドナーの量子効率、(3)ドナーとアクセプターの遷移モーメント対称性、(4)ドナーとアクセプターの距離:Rのマイナス6乗(R-6)、の4項目に依存する。観測手法の代表的例を図2に示す。左図では、2つの異なる生体分子にドナーとアクセプターをそれぞれ化学修飾しておき試料に導入する(1分子間FRET)。励起光を照射してドナーの蛍光を観測すると、それらの生体分子間相互作用前ではドナーは励起光により蛍光を発し、アクセプターからの蛍光強度は極小である。生体分子相互作用後では、ドナーからの蛍光エネルギーFRET現象によってアクセプターに移動しアクセプターの蛍光強度が増す。一方右図では、1つの生体分子内の2か所にドナーとアクセプターを修飾し、試料内に導入する(1分子内FRET)。試料内にある他の分子との相互作用によって分子構造が変化し、ドナーとアクセプターが近接するとFRET現象によってその相互作用をモニターすることができる。このような実施例は、抗原抗体反応を利用した病理部位への特異的結合性質を有する蛍光分子計測などが挙げられ、創薬や生理活性の研究・開発に大いに役立っている。 The general method of fluorescence measurement using fluorescence resonance energy transfer (FRET) is from a donor generated when an energy donor (donor: D) and an energy acceptor (acceptor: A) are present at a short distance. Return to energy transfer to the acceptor. Energy transfer efficiency is as follows: (1) Donor fluorescence spectrum and acceptor excitation spectrum overlap, (2) Donor quantum efficiency, (3) Donor-acceptor transition moment symmetry, (4) Donor-acceptor distance: R Depends on 4 items, minus 6th power (R -6 ). A typical example of the observation method is shown in FIG. In the left figure, donors and acceptors are chemically modified on two different biomolecules and introduced into the sample (intermolecular FRET). When the fluorescence of the donor is observed by irradiating the excitation light, the donor emits fluorescence by the excitation light before the interaction between the biomolecules, and the fluorescence intensity from the acceptor is minimal. After the biomolecule interaction, the fluorescence energy from the donor moves to the acceptor by the FRET phenomenon, and the fluorescence intensity of the acceptor increases. On the other hand, in the right figure, the donor and acceptor are modified at two locations within one biomolecule and introduced into the sample (intramolecular FRET). The molecular structure changes due to the interaction with other molecules in the sample, and when the donor and acceptor come close, the interaction can be monitored by the FRET phenomenon. Such examples include measurement of fluorescent molecules having specific binding properties to a pathological site using antigen-antibody reaction, and are very useful for research and development of drug discovery and physiological activity.

一方、磁場との相互作用を通じて蛍光スペクトルが変化する蛍光体の例は、ダイヤモンド内に不純物として存在する窒素原子(N)と格子空隙(V)が近接した時に形成される量子状態NVセンター(NVCenter。以下、NVCと呼ぶ)が挙げられる。これは、2個の電子スピンが隣接して存在することにより-1価の価数を持つS=1のスピン量子状態である。このNVCは静磁場を印加していない状態でも2.87GHzに相当するエネルギーギャップを持つ特異なエネルギー準位を持ち、電子スピン共鳴が可能であることが知られている。さらに、電子スピン共鳴に寄与する電子がNVCから発する蛍光現象にも影響を与え、磁気共鳴現象の有無やNVC位置の磁場強度に応じてその蛍光スペクトルに変化が生じる。 On the other hand, an example of a phosphor whose fluorescence spectrum changes through interaction with a magnetic field is a quantum state NV center ( NVC ) formed when a nitrogen atom (N) present as an impurity in a diamond and a lattice void (V) are close to each other. enter, hereinafter referred to as NVC). This is an S = 1 spin quantum state having a valence of −1 due to the presence of two electron spins adjacent to each other. It is known that this NVC has a unique energy level with an energy gap corresponding to 2.87 GHz even when no static magnetic field is applied, and is capable of electron spin resonance. Furthermore, the electrons contributing to electron spin resonance also affect the fluorescence phenomenon emitted from NVC, and the fluorescence spectrum changes depending on the presence or absence of the magnetic resonance phenomenon and the magnetic field intensity at the NVC position.

Nature 455,648 (2008)に掲載された論文では、電子スピン共鳴と蛍光スペクトル計測の両技術を走査型プローブ顕微鏡に導入し、蛍光スペクトル計測を通して単一NVCの存在位置やナノ磁性体が周囲に発生する静磁場の分布状態を常温・常圧下で観測した。さらに、静磁場を検出する原子サイズの磁気センサーとして単一NVCを持つナノダイヤモンドを探針に利用し、ナノメートルの空間分解能を有する顕微鏡の可能性を示した。また、同号644ページにも単一NVCを使った同種の論文が掲載された。後者の論文では、磁気センサーとしてNVC中心を利用した場合の磁場検出感度を検証するために、磁気共鳴手法で用いられている汎用的なスピンエコー法を導入し、サブマイクロテスラの磁場感度を実証した。   In a paper published in Nature 455,648 (2008), both electron spin resonance and fluorescence spectrum measurement techniques are introduced into a scanning probe microscope, and the location of a single NVC and nanomagnets are generated around the fluorescence spectrum measurement. The distribution of the static magnetic field was observed at room temperature and normal pressure. Furthermore, a nano-diamond having a single NVC was used as a probe as an atomic size magnetic sensor for detecting a static magnetic field, and the possibility of a microscope having a nanometer spatial resolution was shown. A similar paper using a single NVC was also published on page 644 of the same issue. In the latter paper, in order to verify the magnetic field detection sensitivity when using the NVC center as a magnetic sensor, the general-purpose spin echo method used in the magnetic resonance technique was introduced to demonstrate the magnetic field sensitivity of sub-micro Tesla. did.

