JP5654509B2 - Fluorescence detection apparatus and fluorescence detection method - Google Patents

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Description

本発明は、測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出装置及び蛍光検出方法に関する。   The present invention relates to a fluorescence detection apparatus and a fluorescence detection method for detecting fluorescence emitted when a measurement object is irradiated with laser light.

測定対象物にレーザ光を照射し、測定対象物が発する蛍光を受光して、測定対象物の情報を取得する蛍光検出装置及び蛍光検出方法が知られている。
蛍光検出装置及び蛍光検出方法を用いたフローサイトメータは、蛍光試薬でラベル化された細胞、DNA、RNA、酵素、蛋白等の測定対象物をシース液に流す。この測定対象物にレーザ光を照射することにより、測定対象物に付与された蛍光色素が蛍光を発する。フローサイトメータは、この蛍光を検出することにより、測定対象物の情報を取得することができる。
There are known a fluorescence detection apparatus and a fluorescence detection method for irradiating a measurement target with laser light, receiving fluorescence emitted from the measurement target, and acquiring information on the measurement target.
A flow cytometer using a fluorescence detection apparatus and a fluorescence detection method allows measurement objects such as cells, DNA, RNA, enzymes, and proteins labeled with a fluorescence reagent to flow through a sheath liquid. By irradiating the measurement object with laser light, the fluorescent dye applied to the measurement object emits fluorescence. The flow cytometer can acquire information on the measurement object by detecting this fluorescence.

また、所定の周波数で強度変調したレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物が発する蛍光を受光することにより蛍光緩和時間(蛍光寿命)を算出する蛍光検出装置及び蛍光検出方法が知られている(特許文献1)。   Also known are a fluorescence detection apparatus and a fluorescence detection method for calculating a fluorescence relaxation time (fluorescence lifetime) by irradiating a measurement object with laser light intensity-modulated at a predetermined frequency and receiving fluorescence emitted from the measurement object. (Patent Document 1).

特開2006−226698号公報JP 2006-226698 A

従来の蛍光検出装置では、測定対象物が発した蛍光は、光電変換素子に入射されることにより電気信号に変換された後に、増幅及び復調される。光電変換素子としては、増幅率が優れているという点から、光電子増倍管が多く用いられている。ところで、一般的な光電子増倍管は、電子の増幅率が優れている一方で量子効率が低い(例えば、約25%以下)ため、光電子増倍管に入射する光子の数が少ない場合、電子に変換可能な光子の数がさらに減少する。この場合、電気信号に変換された蛍光の強度が微弱になるため、蛍光の電気信号が他の電気信号に埋もれて抽出が困難となり、またノイズとして除去されるおそれがある。したがって、蛍光の強度が低い場合、蛍光検出装置によって求められた蛍光緩和時間の測定精度が低下する可能性がある。   In a conventional fluorescence detection apparatus, fluorescence emitted from a measurement object is amplified and demodulated after being converted into an electrical signal by being incident on a photoelectric conversion element. As the photoelectric conversion element, a photomultiplier tube is often used because of its excellent amplification factor. By the way, a general photomultiplier tube has an excellent electron amplification factor and a low quantum efficiency (for example, about 25% or less). Therefore, when the number of photons incident on the photomultiplier tube is small, The number of photons that can be converted into is further reduced. In this case, since the intensity of the fluorescence converted into the electrical signal becomes weak, the fluorescence electrical signal is buried in another electrical signal, which makes it difficult to extract and may be removed as noise. Therefore, when the intensity of the fluorescence is low, there is a possibility that the measurement accuracy of the fluorescence relaxation time obtained by the fluorescence detection apparatus is lowered.

そこで、本発明は、精度の高い蛍光緩和時間を取得することができる蛍光検出装置及び蛍光検出方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fluorescence detection apparatus and a fluorescence detection method that can acquire a highly accurate fluorescence relaxation time.

