JP2015022070A - Optical microscope system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an optical microscope system capable of observing in a super-resolution manner how a plurality of molecules and nano-structures existing within an optical diffraction limit size move at a high speed equal to or more than a video rate.SOLUTION: The optical microscope system includes: a laser light source 3 for radiating an excitation light which causes a fluorescence probe to emit a light in excitation; an optical system 8 for obtaining an optical image of the fluorescence probe excited by the excitation light; a spectrometer 11 for subjecting an optical image of the fluorescence probe to an imaging spectral; and an imaging device 12 for obtaining an imaged image by imaging a spectral image obtained by the spectrometer; and analysis means for analyzing the imaged image and estimating respective positions of the fluorescence proves of a plurality of colors from the light point distribution.

Description

本開示は、光の回折限界サイズ以下であるナノメートルオーダーでの分解能で光学像を取得可能な超解像の光学顕微鏡システムに関し、特に、複数色の蛍光性粒子の位置を同時に把握することができる光学顕微鏡システムに関する。   The present disclosure relates to a super-resolution optical microscope system capable of acquiring an optical image with a resolution on the order of nanometers that is less than the diffraction limit size of light, and in particular, can simultaneously grasp the positions of fluorescent particles of multiple colors. It is related with the optical microscope system which can be performed.

光学顕微鏡とその周辺装置は、さまざまな分野での研究に貢献しているが、近年は特に観察対象物を撮像装置により撮像する機能を備え、撮像した静止画像や動画像の画像データをコンピュータや大型モニタなどの外部機器に送出して、画像解析や現象解析に供されるようになっている。また、光学顕微鏡により取得された画像を解析する解析手段が組み合わされることで、光学顕微鏡単体では把握不可能な、可視光域では数百ナノメートルオーダーである光の回折限界サイズ以下の微細な観察対象物を観察できる光学顕微鏡システムも実用化されている。   Optical microscopes and their peripheral devices have contributed to research in various fields.In recent years, optical microscopes and their peripheral devices have a function of capturing images of observation objects with an imaging device. It is sent to an external device such as a large monitor for image analysis and phenomenon analysis. In addition, by combining analysis means for analyzing images acquired with an optical microscope, it is impossible to grasp with an optical microscope alone, and it is possible to observe finely below the diffraction limit size of light that is in the order of several hundred nanometers in the visible light range. An optical microscope system that can observe an object has also been put into practical use.

例えば、生命科学研究の分野では、高解像度の光学顕微鏡を用いて細胞内部の微細構造の変化や細胞分化パターンの解析など行うために、蛍光性物質を標識として用いて、その分布状況や位置の変化を観察することが行われている。生命科学研究分野における高解像度顕微鏡を用いた観察方法として、光活性化局在顕微鏡法、一分子蛍光追跡技術などが知られている。   For example, in the field of life science research, a fluorescent substance is used as a label in order to analyze the changes in the fine structure of cells and cell differentiation patterns using a high-resolution optical microscope. Observing changes is being done. As an observation method using a high-resolution microscope in the life science research field, photo-activated localization microscopy, single-molecule fluorescence tracking technology, and the like are known.

光活性化局在顕微鏡法は、紫外線が照射されると活性化して励起光により発光する蛍光プローブによって観察対象の分子を標識し、分子内の蛍光プローブを順次活性化させてその位置を把握する作業を繰り返し、得た情報を画像として再構築するものである。活性化光の強度を制御して一度に活性化される蛍光プローブの数を制限することで、それぞれの蛍光プローブの発光を離散的な輝点として捉えることができ、得られた画像を合成することで、光学顕微鏡の光学系における回折解析サイズ以下の例えば10ナノメートルの分解能で分子像を得ることができる(非特許文献1、特許文献1参照)。   In photo-activated local microscopy, a molecule to be observed is labeled with a fluorescent probe that is activated when irradiated with ultraviolet light and emits light by excitation light, and the fluorescent probe in the molecule is sequentially activated to grasp its position. The work is repeated and the obtained information is reconstructed as an image. By controlling the intensity of the activation light and limiting the number of fluorescent probes activated at one time, the emission of each fluorescent probe can be regarded as discrete bright spots, and the resulting images are synthesized Thus, a molecular image can be obtained with a resolution of, for example, 10 nanometers, which is not more than the diffraction analysis size in the optical system of the optical microscope (see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

また、一分子蛍光追跡技術は、モータータンパク質や膜タンパク質の動態などを、1分子ずつ観察する方法である。観察対象の分子を蛍光プローブで標識し、全反射照明蛍光顕微鏡などの背景光の小さい顕微鏡法により観察することで、分子の輝点の動きを動画として観察することができる。ガウスフィット法などによって輝点の位置を特定する作業を動画として得られた各フレームの画像に対して行うことで、数ミリ〜数十ミリ秒の分解能で分子のナノメートルレベルでの動態を追跡することができる(非特許文献2参照)。   The single-molecule fluorescence tracking technique is a method for observing the dynamics of motor proteins and membrane proteins one molecule at a time. By observing a molecule to be observed with a fluorescent probe and observing it with a microscopic method with a small background light such as a total reflection illumination fluorescent microscope, the movement of the bright spot of the molecule can be observed as a moving image. Tracking the dynamics of molecules at the nanometer level with a resolution of several milliseconds to several tens of milliseconds by performing the task of identifying the location of a bright spot using a Gaussian fit method, etc., on each frame image. (See Non-Patent Document 2).

特開2010−102332号公報JP 2010-102332 A

Eric Betzig et al. "Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution" SCIENCE vol.313 1642-1645 (2006)Eric Betzig et al. "Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution" SCIENCE vol.313 1642-1645 (2006) Yildiz A el al. "Myosin V walks hand-over-hand: single fluorescent imaging with 1.5-nm localization" SCIENCE vol.300 2061-5 (2003)Yildiz A el al. "Myosin V walks hand-over-hand: single fluorescent imaging with 1.5-nm localization" SCIENCE vol.300 2061-5 (2003)

上記従来の光学顕微鏡を用いた観察手法によれば、いずれも光の回折限界サイズ以下の高い分解能での生体観察が可能である。   According to the observation methods using the conventional optical microscope, it is possible to observe a living body with a high resolution equal to or smaller than the diffraction limit size of light.

しかし、光活性化局在顕微鏡法では、一枚の超解像画像を得るために多数の画像を取得する必要があり、数分から数時間の時間が必要となる。このため、ナノメートル〜マイクロメートル空間で高速移動する生体分子の動態を観察することはできない。また、一分子蛍光追跡技術は、一分子の動態は観察できるが、光の回折限界以内の距離で近接する複数の分子の動きを同時に観察することができない。   However, in the photo-activated localized microscopy, it is necessary to acquire a large number of images in order to obtain a single super-resolution image, and a time of several minutes to several hours is required. For this reason, the dynamics of biomolecules that move at high speed in the nanometer to micrometer space cannot be observed. In addition, the single-molecule fluorescence tracking technology can observe the dynamics of a single molecule, but cannot simultaneously observe the movement of a plurality of molecules that are close to each other within a distance within the diffraction limit of light.

そこで本願は、上記した従来の課題を解決して、光の回折限界サイズ内に存在する複数個の分子やナノ構造体が運動する様子を、ビデオレートと同等以上の高速で超解像観察することができる光学顕微鏡システムを得ることを目的とする。   Therefore, the present application solves the above-mentioned conventional problems, and super-resolution observation of the movement of a plurality of molecules and nanostructures existing within the diffraction limit size of light at a high speed equivalent to or higher than the video rate. An object of the present invention is to obtain an optical microscope system.

上記課題を解決するために、本願で開示する光学顕微鏡システムは、複数色の蛍光プローブを用いて光の回折限界以下のサイズの対象物の光学画像を取得する光学顕微鏡システムであって、前記蛍光プローブを励起発光させる励起光を照射するレーザー光源と、前記励起光により励起された前記蛍光プローブの光像を得る光学系と、前記光学系で得られた光像をイメージング分光する分光器と、前記分光器で得られた分光画像を撮像して撮像画像を得る撮像装置とを有する光学顕微鏡と、前記撮像画像を解析してその輝点分布から前記複数色の蛍光プローブそれぞれの位置を推定する解析手段とを備えたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an optical microscope system disclosed in the present application is an optical microscope system that acquires an optical image of an object having a size equal to or smaller than the diffraction limit of light using a plurality of color fluorescent probes, A laser light source for irradiating excitation light for exciting the probe, an optical system for obtaining an optical image of the fluorescent probe excited by the excitation light, a spectroscope for imaging spectroscopy of the optical image obtained by the optical system, An optical microscope having an imaging device that captures a spectral image obtained by the spectroscope to obtain a captured image, and analyzes the captured image and estimates the positions of the fluorescent probes of the plurality of colors from the bright spot distribution And an analyzing means.

本願で開示する光学顕微鏡システムは、複数色の蛍光プローブの光像を分光器で分光し、得られた分光画像を撮像した撮像画像を解析することで蛍光プローブそれぞれの位置を推定する。このため、光の回折限界サイズ以下の領域に存在する複数の蛍光プローブの位置をその発光色に基づいて正確に分離推定することができ、観察対象物の超解像、かつ、高速での観察画像を得ることができる。   The optical microscope system disclosed in the present application estimates the position of each fluorescent probe by analyzing a captured image obtained by spectrally dividing the light images of the fluorescent probes of a plurality of colors with a spectroscope. Therefore, it is possible to accurately estimate the position of multiple fluorescent probes existing in the region below the diffraction limit size of light based on the emission color, super-resolution of the observation object, and observation at high speed An image can be obtained.