ナノダイヤモンドを使った生体観察の実施例がいくつか存在する。特に、ナノダイヤモンドは細胞内部において毒性が低いと考えられ、化学修飾が容易であることから、生体内部に導入可能な蛍光体として注目されている。PNAS 104, 727 (2007)に報告された例では、NVCが存在する35nmのナノダイヤモンドをHela細胞に導入し、共焦点レーザ顕微鏡や蛍光顕微鏡を使った蛍光強度の走査画像観測を実施した。その結果について、著者らは「従来から問題となっている蛍光体の褪色や不規則な発光(ブリンキング)などに影響されることの無い理想的な蛍光プローブである」と結論付けている。   There are several examples of living body observation using nanodiamonds. In particular, nanodiamonds are considered to have low toxicity inside cells, and are easy to chemically modify. Therefore, they attract attention as phosphors that can be introduced into living bodies. In the example reported in PNAS 104, 727 (2007), 35 nm nanodiamond with NVC was introduced into Hela cells, and scanning image observation of fluorescence intensity was performed using a confocal laser microscope or fluorescence microscope. About the result, the authors conclude that "It is an ideal fluorescent probe that is not affected by the fading or irregular emission (blinking) of phosphors that have been a problem in the past."

特開2011−180570号公報。JP, 2011-180570, A.

FRETは短距離相互作用に基づくエネルギー移動現象であり、1〜10nmの範囲に限定される。また、2つの蛍光体の距離だけでなく、2つの蛍光体のスペクトルが適切に重なる必要がある他、細胞内でのそれら蛍光体の生体分子への結合形態に由来する遷移モーメントの対称性(配向因子:κ)に大いに依存してFRET効率が変化するなど、試験管内における化学合成時の校正データでは対処しきれない事由もある。したがって現状では、配向因子:κの二乗に対し、ドナーとアクセプターが蛍光寿命の時間内に高速且つランダムな回転運動を実施しているという仮定の下、常にκ2=2/3として距離に関して議論する。 FRET is an energy transfer phenomenon based on short-range interactions and is limited to the range of 1-10 nm. In addition to the distance between the two phosphors, the spectra of the two phosphors need to overlap appropriately, and the symmetry of the transition moment derived from the binding form of the phosphors to the biomolecule in the cell ( There are some reasons that cannot be dealt with by calibration data at the time of chemical synthesis in a test tube, for example, FRET efficiency changes greatly depending on orientation factor (κ). Therefore, at present, with respect to the orientation factor: κ squared, the distance between the donor and the acceptor is always discussed as κ 2 = 2/3 under the assumption that the donor and acceptor are rotating at random within the lifetime of fluorescence. To do.

しかしながら、この仮定が成り立つ状況は稀であり、実際、細胞内に導入された生体分子に標識されている蛍光体はそういった運動性は束縛されていることは明らかである。また、細胞培地のpH値によってドナー蛍光体の量子効率が変化することもあるので、FRETに関連するアクセプター蛍光強度の評価には注意を要する。このように、FRET現象を使った蛍光計測によって分子間相互作用発生の有無はモニターできるが、距離情報を始め定量的な分子構造の解析には困難を極める。   However, the situation where this assumption holds is rare, and it is clear that such motility is actually constrained in the fluorescent substance labeled with the biomolecule introduced into the cell. In addition, since the quantum efficiency of the donor phosphor may change depending on the pH value of the cell culture medium, care must be taken when evaluating the acceptor fluorescence intensity associated with FRET. In this way, the presence or absence of intermolecular interactions can be monitored by fluorescence measurement using the FRET phenomenon, but it is extremely difficult to analyze the molecular structure quantitatively including distance information.

本発明の目的は、磁化された常磁性微粒子が周囲に作る双極子磁場と外部磁場との合成磁場ベクトルとの相互作用を通じて光検出磁気共鳴スペクトルが変化する蛍光物質を使ったスペクトル解析を実施することにより、蛍光計測を通して距離を評価していたFRET法に比べ、更に長距離情報、更には距離の絶対値を導出できるようにすることである。   An object of the present invention is to perform spectrum analysis using a fluorescent substance whose photodetection magnetic resonance spectrum changes through interaction of a dipole magnetic field formed around magnetized paramagnetic fine particles and a synthetic magnetic field vector of an external magnetic field. Thus, it is possible to derive further long-distance information and further the absolute value of the distance as compared with the FRET method in which the distance is evaluated through fluorescence measurement.

この目的を達成するため、本発明の蛍光顕微装置は、
(1)互いに直交した3軸方向から静磁場を合成印加できる電磁石システム、
(2)該電磁石システムが発生する静磁場の印加方向を変えながら蛍光体で標識された常磁性微粒子の蛍光検出磁気共鳴スペクトルを測定する蛍光検出磁気共鳴測定部、
(3)蛍光検出磁気共鳴スペクトルの蛍光強度の静磁場方向に対する角度依存性から蛍光体と常磁性微粒子の間の距離を求める演算部、
を備えたことを特徴としている。
In order to achieve this object, the fluorescence microscope of the present invention comprises:
(1) An electromagnet system capable of synthesizing and applying a static magnetic field from three orthogonal directions.
(2) a fluorescence detection magnetic resonance measurement unit for measuring a fluorescence detection magnetic resonance spectrum of paramagnetic fine particles labeled with a phosphor while changing the application direction of a static magnetic field generated by the electromagnet system;
(3) a calculation unit for obtaining the distance between the phosphor and the paramagnetic fine particles from the angle dependence of the fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum with respect to the direction of the static magnetic field,
It is characterized by having.

また、前記蛍光体は、NVCを有するダイヤモンドであることを特徴としている。   Further, the phosphor is a diamond having NVC.

また、前記常磁性微粒子は、酸化鉄微粒子であることを特徴としている。   The paramagnetic fine particles are iron oxide fine particles.

また本発明の蛍光顕微方法は、
(1)互いに直交した3軸方向から静磁場を合成印加できる電磁石システムを用いて、該電磁石システムが発生する静磁場の印加方向を変えながら蛍光体で標識された常磁性微粒子の蛍光検出磁気共鳴スペクトルを測定する工程、
(2)蛍光検出磁気共鳴スペクトルの蛍光強度の静磁場方向に対する角度依存性から蛍光体と常磁性微粒子の間の距離を求める工程、
から成ることを特徴としている。
Further, the fluorescence microscopic method of the present invention comprises:
(1) Fluorescence detection magnetic resonance of paramagnetic fine particles labeled with a phosphor using an electromagnet system capable of synthetically applying a static magnetic field from three orthogonal directions and changing the direction of application of the static magnetic field generated by the electromagnet system Measuring the spectrum;
(2) determining the distance between the phosphor and the paramagnetic fine particles from the angle dependence of the fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum with respect to the static magnetic field direction;
It is characterized by comprising.