本発明の一態様は、測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出装置である。
当該蛍光検出装置は、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するレーザ光源部と、
前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を2つに分けて第1の光信号と第2の光信号にする光学素子と、前記レーザ光を強度変調するための変調信号と同相の信号を用いたバイアス信号で第1の誘導放出を行うことにより、前記第1の光信号の増幅を行う第1の光増幅器と、前記レーザ光を強度変調するための変調信号に対して90度位相シフトした信号を用いたバイアス信号で第2の誘導放出を行うことにより、前記第2の光信号の増幅を行う第2の光増幅器と、前記第1の光信号を受光し、第1の電気信号を出力する第1の受光素子と、前記第2の光信号を受光し、第2の電気信号を出力する第2の受光素子と、を備える受光部と、
前記受光部から出力された前記第1の電気信号及び前記第2の電気信号を用いて、前記変調信号に対する前記蛍光の位相差を算出し、前記位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求める処理部と、を有する。
One embodiment of the present invention is a fluorescence detection device that detects fluorescence emitted when a measurement target is irradiated with laser light.
The fluorescence detection device is
A laser light source unit for irradiating the measurement object with intensity-modulated laser light;
An optical element that divides a fluorescent optical signal emitted when the laser beam is irradiated onto the measurement object into two, and converts the intensity of the laser light into a first optical signal and a second optical signal; A first optical amplifier that amplifies the first optical signal by performing a first stimulated emission with a bias signal using a signal in phase with the modulation signal of the first modulation signal, and a modulation for intensity-modulating the laser light A second optical amplifier that amplifies the second optical signal by performing second stimulated emission with a bias signal using a signal that is phase-shifted by 90 degrees with respect to the signal; and A light receiving unit comprising: a first light receiving element that receives light and outputs a first electric signal; and a second light receiving element that receives the second optical signal and outputs a second electric signal;
A process of calculating a phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal using the first electric signal and the second electric signal output from the light receiving unit, and obtaining a fluorescence relaxation time of the fluorescence from the phase difference Part.

本発明の他の態様は、測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出方法である。
当該蛍光検出方法は、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するステップと、
前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を2つに分けて第1の光信号と第2の光信号にするステップと、
前記レーザ光を強度変調するための変調信号を用いたバイアス信号で第1の誘導放出を行うことにより、前記第1の光信号の増幅を行うステップと、
前記レーザ光を強度変調するための変調信号に対して90度位相シフトした信号を用いたバイアス信号で第2の誘導放出を行うことにより、前記第2の光信号の増幅を行うステップと、
前記第1の誘導放出を行って得られる第1の光信号を受光して第1の電気信号を出力するステップと、
前記第2の誘導放出を行って得られる第2の光信号を受光して第2の電気信号を出力するステップと、
出力された前記第1の電気信号及び前記第2の電気信号を用いて、前記変調信号に対する前記蛍光の位相差を算出し、前記位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求めるステップと、を有する。
Another aspect of the present invention is a fluorescence detection method for detecting fluorescence emitted when a measurement object is irradiated with laser light.
The fluorescence detection method is:
Irradiating the measurement object with intensity-modulated laser light; and
Dividing the fluorescence optical signal emitted when the measurement object is irradiated with the laser light into two to be a first optical signal and a second optical signal;
Amplifying the first optical signal by performing first stimulated emission with a bias signal using a modulation signal for intensity-modulating the laser light;
Amplifying the second optical signal by performing second stimulated emission with a bias signal using a signal phase-shifted by 90 degrees with respect to a modulation signal for intensity-modulating the laser light;
Receiving a first optical signal obtained by performing the first stimulated emission and outputting a first electrical signal;
Receiving a second optical signal obtained by performing the second stimulated emission and outputting a second electrical signal; and
Calculating the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal using the output first electric signal and the second electric signal, and obtaining the fluorescence relaxation time of the fluorescence from the phase difference. .

上述の蛍光検出装置及び蛍光検出方法によれば、精度の高い蛍光緩和時間を取得することができる。   According to the above-described fluorescence detection apparatus and fluorescence detection method, a highly accurate fluorescence relaxation time can be acquired.

第1実施形態の蛍光検出装置を用いたフローサイトメータの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the flow cytometer using the fluorescence detection apparatus of 1st Embodiment. レーザ光源部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a laser light source part. 第2受光部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a 2nd light-receiving part. 信号処理部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a signal processing part. 制御部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a control part. 分析装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of an analyzer. 本実施形態の蛍光検出方法のフローの一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the flow of the fluorescence detection method of this embodiment. 図3に示した第2受光部の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the modification of the 2nd light-receiving part shown in FIG. 第2実施形態の蛍光検出装置を用いたフローサイトメータに含まれる発振器の構成の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the composition of the oscillator contained in the flow cytometer using the fluorescence detection device of a 2nd embodiment.

