JP4074136B2 - 蛍光寿命分布画像測定装置およびその測定方法 - Google Patents
蛍光寿命分布画像測定装置およびその測定方法 Download PDFInfo
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- G01N21/6408—Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起光を照射された試料から放出される蛍光の蛍光寿命の分布画像を取得する蛍光寿命分布画像測定装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被測定物に励起光を照射すると、その被測定物に含まれる蛍光物質から蛍光が発生する。その蛍光の強度は、励起光照射時刻から時間を経るに従って指数関数的に減衰していく。この蛍光減衰曲線の減衰特性を表すのが蛍光寿命であり、この蛍光寿命は、蛍光物質の種類によって決まっている。
【０００３】
近年、蛍光タンパク質や蛍光色素で染色した細胞の蛍光寿命値の分布を画像化することにより、細胞内における反応を高精度に測定することができるFLIM（Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy）と呼ばれる測定方法が提案され、論文「Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM)：Instrumentation and Applications」（Critical Reviews in Analytical Chemistry, 23(5) : 369-395(1992)）に記載されている。本測定方法は、例えば、細胞内で遺伝子が発現したかどうかを調べる蛍光タンパク質、カルシウムなどのイオン濃度を測定できる蛍光色素、細胞内でのｐHを測定できる蛍光色素などの蛍光寿命の変化を測定することにより、遺伝子発現の有無、イオン濃度、ｐHなどの細胞内での分布を画像化することができるものである。
【０００４】
このようなFLIM測定法として、PMTによる時間相関計数法とレーザスキャンとの組み合わせによる方法、ゲート・イメージ・インテンシファイアによる時間分解画像計測法、及び、ストリークカメラによる方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例では以下のような問題点がある。PMTによる時間相関計数法を用いた方法は、励起光の１パルス毎に単一光子しか測定できないので、測定時間が長くかかりすぎるため時々刻々と変化する細胞内の反応を追跡することができないという問題がある。
【０００６】
ゲート・イメージ・インテンシファイアを用いた方法は、ゲート法により蛍光寿命を測定することから、蛍光の取得効率が悪く、励起レーザの影響で細胞等の生体試料の退色及び試料自体の損傷が発生するという問題点がある。
【０００７】
一方、ストリークカメラを用いた従来の方法は、時間分解能および感度が高いものの、励起レーザの影響で細胞等の生体試料の退色及び試料自体の損傷が発生するという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、細胞等の試料へのダメージを最小にするとともに、短時間での測定を実現することができる蛍光寿命分布画像測定装置およびその測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、パルス励起光を試料に照射し、試料から放出される蛍光の寿命の分布を測定する蛍光寿命分布画像測定装置であって、パルス励起光を発するレーザ光源と、レーザ光源の発したパルス励起光を試料に導いて照射し、試料から放出される蛍光を導いて出力する測定用光学系と、測定用光学系から出力され到達した蛍光の蛍光強度の時間変化を記録するストリークカメラと、ストリークカメラで記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成する蛍光寿命分布画像作成手段と、を備え、測定用光学系は、第１走査手段、光分離手段、第２走査手段、及び、対物光学系を備え、第１走査手段は、レーザ光源の発したパルス励起光を第１方向に走査して出力し、光分離手段は、第１走査手段から到達したパルス励起光を第２走査手段へ導き、第２走査手段から出力され到達した蛍光をストリークカメラに導き、第２走査手段は、光分離手段から到達したパルス励起光を第１方向に垂直な第２方向に走査して出力し、対物光学系から出力され到達した蛍光を第１方向に垂直な第２方向に走査して光分離手段へ出力する。対物光学系は、第１走査手段、第２走査手段と共役な位置関係にあり、第１方向及び第２方向、それぞれに走査されたパルス励起光を集光して試料に照射し、パルス励起光が照射されたときに試料から放出される蛍光を第２走査手段へ出力すること、を特徴とする。
【００１０】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置によれば、レーザ光源より発せられたパルス励起光は、測定用光学系に出力され、測定用光学系に出力されたパルス励起光は、第１走査手段により第１方向に走査されて出力され、第１方向に走査されて出力されたパルス励起光は、第２走査手段により第１方向に垂直な第２方向に走査して出力され、第２方向に走査して出力されたパルス励起光は、対物光学系により集光されて試料に照射される。パルス励起光が試料に照射されたときに試料から放出される蛍光は、対物光学系により第２走査手段へ出力され、第２走査手段へ出力された蛍光は、第２走査手段により第１方向に垂直な第２方向に走査して光分離手段へ出力さる。ここで、パルス励起光と蛍光とが第２走査手段を往復通過する事で、蛍光は、ストリークカメラ上で第２走査方向には走査されず第１走査方向にのみ走査される。光分離手段へ出力された蛍光は、光分離手段によりストリークカメラへ出力され、ストリークカメラへ出力された蛍光は、ストリークカメラにより蛍光の蛍光強度の時間変化として記録される。そして、ストリークカメラで記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００１１】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、対物光学系が試料の内部に集光点を合わせる位置に配置され、パルス励起光のパルス幅が１５０ｆｓ以下、パルス励起光の集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときにパルス励起光の波長がλ以上２λ以下であることが好ましい。このようにすれば、パルス励起光により集光点において二光子励起を起こすことができる。
【００１２】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、パルス励起光の波長が７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましい。このようにすれば、蛍光タンパク質や蛍光色素で染色した細胞等の試料において二光子励起を起こすことができる。
【００１３】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、対物光学系の配置が第１方向及び第２方向の双方に垂直な方向に沿って移動するのが好ましい。このようにすれば、試料の深さ方向に対しても蛍光寿命を測定することができるため、３次元的な蛍光寿命分布画像を得る事ができる。
