JP2015145829A - Fluorescence signal acquisition device and fluorescence signal acquisition method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、蛍光信号取得装置及び蛍光信号取得方法に関する。 The present disclosure relates to a fluorescence signal acquisition apparatus and a fluorescence signal acquisition method.
従来、蛍光体を含む測定対象物に対して特定波長の励起光を照射し、かかる励起光に応じて発生した蛍光を測定することが様々な分野で行われている。ここで、複数の蛍光体を含む測定対象物からの蛍光を同時に測定する場合には、各蛍光体に応じた特定波長の励起光を複数照射することとなるが、複数の励起光を単に照射しただけでは、発生した蛍光を検出するために蛍光体の数の分だけ蛍光検出器が必要となる。その結果、複数の蛍光体を同時に励起して複数の蛍光を同時に検出するための測定機器は、機器が大掛かりになってしまう。 Conventionally, it has been performed in various fields to irradiate a measurement object including a phosphor with excitation light having a specific wavelength and measure fluorescence generated according to the excitation light. Here, when simultaneously measuring fluorescence from a measurement object including a plurality of phosphors, a plurality of excitation lights with specific wavelengths corresponding to each phosphor are irradiated, but a plurality of excitation lights are simply irradiated. In order to detect the generated fluorescence, as many fluorescent detectors as the number of phosphors are required. As a result, a measuring instrument for simultaneously exciting a plurality of phosphors and simultaneously detecting a plurality of fluorescences becomes large.
一方、例えば以下の特許文献1及び特許文献2では、複数の蛍光体からの蛍光を同時に測定するために、複数の励起光を予め所定の周波数で変調させておき、発生した蛍光を復調することで複数の蛍光を同時に検出する技術が提案されている。このような変調された励起光を利用することで、複数の蛍光が1つの蛍光検出器で検出可能となる。
On the other hand, for example, in
しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に開示されているような技術を用いた場合であっても、ある1つの励起光に応じて複数の蛍光体が励起されてしまうような場合には、1つの蛍光検出器だけで同時に励起された蛍光を分離することはできない。そのため、ある1つの励起光に応じて複数の蛍光体が同時に励起される場合であっても、発生した蛍光を分離することが可能な技術が希求されていた。
However, even when the techniques disclosed in
そこで、本開示では、1つの励起光に応じて複数の蛍光体が同時に励起される場合であっても発生した蛍光をより簡便に分離することが可能な蛍光信号取得装置及び蛍光信号取得方法を提案する。 Therefore, in the present disclosure, there is provided a fluorescence signal acquisition device and a fluorescence signal acquisition method capable of more easily separating generated fluorescence even when a plurality of phosphors are excited simultaneously according to one excitation light. suggest.
本開示によれば、複数の蛍光体を含む測定対象物に対して、互いに異なる周波数を有するキャリアで変調された複数の励起光を照射する複数の光源と、前記複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を検出する複数の蛍光検出部と、前記複数の蛍光検出部の前段に位置し、前記複数の蛍光を複数の光路へと分岐させるものであり、波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させるマルチバンドパス光学フィルタと、それぞれの前記蛍光検出部により検出された検出信号を同期検波して、前記複数の蛍光体に対応する蛍光を分離する同期検波部と、を備える蛍光信号取得装置が提供される。 According to the present disclosure, a plurality of light sources for irradiating a measurement object including a plurality of phosphors with a plurality of excitation lights modulated by carriers having different frequencies, and generated according to the plurality of excitation lights A plurality of fluorescence detectors for detecting a plurality of fluorescence, and a plurality of phosphors that are positioned in front of the plurality of fluorescence detectors and branch the plurality of fluorescences into a plurality of optical paths, and do not have continuous wavelengths A multi-band pass optical filter that transmits fluorescence from each of the filters, and a synchronous detection unit that synchronously detects detection signals detected by the respective fluorescence detection units and separates fluorescence corresponding to the plurality of phosphors. A fluorescence signal acquisition device is provided.
また、本開示によれば、複数の蛍光体を含む測定対象物に対して、互いに異なる周波数を有するキャリアで変調された複数の励起光を照射することと、波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させるマルチバンドパス光学フィルタにより、前記複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を、複数の光路へと分岐させることと、複数の光路に分岐された前記蛍光を複数の蛍光検出部により検出することと、それぞれの前記蛍光検出部により検出された検出信号を同期検波して、前記複数の蛍光体に対応する蛍光を分離することと、を含む蛍光信号取得方法が提供される。 Further, according to the present disclosure, it is possible to irradiate a measurement object including a plurality of phosphors with a plurality of excitation lights modulated with carriers having different frequencies, and from a plurality of phosphors having non-continuous wavelengths. A plurality of fluorescence generated in response to the plurality of excitation lights is branched into a plurality of optical paths, and the fluorescence branched into the plurality of optical paths is divided into a plurality of fluorescence. There is provided a fluorescence signal acquisition method including detection by a detection unit, and synchronous detection of detection signals detected by the respective fluorescence detection units to separate fluorescence corresponding to the plurality of phosphors. The
本開示によれば、予め周波数変調された複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光は、マルチバンドパス光学フィルタにより複数の光路へと分岐された後に複数の蛍光検出器により検出されて、同期検波される。 According to the present disclosure, a plurality of fluorescence generated in response to a plurality of excitation lights frequency-modulated in advance are detected by a plurality of fluorescence detectors after being branched into a plurality of optical paths by a multiband pass optical filter, Synchronous detection is performed.
以上説明したように本開示によれば、1つの励起光に応じて複数の蛍光体が同時に励起される場合であっても、発生した蛍光をより簡便に分離することが可能となる。 As described above, according to the present disclosure, it is possible to more easily separate the generated fluorescence even when a plurality of phosphors are excited simultaneously according to one excitation light.
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。 Note that the above effects are not necessarily limited, and any of the effects shown in the present specification, or other effects that can be grasped from the present specification, together with or in place of the above effects. May be played.
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
1.第1の実施形態
(1−1)蛍光信号取得装置の構成について
(1−2)蛍光信号取得装置の具体例−1:フローサイトメータ
(1−3)蛍光信号取得装置の具体例−2:レーザ走査蛍光顕微鏡
(1−4)蛍光信号取得方法の流れについて
2.まとめ
The description will be made in the following order.
1. First Embodiment (1-1) Configuration of Fluorescence Signal Acquisition Device (1-2) Specific Example 1 of Fluorescence Signal Acquisition Device-1: Flow Cytometer (1-3) Specific Example 2 of Fluorescence Signal Acquisition Device: Laser scanning fluorescence microscope (1-4) Flow of fluorescence signal acquisition method
2. Summary
(第1の実施形態)
<蛍光信号取得装置の構成について>
[蛍光信号取得装置の全体構成]
まず、図1を参照しながら、本開示の第1の実施形態に係る蛍光信号取得装置1の全体的な構成について説明する。図1は、本実施形態に係る蛍光信号取得装置の全体的な構成を模式的に示した説明図である。
(First embodiment)
<Configuration of fluorescence signal acquisition device>
[Overall configuration of fluorescence signal acquisition device]
First, the overall configuration of the fluorescence
本実施形態に係る蛍光信号取得装置1は、複数の蛍光体を含む測定対象物Sに対して複数の励起光を同時に照射し、これら複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を同時に検出する装置である。
The fluorescence
また、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1は、検出した蛍光に関する情報を、任意の演算処理装置3に対して出力することが可能である。演算処理装置3は、蛍光信号取得装置1によって検出された蛍光に関する知見を可視化する等といった各種の演算処理や画像処理等を実施して、検出された蛍光に関する知見を蛍光信号取得装置1の使用者に通知することが可能である。
In addition, the fluorescence
かかる演算処理装置3は、蛍光信号取得装置1の一機能として実現されていてもよいし、蛍光信号取得装置1に接続された各種のコンピュータやサーバ等であってもよい。また、蛍光信号取得装置1と演算処理装置3との接続方法についても特に限定されるものではなく、蛍光信号取得装置1と演算処理装置3とは直接的に有線又は無線で接続されていてもよいし、各種のネットワークを介して接続されていてもよい。
The
複数の蛍光体を含む測定対象物Sについては、特に限定されるものではなく、複数の蛍光体を含むものであれば、各種細胞等といった生物に区分されるものであってもよいし、無生物に区分されるものであってもよい。また、複数の蛍光体を含む測定対象物Sが複数の蛍光体を含む各種の化合物であってもよいことは、言うまでもない。 The measuring object S including a plurality of phosphors is not particularly limited, and may be classified as an organism such as various cells as long as it includes a plurality of phosphors. It may be classified into. Needless to say, the measuring object S including a plurality of phosphors may be various compounds including a plurality of phosphors.
