JP3950075B2 - 二次元時間分解分光物質検出方法および装置 - Google Patents
二次元時間分解分光物質検出方法および装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用して試料中に含まれる物質を検出する方法に係り、特に励起光を照射された試料からの放射光を検出して試料中に含まれる物質を検出するのに好適な二次元時間分解分光物質検出方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生化学や医療などのライフサイエンスまたは環境分野において、しばしば試料（検体）中に含まれる特定のＤＮＡやタンパク質、細胞を検出して分析することが行なわれる。このような試料中のＤＮＡやタンパク質、細胞などの物質の検出は、一般に次のようにして行なう。すなわち、まず、蛍光物質を添加したトレーサを試料に加え、検出対象物質とトレーサとを結合させる。その後、試料に紫外線などの励起光を照射し、試料から放射される蛍光の有無により検出対象物質を検出する。
【０００３】
タンパク質は、２０種のアミノ酸から構成されている。これらのアミノ酸のうち、芳香族側鎖を持つチロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの３種類のアミノ酸が強い蛍光を放射する。これら３種類のアミノ酸は、タンパク質の種類ごとに存在比が異なっている。このため、タンパク質の検出、分析を行なう場合、試料に紫外線を照射して３種類のアミノ酸が放射する蛍光を検出し、蛍光の強さからチロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの存在比を求めてタンパク質を特定するようにしている。
【０００４】
図９は、従来の物質検出装置の一例を示す模式図である。図９において、物質検出装置２００は、キセノンフラッシュランプなどからなる光源２０２を有する。光源２０２が放射した広帯域の光２０３は、フィルタ２０５によって所定波長の紫外線からなる励起光２０４にされる。この励起光２０４は、半透鏡（ハーフミラー）などからなるミラーユニット２０６によって反射され、対物レンズ２０８に入射する。対物レンズ２０８は、励起光２０４を集光し、マイクロプレートなどに配置してある試料２１０に照射する。試料２１０中の蛍光物質（図示せず）は、励起光２０４によって励起され、所定波長の蛍光を放射する。
【０００５】
この試料２１０から放射された蛍光（放射光）と、試料２１０によって反射された励起光２０４とからなる検出光２１２は、対物レンズ２０８、ミラーユニット２０６を透過してフィルタ２１４に入射する。フィルタ２１４に入射した検出光２１２は、蛍光２１６のみがフィルタ２１４を透過してＣＣＤカメラ２１８に入射し、電気信号に変換される。ＣＣＤカメラ２１８が出力した電気信号は、コンピュータなどの信号処理装置２２０によって所定の処理が行なわれ、表示装置２２２に表示される。
【０００６】
一方、特許文献１には、ＤＮＡから放射される蛍光を時間分解して検出できる装置が開示されている。この特許文献１に記載の時間分解蛍光検出装置は、一定間隔でパルス状レーザを検査対象（ＤＮＡ）に照射するとともに、レーザの照射後、所定時間を経過したときに検査対象から放射される蛍光をＣＣＤカメラによって撮像するようになっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２８６６３９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蛍光物質は、物質ごとに吸収スペクトル（励起波長）と放射蛍光スペクトル（放射光波長）と放射蛍光の緩和時間とが異なっている。このため、上記した従来の物質検出装置２００においては、試料２１０に含まれている物質を検出する場合、その物質に吸収されて物質を励起可能な波長の光を照射しなければならないとともに、その物質に特有の蛍光２１６を検出する必要がある。そこで、従来は、試料２１０に含まれる未知の物質や種々の物質を検出する場合、励起光２０４を生成するフィルタ２０５と、検出すべき放射蛍光２１６を透過させるフィルタ２１４とのそれぞれを複数種類用意し、これらを種々に組み合わせて使用する必要があった。このため、物質の検出に多くの手間と時間とを必要とする。
【０００９】
また、上記の物質検出装置２００は、試料２１０が蛍光２１６を放射するか否かによって物質の有無を検出するようになっているため、誤った測定結果を生じやすい。すなわち、フィルタ２１４を透過する蛍光２１６は、目的物質が放射したものばかりでなく、試料中に含まれる他の物質からの弱い蛍光などの外乱を含んでいる。このため、検出した蛍光２１６に対して閾値を設定し、一定の強度を有する蛍光の存在から物質を検出する場合、閾値の設定が困難なことが少なくなく、誤った結果を生ずることがある。しかも、物質によっては、他の物質の吸収スペクトルと放射光スペクトルに近似したものが存在し、正確な測定を困難にする。
【００１０】
さらに、従来の蛍光の時間分解検出は、特許文献１に記載されているように、ＣＣＤカメラによって撮像するようになっている。このため、応答が遅く、ナノ秒以下の時間分解が困難である。
【００１１】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、試料中の物質を容易に検出できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、試料中の物質を誤りなく特定できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、時間分解能を向上することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係は、各物質に特有のものである。従って、吸収スペクトルと放射光スペクトルとを求めることによって、物質を正確、容易に特定することができる。また、吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係が近似している複数の物質があったとしても、各物質から放射される放射光は、各物質に特有の緩和時間を有する。従って、吸収スペクトルと放射光スペクトルおよび放射光の緩和時間とを検出することにより、物質を特定することができる。
【００１３】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、本発明に係る二次元時間分解分光物質検出方法は、光源が放射した光を波長分散させて光の波長分散される方向に沿って線状の励起光を試料に照射し、前記試料からの光を前記線状励起光と交差する方向に波長分散し、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを時間変化ごとの２軸分光画像として求めるとともに、前記時間変化に対する放射光スペクトルの緩和過程から放射光の緩和時間を求め、前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記試料中の物質を検出することを特徴としている。
【００１４】
このようになっている本発明は、波長分散した線状励起光を試料に照射し、その試料からの光を線状励起光に交差させて波長分散しているため、一辺が励起光の波長方向を軸とし、他の辺が試料の放射光の波長方向を軸とする平面が得られる。従って、励起光に対する放射光、すなわち吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係を容易に求めることができ、試料中の検出対象となる物質の有無を容易、確実に検出することができる。
【００１５】
また、吸収スペクトルと放射光スペクトルとが相互に近似している複数の物質が存在していたとしても、放射光の緩和時間を検出することにより、物質を確実に特定することができ、検出物質を他の物質と取り違えるような測定ミスを避けることができる。
【００１６】