【００１４】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、第１走査手段及び第２走査手段それぞれがガルバノミラーであり、光分離手段がダイクロイックミラーであるのが好ましい。
【００１５】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定方法は、パルス励起光を試料に照射し、試料から放出される蛍光の寿命の分布を測定する蛍光寿命分布画像測定方法であって、パルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるパルス励起光を発する第１ステップと、パルス励起光を第１方向に走査する第２ステップと、第１方向に走査されたパルス励起光を第１方向に垂直な第２方向に走査する第３ステップと、第１方向及び第２方向、それぞれに走査されたパルス励起光を試料の内部に集光させる第４ステップと、集光されたパルス励起光の照射により放出される蛍光の蛍光強度の時間変化を記録する第５ステップと、記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成する第６ステップと、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定方法によれば、第１ステップで発せられたパルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるパルス励起光は、第２ステップで第１方向に走査される。第１方向に走査されたパルス励起光は、第3ステップで第１方向に垂直な第２方向に走査される。第１方向及び第２方向、それぞれに走査されたパルス励起光は第４ステップで試料の内部に集光され、集光されたパルス励起光の照射により放出される蛍光の蛍光強度の時間変化が第５ステップで記録される。記録された蛍光強度の時間変化に基づいて第６ステップで蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、二光子励起により試料を励起させている。二光子励起はレーザ光の強度を非常に大きくした場合に発生する現象である。まず、二光子励起について簡単に説明する。
【００１９】
試料５０の吸収のバンドギャップＥGよりも光子のエネルギーｈνが小さいと試料を励起することが出来ない。よって、試料５０に吸収が生じる条件はｈν＞ＥGである。しかし、パルス励起光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞ＥGの条件（ｎ＝２，３，４，・・・である）で試料５０が励起される。この現象を多光子励起とい、ｎ＝２の場合を二光子励起という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ2）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０5（Ｗ／ｃｍ2）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。
【００２０】
二光子励起は、一光子励起のときよりも、エネルギーが低い長波長のレーザを使用することができる。長波長のレーザを使用できることの長所としては、細胞などの試料のダメージが小さいことと、組織内の深部までレーザが届くため、試料の比較的深い領域も観察できることが挙げられる。また、二光子励起は、二個の光子がほぼ同時に来た場合に起こるため、光強度のほぼ２乗に比例して発生すると言われ、レーザの集光点だけで蛍光分子が励起される。したがって、集光点ではない観察しない部分の蛍光退色を防ぐことができ、長時間の観察や組織等の試料の広い範囲で観察することも可能となる。なお、集光点とはレーザ光が集光した箇所のことである。
【００２１】
上記の理由から細胞等の生体試料の蛍光寿命を測定するには、二光子励起が必須である。そのため発明者は、ストリークカメラを用いたスリット光蛍光寿命分布画像計測装置を試作し、スリット光により二光子励起を起こす方法を試みた。しかし、スリット光では、二光子励起の励起効率の低さから蛍光寿命データの取得に至らなかた。そこで、発明者は、さらに開発に努め本願発明を完成するに至った。
【００２２】
図１は本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１の概略構成を示す構成図である。
【００２３】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１は、蛍光分子を含む試料５０にパルス励起光を照射し、この試料５０から放出される蛍光の寿命を測定するものである。この蛍光寿命分布画像測定測定装置１は、レーザ光源１０、測定用光学系２０、ストリークカメラ３０、及び、蛍光寿命分布画像作成手段４０を備えている。
【００２４】
レーザ光源１０は、試料５０に対して照射すべきパルス励起光を繰り返し出力するものであり、例えば、チタンサファイアレーザ等の超短光パルス（フェムト秒パルス）レーザ光源が好適に用いられる。
【００２５】
レーザ光源１０の側方に設けられる測定用光学系２０は、レーザ光源１０の発したパルス励起光を試料５０に導いて照射し、試料５０から放出される蛍光を導いてストリークカメラへ出力するものであり、第１走査手段１００、光分離手段１１０、第２走査手段１２０、励起光光学系１３０、対物光学系１４０、瞳リレー光学系１５０、及び、結像光学系１６０を有している。
【００２６】
レーザ光源１０の側方に設けられる第１走査手段１００は、第１スキャナドライバ１０１により駆動され、レーザ光源１０より発せられたパルス励起光を第１方向（Ｘ軸方向）に走査して瞳リレー光学系１５０へ出力するものであり、例えば、ガルバノミラー等が好適に用いられる。
【００２７】
第１走査手段１００の側方に設けられる瞳リレー光学系１５０は、第１走査手段１００と第２走査手段１２０とが共役の関係になるように配置され、第１走査手段１００から到達したパルス励起光を光分離手段１１０を介して第２走査手段１２０へ導くものである。
【００２８】
瞳リレー光学系１５０の側方に設けられる光分離手段１１０は、瞳リレー光学系１５０から到達したパルス励起光を反射して第２走査手段１２０へ出力し、第２走査手段１２０から到達した蛍光を透過して結像光学系１６０へ出力するものであり、例えば、ダイクロイックミラー等が好適に用いられる。
【００２９】
光分離手段１１０の側方に設けられている第２走査手段１２０は、第２スキャナドライバ１２１により駆動され、光分離手段１１０から到達したパルス励起光を第１方向（以下「Ｘ軸方向」という）に垂直な第２方向（以下「Ｙ軸方向」という）に走査して励起光光学系１３０へ出力し、励起光光学系１３０から到達した蛍光をＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査して光分離手段１１０へ出力するものであり、例えば、ガルバノミラー等が好適に用いられる。
【００３０】
第２走査手段１２０の下方に位置する励起光光学系１３０は、第２走査手段１２０と対物光学系１４０とが共役の関係になるように配置され、第２走査手段１２０から到達したパルス励起光を対物光学系１４０へ出力し、対物光学系１４０から到達した蛍光を第２走査手段１２０へ出力するものである。
