JP3671227B2 - Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system - Google Patents

Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system Download PDF

Info

Publication number
JP3671227B2
JP3671227B2 JP2002302158A JP2002302158A JP3671227B2 JP 3671227 B2 JP3671227 B2 JP 3671227B2 JP 2002302158 A JP2002302158 A JP 2002302158A JP 2002302158 A JP2002302158 A JP 2002302158A JP 3671227 B2 JP3671227 B2 JP 3671227B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
total reflection
optical system
illumination optical
diffraction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2002302158A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004138735A (en
Inventor
崇之 西坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Information and Communications Technology
Original Assignee
National Institute of Information and Communications Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Information and Communications Technology filed Critical National Institute of Information and Communications Technology
Priority to JP2002302158A priority Critical patent/JP3671227B2/en
Publication of JP2004138735A publication Critical patent/JP2004138735A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3671227B2 publication Critical patent/JP3671227B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、エバネッセント場において蛍光色素を励起させる全反射型蛍光顕微鏡に関する。
【従来の技術】
蛍光顕微鏡は、その照射された光の波長よりも長い波長の光を出す蛍光色素を励起させ、その蛍光を観察することによって試料を観察する顕微鏡である。
【0002】
より具体的には、まず試料に蛍光色素を結合させる。その蛍光色素は、その振動モーメントと同一の方向の偏光成分を有する光によって励起され蛍光を発する。その蛍光を観察する顕微鏡が蛍光顕微鏡である。
【0003】
そのような蛍光顕微鏡の中でも、試料面に照射した光を全反射させる蛍光顕微鏡を全反射蛍光顕微鏡という。全反射型蛍光顕微鏡は、例えば光を、水溶液とガラスとの境界の試料面に臨界角よりも大きな角度で入射させ、その入射光を全反射させ、その試料面近傍に発生するエバネッセント場により水溶液中の試料を照明する顕微鏡である。
【0004】
従来の全反射型蛍光反射顕微鏡では、試料面に一方向からレーザー光が照射されてエバネッセント場が作られていた(例えば非特許文献1)。ここで、エバネッセント場の偏光方向はレーザー光の偏光方向と、試料面に対するレーザー光の入射方向で決定されるが、一方向から試料面にレーザー光が照射される従来の全反射型蛍光反射顕微鏡では、ある方向の振動モーメントを有する色素を励起させ蛍光を発せさせることができない。例えば、レーザー光が全反射する界面をxy平面とし、全反射するレーザー光の走る光線がxz平面上にあると規定すると、例えば、レーザー光の偏光の向きがy軸方向に偏光している場合、生成されるエバネッセント場の偏光成分はy軸方向のみである。また、xz平面を走るレーザー光が、その進行する方向に垂直でありかつxz平面内にある軸に偏光している場合、生成されるエバネッセント場の偏光成分は主にz軸方向とごくわずかなx軸方向の偏光成分のみである。すなわち、入射するレーザー光の偏光がどのようなものであろうと、生成されるエバネッセント場に含まれるのは、y軸方向とz軸方向の偏光成分が主であり、x軸方向の偏光成分はほとんど含まれていないため、振動モーメントがy軸またはz軸を向いている蛍光色素しか十分に励起することはできない。
【0005】
その結果、試料面に一方向からレーザー光が照射される従来の全反射型蛍光反射顕微鏡では、試料の向いている方向によってはその試料を観察することができない。
【0006】
【非特許文献1】
Tokunaga, M., Kitamura, K., Saito, K., Iwane, A. H., and Yanagida, T. (1997). Single molecule imaging of fluorophores and enzymatic reactions achieved by objective-type total internal reflection fluorescence microscopy. Biochemical and Biophysical Research Communications 235, 47-53
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以下に記載された目的の1以上を達成するものである。
【0008】
本発明は蛍光色素と結合した試料の方向によらず、その試料が存在するかどうかを観測することを目的とする。
【0009】
また、本発明は、蛍光色素と結合した試料の方向によらず、蛍光色素1分子を可視化できるので、1カ所に集まった蛍光色素の個数が数えられるようにすることを目的とする。例えば、蛍光色素でラベルされた生体分子を観察すれば、生体分子がどのようなユニットで会合しているのかという情報を定量的に決めることを目的とする。また例えば、同じ生体分子を観察しながら、水溶液の条件を変えて会合・分離のダイナミクスを定量化できる全反射型蛍光顕微鏡または照明光学系を提供すること目的とする。
【0010】
本発明は、試料が水中にあっても観測できる全反射型蛍光顕微鏡または照明光学系を提供することを目的とする。
また、本発明は、NMRや結晶後のX線解析と異なり、水溶液中で活性を持ったタンパク質、DNA、RNAなどの生体分子の立体構造の変化を解析できる全反射型蛍光顕微鏡または照明光学系を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エバネッセント場において蛍光色素を励起させる全反射型蛍光顕微鏡であって、前記エバネッセント場を作るための光を射出する光源と、光を回折させる回折手段と、集光手段と、対物レンズとを含む全反射型蛍光顕微鏡を提供する。
【0012】
本発明は、エバネッセント場において蛍光色素を励起させる全反射型蛍光顕微鏡であって、前記エバネッセント場を作るための光を射出する光源と、前記光源から射出された光を回折させる回折手段と、前記回折した光を集光する第1集光手段と、前記第1集光手段を透過した光を集光させる第2集光手段と、前記第2集光手段を透過した光を試料に照射する対物レンズとを含む全反射型蛍光顕微鏡を提供する。
【0013】
また、本発明は、エバネッセント場において蛍光色素を励起させる照明光学系であって、前記エバネッセント場を作るための光を射出する光源と、光を回折させる回折手段と、集光手段と、対物レンズとを含む照明光学系を提供する。
【0014】
本発明は エバネッセント場において蛍光色素を励起させる照明光学系であって、前記エバネッセント場を作るための光を射出する光源と、前記光源から射出された光を回折させる回折手段と、前記回折した光を集光する第1集光手段と、前記第1集光手段を透過した光を集光させる第2集光手段と、前記第2集光手段を透過した光を試料に照射する対物レンズとを含む照明光学系を提供する。
【0015】
前記光源から射出される光は、円偏光またはランダム偏光であるレーザー光であることが好ましい。
【0016】
また、前記光源から射出された光が、前記回折手段により、光を環状に回折させることが好ましい。
【0017】
前記試料に照射される光がもれ光の少ない環状となるように、前記透過光の一部を遮光するマスクを有することが好ましい。
【0018】
前記マスクは、前記第1集光レンズと第2集光レンズとの間に配置させることが好ましい。
【0019】
前記回折手段が回転することが好ましい。また、前記回転する回折手段の回転軸が光源から射出された光の軸と一致していないことがさらに好ましい。
【0020】
前記回折手段が回折拡散板(diffractive diffuser)であって、その回折拡散板が、その面の方向を維持したまま振動することが好ましい。
【0021】
また、前記対物レンズのバックフォーカルプレーン上に環状の光が入射し、その環状の光の主光線が円筒面上を進行することが好ましい。
【0022】
前記対物レンズのバックフォーカルプレーン上に、前記第2集光レンズを透過した光の焦点が位置することが好ましい。
【0023】
ここで、前記環状の光は環の厚みを有しながら進行するが、その環の厚みの中央を光路とする光を主光線という。また、バックフォーカルプレーンとは、平行に走る2本の光が、試料面から対物レンズに入射したとき、対物レンズによってそれらの光が集光する位置をいう。
【実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一つの実施の形態について詳細に説明する。
【0024】
図1は、本発明にかかる全反射型蛍光顕微鏡の照明光学系を示す図である。
【0025】
この全反射型蛍光顕微鏡の照明光学系100は、左から、レーザー光源1、回折手段としての回折拡散板(diffractive diffuser)2、第1集光手段としての第1集光レンズ3、マスク6、第2集光手段としての第2集光レンズ4、対物レンズ5を含むように構成される。また、対物レンズ5の右側に、試料面7がある。