そして、上記の物質検出方法を実施する二次元時間分解分光物質検出装置は、光源が放射した光を波長分散する第１分光部と、この第１分光部から放射された光を波長分散する方向に沿った線状の励起光にして試料に照射する照射部と、前記試料からの光を前記線状励起光と交差させて波長分散する第２分光部と、この第２分光部からの光が入射し、電気信号を出力する受光部と、この受光部と前記試料との間の光路に配置され、前記試料の放射光を透過させるフィルタ部と、前記受光部の出力信号に基づいて、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを求めるスペクトル検出部と、前記光源への放射パルスを出力すると共に前記スペクトル検出部への演算命令を複数回出力し前記スペクトル検出部で前記試料からの放射光が減衰する時間的変化である緩和時間を算出させる駆動制御部と、前記スペクトル検出部の出力側に設けられ、スペクトル検出部が求めた前記吸収スペクトルと前記放射光スペクトルとに基づいて、前記試料中の物質を検出する物質識別部を有し、この物質識別部は、前記放射光の緩和時間を求めて前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記物質を同定可能としている。これにより、吸収スペクトルと放射光スペクトルならびに緩和時間との関係を求めることができ、試料中の物質を容易、確実に検出することができる。
【００１７】
受光部は、光の入射によって電子を放出する光電変換部と、この光電変換部の放出した前記電子を増幅する複数の電子増幅部からなる増幅モジュールと、前記各増幅部のそれぞれに対応して設けられ、直交変調パターンに基づいて動作する電子検出部と、を有するように形成することができる。受光部をこのように形成すると、検出信号を効率よく迅速に処理することが可能で、ナノ秒以下の高い時間分解能を実現することができる。
【００１８】
また、スペクトル検出部の出力側に設けられ、スペクトル検出部が求めた前記吸収スペクトルと前記放射光スペクトルとに基づいて、前記試料中の物質を検出する物質識別部を設け、この物質識別部によって放射光の緩和時間を求めて物質を同定するようにしている。これにより、吸収スペクトルと放射光スペクトルとが相互に近似する物質が存在する場合であっても、放射光を放射した物質を容易、確実に同定（特定）することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る二次元時間分解分光物質検出方法および装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る二次元時間分解分光物質検出装置を模式的に示した説明図である。物質検出装置１０は、パルス状の紫外線を放射可能なパルス紫外線光源１２を有する。パルス紫外線光源（以下、単に紫外線光源という）１２の前方（下方）には、第１分光部である透過型の回折格子１４が配設してある。回折格子１４は、多数のスリット１４ａが平行して設けてあって、紫外線光源１２の放射した紫外線１６がスリット１４ａを透過することにより波長分散される。回折格子１４により波長分散された分散光１８は、コリメートレンズ２０によって平行光２２にされ、ダイクロイックフィルタ２４に入射する。なお、回折格子１４は、反射型であってもよい。
【００２０】
このダイクロイックフィルタ２４は、所定の波長以下の光を透過し、それより波長の長い光を反射するようになっていて、後述する試料から放射された蛍光を反射できるようになっている。ダイクロイックフィルタ２４を透過した平行光２２は、照射部を構成しているレンズユニット２６に入射する。レンズユニット２６は、平行光２２を波長が分散された方向に沿った線状の励起光（線状励起光）２８を生成し、下方に配置した試料３０（３０ａ〜３０ｎ）に照射する。試料３０は、多数が図示しないマイクロプレートにマトリックス状に配置してあって、矢印３２に示したように、図の左右方向にステップ状に移動可能となっているとともに、矢印３２と直交した方向にもステップ状に移動できるようにしてある。
【００２１】
線状励起光２８が照射された試料３０は、含まれている蛍光物質（図示せず）が励起されて放射光である蛍光３４を放射する。この蛍光３４は、試料３０によって反射された励起光２８とともに、レンズユニット２６を介してダイクロイックフィルタ２４に入射する。ダイクロイックフィルタ２４は、波長の短い励起光２８を透過し、波長の長い蛍光３４を第２分光部である反射型の回折格子３６の方向に反射する。この回折格子３６は、もちろん透過型であってもよい。回折格子３６は、蛍光３４を波長分散させる溝３６ａが透過型回折格子１４のスリット１４ａと交差する方向（実施形態においては、直交する方向）に配置してある。そして、回折格子３６において波長分散され、反射された蛍光３４は、レンズ３８を介して詳細を後述する受光部４０に入射する。この受光部４０は、駆動制御部４２によって動作が制御されるようになっており、蛍光３４が入射すると電気信号をスペクトル検出部４４に出力する。駆動制御部４２は、紫外線光源１２に紫外線放射パルスを与えるとともに、受光部４０に駆動パルスを与え、スペクトル検出部４４にサンプリングパルスを与える。
【００２２】
スペクトル検出部４４は、受光部４０の出力信号が入力するＡ／Ｄ変換器４６と、このＡ／Ｄ変換器４６の出力側に設けたスペクトル演算部４８とを有する。スペクトル演算部４８は、詳細を後述するように、Ａ／Ｄ変換器４６の出力信号に基づいて、励起波長（吸収スペクトル）と放射光波長（蛍光スペクトル）との波長分布を求める。そして、スペクトル演算部４８は、求めた波長分布（スペクトル）をスペクトル検出部４４の出力側に設けた物質識別部５０に出力するとともに、図示しない表示装置やプリンタ、ハードディスクなどの外部記憶装置に出力する。
【００２３】
物質識別部５０は、緩和時間演算部５２と物質判定部５４とを有している。緩和時間演算部５２は、スペクトル演算部４８が求めたスペクトルの時間的変化から蛍光３４の緩和時間を算出し、この緩和時間と励起波長と放射蛍光波長との関係を求めて物質判定部５４に入力する。そして、物質判定部５４は、緩和時間演算部５２の出力信号に基づいて、試料３０中の蛍光３４を放射した蛍光物質を同定（特定）し、表示装置やプリンタ、記憶装置などに出力する。
【００２４】
受光部４０は、図２に示したようになっていて、試料台６０に配置した試料３０の放射した蛍光３４が入射する検出窓であるガラス板６２を有する。また、受光部４０は、図２におけるガラス板６２の光電変換部６４、増幅モジュールとなるマイクロチャンネルプレート６６、検出モジュール６８、読出し回路７０を備えている。そして、光電変換部６４は、蛍光３４（光子７２）が入射すると、電子（光電子）７４を放出する。光電変換部６４が放出した電子７４は、マイクロチャンネルプレート６６において詳細を後述するように数が１０4 〜１０7 倍程度に増幅され、増幅電子７６となって検出モジュール６８に入射し、検出モジュール６８によって検出される。読出し回路７０は、検出モジュール６８の出力する電流信号を電圧パルス７８に変換し、増幅してスペクトル検出部４４に入力する。
【００２５】
マイクロチャンネルプレート６６は、複数のマイクロキャピラリー８０をマトリックス状に配設した構造を有している。マイクロキャピラリー８０は、電子増幅部となっていて二次電子倍増管から構成してあり、図３に示したようになっている。すなわち、マイクロキャピラリー８０は、直径が６μｍ、長さが１ｍｍ程度の加速管８２と、この加速管８２の両端に設けたカソード８４、アノード８６からなっている。そして、マイクロキャピラリー８０は、カソード８４とアノード８６とが直流電源８８に接続され、１０００〜１００００Ｖの直流高電圧がカソード８４とアノード８６との間に印加される。このため、カソード８４側から加速管８２内に入射した電子７４は、カソード８４とアノード８６との間に印加してある高電圧によって加速され、加速管８２の内壁に衝突するたびに二次電子を生じて雪崩的に数が増幅され、増幅電子７６としてアノード８６側から出射される。
【００２６】