【００３１】
励起光光学系１３０の下方に位置する対物光学系１４０は、励起光光学系１３０から到達したパルス励起光を集光して試料５０に照射し、パルス励起光が試料５０に照射されたときに試料５０から放出される蛍光を励起光光学系１３０へ出力するものである。
【００３２】
光分離手段１１０の側方に設けられている結像光学系１６０は、試料５０とストリークカメラ３０の光電面とが共役の関係になるように配置され、光分離手段１１０から到達した蛍光をストリークカメラ３０の光電面上に結像するものである。
【００３３】
結像光学系１６０の側方に設けられているストリークカメラ３０は、測定用光学系２０から出力された蛍光の蛍光強度の時間変化を記録するものであり、高速スキャン型ＣＣＤ３１は、ストリークカメラ３０の蛍光面上の光像を撮像するものである。
【００３４】
蛍光寿命分布画像作成手段４０は、ストリークカメラ３０で記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成するものである。
【００３５】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１の動作について説明するとともに、蛍光寿命分布測定方法についても説明する。
【００３６】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１によれば、レーザ光源１０より発せられたパルス励起光は、測定用光学系２０に出力され、測定用光学系２０に出力されたパルス励起光は、第１走査手段１００によりＸ軸方向に走査されて出力され、Ｘ軸方向に走査されて出力されたパルス励起光は、瞳リレー光学系１５０により光分離手段１１０へ出力され、光分離手段１１０へ出力されたパルス励起光は、第２走査手段１２０によりＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査して出力され、Ｙ軸方向に走査して出力されたパルス励起光は、対物光学系１４０により集光されて試料５０に照射される。パルス励起光が試料５０に照射されたときに試料５０から放出される蛍光は、対物光学系１４０により励起光光学系１３０へ出力され、励起光光学系１３０へ出力された蛍光は、励起光光学系１３０により第２走査手段１２０へ出力され、第２走査手段１２０へ出力された蛍光は、第２走査手段１２０によりＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査して光分離手段１１０へ出力され、光分離手段１１０へ出力された蛍光は、光分離手段１１０により結像光学系１６０へ出力され、結像光学系１６０へ出力された蛍光は、結像光学系１６０によりストリークカメラ３０へ出力され、ストリークカメラ３０へ出力された蛍光は、ストリークカメラ３０により蛍光の蛍光強度の時間変化として記録される。そして、ストリークカメラ３０で記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００３７】
また、本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定方法によれば、第１ステップで発せられたパルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料５０が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるパルス励起光は、第２ステップでＸ軸方向に走査される。Ｘ軸方向に走査されたパルス励起光は、第3ステップでＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査される。Ｘ軸方向及びＹ軸方向、それぞれに走査されたパルス励起光は第４ステップで試料の内部に集光され、集光されたパルス励起光の照射により放出される蛍光の蛍光強度の時間変化が第５ステップで記録される。記録された蛍光強度の時間変化に基づいて第６ステップで蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００３８】
図２は、顕微鏡の対物光学系１４０下における細胞等の試料５０に対する走査状態を示す。本図は、スポット状のパルス励起光を、試料５０のＸ軸方向に高速に走査（１、２、３、・・・、Ｍ）しながら、さらにＹ軸方向にも走査（１、２、３、・・・、Ｎ）したものを模式的に示したものである。Ｘ軸方向の走査距離は、ストリークカメラ３０の光電面のスリット長に対応している。また、Ｘ軸方向の走査周期は１００Ｈｚ〜１ｋＨｚに設定されている。
【００３９】
パルス励起光の周波数は約１ＭＨｚ〜８０ＭＨｚであり、Ｘ軸走査手段２０は１００Ｈｚ〜１ｋＨｚで走査するため、パルス励起光が集光された直径約０．５μｍの光球がＸ軸方向に走査されることにより擬似スリット状に並ぶ。
【００４０】
ここで、Ｙ軸方向の走査では、第２走査手段１２０（ガルバノミラー）が、光分離手段１１０（ダイクロイックミラー）より後方に配置され、第２走査手段１２０（ガルバノミラー）は、励起光光学系１３０（瞳投影レンズ）の後側焦点面に位置し、Y軸方向にのみパルス励起光を走査する。試料から発生する蛍光はこの第２走査手段を通過しディスキャンされストリークカメラ３０へ向かう。すなわち、励起光光学系１３０（瞳投影レンズ）上のＹ軸方向に振られた像は、Ｘ軸方向にのみ走査された形となり、必ずストリークカメラ３０の光電面に結像する事になる。
【００４１】
蛍光は、ストリークカメラ３０のスリットを介して結像光学系１６０により、ストリーク管の光電面上にスリット像として結像される。蛍光がスリットに入射し、光電面に達したとすると、この蛍光は、光電面によりその光の強度に応じた数の電子に変換され、加速電極により加速されて蛍光面に向かって飛び出して行く。この電子が掃引電極の間を通過する時、タイミングを合わせて掃引電極に印加された高電圧により、高速掃引が行われる。これにより、少しずつ遅れてやってきた電子郡は垂直方向の少しずつ異なった角度に変更され、MCP(マイクロチャネルプレート)に飛び込む。電子郡はMCPを通過する際、数万倍まで電子の数を増倍された後、蛍光面に衝突し、光に変換される。蛍光面では、最も早く入射した光パルスに対応する蛍光像が最も上方に位置し、順に下方へと配列される。つまり、蛍光面上の垂直方向が時間軸になる。また、蛍光像の明るさは、それぞれの蛍光の強度に比例している。さらに、蛍光像の水平方向の位置は、蛍光の水平方向の位置に対応している。蛍光面上の増幅されたストリーク像は、高速スキャン型ＣＣＤ３１により撮像される。ここで、高速スキャン型ＣＣＤ３１は、ストリーク掃引回路からのＣＣＤトリガ信号を受信したＣＣＤカメラ駆動回路からの指令信号により露光を開始する。
【００４２】
図６は本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１の動作タイミングを示す図である。ここで、レーザ光源１０の発するパルス励起光の周期とストリークカメラ３０の掃引周期とは同期している。従って、パルス励起光の照射によって試料５０から放出された蛍光ごとにストリーク像が取得され、高速スキャン型ＣＣＤ３１により撮像される。
【００４３】