以下、本発明の蛍光検出装置及び蛍光検出方法を適用したフローサイトメータについて、詳細に説明する。
<第1実施形態>
(フローサイトメータの構成)
まず、図1を参照して、第1実施形態のフローサイトメータの構成について説明する。図1は、本実施形態のフローサイトメータの一例を示す概略構成図である。フローサイトメータは、測定対象物12にレーザ光を照射し、レーザ光が照射された測定対象物12から発せられる蛍光を受光することにより、測定対象物12の情報を取得することができる。
フローサイトメータは、フローセル10と、レーザ光源部20と、第1受光部30と、第2受光部40と、制御部50と、分析装置60と、出力部70と、を備える。また、フローセル10の下流には、測定対象物12を回収するための容器16が配置される。以下、各構成について詳細に説明する。
Hereinafter, a flow cytometer to which the fluorescence detection apparatus and the fluorescence detection method of the present invention are applied will be described in detail.
<First Embodiment>
(Configuration of flow cytometer)
First, with reference to FIG. 1, the structure of the flow cytometer of 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a flow cytometer according to the present embodiment. The flow cytometer can acquire information on the measurement target 12 by irradiating the measurement target 12 with laser light and receiving fluorescence emitted from the measurement target 12 irradiated with the laser light.
The flow cytometer includes a flow cell 10, a laser light source unit 20, a first light receiving unit 30, a second light receiving unit 40, a control unit 50, an analysis device 60, and an output unit 70. Further, a container 16 for collecting the measurement object 12 is disposed downstream of the flow cell 10. Hereinafter, each configuration will be described in detail.

細胞、DNA(Deoxyribonucleic Acid)、RNA(Ribonucleic Acid)、酵素、蛋白等の測定対象物12は、シース液に囲まれてフローセル10の内部を流れる。後述するように、レーザ光源部20が測定対象物12にレーザ光を照射し、その際に発せられる蛍光から測定対象物12の情報を取得するため、測定対象物12には、蛍光色素14が予め付与されている。蛍光色素14は、例えば、CFP(Cyan Fluorescent Protein)、YFP(Yellow Fluorescent Protein)等が用いられる。フローセル10の内部では、シース液に囲まれた測定対象物12が、流体力学的絞り込みを受けることにより細い液流となって、フローセル10の内部を流れる。   A measurement object 12 such as a cell, DNA (Deoxyribonucleic Acid), RNA (Ribonucleic Acid), enzyme, protein or the like flows inside the flow cell 10 surrounded by a sheath liquid. As will be described later, since the laser light source unit 20 irradiates the measurement object 12 with laser light and acquires information on the measurement object 12 from the fluorescence emitted at that time, the measurement object 12 has a fluorescent dye 14. It is given in advance. As the fluorescent dye 14, for example, CFP (Cyan Fluorescent Protein), YFP (Yellow Fluorescent Protein) or the like is used. Within the flow cell 10, the measurement object 12 surrounded by the sheath liquid flows into the flow cell 10 as a thin liquid flow by receiving hydrodynamic narrowing.

レーザ光源部20は、例えば、350nm〜800nmの可視光帯域の波長を有し、所定の変調信号を用いて強度変調されたレーザ光を測定対象物12に照射する。
図2に示すように、レーザ光源部20は、レーザ光源21と、レンズ系22と、レーザドライバ23とを有している。
レーザ光源21は、強度が一定のCW(連続波)レーザ光を強度変調して出射する。
レンズ系22は、レーザ光源21から出射されたレーザ光を、フローセル10中の所定の測定点(測定場)に集束させる。
レーザドライバ23は、後述する制御部50と電気的に接続されており、制御部50から供給された変調信号の周波数(変調周波数)でレーザ光の強度を変調するように構成されている。
なお、レーザ光源部20は、1つのレーザ光源を用いてもよいし、複数のレーザ光源を用いてもよい。複数のレーザ光源が用いられる場合には、複数のレーザ光源からのレーザ光がダイクロイックミラー等を用いて合成されることにより、測定場に向けて出射されるレーザ光が形成されることが好ましい。
The laser light source unit 20 has a wavelength in the visible light band of 350 nm to 800 nm, for example, and irradiates the measurement object 12 with laser light whose intensity is modulated using a predetermined modulation signal.
As shown in FIG. 2, the laser light source unit 20 includes a laser light source 21, a lens system 22, and a laser driver 23.
The laser light source 21 emits a CW (continuous wave) laser beam having a constant intensity after intensity modulation.
The lens system 22 focuses the laser light emitted from the laser light source 21 on a predetermined measurement point (measurement field) in the flow cell 10.
The laser driver 23 is electrically connected to a control unit 50 to be described later, and is configured to modulate the intensity of the laser light with the frequency (modulation frequency) of the modulation signal supplied from the control unit 50.
The laser light source unit 20 may use one laser light source or a plurality of laser light sources. In the case where a plurality of laser light sources are used, it is preferable that the laser light emitted from the plurality of laser light sources is synthesized using a dichroic mirror or the like to form laser light emitted toward the measurement field.