検出モジュール６８は、各マイクロキャピラリー８０に対応して配置した電子検出部を有する。この電子検出部は、実施形態の場合、ＭＯＳトランジスタからなっている。そして、検出モジュール６８は、図４に示したように、マトリックス状に配置した検出トランジスタ（電子検出部）９０と、ＭＯＳトランジスタからなる複数の読出しトランジスタ９２とを備えている。読出しトランジスタ９２は、検出トランジスタ９０の各列に対応して設けてある。そして、検出トランジスタ９０は、各列ごとにゲートがゲート制御線９４に接続され、これらのゲート制御線９４が駆動制御部４２を構成しているゲート制御回路９６に接続してある。また、検出トランジスタ９０は、ドレインが各行ごとにデータ線９８を介して読出しトランジスタ９２のソースに接続してある。さらに、検出トランジスタ９０のソースには、マイクロキャピラリー８０の出力側に対面して設けた検出電極１０２が接続してある。
【００２７】
各読出しトランジスタ９２は、ドレインが読出し回路７０に接続してある。読出しトランジスタ９２のそれぞれのゲートは、対応する読出し線１００に接続してある。この読出し線１００は、駆動制御部４２を構成している読出しマスク制御回路１０４に接続してある。駆動制御部４２は、ゲート制御回路９６、読出しマスク制御回路１０４に切替制御信号を出力するマスクパターン制御部１０６を有する。このマスクパターン制御部１０６は、詳細を後述するように、２値直交変調パターン（直交変調パターン）に基づいて切替制御信号を生成し、この切替制御信号をゲート制御回路９６と読出しマスク制御回路１０４とに与え、各検出トランジスタ９０と読出しトランジスタ９２とを直交変調パターンに基づいて切替動作させるようになっている。
【００２８】
このように構成した実施形態に係る物質検出装置１０の作用は、次のとおりである。まず、複数の試料３０を図示しないマイクロプレートにセットする。そして、マイクロプレートを物質検出装置１０のレンズユニット２６の下方に配置する。その後、物質検出装置１０を起動すると、駆動制御部４２が紫外線光源１２に紫外線放射パルスを出力する。これにより、紫外線光源１２から所定波長の紫外線１６が放射される。この紫外線１６は、透過型回折格子１４のスリット１４ａを通過して波長分散された分散光１８となる。分散光１８は、コリメートレンズ２０によって平行光２２とされたのち、ダイクロイックフィルタ２４を透過してレンズユニット２６に入射する。レンズユニット２６は、平行光２２を波長が分散方向された方向に沿った線状励起光２８にして試料３０に照射する。
【００２９】
試料３０に含まれている蛍光物質（図示せず）は、線状励起光２８に励起されて所定波長の蛍光（放射光）３４を放射する。この蛍光３４は、試料３０において反射された励起光２８とともにレンズユニット２６を透過し、ダイクロイックフィルタ２４に入射する。ダイクロイックフィルタ２４は、所定の波長より短い励起光２８を透過し、それより波長の長い蛍光３４を反射型回折格子３６の方向に反射する。回折格子３６は、溝３６ａが透過型回折格子１４のスリット１４ａと直交するように配設してある。このため、回折格子３６は、入射した光を回折格子１４が波長分散させた方向に直交して波長分散する。この結果、回折格子３６によって反射された光は、図５に示したように、回折格子３６が波長分散した試料３０から放射された放射光（蛍光３４）の波長方向と、回折格子１４が波長分散した励起光の波長方向とを２軸とする正方形または矩形の光となる。
【００３０】
すなわち、回折格子３６によって波長分散することにより、図５に示されているように、蛍光（放射光）３４のスペクトル（放射光波長）と試料３０の吸収スペクトル（励起波長）との関係が得られる。従って、吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係から、試料３０中に含まれている蛍光物質を特定することができる。このため、既知の蛍光物質を添加したトレーサと結合した試料３０中のＤＮＡやタンパク質、細胞などが含まれていれば、これらを容易、確実に検出することができる。
【００３１】
なお、図５において、より色の濃い部分は、蛍光３４の輝度がより大きいことを示している。そして、図５のように、複数の蛍光３４が存在する場合、各蛍光３４の強さを求めることにより、これらの蛍光を放射する物質の存在比（構成比）を求めることができる。このため、タンパク質などの複数の蛍光物質が含まれている場合であっても、タンパク質の種類を容易、正確に同定することができる。
【００３２】
回折格子３６によって波長分散された光は、レンズ３８によって集光させられ、受光部４０に入射する。受光部４０は、前記したように、光電変換部６４が入射した蛍光３４を電子７４に変換し、マイクロチャンネルプレート６６が電子７４を増幅（増倍）して増幅電子７６を出力する。この増幅電子７６は、検出モジュール６８を構成している検出トランジスタ９０の検出電極１０２に入射する。この検出モジュール６８は、各検出トランジスタ９０が駆動制御部４２によって所定のパターンに従って切替駆動される。すなわち、駆動制御部４２は、紫外線光源１２に紫外線放射パルス信号を出力すると、これに同期してマスクパターン制御部１０６がゲート制御回路９６と読出しマスク制御回路１０４とに、２値直交変調パターンに従った切替制御信号を出力する。ゲート制御回路９６と読出しマスク制御回路１０４とは、マスクパターン制御回路１０６の出力する切替制御信号に従って、受光部４０の検出モジュール６８を構成している検出トランジスタ９０をオン、オフさせる。また、駆動制御部４２は、検出モジュール６８への切替制御信号に同期してスペクトル検出部４４にサンプリング信号を出力する。
【００３３】
マスクパターン制御部１０６の出力する切替制御信号は、２値直交変調パターンであるアダマール行列の各行に対応した変調パターンを構成している。アダマール行列は、要素が「＋１」と「−１」とからなっていて、対角線に沿って対象位置にある要素が同じである対称行列となっている。例えば、一次のアダマール行列Ｈ(1) を具体的に書くと、
【数１】
のようになる。また、二次、三次のアダマール行列Ｈ(2) 、Ｈ(3) は、数式２、数式３のように書くことができる。
【数２】
【数３】
【００３４】
すなわち、アダマール行列は、一般的に次の漸化式によって定義することができる。
【数４】
ただし、数式４において、ｋは次数を示す。
【００３５】
そこで、実施形態においては、検出トランジスタ９０または読出しトランジスタ９２をオンにする場合をアダマール行列の「＋１」、これらをオフにする場合を「−１」に対応させている。例えば、検出モジュール６８が８×８個の検出トランジスタ９０で構成されている場合、検出トランジスタ９０と読出しトランジスタ９２とに与える切替制御信号は、図６の符号１１０、１１２のようになる。この図８においては、斜線を施した部分が動作電圧を与えられてオンとなる「＋１」に相当し、白抜きの部分がオフである「−１」に相当している。
【００３６】
この変調パターンによる検出モジュール６８の動作は、検出モジュール６８が図６のように８×８個の検出トランジスタ９０によって形成してある場合、次のようになる。例えば、ゲート制御回路９６が同図に示されているように、６次の変調パターンでゲート制御線９４をオン、すなわち第１列目と第２列目および第７列目と第８列目をオンし、第３列目〜第６列目までをオフにしたとする。このとき、マスクパターン制御部１０６は、読出しマスク制御回路１０４を介して、各読出しトランジスタ９２を０次〜７次までの変調パターンに従って順次切り替えてオン、オフさせる。そして、マスクパターン制御部１０６は、読出しトランジスタ９２を０次〜７次までの切り替え終わると、ゲート制御回路９６に次の変調パターンを与え、読出しトランジスタ９２を０次〜７次まで変調パターンに従って切り替える。そして、検出電極１０２に電子が入射すると、即座に読出し回路７０に検出トランジスタ９０の出力信号が入力し、読出し回路７０から電圧パルス７８に変換されて出力される。したがって、蛍光３４の入射に対するタイムラグをほとんど生ずることなく検出信号が得られる。このため、アダマール行列に基づいたマスクパターン（切替パターン）によって検出トランジスタ９０と読出しトランジスタ９２とを切替動作させることにより、ナノ秒以下の高速サンプリングが可能となり、高速時間分解をすることができる。