また、図６に示されるように、高速スキャン型ＣＣＤ３１の露光時間とＹ軸の掃引タイミングとは同期している。高速スキャン型ＣＣＤ３１の露光時間は約２００ｍｓであり、この間第２走査手段１２０は停止している。約２００ｍｓ経過し、ＣＣＤ画像１枚分の撮像が終了すると、第２走査手段１２０（ガルバノミラー）を動かし次の画像の撮像を行う。
【００４４】
これをＮ回繰り返すことによって図２に示すように、試料５０に対する２次元的な走査が行われる。
【００４５】
図３は、本実施形態に係るストリークカメラ３０により記録された蛍光のストリーク像を高速スキャン型ＣＣＤ３１で撮像した画像を示す図である。それぞれの画像は、高速スキャン型ＣＣＤ３１の露光時間の間第２走査手段１２０を固定しておき、高速スキャン型ＣＣＤ３１をその間露光させて取得したものである。Ｘ軸方向に走査（１、２、３、・・・、Ｍ）されたパルス励起光により励起され放出された蛍光の強度に対応したストリーク像が取得されている。ここで画像の水平方向がＸ軸方向に対応し、画像の垂直方向が時間軸となる。よって図４に示すように、走査点１〜Ｍそれぞれに対応した縦のラインごとに、それぞれの走査点における蛍光強度の時間変化データが取得できる。ここで、Ｙ軸の走査をＮ回行った場合には、Ｎ枚の画像が取得される。
【００４６】
図５は、本実施形態に係る蛍光寿命プロファイルを示す図である。蛍光の強度がピーク値の１／ｅに減衰するまでの時間を蛍光寿命値とする。蛍光寿命分布画像作成手段４０では、高速スキャン型ＣＣＤ３１で取得した蛍光強度の時間変化データに基づき、それぞれの縦のラインごとに、１〜Ｍまでの各集光点に対応した試料５０の蛍光寿命値を算出する。
【００４７】
蛍光寿命を算出するには、ＣＣＤの縦の１ラインごとに得られた蛍光強度の時間変化データに対して、時間変化を所定の曲線（関数系）等でフィッティングするフィッティング計算を行って、蛍光の蛍光寿命を算出する。この処理を１枚の画像においてＭライン分行い、さらに同様の処理をＮ枚の画像それぞれについて行うことにより、各走査点における蛍光寿命の寿命値のデータが得られる。
【００４８】
以上のようにして得られた各走査点における蛍光寿命の寿命値を、寿命値の長短に応じた色彩により各走査点ごとに表示することによって、細胞等の試料５０の蛍光寿命分布画像（ＦＬＩＭ画像）を取得することができる。
【００４９】
なお、蛍光寿命分布画像作成手段４０には、必要に応じて、蛍光寿命分布画像作成手段４０で得られた蛍光寿命分布画像を表示するための表示装置４１（図１参照）を接続しておくことが好ましい。
【００５０】
本実施形態に係る対物光学系１４０は、試料５０の内部に集光点を合わせる位置に配置され、パルス励起光は、パルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料５０が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるのが好適である。この場合は、パルス励起光により集光点において二光子励起を起こす事ができる。
【００５１】
また、パルス励起光は、波長が７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好適である。このようにすれば、蛍光タンパク質や蛍光色素で染色した細胞等の試料において二光子励起を起こすことができる。
【００５２】
本実施例において、レーザ光源１０には、パルス幅１５０ｆｓ以下、周波数７６ＭＨｚのチタンサファイアレーザを使用した。また、対物光学系１４０には、４０倍の油浸または水浸の対物レンズを使用した。この場合レーザの出力は約８ｍＷである。また、周波数１ＭＨｚのレーザ光源１０を使用した場合には、レーザ出力は、０．１ｍＷとなる。
【００５３】
本実施形態に係る対物光学系１４０は、配置がＸ軸方向及びＹ軸方向の双方に垂直な方向に沿って移動するのが好適である。この場合は、試料５０の深さ方向に対しても蛍光寿命を測定することができるため、３次元の蛍光寿命分布画像を得る事ができる。
【００５４】
長波長レーザは、短波長のレーザより組織内の深部までレーザが届くため、試料の比較的深い領域も観察できる。また、一光子励起では集光点の前後でも励起されるため、深さ方向の空間分解能は取れないが、二光子励起は直径約０．５μｍのパルス励起光の集光点でのみ励起が起こるので、空間分解能にすぐれる。よって、対物光学系１４０を動かして集光点を試料８０の深さ方向に移動させることにより、深さ方向のマッピングができる。これによって、３次元の蛍光寿命分布画像を得る事ができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、細胞等の試料へのダメージを最小にするとともに、短時間での計測を実現することができる蛍光寿命分布画像計測装置およびその計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係る顕微鏡下における試料のスキャン状態を示す図である。
【図３】本実施形態に係るストリークカメラにより記録された蛍光のストリーク像を高速スキャン型ＣＣＤで撮像した画像を示す図である。
【図４】各走査点における蛍光強度の時間変化を示す図である。
【図５】蛍光寿命プロファイルを示す図である。
【図６】本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置の動作タイミングを示す図である。
【符号の説明】
１…蛍光寿命分布画像測定装置、１０…レーザ光源、２０…測定用光学系、３０…ストリークカメラ、３１…高速スキャン型ＣＣＤ、４０…蛍光寿命分布画像作成手段、５０…試料、１００…第１走査手段、１０１…第１スキャナドライバ、１１０…光分離手段、１２０…第２走査手段、１２１…第２スキャナドライバ、１３０…励起光光学系、１４０…対物光学系。
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起光を照射された試料から放出される蛍光の蛍光寿命の分布画像を取得する蛍光寿命分布画像測定装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被測定物に励起光を照射すると、その被測定物に含まれる蛍光物質から蛍光が発生する。その蛍光の強度は、励起光照射時刻から時間を経るに従って指数関数的に減衰していく。この蛍光減衰曲線の減衰特性を表すのが蛍光寿命であり、この蛍光寿命は、蛍光物質の種類によって決まっている。
【０００３】
近年、蛍光タンパク質や蛍光色素で染色した細胞の蛍光寿命値の分布を画像化することにより、細胞内における反応を高精度に測定することができるFLIM（Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy）と呼ばれる測定方法が提案され、論文「Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM)：Instrumentation and Applications」（Critical Reviews in Analytical Chemistry, 23(5) : 369-395(1992)）に記載されている。本測定方法は、例えば、細胞内で遺伝子が発現したかどうかを調べる蛍光タンパク質、カルシウムなどのイオン濃度を測定できる蛍光色素、細胞内でのｐHを測定できる蛍光色素などの蛍光寿命の変化を測定することにより、遺伝子発現の有無、イオン濃度、ｐHなどの細胞内での分布を画像化することができるものである。