また、測定対象物Sに含まれる蛍光体は、測定対象物Sが予め保持している蛍光体であってもよいし、測定対象物Sの外部から測定対象物に導入された各種の蛍光試薬のようなものであってもよい。 Moreover, the fluorescent substance contained in the measuring object S may be a phosphor previously held by the measuring object S, or various fluorescent reagents introduced into the measuring object from the outside of the measuring object S It may be something like this.
続いて、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1の構成について説明する。
本実施形態に係る蛍光信号取得装置1は、例えば図1に示したように、複数の光源101と、変調部103と、測定光学系105と、マルチバンドパス光学フィルタ107と、複数の蛍光検出部109と、同期検波部111と、を主に備える。
Then, the structure of the fluorescence
For example, as illustrated in FIG. 1, the fluorescence
複数の光源101は、測定対象物Sに含まれている複数の蛍光体を同時に励起するために利用される複数のレーザ光を射出する。これらのレーザ光が、測定対象物Sに含まれる蛍光体を励起させるための励起光として用いられる。光源101から射出される励起光の波長は、特に限定されるものではなく、測定対象物Sに含まれている蛍光体を励起するために適した波長を適宜選択すればよい。また、光源101の個数Nについても特に限定されるものではなく、測定対象物Sに含まれている全ての蛍光体を同時に励起することが可能な個数に、適宜設定される。
The plurality of
複数の光源101から射出される各励起光は、後述する変調部103によって、互いに異なる周波数で強度変調されている。また、複数の光源101から射出される各励起光は、後述する測定光学系105を介して、測定対象物Sの同一の領域に対し同時に射出される。
The excitation lights emitted from the plurality of
なお、それぞれの光源101は、特に限定されるものではなく、各種の半導体レーザや固体レーザやガスレーザ等のように、様々な光源を利用することが可能である。光源101として各種の半導体レーザを用いることで、蛍光信号取得装置1をより小型化することが可能となる。
Each
また、光源101として用いられるレーザは、CW(Continuous Wave)レーザであってもよいし、パルスレーザであってもよい。
The laser used as the
変調部103は、複数の光源101から射出されるそれぞれの励起光を、互いに異なる周波数を有するキャリアを利用して、強度変調する。ここで、変調部103が用いるキャリアの周波数の個数は、光源101の個数と同一である。すなわち、光源101がN個存在する場合には、N種類の励起光を強度変調するために、互いに異なるN個の周波数を有するN個のキャリアが用いられる。
The
ここで、変調部103で用いられる各キャリアの基本波は、側帯波の帯域幅以上の周波数だけ離隔していることが好ましい。その上で、各キャリアの周波数は、ある一つのキャリアにおける三次高調波及び側帯波が他のキャリアにおける基本波及び側帯波と重ならないように、適宜選択される。このようにしてN個のキャリアの周波数を選択することによって、各キャリア間のクロストークを防止することが可能である。より好ましくは、各キャリアの周波数は、ある一つのキャリアにおける二次高調波及び側帯波が他のキャリアにおける基本波及び側帯波と重ならないように、適宜選択される。三次高調波ではなく二次高調波に応じてキャリアの周波数を選択することによって、より確実に各キャリア間のクロストークを防止することが可能となる。
Here, the fundamental wave of each carrier used in
なお、キャリアの周波数のより詳細な選択方法については、以下で改めて詳述する。 A more detailed method for selecting the carrier frequency will be described in detail later.
変調部103の詳細な構成については特に限定されるものではなく、所定波長を有する励起光を強度変調することが可能であれば、各種の機器を利用することが可能である。
The detailed configuration of the
測定光学系105は、複数の光源101から射出された複数の励起光を、測定対象物Sの同一の領域へと同軸かつ同時に導光するとともに、測定対象物Sから発生した複数の蛍光を、同軸でマルチバンドパス光学フィルタ107へと導光する光学系である。
The measurement
測定光学系105の詳細な構成については、特に限定されるものではなく、各種レンズ、各種ミラー、ピンホール、各種フィルタ、ガルバノスキャンシステム等といった各種の光学素子を適宜組み合わせることで構成すればよい。このような各種光学素子を組み合わせて光学系を構成することで、例えば、フローサイトメータで用いられている測定光学系や、レーザ走査蛍光顕微鏡で用いられている測定光学系等を実現することができる。
The detailed configuration of the measurement
マルチバンドパス光学フィルタ107は、測定光学系105と、蛍光検出部109と、の間に設けられる。このマルチバンドパス光学フィルタ107は、測定光学系105によって同軸で導光されてきた、波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させて、複数の波長からなる蛍光を複数の光路へと分岐させる光学フィルタである。
The multiband pass
マルチバンドパス光学フィルタ107によって分岐される光路の数は、マルチバンドパス光学フィルタ107の後段に設けられる蛍光検出器109の個数と同一である。蛍光検出器109の個数の設定方法及びマルチバンドパス光学フィルタ107の詳細な構成については、以下で詳述する。
The number of optical paths branched by the multiband pass
マルチバンドパス光学フィルタ107によって複数の光路に分岐された蛍光は、複数の蛍光検出部109によってそれぞれ検出され、蛍光の強度に関する情報が、電気的な信号へと変換される。蛍光検出部109は、CCD(Charge−Coupled Device)や、光電子増倍管(PhotoMultiplier Tube:PMT)等といった各種の検出器を用いて構成することが可能である。蛍光検出部109によって検出された蛍光に関する検出信号は、後段の同期検波部111へと出力される。
Fluorescence branched into a plurality of optical paths by the multiband pass
同期検波部111は、変調部103で利用されたキャリアの周波数に基づいて、複数の蛍光検出部109から出力された検出信号を同期検波して、複数の蛍光体のそれぞれに対応する蛍光を分離する。分離後のそれぞれの蛍光に対応する信号は、例えば、演算処理装置3等に出力されて、可視化される。
The
本実施形態に係る同期検波部111は、測定対象物Sに含まれる蛍光体の数に対応する個数の復調器で構成されている。同期検波部111を構成する復調器としては、例えば、バンドパスフィルタ、乗算器及びローパスフィルタからなる復調器を利用することが可能である。同期検波部111を構成する復調器の詳細な構成については、以下で改めて詳細に説明する。
The
以上、図1を参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1の全体的な構成について説明した。
The overall configuration of the fluorescence
[測定対象物に含まれる蛍光体の数と蛍光体検出部の個数との関係]
次に、測定対象物に含まれる蛍光体の数と蛍光体検出部の個数との関係について、図2及び図3を参照しながら具体的に説明する。図2は、励起光の波長と蛍光体からの蛍光の波長との関係を示したグラフ図であり、図3は、本実施形態に係る蛍光信号取得装置における蛍光体と蛍光検出部の個数との関係を説明するための説明図である。
[Relationship between the number of phosphors contained in the measurement object and the number of phosphor detectors]
Next, the relationship between the number of phosphors included in the measurement object and the number of phosphor detectors will be specifically described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the wavelength of excitation light and the wavelength of fluorescence from the phosphor, and FIG. 3 shows the number of phosphors and fluorescence detectors in the fluorescence signal acquisition apparatus according to this embodiment. It is explanatory drawing for demonstrating this relationship.
以下では、図2に示したような7種類の蛍光体(蛍光体A〜蛍光体G)を含む測定対象物Sを、4種類の波長の励起光(405nm、488nm、561nm、643nm)でそれぞれ励起する場合を例に挙げて、具体的に説明を行うものとする。なお、本開示の実施形態に係る蛍光信号取得装置1で用いられる蛍光体の個数や励起光の数は、以下で説明する例に限定されるものではない。
Hereinafter, the measurement object S including the seven types of phosphors (phosphor A to phosphor G) as shown in FIG. 2 is respectively excited with four types of excitation light (405 nm, 488 nm, 561 nm, and 643 nm). A specific description will be given by taking the case of excitation as an example. Note that the number of phosphors and the number of excitation lights used in the fluorescence
図2に示したような7種類の蛍光体を4種類の励起光で励起させて蛍光を発生させる場合には、例えば、以下のような蛍光体と励起光との組み合わせが用いられる。
蛍光体A:励起波長405nmの励起光
蛍光体B:励起波長488nmの励起光
蛍光体C及び蛍光体D:励起波長561nmの励起光
蛍光体E〜蛍光体G:励起波長643nmの励起光
When the seven types of phosphors as shown in FIG. 2 are excited by four types of excitation light to generate fluorescence, for example, the following combinations of phosphors and excitation light are used.