本実施形態にかかる光学顕微鏡システムにおける、光学顕微鏡部分の概略構成を説明するためのブロック図。The block diagram for demonstrating schematic structure of the optical microscope part in the optical microscope system concerning this embodiment. 本開示にかかる光学顕微鏡の原理を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the principle of the optical microscope concerning this indication. 測定対象のミオシンVと、本実施形態にかかる光学顕微鏡で得られた分光画像とを示す図。The figure which shows the myosin V of a measuring object and the spectral image obtained with the optical microscope concerning this embodiment. 2つの量子ドットについて、観察開始時点の位置からの距離と時間との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the distance from the position of an observation start time, and time about two quantum dots. 本実施形態の光学顕微鏡システムの変形例の構成を説明するブロック構成図。The block block diagram explaining the structure of the modification of the optical microscope system of this embodiment. 回転していない第1の光像と90°回転した回転光像、さらに、それらが分光された分光画像とを模式的に示す図。The figure which shows typically the 1st light image which is not rotating, the rotation light image which rotated 90 degrees, and also the spectral image which carried out the spectroscopy of them. 本実施形態の光学顕微鏡システムにより得られた、互いに回転した光像の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the optical image rotated by the optical microscope system of this embodiment mutually rotated. 光の回折限界サイズ内の領域に配置された3つの蛍光プローブの二次元位置を分離観測した状態を示す図。The figure which shows the state which isolate | separated and observed the two-dimensional position of the three fluorescent probes arrange | positioned in the area | region within the diffraction limit size of light. 複数色の蛍光プローブの位置変化を二次元の動画像として捉えた様子を説明する図。The figure explaining a mode that the position change of the fluorescence probe of multiple colors was caught as a two-dimensional moving image. 複数色の蛍光プローブの位置変化を二次元の動画像として捉えた様子を説明する図。The figure explaining a mode that the position change of the fluorescence probe of multiple colors was caught as a two-dimensional moving image. 分離光学系により得られた2つの光像において、同一の蛍光プローブからの発光を特定する方法を説明する図。The figure explaining the method to specify light emission from the same fluorescence probe in two optical images obtained by the separation optical system.

本開示の光学顕微鏡システムは、複数色の蛍光プローブを用いて光の回折限界以下のサイズの対象物の光学画像を取得する光学顕微鏡システムであって、前記蛍光プローブを励起発光させる励起光を照射するレーザー光源と、前記励起光により励起された前記蛍光プローブの光像を得る光学系と、前記光学系で得られた光像をイメージング分光する分光器と、前記分光器で得られた分光画像を撮像して撮像画像を得る撮像装置とを有する光学顕微鏡と、前記撮像画像を解析してその輝点分布から前記複数色の蛍光プローブそれぞれの位置を推定する解析手段とを備えている。   The optical microscope system of the present disclosure is an optical microscope system that acquires an optical image of an object having a size that is less than the diffraction limit of light using a plurality of color fluorescent probes, and irradiates excitation light that excites the fluorescent probe to emit light. A laser light source, an optical system for obtaining an optical image of the fluorescent probe excited by the excitation light, a spectroscope for imaging spectroscopy of the optical image obtained by the optical system, and a spectral image obtained by the spectroscope And an optical microscope having an imaging device that obtains a captured image, and an analysis unit that analyzes the captured image and estimates the positions of the fluorescent probes of the plurality of colors from the bright spot distribution.

このようにすることで、光の回折限界サイズである数百ナノメートルオーダーよりも小さい領域内に存在するため、光学的には互いに重なり合った状態で観察される複数色の蛍光プローブを、その発光色によって分離し、解析手段によってそれぞれの位置を推定することができる。このため、ナノメートルオーダーの高い分解能で対象物を観察することができる。また、カメラの撮像速度で、分光と空間座標取得が同時に行えるため、高速観察が可能となる。   By doing so, since it exists in a region smaller than the diffraction limit size of several hundreds of nanometers, the fluorescent probes of multiple colors that are observed in an optically overlapping state are emitted. Each position can be estimated by analyzing means and separated by color. For this reason, an object can be observed with high resolution of nanometer order. In addition, since observation and spatial coordinate acquisition can be performed simultaneously at the imaging speed of the camera, high-speed observation is possible.

本開示の光学顕微鏡システムにおいて、前記光学系が、前記蛍光プローブの第1の光像を得る第1の部分光学系と、前記第1の光像に対して左右いずれかに90°回転した回転光像を得る第2の部分光学系とからなる分割光学系を有し、前記分光器は、前記第1の部分光学系により得られた前記第1の光像と前記第2の部分光学系で得られた前記回転光像とを同時にイメージング分光し、前記撮像装置は、前記第1の光像の分光画像と前記回転光像の分光画像とを一つの撮像画像として撮像することが好ましい。このようにすることで、互いに90°回転した2つの光像に基づく分光画像を一つの撮像画像として取得することができる。   In the optical microscope system according to the present disclosure, the optical system includes a first partial optical system that obtains a first light image of the fluorescent probe, and a rotation that is rotated 90 ° to the left or right with respect to the first light image. A splitting optical system including a second partial optical system that obtains an optical image, and the spectroscope includes the first optical image obtained by the first partial optical system and the second partial optical system. It is preferable that the rotational light image obtained in step 1 is simultaneously imaged and the imaging device captures the spectral image of the first light image and the spectral image of the rotational light image as one captured image. By doing so, it is possible to acquire a spectral image based on two optical images rotated by 90 ° as one captured image.

また、前記第1の光像の分光画像と前記回転光像の分光画像から得られた、前記複数色の蛍光プローブそれぞれの位置を対応させることで、前記複数色の蛍光プローブの二次元の配置位置を特定することが好ましい。このようにすることで、観察対象物の二次元での位置情報を容易に取得することができる。   The two-dimensional arrangement of the fluorescent probes of the plurality of colors is made to correspond to the positions of the fluorescent probes of the plurality of colors obtained from the spectral image of the first light image and the spectral image of the rotated light image. It is preferable to specify the position. By doing so, it is possible to easily acquire the two-dimensional position information of the observation object.

さらに、前記蛍光プローブとして量子ドットを用いることが好ましい。一つの励起光により発光し、多数色の指標として実現可能である量子ドットを用いることで、最大十数個程度の複数色の蛍光プローブを同時に分離観察することができる。   Furthermore, it is preferable to use quantum dots as the fluorescent probe. By using quantum dots that are emitted by a single excitation light and can be realized as an index of multiple colors, a maximum of about a dozen or so fluorescent probes can be separated and observed simultaneously.

前記解析手段が、ガウスフィット法により前記撮像画像の輝度分布から前記蛍光プローブの位置を推定することが好ましい。ガウス関数を用いるガウスフィット法を用いることで、それぞれの蛍光プローブの位置を、高速かつ正確に推定することができる。   It is preferable that the analysis unit estimates the position of the fluorescent probe from the luminance distribution of the captured image by a Gaussian fit method. By using the Gaussian fit method using a Gaussian function, the position of each fluorescent probe can be estimated quickly and accurately.

前記撮像装置がビデオレート以上で前記撮像画像を撮像し、得られた撮像画像から前記蛍光プローブの位置変化の動画像を得ることが好ましい。このようにすることで、観察対象物の動態を動画像として観察することができる。   It is preferable that the imaging device captures the captured image at a video rate or higher, and obtains a moving image of the position change of the fluorescent probe from the obtained captured image. In this way, the dynamics of the observation object can be observed as a moving image.

また、前記光学顕微鏡は、当該顕微鏡装置の動作制御を行う制御部をさらに備え、前記解析手段が前記制御部の機能として組み込まれていることが好ましい。このようにすることで、高い分解能を実現した光学顕微鏡を単体で実現することができる。   Moreover, it is preferable that the said optical microscope is further provided with the control part which performs operation | movement control of the said microscope apparatus, and the said analysis means is incorporated as a function of the said control part. By doing in this way, the optical microscope which implement | achieved high resolution is realizable independently.

(実施の形態)
以下、本開示にかかる光学顕微鏡システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of an optical microscope system according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態にかかる光学顕微鏡システムにおける、光学顕微鏡部分の概略構成を説明するためのブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram for explaining a schematic configuration of an optical microscope portion in the optical microscope system according to the present embodiment.

図1に示す光学顕微鏡において、観察対象物1は、図1では図示しないステージに配置され、ステージを操作することでx、y、またはzの各方向それぞれに微調整が可能となっている。   In the optical microscope shown in FIG. 1, the observation object 1 is placed on a stage (not shown in FIG. 1), and fine adjustment is possible in each of the x, y, and z directions by operating the stage.

観察対象物1には、対物レンズ2を通して、レーザー光源3からのレーザー光4が照射される。レーザー光源3から照射されるレーザー光4は、一例として波長488nmの青色半導体レーザーとすることができる。   The observation object 1 is irradiated with the laser light 4 from the laser light source 3 through the objective lens 2. As an example, the laser light 4 emitted from the laser light source 3 can be a blue semiconductor laser having a wavelength of 488 nm.

レーザー光源3から照射されたレーザー光4は、ビームエキスパンダー5によって所定の太さの平行光束とされ、青色反射のダイクロイックミラー6によって反射されて、対物レンズ2を介して観察対象物1に照射される。対物レンズ2は、一例として開口数NA=1.4、倍率150倍のものを用いることができる。   The laser light 4 irradiated from the laser light source 3 is converted into a parallel light beam having a predetermined thickness by the beam expander 5, reflected by the blue reflecting dichroic mirror 6, and irradiated to the observation object 1 through the objective lens 2. The For example, the objective lens 2 having a numerical aperture NA = 1.4 and a magnification of 150 times can be used.

なお、図1では、レーザー光4が対物レンズ2を介して照射される同軸の落射照明の例を示したが、本実施形態の光学顕微鏡では、試料面全体を一様に照明する照明法(一様照明)であれば、図示した同軸の落射照明の他にも、側射照明、全反射照明、透過照明などの他の照明法も採用可能である。全反射照明を用いた場合には、溶液中に漂う蛍光物質からの背景光を抑制することができるので、試料中の蛍光プローブを検出しやすいというメリットがある。   1 shows an example of the coaxial epi-illumination in which the laser beam 4 is irradiated through the objective lens 2, but the optical microscope according to the present embodiment illuminates the entire sample surface uniformly ( In addition to the coaxial epi-illumination shown in the drawing, other illumination methods such as side illumination, total reflection illumination, and transmission illumination can be employed. When total reflection illumination is used, the background light from the fluorescent substance floating in the solution can be suppressed, so that there is an advantage that the fluorescent probe in the sample can be easily detected.

観察対象物1に照射されたレーザー光4は、観察対象物1に標識されている蛍光プローブを励起発光させる。なお、本実施形態では、蛍光プローブとして量子ドット(Quantum dot:QD)を用いている。量子ドットについての詳細は、後述する。   The laser light 4 irradiated to the observation object 1 excites the fluorescent probe labeled on the observation object 1 to emit light. In the present embodiment, quantum dots (QDs) are used as fluorescent probes. Details of the quantum dots will be described later.