【0026】
図2は、マスク6の構成を示す図である。マスク6は、環状スリット部10とアルミニウム蒸着によって遮光された遮光部11で構成される。
【0027】
マスク6においては、直径の異なる2つの同心円で囲まれている環状スリット部10は光を透過させ、そのほかの部分である遮光部11では遮光させる。
【0028】
次に、全反射型蛍光顕微鏡における、レーザー光源1から射出され試料面7に到達するまでのレーザー光の光路を説明する。
レーザー光源1から射出される光は、円偏光またはランダム偏光であるレーザー光であることが好ましい。
【0029】
レーザー光源1から射出されたレーザー光は回折拡散板(diffractive diffuser)2に入射する。回折拡散板2に入射したレーザー光は環状に回折され、その回折光は円錐面状に広がる。ここで、回折拡散板2として、ThorLab社のD0740A(635ナノメートル波長のレーザで開き角10.3度)を用いる。
【0030】
回折拡散板2はレーザー光源1から射出されたレーザー光の光軸と平行な軸を回転軸として回転している。その回転速度は、蛍光信号を記録するための装置の時間分解能よりも速いことが好ましい。通常1秒間に10回転以上であることが好ましい。また例えば、33ミリ秒/フレームの通常のビデオ記録の場合には、回折拡散板2の回転速度は1秒間に30回転以上であることが好ましい。回折拡散板2を回転させない場合、集光レンズの異なる部分を通過したレーザー光が再び重なるため、試料面7において干渉縞が発生し、結果として蛍光色素の励起むらが生じる場合がある。
【0031】
そこで、回折拡散板2を回転させることによって、前記干渉縞のパターンを時間的に変化させ、試料面7における均一な光の強度を実現させることができる。その結果、前記干渉縞による蛍光色素の励起むらが生じることを防止できる。
【0032】
また、その回転軸はレーザー光源1から射出された光の軸と一致していないようにする。1回転の間に、レーザー光が回折拡散板の異なる部分に当たるため、干渉縞のパターンを効率的に消すことができるからである。回転軸と前記光の軸は、回折拡散板2の大きさの範囲内で互いに離れていることが好ましい。一般に、2mm以上離れていることが好ましい。例えば回折拡散板2の大きさが直径約5mmの円盤形状である場合、回折拡散板の回転軸と前記光の軸との距離は2〜4mm、であることが好ましい。
【0033】
また、上述のように回折拡散板2を回転させる以外にも、回折拡散板2をその回折拡散板2の面の方向を維持したまま振動させることによって、前記励起むらを防止できる。前記振動の振幅は回折拡散板2の大きさの範囲内で大きい方が好ましい。また、前記振動の振動数は、蛍光信号を記録するための装置の時間分解能より速いことが好ましい。
【0034】
回折拡散板2によって広がった光は、中空の円錐状、すなわち環状の光となって進行することが好ましい。この環状の光は第1集光レンズ3によって集光される。例えば、レーザー光は波長532ナノメートルである緑のレーザー光を、回折拡散板2はThor Lab D0740Aの回折拡散板を用いることができる。また、第1集光レンズ3として、例えば、焦点距離が100mmであるメレスグリオ社のアクロマティックレンズを用いることができる。
【0035】
第1集光レンズ3によって集光された光はマスク6に入射する。環状スリット部10を有するマスク6の構成により、マスク6を通過した光は、ほぼ完全に環状の光となって進行し、第2集光レンズ4に入射する。例えば、回折拡散板2を通過した光には、中央を直進するもれ光が含まれるが、そのもれ光はマスク6によって遮光されることとなる。図2に示されているように、マスク6は、例えば、内直径が14.6mm、外直径が14.9mmである2つの同心円の円周の間を光が透過できるような環状スリット部10と、アルミニウムが蒸着されている遮光部11とから構成される板を用いることができる。
【0036】
バックフォーカルプレーンで光を集光させるため、主光線に沿って進行する光はe-BFPで集光するように設計することが好ましい。さらに、マスク6は、e-BFP(バックフォーカルプレーンの共役面)の位置に置かれることが望ましい。光が集光している位置に置くと最も効率的にもれ光をカットできるからである。なお
【0037】
前記環状の光は環の厚みを有しながら進行するが、その環の厚みの中央を光路する光を主光線20という。第2集光レンズ4に入射する前に、前記環状の光の主光線20は、e-SP(試料面の共役面)で焦点を結ぶ。
【0038】
第2集光レンズ4によって、前記環状の光の主光線20が円筒面上を進行するように、光学系を設計する。試料面7において、全方位からの入射する光が同じ領域で重なるようにするためである。また、第2集光レンズ4は、図1に示すように、対物レンズ5のバックフォーカルプレーン8上で焦点を結ぶように設計される。試料面7において、全方位から入射する光の各部分が平行光になるようにするためである。平行光でないと、照明される領域においてエバネッセント場のxyz軸方向のそれぞれの成分が均一とならないからである。
【0039】
第2集光レンズ4は、例えば、焦点距離が220mmであるシグマ光機社のアクロマティックレンズを用いることができる。
【0040】
第2集光レンズ4を透過し、バックフォーカルプレーン8を通過した環状の光は対物レンズ5によって試料面7で焦点を結ぶように集光され照射される。試料面7には環状の光が照射される、すなわち様々な方向から同時に試料面7に光が照射されることになる。発生するエバネッセント場は3次元(x,y,z)のすべての偏光成分を持つこととなる。これによって、異なる方向の振動モーメントを有するあらゆる蛍光色素を励起させ蛍光を発せさせることができ、したがって、試料がどのような方向を向いていてもその試料を観察することができる。
【0041】
試料面7は、例えば、蛍光色素と結合したタンパク質を含む水溶液(試料)とその水溶液と接しているガラスとの境界面によって構成される。このような試料面7に、対物レンズ5から投影された光が全反射するように前記ガラス側から照射され、水溶液側の試料面7の近傍にエバネッセント場が発生する。エバネッセント場におけるエバネッセント波の浸透深さは浅いため、試料の表面に極めて近い蛍光色素のみが励起されて発光し、極薄の光学断面が創世される。他方、エバネッセント場の外側は蛍光が最小になる。その結果、観察対象について、極めて高いコントラストの像が形成される。
【0042】
なお、蛍光色素の発光による光は、通常の蛍光顕微鏡と同様に観測される。例えば、赤色の波長の光を反射し、緑色の波長の光を透過させるダイクロイックミラー(不図示)を第2集光レンズ4および対物レンズ5との間に配置する。これによって、蛍光色素が発光して得られた赤色の光は対物レンズ5を透過してダイクロイックミラーで反射され、その光を分析することができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明の全反射型蛍光顕微鏡によって、その蛍光色素と結合した試料の方向によらず、その試料が存在するかどうかを観測することができるようになる。
【0044】
本発明の全反射型蛍光顕微鏡によって、蛍光色素と結合した試料の方向によらず、蛍光色素1分子を可視化できるので、1カ所に集まった蛍光色素の個数が数えられる。その結果、蛍光色素でラベルされた生体分子を観察すれば、生体分子がどのようなユニットで会合しているのかという情報を定量的に決めることができる。例えば、同じ生体分子を観察しながら、水溶液の条件を変えて会合・分離のダイナミクスを定量化できるようになる。
【0045】
また、本発明の全反射型蛍光顕微鏡では、試料が水中にあっても観測できる。したがって、活性を維持した状態のタンパク質をそのまま観測することができる。
【0046】
本発明により、NMRや結晶後のX線解析と異なり、水溶液中で活性を持ったタンパク質、DNA、RNAなどの生体分子の立体構造の変化を解析できるようになる。特に、本発明の顕微鏡は1分子を観測対象とすることに適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 全反射型蛍光顕微鏡の照明光学系を示す図
【図2】 マスクの構成を示す図
【符号の説明】
1 レーザー光源
2 回折拡散板
3 第1集光レンズ
4 第2集光レンズ
5 対物レンズ
6 マスク
7 試料面
8 バックフォーカルプレーン
10 環状スリット部
11 遮光部
20 主光線
100 全反射型蛍光顕微鏡の照明光学系
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a total reflection fluorescent microscope that excites a fluorescent dye in an evanescent field.
[Prior art]
The fluorescence microscope is a microscope that observes a sample by exciting a fluorescent dye that emits light having a wavelength longer than the wavelength of the irradiated light and observing the fluorescence.
[0002]
More specifically, a fluorescent dye is first bound to the sample. The fluorescent dye is excited by light having a polarization component in the same direction as the vibration moment and emits fluorescence. A microscope for observing the fluorescence is a fluorescence microscope.
[0003]