レーザ光を出射する光源として、例えば、半導体レーザを用いることができる。レーザ光の出力は、例えば、5mW〜100mWである。また、変調周波数は、その周期が蛍光緩和時間に比べてやや長く、例えば、10MHz〜200MHzである。   As a light source for emitting laser light, for example, a semiconductor laser can be used. The output of the laser beam is, for example, 5 mW to 100 mW. Also, the modulation frequency has a period that is slightly longer than the fluorescence relaxation time, for example, 10 MHz to 200 MHz.

第1受光部30は、フローセル10の測定場を基準として、レーザ光源部20と反対側に配置される。第1受光部30は、フローセル10の測定場を通過する測定対象物12にレーザ光が照射されたときに生じる前方散乱光を受光する。
第1受光部30は、例えば、フォトダイオード等の光電変換器を備える。光電変換器は、受光した前方散乱光を電気信号に変換する。
第1受光部30の光電変換器によって変換された電気信号は分析装置60へ出力され、当該電気信号は、測定対象物12がフローセル10の測定場を通過するタイミングを知らせるためのトリガ信号として用いられる。
また、第1受光部30は、例えば、前方散乱光を光電変換器に集束させるレンズ系(図示省略)と、レーザ光が光電変換器に直接入射しないようにレンズ系の測定対象物12側前面に設けられた遮蔽板(図示省略)とを有してもよい。
The first light receiving unit 30 is disposed on the opposite side of the laser light source unit 20 with the measurement field of the flow cell 10 as a reference. The first light receiving unit 30 receives forward scattered light that is generated when the measurement target 12 that passes through the measurement field of the flow cell 10 is irradiated with laser light.
The first light receiving unit 30 includes, for example, a photoelectric converter such as a photodiode. The photoelectric converter converts the received forward scattered light into an electrical signal.
The electrical signal converted by the photoelectric converter of the first light receiving unit 30 is output to the analyzer 60, and the electrical signal is used as a trigger signal for notifying the timing when the measurement object 12 passes through the measurement field of the flow cell 10. It is done.
In addition, the first light receiving unit 30 includes, for example, a lens system (not shown) that focuses forward scattered light on the photoelectric converter, and a front surface on the measurement object 12 side of the lens system so that laser light does not directly enter the photoelectric converter. And a shielding plate (not shown) provided on the surface.