【０００４】
このようなFLIM測定法として、PMTによる時間相関計数法とレーザスキャンとの組み合わせによる方法、ゲート・イメージ・インテンシファイアによる時間分解画像計測法、及び、ストリークカメラによる方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例では以下のような問題点がある。PMTによる時間相関計数法を用いた方法は、励起光の１パルス毎に単一光子しか測定できないので、測定時間が長くかかりすぎるため時々刻々と変化する細胞内の反応を追跡することができないという問題がある。
【０００６】
ゲート・イメージ・インテンシファイアを用いた方法は、ゲート法により蛍光寿命を測定することから、蛍光の取得効率が悪く、励起レーザの影響で細胞等の生体試料の退色及び試料自体の損傷が発生するという問題点がある。
【０００７】
一方、ストリークカメラを用いた従来の方法は、時間分解能および感度が高いものの、励起レーザの影響で細胞等の生体試料の退色及び試料自体の損傷が発生するという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、細胞等の試料へのダメージを最小にするとともに、短時間での測定を実現することができる蛍光寿命分布画像測定装置およびその測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、パルス励起光を試料に照射し、試料から放出される蛍光の寿命の分布を測定する蛍光寿命分布画像測定装置であって、パルス励起光を発するレーザ光源と、レーザ光源の発したパルス励起光を試料に導いて照射し、試料から放出される蛍光を導いて出力する測定用光学系と、測定用光学系から出力され到達した蛍光の蛍光強度の時間変化を記録するストリークカメラと、ストリークカメラで記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成する蛍光寿命分布画像作成手段と、を備え、測定用光学系は、第１走査手段、光分離手段、第２走査手段、及び、対物光学系を備え、第１走査手段は、レーザ光源の発したパルス励起光を第１方向に走査して出力し、光分離手段は、第１走査手段から到達したパルス励起光を第２走査手段へ導き、第２走査手段から出力され到達した蛍光をストリークカメラに導き、第２走査手段は、光分離手段から到達したパルス励起光を第１方向に垂直な第２方向に走査して出力し、対物光学系から出力され到達した蛍光を第１方向に垂直な第２方向に走査して光分離手段へ出力する。対物光学系は、第１走査手段、第２走査手段と共役な位置関係にあり、第１方向及び第２方向、それぞれに走査されたパルス励起光を集光して試料に照射し、パルス励起光が照射されたときに試料から放出される蛍光を第２走査手段へ出力すること、を特徴とする。
【００１０】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置によれば、レーザ光源より発せられたパルス励起光は、測定用光学系に出力され、測定用光学系に出力されたパルス励起光は、第１走査手段により第１方向に走査されて出力され、第１方向に走査されて出力されたパルス励起光は、第２走査手段により第１方向に垂直な第２方向に走査して出力され、第２方向に走査して出力されたパルス励起光は、対物光学系により集光されて試料に照射される。パルス励起光が試料に照射されたときに試料から放出される蛍光は、対物光学系により第２走査手段へ出力され、第２走査手段へ出力された蛍光は、第２走査手段により第１方向に垂直な第２方向に走査して光分離手段へ出力さる。ここで、パルス励起光と蛍光とが第２走査手段を往復通過する事で、蛍光は、ストリークカメラ上で第２走査方向には走査されず第１走査方向にのみ走査される。光分離手段へ出力された蛍光は、光分離手段によりストリークカメラへ出力され、ストリークカメラへ出力された蛍光は、ストリークカメラにより蛍光の蛍光強度の時間変化として記録される。そして、ストリークカメラで記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００１１】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、対物光学系が試料の内部に集光点を合わせる位置に配置され、パルス励起光のパルス幅が１５０ｆｓ以下、パルス励起光の集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときにパルス励起光の波長がλ以上２λ以下であることが好ましい。このようにすれば、パルス励起光により集光点において二光子励起を起こすことができる。
【００１２】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、パルス励起光の波長が７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましい。このようにすれば、蛍光タンパク質や蛍光色素で染色した細胞等の試料において二光子励起を起こすことができる。
【００１３】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、対物光学系の配置が第１方向及び第２方向の双方に垂直な方向に沿って移動するのが好ましい。このようにすれば、試料の深さ方向に対しても蛍光寿命を測定することができるため、３次元的な蛍光寿命分布画像を得る事ができる。
【００１４】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、第１走査手段及び第２走査手段それぞれがガルバノミラーであり、光分離手段がダイクロイックミラーであるのが好ましい。
【００１５】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定方法は、パルス励起光を試料に照射し、試料から放出される蛍光の寿命の分布を測定する蛍光寿命分布画像測定方法であって、パルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるパルス励起光を発する第１ステップと、パルス励起光を第１方向に走査する第２ステップと、第１方向に走査されたパルス励起光を第１方向に垂直な第２方向に走査する第３ステップと、第１方向及び第２方向、それぞれに走査されたパルス励起光を試料の内部に集光させる第４ステップと、集光されたパルス励起光の照射により放出される蛍光の蛍光強度の時間変化を記録する第５ステップと、記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成する第６ステップと、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る蛍光寿命分布画像測定方法によれば、第１ステップで発せられたパルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるパルス励起光は、第２ステップで第１方向に走査される。第１方向に走査されたパルス励起光は、第3ステップで第１方向に垂直な第２方向に走査される。第１方向及び第２方向、それぞれに走査されたパルス励起光は第４ステップで試料の内部に集光され、集光されたパルス励起光の照射により放出される蛍光の蛍光強度の時間変化が第５ステップで記録される。記録された蛍光強度の時間変化に基づいて第６ステップで蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置は、二光子励起により試料を励起させている。二光子励起はレーザ光の強度を非常に大きくした場合に発生する現象である。まず、二光子励起について簡単に説明する。