【００３７】
オンされた検出トランジスタ９０の検出電極１０２に増幅電子７６が入射し、読出しトランジスタ９２がオンされると、データ線９８に電流パルスが流れる。この電流パルスは、読出し回路７０によって増幅され、図４に示した電圧パルス７８に変換される。この電圧パルス７８は、スペクトル検出部４４のＡ／Ｄ変換器４６に入力する。Ａ／Ｄ変換器４６は、入力したアナログ信号をディジタル信号に変換してスペクトル演算部４８に送出する。スペクトル演算部４８は、駆動制御部４２からサンプリング信号が入力する。このサンプリング信号は、受光部４０の検出モジュール６８に与える切替制御信号に同期している。そして、スペクトル演算部４８は、サンプリング信号に同期してＡ／Ｄ変換器４６の出力信号を読み込み、図示しないメモリにサンプリングデータを書き込む。
【００３８】
駆動制御部４２は、検出モジュール６８に対してすべての切替パターンについて切り替えを終了すると、スペクトル演算部４８に対してスペクトル演算命令を与える。スペクトル演算部４８は、メモリに記憶しているサンプリングデータを読み出し、これらのデータに対してアダマール逆変換を行なう。これにより、図５に示した２軸分光スペクトルが得られる。スペクトル演算部４８は、求めた分光スペクトルを図示しない映像表示装置に出力し、２軸分光画像として表示する。
【００３９】
駆動制御部４２は、紫外線光源１２に１つの放射パルスを与えると、検出モジュール６８のトランジスタに対する上記した１群の切替駆動と、スペクトル演算部４８へのスペクトル演算命令とを複数回出力する。そして、スペクトル演算部４８は、その都度分光スペクトルを求めて映像表示装置に出力する。これにより、蛍光３４が減衰する時間的変化、すなわち蛍光３４の緩和過程が求められる。従って、図７に示したように、励起波長と放射蛍光波長および時間軸を３軸とする３次元画像を得ることができる。なお、図７に示した縦軸のｔ1〜ｔ4は、紫外線光源１２の紫外線放射タイミングを示す。
【００４０】
スペクトル演算部４８は、演算結果を映像表示装置に出力するとともに、物質識別部５０の緩和時間演算部５２に出力する。緩和時間演算部５２は、スペクトル演算部４８が時々刻々出力する分光スペクトルから、各蛍光３４の緩和時間を求める。そして、緩和時間演算部５２は、図８に模式的に示したように、励起（吸収）波長と放射蛍光波長および緩和時間τとを３軸とする空間分布強度を求める。この空間分布強度は、物質判定部５４に出力されるとともに、映像表示装置に表示される。物質判定部５４は、複数の蛍光物質に対する励起波長と放射蛍光波長と蛍光の緩和時間との関係が予め図示しない記憶部に与えられている。そして、物質判定部５４は、緩和時間演算部５２が求めた励起波長、放射蛍光波長、蛍光緩和時間から記憶部を検索し、対応する蛍光物質を同定して映像表示装置などの出力装置に出力する。
【００４１】
このように、実施の形態においては、励起波長と放射蛍光波長との関係ばかりでなく、放射蛍光の緩和時間をも求めるようにしているため、励起波長と放射蛍光波長との関係が近似している物質が存在したとしても、緩和時間を求めることにより、蛍光物質を容易、確実に特定することができる。従って、検出の誤りをなくすことができ、分析精度の向上などを図ることができる。また、検出すべき物質が複数の蛍光物質を構成要素として含んでいる場合であっても、対応した複数の放射蛍光の強度を求めることにより、各蛍光物質の存在比（構成比）を求めることが可能となり、その物質を特定することができる。
【００４２】
例えばタンパク質の場合、タンパク質を構成するチロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの３種のアミノ酸が紫外線の励起により強い蛍光を放射する。これらのアミノ酸は、励起波長がそれぞれ異なっており、また放射する蛍光の波長も、蛍光の緩和時間のそれぞれ異なる。従って、図８から各アミノ酸の存在比を得ることができ、タンパク質を容易、確実に同定することができる。
【００４３】
なお、前記実施形態においては、線状励起光２８の入射方向に放射される蛍光３４を検出する場合について説明したが、線状励起光２８の試料３０を透過方向に放射される蛍光３４を検出するようにしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、光源が放射した光を波長分散させて光の波長分散される方向に沿って線状の励起光を試料に照射し、前記試料からの光を前記線状励起光と交差する方向に波長分散し、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを時間変化ごとの２軸分光画像として求めるとともに、前記時間変化に対する放射光スペクトルの緩和過程から放射光の緩和時間を求め、前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記試料中の物質を検出するため、一辺が励起光の波長方向を軸とし、他の辺が試料の放射光の波長方向を軸とし、更に時間軸に沿って放射光の強度変化を表した２次元時間分解データとして得られ、励起光の波長に対する放射光の波長、すなわち吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係、並びにこれらと緩和時間の関係を容易に求めることができ、試料中の物質を容易、確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施の形態に係る二次元時間分解分光物質検出装置を模式的に示した説明図である。
【図２】 実施の形態に係る受光部の詳細を示す分解斜視図である。
【図３】 実施の形態に係るマイクロキャピラリーの詳細説明図である。
【図４】 実施の形態に係る検出モジュールの詳細説明図である。
【図５】 実施の形態に係る物質検出装置により得られる２軸分光スペクトルの一例を示す図である。
【図６】 アダマール行列に基づくトランジスタの切替制御を説明する図である。
【図７】 実施の形態により求められる励起波長と放射蛍光波長と蛍光の緩和過程との関係を示す図である。
【図８】 実施の形態により求められる励起波長と放射蛍光波長と蛍光緩和時間との関係を示す図である。
【図９】 従来の物質検出装置の説明図である。
【符号の説明】
１０………物質検出装置、１２………パルス紫外線光源、１４………第１分光部（回折格子）、１６………光（紫外線）、２４………フィルタ部（ダイクロイックフィルタ）、２６………照射部（レンズユニット）、２８………線状励起光、３０ａ〜３０ｎ………試料、３４………光（蛍光）、３６………第２分光部（回折格子）、４０………受光部、４２………駆動制御部、４４………スペクトル検出部、４８………スペクトル演算部、５０………物質識別部、５２………緩和時間演算部、５４………物質判定部、６４………光電変換部、６６………増幅モジュール（マイクロチャンネルプレート）、６８………検出モジュール、８０………電子増幅部（マイクロキャピラリー）、９０………電子検出部（検出トランジスタ）、９２………読出しトランジスタ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用して試料中に含まれる物質を検出する方法に係り、特に励起光を照射された試料からの放射光を検出して試料中に含まれる物質を検出するのに好適な二次元時間分解分光物質検出方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生化学や医療などのライフサイエンスまたは環境分野において、しばしば試料（検体）中に含まれる特定のＤＮＡやタンパク質、細胞を検出して分析することが行なわれる。このような試料中のＤＮＡやタンパク質、細胞などの物質の検出は、一般に次のようにして行なう。すなわち、まず、蛍光物質を添加したトレーサを試料に加え、検出対象物質とトレーサとを結合させる。その後、試料に紫外線などの励起光を照射し、試料から放射される蛍光の有無により検出対象物質を検出する。
【０００３】