第2受光部40は、レーザ光源部20から出射されるレーザ光の出射方向に対して垂直方向であって、且つ、フローセル10中の測定対象物12の移動方向に対して垂直方向に配置されている。第2受光部40は、フローセル10の測定場を通過する測定対象物12にレーザ光が照射されたときに測定対象物12から発せられる蛍光と、レーザ光の側方散乱光とを、光増幅器で増幅して受光する。
図3に示すように、第2受光部40は、レンズ系41と、ダイクロイックミラー42と、ハーフミラー43と、バンドパスフィルタ(BPF)44a,44bと、光増幅器45a,45bと、信号処理部46a,46bと、パワースプリッタ47と、90度位相シフタ48と、を有する。
レンズ系41は、第2受光部40に入射した光を集光する。
ダイクロイックミラー42は、レンズ系41を透過した光のうち、レーザ光の側方散乱光の波長領域の光を反射し、蛍光の波長領域を含む波長領域の光を透過させるミラーである。なお、レーザ光の側方散乱光の波長領域の光は、ダイクロイックミラー42によって反射された後、光吸収素子42aによって吸収される。
ハーフミラー43は、ダイクロイックミラー42を透過した蛍光の一部を透過させるとともに、残りの蛍光を反射することにより、蛍光を2方向に分配するミラーである。なお、ハーフミラー43の代わりに、ビームスプリッタを用いてもよい。
BPF44a,44bは、光増幅器45a,45bそれぞれの前面に設けられ、所定の波長帯域の蛍光のみを透過させるフィルタである。なお、透過させる蛍光の波長帯域は、蛍光色素14が発する蛍光の波長帯域に対応して設定されている。また、BPF44a,44bの代わりに、バンドリジェクトフィルタを用いてもよい。
The second light receiving unit 40 is arranged in a direction perpendicular to the emission direction of the laser light emitted from the laser light source unit 20 and perpendicular to the moving direction of the measurement object 12 in the flow cell 10. ing. The second light receiving unit 40 is an optical amplifier that converts fluorescence emitted from the measurement object 12 when the measurement object 12 passing through the measurement field of the flow cell 10 is irradiated with laser light and side scattered light of the laser light. Amplifies and receives light.
As shown in FIG. 3, the second light receiving unit 40 includes a lens system 41, a dichroic mirror 42, a half mirror 43, bandpass filters (BPF) 44a and 44b, optical amplifiers 45a and 45b, and a signal processing unit. 46a, 46b, a power splitter 47, and a 90-degree phase shifter 48.
The lens system 41 condenses the light incident on the second light receiving unit 40.
The dichroic mirror 42 is a mirror that reflects the light in the wavelength region of the side scattered light of the laser light among the light transmitted through the lens system 41 and transmits the light in the wavelength region including the fluorescent wavelength region. The light in the wavelength region of the side scattered light of the laser light is reflected by the dichroic mirror 42 and then absorbed by the light absorbing element 42a.
The half mirror 43 is a mirror that distributes fluorescence in two directions by transmitting a part of the fluorescence transmitted through the dichroic mirror 42 and reflecting the remaining fluorescence. Note that a beam splitter may be used instead of the half mirror 43.
The BPFs 44a and 44b are filters that are provided in front of the optical amplifiers 45a and 45b, respectively, and transmit only fluorescence in a predetermined wavelength band. Note that the wavelength band of fluorescence to be transmitted is set corresponding to the wavelength band of fluorescence emitted by the fluorescent dye 14. A band reject filter may be used instead of the BPFs 44a and 44b.

光増幅器45a,45bは、例えば半導体光増幅器であり、後述するように、入射した蛍光の光信号の増幅を行う。また、光増幅器45a,45bは、レンズ系41から入射口までの光の光路長が互いに同一になるように配置されている。これは、後述するように、光増幅器45a,45bのそれぞれで光増幅したとき、光増幅器45a,45bが、変調信号を用いたバイアス信号で誘導放出を行うことにより、変調信号に対する蛍光の位相差の情報を含む光信号を出力するためである。
また、光増幅器45a,45bは、パワースプリッタ47を介して制御部50と電気的に接続されており、制御部50から送信された変調信号でバイアスされている。また、光増幅器45bは、90度位相シフタ48を介してパワースプリッタ47と接続されている。制御部50から送信された変調信号は、パワースプリッタ47により分配される。そして、光増幅器45aには、制御部50から送信された変調信号と同相の信号が供給される。一方、光増幅器45bに供給される信号は、90度位相シフタ48によって、制御部50から送信された変調信号に対して90度位相がシフトしている。これにより、光増幅器45a,45bのそれぞれを構成するレーザ媒質の原子あるいは分子は、変調信号により励起される。そして、蛍光が入射すると、レーザ媒質の原子あるいは分子が誘導放出することにより、光増幅器45a,45bに入射した蛍光は増幅される。
光増幅器45a,45bを用いることにより、蛍光の光信号が電気信号に変換される前に蛍光の光信号を増幅することができる。
The optical amplifiers 45a and 45b are, for example, semiconductor optical amplifiers, and amplify incident fluorescence optical signals as will be described later. The optical amplifiers 45a and 45b are arranged so that the optical path lengths of the light from the lens system 41 to the entrance are the same. As will be described later, when optical amplification is performed by each of the optical amplifiers 45a and 45b, the optical amplifiers 45a and 45b perform stimulated emission with a bias signal using the modulation signal, thereby causing a phase difference of fluorescence with respect to the modulation signal. This is because an optical signal including the above information is output.
The optical amplifiers 45 a and 45 b are electrically connected to the control unit 50 via the power splitter 47 and are biased with a modulation signal transmitted from the control unit 50. Further, the optical amplifier 45 b is connected to the power splitter 47 through a 90-degree phase shifter 48. The modulated signal transmitted from the control unit 50 is distributed by the power splitter 47. The optical amplifier 45a is supplied with a signal having the same phase as the modulation signal transmitted from the control unit 50. On the other hand, the phase of the signal supplied to the optical amplifier 45 b is shifted by 90 degrees with respect to the modulation signal transmitted from the control unit 50 by the 90-degree phase shifter 48. As a result, the atoms or molecules of the laser medium constituting each of the optical amplifiers 45a and 45b are excited by the modulation signal. When the fluorescence is incident, the atoms or molecules of the laser medium are stimulated to emit, and the fluorescence incident on the optical amplifiers 45a and 45b is amplified.
By using the optical amplifiers 45a and 45b, the fluorescence optical signal can be amplified before the fluorescence optical signal is converted into an electrical signal.