レーザー光4により励起発光された蛍光プローブの光像7は、青色のレーザー光4に対して長波長側である緑色〜赤色側にシフトしている。このため、光像7は、対物レンズ2を通過した後青色反射のダイクロイックミラー6を透過し、レンズやミラー、絞りなどの光学部材により構成された拡大リレー光学系8により、トータル倍率が数百倍程度(本実施形態の場合は、一例として375倍)となるように拡大される。   The optical image 7 of the fluorescent probe excited and emitted by the laser beam 4 is shifted from the green to red side, which is the long wavelength side, with respect to the blue laser beam 4. For this reason, the optical image 7 passes through the objective lens 2 and then passes through the blue reflecting dichroic mirror 6, and has a total magnification of several hundreds by the magnifying relay optical system 8 composed of optical members such as a lens, a mirror and a diaphragm. It is enlarged so as to be about double (in the case of this embodiment, 375 times as an example).

拡大された観察対象物1の光像7は、集光レンズ9により集光されてスリット10を介して分光器11に入射し、分光される。本実施形態では、分光器11として分散型イメージング分光器を用いている。分光器11としては、反射型もしくは透過型の回折格子や反射型もしくは透過型のプリズムなどを用いた各種の分散型分光器を使用することができ、スリット10と垂直な軸方向に光波を分光するとともに、スリット10と平行な方向には空間位置情報がそのまま結像された分光画像が得られる。   The enlarged optical image 7 of the observation object 1 is collected by the condenser lens 9 and enters the spectroscope 11 through the slit 10 and is dispersed. In the present embodiment, a dispersive imaging spectroscope is used as the spectroscope 11. As the spectroscope 11, various dispersive spectroscopes using a reflective or transmissive diffraction grating, a reflective or transmissive prism, and the like can be used, and a light wave is split in an axial direction perpendicular to the slit 10. At the same time, a spectral image in which the spatial position information is directly imaged in the direction parallel to the slit 10 is obtained.

分光器11によって分光された蛍光プローブの発光7の分光画像は、分光器11に取り付けられた撮像装置12であるEM−CCD(Electron Multiplying CCD)により撮像されて、撮像画像が得られる。   The spectral image of the light emission 7 of the fluorescent probe dispersed by the spectroscope 11 is captured by an EM-CCD (Electron Multiplying CCD) which is an imaging device 12 attached to the spectroscope 11 to obtain a captured image.

撮像装置12が撮像した撮像画像は、図示しない解析手段としての解析部に出力され、解析部において撮像画像上の輝点分布に基づいてその中心位置としての蛍光プローブ位置が算出される。本実施形態の光学顕微鏡システムでは、撮像画像データから、蛍光プローブの中心位置を推定する手法として最も優れているとされる、ガウス関数によりフィッティングを行うガウスフィット法を用いている。また、本実施形態の光学顕微鏡システムでは、撮像画像における輝点の分布形状を考慮して楕円ガウス関数を用いたガウスフィット法を用いている。なお、ガウスフィット法以外にも、相互相関によるパターンフィッティング法や、光強度を重みとした重心位置計算法などをはじめとする各種数値解析手法を用いることができる。   The captured image captured by the imaging device 12 is output to an analysis unit (not shown) as analysis means, and the analysis unit calculates the fluorescent probe position as the center position based on the bright spot distribution on the captured image. The optical microscope system according to the present embodiment uses a Gaussian fitting method that performs fitting using a Gaussian function, which is the most excellent method for estimating the center position of a fluorescent probe from captured image data. In the optical microscope system of the present embodiment, the Gaussian fit method using an elliptic Gaussian function is used in consideration of the distribution shape of bright spots in the captured image. In addition to the Gaussian fit method, various numerical analysis methods such as a pattern fitting method based on cross correlation and a centroid position calculation method using light intensity as a weight can be used.

なお、本実施形態の光学顕微鏡システムにおける解析部は、取得した撮像画像データに対して一定の計算処理を行い、蛍光プローブの位置を把握してその位置データを出力可能なものであればよい。このため、解析部は、撮像装置12で撮像された撮像画像が入力されたコンピュータとして実現することができる。また、光学顕微鏡がレーザー光源3や観察対象物1が配置されたステージの移動制御、オートフォーカス制御などの顕微鏡装置自体の各種制御を行う制御部を備えている場合などに、解析手段は、制御部におけるマイコンユニットに組み込まれた一つの機能として光学顕微鏡と一体で実現することができる。   In addition, the analysis part in the optical microscope system of this embodiment should just perform a fixed calculation process with respect to the acquired captured image data, grasp | ascertain the position of a fluorescent probe, and can output the position data. For this reason, an analysis part is realizable as a computer into which the captured image imaged with the imaging device 12 was input. In addition, when the optical microscope includes a control unit that performs various controls of the microscope apparatus itself, such as movement control of the stage on which the laser light source 3 and the observation object 1 are arranged, and autofocus control, the analysis means controls As one function incorporated in the microcomputer unit in the unit, it can be realized integrally with the optical microscope.

さらに、撮像装置12で撮像された画像、および/または、解析部で解析された結果としての蛍光プローブの位置を示す画像等を表示するモニタとして、解析部として機能する外部のコンピュータのディスプレイを用いることができる。さらに、光学顕微鏡が画像表示パネルを備え、この画像表示パネルを、解析部で解析された結果としての蛍光プローブの位置を示す画像等を表示するモニタとして利用する構成も可能である。   Further, a display of an external computer that functions as an analysis unit is used as a monitor that displays an image captured by the imaging device 12 and / or an image indicating the position of the fluorescent probe as a result of analysis by the analysis unit. be able to. Furthermore, the optical microscope may include an image display panel, and the image display panel may be used as a monitor that displays an image indicating the position of the fluorescent probe as a result of analysis by the analysis unit.

図2は、本開示にかかる光学顕微鏡システムによって、観察対象物として、光の回折限界サイズ以下である数十ナノメートルレベルの領域に配置された複数色の蛍光プローブを分離区別して、それぞれの蛍光プローブの位置を把握できる原理を説明するための模式図である。   FIG. 2 shows an optical microscope system according to the present disclosure that separates and distinguishes a plurality of color fluorescent probes arranged in a region of several tens of nanometers that are equal to or smaller than the diffraction limit size of light as an observation target, It is a schematic diagram for demonstrating the principle which can grasp | ascertain the position of a probe.

図2において、図2(a)が観察対象物としての蛍光プローブの配置状態を、図2(b)が図1を用いてその構成を説明した光学顕微鏡により光学的に把握された観察対象物の光像を、図2(c)が分光器により分光された分光画像を、それぞれ示している。   In FIG. 2, FIG. 2 (a) shows an arrangement state of fluorescent probes as observation objects, and FIG. 2 (b) shows an observation object optically grasped by an optical microscope whose structure has been described with reference to FIG. FIG. 2C shows a spectral image obtained by spectrally dividing the optical image.

図2(a)に示すように、4色の蛍光プローブが観察対象物において密集した状態で配置されているとする。図2(a)に示す蛍光プローブは、上から緑色21、オレンジ22、黄色23、赤色24の順に並んだ4色である。なお、本実施形態の光学顕微鏡システムでは、蛍光プローブとして各色の量子ドットが使用された状態を想定している。蛍光プローブとして使用される量子ドットは、ポリマーコーティングされた粒子径が数ナノメートル〜20ナノメートル程度の半導体微粒子であり、市販品としては、500nmから800nmのものが広く流通している。   As shown in FIG. 2A, it is assumed that the fluorescent probes of four colors are arranged in a dense state in the observation object. The fluorescent probe shown in FIG. 2A has four colors arranged in the order of green 21, orange 22, yellow 23, and red 24 from the top. In the optical microscope system of the present embodiment, it is assumed that each color quantum dot is used as a fluorescent probe. Quantum dots used as fluorescent probes are semiconductor fine particles having a polymer-coated particle diameter of about several nanometers to 20 nanometers, and commercially available products having a particle diameter of 500 nm to 800 nm are widely distributed.

蛍光プローブである量子ドットの粒径が光の回折限界である数百ナノメートルを下回っているため、図2(b)に示す、光学顕微鏡により得られた光像(一例として375倍のもの)では、4つの量子ドット21〜24の輝点がいずれも滲んで一つに重なり合っていて、これを区分することはできない状態である。   Since the particle size of the quantum dot, which is a fluorescent probe, is less than several hundred nanometers, which is the diffraction limit of light, an optical image obtained by an optical microscope shown in FIG. Then, all of the bright spots of the four quantum dots 21 to 24 are blurred and overlapped with each other, and this cannot be distinguished.

一方、図2(b)に示した光像を分光器でスペクトル分離した、図2(c)に示す分光画像では、4つの量子ドット21〜24が、左から緑色21、黄色23、オレンジ22、赤色24の順に分離して表示される。それぞれの輝点は光の回折限界以下のサイズであるために分光画像においても滲んでいるが、スペクトルに応じて図中横方向に分離されて表示されているため、4つの輝点を別々に把握することが可能である。このように、分光器によってスペクトル分離された4つの輝点それぞれに対して、ガウスフィット法による数値解析を行って、輝点の輝度分布形状からその中心位置を推定することができる。この結果、図2(c)に示すように、4つの量子ドット21〜24のY方向の位置(Y座標値)y1〜y4を特定することができる。   On the other hand, in the spectroscopic image shown in FIG. 2C in which the optical image shown in FIG. 2B is spectrally separated by a spectroscope, four quantum dots 21 to 24 are green 21, yellow 23, orange 22 from the left. , And red 24 in order. Since each bright spot is smaller than the diffraction limit of light, it is blurred in the spectroscopic image, but it is displayed separately in the horizontal direction in the figure according to the spectrum. It is possible to grasp. As described above, numerical analysis by the Gaussian fit method is performed on each of the four bright spots spectrally separated by the spectroscope, and the center position can be estimated from the brightness distribution shape of the bright spots. As a result, as shown in FIG. 2C, the Y-direction positions (Y coordinate values) y1 to y4 of the four quantum dots 21 to 24 can be specified.