タンパク質は、２０種のアミノ酸から構成されている。これらのアミノ酸のうち、芳香族側鎖を持つチロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの３種類のアミノ酸が強い蛍光を放射する。これら３種類のアミノ酸は、タンパク質の種類ごとに存在比が異なっている。このため、タンパク質の検出、分析を行なう場合、試料に紫外線を照射して３種類のアミノ酸が放射する蛍光を検出し、蛍光の強さからチロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの存在比を求めてタンパク質を特定するようにしている。
【０００４】
図９は、従来の物質検出装置の一例を示す模式図である。図９において、物質検出装置２００は、キセノンフラッシュランプなどからなる光源２０２を有する。光源２０２が放射した広帯域の光２０３は、フィルタ２０５によって所定波長の紫外線からなる励起光２０４にされる。この励起光２０４は、半透鏡（ハーフミラー）などからなるミラーユニット２０６によって反射され、対物レンズ２０８に入射する。対物レンズ２０８は、励起光２０４を集光し、マイクロプレートなどに配置してある試料２１０に照射する。試料２１０中の蛍光物質（図示せず）は、励起光２０４によって励起され、所定波長の蛍光を放射する。
【０００５】
この試料２１０から放射された蛍光（放射光）と、試料２１０によって反射された励起光２０４とからなる検出光２１２は、対物レンズ２０８、ミラーユニット２０６を透過してフィルタ２１４に入射する。フィルタ２１４に入射した検出光２１２は、蛍光２１６のみがフィルタ２１４を透過してＣＣＤカメラ２１８に入射し、電気信号に変換される。ＣＣＤカメラ２１８が出力した電気信号は、コンピュータなどの信号処理装置２２０によって所定の処理が行なわれ、表示装置２２２に表示される。
【０００６】
一方、特許文献１には、ＤＮＡから放射される蛍光を時間分解して検出できる装置が開示されている。この特許文献１に記載の時間分解蛍光検出装置は、一定間隔でパルス状レーザを検査対象（ＤＮＡ）に照射するとともに、レーザの照射後、所定時間を経過したときに検査対象から放射される蛍光をＣＣＤカメラによって撮像するようになっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２８６６３９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蛍光物質は、物質ごとに吸収スペクトル（励起波長）と放射蛍光スペクトル（放射光波長）と放射蛍光の緩和時間とが異なっている。このため、上記した従来の物質検出装置２００においては、試料２１０に含まれている物質を検出する場合、その物質に吸収されて物質を励起可能な波長の光を照射しなければならないとともに、その物質に特有の蛍光２１６を検出する必要がある。そこで、従来は、試料２１０に含まれる未知の物質や種々の物質を検出する場合、励起光２０４を生成するフィルタ２０５と、検出すべき放射蛍光２１６を透過させるフィルタ２１４とのそれぞれを複数種類用意し、これらを種々に組み合わせて使用する必要があった。このため、物質の検出に多くの手間と時間とを必要とする。
【０００９】
また、上記の物質検出装置２００は、試料２１０が蛍光２１６を放射するか否かによって物質の有無を検出するようになっているため、誤った測定結果を生じやすい。すなわち、フィルタ２１４を透過する蛍光２１６は、目的物質が放射したものばかりでなく、試料中に含まれる他の物質からの弱い蛍光などの外乱を含んでいる。このため、検出した蛍光２１６に対して閾値を設定し、一定の強度を有する蛍光の存在から物質を検出する場合、閾値の設定が困難なことが少なくなく、誤った結果を生ずることがある。しかも、物質によっては、他の物質の吸収スペクトルと放射光スペクトルに近似したものが存在し、正確な測定を困難にする。
【００１０】
さらに、従来の蛍光の時間分解検出は、特許文献１に記載されているように、ＣＣＤカメラによって撮像するようになっている。このため、応答が遅く、ナノ秒以下の時間分解が困難である。
【００１１】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、試料中の物質を容易に検出できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、試料中の物質を誤りなく特定できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、時間分解能を向上することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係は、各物質に特有のものである。従って、吸収スペクトルと放射光スペクトルとを求めることによって、物質を正確、容易に特定することができる。また、吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係が近似している複数の物質があったとしても、各物質から放射される放射光は、各物質に特有の緩和時間を有する。従って、吸収スペクトルと放射光スペクトルおよび放射光の緩和時間とを検出することにより、物質を特定することができる。
【００１３】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、本発明に係る二次元時間分解分光物質検出方法は、光源が放射した光を波長分散させて光の波長分散される方向に沿って線状の励起光を試料に照射し、前記試料からの光を前記線状励起光と交差する方向に波長分散し、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを時間変化ごとの２軸分光画像として求めるとともに、前記時間変化に対する放射光スペクトルの緩和過程から放射光の緩和時間を求め、前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記試料中の物質を検出することを特徴としている。
【００１４】
このようになっている本発明は、波長分散した線状励起光を試料に照射し、その試料からの光を線状励起光に交差させて波長分散しているため、一辺が励起光の波長方向を軸とし、他の辺が試料の放射光の波長方向を軸とする平面が得られる。従って、励起光に対する放射光、すなわち吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係を容易に求めることができ、試料中の検出対象となる物質の有無を容易、確実に検出することができる。
【００１５】
また、吸収スペクトルと放射光スペクトルとが相互に近似している複数の物質が存在していたとしても、放射光の緩和時間を検出することにより、物質を確実に特定することができ、検出物質を他の物質と取り違えるような測定ミスを避けることができる。
【００１６】
そして、上記の物質検出方法を実施する二次元時間分解分光物質検出装置は、光源が放射した光を波長分散する第１分光部と、この第１分光部から放射された光を波長分散する方向に沿った線状の励起光にして試料に照射する照射部と、前記試料からの光を前記線状励起光と交差させて波長分散する第２分光部と、この第２分光部からの光が入射し、電気信号を出力する受光部と、この受光部と前記試料との間の光路に配置され、前記試料の放射光を透過させるフィルタ部と、前記受光部の出力信号に基づいて、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを求めるスペクトル検出部と、前記光源への放射パルスを出力すると共に前記スペクトル検出部への演算命令を複数回出力し前記スペクトル検出部で前記試料からの放射光が減衰する時間的変化である緩和時間を算出させる駆動制御部と、前記スペクトル検出部の出力側に設けられ、スペクトル検出部が求めた前記吸収スペクトルと前記放射光スペクトルとに基づいて、前記試料中の物質を検出する物質識別部を有し、この物質識別部は、前記放射光の緩和時間を求めて前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記物質を同定可能としている。これにより、吸収スペクトルと放射光スペクトルならびに緩和時間との関係を求めることができ、試料中の物質を容易、確実に検出することができる。