Among such fluorescent microscopes, a fluorescent microscope that totally reflects light irradiated on a sample surface is called a total reflection fluorescent microscope. A total reflection type fluorescence microscope, for example, makes light incident on a sample surface at the boundary between an aqueous solution and glass at an angle larger than the critical angle, totally reflects the incident light, and generates an aqueous solution by an evanescent field generated in the vicinity of the sample surface. It is the microscope which illuminates the inside sample.
[0004]
In a conventional total reflection type fluorescence reflection microscope, an evanescent field is created by irradiating a sample surface with laser light from one direction (for example, Non-Patent Document 1). Here, the polarization direction of the evanescent field is determined by the polarization direction of the laser beam and the incident direction of the laser beam on the sample surface, but a conventional total reflection fluorescent reflection microscope in which the sample surface is irradiated with the laser beam from one direction. In this case, it is impossible to excite a dye having a vibration moment in a certain direction to emit fluorescence. For example, when the interface where the laser beam is totally reflected is defined as the xy plane and the light beam of the totally reflected laser beam is on the xz plane, for example, the direction of polarization of the laser beam is polarized in the y-axis direction. The polarization component of the generated evanescent field is only in the y-axis direction. In addition, when the laser light traveling in the xz plane is polarized to an axis that is perpendicular to the traveling direction and is in the xz plane, the polarization component of the generated evanescent field is mainly negligible in the z-axis direction. Only the polarization component in the x-axis direction. That is, regardless of the polarization of the incident laser light, the generated evanescent field mainly includes the polarization components in the y-axis direction and the z-axis direction, and the polarization component in the x-axis direction is Since it is hardly contained, only a fluorescent dye whose vibration moment is directed to the y-axis or z-axis can be sufficiently excited.
[0005]
As a result, in the conventional total reflection type fluorescence reflection microscope in which the sample surface is irradiated with laser light from one direction, the sample cannot be observed depending on the direction of the sample.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Tokunaga, M., Kitamura, K., Saito, K., Iwane, AH, and Yanagida, T. (1997) .Single molecule imaging of fluorophores and biological reactions achieved by objective-type total internal reflection fluorescence microscopy. Research Communications 235, 47-53
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention achieves one or more of the objects described below.
[0008]
An object of the present invention is to observe whether or not a sample exists regardless of the direction of the sample bound to the fluorescent dye.
[0009]
Another object of the present invention is to make it possible to count the number of fluorescent dyes gathered at one place because one molecule of the fluorescent dye can be visualized regardless of the direction of the sample bound to the fluorescent dye. For example, if a biomolecule labeled with a fluorescent dye is observed, it is an object to quantitatively determine information about what unit the biomolecule is associated with. Another object of the present invention is to provide a total reflection fluorescence microscope or illumination optical system capable of quantifying association / separation dynamics by changing the conditions of an aqueous solution while observing the same biomolecule.
[0010]
An object of the present invention is to provide a total reflection fluorescence microscope or illumination optical system that can be observed even when a sample is in water.
Further, the present invention differs from NMR and X-ray analysis after crystallization in that a total reflection fluorescence microscope or illumination optical system capable of analyzing changes in the three-dimensional structure of biomolecules such as proteins, DNA and RNA having activity in aqueous solution The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a total reflection fluorescent microscope for exciting a fluorescent dye in an evanescent field, a light source for emitting light for creating the evanescent field, a diffracting means for diffracting light, a condensing means, and an objective lens And a total reflection fluorescence microscope.
[0012]