また、前記蛍光体は、NVCを有するダイヤモンドであることを特徴としている。   Further, the phosphor is a diamond having NVC.

また、前記常磁性微粒子は、酸化鉄微粒子であることを特徴としている。   The paramagnetic fine particles are iron oxide fine particles.

本発明にかかる蛍光顕微装置によれば、
(1)互いに直交した3軸方向から静磁場を合成印加できる電磁石システム、
(2)該電磁石システムが発生する静磁場の印加方向を変えながら蛍光体で標識された常磁性微粒子の蛍光検出磁気共鳴スペクトルを測定する蛍光検出磁気共鳴測定部、
(3)蛍光検出磁気共鳴スペクトルの蛍光強度の静磁場方向に対する角度依存性から蛍光体と常磁性微粒子の間の距離を求める演算部、
を備えたので、
蛍光計測を通して距離を評価していたFRET法に比べ、長距離情報を導出することが可能になった。
According to the fluorescence microscope according to the present invention,
(1) An electromagnet system capable of synthesizing and applying a static magnetic field from three orthogonal directions.
(2) a fluorescence detection magnetic resonance measurement unit for measuring a fluorescence detection magnetic resonance spectrum of paramagnetic fine particles labeled with a phosphor while changing the application direction of a static magnetic field generated by the electromagnet system;
(3) a calculation unit for obtaining the distance between the phosphor and the paramagnetic fine particles from the angle dependence of the fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum with respect to the direction of the static magnetic field,
So that
Compared with the FRET method, where distance was evaluated through fluorescence measurement, it became possible to derive long-range information.

また、本発明にかかる蛍光顕微方法によれば、
(1)互いに直交した3軸方向から静磁場を合成印加できる電磁石システムを用いて、該電磁石システムが発生する静磁場の印加方向を変えながら蛍光体で標識された常磁性微粒子の蛍光検出磁気共鳴スペクトルを測定する工程、
(2)蛍光検出磁気共鳴スペクトルの蛍光強度の静磁場方向に対する角度依存性から蛍光体と常磁性微粒子の間の距離を求める工程、
から成るので、
蛍光計測を通して距離を評価していたFRET法に比べ、長距離情報を導出することが可能になった。
Further, according to the fluorescence microscopic method according to the present invention,
(1) Fluorescence detection magnetic resonance of paramagnetic fine particles labeled with a phosphor using an electromagnet system capable of synthetically applying a static magnetic field from three orthogonal directions and changing the direction of application of the static magnetic field generated by the electromagnet system Measuring the spectrum;
(2) determining the distance between the phosphor and the paramagnetic fine particles from the angle dependence of the fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum with respect to the static magnetic field direction;
Because it consists of
Compared with the FRET method, where distance was evaluated through fluorescence measurement, it became possible to derive long-range information.

従来の蛍光顕微装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional fluorescence microscope apparatus. FRET現象の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a FRET phenomenon. 蛍光体で標識された常磁性ナノ粒子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the paramagnetic nanoparticle labeled with fluorescent substance. 蛍光検出磁気共鳴スペクトルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a fluorescence detection magnetic resonance spectrum. 蛍光検出磁気共鳴法の理論的説明図である。It is a theoretical explanatory drawing of the fluorescence detection magnetic resonance method. 磁場方向を変えたときに蛍光検出磁気共鳴スペクトルに現れた信号の共鳴周波数の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the resonant frequency of the signal which appeared in the fluorescence detection magnetic resonance spectrum when the magnetic field direction was changed. 磁場方向を変えたときに蛍光検出磁気共鳴スペクトルに現れた信号の共鳴周波数の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the resonant frequency of the signal which appeared in the fluorescence detection magnetic resonance spectrum when the magnetic field direction was changed. 3軸制御電磁石システムを示す斜視図である。It is a perspective view which shows a 3 axis | shaft control electromagnet system. 3軸制御電磁石システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows a 3 axis | shaft control electromagnet system. 本発明にかかる蛍光顕微装置の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the fluorescence microscope apparatus concerning this invention. 本発明を用いた測定結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the measurement result using this invention.

本実施の形態では、磁場を感じて光検出磁気共鳴スペクトルが変化する蛍光物質のスペクトルを、任意の方位に静磁場を発生させることができる電磁石システムを使って、同スペクトルの角度依存性を測定する。信号位置は静磁場と双極子磁場の影響を受けて特異な角度依存性を示すので、NVCと常磁性物質との距離をパラメータとしてフィッティング処理を施し、残差が最小となる距離を導出することについて述べる。
[理論的説明]
ナノメートルのサイズを持つ常磁性物質と磁場との相互作用を通じて光検出磁気共鳴スペクトルが変化する蛍光物質を、化学合成技術を使って図3に示したように分子複合体に化学修飾する。これらは前出2分子FRETの場合では2つの分子にそれぞれ結合させておきその後に結合した分子複合体でも良く、前出1分子FRETのように一つの分子に結合した複合体であっても良い。
In this embodiment, the angle dependence of the spectrum of a fluorescent substance whose photodetection magnetic resonance spectrum changes by sensing a magnetic field is measured using an electromagnet system that can generate a static magnetic field in an arbitrary direction. To do. Since the signal position is influenced by the static magnetic field and the dipole magnetic field and shows a unique angle dependence, the fitting process is performed using the distance between the NVC and the paramagnetic substance as a parameter to derive the distance that minimizes the residual. Is described.
[Theoretical explanation]
A fluorescent substance whose photodetection magnetic resonance spectrum changes through the interaction between a paramagnetic substance having a nanometer size and a magnetic field is chemically modified into a molecular complex as shown in FIG. 3 using a chemical synthesis technique. In the case of the above-mentioned two-molecule FRET, it may be a molecular complex bonded to two molecules and then bonded to each other, or a complex bonded to one molecule like the above-mentioned one-molecule FRET. .