本実施形態にかかる光学顕微鏡システムでは、分光画像を撮像した撮像画像の画像データを用いて、分光画像として現れた各輝点に対して解析部がガウスフィット法によりその中心位置を計算している。特に、図2(c)に示すように、分光器によりスペクトル分光された分光画像における輝点が、スペクトル解析を行っている関係から真円ではなく横長の長円形となることに対応して、前述のように楕円ガウス関数を用いたガウスフィット法による解析を行い、横方向である分光の方向と縦方向とで幅が異なることを想定したフィッティングパラメータを用いている。このように、一つの輝点に対してガウスフィット法での解析を行う対象となる領域を、真円ではなく長円形であるとして解析対象のデータを予め限定するなどの工夫によって、撮像画像の画像データから輝点の中心位置を推定するまでに必要な処理時間を短縮することができる。   In the optical microscope system according to the present embodiment, using the image data of the captured image obtained by capturing the spectral image, the analysis unit calculates the center position of each bright spot appearing as the spectral image by the Gaussian fit method. . In particular, as shown in FIG. 2 (c), the bright spot in the spectral image spectrally dispersed by the spectroscope corresponds to a horizontally long oval shape instead of a perfect circle because of the spectral analysis. As described above, analysis is performed by the Gaussian fit method using an elliptic Gaussian function, and fitting parameters are used assuming that the width is different between the spectral direction and the vertical direction. As described above, the region to be analyzed by the Gaussian fit method for one luminescent spot is not an exact circle but an ellipse, and the data to be analyzed is limited in advance. Processing time required until the center position of the bright spot is estimated from the image data can be shortened.

図3、および、図4は、本実施形態の光学顕微鏡システムを用いて、モータータンパク質であるミオシンVがアクチンフィラメント上を移動している様子を、2つのモータード
メインそれぞれを異なる色の量子ドットで標識して観察した観察結果を示している。
FIGS. 3 and 4 show how the myosin V, which is a motor protein, moves on an actin filament using the optical microscope system of the present embodiment, and each of the two motor domains is represented by quantum dots of different colors. The observation result observed by labeling is shown.

図3の左側に模式図を示すように、アクチンフィラメント31上を移動するミオシン32の2本のそれぞれのモータードメイン(ヘッド部位)に、一方は緑色の量子ドット33(発光波長565nm)、もう一方に赤色の量子ドット34(発光波長655nm)の2色の量子ドットで標識する。具体的には、ミオシンのモータードメインをビオチン修飾し、ストレブトアビジン修飾した量子ドットをビオチンアビジン結合による標識を行った
このとき得られたビデオレートでの動画像から、1フレーム分の撮像画像をガウスフィット法を用いて解析して、それぞれの量子ドットの輝点位置を特定したものが、図3右側の写真である。図3右側の写真では、左側の輝点が緑色の量子ドット33を、右側の輝点が赤色の量子ドット34を、それぞれ示している。
As shown in the schematic diagram on the left side of FIG. 3, one of the two motor domains (head portions) of myosin 32 moving on the actin filament 31, one is a green quantum dot 33 (emission wavelength 565 nm), and the other is Are labeled with two-color quantum dots of red quantum dots 34 (emission wavelength 655 nm). Specifically, the myosin motor domain was modified with biotin, and the streptavidin-modified quantum dots were labeled with biotin-avidin binding. A photograph on the right side of FIG. 3 shows the luminescent spot position of each quantum dot analyzed using the Gaussian fit method. In the photograph on the right side of FIG. 3, the left bright spot indicates the green quantum dot 33, and the right bright spot indicates the red quantum dot 34.

また、図4は、2つの量子ドット33、34の、観察開始時点の位置である基点からの距離と時間との関係とを示すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the distance from the base point that is the position of the observation start time of the two quantum dots 33 and 34 and time.

図4から、2つの量子ドット33、34が、時に前後の位置を入れ替えながら交互に歩くようにして基点位置から移動する様子を明確に把握することができる。また、2つの量子ドット33、34が移動する様子を動画像として観察することも可能である。   From FIG. 4, it is possible to clearly grasp how the two quantum dots 33 and 34 move from the base point position while walking alternately while sometimes changing the front and rear positions. It is also possible to observe the movement of the two quantum dots 33 and 34 as a moving image.

このように、本実施形態の光学顕微鏡システムによれば、光の回折限界サイズ以下の極めて小さな領域における複数個の蛍光プローブの位置を、それぞれが近接した状態であっても正確に特定することができ、さらに、蛍光プローブの位置の変化をビデオレートでの動画像として表すことができる。このため、従来は直接的に観察することが困難であったタンパク質の動態などを、容易に観察することができる。   As described above, according to the optical microscope system of the present embodiment, it is possible to accurately specify the positions of a plurality of fluorescent probes in a very small region that is equal to or smaller than the diffraction limit size of light even if they are close to each other. Furthermore, the change in the position of the fluorescent probe can be expressed as a moving image at a video rate. For this reason, it is possible to easily observe protein dynamics and the like that have been difficult to observe directly in the past.

次に、本実施形態の光学顕微鏡システムの変形例として、蛍光プローブの二次元の位置を特定することができる光学顕微鏡の構成と、解析手段における蛍光プローブの位置の特定方法について説明する。   Next, as a modification of the optical microscope system of the present embodiment, a configuration of an optical microscope capable of specifying the two-dimensional position of the fluorescent probe and a method for specifying the position of the fluorescent probe in the analysis unit will be described.

図5は、本実施形態の光学顕微鏡システムの変形例の構成を説明するブロック構成図である。   FIG. 5 is a block configuration diagram illustrating a configuration of a modification of the optical microscope system of the present embodiment.

図5に示す変形例の光学顕微鏡システムでは、図1を用いて説明した光学顕微鏡部分の構成に加えて、拡大リレー光学系で拡大された観察対象物の光像を、そのままの向きの第1の光像と90°回転させた回転光像とに分割する分割光学系を備えている点が異なる。   In the modified optical microscope system shown in FIG. 5, in addition to the configuration of the optical microscope portion described with reference to FIG. 1, the optical image of the observation object magnified by the magnifying relay optical system is used as it is in the first direction. The difference is that a splitting optical system is provided that splits the light image into a rotated light image rotated by 90 °.

なお、図5に示した、変形例の光学顕微鏡システムの光学顕微鏡部分の構成において、レーザー光源3や対物レンズ2、分光器11や撮像装置12については、図1に示したものと同じものをそのまま用いることができる。このため、図5において、これら図1で説明した光学顕微鏡の構成と共通する部材には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。   In the configuration of the optical microscope portion of the modified optical microscope system shown in FIG. 5, the laser light source 3, the objective lens 2, the spectroscope 11, and the imaging device 12 are the same as those shown in FIG. It can be used as it is. For this reason, in FIG. 5, the same reference numerals are given to members common to the configuration of the optical microscope described in FIG. 1, and the detailed description thereof is omitted.

図5に示す光学顕微鏡の構成では、対物レンズ2、青色反射のダイクロイックミラー6を透過して、拡大リレー光学系8でトータル375倍に拡大された観測対象物1の光像7は、分割光学系41の無偏光型のハーフミラー42によって、2つの光像43、44に分離される。   In the configuration of the optical microscope shown in FIG. 5, the optical image 7 of the observation object 1 that is transmitted through the objective lens 2 and the blue-reflecting dichroic mirror 6 and is magnified 375 times in total by the magnification relay optical system 8 is divided optically. The two light images 43 and 44 are separated by the non-polarization type half mirror 42 of the system 41.

このうちの一方の光像である第1の光像43は、第1のミラー45、第2のミラー46、第3のミラー47と第1の集光レンズ48からなる第1の部分光学系49を経て、分光器11のスリット10に集光されて入射する。第1の部分光学系49を形成する第1のミラー45と第2のミラー46とが、互いにその反射面が正対するように配置されているため、第1の部分光学系49を経た第1の光像43は、対物レンズで得られた観察対象物1の光像7からの回転は生じていない。   A first optical image 43, which is one of these optical images, is a first partial optical system comprising a first mirror 45, a second mirror 46, a third mirror 47 and a first condenser lens 48. After passing through 49, the light is condensed and incident on the slit 10 of the spectroscope 11. Since the first mirror 45 and the second mirror 46 that form the first partial optical system 49 are arranged so that the reflecting surfaces thereof face each other, the first mirror passing through the first partial optical system 49 In the optical image 43, the rotation from the optical image 7 of the observation object 1 obtained by the objective lens does not occur.

ハーフミラー42によって分割された他方の光像である回転光像44は、第4のミラー50、第5のミラー51、第6のミラー52、集光レンズ53からなる第2の部分光学系54を経て、分光器11のスリット10に集光されて入射する。なお、スリット10において、第1の部分光学系49を経た第1の光像43と、第2の部分光学系54を経た回転光像44とは、その入射位置が重ならないように上下方向にずれて入射する。図5に示した例の場合は、第1の部分光学系49を経た第1の光像43が上側に入射するようになっている。   A rotating light image 44 that is the other light image divided by the half mirror 42 is a second partial optical system 54 including a fourth mirror 50, a fifth mirror 51, a sixth mirror 52, and a condenser lens 53. Then, the light is condensed and incident on the slit 10 of the spectroscope 11. Note that, in the slit 10, the first light image 43 that has passed through the first partial optical system 49 and the rotated light image 44 that has passed through the second partial optical system 54 are vertically moved so that their incident positions do not overlap. Incidently shifted. In the case of the example shown in FIG. 5, the first optical image 43 that has passed through the first partial optical system 49 is incident on the upper side.

第2の部分光学系54では、第4のミラー50の反射面がハーフミラー42の反射面に対して90°ずれた方向に配置されているため、第2の部分光学系54を経た回転光像44は、第1の部分光学系49を経た第1の光像43と比較して、90°回転した光像となっている。   In the second partial optical system 54, the reflecting surface of the fourth mirror 50 is arranged in a direction shifted by 90 ° with respect to the reflecting surface of the half mirror 42, so that the rotated light that has passed through the second partial optical system 54. The image 44 is a light image rotated by 90 ° as compared with the first light image 43 that has passed through the first partial optical system 49.

図6は、図5で説明した分割光学系を経て分光器に入射した、回転していない第1の光像と90°回転した回転光像、さらに、それぞれの光像の分光器により分光された分光画像とを模式的に示したものである。   FIG. 6 shows a first non-rotated light image and a rotated light image rotated by 90 ° incident on the spectroscope through the split optical system described in FIG. The spectral image is schematically shown.