The present invention is a total reflection type fluorescence microscope that excites a fluorescent dye in an evanescent field, a light source that emits light for creating the evanescent field, a diffraction unit that diffracts the light emitted from the light source, A first condensing unit that condenses the diffracted light, a second condensing unit that condenses the light that has passed through the first condensing unit, and a sample that is irradiated with light that has passed through the second condensing unit. Provided is a total reflection fluorescent microscope including an objective lens.
[0013]
The present invention also provides an illumination optical system that excites a fluorescent dye in an evanescent field, a light source that emits light for creating the evanescent field, a diffraction unit that diffracts the light, a condensing unit, and an objective lens An illumination optical system is provided.
[0014]
The present invention is an illumination optical system that excites a fluorescent dye in an evanescent field, a light source that emits light for creating the evanescent field, a diffraction unit that diffracts the light emitted from the light source, and the diffracted light A first condensing means for condensing light, a second condensing means for condensing the light transmitted through the first condensing means, and an objective lens for irradiating the sample with the light transmitted through the second condensing means; An illumination optical system is provided.
[0015]
The light emitted from the light source is preferably laser light that is circularly polarized light or random polarized light.
[0016]
Further, it is preferable that the light emitted from the light source is diffracted in an annular shape by the diffraction means.
[0017]
It is preferable to have a mask that blocks a part of the transmitted light so that the light irradiated on the sample has a ring shape with little light leakage.
[0018]
The mask is preferably disposed between the first condenser lens and the second condenser lens.
[0019]
It is preferable that the diffraction means rotates. More preferably, the rotation axis of the rotating diffraction means does not coincide with the axis of light emitted from the light source.
[0020]
Preferably, the diffractive means is a diffractive diffuser, and the diffractive diffuser vibrates while maintaining the direction of the surface.
[0021]
Further, it is preferable that the annular light is incident on the back focal plane of the objective lens, and the principal ray of the annular light travels on the cylindrical surface.
[0022]
It is preferable that the focal point of the light transmitted through the second condenser lens is located on the back focal plane of the objective lens.
[0023]
Here, the annular light travels while having the thickness of the ring, and light having the center of the thickness of the ring as the optical path is called a principal ray. The back focal plane refers to a position where two lights traveling in parallel are collected by the objective lens when they enter the objective lens from the sample surface.
Embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a diagram showing an illumination optical system of a total reflection fluorescent microscope according to the present invention.
[0025]
The illumination optical system 100 of the total reflection fluorescent microscope includes, from the left, a laser light source 1, a diffractive diffuser 2 as a diffractive means, a first condensing lens 3 as a first condensing means, a mask 6, The second condensing lens 4 as the second condensing means and the objective lens 5 are included. A sample surface 7 is on the right side of the objective lens 5.
[0026]
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the mask 6. The mask 6 includes an annular slit portion 10 and a light shielding portion 11 shielded by aluminum vapor deposition.
[0027]
In the mask 6, the annular slit portion 10 surrounded by two concentric circles having different diameters transmits light, and the light shielding portion 11 which is the other portion blocks light.
[0028]
Next, the optical path of the laser light emitted from the laser light source 1 and reaching the sample surface 7 in the total reflection type fluorescence microscope will be described.
The light emitted from the laser light source 1 is preferably laser light that is circularly polarized light or random polarized light.
[0029]
Laser light emitted from the laser light source 1 is incident on a diffractive diffuser 2. The laser light incident on the diffraction diffusion plate 2 is diffracted in an annular shape, and the diffracted light spreads in a conical shape. Here, as the diffraction diffusion plate 2, ThorLab D0740A (a 635 nanometer wavelength laser with an opening angle of 10.3 degrees) is used.