【００１７】
受光部は、光の入射によって電子を放出する光電変換部と、この光電変換部の放出した前記電子を増幅する複数の電子増幅部からなる増幅モジュールと、前記各増幅部のそれぞれに対応して設けられ、直交変調パターンに基づいて動作する電子検出部と、を有するように形成することができる。受光部をこのように形成すると、検出信号を効率よく迅速に処理することが可能で、ナノ秒以下の高い時間分解能を実現することができる。
【００１８】
また、スペクトル検出部の出力側に設けられ、スペクトル検出部が求めた前記吸収スペクトルと前記放射光スペクトルとに基づいて、前記試料中の物質を検出する物質識別部を設け、この物質識別部によって放射光の緩和時間を求めて物質を同定するようにしている。これにより、吸収スペクトルと放射光スペクトルとが相互に近似する物質が存在する場合であっても、放射光を放射した物質を容易、確実に同定（特定）することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る二次元時間分解分光物質検出方法および装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る二次元時間分解分光物質検出装置を模式的に示した説明図である。物質検出装置１０は、パルス状の紫外線を放射可能なパルス紫外線光源１２を有する。パルス紫外線光源（以下、単に紫外線光源という）１２の前方（下方）には、第１分光部である透過型の回折格子１４が配設してある。回折格子１４は、多数のスリット１４ａが平行して設けてあって、紫外線光源１２の放射した紫外線１６がスリット１４ａを透過することにより波長分散される。回折格子１４により波長分散された分散光１８は、コリメートレンズ２０によって平行光２２にされ、ダイクロイックフィルタ２４に入射する。なお、回折格子１４は、反射型であってもよい。
【００２０】
このダイクロイックフィルタ２４は、所定の波長以下の光を透過し、それより波長の長い光を反射するようになっていて、後述する試料から放射された蛍光を反射できるようになっている。ダイクロイックフィルタ２４を透過した平行光２２は、照射部を構成しているレンズユニット２６に入射する。レンズユニット２６は、平行光２２を波長が分散された方向に沿った線状の励起光（線状励起光）２８を生成し、下方に配置した試料３０（３０ａ〜３０ｎ）に照射する。試料３０は、多数が図示しないマイクロプレートにマトリックス状に配置してあって、矢印３２に示したように、図の左右方向にステップ状に移動可能となっているとともに、矢印３２と直交した方向にもステップ状に移動できるようにしてある。
【００２１】
線状励起光２８が照射された試料３０は、含まれている蛍光物質（図示せず）が励起されて放射光である蛍光３４を放射する。この蛍光３４は、試料３０によって反射された励起光２８とともに、レンズユニット２６を介してダイクロイックフィルタ２４に入射する。ダイクロイックフィルタ２４は、波長の短い励起光２８を透過し、波長の長い蛍光３４を第２分光部である反射型の回折格子３６の方向に反射する。この回折格子３６は、もちろん透過型であってもよい。回折格子３６は、蛍光３４を波長分散させる溝３６ａが透過型回折格子１４のスリット１４ａと交差する方向（実施形態においては、直交する方向）に配置してある。そして、回折格子３６において波長分散され、反射された蛍光３４は、レンズ３８を介して詳細を後述する受光部４０に入射する。この受光部４０は、駆動制御部４２によって動作が制御されるようになっており、蛍光３４が入射すると電気信号をスペクトル検出部４４に出力する。駆動制御部４２は、紫外線光源１２に紫外線放射パルスを与えるとともに、受光部４０に駆動パルスを与え、スペクトル検出部４４にサンプリングパルスを与える。
【００２２】
スペクトル検出部４４は、受光部４０の出力信号が入力するＡ／Ｄ変換器４６と、このＡ／Ｄ変換器４６の出力側に設けたスペクトル演算部４８とを有する。スペクトル演算部４８は、詳細を後述するように、Ａ／Ｄ変換器４６の出力信号に基づいて、励起波長（吸収スペクトル）と放射光波長（蛍光スペクトル）との波長分布を求める。そして、スペクトル演算部４８は、求めた波長分布（スペクトル）をスペクトル検出部４４の出力側に設けた物質識別部５０に出力するとともに、図示しない表示装置やプリンタ、ハードディスクなどの外部記憶装置に出力する。
【００２３】
物質識別部５０は、緩和時間演算部５２と物質判定部５４とを有している。緩和時間演算部５２は、スペクトル演算部４８が求めたスペクトルの時間的変化から蛍光３４の緩和時間を算出し、この緩和時間と励起波長と放射蛍光波長との関係を求めて物質判定部５４に入力する。そして、物質判定部５４は、緩和時間演算部５２の出力信号に基づいて、試料３０中の蛍光３４を放射した蛍光物質を同定（特定）し、表示装置やプリンタ、記憶装置などに出力する。
【００２４】
受光部４０は、図２に示したようになっていて、試料台６０に配置した試料３０の放射した蛍光３４が入射する検出窓であるガラス板６２を有する。また、受光部４０は、図２におけるガラス板６２の光電変換部６４、増幅モジュールとなるマイクロチャンネルプレート６６、検出モジュール６８、読出し回路７０を備えている。そして、光電変換部６４は、蛍光３４（光子７２）が入射すると、電子（光電子）７４を放出する。光電変換部６４が放出した電子７４は、マイクロチャンネルプレート６６において詳細を後述するように数が１０4 〜１０7 倍程度に増幅され、増幅電子７６となって検出モジュール６８に入射し、検出モジュール６８によって検出される。読出し回路７０は、検出モジュール６８の出力する電流信号を電圧パルス７８に変換し、増幅してスペクトル検出部４４に入力する。
【００２５】
マイクロチャンネルプレート６６は、複数のマイクロキャピラリー８０をマトリックス状に配設した構造を有している。マイクロキャピラリー８０は、電子増幅部となっていて二次電子倍増管から構成してあり、図３に示したようになっている。すなわち、マイクロキャピラリー８０は、直径が６μｍ、長さが１ｍｍ程度の加速管８２と、この加速管８２の両端に設けたカソード８４、アノード８６からなっている。そして、マイクロキャピラリー８０は、カソード８４とアノード８６とが直流電源８８に接続され、１０００〜１００００Ｖの直流高電圧がカソード８４とアノード８６との間に印加される。このため、カソード８４側から加速管８２内に入射した電子７４は、カソード８４とアノード８６との間に印加してある高電圧によって加速され、加速管８２の内壁に衝突するたびに二次電子を生じて雪崩的に数が増幅され、増幅電子７６としてアノード８６側から出射される。
【００２６】
検出モジュール６８は、各マイクロキャピラリー８０に対応して配置した電子検出部を有する。この電子検出部は、実施形態の場合、ＭＯＳトランジスタからなっている。そして、検出モジュール６８は、図４に示したように、マトリックス状に配置した検出トランジスタ（電子検出部）９０と、ＭＯＳトランジスタからなる複数の読出しトランジスタ９２とを備えている。読出しトランジスタ９２は、検出トランジスタ９０の各列に対応して設けてある。そして、検出トランジスタ９０は、各列ごとにゲートがゲート制御線９４に接続され、これらのゲート制御線９４が駆動制御部４２を構成しているゲート制御回路９６に接続してある。また、検出トランジスタ９０は、ドレインが各行ごとにデータ線９８を介して読出しトランジスタ９２のソースに接続してある。さらに、検出トランジスタ９０のソースには、マイクロキャピラリー８０の出力側に対面して設けた検出電極１０２が接続してある。
【００２７】