図6において、図6(a)が観察対象物としての蛍光プローブの配置位置の関係を、図6(b)が第1の部分光学系を経た回転していない第1の光像を、図6(c)が、図6(b)に示した第1の光像から分光器により得られた分光画像を、それぞれ示している。また、図6(d)が、第2の部分光学系を経た、第1の光像に対して90°回転した状態の回転光像を、図6(e)が、回転光像から分光器により得られた分光画像を示している。   In FIG. 6, FIG. 6 (a) shows the relationship of the arrangement position of the fluorescent probe as the observation object, and FIG. 6 (b) shows the first light image not rotated through the first partial optical system. 6 (c) shows spectral images obtained by the spectroscope from the first optical image shown in FIG. 6 (b). FIG. 6D shows a rotated light image rotated by 90 ° with respect to the first light image that has passed through the second partial optical system, and FIG. 6E shows a spectroscope from the rotated light image. The spectral image obtained by is shown.

なお、図6では、図6(a)に示したように、緑色61、黄色62、オレンジ63、赤色64の4色の蛍光プローブが二次元的に広がって配置されている状態を想定した。また、蛍光プローブとしては、図2の場合と同様に、いずれも量子ドットが用いられたことを想定している。   In FIG. 6, as shown in FIG. 6A, a state is assumed in which the fluorescent probes of four colors of green 61, yellow 62, orange 63, and red 64 are two-dimensionally spread. In addition, as in the case of FIG. 2, it is assumed that quantum dots are used as fluorescent probes.

図6において、図6(b)として示した第1の光像では、図2(a)と同様に、4つの量子ドット61〜64の輝点はいずれも滲んで一つに重なり合っているが、第1の光像を分光器でスペクトル分離した図6(c)に示す分光画像では、左から緑色61、黄色63、オレンジ62、赤色64の順に輝点が分離して表示されているため、4つの量子ドット61〜64の輝点を別々に把握することが可能である。分光器によってスペクトル分離された撮像画像における4つの輝点それぞれに対して、ガウスフィット法による数値解析を行うことで輝点の輝点分布形状からその中心位置を推定し、それぞれの量子ドット61〜64のy座標を特定することができる。   In FIG. 6, in the first optical image shown as FIG. 6B, the bright spots of the four quantum dots 61 to 64 are all blurred and overlapped with each other as in FIG. 2A. In the spectral image shown in FIG. 6C obtained by spectrally separating the first light image with the spectroscope, the bright spots are separated and displayed in the order of green 61, yellow 63, orange 62, and red 64 from the left. It is possible to grasp the bright spots of the four quantum dots 61 to 64 separately. For each of the four bright spots in the captured image spectrally separated by the spectroscope, the center position is estimated from the bright spot distribution shape of the bright spots by performing numerical analysis by the Gaussian fit method. 64 y-coordinates can be specified.

また、図6(b)に示した第1の光像に対して90°回転させた状態の図6(d)として示す回転光像を、分光器でスペクトル分離した図6(e)に示す分光画像でも、4つの量子ドット61〜64の輝点は、緑色61、黄色63、オレンジ62、赤色64に分離して表示されるため、4つの輝点を別々に把握することが可能であり、それぞれに対してガウスフィット法による数値解析を行うことでその中心位置を推定することができる。回転光像は、第1の光像に対して90°回転した状態のものであるから、回転光像の分光画像から推定した量子ドットの中心位置は、それぞれの量子ドットのx座標を特定するものとなる。   FIG. 6E shows a spectral separation of the rotated light image shown in FIG. 6D that is rotated by 90 ° with respect to the first optical image shown in FIG. 6B. Even in the spectral image, the bright spots of the four quantum dots 61 to 64 are displayed separately as green 61, yellow 63, orange 62, and red 64, so it is possible to grasp the four bright spots separately. The center position can be estimated by performing numerical analysis by the Gaussian fit method for each. Since the rotated light image is rotated by 90 ° with respect to the first light image, the center position of the quantum dot estimated from the spectral image of the rotated light image specifies the x coordinate of each quantum dot. It will be a thing.

回折格子やプリズムなどを用いた、本実施形態の光学顕微鏡システムに用いられる分光器では、分光画像の一方向(図2および図6では横軸方向)に、スペクトル解析されるため、分光された輝点の位置情報としては、スリットの延在方向である一方向(図2および図6の場合における上下方向)のみが得られることになる。   In the spectroscope used in the optical microscope system of the present embodiment using a diffraction grating, a prism, and the like, the spectrum was analyzed in one direction of the spectroscopic image (the horizontal axis direction in FIGS. 2 and 6), and thus the spectrum was split. As the bright spot position information, only one direction (the vertical direction in the case of FIGS. 2 and 6) which is the extending direction of the slit is obtained.

そこで、本実施形態の光学顕微鏡システムでは、図5に示したように、光学顕微鏡の光学系として、分光器11に集光入射される段階での光像が、互いに90°回転した2つの光像となるようにする分割光学系を備え、それぞれの光像に対する2つの分光画像から得られた2軸方向の位置情報を互いに相関付けることにより、観察対象の蛍光プローブの二次元の配置位置を特定することができるようにしている。   Therefore, in the optical microscope system of the present embodiment, as shown in FIG. 5, as the optical system of the optical microscope, the light image at the stage of being focused and incident on the spectroscope 11 is two lights rotated by 90 ° with respect to each other. A two-dimensional arrangement position of the fluorescent probe to be observed is provided by correlating the biaxial position information obtained from the two spectral images with respect to each optical image. It is possible to identify.

図7は、本実施形態の光学顕微鏡システムにより取得された、互いに回転した光像の具体例を示している。なお、図7は、分割光学系で得られた2つの光像が正しく回転したものであることを検証するためのものとして、ガラス基板上に4つの蛍光プローブを配置した試料を観察対象物としている。   FIG. 7 shows a specific example of optical images rotated with respect to each other acquired by the optical microscope system of the present embodiment. FIG. 7 shows, as an observation object, a sample in which four fluorescent probes are arranged on a glass substrate, in order to verify that the two optical images obtained by the splitting optical system are correctly rotated. Yes.

図7(a)が、スリット10を介して分光器11に入射された状態での互いに回転した第1の部分光学系49を経た第1の光像43と、第2の部分光学系54を経た回転光像44とを示したものである。図7(b)として切り出された、第1の部分光学系49を経て得られた第1の光像43は、図に示すように左右方向がx軸、上下方向がy軸となっていて、観察対象物そのままの配置を示している。   FIG. 7A shows the first optical image 43 and the second partial optical system 54 that have passed through the first partial optical system 49 rotated with respect to each other in a state of being incident on the spectroscope 11 through the slit 10. A rotated light image 44 is shown. The first optical image 43 obtained through the first partial optical system 49 cut out as shown in FIG. 7B has an x-axis in the left-right direction and a y-axis in the up-down direction as shown in the figure. The arrangement of the observation object as it is is shown.

一方、図7(c)として切り出された、第2の部分光学系54を経た回転光像44は、図に示すように左右方向がy軸、上下方向がx軸となっていて、観察対象をそのまま表した第1の光像43を90°回転させたものであることがわかる。なお、図5に具体例を示した分割光学系41によって得られた光像であるため、図7(c)として示す90°回転された状態の回転光像44は、図7(b)として示す回転していない第1の光像43に対して裏返しの関係にある。図7(d)として示すように、図7(c)に示した回転光像44を裏返して回転させた像44’は、図7(b)として示した回転していない状態の第1の光像43と一致することがわかる。このように、図5に示した分割光学系41を経ることで、互いに90°回転した状態の2つの光像43、44を得ることができる。   On the other hand, the rotated light image 44 that has been cut out as shown in FIG. 7C and passed through the second partial optical system 54 has a y-axis in the left-right direction and an x-axis in the up-down direction, as shown in FIG. It can be seen that the first optical image 43 that directly represents is rotated by 90 °. Since this is an optical image obtained by the splitting optical system 41 shown in FIG. 5 as a specific example, the rotated optical image 44 rotated 90 ° as shown in FIG. 7C is shown in FIG. 7B. The first non-rotating first light image 43 is reversed. As shown in FIG. 7D, the rotated image 44 ′ shown in FIG. 7C is turned upside down and the image 44 ′ is rotated as shown in FIG. 7B. It can be seen that it matches the optical image 43. Thus, by passing through the split optical system 41 shown in FIG. 5, it is possible to obtain two optical images 43 and 44 that are rotated by 90 ° with respect to each other.

なお、本実施形態の光学顕微鏡システムでは、回転していない第1の光像と90°回転した状態の回転光像とをそれぞれ分光分析し、得られた分光画像から各輝点の位置情報である座標値を求めて、これを対応付けることで二次元の配置位置を特定している。このため、回転した光像から正しいx座標が得られれば、その画像がさらに軸対象操作が加わってY軸に対して反転していることは問題とならない。分光器におけるスリットの延在方向に対して、互いに90°回転した状態の2つの光像を得ることができれば、それぞれ互いに直交する一次元方向の蛍光プローブの配置位置が特定でき、これを組み合わせることで二次元での蛍光プローブの配置位置を特定することができる。この場合、90°回転の方向は右方向(時計回り)、または、左方向(半時計回り)のいずれでもよい。   In the optical microscope system of the present embodiment, the first light image that is not rotated and the rotated light image that is rotated by 90 ° are each subjected to spectral analysis, and the position information of each bright spot is obtained from the obtained spectral image. A two-dimensional arrangement position is specified by obtaining a certain coordinate value and associating it. For this reason, if the correct x-coordinate is obtained from the rotated light image, it is not a problem that the image is further inverted with respect to the Y-axis due to the addition of the axis target operation. If two light images that are rotated by 90 ° with respect to the extending direction of the slit in the spectroscope can be obtained, the arrangement positions of the fluorescent probes in the one-dimensional direction orthogonal to each other can be specified and combined. The position of the fluorescent probe can be specified in two dimensions. In this case, the direction of 90 ° rotation may be either the right direction (clockwise) or the left direction (counterclockwise).