一例である前出のNVCでは、磁気共鳴に付随する光検出磁気共鳴スペクトルを測定すると、ゼロ磁場環境下では2.87GHzの周波数をもつ高周波電磁波を照射したときに蛍光強度減少が観測される。一方、磁場の存在によって、その減少を示す高周波周波数位置は2つに分裂し、磁場強度と共に広がっていく様子が観測できる(図4、Nature 455,648 (2008)から抜粋)。この現象を利用すれば、蛍光スペクトルの測定を通して磁場強度が計測できることになる。   In the above-mentioned NVC, which is an example, when a photodetection magnetic resonance spectrum associated with magnetic resonance is measured, a decrease in fluorescence intensity is observed when a high frequency electromagnetic wave having a frequency of 2.87 GHz is irradiated in a zero magnetic field environment. On the other hand, the presence of the magnetic field can be observed to divide the high frequency frequency position indicating the decrease into two and spread with the magnetic field strength (extracted from Fig. 4, Nature 455,648 (2008)). If this phenomenon is used, the magnetic field intensity can be measured through measurement of the fluorescence spectrum.

常磁性物質とNVCから構成される分子複合体においては、外部から静磁場を供給されて分極した常磁性物質が周囲に作る磁場は双極子磁場と呼ばれるベクトル量である。例えば、MRI造影剤に使われている超常磁性の特徴を持つ酸化鉄ナノ粒子のような材料は、磁場印加時に大きな磁化が誘起されるため、その周囲に双極子磁場と呼ばれるベクトル磁場が発生する。   In a molecular complex composed of a paramagnetic substance and NVC, the magnetic field created around the paramagnetic substance polarized by being supplied with a static magnetic field from the outside is a vector quantity called a dipole magnetic field. For example, materials such as iron oxide nanoparticles with superparamagnetic characteristics used in MRI contrast agents induce a large magnetization when a magnetic field is applied, and a vector magnetic field called a dipole magnetic field is generated around them. .

磁性粒子が原点(0,0,0)に置かれており、外部静磁場:ベクトルH0によって分極磁化:ベクトルM=χ・ベクトルHが距離ベクトル:ベクトルRだけ離れた位置に作る双極子磁場は、(式1)で表される。 A magnetic particle is placed at the origin (0,0,0), and an external static magnetic field: a dipole magnetic field created by a vector H 0 at a position of polarization magnetization: vector M = χ · vector H separated by a distance vector: vector R Is represented by (Formula 1).

Figure 2014059192
(式1)
(式1)を見ると明らかなように、双極子磁場は外部磁場ベクトルと距離ベクトルの内積を含む項や、2つの項のベクトル和で与えられる複雑な方向性を持ち、外部磁場の方位とその磁場強度に応じて、磁性粒子の双極子磁場の大きさ・方向・向きが変化する。
Figure 2014059192
(Formula 1)
As is clear from (Equation 1), the dipole magnetic field has a complicated direction given by the term including the inner product of the external magnetic field vector and the distance vector, and the vector sum of the two terms. The magnitude, direction, and direction of the dipole magnetic field of the magnetic particles change according to the magnetic field strength.

一方で、実験室座標系内で外部磁場の方位とNVCの位置が同じ実験室座標系内で定義できれば、NVC位置の合成磁場ベクトルを計算するのは容易である。図5では、原点に置かれた磁性体に外部から磁場を印加した時の分極磁化を黒い矢印で示し(左図)、その磁化がNVCの置かれている場所に発生する双極子磁場の様子を拡大表示している(中央図、右図、眺める角度が異なるが、同じ磁化方位時の状況)。NVCの位置では外部磁場も存在するために、NVCが感じる有効磁場はその両者の合成ベクトルとなる。   On the other hand, if the orientation of the external magnetic field and the NVC position can be defined in the same laboratory coordinate system in the laboratory coordinate system, it is easy to calculate the composite magnetic field vector at the NVC position. In FIG. 5, the polarization magnetization when a magnetic field is applied from the outside to the magnetic material placed at the origin is indicated by a black arrow (left figure), and the state of the dipole magnetic field generated at the place where the NVC is placed (Center view, right view, viewing angle is different, but the situation at the same magnetization orientation). Since an external magnetic field also exists at the position of NVC, the effective magnetic field felt by NVC is a composite vector of both.

双極子磁場の計算は、磁性粒子が原点(0,0,0)に置かれているので、NVCの位置(x、y、z)が与えられ、磁場の強度:Hとその方位単位ベクトル(e1,e2,e3)が判れば、(式1)を使って双極子磁場ベクトル:ベクトルHdipが求まる。NVC位置の合成ベクトル:ベクトルHtotal=ベクトルH0+ベクトルHdipは、外部磁場:ベクトルH0とベクトルHdipの各成分の加算で計算される。 In the calculation of the dipole magnetic field, since the magnetic particle is placed at the origin (0,0,0), the NVC position (x, y, z) is given, and the magnetic field strength: H and its orientation unit vector ( If e 1 , e 2 , e 3 ) are known, the dipole magnetic field vector: vector H dip is obtained using (Equation 1). The composite vector at the NVC position: vector H total = vector H 0 + vector H dip is calculated by adding each component of the external magnetic field: vector H 0 and vector H dip .

NVCの光検出磁気共鳴スペクトルはNVC主軸とNVCが感じる磁場方位と磁場強度に依存する。以下に要点を記述する。   The optical detection magnetic resonance spectrum of NVC depends on the main axis of the NVC, the magnetic field orientation felt by NVC, and the magnetic field strength. The main points are described below.

NVCは、S=1のスピン三重項状態を形成し、D=2.87GHzのゼロ磁場分裂を持つ。有限の磁場:ベクトルHtotalが存在する時には、(式2)の第二項に示されるゼーマンハミルトニアンが追加される。 NVC forms a spin triplet state with S = 1 and has a zero field splitting of D = 2.87 GHz. When a finite magnetic field: vector H total exists, the Zeeman Hamiltonian shown in the second term of (Expression 2) is added.

Figure 2014059192
(式2)
第一項のD=2.87GHzに相当する磁場強度(約0.1テスラ相当)に比べてベクトルHtotalの強度が弱い場合には、NVC主軸に沿ったゼロ磁場分裂による基本状態が第二項目のゼーマンハミルトニアンにより若干摂動を受けるが、その量はNVC主軸方位とベクトルHtotalとの成す角度に依存する(第二項目が内積であることに注意)。
Figure 2014059192
(Formula 2)
When the strength of the vector H total is weaker than the magnetic field strength corresponding to D = 2.87 GHz (corresponding to about 0.1 Tesla) in the first term, the basic state due to zero magnetic field split along the NVC main axis is the second item Zeeman Slightly perturbed by the Hamiltonian, the amount depends on the angle between the NVC principal axis orientation and the vector H total (note that the second item is the inner product).