[0030]
The diffraction diffusion plate 2 rotates about an axis parallel to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source 1. The rotation speed is preferably faster than the time resolution of the apparatus for recording the fluorescence signal. Usually, it is preferably 10 revolutions or more per second. For example, in the case of normal video recording at 33 milliseconds / frame, the rotational speed of the diffraction diffusion plate 2 is preferably 30 revolutions or more per second. When the diffraction diffusion plate 2 is not rotated, the laser beams that have passed through different parts of the condenser lens are overlapped again, so that interference fringes are generated on the sample surface 7 and, as a result, uneven excitation of the fluorescent dye may occur.
[0031]
Therefore, by rotating the diffraction diffusion plate 2, the pattern of the interference fringes can be temporally changed, and a uniform light intensity on the sample surface 7 can be realized. As a result, it is possible to prevent uneven excitation of the fluorescent dye due to the interference fringes.
[0032]
In addition, the rotation axis does not coincide with the axis of light emitted from the laser light source 1. This is because the laser light strikes different portions of the diffraction diffusion plate during one rotation, and thus the interference fringe pattern can be effectively erased. The rotation axis and the light axis are preferably separated from each other within the size range of the diffraction diffusion plate 2. In general, it is preferable that the distance is 2 mm or more. For example, when the size of the diffraction diffusion plate 2 is a disk shape having a diameter of about 5 mm, the distance between the rotation axis of the diffraction diffusion plate and the light axis is preferably 2 to 4 mm.
[0033]
In addition to rotating the diffraction diffusion plate 2 as described above, the excitation unevenness can be prevented by vibrating the diffraction diffusion plate 2 while maintaining the direction of the surface of the diffraction diffusion plate 2. The vibration amplitude is preferably larger within the size range of the diffraction diffusion plate 2. The frequency of the vibration is preferably faster than the time resolution of the apparatus for recording a fluorescence signal.
[0034]
It is preferable that the light spread by the diffraction diffusion plate 2 travels as a hollow conical shape, that is, an annular light. This annular light is collected by the first condenser lens 3. For example, a green laser beam having a wavelength of 532 nm can be used as the laser beam, and a diffraction diffuser plate of Thor Lab D0740A can be used as the diffraction diffuser plate 2. Moreover, as the 1st condensing lens 3, the achromatic lens of Melles Griot company whose focal distance is 100 mm can be used, for example.
[0035]
The light condensed by the first condenser lens 3 enters the mask 6. With the configuration of the mask 6 having the annular slit portion 10, the light that has passed through the mask 6 travels almost completely as annular light and enters the second condenser lens 4. For example, the light that has passed through the diffraction diffusion plate 2 includes leaking light that travels straight through the center, but the leaked light is shielded by the mask 6. As shown in FIG. 2, the mask 6 has an annular slit portion 10 that can transmit light between two concentric circles having an inner diameter of 14.6 mm and an outer diameter of 14.9 mm, for example. And the board comprised from the light-shielding part 11 by which aluminum was vapor-deposited can be used.
[0036]
In order to condense the light with the back focal plane, it is preferable to design the light traveling along the principal ray to be collected with the e-BFP. Further, the mask 6 is desirably placed at the position of e-BFP (conjugate surface of the back focal plane). This is because the light leaking can be cut most efficiently when placed at a position where the light is condensed. [0037]
The annular light travels while having the thickness of the ring, and the light that passes through the center of the thickness of the ring is referred to as a principal ray 20. Before entering the second condenser lens 4, the principal ray 20 of the annular light is focused at e-SP (conjugate surface of the sample surface).
[0038]