各読出しトランジスタ９２は、ドレインが読出し回路７０に接続してある。読出しトランジスタ９２のそれぞれのゲートは、対応する読出し線１００に接続してある。この読出し線１００は、駆動制御部４２を構成している読出しマスク制御回路１０４に接続してある。駆動制御部４２は、ゲート制御回路９６、読出しマスク制御回路１０４に切替制御信号を出力するマスクパターン制御部１０６を有する。このマスクパターン制御部１０６は、詳細を後述するように、２値直交変調パターン（直交変調パターン）に基づいて切替制御信号を生成し、この切替制御信号をゲート制御回路９６と読出しマスク制御回路１０４とに与え、各検出トランジスタ９０と読出しトランジスタ９２とを直交変調パターンに基づいて切替動作させるようになっている。
【００２８】
このように構成した実施形態に係る物質検出装置１０の作用は、次のとおりである。まず、複数の試料３０を図示しないマイクロプレートにセットする。そして、マイクロプレートを物質検出装置１０のレンズユニット２６の下方に配置する。その後、物質検出装置１０を起動すると、駆動制御部４２が紫外線光源１２に紫外線放射パルスを出力する。これにより、紫外線光源１２から所定波長の紫外線１６が放射される。この紫外線１６は、透過型回折格子１４のスリット１４ａを通過して波長分散された分散光１８となる。分散光１８は、コリメートレンズ２０によって平行光２２とされたのち、ダイクロイックフィルタ２４を透過してレンズユニット２６に入射する。レンズユニット２６は、平行光２２を波長が分散方向された方向に沿った線状励起光２８にして試料３０に照射する。
【００２９】
試料３０に含まれている蛍光物質（図示せず）は、線状励起光２８に励起されて所定波長の蛍光（放射光）３４を放射する。この蛍光３４は、試料３０において反射された励起光２８とともにレンズユニット２６を透過し、ダイクロイックフィルタ２４に入射する。ダイクロイックフィルタ２４は、所定の波長より短い励起光２８を透過し、それより波長の長い蛍光３４を反射型回折格子３６の方向に反射する。回折格子３６は、溝３６ａが透過型回折格子１４のスリット１４ａと直交するように配設してある。このため、回折格子３６は、入射した光を回折格子１４が波長分散させた方向に直交して波長分散する。この結果、回折格子３６によって反射された光は、図５に示したように、回折格子３６が波長分散した試料３０から放射された放射光（蛍光３４）の波長方向と、回折格子１４が波長分散した励起光の波長方向とを２軸とする正方形または矩形の光となる。
【００３０】
すなわち、回折格子３６によって波長分散することにより、図５に示されているように、蛍光（放射光）３４のスペクトル（放射光波長）と試料３０の吸収スペクトル（励起波長）との関係が得られる。従って、吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係から、試料３０中に含まれている蛍光物質を特定することができる。このため、既知の蛍光物質を添加したトレーサと結合した試料３０中のＤＮＡやタンパク質、細胞などが含まれていれば、これらを容易、確実に検出することができる。
【００３１】
なお、図５において、より色の濃い部分は、蛍光３４の輝度がより大きいことを示している。そして、図５のように、複数の蛍光３４が存在する場合、各蛍光３４の強さを求めることにより、これらの蛍光を放射する物質の存在比（構成比）を求めることができる。このため、タンパク質などの複数の蛍光物質が含まれている場合であっても、タンパク質の種類を容易、正確に同定することができる。
【００３２】
回折格子３６によって波長分散された光は、レンズ３８によって集光させられ、受光部４０に入射する。受光部４０は、前記したように、光電変換部６４が入射した蛍光３４を電子７４に変換し、マイクロチャンネルプレート６６が電子７４を増幅（増倍）して増幅電子７６を出力する。この増幅電子７６は、検出モジュール６８を構成している検出トランジスタ９０の検出電極１０２に入射する。この検出モジュール６８は、各検出トランジスタ９０が駆動制御部４２によって所定のパターンに従って切替駆動される。すなわち、駆動制御部４２は、紫外線光源１２に紫外線放射パルス信号を出力すると、これに同期してマスクパターン制御部１０６がゲート制御回路９６と読出しマスク制御回路１０４とに、２値直交変調パターンに従った切替制御信号を出力する。ゲート制御回路９６と読出しマスク制御回路１０４とは、マスクパターン制御回路１０６の出力する切替制御信号に従って、受光部４０の検出モジュール６８を構成している検出トランジスタ９０をオン、オフさせる。また、駆動制御部４２は、検出モジュール６８への切替制御信号に同期してスペクトル検出部４４にサンプリング信号を出力する。
【００３３】
マスクパターン制御部１０６の出力する切替制御信号は、２値直交変調パターンであるアダマール行列の各行に対応した変調パターンを構成している。アダマール行列は、要素が「＋１」と「−１」とからなっていて、対角線に沿って対象位置にある要素が同じである対称行列となっている。例えば、一次のアダマール行列Ｈ(1) を具体的に書くと、
【数１】
【数２】
すなわち、アダマール行列は、一般的に次の漸化式によって定義することができる。
【数４】
【００３５】
そこで、実施形態においては、検出トランジスタ９０または読出しトランジスタ９２をオンにする場合をアダマール行列の「＋１」、これらをオフにする場合を「−１」に対応させている。例えば、検出モジュール６８が８×８個の検出トランジスタ９０で構成されている場合、検出トランジスタ９０と読出しトランジスタ９２とに与える切替制御信号は、図６の符号１１０、１１２のようになる。この図８においては、斜線を施した部分が動作電圧を与えられてオンとなる「＋１」に相当し、白抜きの部分がオフである「−１」に相当している。
【００３６】
この変調パターンによる検出モジュール６８の動作は、検出モジュール６８が図６のように８×８個の検出トランジスタ９０によって形成してある場合、次のようになる。例えば、ゲート制御回路９６が同図に示されているように、６次の変調パターンでゲート制御線９４をオン、すなわち第１列目と第２列目および第７列目と第８列目をオンし、第３列目〜第６列目までをオフにしたとする。このとき、マスクパターン制御部１０６は、読出しマスク制御回路１０４を介して、各読出しトランジスタ９２を０次〜７次までの変調パターンに従って順次切り替えてオン、オフさせる。そして、マスクパターン制御部１０６は、読出しトランジスタ９２を０次〜７次までの切り替え終わると、ゲート制御回路９６に次の変調パターンを与え、読出しトランジスタ９２を０次〜７次まで変調パターンに従って切り替える。そして、検出電極１０２に電子が入射すると、即座に読出し回路７０に検出トランジスタ９０の出力信号が入力し、読出し回路７０から電圧パルス７８に変換されて出力される。したがって、蛍光３４の入射に対するタイムラグをほとんど生ずることなく検出信号が得られる。このため、アダマール行列に基づいたマスクパターン（切替パターン）によって検出トランジスタ９０と読出しトランジスタ９２とを切替動作させることにより、ナノ秒以下の高速サンプリングが可能となり、高速時間分解をすることができる。
【００３７】
オンされた検出トランジスタ９０の検出電極１０２に増幅電子７６が入射し、読出しトランジスタ９２がオンされると、データ線９８に電流パルスが流れる。この電流パルスは、読出し回路７０によって増幅され、図４に示した電圧パルス７８に変換される。この電圧パルス７８は、スペクトル検出部４４のＡ／Ｄ変換器４６に入力する。Ａ／Ｄ変換器４６は、入力したアナログ信号をディジタル信号に変換してスペクトル演算部４８に送出する。スペクトル演算部４８は、駆動制御部４２からサンプリング信号が入力する。このサンプリング信号は、受光部４０の検出モジュール６８に与える切替制御信号に同期している。そして、スペクトル演算部４８は、サンプリング信号に同期してＡ／Ｄ変換器４６の出力信号を読み込み、図示しないメモリにサンプリングデータを書き込む。
【００３８】
駆動制御部４２は、検出モジュール６８に対してすべての切替パターンについて切り替えを終了すると、スペクトル演算部４８に対してスペクトル演算命令を与える。スペクトル演算部４８は、メモリに記憶しているサンプリングデータを読み出し、これらのデータに対してアダマール逆変換を行なう。これにより、図５に示した２軸分光スペクトルが得られる。スペクトル演算部４８は、求めた分光スペクトルを図示しない映像表示装置に出力し、２軸分光画像として表示する。