NVC主軸に沿った基本状態、即ち、Sz=0と縮退したSz=+1と-1で表される純粋なスピン状態は、磁場の存在によって他の状態と混ざり合い、Sz=±1の状態の縮退が解かれることになる。結果として、3つのスピン状態(Sz=0、+1、-1)のエネルギー準位は以下に示す3×3の行列の対角化を経て決定され、Sz=0⇔Sz=+1と、Sz=0⇔Sz=-1の準位間遷移に相当するエネルギー差(これを、磁気共鳴分野では共鳴周波数と呼ぶ)が光検出磁気共鳴スペクトルに信号として現れる。   The basic state along the NVC main axis, that is, the pure spin state represented by Sz = 0 + 1 and -1 degenerated with Sz = 0 is mixed with other states due to the presence of the magnetic field, and the state of Sz = ± 1 The degeneration of will be solved. As a result, the energy levels of the three spin states (Sz = 0, +1, −1) are determined through diagonalization of the 3 × 3 matrix shown below, and Sz = 0⇔Sz = + 1, An energy difference corresponding to a transition between levels of Sz = 0⇔Sz = 1 (this is called a resonance frequency in the magnetic resonance field) appears as a signal in the photodetection magnetic resonance spectrum.

Figure 2014059192
(式3)
NVCが一個の場合には、Sz=0⇔Sz=+1と、Sz=0⇔Sz=-1の順位間遷移に相当する2つの共鳴周波数が出現するが、その周波数位置は上記の式2、式3からも明らかなようにベクトルHtotalの強度とNVC主軸との成す角度によって変化する。
Figure 2014059192
(Formula 3)
When there is one NVC, two resonance frequencies corresponding to the transition between the ranks of Sz = 0⇔Sz = + 1 and Sz = 0⇔Sz = −1 appear, and the frequency position is expressed by the above equation 2 As is clear from Equation 3, the angle varies depending on the angle between the intensity of the vector H total and the NVC main axis.

整理すると、光検出磁気共鳴スペクトルの信号周波数位置は、
(1)NVC主軸方位と合成磁場ベクトル方位、ならびに、合成磁場の強度に依存する。
(2)NVC位置の合成磁場は、方向が既知の外部磁場と前節で説明した双極子磁場とのベクトル和で与えられる。
To summarize, the signal frequency position of the photodetection magnetic resonance spectrum is
(1) It depends on the NVC principal axis direction, the synthetic magnetic field vector direction, and the strength of the synthetic magnetic field.
(2) The composite magnetic field at the NVC position is given by the vector sum of the external magnetic field whose direction is known and the dipole magnetic field described in the previous section.

一方、双極子磁場は
(1)原点にある磁性粒子とNVCとをつなぐ距離ベクトルと外部磁場方位(分極磁化方位)との成す角度に依存し、
(2)双極子強度は外部磁場の強度にも依存する。
On the other hand, the dipole magnetic field depends on (1) the angle formed by the distance vector connecting the magnetic particle at the origin and NVC and the external magnetic field orientation (polarization magnetization orientation).
(2) The dipole strength also depends on the strength of the external magnetic field.

つまり、ODMRスペクトルに現れる信号位置(周波数)は、
(1)Dの値
(2)実験室座標系で定義される 外部磁場方位(θh、φh)と強度H0
(3)実験室座標系で定義される 距離:R、距離方位角度(Rθ、Rφ)
(4)実験室座標系で定義される NVC主軸方位角度(NVCθ、NVCφ)、
(5)双極子磁場の変数である、磁化―これは外部磁場(強度H0と方位(Hθ、Hφ))と粒子当たりの帯磁率:χの掛け算に等しい、
の計10個の変数に依存する。
That is, the signal position (frequency) appearing in the ODMR spectrum is
(1) Value of D (2) External magnetic field orientation (θh, φh) and intensity H 0 defined in the laboratory coordinate system
(3) Distance defined in the laboratory coordinate system: R, distance azimuth angle (Rθ, Rφ)
(4) NVC principal axis azimuth angles (NVCθ, NVCφ) defined in the laboratory coordinate system,
(5) Magnetization, which is a variable of the dipole magnetic field—this is equal to the multiplication of the external magnetic field (strength H 0 and orientation (Hθ, Hφ)) and the magnetic susceptibility per particle: χ.
Depends on a total of 10 variables.

ただし、実際の実験では、
(1)昨今磁性ナノ粒子の物性評価や合成方法は確立されており、極めて均一な球形磁性ナノ粒子を作ることが可能になってきているので、磁性粒子の帯磁率:χは実測値(本文末の付録参照)を与えられると考えても良い、
(2)Dの値はゼロ磁場下での光検出磁気共鳴スペクトルから実測可能、
(3)印加する磁場強度と方位は実験室座標系では既知である。
However, in actual experiments,
(1) The physical properties evaluation and synthesis methods of magnetic nanoparticles have been established recently, and it has become possible to produce extremely uniform spherical magnetic nanoparticles. You may think that you are given
(2) The value of D can be measured from a photodetection magnetic resonance spectrum in a zero magnetic field,
(3) The applied magnetic field strength and orientation are known in the laboratory coordinate system.

従って、実験者が制御することのできないNVC主軸方位角度と、磁性粒子とNVCをつなぐ距離ベクトルに関する全5つの変数で、光検出磁気共鳴スペクトルをフィットすることになる。   Therefore, the photodetection magnetic resonance spectrum is fitted with the NVC principal axis azimuth angle that cannot be controlled by the experimenter and the five variables related to the distance vector connecting the magnetic particle and NVC.

そこで、任意の方位に外部磁場の回転軸を定義し、その軸面内で外部磁場を0〜180°回転させる方法を採用した。   Therefore, a method of defining the rotation axis of the external magnetic field in an arbitrary direction and rotating the external magnetic field by 0 to 180 ° within the axial plane was adopted.

例えば、鉛直上向きのZ軸を回転軸(極座標の角度表示を用いれば(0°、0°))とし、Z軸面内のX軸方向に外部磁場を印加する。この状態で光検出磁気共鳴スペクトルを測定し、信号位置を(ピークフィットか何かで)取得する。NVCが一つしか存在しない場合には、2つの信号位置が得られるはずである。   For example, an upward magnetic field is applied in the X-axis direction in the Z-axis plane with the Z-axis vertically upward as the rotation axis (if the polar coordinate angle display is used (0 °, 0 °)). In this state, the optical detection magnetic resonance spectrum is measured, and the signal position is acquired (by peak fit or something). If there is only one NVC, two signal positions should be obtained.