Phosphor A: excitation light with an excitation wavelength of 405 nm Phosphor B: excitation light with an excitation wavelength of 488 nm Phosphor C and phosphor D: excitation light with an excitation wavelength of 561 nm Phosphor E to phosphor G: excitation light with an excitation wavelength of 643 nm
また、蛍光体Aからの蛍光を他の蛍光と分離するためには、中心波長455nm/帯域幅50nmのバンドパスフィルタを用いることが可能であり、蛍光体Bからの蛍光を他の蛍光と分離するためには、中心波長535nm/帯域幅50nmのバンドパスフィルタを用いることが可能である。同様に、蛍光体C及び蛍光体Dからの蛍光を他の蛍光と分離するためには、中心波長600nm/帯域幅75nmのバンドパスフィルタを用いることが可能である。また、蛍光体Eからの蛍光を他の蛍光と分離するためには、中心波長665nm/帯域幅30nmのバンドパスフィルタを用い、蛍光体Fからの蛍光を他の蛍光と分離するためには、中心波長720nm/帯域幅60nmのバンドパスフィルタを用い、蛍光体Gからの蛍光を他の蛍光と分離するためには、中心波長785nm/帯域幅60nmのバンドパスフィルタを用いることが可能である。 In order to separate the fluorescence from phosphor A from other fluorescence, a bandpass filter having a central wavelength of 455 nm / bandwidth of 50 nm can be used, and the fluorescence from phosphor B is separated from other fluorescence. In order to achieve this, a bandpass filter having a center wavelength of 535 nm / bandwidth of 50 nm can be used. Similarly, in order to separate the fluorescence from phosphor C and phosphor D from other fluorescence, it is possible to use a bandpass filter having a center wavelength of 600 nm / bandwidth of 75 nm. Further, in order to separate the fluorescence from the phosphor E from other fluorescence, a bandpass filter having a center wavelength of 665 nm / 30 nm bandwidth is used, and in order to separate the fluorescence from the phosphor F from other fluorescence, In order to separate the fluorescence from the phosphor G from other fluorescence using a bandpass filter having a center wavelength of 720 nm / bandwidth of 60 nm, a bandpass filter having a center wavelength of 785 nm / bandwidth of 60 nm can be used.
ここで、一般的に行われているような複数波長の励起光を用いた同時励起では、これら7種類の蛍光を分離するために、7個の蛍光検出部109を設置しなければならず、装置が大きくなってしまう。そこで、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1では、光源101から射出される周波数変調された励起光と、以下で詳述するようなマルチバンドパス光学フィルタ107と、複数の蛍光検出部109と、を組み合わせて用いることで、蛍光検出部109の個数を抑制しつつ、複数の蛍光を同時検出することが可能となる。以下、本開示の実施形態における蛍光分離のための技術的思想について、説明する。
Here, in simultaneous excitation using excitation light of a plurality of wavelengths as is generally performed, in order to separate these seven types of fluorescence, seven
例えば図2に示したような蛍光体を図2に示した励起光で励起する場合、蛍光体Aや蛍光体Bは、1つの励起光に対して1つの蛍光が関連付けられる。そのため、蛍光体Aと蛍光体Bとを同時に検出する場合には、各励起光を異なる周波数のキャリアで変調しておけば、これら2つの蛍光を1つの蛍光検出部で検出することは可能である。しかしながら、波長561nmの励起光を用いた場合には、蛍光体C及び蛍光体Dが同時に励起されて、各蛍光体に対応する2つの蛍光が発生してしまう。同様に、波長643nmの励起光を用いた場合には、蛍光体E〜蛍光体Gが同時に励起されて、各蛍光体に対応する3つの蛍光が発生してしまう。従って、上記特許文献1や特許文献2に開示されているように励起光を周波数変調しただけでは、波長561nmの励起光と蛍光C及びDとの関連付けや、波長643nmの励起光と蛍光E〜蛍光Gとの関連付けは出来るものの、蛍光Cと蛍光Dとの区別や、蛍光E〜蛍光Gの区別を行うことはできない。
For example, when a phosphor as shown in FIG. 2 is excited by the excitation light shown in FIG. 2, the phosphor A and the phosphor B are associated with one fluorescence for one excitation light. Therefore, in the case of simultaneously detecting the phosphor A and the phosphor B, it is possible to detect these two fluorescences with a single fluorescence detection unit by modulating each excitation light with a carrier having a different frequency. is there. However, when excitation light having a wavelength of 561 nm is used, the phosphor C and the phosphor D are excited simultaneously, and two fluorescences corresponding to the phosphors are generated. Similarly, when excitation light having a wavelength of 643 nm is used, the phosphors E to G are excited at the same time, and three fluorescences corresponding to the phosphors are generated. Therefore, as disclosed in
そのため、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1では、上記のようなマルチバンドパス光学フィルタ107を用いることで、同一の励起光に関連付けられている複数の蛍光を、別々の光路へと分岐させる。これによって、同一の励起光に関連付けられている複数の蛍光を、異なる蛍光検出部109で分離検出することが可能となる。このように、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1では、装置に設けられる蛍光検出部109の個数(図1における個数M)を、同時に検出したい蛍光体の個数よりも少なくする(図2の例では、7個未満とする)ことが可能となる。なお、装置に設けられる光源101の個数(図1における個数N)は、同時に検出したい蛍光体を励起するための必要最低限の個数(図2の例では、4個)に設定することができる。
Therefore, in the fluorescence
また、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1では、同一の励起光に関連付けられている複数の蛍光を互いに分離できれば良いのであるから、装置に設ける蛍光検出部109の個数は、同一の励起光で励起される蛍光体の最大数とすることが好ましい。波長の異なる励起光に関連付けられている蛍光は、励起光の変調度合いで分離することが可能であるため、上記のような指針で蛍光検出部109の個数を考慮することで、蛍光信号取得装置1に設けられる蛍光検出部109の個数を最小化することができる。図3に示したように、図2で示した7種類の蛍光体を4種類の励起光で励起する際に、同一の励起光で励起される蛍光体の最大数は、3である。従って、図2に示した7つの蛍光体を同時に検出するためには、3つの蛍光検出部109を用いることが好ましい。
Moreover, in the fluorescence
逆にいえば、励起光を周波数変調させた上で、マルチバンドパス光学フィルタ107を用いることで、従来の蛍光検出部109の個数でより多くの蛍光体を同時検出することが可能となる。
In other words, by using the multiband pass
以上、図2及び図3を参照しながら、測定対象物に含まれる蛍光体の数と蛍光体検出部の個数との関係について説明した。 The relationship between the number of phosphors included in the measurement object and the number of phosphor detectors has been described above with reference to FIGS. 2 and 3.