The optical system is designed so that the principal ray 20 of the annular light travels on the cylindrical surface by the second condenser lens 4. This is because, on the sample surface 7, the incident light from all directions overlaps in the same region. Further, as shown in FIG. 1, the second condenser lens 4 is designed to focus on the back focal plane 8 of the objective lens 5. This is because each portion of light incident from all directions on the sample surface 7 becomes parallel light. This is because the components in the xyz-axis direction of the evanescent field are not uniform in the illuminated region unless the light is parallel light.
[0039]
As the second condenser lens 4, for example, an achromatic lens manufactured by Sigma Koki Co., Ltd. having a focal length of 220 mm can be used.
[0040]
The annular light that has passed through the second condenser lens 4 and passed through the back focal plane 8 is condensed and irradiated by the objective lens 5 so as to be focused on the sample surface 7. The sample surface 7 is irradiated with annular light, that is, the sample surface 7 is irradiated with light simultaneously from various directions. The generated evanescent field has all three-dimensional (x, y, z) polarization components. As a result, any fluorescent dye having vibrational moments in different directions can be excited to emit fluorescence, so that the sample can be observed regardless of the direction of the sample.
[0041]
The sample surface 7 is constituted by, for example, a boundary surface between an aqueous solution (sample) containing a protein bound to a fluorescent dye and glass in contact with the aqueous solution. The sample surface 7 is irradiated from the glass side so that the light projected from the objective lens 5 is totally reflected, and an evanescent field is generated in the vicinity of the sample surface 7 on the aqueous solution side. Since the penetration depth of the evanescent wave in the evanescent field is shallow, only a fluorescent dye very close to the surface of the sample is excited to emit light, and an ultrathin optical cross section is created. On the other hand, the fluorescence is minimized outside the evanescent field. As a result, an extremely high contrast image is formed on the observation target.
[0042]
The light emitted from the fluorescent dye is observed in the same manner as in a normal fluorescent microscope. For example, a dichroic mirror (not shown) that reflects light having a red wavelength and transmits light having a green wavelength is disposed between the second condenser lens 4 and the objective lens 5. Thereby, the red light obtained by emitting the fluorescent dye is transmitted through the objective lens 5 and reflected by the dichroic mirror, and the light can be analyzed.
[0043]
【The invention's effect】
The total reflection fluorescence microscope of the present invention makes it possible to observe whether the sample exists regardless of the direction of the sample bound to the fluorescent dye.
[0044]
With the total reflection fluorescent microscope of the present invention, one molecule of the fluorescent dye can be visualized regardless of the direction of the sample bound to the fluorescent dye, and thus the number of fluorescent dyes collected in one place can be counted. As a result, by observing a biomolecule labeled with a fluorescent dye, it is possible to quantitatively determine information about what unit the biomolecule is associated with. For example, while observing the same biomolecule, the association / separation dynamics can be quantified by changing the conditions of the aqueous solution.
[0045]
The total reflection fluorescence microscope of the present invention can be observed even when the sample is in water. Therefore, the protein in a state where the activity is maintained can be observed as it is.
[0046]
According to the present invention, unlike NMR and post-crystallization X-ray analysis, it is possible to analyze changes in the three-dimensional structure of biomolecules such as proteins, DNA, and RNA that are active in an aqueous solution. In particular, the microscope of the present invention is suitable for targeting one molecule.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an illumination optical system of a total reflection type fluorescence microscope. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a mask.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Diffraction diffusing plate 3 1st condensing lens 4 2nd condensing lens 5 Objective lens 6 Mask 7 Sample surface 8 Back focal plane 10 Annular slit part 11 Light-shielding part 20 Main light ray 100 Illumination optics of a total reflection type fluorescence microscope system