次に、Z軸面内でX軸からある角度回転した方向に外部磁場を印加し、同様に信号位置を取得する。この操作を繰り返すと、NVCが感じる合成磁場ベクトルの方向と強度が双極子磁場の影響を受けて変化し、図6のような角度依存性を示すことが期待される。   Next, an external magnetic field is applied in a direction rotated by an angle from the X axis in the Z axis plane, and the signal position is acquired in the same manner. When this operation is repeated, it is expected that the direction and intensity of the synthesized magnetic field vector felt by the NVC will change under the influence of the dipole magnetic field and show the angle dependence as shown in FIG.

上記ではZ軸面内で磁場を回転させたが、X軸(90°、0°)、ならびにY軸(90°、90°)を回転軸として外部磁場を回転させれば、NVCの主軸方位と距離ベクトルの方位を反映して、図7のような3種類の異なる角度依存性を持つ測定データが得られる。   In the above, the magnetic field is rotated in the Z-axis plane, but if the external magnetic field is rotated around the X-axis (90 °, 0 °) and the Y-axis (90 °, 90 °) as the rotation axis, the main axis orientation of NVC Reflecting the direction of the distance vector, three types of measurement data having different angular dependencies as shown in FIG. 7 are obtained.

以上のように、外部磁場方位を変化させながら光検出磁気共鳴スペクトルを逐次測定し、蛍光強度の減少として出現する信号周波数位置を磁場方位を変数として表示すると、磁性ナノ粒子が作る双極子磁場に影響された角度依存性データを得ることができる。
[実施例]
図8は、直交した3つの電磁石の模式図を示している。
As described above, the photodetection magnetic resonance spectrum is sequentially measured while changing the external magnetic field direction, and the signal frequency position that appears as a decrease in fluorescence intensity is displayed using the magnetic field direction as a variable. Affected angular dependence data can be obtained.
[Example]
FIG. 8 shows a schematic diagram of three orthogonal electromagnets.

図9は、当該電磁石に磁場を発生させるためのハードウエアブロックダイアグラムを示している。
3つの電磁石に電流を供給するために、電流電源と制御信号源から成る電気回路を用意する。コンピュータからの指令により、3つの独立した制御信号発生部で制御信号を発生させ、それぞれ対応する電流電源に供給する。
FIG. 9 shows a hardware block diagram for generating a magnetic field in the electromagnet.
In order to supply current to the three electromagnets, an electric circuit including a current power source and a control signal source is prepared. In response to a command from the computer, three independent control signal generators generate control signals and supply them to the corresponding current power sources.

以下では、任意方向に磁場を生成するために、各電磁石が担当する磁場成分の導出方法について述べる。   Hereinafter, a method for deriving a magnetic field component that each electromagnet takes charge of in order to generate a magnetic field in an arbitrary direction will be described.

まず、電磁石の位置ベクトルを求める。実験室系において、電磁石方位を以下の単位ベクトルで表す。   First, the position vector of the electromagnet is obtained. In the laboratory system, the electromagnet orientation is represented by the following unit vector.

Figure 2014059192
(式4)
ここで、θは試料面から垂直方向に伸びたZ軸からの開角、φは電磁石1を基準に取ったときのZ面内での電磁石1から電磁石2への角度であり、φ=120°である。Mag1vectorとMag2vectorが直交する条件を考慮すると、両者の内積がゼロである必要があるので、
Figure 2014059192
(Formula 4)
Here, θ is an open angle from the Z-axis extending vertically from the sample surface, φ is an angle from the electromagnet 1 to the electromagnet 2 in the Z plane when the electromagnet 1 is taken as a reference, and φ = 120 °. Considering the condition that Mag1vector and Mag2vector are orthogonal, the inner product of both needs to be zero.

Figure 2014059192

これによりθ≒54.7°と求まる。したがって、各電磁石の方位ベクトルは以下定数となる。
Figure 2014059192

As a result, θ≈54.7 ° is obtained. Therefore, the orientation vector of each electromagnet is a constant below.

Figure 2014059192

次に、希望する静磁場の方向を、以下の実験室系単位ベクトルで定義する。
Figure 2014059192

Next, the desired direction of the static magnetic field is defined by the following laboratory system unit vector.

Figure 2014059192
(式5)
静磁場強度H0を上記方向に発生させたい場合には、H0の各電磁石方向への射影成分を各電磁石によって発生させれば良い。
Figure 2014059192
(Formula 5)
When it is desired to generate the static magnetic field strength H 0 in the above direction, the projection component of H 0 in the direction of each electromagnet may be generated by each electromagnet.

Figure 2014059192
(式6)
以下に、実験室系で定義される(θh、φh)の組み合わせとして代表的な例、(0,0)、(90,0)、(90,90)、(90,180)、(90,270)、(180,0)時の各電磁石の供給磁場強度成分を示す。
Figure 2014059192
(Formula 6)
The following are typical examples of (θh, φh) combinations defined in the laboratory system: (0,0), (90,0), (90,90), (90,180), (90,270), ( 180,0) shows the magnetic field strength component of each electromagnet.

Figure 2014059192
Figure 2014059192

Figure 2014059192
Figure 2014059192

Figure 2014059192

任意の方向に回転軸を設定し、その周りを回転する磁場を発生したい場合には、以下の行列演算を実施することで、磁場方位ベクトル:ベクトルHを求めることができる。
Figure 2014059192

When a rotation axis is set in an arbitrary direction and a magnetic field rotating around the rotation axis is desired, a magnetic field direction vector: vector H can be obtained by performing the following matrix calculation.

まず、通常の座標変換行列を以下のように定義する。   First, a normal coordinate transformation matrix is defined as follows.

Figure 2014059192
(式7)
それぞれの式は行列で書くと以下と同じである。
Figure 2014059192
(Formula 7)
Each formula is the same as the following when written as a matrix.