【００１９】
試料５０の吸収のバンドギャップＥGよりも光子のエネルギーｈνが小さいと試料を励起することが出来ない。よって、試料５０に吸収が生じる条件はｈν＞ＥGである。しかし、パルス励起光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞ＥGの条件（ｎ＝２，３，４，・・・である）で試料５０が励起される。この現象を多光子励起とい、ｎ＝２の場合を二光子励起という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ2）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０5（Ｗ／ｃｍ2）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。
【００２０】
二光子励起は、一光子励起のときよりも、エネルギーが低い長波長のレーザを使用することができる。長波長のレーザを使用できることの長所としては、細胞などの試料のダメージが小さいことと、組織内の深部までレーザが届くため、試料の比較的深い領域も観察できることが挙げられる。また、二光子励起は、二個の光子がほぼ同時に来た場合に起こるため、光強度のほぼ２乗に比例して発生すると言われ、レーザの集光点だけで蛍光分子が励起される。したがって、集光点ではない観察しない部分の蛍光退色を防ぐことができ、長時間の観察や組織等の試料の広い範囲で観察することも可能となる。なお、集光点とはレーザ光が集光した箇所のことである。
【００２１】
上記の理由から細胞等の生体試料の蛍光寿命を測定するには、二光子励起が必須である。そのため発明者は、ストリークカメラを用いたスリット光蛍光寿命分布画像計測装置を試作し、スリット光により二光子励起を起こす方法を試みた。しかし、スリット光では、二光子励起の励起効率の低さから蛍光寿命データの取得に至らなかた。そこで、発明者は、さらに開発に努め本願発明を完成するに至った。
【００２２】
図１は本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１の概略構成を示す構成図である。
【００２３】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１は、蛍光分子を含む試料５０にパルス励起光を照射し、この試料５０から放出される蛍光の寿命を測定するものである。この蛍光寿命分布画像測定測定装置１は、レーザ光源１０、測定用光学系２０、ストリークカメラ３０、及び、蛍光寿命分布画像作成手段４０を備えている。
【００２４】
レーザ光源１０は、試料５０に対して照射すべきパルス励起光を繰り返し出力するものであり、例えば、チタンサファイアレーザ等の超短光パルス（フェムト秒パルス）レーザ光源が好適に用いられる。
【００２５】
レーザ光源１０の側方に設けられる測定用光学系２０は、レーザ光源１０の発したパルス励起光を試料５０に導いて照射し、試料５０から放出される蛍光を導いてストリークカメラへ出力するものであり、第１走査手段１００、光分離手段１１０、第２走査手段１２０、励起光光学系１３０、対物光学系１４０、瞳リレー光学系１５０、及び、結像光学系１６０を有している。
【００２６】
レーザ光源１０の側方に設けられる第１走査手段１００は、第１スキャナドライバ１０１により駆動され、レーザ光源１０より発せられたパルス励起光を第１方向（Ｘ軸方向）に走査して瞳リレー光学系１５０へ出力するものであり、例えば、ガルバノミラー等が好適に用いられる。
【００２７】
第１走査手段１００の側方に設けられる瞳リレー光学系１５０は、第１走査手段１００と第２走査手段１２０とが共役の関係になるように配置され、第１走査手段１００から到達したパルス励起光を光分離手段１１０を介して第２走査手段１２０へ導くものである。
【００２８】
瞳リレー光学系１５０の側方に設けられる光分離手段１１０は、瞳リレー光学系１５０から到達したパルス励起光を反射して第２走査手段１２０へ出力し、第２走査手段１２０から到達した蛍光を透過して結像光学系１６０へ出力するものであり、例えば、ダイクロイックミラー等が好適に用いられる。
【００２９】
光分離手段１１０の側方に設けられている第２走査手段１２０は、第２スキャナドライバ１２１により駆動され、光分離手段１１０から到達したパルス励起光を第１方向（以下「Ｘ軸方向」という）に垂直な第２方向（以下「Ｙ軸方向」という）に走査して励起光光学系１３０へ出力し、励起光光学系１３０から到達した蛍光をＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査して光分離手段１１０へ出力するものであり、例えば、ガルバノミラー等が好適に用いられる。
【００３０】
第２走査手段１２０の下方に位置する励起光光学系１３０は、第２走査手段１２０と対物光学系１４０とが共役の関係になるように配置され、第２走査手段１２０から到達したパルス励起光を対物光学系１４０へ出力し、対物光学系１４０から到達した蛍光を第２走査手段１２０へ出力するものである。
【００３１】
励起光光学系１３０の下方に位置する対物光学系１４０は、励起光光学系１３０から到達したパルス励起光を集光して試料５０に照射し、パルス励起光が試料５０に照射されたときに試料５０から放出される蛍光を励起光光学系１３０へ出力するものである。
【００３２】
光分離手段１１０の側方に設けられている結像光学系１６０は、試料５０とストリークカメラ３０の光電面とが共役の関係になるように配置され、光分離手段１１０から到達した蛍光をストリークカメラ３０の光電面上に結像するものである。
【００３３】
結像光学系１６０の側方に設けられているストリークカメラ３０は、測定用光学系２０から出力された蛍光の蛍光強度の時間変化を記録するものであり、高速スキャン型ＣＣＤ３１は、ストリークカメラ３０の蛍光面上の光像を撮像するものである。
【００３４】
蛍光寿命分布画像作成手段４０は、ストリークカメラ３０で記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成するものである。
【００３５】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１の動作について説明するとともに、蛍光寿命分布測定方法についても説明する。
【００３６】