Claims (14)

エバネッセント場において蛍光色素を励起させる全反射型蛍光顕微鏡であって、A total reflection fluorescence microscope for exciting a fluorescent dye in an evanescent field,
前記エバネッセント場を作るための光を射出する光源と、A light source that emits light for creating the evanescent field;
前記光源から射出された光を環状に回折させる回折手段と、Diffracting means for diffracting light emitted from the light source in an annular shape;
前記回折した光を集光する第1集光手段と、First condensing means for condensing the diffracted light;
前記第1集光手段を透過した光を集光させる第2集光手段と、Second light collecting means for collecting light transmitted through the first light collecting means;
前記第2集光手段を透過した光を試料に照射する対物レンズとAn objective lens for irradiating the sample with light transmitted through the second light collecting means;
を含む全反射型蛍光顕微鏡。Total reflection type fluorescence microscope.
前記試料に照射される光が環状となるように、前記透過光の一部を遮光するマスクを有する、請求項1に記載の全反射型蛍光顕微鏡。  The total reflection fluorescence microscope according to claim 1, further comprising a mask that blocks a part of the transmitted light so that the light irradiated on the sample has an annular shape. 前記回折手段が回転する、請求項1又は請求項2に記載の全反射型蛍光顕微鏡。The total reflection fluorescence microscope according to claim 1, wherein the diffraction unit rotates. 前記回転する回折手段の回転軸が光源から射出された光の軸と一致していない、請求項3に記載の全反射型蛍光顕微鏡。The total reflection fluorescent microscope according to claim 3, wherein a rotation axis of the rotating diffraction unit does not coincide with an axis of light emitted from a light source. 前記回折手段が回折拡散板であって、その回折拡散板が、その面の方向を維持したまま振動する、請求項1〜4のいずれかに記載の全反射型蛍光顕微鏡。The total reflection fluorescence microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein the diffraction means is a diffraction diffusion plate, and the diffraction diffusion plate vibrates while maintaining the direction of the surface. 前記対物レンズのバックフォーカルプレーン上に環状の光が入射し、その環状の光の主光線が円筒面上を進行する、請求項1〜5のいずれかに記載の全反射型蛍光顕微鏡。The total reflection fluorescent microscope according to claim 1, wherein annular light is incident on a back focal plane of the objective lens, and a principal ray of the annular light travels on a cylindrical surface. 前記対物レンズのバックフォーカルプレーン上に、前記第2集光レンズを透過した光の焦点が位置する、請求項1〜The focus of the light which permeate | transmitted the said 2nd condensing lens is located on the back focal plane of the said objective lens. 6のいずれかに記載の全反射型蛍光顕微鏡。6. The total reflection fluorescent microscope according to any one of 6 above. エバネッセント場において蛍光色素を励起させる照明光学系であって、An illumination optical system that excites a fluorescent dye in an evanescent field,
前記エバネッセント場を作るための光を射出する光源と、A light source that emits light for creating the evanescent field;
前記光源から射出された光を環状に回折させる回折手段と、Diffracting means for diffracting light emitted from the light source in an annular shape;
前記回折した光を集光する第1A first light collecting the diffracted light 集光手段と、Condensing means;
前記第1The first 集光手段を透過した光を集光させる第2A second light that condenses the light transmitted through the light collecting means; 集光手段と、Condensing means;
前記第2The second 集光手段を透過した光を試料に照射する対物レンズとを含む照明光学系。An illumination optical system including an objective lens that irradiates a sample with light transmitted through a condensing unit.
前記試料に照射される光が環状となるように、前記透過光の一部を遮光するマスクを有する、請求項8に記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 8, further comprising a mask that blocks part of the transmitted light so that the light irradiated on the sample has a ring shape. 前記回折手段が回転する、請求項8又は請求項9に記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 8 or 9, wherein the diffraction means rotates. 前記回転する回折手段の回転軸が光源から射出された光の軸と一致していない、請求項10に記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 10, wherein a rotation axis of the rotating diffraction unit does not coincide with an axis of light emitted from a light source. 前記回折手段が回折拡散板であって、その回折拡散板が、その面の方向を維持したまま振動する、請求項8〜11のいずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to any one of claims 8 to 11, wherein the diffractive means is a diffractive diffusion plate, and the diffractive diffusion plate vibrates while maintaining the direction of the surface. 前記対物レンズのバックフォーカルプレーン上に環状の光が入射し、その環状の光の主光線が円筒面上を進行する、請求項8〜12のいずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to any one of claims 8 to 12, wherein annular light is incident on a back focal plane of the objective lens, and a principal ray of the annular light travels on a cylindrical surface. 前記対物レンズのバックフォーカルプレーン上に、前記第2On the back focal plane of the objective lens, the second lens 集光レンズを透過した光の焦点が位置する、請求項8〜13のいずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 8, wherein a focal point of light transmitted through the condenser lens is located.
JP2002302158A 2002-10-16 2002-10-16 Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system Expired - Lifetime JP3671227B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002302158A JP3671227B2 (en) 2002-10-16 2002-10-16 Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002302158A JP3671227B2 (en) 2002-10-16 2002-10-16 Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004138735A JP2004138735A (en) 2004-05-13
JP3671227B2 true JP3671227B2 (en) 2005-07-13