次に、蛍光の光信号の増幅について詳細に説明する。蛍光の光信号の増幅は、変調信号及び変調信号を90度位相シフトした信号をバイアス信号として用いて、光増幅器45a,45bに光の誘導放出を行わせることにより、行われる。以降では、光増幅器45aを用いて蛍光の光信号の増幅を行う場合について説明する。
光増幅器45aを構成するレーザ媒質の原子あるいは分子は、変調信号のエネルギーを吸収すると、基底状態から励起状態に遷移し、一定時間後に光を放出(自然放出)して、再び基底状態に戻る。また、励起状態の原子あるいは分子は、変調信号と同じ周波数の光信号(蛍光信号)が入射されると、同一方向に向けて連鎖反応的に光を放出(誘導放出)する。レーザ媒質の原子あるいは分子が単位時間あたりに自然放出、吸収または誘導放出する確率は、それぞれA、B12W、B21Wで表される。ここで、Wは入射光のエネルギー密度であり、A,B12,B21は状態が遷移する確率である。また、原子あるいは分子の集団が熱平衡状態にある場合、B12=B21であることから、以降ではB12及びB21のそれぞれを単にBと表す。
基底状態の原子あるいは分子の密度(占位数)をN、励起状態の原子あるいは分子の密度(占位数)をNとしたとき、N,Nの時間変化を表す微分方程式(レート方程式)は、以下の式(1)のように示される。下記の式(1)では、励起状態の原子あるいは分子の密度の時間変化(式(1)の左辺)は、励起状態の原子あるいは分子の自然放出の発生頻度(式(1)の右辺第1項)と、誘導放出の発生頻度(式(1)の右辺第2項)に応じて低減することを示している。
Next, amplification of the fluorescence optical signal will be described in detail. The amplification of the fluorescence optical signal is performed by causing the optical amplifiers 45a and 45b to perform stimulated emission of light using a modulation signal and a signal obtained by phase shifting the modulation signal by 90 degrees as a bias signal. Hereinafter, a description will be given of the case where the optical signal of the fluorescence is amplified using the optical amplifier 45a.
The atoms or molecules of the laser medium constituting the optical amplifier 45a, when absorbing the energy of the modulation signal, transition from the ground state to the excited state, emit light (spontaneous emission) after a certain time, and return to the ground state again. In addition, when an optical signal (fluorescence signal) having the same frequency as the modulation signal is incident, the excited atoms or molecules emit light (stimulated emission) in a chain reaction toward the same direction. Probabilities of spontaneous emission, absorption, or stimulated emission per unit time of atoms or molecules of the laser medium are represented by A, B 12 W, and B 21 W, respectively. Here, W is the energy density of incident light, and A, B 12 , and B 21 are probabilities of state transitions. Further, when a group of atoms or molecules is in a thermal equilibrium state, since B 12 = B 21 , each of B 12 and B 21 is simply represented as B hereinafter.
The density of atoms or molecules in the ground state (the occupied position number) N 1, when the density of the atoms or molecules of the excited state (occupied quantiles) was N 2, differential equation representing the time variation of N 1, N 2 ( The rate equation is expressed as the following equation (1). In the following formula (1), the time variation of the density of excited atoms or molecules (left side of formula (1)) is the frequency of spontaneous emission of excited atoms or molecules (first on the right side of formula (1)). ) And the frequency of occurrence of stimulated emission (the second term on the right side of Equation (1)).

Figure 0005654509
また、N+N=Nとすると、式(1)は、以下の式(2)のように示される。
Figure 0005654509
When N 1 + N 2 = N, the expression (1) is expressed as the following expression (2).