[マルチバンドパス光学フィルタ]
次に、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1で用いられるマルチバンドパス光学フィルタ107について、図4〜図5Bを参照しながら具体的に説明する。図4は、本実施形態に係る蛍光信号取得装置におけるマルチバンドパス光学フィルタを説明するための説明図であり、図5A及び図5Bは、本実施形態に係る蛍光信号取得装置におけるマルチバンドパス光学フィルタの一例を模式的に示した説明図である。
[Multiband pass optical filter]
Next, the multiband pass
図2及び図3を参照しながら説明したように、本実施形態に係るマルチバンドパス光学フィルタ107には、同一の励起光で励起される複数の蛍光を、互いに異なる光路へと分岐させる機能が求められる。図2及び図4に示したような7種類の蛍光体を分離する場合、マルチバンドパス光学フィルタ107は、蛍光Cと蛍光Dとを互いに異なる2つの光路に分岐させるとともに、蛍光E〜蛍光Fを互いに異なる3つの光路に分岐させることが好ましい。従って、図4に示した例では、マルチバンドパス光学フィルタ107は、図中のλA〜λGに対応する波長帯域のうち何れかを透過させて他の波長帯域を反射させるものであり、かつ、波長帯域λC及びλD、並びに、波長帯域λE〜λGを、互いに異なる蛍光検出部109へと導光するものであることが好ましい。
As described with reference to FIGS. 2 and 3, the multiband pass
マルチバンドパス光学フィルタ107が透過又は反射させる波長帯域の組み合わせは、適宜決定することが可能であるが、例えば図4に示したように、マルチバンドパス光学フィルタ107は、帯域λA、λD及びλGを第1の蛍光検出部109(例えばPMT1)へと導光し、帯域λB及びλEを第2の蛍光検出部109(例えばPMT2)へと導光し、帯域λC及びλFを第3の蛍光検出部109(例えばPMT3)へと導光すればよい。
The combination of wavelength bands transmitted or reflected by the multiband pass
このようなマルチバンドパス光学フィルタ107は、所定の波長帯域の光(より詳細には、ある単一の波長帯域の光)を反射させるとともに、それ以外の波長帯域の光を透過させる複数のシングルバンド反射フィルタを直列に配設することで、実現される。
Such a multi-band pass
例えば図5Aでは、帯域λA〜λGの何れか一つの帯域を反射させるとともにそれ以外の帯域の光を透過させる、7種類のシングルバンド反射フィルタを組み合わせることで、マルチバンドパス光学フィルタ107を実現する例が図示されている。すなわち、図5Aに示した例では、7種類のシングルバンド反射フィルタ121を、光路中への設置角度(フィルタ121の傾き度合い)を変えながら直列に配設して、特定の波長帯域の蛍光を、特定の方向へと反射させる。これにより、7種類のシングルバンド反射フィルタ121は、全体として、マルチバンドパス光学フィルタ107として機能することとなり、7種類の蛍光を3つの蛍光検出部109に導光することが可能となる。
For example, in FIG. 5A, a multiband pass
また、図5Bに示した例では、帯域λA〜λGの何れか一つの帯域を反射させるとともにそれ以外の帯域の光を透過させる7種類のシングルバンド反射フィルタと、バンドパスフィルタ123と、を組み合わせることで、マルチバンドパス光学フィルタ107を実現する例が図示されている。図5Bに示した場合においても、7種類のシングルバンド反射フィルタ121とバンドパスフィルタ123とは、全体として、マルチバンドパス光学フィルタ107として機能することとなり、7種類の蛍光を3つの蛍光検出部109に導光することが可能となる。
In the example shown in FIG. 5B, seven types of single-band reflection filters that reflect any one of the bands λ A to λ G and transmit light in the other bands, a band-
なお、図5Aに示したマルチバンドパス光学フィルタ107は、図5Bに示した例と比較して、より少ない個数のシングルバンド反射フィルタ121を用いて実現することが可能であるため、装置1の小型化を図る上で好ましい形態である。一方、図5Bに示したマルチバンドパス光学フィルタ107は、図5Aに示した例と比較して、使用するシングルバンド反射フィルタ121の個数は多くなるものの、マルチバンドパス光学フィルタ107のメンテナンスが容易となる。
Note that the multiband pass
以上、図4〜図5Bを参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1で用いられるマルチバンドパス光学フィルタ107について説明した。
The multiband pass
[同期検波部]
次に、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1で用いられる同期検波部111について、図6A及び図6Bを参照しながら具体的に説明する。図6A及び図6Bは、本実施形態に係る蛍光信号取得装置における同期検波部の一例を模式的に示した説明図である。
[Synchronous detection section]
Next, the
先だって説明したように、本実施形態に係る同期検波部111は、バンドパスフィルタと、乗算器と、ローパスフィルタと、からなる復調器で構成される。かかる構成の復調器は、蛍光信号取得装置1の全体として、測定対象物Sに含まれる蛍光体の個数分だけ設けられている。
As described earlier, the
例えば図4に示したように、7種類の蛍光体を3つの蛍光検出部109により検出する場合、第1の蛍光検出部109には3種類の蛍光を含む光が導光され、第2及び第3の蛍光検出部109のそれぞれには、2種類の蛍光を含む光が導光される。従って、第1の蛍光検出部109の後段には、3種類の検出信号を分離可能な3チャンネルの復調器を設け、第2及び第3の蛍光検出部109の後段には、2種類の検出信号を分離可能な2チャンネルの復調器を設ければよい。その結果、かかる蛍光体からの蛍光を取得する蛍光信号取得装置1には、全体として7チャンネル分の復調器が実装されることとなる。
For example, as shown in FIG. 4, when seven types of phosphors are detected by the three
図6Aは、2チャンネルの復調器131を実現するための、バンドパスフィルタ133、乗算器135及びローパスフィルタ137の構成例を示している。蛍光FLa、FLbという2種類の蛍光を含む入力信号MSinから、それぞれの蛍光を分離する場合には、図6Aに示したように、バンドパスフィルタ133、乗算器135及びローパスフィルタ137が直列に接続された復調器を、2つ並列に設ければよい。
FIG. 6A shows a configuration example of a
かかる場合に、蛍光FLa用に設定されたバンドパスフィルタBPFaに入力信号MSinを入力して、蛍光FLaに対応する部分の入力信号を抽出する。その後、抽出された入力信号を、変調部101から取得した蛍光FLaに対応するキャリア周波数fc_aとともに乗算器に入力することで、蛍光FLaに関する信号を復調する。続いて、復調後の信号を、蛍光FLa用に設定されたローパスフィルタLPFaに入力することで、ベースバンド蛍光(すなわち、着目する蛍光体からの蛍光FLa)を得ることが可能となる。
In such a case, by inputting an input signal MS in the band-pass filter BPFa configured for fluorescence FL a, it extracts an input signal of a portion corresponding to the fluorescence FL a. Then, the extracted input signal, and inputs to the multiplier together with the carrier frequency f C_A corresponding to fluorescence FL a obtained from the
同様に、蛍光FLb用に設定されたバンドパスフィルタBPFbに入力信号MSinを入力して、蛍光FLbに対応する部分の入力信号を抽出する。その後、抽出された入力信号を、変調部101から取得した蛍光FLbに対応するキャリア周波数fc_bとともに乗算器に入力することで、蛍光FLbに関する信号を復調する。続いて、復調後の信号を、蛍光FLb用に設定されたローパスフィルタLPFbに入力することで、ベースバンド蛍光(すなわち、着目する蛍光体からの蛍光FLb)を得ることが可能となる。
Similarly, by inputting an input signal MS in the band-pass filter BPFb configured for fluorescence FL b, to extract the input signal of a portion corresponding to the fluorescence FL b. Then, the extracted input signal, and inputs to the multiplier together with the carrier frequency f C_B corresponding to fluorescence FL b obtained from the
図6Bは、3チャンネルの復調器131を実現するための、バンドパスフィルタ133、乗算器135及びローパスフィルタ137の構成例を示している。3チャンネルの復調器131は、図6Bに示したように、バンドパスフィルタ133、乗算器135及びローパスフィルタ137が直列に接続された復調器が、3つ並列に設けられている。各復調器131における復調処理については、図6Aに示した2チャンネルの復調器131と同様であるため、以下では詳細な説明は省略する。
FIG. 6B shows a configuration example of a
本実施形態に係る蛍光信号取得装置1では、図6A及び図6Bに示したような復調器131を用いて同期検波部111を構成することで、複数の蛍光体からの複数の蛍光を、互いに分離することが可能となる。
In the fluorescence
以上、図6A及び図6Bを参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1で用いられる同期検波部111について説明した。
The
なお、上記説明では、同期検波部111が、バンドパスフィルタ、乗算器及びローパスフィルタからなる復調器で構成される場合について説明したが、本実施形態に係る同期検波部111の構成は、かかる例のみに限定されるものではない。例えば、各蛍光検出部109より検出された検出信号のうち最大の変調周波数の側帯波以下の信号のみを通すローパスフィルタと、かかるフィルタからの出力信号を最大の変調周波数の3倍以上のサンプリング周波数でAD変換するAD変換部と、から構成されるディジタル信号処理部を、同期検波部111として設けても良い。かかるディジタル信号処理部を用いて蛍光検出部109の検出信号をディジタル信号処理することで、上記の復調器と同等の結果を得ることが可能である。
In the above description, the case where the
<蛍光信号取得装置の具体例−1:フローサイトメータ>
次に、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1の一具体例としてフローサイトメータを取り上げ、図7を参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得装置を具体的に説明する。図7は、本実施形態に係る蛍光信号取得装置の一例であるフローサイトメータの構成を模式的に示した説明図である。
<Specific Example of Fluorescence Signal Acquisition Device-1: Flow Cytometer>
Next, a flow cytometer is taken as a specific example of the fluorescence
以上説明したような本実施形態に係る蛍光信号取得装置1は、所定の流路中を搬送されている測定対象物からの蛍光を検出するフローサイトメータとして実現することが可能である。かかる場合、フローサイトメータとして実現された蛍光信号取得装置1は、各種の蛍光体で染色された様々な細胞等を測定対象物とする。
The fluorescence
図7では、図4に示したような7種類の蛍光体を、405nm、488nm、561nm及び643nmの4種類の励起光で励起させて、7種類の蛍光を検出する場合のフローサイトメータの構成を模式的に示している。 In FIG. 7, the configuration of a flow cytometer in the case where seven types of phosphors as shown in FIG. 4 are excited with four types of excitation light of 405 nm, 488 nm, 561 nm, and 643 nm to detect seven types of fluorescence. Is schematically shown.