Figure 2014059192

上記行列式を使って、X軸上にあった単位ベクトルv={1,0,0}をZ軸周りに任意の角度:αを回転させ、実験室系鉛直Z軸方向からの角度をθとしてY軸周りにθ、再度実験室系鉛直Z軸周りに角度φを回転させると、
Figure 2014059192

Using the above determinant, the unit vector v = {1,0,0} on the X-axis is rotated around the Z-axis by an arbitrary angle: α, and the angle from the laboratory system vertical Z-axis direction is θ As θ around the Y axis and again rotating the angle φ around the laboratory vertical Z axis,

Figure 2014059192
(式8)
となる。即ち、実験室系で定義された{θ、φ}方向を方位軸としてその面内で回転する磁場方位ベクトル:ベクトルHは、上記式に代入することで得られる。各電磁石が担当する磁場強度は、前出の計算に習って、磁場強度:H0を乗じたベクトルHの各電磁石への射影成分を計算すればよい。
Figure 2014059192
(Formula 8)
It becomes. That is, a magnetic field azimuth vector: vector H that rotates in the plane with the {θ, φ} direction defined in the laboratory system as the azimuth axis is obtained by substituting into the above equation. The magnetic field intensity that each electromagnet takes charge of may be obtained by calculating the projection component to each electromagnet of the vector H multiplied by the magnetic field intensity: H 0 according to the above calculation.

直交した三軸電磁石システムを使って、光検出磁気共鳴スペクトルの角度依存性を計測・収集する手順について、図9を説明する。   A procedure for measuring and collecting the angular dependence of the photodetection magnetic resonance spectrum using the orthogonal triaxial electromagnet system will be described with reference to FIG.

(1)磁場を回転させる方位{θ、φ}を設定する。また、回転軸面内での回転角:αを定義し、0°とする。   (1) The direction {θ, φ} for rotating the magnetic field is set. Further, a rotation angle in the rotation axis plane: α is defined and set to 0 °.

(2)式(8)を使って、直交した3つの電磁石が担う磁場を供給するように、図9ないしは図10のコンピュータ(10-8)から制御信号部に指令を送る。   (2) Using the equation (8), a command is sent from the computer (10-8) of FIG. 9 to FIG. 10 to the control signal unit so as to supply the magnetic field carried by the three orthogonal electromagnets.

(3)制御信号部は通常デジタルーアナログ回路になっており、次の電源部(図10内の10−17)への参照信号を発生させる。   (3) The control signal section is usually a digital-analog circuit, and generates a reference signal to the next power supply section (10-17 in FIG. 10).

(4)電源部(図10内の10−17)は入力された参照電圧値に対し、電源部内部で定義されたゲインに従って電流を電磁石部(図10内の10−16)へ供給する。   (4) The power supply unit (10-17 in FIG. 10) supplies a current to the electromagnet unit (10-16 in FIG. 10) according to the gain defined in the power supply unit with respect to the input reference voltage value.

(5)与えられた電流によって、各電磁石(図10内の10−16)は担当する磁場を発生する。   (5) Each electromagnet (10-16 in FIG. 10) generates a magnetic field in charge according to the applied current.

光検出磁気共鳴スペクトルを測定するための装置について説明する。   An apparatus for measuring a photodetection magnetic resonance spectrum will be described.

図10は装置構成の一例であり、図1で示された一般的な蛍光顕微鏡装置の構成を発展させたものである。励起用光源(10-1)から出力された光はダイクロイックミラー(10-2)を通して顕微鏡対物レンズ(10-3)へ導入され、適当なビーム径に収束されて試料(10-4)に照射される。試料には既にユーザーが調製した磁性ナノ粒子(10-11)と磁場を感じて蛍光スペクトルが変化する蛍光体(NVC)(10-5)が分子間相互作用によって分子複合体を形成しており、両者間距離が近接しているものとする。NVC(10-5)からの蛍光は励起光と同じ光路を通り、ダイクロイックミラー(10-2)、更にバンドパスフィルター(10-6)などを通して希望の波長だけを選別し、高感度冷却CCD(10-7)などを使って二次元画像として蛍光強度を計測し、コンピュータ(10-8)に取り込まれる。顕微鏡ステージの位置を正確に制御するために、顕微鏡ステージ制御回路(10-9)を介したフィードバック回路を用意しても良い。   FIG. 10 shows an example of the apparatus configuration, which is an extension of the configuration of the general fluorescence microscope apparatus shown in FIG. The light output from the excitation light source (10-1) is introduced into the microscope objective lens (10-3) through the dichroic mirror (10-2), converged to an appropriate beam diameter, and irradiated onto the sample (10-4). Is done. In the sample, magnetic nanoparticles (10-11) already prepared by the user and a phosphor (NVC) (10-5) whose fluorescence spectrum changes by sensing a magnetic field form a molecular complex by intermolecular interaction. Suppose that the distance between the two is close. The fluorescence from NVC (10-5) passes through the same optical path as the excitation light, and only the desired wavelength is selected through a dichroic mirror (10-2) and further a bandpass filter (10-6), and a high-sensitivity cooled CCD ( The fluorescence intensity is measured as a two-dimensional image using 10-7) or the like, and is taken into the computer (10-8). In order to accurately control the position of the microscope stage, a feedback circuit via a microscope stage control circuit (10-9) may be prepared.

一方、試料内NVC(10-5)に対して電子スピン磁気共鳴現象を発生させるために、高周波磁場照射を実施する。磁気共鳴を発生させるための高周波は高周波発信器(10-12)から出力される。高周波出力信号は高周波アンプ(10-13)によって増幅されて、試料に近接して設置されている高周波コイル(10-14)へと導入され、高周波磁場が試料内蛍光体(10-5)に照射される。磁気共鳴に付随する蛍光強度減少量を測定するために、高周波磁場の周波数を更新しながら蛍光強度の二次元画像取得を繰り返す。高周波周波数の更新や蛍光強度画像取得は装置を制御するコンピュータ(10−8)でそのタイムスケジュールを実施しても良く、または、マスタークロックならびに各装置の作業開始指示を与えるパルス回路(10-15)を用意しても良い。   On the other hand, in order to generate an electron spin magnetic resonance phenomenon with respect to the NVC (10-5) in the sample, high frequency magnetic field irradiation is performed. A high frequency for generating magnetic resonance is output from a high frequency transmitter (10-12). The high frequency output signal is amplified by a high frequency amplifier (10-13) and introduced into a high frequency coil (10-14) installed close to the sample, and a high frequency magnetic field is applied to the in-sample phosphor (10-5). Irradiated. In order to measure the amount of decrease in fluorescence intensity associated with magnetic resonance, two-dimensional image acquisition of fluorescence intensity is repeated while updating the frequency of the high-frequency magnetic field. The time schedule of the update of the high frequency frequency and the acquisition of the fluorescence intensity image may be carried out by a computer (10-8) for controlling the apparatus, or a pulse circuit (10-15 for giving a master clock and an instruction to start the operation of each apparatus ) May be prepared.