本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１によれば、レーザ光源１０より発せられたパルス励起光は、測定用光学系２０に出力され、測定用光学系２０に出力されたパルス励起光は、第１走査手段１００によりＸ軸方向に走査されて出力され、Ｘ軸方向に走査されて出力されたパルス励起光は、瞳リレー光学系１５０により光分離手段１１０へ出力され、光分離手段１１０へ出力されたパルス励起光は、第２走査手段１２０によりＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査して出力され、Ｙ軸方向に走査して出力されたパルス励起光は、対物光学系１４０により集光されて試料５０に照射される。パルス励起光が試料５０に照射されたときに試料５０から放出される蛍光は、対物光学系１４０により励起光光学系１３０へ出力され、励起光光学系１３０へ出力された蛍光は、励起光光学系１３０により第２走査手段１２０へ出力され、第２走査手段１２０へ出力された蛍光は、第２走査手段１２０によりＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査して光分離手段１１０へ出力され、光分離手段１１０へ出力された蛍光は、光分離手段１１０により結像光学系１６０へ出力され、結像光学系１６０へ出力された蛍光は、結像光学系１６０によりストリークカメラ３０へ出力され、ストリークカメラ３０へ出力された蛍光は、ストリークカメラ３０により蛍光の蛍光強度の時間変化として記録される。そして、ストリークカメラ３０で記録された蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００３７】
また、本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定方法によれば、第１ステップで発せられたパルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料５０が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるパルス励起光は、第２ステップでＸ軸方向に走査される。Ｘ軸方向に走査されたパルス励起光は、第3ステップでＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に走査される。Ｘ軸方向及びＹ軸方向、それぞれに走査されたパルス励起光は第４ステップで試料の内部に集光され、集光されたパルス励起光の照射により放出される蛍光の蛍光強度の時間変化が第５ステップで記録される。記録された蛍光強度の時間変化に基づいて第６ステップで蛍光寿命が算出され、蛍光寿命分布画像が作成される。
【００３８】
図２は、顕微鏡の対物光学系１４０下における細胞等の試料５０に対する走査状態を示す。本図は、スポット状のパルス励起光を、試料５０のＸ軸方向に高速に走査（１、２、３、・・・、Ｍ）しながら、さらにＹ軸方向にも走査（１、２、３、・・・、Ｎ）したものを模式的に示したものである。Ｘ軸方向の走査距離は、ストリークカメラ３０の光電面のスリット長に対応している。また、Ｘ軸方向の走査周期は１００Ｈｚ〜１ｋＨｚに設定されている。
【００３９】
パルス励起光の周波数は約１ＭＨｚ〜８０ＭＨｚであり、Ｘ軸走査手段２０は１００Ｈｚ〜１ｋＨｚで走査するため、パルス励起光が集光された直径約０．５μｍの光球がＸ軸方向に走査されることにより擬似スリット状に並ぶ。
【００４０】
ここで、Ｙ軸方向の走査では、第２走査手段１２０（ガルバノミラー）が、光分離手段１１０（ダイクロイックミラー）より後方に配置され、第２走査手段１２０（ガルバノミラー）は、励起光光学系１３０（瞳投影レンズ）の後側焦点面に位置し、Y軸方向にのみパルス励起光を走査する。試料から発生する蛍光はこの第２走査手段を通過しディスキャンされストリークカメラ３０へ向かう。すなわち、励起光光学系１３０（瞳投影レンズ）上のＹ軸方向に振られた像は、Ｘ軸方向にのみ走査された形となり、必ずストリークカメラ３０の光電面に結像する事になる。
【００４１】
蛍光は、ストリークカメラ３０のスリットを介して結像光学系１６０により、ストリーク管の光電面上にスリット像として結像される。蛍光がスリットに入射し、光電面に達したとすると、この蛍光は、光電面によりその光の強度に応じた数の電子に変換され、加速電極により加速されて蛍光面に向かって飛び出して行く。この電子が掃引電極の間を通過する時、タイミングを合わせて掃引電極に印加された高電圧により、高速掃引が行われる。これにより、少しずつ遅れてやってきた電子郡は垂直方向の少しずつ異なった角度に変更され、MCP(マイクロチャネルプレート)に飛び込む。電子郡はMCPを通過する際、数万倍まで電子の数を増倍された後、蛍光面に衝突し、光に変換される。蛍光面では、最も早く入射した光パルスに対応する蛍光像が最も上方に位置し、順に下方へと配列される。つまり、蛍光面上の垂直方向が時間軸になる。また、蛍光像の明るさは、それぞれの蛍光の強度に比例している。さらに、蛍光像の水平方向の位置は、蛍光の水平方向の位置に対応している。蛍光面上の増幅されたストリーク像は、高速スキャン型ＣＣＤ３１により撮像される。ここで、高速スキャン型ＣＣＤ３１は、ストリーク掃引回路からのＣＣＤトリガ信号を受信したＣＣＤカメラ駆動回路からの指令信号により露光を開始する。
【００４２】
図６は本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置１の動作タイミングを示す図である。ここで、レーザ光源１０の発するパルス励起光の周期とストリークカメラ３０の掃引周期とは同期している。従って、パルス励起光の照射によって試料５０から放出された蛍光ごとにストリーク像が取得され、高速スキャン型ＣＣＤ３１により撮像される。
【００４３】
また、図６に示されるように、高速スキャン型ＣＣＤ３１の露光時間とＹ軸の掃引タイミングとは同期している。高速スキャン型ＣＣＤ３１の露光時間は約２００ｍｓであり、この間第２走査手段１２０は停止している。約２００ｍｓ経過し、ＣＣＤ画像１枚分の撮像が終了すると、第２走査手段１２０（ガルバノミラー）を動かし次の画像の撮像を行う。
【００４４】
これをＮ回繰り返すことによって図２に示すように、試料５０に対する２次元的な走査が行われる。
【００４５】
図３は、本実施形態に係るストリークカメラ３０により記録された蛍光のストリーク像を高速スキャン型ＣＣＤ３１で撮像した画像を示す図である。それぞれの画像は、高速スキャン型ＣＣＤ３１の露光時間の間第２走査手段１２０を固定しておき、高速スキャン型ＣＣＤ３１をその間露光させて取得したものである。Ｘ軸方向に走査（１、２、３、・・・、Ｍ）されたパルス励起光により励起され放出された蛍光の強度に対応したストリーク像が取得されている。ここで画像の水平方向がＸ軸方向に対応し、画像の垂直方向が時間軸となる。よって図４に示すように、走査点１〜Ｍそれぞれに対応した縦のラインごとに、それぞれの走査点における蛍光強度の時間変化データが取得できる。ここで、Ｙ軸の走査をＮ回行った場合には、Ｎ枚の画像が取得される。
【００４６】
図５は、本実施形態に係る蛍光寿命プロファイルを示す図である。蛍光の強度がピーク値の１／ｅに減衰するまでの時間を蛍光寿命値とする。蛍光寿命分布画像作成手段４０では、高速スキャン型ＣＣＤ３１で取得した蛍光強度の時間変化データに基づき、それぞれの縦のラインごとに、１〜Ｍまでの各集光点に対応した試料５０の蛍光寿命値を算出する。
【００４７】
蛍光寿命を算出するには、ＣＣＤの縦の１ラインごとに得られた蛍光強度の時間変化データに対して、時間変化を所定の曲線（関数系）等でフィッティングするフィッティング計算を行って、蛍光の蛍光寿命を算出する。この処理を１枚の画像においてＭライン分行い、さらに同様の処理をＮ枚の画像それぞれについて行うことにより、各走査点における蛍光寿命の寿命値のデータが得られる。
【００４８】