かかる場合、光源101は、405nmの励起光を射出するレーザ(Laser)1と、488nmの励起光を射出するレーザ2と、561nmのレーザ3と、643nmの励起光を射出するレーザ4と、から構成されており、各レーザは、ドライバ(Driver)に入力されるキャリア周波数fc_1〜fc_2によって、強度変調が施される。
In this case, the
また、変調部103は、4種類の変調信号発生器(Mod Gen)1〜4と、バンドパスフィルタ(BPF)1〜4とから構成されている。変調信号生成器で生成された変調信号(キャリア)は、各レーザのドライバに入力されるとともに、復調に利用されるキャリア周波数は、後段の同期検波部111を構成する各復調器へと出力される。
The
測定光学系105は、光源101から射出された各励起光を、各種のレンズLや、ダイクロイックミラーDM等から構成された光学系を介して、流路中を流れる測定対象物Sへと導光する。ここで、各レーザから射出された励起光は、図7に示したように、同軸で測定対象物Sへと導光されて、測定対象物Sに同時に照射される。また、測定対象物Sから発生した7種類の蛍光は、測定光学系105によりマルチバンドパス光学フィルタ(MBPF)107へと同軸で導光される。
The measurement
なお、図7において、レンズLとして、模式的に1つの非球面レンズを記載しているが、測定光学系105は、複数の球面レンズや非球面レンズを有していても良いことは言うまでもない。
In FIG. 7, one aspheric lens is schematically illustrated as the lens L, but it goes without saying that the measurement
マルチバンドパス光学フィルタ(MBPF)105は、図5A又は図5Bに示したように、複数のシングルバンド反射フィルタから構成されており、7種類の蛍光を、3つの光路へと分岐させる。ここで、図4に示したように、蛍光FLA、FLD、FLGは、蛍光検出部109として構成された光電子増倍管(PMT)1へと分岐され、蛍光FLB、FLEは、蛍光検出部109として構成されたPMT2へと分岐され、蛍光FLC、FLFは、蛍光検出部109として構成されたPMT3へと分岐される。
As shown in FIG. 5A or FIG. 5B, the multiband pass optical filter (MBPF) 105 is composed of a plurality of single band reflection filters, and branches seven types of fluorescence into three optical paths. Here, as shown in FIG. 4, the fluorescence FL A , FL D , and FL G are branched to a photomultiplier tube (PMT) 1 configured as the
同期検波部111は、3チャンネルの復調器(DEM)1と、2チャンネルの復調器DEM2及びDEM3と、から構成されている。PMT1によって検出された蛍光λA、λD、λGは、検出信号MS1へと変換されて、復調器DEM1へと入力され、PMT2によって検出された蛍光λB、λEは、検出信号MS2へと変換されて、復調器DEM2へと入力され、PMT3によって検出された蛍光λC、λFは、検出信号MS3へと変換されて、復調器DEM3へと入力される。
The
復調器1には、キャリア周波数fc_1、fc_3、fc_4が入力されており、検出信号MS1から、蛍光FLA、FLD、FLGが分離される。また、復調器2には、キャリア周波数fc_2、fc_4が入力されており、検出信号MS2から、蛍光FLB、FLEが分離される。更に、復調器3には、キャリア周波数fc_3、fc_4が入力されており、検出信号MS3から、蛍光FLC、FLFが分離される。かかる構成により、同時に励起された7種類の蛍光が、それぞれ分離されることとなる。
The
[キャリアの周波数の設定方法の具体例]
続いて、蛍光信号取得装置1としてフローサイトメータを実現した場合におけるキャリア周波数の設定方法について、具体的に説明する。
[Specific example of carrier frequency setting method]
Next, a carrier frequency setting method when a flow cytometer is realized as the fluorescence
フローサイトメータの場合、検出したい測定対象物(例えば、細胞)の最小サイズと、測定対象物の搬送速度とから、検出に求められる帯域幅が決定する。以下では、最小サイズが0.5μmの細胞が、搬送速度10m/sで流路中を搬送される場合を例に挙げて、キャリア周波数の設定方法について具体的に説明する。 In the case of a flow cytometer, the bandwidth required for detection is determined from the minimum size of a measurement object (for example, a cell) to be detected and the conveyance speed of the measurement object. Hereinafter, a method for setting the carrier frequency will be described in detail by taking as an example a case where cells having a minimum size of 0.5 μm are transported in the flow path at a transport speed of 10 m / s.
キャリアの最小周波数を決定する場合、サンプリング定理を考慮すると、測定対象物Sの最小サイズである0.5μmの大きさが搬送される間に、キャリアが2波長以上、好ましくは3波長以上照射されることが求められる。従って、0.5μm/3=0.167μm以下の繰り返し周期を持つ、1/0.167μm≒60MHz以上のキャリアが用いられることが好ましい。 When determining the minimum frequency of the carrier, considering the sampling theorem, the carrier is irradiated with two or more wavelengths, preferably three or more wavelengths, while the size of 0.5 μm, which is the minimum size of the measuring object S, is being conveyed. Is required. Accordingly, it is preferable to use a carrier having a repetition period of 0.5 μm / 3 = 0.167 μm or less and having a repetition rate of 1 / 0.167 μm≈60 MHz.
一方、大きさ0.5μmの細胞が1μm間隔で搬送される場合の周波数は、10MHzであるが、フローサイトメータの励起光の大きさを例えば5μmとした場合に、5μmの大きさを10m/sの速度で通り過ぎる時間は、0.5μsとなる。従って、サンプリング定理から、1/0.5μs=2MHzの2倍の4MHzを占有帯域幅とすればよいこととなる。ただ、クロストークをより確実に防止するためには、搬送速度と大きさとから決定される周波数帯域幅(上記の場合には、例えば2MHz)の3倍以上とすることがより好ましい。 On the other hand, the frequency when a cell having a size of 0.5 μm is conveyed at 1 μm intervals is 10 MHz. However, when the size of the excitation light of the flow cytometer is 5 μm, for example, the size of 5 μm is 10 m / The time passing by at the speed of s is 0.5 μs. Therefore, from the sampling theorem, 4 MHz, which is twice 1 / 0.5 μs = 2 MHz, may be used as the occupied bandwidth. However, in order to prevent crosstalk more reliably, it is more preferable to set the frequency bandwidth to be three times or more of the frequency bandwidth (in the above case, 2 MHz, for example) determined from the conveyance speed and size.
キャリアの最小周波数が60MHzであるとき、占有帯域幅10MHzにすれば、4通りのキャリア周波数は、最小で60、70、80、90MHzとなる。このとき、選択された4通りのキャリアは、60MHzのキャリアの2次高調波120MHzとは重複していないため、クロストークも発生しない。 When the minimum frequency of the carrier is 60 MHz, if the occupied bandwidth is 10 MHz, the four carrier frequencies are 60, 70, 80, and 90 MHz at the minimum. At this time, the four selected carriers do not overlap with the second harmonic 120 MHz of the carrier of 60 MHz, and thus no crosstalk occurs.
実際には、0.5μmの間に多くのキャリア波長が入った方が良いため、回路の動作速度で許容される範囲で、キャリアの周波数は高い方が好ましい。そのため、キャリア周波数fc_1〜fc_4として、例えば、100MHz、110MHz、120MHz、130MHz(Δf=5MHz)を選択することが好ましい。 Actually, it is better that many carrier wavelengths are included in the range of 0.5 μm. Therefore, it is preferable that the carrier frequency is as high as possible within the range allowed by the operation speed of the circuit. Therefore, for example, 100 MHz, 110 MHz, 120 MHz, and 130 MHz (Δf = 5 MHz) are preferably selected as the carrier frequencies f c — 1 to f c — 4 .