高周波磁場の周波数を設定しその環境で測定された蛍光強度画像データは、コンピュータ(10−8)に取り込まれる。コンピュータ内部では、強度計測のために事前に選択しておいた蛍光輝点の最大値または輝点を囲む領域に渡った積分値または平均値を計測し、メモリに格納しておく。この作業を高周波磁場の周波数をパラメータとして繰り返し、磁気共鳴に付随する蛍光強度スペクトルを計測する。これらはコンピュータ(10−8)の測定制御部で実施される。   The fluorescence intensity image data set in the environment with the frequency of the high frequency magnetic field set is taken into the computer (10-8). In the computer, the maximum value of fluorescent luminescent spots selected in advance for intensity measurement or the integrated value or average value over the area surrounding the luminescent spots is measured and stored in the memory. This operation is repeated with the frequency of the high-frequency magnetic field as a parameter, and the fluorescence intensity spectrum accompanying magnetic resonance is measured. These are implemented by the measurement control unit of the computer (10-8).

(6)与えられた磁場下で計測された光検出磁気共鳴スペクトルに対し、最小二乗法などを使った自動フィッティングツールを使って信号位置を算出する。   (6) A signal position is calculated with respect to the photodetection magnetic resonance spectrum measured under a given magnetic field using an automatic fitting tool using a least square method or the like.

(7)コンピュータ(10-8)の磁場角度を更新し、手順2から同じ作業を繰り返す。   (7) Update the magnetic field angle of the computer (10-8) and repeat the same work from step 2.

(8)設定した回転角度範囲内で光検出磁気共鳴スペクトル、更には信号位置の算出が終了したら、次の回転軸に対する同様な磁場回転を実施し、信号算出を実施する。   (8) When the calculation of the photodetection magnetic resonance spectrum and further the signal position within the set rotation angle range is completed, the same magnetic field rotation with respect to the next rotation axis is performed, and the signal calculation is performed.

例えば、{0、0}、{90、0}、{90、90}を回転軸と定義した場合、一例として、図11左図のような角度依存性を取得するかもしれない。これは、常磁性微粒子とNVCを含むダイヤモンドが結合した分子複合体を配向させることはできないため、実験室座標系で定義される磁場方位に対するNVCからの信号の角度依存性は常に任意の位相差を持って観測されることによる。   For example, when {0, 0}, {90, 0}, {90, 90} are defined as rotation axes, as an example, the angle dependency as shown in the left diagram of FIG. 11 may be acquired. This is because the molecular complex in which paramagnetic fine particles and diamond containing NVC are bonded cannot be oriented, so the angular dependence of the signal from NV to the magnetic field orientation defined in the laboratory coordinate system is always an arbitrary phase difference. By being observed.

図11右図は、式(1)、式(2)を使って非線形最小二乗法アルゴリズムを使って距離を算出した例である。   The right diagram in FIG. 11 is an example in which the distance is calculated using the nonlinear least squares algorithm using the equations (1) and (2).

Claims (6)

(1)互いに直交した3軸方向から静磁場を合成印加できる電磁石システム、
(2)該電磁石システムが発生する静磁場の印加方向を変えながら蛍光体で標識された常磁性微粒子の蛍光検出磁気共鳴スペクトルを測定する蛍光検出磁気共鳴測定部、
(3)蛍光検出磁気共鳴スペクトルの蛍光強度の静磁場方向に対する角度依存性から蛍光体と常磁性微粒子の間の距離を求める演算部、
を備えたことを特徴とする蛍光顕微装置。
(1) An electromagnet system capable of synthesizing and applying a static magnetic field from three orthogonal directions.
(2) a fluorescence detection magnetic resonance measurement unit for measuring a fluorescence detection magnetic resonance spectrum of paramagnetic fine particles labeled with a phosphor while changing the application direction of a static magnetic field generated by the electromagnet system;
(3) a calculation unit for obtaining the distance between the phosphor and the paramagnetic fine particles from the angle dependence of the fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum with respect to the direction of the static magnetic field,
A fluorescence microscopic device comprising:
前記蛍光体は、NVセンターを有するダイヤモンド微粒子であることを特徴とする請求項1記載の蛍光顕微装置。 2. The fluorescence microscope according to claim 1, wherein the phosphor is diamond fine particles having an NV center. 前記常磁性微粒子は、酸化鉄微粒子であることを特徴とする請求項1記載の蛍光顕微装置。 2. The fluorescence microscope according to claim 1, wherein the paramagnetic fine particles are iron oxide fine particles. (1)互いに直交した3軸方向から静磁場を合成印加できる電磁石システムを用いて、該電磁石システムが発生する静磁場の印加方向を変えながら蛍光体で標識された常磁性微粒子の蛍光検出磁気共鳴スペクトルを測定する工程、
(2)蛍光検出磁気共鳴スペクトルの蛍光強度の静磁場方向に対する角度依存性から蛍光体と常磁性微粒子の間の距離を求める工程、
から成ることを特徴とする蛍光顕微方法。
(1) Fluorescence detection magnetic resonance of paramagnetic fine particles labeled with a phosphor using an electromagnet system capable of synthetically applying a static magnetic field from three orthogonal directions and changing the direction of application of the static magnetic field generated by the electromagnet system Measuring the spectrum;
(2) determining the distance between the phosphor and the paramagnetic fine particles from the angle dependence of the fluorescence intensity of the fluorescence detection magnetic resonance spectrum with respect to the static magnetic field direction;
A fluorescence microscopic method characterized by comprising:
前記蛍光体は、NVセンターを有するダイヤモンドであることを特徴とする請求項4記載の蛍光顕微方法。 5. The fluorescence microscopic method according to claim 4, wherein the phosphor is diamond having an NV center. 前記常磁性微粒子は、酸化鉄微粒子であることを特徴とする請求項4記載の蛍光顕微方法。 The fluorescence microscopic method according to claim 4, wherein the paramagnetic fine particles are iron oxide fine particles.
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