【００３９】
駆動制御部４２は、紫外線光源１２に１つの放射パルスを与えると、検出モジュール６８のトランジスタに対する上記した１群の切替駆動と、スペクトル演算部４８へのスペクトル演算命令とを複数回出力する。そして、スペクトル演算部４８は、その都度分光スペクトルを求めて映像表示装置に出力する。これにより、蛍光３４が減衰する時間的変化、すなわち蛍光３４の緩和過程が求められる。従って、図７に示したように、励起波長と放射蛍光波長および時間軸を３軸とする３次元画像を得ることができる。なお、図７に示した縦軸のｔ1〜ｔ4は、紫外線光源１２の紫外線放射タイミングを示す。
【００４０】
スペクトル演算部４８は、演算結果を映像表示装置に出力するとともに、物質識別部５０の緩和時間演算部５２に出力する。緩和時間演算部５２は、スペクトル演算部４８が時々刻々出力する分光スペクトルから、各蛍光３４の緩和時間を求める。そして、緩和時間演算部５２は、図８に模式的に示したように、励起（吸収）波長と放射蛍光波長および緩和時間τとを３軸とする空間分布強度を求める。この空間分布強度は、物質判定部５４に出力されるとともに、映像表示装置に表示される。物質判定部５４は、複数の蛍光物質に対する励起波長と放射蛍光波長と蛍光の緩和時間との関係が予め図示しない記憶部に与えられている。そして、物質判定部５４は、緩和時間演算部５２が求めた励起波長、放射蛍光波長、蛍光緩和時間から記憶部を検索し、対応する蛍光物質を同定して映像表示装置などの出力装置に出力する。
【００４１】
このように、実施の形態においては、励起波長と放射蛍光波長との関係ばかりでなく、放射蛍光の緩和時間をも求めるようにしているため、励起波長と放射蛍光波長との関係が近似している物質が存在したとしても、緩和時間を求めることにより、蛍光物質を容易、確実に特定することができる。従って、検出の誤りをなくすことができ、分析精度の向上などを図ることができる。また、検出すべき物質が複数の蛍光物質を構成要素として含んでいる場合であっても、対応した複数の放射蛍光の強度を求めることにより、各蛍光物質の存在比（構成比）を求めることが可能となり、その物質を特定することができる。
【００４２】
例えばタンパク質の場合、タンパク質を構成するチロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの３種のアミノ酸が紫外線の励起により強い蛍光を放射する。これらのアミノ酸は、励起波長がそれぞれ異なっており、また放射する蛍光の波長も、蛍光の緩和時間のそれぞれ異なる。従って、図８から各アミノ酸の存在比を得ることができ、タンパク質を容易、確実に同定することができる。
【００４３】
なお、前記実施形態においては、線状励起光２８の入射方向に放射される蛍光３４を検出する場合について説明したが、線状励起光２８の試料３０を透過方向に放射される蛍光３４を検出するようにしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、光源が放射した光を波長分散させて光の波長分散される方向に沿って線状の励起光を試料に照射し、前記試料からの光を前記線状励起光と交差する方向に波長分散し、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを時間変化ごとの２軸分光画像として求めるとともに、前記時間変化に対する放射光スペクトルの緩和過程から放射光の緩和時間を求め、前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記試料中の物質を検出するため、一辺が励起光の波長方向を軸とし、他の辺が試料の放射光の波長方向を軸とし、更に時間軸に沿って放射光の強度変化を表した２次元時間分解データとして得られ、励起光の波長に対する放射光の波長、すなわち吸収スペクトルと放射光スペクトルとの関係、並びにこれらと緩和時間の関係を容易に求めることができ、試料中の物質を容易、確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施の形態に係る二次元時間分解分光物質検出装置を模式的に示した説明図である。
【図２】 実施の形態に係る受光部の詳細を示す分解斜視図である。
【図３】 実施の形態に係るマイクロキャピラリーの詳細説明図である。
【図４】 実施の形態に係る検出モジュールの詳細説明図である。
【図５】 実施の形態に係る物質検出装置により得られる２軸分光スペクトルの一例を示す図である。
【図６】 アダマール行列に基づくトランジスタの切替制御を説明する図である。
【図７】 実施の形態により求められる励起波長と放射蛍光波長と蛍光の緩和過程との関係を示す図である。
【図８】 実施の形態により求められる励起波長と放射蛍光波長と蛍光緩和時間との関係を示す図である。
【図９】 従来の物質検出装置の説明図である。
【符号の説明】
１０………物質検出装置、１２………パルス紫外線光源、１４………第１分光部（回折格子）、１６………光（紫外線）、２４………フィルタ部（ダイクロイックフィルタ）、２６………照射部（レンズユニット）、２８………線状励起光、３０ａ〜３０ｎ………試料、３４………光（蛍光）、３６………第２分光部（回折格子）、４０………受光部、４２………駆動制御部、４４………スペクトル検出部、４８………スペクトル演算部、５０………物質識別部、５２………緩和時間演算部、５４………物質判定部、６４………光電変換部、６６………増幅モジュール（マイクロチャンネルプレート）、６８………検出モジュール、８０………電子増幅部（マイクロキャピラリー）、９０………電子検出部（検出トランジスタ）、９２………読出しトランジスタ。
Claims (3)
- 光源が放射した光を波長分散させて光の波長分散される方向に沿って線状の励起光を試料に照射し、
前記試料からの光を前記線状励起光と交差する方向に波長分散し、
前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを時間変化ごとの２軸分光画像として求めるとともに、
前記時間変化に対する放射光スペクトルの緩和過程から放射光の緩和時間を求め、
前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記試料中の物質を検出する、
ことを特徴とする二次元時間分解分光物質検出方法。 - 光源が放射した光を波長分散する第１分光部と、
この第１分光部から放射された光を波長分散する方向に沿った線状の励起光にして試料に照射する照射部と、
前記試料からの光を前記線状励起光と交差させて波長分散する第２分光部と、
この第２分光部からの光が入射し、電気信号を出力する受光部と、
この受光部と前記試料との間の光路に配置され、前記試料の放射光を透過させるフィルタ部と、
前記受光部の出力信号に基づいて、前記試料の吸収スペクトルと放射光スペクトルとを求めるスペクトル検出部と、
前記光源への放射パルスを出力すると共に前記スペクトル検出部への演算命令を複数回出力し前記スペクトル検出部で前記試料からの放射光が減衰する時間的変化である緩和時間を算出させる駆動制御部と、
前記スペクトル検出部の出力側に設けられ、スペクトル検出部が求めた前記吸収スペクトルと前記放射光スペクトルとに基づいて、前記試料中の物質を検出する物質識別部を有し、
この物質識別部は、前記放射光の緩和時間を求めて前記試料に対する吸収スペクトル、放射光スペクトル及び放射光緩和時間を３軸とする空間の強度分布を得て前記物質を同定可能とした、
ことを特徴とする二次元時間分解分光物質検出装置。 - 請求項２に記載の二次元時間分解分光物質検出装置において、
前記受光部は、光の入射によって電子を放出する光電変換部と、この光電変換部の放出した前記電子を増幅する複数の電子増幅部からなる増幅モジュールと、前記各増幅部のそれぞれに対応して設けられ、直交変調パターンに基づいて動作する電子検出部とを有することを特徴とする二次元時間分解分光物質検出装置。
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