以上、蛍光信号取得装置1としてフローサイトメータを実現した場合におけるキャリア周波数の設定方法について、具体的に説明した。
The carrier frequency setting method when a flow cytometer is realized as the fluorescence
<蛍光信号取得装置の具体例−2:レーザ走査蛍光顕微鏡>
次に、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1の一具体例としてレーザ走査蛍光顕微鏡を取り上げ、図8を参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得装置を具体的に説明する。図8は、本実施形態に係る蛍光信号取得装置の一例であるレーザ走査蛍光顕微鏡の構成を模式的に示した説明図である。
<Specific Example of Fluorescence Signal Acquisition Device-2: Laser Scanning Fluorescence Microscope>
Next, taking a laser scanning fluorescence microscope as a specific example of the fluorescence
以上説明したような本実施形態に係る蛍光信号取得装置1は、測定対象物を走査して、測定対象物からの蛍光を観察するレーザ走査蛍光顕微鏡として実現することが可能である。かかる場合、レーザ走査蛍光顕微鏡として実現された蛍光信号取得装置1は、各種の蛍光体で染色された様々な物質を測定対象物とする。
The fluorescence
図8では、図4に示したような7種類の蛍光体を、405nm、488nm、561nm及び643nmの4種類の励起光で励起させて、7種類の蛍光を検出する場合のレーザ走査蛍光顕微鏡の構成を模式的に示している。 In FIG. 8, the seven types of phosphors as shown in FIG. 4 are excited by four types of excitation light of 405 nm, 488 nm, 561 nm, and 643 nm, and a laser scanning fluorescence microscope for detecting seven types of fluorescence is shown. A configuration is schematically shown.
かかる場合、光源101は、405nmの励起光を射出するレーザ(Laser)1と、488nmの励起光を射出するレーザ2と、561nmのレーザ3と、643nmの励起光を射出するレーザ4と、から構成されており、各レーザは、ドライバ(Driver)に入力されるキャリア周波数fc_1〜fc_2によって、強度変調が施される。
In this case, the
また、変調部103は、4種類の変調信号発生器(Mod Gen)1〜4と、バンドパスフィルタ(BPF)1〜4とから構成されている。変調信号生成器で生成された変調信号(キャリア)は、各レーザのドライバに入力されるとともに、復調に利用されるキャリア周波数は、後段の同期検波部111を構成する各復調器へと出力される。
The
測定光学系105は、光源101から射出された各励起光を、各種のレンズLや、ダイクロイックミラーDM、ピンホールPH、XY−ガルバノミラー(XY−gal)、対物レンズ(Obj)、ノッチフィルタNF等から構成された光学系を介して、測定対象物Sへと導光する。ここで、各レーザから射出された励起光は、図8に示したように、同軸で測定対象物Sへと導光されて、測定対象物Sに同時に照射される。また、測定対象物Sから発生した7種類の蛍光は、測定光学系105によりマルチバンドパス光学フィルタ(MBPF)107へと同軸で導光される。
The measurement
なお、図8において、レンズLとして、模式的に1つの非球面レンズを記載しているが、測定光学系105は、複数の球面レンズや非球面レンズを有していても良いことは言うまでもない。
In FIG. 8, one aspheric lens is schematically illustrated as the lens L, but it goes without saying that the measurement
マルチバンドパス光学フィルタ(MBPF)105は、図5A又は図5Bに示したように、複数のシングルバンド反射フィルタから構成されており、7種類の蛍光を、3つの光路へと分岐させる。ここで、図4に示したように、蛍光FLA、FLD、FLGは、蛍光検出部109として構成された光電子増倍管(PMT)1へと分岐され、蛍光FLB、FLEは、蛍光検出部109として構成されたPMT2へと分岐され、蛍光FLC、FLFは、蛍光検出部109として構成されたPMT3へと分岐される。
As shown in FIG. 5A or FIG. 5B, the multiband pass optical filter (MBPF) 105 is composed of a plurality of single band reflection filters, and branches seven types of fluorescence into three optical paths. Here, as shown in FIG. 4, the fluorescence FL A , FL D , and FL G are branched to a photomultiplier tube (PMT) 1 configured as the
同期検波部111は、3チャンネルの復調器(DEM)1と、2チャンネルの復調器DEM2及びDEM3と、から構成されている。PMT1によって検出された蛍光λA、λD、λGは、検出信号MS1へと変換されて、復調器DEM1へと入力され、PMT2によって検出された蛍光λB、λEは、検出信号MS2へと変換されて、復調器DEM2へと入力され、PMT3によって検出された蛍光λC、λFは、検出信号MS3へと変換されて、復調器DEM3へと入力される。
The
復調器1には、キャリア周波数fc_1、fc_3、fc_4が入力されており、検出信号MS1から、蛍光FLA、FLD、FLGが分離される。また、復調器2には、キャリア周波数fc_2、fc_4が入力されており、検出信号MS2から、蛍光FLB、FLEが分離される。更に、復調器3には、キャリア周波数fc_3、fc_4が入力されており、検出信号MS3から、蛍光FLC、FLFが分離される。かかる構成により、同時に励起された7種類の蛍光が、それぞれ分離されることとなる。
The
[キャリアの周波数の設定方法の具体例]
続いて、蛍光信号取得装置1としてレーザ走査蛍光顕微鏡を実現した場合におけるキャリア周波数の設定方法について、具体的に説明する。
[Specific example of carrier frequency setting method]
Next, a method for setting the carrier frequency when a laser scanning fluorescence microscope is realized as the fluorescence
レーザ走査蛍光顕微鏡の分解能は、小さければ小さい方が好ましいが、光学的分解能又は電気的分解能の大きい方の数値が、実際のレーザ走査蛍光顕微鏡の分解能となる。 The smaller the resolution of the laser scanning fluorescent microscope, the better. However, the numerical value with the larger optical resolution or electrical resolution is the resolution of the actual laser scanning fluorescent microscope.
光学的分解能doは、対物レンズの開口数NAと、測定に用いる励起光の波長λと、を用いて、λ/(NA×2)、又は、0.61×λ/NAで見積もられる。ここで、簡単のためにNA=1としてdo=λ/2を用いるとすると、λ=500nmでdo=250nmとなる。 Optical resolution d o, using the numerical aperture NA of the objective lens, and a wavelength lambda of the excitation light used for measurement, λ / (NA × 2) , or is estimated at 0.61 × λ / NA. Here, when the use of d o = λ / 2 as NA = 1 for simplicity, the d o = 250 nm at lambda = 500 nm.
一方、電気的分解能deは、PMTなどの光電変換素子の帯域に制約が無い場合、サンプリング間隔(又はピクセル間隔)によって決定される。ビーム速度がv[m/s]でサンプリング周波数がfs[1/s]であるとき、サンプリング間隔は、v/fs[m]となる。サンプリング定理によれば、かかるサンプリング間隔の2倍の分解能が得られるが、これは理想的なローパスフィルタ(LPF)を用いた場合であるため、現実的には、上記サンプリング間隔の3倍の分解能になると見積ることとして、de=3×(v/fs)で計算される。 On the other hand, the electrical resolution d e, when there is no limitation in the band of the photoelectric conversion element such as PMT, are determined by the sampling interval (or pixel spacing). When the beam velocity is v [m / s] and the sampling frequency is f s [1 / s], the sampling interval is v / f s [m]. According to the sampling theorem, a resolution twice as high as the sampling interval can be obtained. This is a case where an ideal low-pass filter (LPF) is used. as it comes to estimate is calculated by d e = 3 × (v / f s).
ビーム速度v[m/s]は、走査ビームの往復周波数と走査範囲とから計算できる。代表的な数字として、往復周波数500Hz、走査範囲1mmを用いて、ビーム速度を計算することとする。1mmの範囲を周期2msの半分の1msで走査するため、ビーム速度はv=1[m/s]となる。 The beam velocity v [m / s] can be calculated from the round-trip frequency of the scanning beam and the scanning range. As a representative number, the beam velocity is calculated using a round-trip frequency of 500 Hz and a scanning range of 1 mm. Since the 1 mm range is scanned at 1 ms, which is half the period of 2 ms, the beam velocity is v = 1 [m / s].