図8は、本実施形態の光学顕微鏡システムにより、光の回折限界サイズ内の領域に配置された3つの蛍光プローブの二次元位置を分離観測した状態を示している。   FIG. 8 shows a state where two-dimensional positions of three fluorescent probes arranged in a region within the diffraction limit size of light are separately observed by the optical microscope system of the present embodiment.

図8(a)が、分光器に入射された状態の光像を、図8(b)が分光器により分光分離された分光画像を示している。図8(a)、図8(b)において、いずれも上側半分が、観察対象物そのままの配置状態の第1の光像および第1の光像から得られた分光画像であり、下側半分が、第1の光像を90°回転させた回転光像および回転光像から得られた分光画像である。したがって、図8(b)の上側半分からそれぞれの蛍光プローブのy軸座標が定まり、図8(b)の下側半分からそれぞれの蛍光プローブのx軸座標が定まる。   FIG. 8A shows a light image incident on the spectroscope, and FIG. 8B shows a spectral image spectrally separated by the spectroscope. 8 (a) and 8 (b), the upper half is the first optical image in the arrangement state of the observation object as it is and the spectral image obtained from the first optical image, and the lower half. Are a rotated light image obtained by rotating the first light image by 90 ° and a spectral image obtained from the rotated light image. Therefore, the y-axis coordinate of each fluorescent probe is determined from the upper half of FIG. 8B, and the x-axis coordinate of each fluorescent probe is determined from the lower half of FIG. 8B.

図8(a)で、図中に矢印で示す輝点は、上半分の第1の光像における輝点71、下半分の回転光像における輝点72ともに、いずれも一つの輝点として見える。しかし、分光画像を示す図8(b)によれば、輝点71と輝点72とは、いずれも青緑色の量子ドット73(発光波長525nm)、緑色の量子ドット74(発光波長565nm)、赤色の量子ドット75(発光波長655nm)の3つの量子ドット73〜75の輝点が重なり合ったものであることがわかる。   In FIG. 8A, the luminescent spot indicated by the arrow in the drawing is seen as one luminescent spot both in the luminescent spot 71 in the upper half of the first light image and in the lower half of the rotated light image. . However, according to FIG. 8B showing a spectral image, the bright spot 71 and the bright spot 72 are both blue-green quantum dots 73 (emission wavelength 525 nm), green quantum dots 74 (emission wavelength 565 nm), It can be seen that the bright spots of the three quantum dots 73 to 75 of the red quantum dot 75 (emission wavelength: 655 nm) are overlapped.

図8(b)で分光された3色の量子ドット73〜75の輝点に対して、それぞれガウスフィット法による解析を行うことで輝点の中心位置を推定し、それぞれの量子ドット73〜75のx座標とy座標の数値を特定した。3つの量子ドット73〜75について、それぞれ推定された座標値を元にx−y座標の平面に二次元的に表したものが図8(c)である。   The center positions of the bright spots are estimated by analyzing the bright spots of the three-color quantum dots 73 to 75 dispersed in FIG. 8B by the Gaussian fit method, and the respective quantum dots 73 to 75 are estimated. The numerical values of the x coordinate and the y coordinate were specified. FIG. 8C shows the three quantum dots 73 to 75 two-dimensionally represented on the plane of the xy coordinates based on the estimated coordinate values.

図8(c)での表示に当たっては、図8(a)、図8(b)として、30フレーム/秒のビデオレートで撮像した動画像の各フレーム画像に基づいてそれぞれの量子ドット73〜75のx座標値とy座標値を推定し、これをそのままプロットした。顕微鏡の物理的な振動や量子ドットの輝度や発光波長の微細な変化等により、各フレーム画像から得られた量子ドットの推定位置の数値に揺らぎがあるが、図8(c)に示すように3つの量子ドット73〜75の位置が、数ナノ〜10ナノメートルのオーダーで特定できていることがわかる。   In the display in FIG. 8C, as shown in FIGS. 8A and 8B, each quantum dot 73 to 75 is based on each frame image of a moving image captured at a video rate of 30 frames / second. The x coordinate value and the y coordinate value of were estimated and plotted as they were. Although the numerical value of the estimated position of the quantum dot obtained from each frame image fluctuates due to the physical vibration of the microscope, the brightness of the quantum dot, and the minute change in the emission wavelength, etc., as shown in FIG. It can be seen that the positions of the three quantum dots 73 to 75 can be specified on the order of several nanometers to 10 nanometers.

図8(d)は、参考までに、光学顕微鏡で得られた二次元の光像をそのまま表したものである。なお、参照のため、図8(d)には、図8(c)で把握された3つの量子ドット73〜75の二次元位置を重ねてプロットしている。図8(d)に示すように、3つの量子ドット73〜75は光の回折限界サイズよりもはるかに小さな間隔で配置されているため、得られた光像では小さな滲んだ一つの輝点にしか見えない。これに対して、図8(c)に示すように、3つの量子ドット73〜75の二次元位置が特定できる本開示の光学顕微鏡システムによる解析画像が、高い分解能を有するものであることが理解できる。   FIG. 8D shows a two-dimensional light image obtained with an optical microscope as it is for reference. For reference, in FIG. 8D, two-dimensional positions of the three quantum dots 73 to 75 grasped in FIG. As shown in FIG. 8D, since the three quantum dots 73 to 75 are arranged at a distance much smaller than the diffraction limit size of light, in the obtained light image, one small blurred spot is obtained. I can only see it. On the other hand, as shown in FIG. 8C, it is understood that the analysis image by the optical microscope system of the present disclosure that can specify the two-dimensional positions of the three quantum dots 73 to 75 has high resolution. it can.

本実施形態にかかる光学顕微鏡システムでは、分割光学系を用いて取得された二次元の蛍光プローブの配置位置情報についても、これを動画像として得ることが可能である。   In the optical microscope system according to the present embodiment, it is possible to obtain the arrangement position information of the two-dimensional fluorescent probe acquired using the split optical system as a moving image.

以下、図9、図10を用いて、モータータンパク質であるミオシンVが、アクチンフィ
ラメント上を移動する様子を本開示の蛍光顕微鏡システムにより二次元的に動画解析をした結果を示す。図9、図10においては、図3、図4を用いた場合と同様にミオシンVの
モータードメインを4つの蛍光プローブで標識して、それぞれ蛍光プローブが移動する状態を示している。なお、図9、図10で示す例では、図3,図4の場合に比べて量子ドットの濃度を低く抑えることで、ミオシンの2つのモータードメインの内の一方のみが標識されるようにした。
Hereinafter, using FIG. 9 and FIG. 10, the results of two-dimensional moving image analysis using the fluorescence microscope system of the present disclosure of the state in which myosin V, which is a motor protein, moves on an actin filament will be shown. In FIGS. 9 and 10, the motor domain of myosin V is labeled with four fluorescent probes as in the case of using FIGS. 3 and 4, and the fluorescent probe moves. In the examples shown in FIGS. 9 and 10, only one of the two motor domains of myosin is labeled by keeping the quantum dot concentration lower than in the cases of FIGS. .

図9(a)は、ミオシンVの初期状態における光像に基づいて分光器で得られた分光画
像である。図9(a)においても上記図8(b)と同様に、上半分がy座標位置を決める回転していない第1の光像から得られた分光画像、下半分がx軸方向を特定する90°回転した回転光像から得られた分光画像である。
FIG. 9A is a spectral image obtained by a spectroscope based on an optical image of myosin V in the initial state. Also in FIG. 9A, as in FIG. 8B, the upper half specifies the spectral image obtained from the unrotated first optical image that determines the y coordinate position, and the lower half specifies the x-axis direction. It is the spectroscopic image obtained from the rotation light image rotated 90 degrees.

図8を用いて説明したと同様に、図9(a)の上下それぞれの輝点に対して、ガウスフィット法に基づく解析を行ってその中心位置を推定し、それぞれの蛍光プローブのx座標とy座標とを求め、これを二次元的に示したものが図9(b)である。すなわち、図9(b)は、観察開始時点の初期状態における4つの量子ドット91〜94の位置を二次元で示している。   As described with reference to FIG. 8, the center position is estimated by performing an analysis based on the Gaussian fit method on each of the upper and lower luminescent spots in FIG. 9A, and the x coordinate of each fluorescent probe and FIG. 9B shows the y-coordinate obtained and shown two-dimensionally. That is, FIG. 9B shows two-dimensional positions of the four quantum dots 91 to 94 in the initial state at the observation start time.

以下、図9(c)が観察開始から10秒後、図9(d)が20秒後、図10(a)が30秒後、図10(b)が40秒後、図10(c)が50秒後、図10(d)が60秒後、図10(e)が70秒後、図10(f)が80秒後と、4つの量子ドット91〜94の10秒ごとの二次元的な位置を示す。   Hereinafter, FIG. 9C is 10 seconds after the start of observation, FIG. 9D is 20 seconds later, FIG. 10A is 30 seconds later, FIG. 10B is 40 seconds later, FIG. After 50 seconds, FIG. 10 (d) after 60 seconds, FIG. 10 (e) after 70 seconds, FIG. 10 (f) after 80 seconds, two quantum dots 91 to 94 every 10 seconds. Indicate the location.

図9(b)から図10(f)として示した各図より、ミオシンの移動に伴って4つの量子ドットの位置が変化していることがわかる。図9と図10では、途中の画像を省略して観察開始から10秒経過ごとの4つの量子ドット91〜94の位置を示したが、本実施形態の光学顕微鏡システムでは、4つの量子ドット91〜94の二次元的な位置の変化をビデオレートで撮影、再現することができるので、ミオシンのモータードメインをそれぞれ指標した4つの量子ドット91〜94が移動する様子を動画像として観察することができる。   It can be seen from FIGS. 9B to 10F that the positions of the four quantum dots change with the movement of myosin. 9 and 10, the positions of the four quantum dots 91 to 94 are shown every 10 seconds from the start of observation while omitting the image on the way, but in the optical microscope system of the present embodiment, the four quantum dots 91 are shown. It is possible to shoot and reproduce the two-dimensional position change of ~ 94 at the video rate, so that the movement of the four quantum dots 91 to 94 each indicating the motor domain of myosin can be observed as a moving image. it can.