Figure 0005654509
Figure 0005654509

ここで、光増幅器45aのバイアス信号の電圧を、変調信号と同じ角周波数ωで変化させた場合には、確率A,BはそれぞれA=acosωt、B=bcosωtで表される。なお、a,bは確率値であるため、a,b≦1である。また、蛍光は変調信号で強度変調されたレーザ光により発するので、光増幅器45aに入射する入射光(蛍光)も角周波数ωで変調されていることから、変調信号に対する蛍光の位相差をθとすると、入射光のエネルギー密度Wは、W=wcos(ωt+θ)で表される。なお、wは入射光の強度である。A、B及びWの値を式(2)に代入し、三角関数の加法定理を用いると、式(2)は以下の式(3)のように示される。   Here, when the voltage of the bias signal of the optical amplifier 45a is changed at the same angular frequency ω as that of the modulation signal, the probabilities A and B are expressed by A = acosωt and B = bcosωt, respectively. Since a and b are probability values, a and b ≦ 1. In addition, since the fluorescence is emitted by the laser light whose intensity is modulated by the modulation signal, the incident light (fluorescence) incident on the optical amplifier 45a is also modulated by the angular frequency ω. Then, the energy density W of the incident light is expressed by W = wcos (ωt + θ). W is the intensity of incident light. By substituting the values of A, B, and W into Equation (2) and using the trigonometric addition theorem, Equation (2) is expressed as Equation (3) below.

Figure 0005654509
Figure 0005654509

式(3)において、tは入射光が光増幅器45aを通過する時間である。また、   In Equation (3), t is the time for incident light to pass through the optical amplifier 45a. Also,

Figure 0005654509
Figure 0005654509

Figure 0005654509
としたとき、式(3)の一般解は、定数変化法を用いることにより、以下の式(6)のように示される。
Figure 0005654509
Then, the general solution of the equation (3) is expressed as the following equation (6) by using the constant change method.

Figure 0005654509
なお、式(6)において、∫p(t)dtは、式(4)より以下の式(7)のように示される。
Figure 0005654509
In Expression (6), ∫p (t) dt is expressed as Expression (7) below from Expression (4).

Figure 0005654509
ここで、変調信号の変調周波数は、例えば、10Hz程度であることから、角周波数ω>>1となる。また、入射光の強度wは、例えば、数mW〜数十mW程度である。これにより、(a/ω)・sinωtの値と、(bw/2ω)・sin(2ωt+θ)の値は、極めて小さくなることから、ほぼ影響が無いと考えられる。したがって、式(7)は、以下の式(8)のように近似することができる。
Figure 0005654509
Here, since the modulation frequency of the modulation signal is, for example, about 10 8 Hz, the angular frequency ω >> 1. Further, the intensity w of the incident light is, for example, about several mW to several tens mW. As a result, the value of (a / ω) · sin ωt and the value of (bw / 2ω) · sin (2ωt + θ) are extremely small, so it is considered that there is almost no influence. Therefore, the equation (7) can be approximated as the following equation (8).

Figure 0005654509
Figure 0005654509

また、式(6)の∫dt´q(t´)exp(∫p(t)dt)は、以下の式(9)のように示される。   Further, ∫dt′q (t ′) exp (∫p (t) dt) in the equation (6) is expressed as the following equation (9).

Figure 0005654509
ここで、入射光が進行する方向の光増幅器45aの長さは、数cm〜数十cm程度であることから、t<<1とすることができる。したがって、式(9)のexp{(bwcosθ)t}は、以下の式(10)のように近似することができる。
Figure 0005654509
Here, since the length of the optical amplifier 45a in the direction in which the incident light travels is about several centimeters to several tens of centimeters, it can be set to t << 1. Therefore, exp {(bw cos θ) t} in equation (9) can be approximated as in the following equation (10).

Figure 0005654509
さらに、Nの値はアボガドロ数程度の大きさと考えられることから、式(9)は、以下の式(11)のように近似することができる。
Figure 0005654509
Furthermore, since the value of N is considered to be as large as the Avogadro number, Equation (9) can be approximated as Equation (11) below.

Figure 0005654509
したがって、式(6)の右辺第2項は、以下の式(12)のように示される。
Figure 0005654509
Therefore, the second term on the right side of Equation (6) is expressed as in Equation (12) below.