電気的分解能deを光学的分解能doと一致させるためには、サンプリング周波数がfs=3×(v/de)=3×(v/do)=3×(1[m/s]/250×10−9[m])=3×4/1000×10−9[1/s]=12×106[1/s]=12[MHz]であればよく、周波数帯域は、1[m/s]/250×10−9[m]=4/1000×10−9=4×10−6[1/s]=4[MHz]となる。 In order to match the electrical resolution d e with the optical resolution d o , the sampling frequency is f s = 3 × (v / d e ) = 3 × (v / d o ) = 3 × (1 [m / s ] / 250 × 10 −9 [m]) = 3 × 4/1000 × 10 −9 [1 / s] = 12 × 10 6 [1 / s] = 12 [MHz], and the frequency band is 1 [m / s] / 250 × 10 −9 [m] = 4/1000 × 10 −9 = 4 × 10 −6 [1 / s] = 4 [MHz].
なお、最小のキャリアの周波数は、先だって説明したように、周波数帯域幅の3倍以上に設定することが好ましい。従って、最小のキャリアの周波数は、4MHzの3倍である12MHz以上に設定することが好ましい。
Note that the minimum carrier frequency is preferably set to three or more times the frequency bandwidth, as described above. Accordingly, the minimum carrier frequency is preferably set to 12 MHz or more, which is three
一方、複数のキャリアを用いる場合には、先だって説明したように、あるキャリアの2次高調波が他のキャリアとその側帯波と重ならないようにすることが好ましい。最小のキャリアの周波数を12MHzとし、占有帯域幅を4MHzの2倍の8MHzとすると、4本のキャリアの側帯波が重ならないためには、最低でも8MHzの間隔が求められるため、12、20、28、36MHzという周波数を選択することができる。しかしながら、12MHzのキャリアの2次高調波は24MHzであるため、20MHzと28MHzのキャリアの側帯波と重なり合って、クロストークの原因となる。従って、占有帯域幅が4MHz、つまり最低でも8MHzの間隔が求められるという条件と、2次高調波が重ならないという条件を満たす最も周波数の低い組み合わせは、32、40、48、56MHzとなる。 On the other hand, when a plurality of carriers are used, it is preferable that the second harmonic of one carrier does not overlap with another carrier and its sidebands as described above. If the minimum carrier frequency is 12 MHz, and the occupied bandwidth is 8 MHz, which is twice 4 MHz, the sidebands of the four carriers do not overlap. A frequency of 28, 36 MHz can be selected. However, since the second harmonic of the 12 MHz carrier is 24 MHz, it overlaps with the sidebands of the 20 MHz and 28 MHz carriers and causes crosstalk. Therefore, the combinations with the lowest frequency satisfying the condition that the occupied bandwidth is 4 MHz, that is, the interval of at least 8 MHz and the second harmonics do not overlap are 32, 40, 48, and 56 MHz.
以上、蛍光信号取得装置1としてレーザ走査蛍光顕微鏡を実現した場合におけるキャリア周波数の設定方法について、具体的に説明した。
The carrier frequency setting method when a laser scanning fluorescence microscope is realized as the fluorescence
<蛍光信号取得方法について>
次に、図9を参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得装置1で実施される蛍光信号取得方法の流れについて、簡単に説明する。図9は、本実施形態に係る蛍光信号取得方法の流れの一例を示した流れ図である。
<About fluorescence signal acquisition method>
Next, the flow of the fluorescence signal acquisition method performed by the fluorescence
本実施形態に係る蛍光信号取得方法では、まず、複数の蛍光体を含む測定対象物Sに対して、所定の周波数を有するキャリアによって強度変調された複数の励起光を、測定光学系105を介して照射する(ステップS101)。
In the fluorescence signal acquisition method according to the present embodiment, first, a plurality of excitation lights intensity-modulated by a carrier having a predetermined frequency are measured via the measurement
複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光は、マルチバンドパス光学フィルタ107により、複数の光路へと分岐される(ステップS103)。 The plurality of fluorescences generated in response to the plurality of excitation lights are branched into a plurality of optical paths by the multiband pass optical filter 107 (step S103).
その後、複数の光路に分岐された蛍光は、複数の蛍光検出部109によって検出され(ステップS105)、検出された検出信号を同期検波することで、複数の蛍光体に対応する蛍光が分離される(ステップS107)。 Thereafter, the fluorescence branched into the plurality of optical paths is detected by the plurality of fluorescence detection units 109 (step S105), and the fluorescence corresponding to the plurality of phosphors is separated by synchronously detecting the detected detection signals. (Step S107).
以上、図9を参照しながら、本実施形態に係る蛍光信号取得方法の流れの一例について、簡単に説明した。 The example of the flow of the fluorescence signal acquisition method according to the present embodiment has been briefly described above with reference to FIG.
(まとめ)
以上説明したように、本開示の実施形態に係る蛍光信号取得装置及び蛍光信号取得方法では、1つの励起光に応じて複数の蛍光体が同時に励起される場合であっても、発生した蛍光をより簡便に分離することが可能となる。また、蛍光の検出に用いられる蛍光検出部の数を削減することが可能となる。また、励起光の同時照射が可能となるため、測定対象物からの蛍光を、より高速に取得することが可能となる。
(Summary)
As described above, in the fluorescence signal acquisition device and the fluorescence signal acquisition method according to the embodiment of the present disclosure, even if a plurality of phosphors are excited simultaneously according to one excitation light, the generated fluorescence is reduced. It becomes possible to separate more easily. In addition, it is possible to reduce the number of fluorescence detection units used for fluorescence detection. Moreover, since simultaneous irradiation with excitation light is possible, fluorescence from the measurement object can be acquired at higher speed.
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present disclosure have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the technical scope of the present disclosure is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field of the present disclosure can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that it belongs to the technical scope of the present disclosure.
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。 Further, the effects described in the present specification are merely illustrative or exemplary and are not limited. That is, the technology according to the present disclosure can exhibit other effects that are apparent to those skilled in the art from the description of the present specification in addition to or instead of the above effects.
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
(1)
複数の蛍光体を含む測定対象物に対して、互いに異なる周波数を有するキャリアで変調された複数の励起光を照射する複数の光源と、
前記複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を検出する複数の蛍光検出部と、
前記複数の蛍光検出部の前段に位置し、前記複数の蛍光を複数の光路へと分岐させるものであり、波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させるマルチバンドパス光学フィルタと、
それぞれの前記蛍光検出部により検出された検出信号を同期検波して、前記複数の蛍光体に対応する蛍光を分離する同期検波部と、
を備える、蛍光信号取得装置。
(2)
前記蛍光検出部の個数は、前記複数の蛍光体の個数よりも少なく、かつ、1つの前記励起光で励起される前記蛍光体の最大数に等しい、(1)に記載の蛍光信号取得装置。
(3)
前記マルチバンドパス光学フィルタは、所定の波長帯域の光を反射させるとともにそれ以外の波長帯域の光を透過させる複数のシングルバンド反射フィルタが、直列に配設されたものである、(1)又は(2)に記載の蛍光信号取得装置。
(4)
それぞれの前記キャリアの基本波は、側帯波の帯域幅以上の周波数だけ離隔しており、
それぞれの前記キャリアの周波数は、ある一つのキャリアにおける三次高調波及び側帯波が他のキャリアにおける基本波及び側帯波と重ならないように選択される、(1)〜(3)の何れか1つに記載の蛍光信号取得装置。
(5)
それぞれの前記キャリアの周波数は、ある一つのキャリアにおける二次高調波及び側帯波が他のキャリアにおける基本波及び側帯波と重ならないように選択される、(1)〜(4)の何れか1つに記載の蛍光信号取得装置。
(6)
前記同期検波部は、
前記蛍光検出部により生成された検出信号が入力されるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過した前記検出信号と前記キャリアとが入力される乗算器と、
前記乗算器により生成された信号が入力されるローパスフィルタと、
を有する、(1)〜(5)の何れか1つに記載の蛍光信号取得装置。
(7)
前記蛍光信号取得装置は、所定の流路中を搬送されている前記測定対象物からの蛍光を検出するフローサイトメータである、(1)〜(6)の何れか1つに記載の蛍光信号取得装置。
(8)
前記キャリアの周波数は、前記測定対象物の搬送速度と、前記測定対象物の大きさとから決定される周波数帯域幅の3倍以上である、(7)に記載の蛍光信号取得装置。
(9)
前記蛍光信号取得装置は、前記測定対象物を走査して当該測定対象物からの蛍光を観察するレーザ走査蛍光顕微鏡である、(1)〜(6)の何れか1つに記載の蛍光信号取得装置。
(10)
前記キャリアの周波数は、前記励起光の波長及び対物レンズの開口数から算出される光学的分解能と、前記励起光の走査速度との組み合わせから決定される周波数帯域幅の3倍以上である、(9)に記載の蛍光信号取得装置。
(11)
前記光源は、所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源であり、
前記蛍光検出部は、光電子増倍管である、(1)〜(10)の何れか1つに記載の蛍光信号取得装置。
(12)
複数の蛍光体を含む測定対象物に対して、互いに異なる周波数を有するキャリアで変調された複数の励起光を照射することと、
波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させるマルチバンドパス光学フィルタにより、前記複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を、複数の光路へと分岐させることと、
複数の光路に分岐された前記蛍光を複数の蛍光検出部により検出することと、
それぞれの前記蛍光検出部により検出された検出信号を同期検波して、前記複数の蛍光体に対応する蛍光を分離することと、
を含む、蛍光信号取得方法。
The following configurations also belong to the technical scope of the present disclosure.