特に、図9、図10における量子ドット91、92のように、複数の量子ドットが極めて近い位置に存在している場合でも、本実施形態にかかる光学顕微鏡システムによれば、その発光波長に基づいて明瞭に区分することかできる。   In particular, even when a plurality of quantum dots exist at extremely close positions, such as the quantum dots 91 and 92 in FIGS. 9 and 10, the optical microscope system according to the present embodiment is based on the emission wavelength. Can be clearly distinguished.

なお、図8、図9、図10を用いて説明した、二次元での蛍光プローブ位置を特定する場合には、回転していない第1の光像と90°回転した回転光像との間で、どの2つの輝点が同一の量子ドットからの発光であるかを特定し、別々に得られるx座標値とy座標値とを正しく対応させる必要がある。特に、図7の例のようにスリット幅を輝点のサイズよりも大きく広げて計測する場合、分光された光像上の各輝点の波長は知ることができないため、同一の量子ドットからの輝点の組み合わせを特定することが難しい。   When the two-dimensional fluorescent probe position described with reference to FIGS. 8, 9, and 10 is specified, the first light image not rotated and the rotated light image rotated by 90 ° are used. Thus, it is necessary to specify which two bright spots emit light from the same quantum dot and to correctly correspond the x coordinate value and the y coordinate value obtained separately. In particular, when the slit width is measured to be larger than the size of the bright spot as in the example of FIG. 7, the wavelength of each bright spot on the dispersed light image cannot be known. It is difficult to specify a combination of bright spots.

本実施形態の光学顕微鏡システムでは、このような場合に、分光画像における量子ドットのスペクトル揺らぎを利用して、同じ量子ドットからの発光であるか、異なる量子ドットからの発光であるかを区別する。   In such a case, the optical microscope system according to the present embodiment distinguishes whether light emission is from the same quantum dot or light emission from a different quantum dot using the spectral fluctuation of the quantum dot in the spectral image. .

本実施形態の光学顕微鏡システムにおいて、蛍光プローブとして利用している量子ドットは、半導体ナノ粒子の蛍光発光であるため、発光強度と発光波長とが時間的にわずかに変化する(揺らぐ)という特徴を有する。上記説明したように、本実施形態の光学顕微鏡システムでは、対物レンズで得られた一つの光像を分離光学系によって光学的に分離して、回転していない第1の光像と90°回転した回転光像とを得ているため、第1の光像と回転光像とは同じタイミングで取得されたものであるから、量子ドットの発光が揺らげば、2つの光像における輝点は同じタイミングで発光輝度や発光波長の微細な変化が生じる。したがって、発光輝度や発光波長の揺らぎを比較すれば、2つの輝点が同じ量子ドットの発光であるかそうでないのかを容易に判別することができる。   In the optical microscope system of the present embodiment, the quantum dot used as the fluorescent probe is the fluorescence emission of the semiconductor nanoparticles, and therefore the emission intensity and the emission wavelength slightly change (fluctuate) with time. Have. As described above, in the optical microscope system of the present embodiment, one optical image obtained by the objective lens is optically separated by the separation optical system, and rotated by 90 ° with the first optical image that has not been rotated. Since the rotated light image is obtained, the first light image and the rotated light image are obtained at the same timing, so if the light emission of the quantum dots fluctuates, the bright spot in the two light images is At the same timing, the light emission brightness and the light emission wavelength change minutely. Therefore, by comparing fluctuations in emission luminance and emission wavelength, it is possible to easily determine whether two bright spots are emitted from the same quantum dot or not.

図11は、2つの輝点の発光強度のゆらぎに基づいて、回転していない第1の光像から得られた分光画像における輝点と、90°回転した回転光像からの分光画像における輝点とを対応付けた結果を示す。   FIG. 11 shows a bright spot in the spectral image obtained from the first non-rotated light image and a bright image in the spectral image from the rotated light image rotated by 90 ° based on the fluctuations in the emission intensity of the two bright spots. The result of associating points is shown.

図11では、4色の量子ドット91〜94が回折限界サイズ内に存在している状態を観測し、撮像画像におけるそれぞれの輝点の発光輝度の変化から、第1の光像に基づく上半分の画像に現れた4つの輝点91a、92a、93a、94aと、回転光像に基づく下半分の画像に現れた4つの輝点91b、92b、93b、94bとを対応付けたものである。   In FIG. 11, the state in which the four-color quantum dots 91 to 94 are present within the diffraction limit size is observed, and the upper half based on the first light image is determined from the change in emission luminance of each bright spot in the captured image. The four bright spots 91a, 92a, 93a, and 94a appearing in the image are associated with the four bright spots 91b, 92b, 93b, and 94b appearing in the lower half image based on the rotating light image.

図11右側に示す表は、対応付けた4つの輝点91〜94について、発光輝度の揺らぎの相関を総当たりで求めた際の、ピアソンの積率相関係数における相関値を示したものである。図11の右側に示した対応表に示すように、2つの光像から得られた輝点の発光輝度の揺らぎは、互いに対応すると想定した輝点同士で他の輝点との間のものよりも極めて高い相関度合いを示している。この結果から、4つの輝点について正しく対応付けられたと判断することができる。   The table shown on the right side of FIG. 11 shows the correlation values in the Pearson product-moment correlation coefficient when the correlation of the emission luminance fluctuation is determined for the four corresponding bright spots 91 to 94 in a brute force manner. is there. As shown in the correspondence table shown on the right side of FIG. 11, the fluctuations in the emission brightness of the bright spots obtained from the two light images are different from those between the bright spots assumed to correspond to each other and other bright spots. Also shows a very high degree of correlation. From this result, it can be determined that the four bright spots are correctly associated.

本実施形態の光学顕微鏡システムでは、このようにして分離光学系によって得られた2つの光像に基づく2つの輝点を正しく対応付けることができるので、複数の蛍光プローブの二次元位置の特定を正確に行うことができる。   In the optical microscope system of the present embodiment, two bright spots based on the two light images obtained by the separation optical system can be correctly associated with each other, so that the two-dimensional positions of a plurality of fluorescent probes can be specified accurately. Can be done.

以上説明してきたように、本開示の光学顕微鏡システムによれば、回折限界サイズ以下の狭い領域に、複数色の蛍光プローブが存在している場合でも、光学顕微鏡で得られた光像を分光器でイメージング分光することにより、容易に分離してそれぞれの蛍光プローブの位置を推定することができる。   As described above, according to the optical microscope system of the present disclosure, the optical image obtained by the optical microscope can be obtained from the spectroscope even when a plurality of fluorescent probes exist in a narrow region that is smaller than the diffraction limit size. By performing imaging spectroscopy with, it is possible to easily separate and estimate the position of each fluorescent probe.

また、蛍光プローブの光像として、互いに90°回転した2つの光像を光学的に得ることにより、蛍光プローブの分光画像からx座標とy座標とを特定することができるので、蛍光プローブの位置を二次元で表すことができる。   In addition, by obtaining two optical images rotated 90 ° relative to each other as optical images of the fluorescent probe, the x-coordinate and the y-coordinate can be specified from the spectral image of the fluorescent probe. Can be expressed in two dimensions.

さらに、本開示の光学顕微鏡システムは、スペクトル情報と2次元空間情報を同時に取得する手段として、従来行われていた、空間的なビーム走査をしながら1点ずつスペクトルを取得する方法や光学フィルタなどを順次切り替えていくことで波長掃引していく方法のようにデータ取得に時間を要する方法とは異なり、空間走査や波長掃引をすることなく、カメラの撮像速度で分光と空間座標取得を同時に行うことができる。このため、高速での観察が可能となり、複数色の蛍光プローブの位置の変化を動画像として表すことができる。さらにまた、解析時間を短くすることなどにより、将来的にはリアルタイムでの動画表示が可能となることも想定できる。   Furthermore, the optical microscope system according to the present disclosure is a method for acquiring spectra one by one while performing spatial beam scanning, an optical filter, and the like as a means for acquiring spectral information and two-dimensional spatial information at the same time. Unlike the method that takes time to acquire data, such as the method of sweeping the wavelength by sequentially switching, the spectrum and spatial coordinates are acquired simultaneously at the imaging speed of the camera without performing spatial scanning or wavelength sweep. be able to. For this reason, observation at high speed is possible, and changes in the positions of the fluorescent probes of a plurality of colors can be represented as moving images. Furthermore, it can be assumed that moving images can be displayed in real time in the future by shortening the analysis time.

なお、上記実施形態において、蛍光プローブとして量子ドットを用いる例を説明した。量子ドットは、一つの励起光によってそれぞれ特有の波長で発光し、蛍光発光のスペクトル幅が狭いため分光により分離しやすい。また、材料や粒径を工夫することで、現在市販されているもの以外にも、可視光から近赤外光までの幅広い領域に渡って、さまざまな波長のものが得られる可能性が高い。このため、複数色の蛍光プローブをその発光波長により分離して観測可能な本開示の光学顕微鏡システムでの観測における指標として好ましい。特に、分子を蛍光プローブで標識する場合に、どの分子がどの蛍光プローブで標識されるかは確率的に定まるため、分離観察したい分子の数以上の蛍光プローブが必要となる。このため、多数の蛍光スペクトルが実現可能である量子ドットは、本開示にかかる光学顕微鏡システムでの生命科学分野における観察に用いられる蛍光プローブとしてとても有効である。   In the above embodiment, an example in which quantum dots are used as the fluorescent probe has been described. Each quantum dot emits light with a specific wavelength by one excitation light, and is easily separated by spectroscopy because the spectrum width of fluorescence emission is narrow. In addition, by devising materials and particle sizes, it is highly possible to obtain products of various wavelengths in a wide range from visible light to near infrared light, in addition to those currently on the market. For this reason, it is preferable as an index for observation in the optical microscope system of the present disclosure that can observe fluorescent probes of a plurality of colors separated by their emission wavelengths. In particular, when a molecule is labeled with a fluorescent probe, which molecule is labeled with which fluorescent probe is determined probabilistically, so that more fluorescent probes than the number of molecules to be separated and observed are required. For this reason, the quantum dot which can implement | achieve many fluorescence spectra is very effective as a fluorescence probe used for observation in the life science field with the optical microscope system concerning this indication.