Family

ID=32450325

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002302158A Expired - Lifetime JP3671227B2 (en) 2002-10-16 2002-10-16 Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3671227B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8203720B2 (en) 2005-07-06 2012-06-19 Japan Science And Technology Agency Three dimensional, position observation method and apparatus

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004302421A (en) * 2003-03-17 2004-10-28 Nikon Corp Total reflection microscope
JP6351951B2 (en) 2013-10-22 2018-07-04 浜松ホトニクス株式会社 Total reflection light irradiation device
JP6249406B2 (en) * 2014-03-31 2017-12-20 学校法人 学習院 Microscope observation method and apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8203720B2 (en) 2005-07-06 2012-06-19 Japan Science And Technology Agency Three dimensional, position observation method and apparatus
US8564789B2 (en) 2005-07-06 2013-10-22 Japan Science And Technology Agency Three dimensional position observation method and apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004138735A (en) 2004-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8362448B2 (en) Apparatus and method for high spatial resolution imaging of a structure of a sample
JP5658038B2 (en) microscope
JP2002062261A (en) Optical system and microscope
RU2510060C2 (en) Optical illumination apparatus and method
JP2001108684A (en) Dna testing method and device
JP2008058003A (en) Microscope
US20120050733A1 (en) Laser microscope
JP2002196252A (en) Light source device for illumination in scanning microscopic inspection and scanning microscope
KR101393514B1 (en) High-sensitivity and video-rate confocal fluorescence microscope
CN112798564A (en) Random optical reconstruction and structured light illumination composite super-resolution imaging system
JP5592108B2 (en) Interference confocal microscope and light source imaging method
US7679038B2 (en) Optical phase microscope using rotating 1/4 wavelength plate with pinhole in the center position and Fourier transformed lens
JP3671227B2 (en) Total reflection type fluorescence microscope and illumination optical system
JP5609729B2 (en) Microscope device, observation method and sample mounting mechanism
JP6108908B2 (en) Inverted microscope system
JP2005326549A (en) Light stimulation device and optical scanning observation device
JP5583019B2 (en) Beam shaper, optical system and method of using the same
JP5668566B2 (en) Microscope apparatus and observation method
US7545498B2 (en) System and method for removing auto-fluorescence through the use of multiple detection channels
JP3577514B2 (en) Total reflection fluorescence microscope
JP2001506015A (en) Scanning microscope that optically excites samples at multiple sample locations simultaneously
CN214374304U (en) Composite super-resolution imaging device
US9759661B2 (en) Device for the optical imaging of a sample
JP2005524069A (en) Fluorescence detection apparatus and method having light emitting diode as excitation light source
JP5652310B2 (en) Microscope equipment

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20041111

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20041124

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050117

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050222

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3671227

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term