(1)
A plurality of light sources for irradiating a measurement object including a plurality of phosphors with a plurality of excitation lights modulated by carriers having different frequencies;
A plurality of fluorescence detectors for detecting a plurality of fluorescence generated in response to the plurality of excitation lights;
A multi-band pass optical filter that is positioned in front of the plurality of fluorescence detection units and branches the plurality of fluorescence into a plurality of optical paths, and transmits fluorescence from a plurality of phosphors having non-continuous wavelengths;
Synchronous detection of the detection signals detected by each of the fluorescence detection units, to separate the fluorescence corresponding to the plurality of phosphors, and a synchronous detection unit,
A fluorescence signal acquisition device comprising:
(2)
The fluorescence signal acquisition device according to (1), wherein the number of the fluorescence detection units is smaller than the number of the plurality of phosphors and is equal to the maximum number of the phosphors excited by one excitation light.
(3)
The multiband pass optical filter is configured such that a plurality of single band reflection filters that reflect light in a predetermined wavelength band and transmit light in other wavelength bands are arranged in series, (1) or The fluorescence signal acquisition device according to (2).
(4)
The fundamental wave of each of the carriers is separated by a frequency equal to or greater than the sideband bandwidth,
The frequency of each of the carriers is selected so that the third harmonic and the sideband in one carrier do not overlap with the fundamental and sidebands in another carrier, any one of (1) to (3) The fluorescence signal acquisition device according to 1.
(5)
The frequency of each of the carriers is selected so that the second harmonic and the sideband in one carrier do not overlap with the fundamental and the sideband in another carrier, any one of (1) to (4) The fluorescence signal acquisition device described in 1.
(6)
The synchronous detector is
A bandpass filter to which a detection signal generated by the fluorescence detection unit is input;
A multiplier to which the detection signal transmitted through the band-pass filter and the carrier are input;
A low-pass filter to which the signal generated by the multiplier is input;
The fluorescent signal acquisition device according to any one of (1) to (5), comprising:
(7)
The fluorescence signal according to any one of (1) to (6), wherein the fluorescence signal acquisition device is a flow cytometer that detects fluorescence from the measurement object being conveyed in a predetermined flow path. Acquisition device.
(8)
The fluorescence signal acquisition device according to (7), wherein the frequency of the carrier is at least three times a frequency bandwidth determined from a conveyance speed of the measurement object and a size of the measurement object.
(9)
The fluorescence signal acquisition device according to any one of (1) to (6), wherein the fluorescence signal acquisition device is a laser scanning fluorescence microscope that scans the measurement object and observes fluorescence from the measurement object. apparatus.
(10)
The frequency of the carrier is at least three times the frequency bandwidth determined from the combination of the optical resolution calculated from the wavelength of the excitation light and the numerical aperture of the objective lens, and the scanning speed of the excitation light. 9) The fluorescence signal acquisition device according to item 9).
(11)
The light source is a laser light source that emits laser light of a predetermined wavelength,
The fluorescence signal acquisition device according to any one of (1) to (10), wherein the fluorescence detection unit is a photomultiplier tube.
(12)
Irradiating a measurement object including a plurality of phosphors with a plurality of excitation lights modulated with carriers having different frequencies;
Branching a plurality of fluorescence generated in response to the plurality of excitation lights into a plurality of optical paths by a multiband pass optical filter that transmits fluorescence from a plurality of phosphors whose wavelengths are not continuous;
Detecting the fluorescence branched into a plurality of optical paths by a plurality of fluorescence detection units;
Synchronously detecting detection signals detected by the respective fluorescence detection units, and separating fluorescence corresponding to the plurality of phosphors;
A fluorescence signal acquisition method comprising:
1 蛍光信号取得装置
101 光源
103 変調部
105 測定光学系
107 マルチバンドパス光学フィルタ
109 蛍光検出部
111 同期検波部
121 シングルバンド反射フィルタ
123、133 バンドパスフィルタ
131 復調器
135 乗算器
137 ローパスフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を検出する複数の蛍光検出部と、
前記複数の蛍光検出部の前段に位置し、前記複数の蛍光を複数の光路へと分岐させるものであり、波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させるマルチバンドパス光学フィルタと、
それぞれの前記蛍光検出部により検出された検出信号を同期検波して、前記複数の蛍光体に対応する蛍光を分離する同期検波部と、
を備える、蛍光信号取得装置。 A plurality of light sources for irradiating a measurement object including a plurality of phosphors with a plurality of excitation lights modulated by carriers having different frequencies;
A plurality of fluorescence detectors for detecting a plurality of fluorescence generated in response to the plurality of excitation lights;
A multi-band pass optical filter that is positioned in front of the plurality of fluorescence detection units and branches the plurality of fluorescence into a plurality of optical paths, and transmits fluorescence from a plurality of phosphors having non-continuous wavelengths;
Synchronous detection of the detection signals detected by each of the fluorescence detection units, to separate the fluorescence corresponding to the plurality of phosphors, and a synchronous detection unit,
A fluorescence signal acquisition device comprising:
それぞれの前記キャリアの周波数は、ある一つのキャリアにおける三次高調波及び側帯波が他のキャリアにおける基本波及び側帯波と重ならないように選択される、請求項1に記載の蛍光信号取得装置。 The fundamental wave of each of the carriers is separated by a frequency equal to or greater than the sideband bandwidth,
The fluorescence signal acquisition device according to claim 1, wherein the frequency of each of the carriers is selected so that a third harmonic and a sideband in one carrier do not overlap with a fundamental and a sideband in another carrier.
前記蛍光検出部により生成された検出信号が入力されるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過した前記検出信号と前記キャリアとが入力される乗算器と、
前記乗算器により生成された信号が入力されるローパスフィルタと、
を有する、請求項1に記載の蛍光信号取得装置。 The synchronous detector is
A bandpass filter to which a detection signal generated by the fluorescence detection unit is input;
A multiplier to which the detection signal transmitted through the band-pass filter and the carrier are input;
A low-pass filter to which the signal generated by the multiplier is input;
The fluorescence signal acquisition apparatus according to claim 1, comprising:
前記蛍光検出部は、光電子増倍管である、請求項1に記載の蛍光信号取得装置。 The light source is a laser light source that emits laser light of a predetermined wavelength,
The fluorescence signal acquisition apparatus according to claim 1, wherein the fluorescence detection unit is a photomultiplier tube.
波長の連続しない複数の蛍光体からの蛍光を透過させるマルチバンドパス光学フィルタにより、前記複数の励起光に応じて発生した複数の蛍光を、複数の光路へと分岐させることと、
複数の光路に分岐された前記蛍光を複数の蛍光検出部により検出することと、
それぞれの前記蛍光検出部により検出された検出信号を同期検波して、前記複数の蛍光体に対応する蛍光を分離することと、
を含む、蛍光信号取得方法。
Irradiating a measurement object including a plurality of phosphors with a plurality of excitation lights modulated with carriers having different frequencies;
Branching a plurality of fluorescence generated in response to the plurality of excitation lights into a plurality of optical paths by a multiband pass optical filter that transmits fluorescence from a plurality of phosphors whose wavelengths are not continuous;
Detecting the fluorescence branched into a plurality of optical paths by a plurality of fluorescence detection units;
Synchronously detecting detection signals detected by the respective fluorescence detection units, and separating fluorescence corresponding to the plurality of phosphors;
A fluorescence signal acquisition method comprising:
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