以上のようにして得られた各走査点における蛍光寿命の寿命値を、寿命値の長短に応じた色彩により各走査点ごとに表示することによって、細胞等の試料５０の蛍光寿命分布画像（ＦＬＩＭ画像）を取得することができる。
【００４９】
なお、蛍光寿命分布画像作成手段４０には、必要に応じて、蛍光寿命分布画像作成手段４０で得られた蛍光寿命分布画像を表示するための表示装置４１（図１参照）を接続しておくことが好ましい。
【００５０】
本実施形態に係る対物光学系１４０は、試料５０の内部に集光点を合わせる位置に配置され、パルス励起光は、パルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、試料５０が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であるのが好適である。この場合は、パルス励起光により集光点において二光子励起を起こす事ができる。
【００５１】
また、パルス励起光は、波長が７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好適である。このようにすれば、蛍光タンパク質や蛍光色素で染色した細胞等の試料において二光子励起を起こすことができる。
【００５２】
本実施例において、レーザ光源１０には、パルス幅１５０ｆｓ以下、周波数７６ＭＨｚのチタンサファイアレーザを使用した。また、対物光学系１４０には、４０倍の油浸または水浸の対物レンズを使用した。この場合レーザの出力は約８ｍＷである。また、周波数１ＭＨｚのレーザ光源１０を使用した場合には、レーザ出力は、０．１ｍＷとなる。
【００５３】
本実施形態に係る対物光学系１４０は、配置がＸ軸方向及びＹ軸方向の双方に垂直な方向に沿って移動するのが好適である。この場合は、試料５０の深さ方向に対しても蛍光寿命を測定することができるため、３次元の蛍光寿命分布画像を得る事ができる。
【００５４】
長波長レーザは、短波長のレーザより組織内の深部までレーザが届くため、試料の比較的深い領域も観察できる。また、一光子励起では集光点の前後でも励起されるため、深さ方向の空間分解能は取れないが、二光子励起は直径約０．５μｍのパルス励起光の集光点でのみ励起が起こるので、空間分解能にすぐれる。よって、対物光学系１４０を動かして集光点を試料８０の深さ方向に移動させることにより、深さ方向のマッピングができる。これによって、３次元の蛍光寿命分布画像を得る事ができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、細胞等の試料へのダメージを最小にするとともに、短時間での計測を実現することができる蛍光寿命分布画像計測装置およびその計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係る顕微鏡下における試料のスキャン状態を示す図である。
【図３】本実施形態に係るストリークカメラにより記録された蛍光のストリーク像を高速スキャン型ＣＣＤで撮像した画像を示す図である。
【図４】各走査点における蛍光強度の時間変化を示す図である。
【図５】蛍光寿命プロファイルを示す図である。
【図６】本実施形態に係る蛍光寿命分布画像測定装置の動作タイミングを示す図である。
【符号の説明】
１…蛍光寿命分布画像測定装置、１０…レーザ光源、２０…測定用光学系、３０…ストリークカメラ、３１…高速スキャン型ＣＣＤ、４０…蛍光寿命分布画像作成手段、５０…試料、１００…第１走査手段、１０１…第１スキャナドライバ、１１０…光分離手段、１２０…第２走査手段、１２１…第２スキャナドライバ、１３０…励起光光学系、１４０…対物光学系。
Claims (6)
- パルス励起光を試料に照射し、前記試料から放出される蛍光の寿命の分布を測定する蛍光寿命分布画像測定装置であって、
前記パルス励起光を発するレーザ光源と、
前記レーザ光源の発した前記パルス励起光を前記試料に導いて照射し、前記試料から放出される前記蛍光を導いて出力する測定用光学系と、
前記測定用光学系から出力され到達した前記蛍光の蛍光強度の時間変化を記録するストリークカメラと、
前記ストリークカメラで記録された前記蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成する蛍光寿命分布画像作成手段と、
を備え、
前記測定用光学系は、第１走査手段、光分離手段、第２走査手段、及び、対物光学系を備え、
前記第１走査手段は、前記レーザ光源の発した前記パルス励起光を第１方向に走査して出力し、
前記光分離手段は、前記第１走査手段から到達した前記パルス励起光を前記第２走査手段へ導き、前記第２走査手段から出力され到達した前記蛍光を前記ストリークカメラに導き、
前記第２走査手段は、前記光分離手段から到達した前記パルス励起光を前記第１方向に垂直な第２方向に走査して出力し、前記対物光学系から出力され到達した前記蛍光を前記第１方向に垂直な第２方向に走査して前記光分離手段へ出力し、
前記対物光学系は、前記第１方向及び第２方向、それぞれに走査された前記パルス励起光を集光して前記試料に照射し、前記パルス励起光が照射されたときに前記試料から放出される蛍光を前記第２走査手段へ出力すること、
を特徴とする蛍光寿命分布画像測定装置。 - 前記対物光学系は、前記試料の内部に集光点を合わせる位置に配置され、
前記パルス励起光は、パルス幅が１５０ｆｓ以下、前記集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、前記試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下であること、
を特徴とする請求項１記載の蛍光寿命分布画像測定装置。 - 前記パルス励起光は、波長が７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であること、
を特徴とする請求項２記載の蛍光寿命分布画像測定装置。 - 前記対物光学系は、配置が前記第１方向及び前記第２方向の双方に垂直な方向に沿って移動すること、
を特徴とする請求項２記載の蛍光寿命分布画像測定装置。 - 前記第１走査手段及び前記第２走査手段、それぞれは、ガルバノミラーであり、前記光分離手段は、ダイクロイックミラーであること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の蛍光寿命分布画像測定装置。 - パルス励起光を試料に照射し、前記試料から放出される蛍光の寿命の分布を測定する蛍光寿命分布画像測定方法であって、
パルス幅が１５０ｆｓ以下、集光点におけるピークパワー密度が１×１０5W／ｃｍ2以上、及び、前記試料が励起され蛍光を発し得る光の最長波長をλとしたときに波長がλ以上２λ以下である前記パルス励起光を発する第１ステップと、
前記パルス励起光を第１方向に走査する第２ステップと、
前記第１方向に走査された前記パルス励起光を前記第１方向に垂直な第２方向に走査する第３ステップと、
前記第１方向及び第２方向、それぞれに走査された前記パルス励起光を前記試料の内部に集光させる第４ステップと、
集光された前記パルス励起光の照射により放出される前記蛍光の蛍光強度の時間変化を記録する第５ステップと、
記録された前記蛍光強度の時間変化に基づいて蛍光寿命を算出し、蛍光寿命分布画像を作成する第６ステップと、
を備えることを特徴とする蛍光寿命分布画像測定方法。
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