なお、本開示の光学顕微鏡システムでは、異なる波長の蛍光プローブを分光画像により分離してそれぞれを判別するものであるため、発光波長が異なる複数種類の蛍光プローブであれば、量子ドット以外の従来からの各種蛍光プローブも使用可能である。量子ドット以外の蛍光プローブを用いる場合には、励起発光が維持される時間が長く、一回の励起光の照射で全ての蛍光プローブが発光するものであることが好ましい。   In the optical microscope system according to the present disclosure, fluorescent probes having different wavelengths are separated from each other by a spectral image, and each of them is discriminated. Various fluorescent probes can also be used. When a fluorescent probe other than quantum dots is used, it is preferable that the excitation light emission is maintained for a long time, and all the fluorescent probes emit light when irradiated with a single excitation light.

また、上記実施形態では、光学系による拡大倍率を約400倍とした例を示した。本開示にかかる光学顕微鏡では、光学的に得られた光像を、分光器を介して分光画像を得、これを撮像装置で撮像した撮像画像に基づいて解析部で解析して輝点の中心位置を推定する関係から、撮像装置における撮像素子の大きさと撮像画像として得られた光像との関係において、一つの輝点を撮像する素子が少なすぎる場合には、輝点の輪郭部分の測定精度が落ちて、正確な中心位置の推定ができなくなるおそれがある。このため光学顕微鏡の拡大倍率は、撮像装置の撮像素子の大きさにより定まる解像度との関係で適宜定めるべきものである。一例として、少なくとも一つの輝点を、一辺が7〜10個程度の撮像素子で撮像されるような状態、輝点全体を50〜100個以上の撮像素子で撮像できる状態となるように、光学倍率を確保することが好ましい。   Moreover, in the said embodiment, the example which enlarged the magnification by an optical system about 400 times was shown. In the optical microscope according to the present disclosure, an optical image obtained optically is obtained as a spectral image via a spectroscope, and this is analyzed by an analysis unit based on a captured image captured by an imaging device, and the center of a bright spot is obtained. From the relationship of estimating the position, if there are too few elements to capture one bright spot in the relationship between the size of the image sensor in the imaging device and the light image obtained as a captured image, the contour of the bright spot is measured. There is a risk that accuracy may be reduced and accurate center position estimation may not be possible. For this reason, the magnification of the optical microscope should be determined as appropriate in relation to the resolution determined by the size of the imaging element of the imaging device. As an example, the optical state is such that at least one bright spot is imaged by an image sensor having about 7 to 10 sides, and the entire bright spot can be imaged by 50 to 100 or more image sensors. It is preferable to ensure the magnification.

また、上記実施形態において説明した光学顕微鏡部分の構成は例示に過ぎない。例えば、レンズやミラーの個数や配置位置などの光学系については、適宜設計により変更できるものである。さらに、蛍光プローブの二次元配置を測定する方法において、図5を用いて分割光学系を備える例について説明したが、互いに90°回転した2つの光像を得る方法は分割光学系を用いる方法には限られない。本開示にかかる光学顕微鏡システムにおいては、上記例示した方法に限らず、x軸方向とy軸方向の輝点の位置を対応付けて得ることができる各種の方法を採用することができる。また、光学顕微鏡として、分光器や撮像装置を2つ備え、それぞれが別々の分光画像や撮像画像を取得する構成とすることも可能である。   Moreover, the structure of the optical microscope part demonstrated in the said embodiment is only an illustration. For example, the optical system such as the number and arrangement position of lenses and mirrors can be appropriately changed by design. Furthermore, in the method of measuring the two-dimensional arrangement of the fluorescent probe, the example provided with the split optical system has been described with reference to FIG. 5, but the method of obtaining two optical images rotated by 90 ° relative to each other is a method using the split optical system. Is not limited. The optical microscope system according to the present disclosure is not limited to the above-exemplified method, and various methods that can obtain the position of the bright spot in the x-axis direction and the y-axis direction can be employed. In addition, the optical microscope may be configured to include two spectroscopes and imaging devices, each of which acquires a separate spectral image and captured image.

なお、数学的には、平行でない任意の2つのベクトルの線形結合によっても、二次元平面上の任意の位置を表すことができるため、回転角度は90度である必要はなく、互いに異なる2つの軸方向における位置が検出可能な2つの光像が得られる各種の光学的、解析的な手法を採用することができる。   Mathematically, an arbitrary position on the two-dimensional plane can be expressed by a linear combination of any two vectors that are not parallel, so the rotation angle does not have to be 90 degrees, and two different mutually Various optical and analytical methods that can obtain two optical images whose positions in the axial direction can be detected can be employed.

本開示にかかる光学顕微鏡によれば、光の回折限界サイズ以下の領域に配置された、数個から十数個の異なる発光色の蛍光プローブの位置を推定することができる。このため、特に生命科学研究の分野では、従来は動態観察結果と固定試料の観察結果との組み合わせでのみ議論されてきた、筋肉を構成する多数のミオシン分子の同時観察や、細胞膜上の受容体タンパク質の離合集散の観察など、分子の協同的な運動によって機能を生み出す生体ナノシステムの機構解明のための直截的なアプローチが可能となるという、極めて高い効果が期待できる。   According to the optical microscope according to the present disclosure, it is possible to estimate the positions of several to dozens of fluorescent probes having different emission colors that are arranged in a region that is equal to or smaller than the diffraction limit size of light. For this reason, especially in the field of life science research, the simultaneous observation of many myosin molecules that make up muscles and receptors on cell membranes, which have been discussed only in combination with the observation results of dynamics and fixed samples. It is expected to have a very high effect, such as the observation of protein segregation / concentration, which enables a straightforward approach to elucidating the mechanism of biological nanosystems that generate functions through cooperative movement of molecules.

本願で開示する光学顕微鏡システムは、光の回折限界以下の極めて微細な領域を観察対象として、複数種類の発光色の蛍光プローブの位置を分離把握することができる高い分解能と、動画像の取得も可能とする高速対応の光学顕微鏡システムとして、生命科学分野をはじめとする各種分野での研究への貢献が期待できる。   The optical microscope system disclosed in the present application has a high resolution capable of separating and grasping the positions of fluorescent probes of a plurality of types of luminescent colors, with an extremely fine region below the diffraction limit of light being observed, and acquisition of moving images. As a high-speed optical microscope system that enables it, it can be expected to contribute to research in various fields including life science.

1 観察対象物
3 レーザー光源
8 拡大光学系(光学系)
11 分光器
12 EM−CCD(撮像装置)
1 Observation object 3 Laser light source 8 Magnification optical system (optical system)
11 Spectrometer 12 EM-CCD (imaging device)

Claims (7)

複数色の蛍光プローブを用いて光の回折限界以下のサイズの対象物の光学画像を取得する光学顕微鏡システムであって、
前記蛍光プローブを励起発光させる励起光を照射するレーザー光源と、
前記励起光により励起された前記蛍光プローブの光像を得る光学系と、
前記光学系で得られた光像をイメージング分光する分光器と、
前記分光器で得られた分光画像を撮像して撮像画像を得る撮像装置とを有する光学顕微鏡と、
前記撮像画像を解析してその輝点分布から前記複数色の蛍光プローブそれぞれの位置を推定する解析手段とを備えたことを特徴とする光学顕微鏡システム。
An optical microscope system that acquires an optical image of an object having a size less than or equal to the diffraction limit of light using a fluorescent probe of multiple colors,
A laser light source that emits excitation light that causes the fluorescent probe to emit light; and
An optical system for obtaining an optical image of the fluorescent probe excited by the excitation light;
A spectroscope for imaging spectroscopy of an optical image obtained by the optical system;
An optical microscope having an imaging device that captures a spectral image obtained by the spectroscope to obtain a captured image;
An optical microscope system comprising: an analyzing unit that analyzes the captured image and estimates the positions of the fluorescent probes of the plurality of colors from the bright spot distribution.
前記光学系が、前記蛍光プローブの第1の光像を得る第1の部分光学系と、前記第1の光像に対して左右いずれかに90°回転した回転光像を得る第2の部分光学系とからなる分割光学系を有し、
前記分光器は、前記第1の部分光学系により得られた前記第1の光像と前記第2の部分光学系で得られた前記回転光像とを同時にイメージング分光し、
前記撮像装置は、前記第1の光像の分光画像と前記回転光像の分光画像とを一つの撮像画像として撮像する請求項1に記載の光学顕微鏡システム。
A first partial optical system that obtains a first light image of the fluorescent probe; and a second part that obtains a rotated light image rotated by 90 ° to the left or right with respect to the first light image. A splitting optical system composed of an optical system,
The spectroscope simultaneously performs imaging spectroscopy of the first light image obtained by the first partial optical system and the rotating light image obtained by the second partial optical system,
The optical microscope system according to claim 1, wherein the imaging device captures the spectral image of the first light image and the spectral image of the rotating light image as one captured image.
前記第1の光像の分光画像と前記回転光像の分光画像から得られた、前記複数色の蛍光プローブそれぞれの位置を対応させることで、前記複数色の蛍光プローブの二次元の配置位置を特定する請求項2に記載の光学顕微鏡システム。   By associating the positions of the fluorescent probes of the plurality of colors obtained from the spectral image of the first light image and the spectral image of the rotating light image, the two-dimensional arrangement position of the fluorescent probes of the plurality of colors is determined. The optical microscope system according to claim 2 to be specified. 前記蛍光プローブとして量子ドットを用いる請求項1〜請求項3のいずれかに記載の光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 1, wherein a quantum dot is used as the fluorescent probe. 前記解析手段が、ガウスフィット法により前記撮像画像の輝度分布から前記蛍光プローブの位置を推定する請求項1〜4のいずれかに記載の光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 1, wherein the analysis unit estimates the position of the fluorescent probe from a luminance distribution of the captured image by a Gaussian fit method. 前記撮像装置がビデオレート以上で前記撮像画像を撮像し、得られた撮像画像から前記蛍光プローブの位置変化の動画像を得る請求項1〜5のいずれかに記載の光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 1, wherein the imaging device captures the captured image at a video rate or higher, and obtains a moving image of a change in position of the fluorescent probe from the obtained captured image. 前記光学顕微鏡は、当該顕微鏡装置の動作制御を行う制御部をさらに備え、前記解析手段が前記制御部の機能として組み込まれている、請求項1〜6のいずれかに記載の光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 1, wherein the optical microscope further includes a control unit that performs operation control of the microscope apparatus, and the analysis unit is incorporated as a function of the control unit.
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