Figure 0005654509
Figure 0005654509

よって、式(6)は、式(12)を用いて以下の式(13)のように示される。   Therefore, Expression (6) is expressed as Expression (13) below using Expression (12).

Figure 0005654509
そして、光増幅器45aから出力される蛍光は、Nの時間微分で表すことができることから、式(13)を用いて以下の式(14)のように示される。
Figure 0005654509
Since the fluorescence output from the optical amplifier 45a can be expressed by time differentiation of N 2 , the following expression (14) is obtained using the expression (13).

Figure 0005654509
式(14)より、光増幅器45aから出力される蛍光の光信号には、入射光(蛍光)の周波数と変調信号の周波数との加算周波数を成分とする高周波成分と、入射光の周波数と変調信号の周波数との差分周波数を成分とする低周波成分とが含まれている。すなわち、変調信号を用いたバイアス信号で誘導放出が行われることにより、光増幅器45aは、入射光すなわち蛍光の光信号と、変調信号とをミキシングした結果を得ることができる。また、蛍光の光信号と、蛍光の光信号と同じ周波数を有する変調信号とをミキシングした結果が得られることによって、レーザ光によって変調された蛍光を復調することができる。さらに、蛍光の光信号は、Nb/2(>1)倍に増幅されている。
このようにして、光増幅器45aは、変調信号を用いたバイアス信号で誘導放出を行うことにより、蛍光の光信号の増幅し、これによりミキシングした結果を得ることができる。なお、光増幅器45aから出力された蛍光の光信号の低周波成分は、後述する信号処理部46aにおいて、変調信号に対する蛍光の位相差の情報である実数部成分(Re成分)として得られる。
また、光増幅器46bは、制御部50から送信された変調信号に対して90度位相シフトした信号を用いたバイアス信号で誘導放出を行うことにより、光増幅器45aと同様に、蛍光の光信号を増幅する。このとき、光増幅器46bは、蛍光の光信号とバイアス信号とをミキシングした結果を得ることができる。なお、光増幅器45bから出力された蛍光の光信号の低周波成分は、後述する信号処理部46bにおいて、変調信号に対する蛍光の位相差の情報である虚数部成分(Im成分)として得られる。
Figure 0005654509
From the equation (14), the fluorescence optical signal output from the optical amplifier 45a has a high frequency component whose component is an addition frequency of the frequency of the incident light (fluorescence) and the frequency of the modulation signal, and the frequency and modulation of the incident light. A low frequency component having a difference frequency from the signal frequency as a component is included. That is, by performing stimulated emission with a bias signal using a modulation signal, the optical amplifier 45a can obtain a result of mixing the incident light, that is, the fluorescence optical signal, with the modulation signal. Further, by obtaining a result of mixing the fluorescence optical signal and the modulation signal having the same frequency as the fluorescence optical signal, it is possible to demodulate the fluorescence modulated by the laser light. Further, the fluorescence optical signal is amplified by Nb / 2 (> 1) times.
In this way, the optical amplifier 45a can amplify the fluorescence optical signal by performing stimulated emission with the bias signal using the modulation signal, and thereby obtain a mixed result. The low-frequency component of the fluorescence optical signal output from the optical amplifier 45a is obtained as a real part component (Re component), which is information on the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal, in the signal processing unit 46a described later.
The optical amplifier 46b performs stimulated emission with a bias signal using a signal shifted by 90 degrees with respect to the modulation signal transmitted from the control unit 50, and thus the fluorescence optical signal is transmitted in the same manner as the optical amplifier 45a. Amplify. At this time, the optical amplifier 46b can obtain the result of mixing the fluorescence optical signal and the bias signal. The low-frequency component of the fluorescence optical signal output from the optical amplifier 45b is obtained as an imaginary part component (Im component), which is information on the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal, in the signal processing unit 46b described later.

次に、図4を参照して、信号処理部46a,46bの構成について説明する。図4は、信号処理部46a,46bの構成の一例を示す図である。信号処理部46aは、光増幅器45aから出力された蛍光の光信号を電気信号に変換し、信号処理部46bは、光増幅器45bから出力された蛍光の光信号を電気信号に変換する。図4に示すように、信号処理部46a,46bは、BPF461と、光電変換器462と、ローパスフィルタ(LPF)463と、A/D変換器464と、を有している。   Next, the configuration of the signal processing units 46a and 46b will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the configuration of the signal processing units 46a and 46b. The signal processing unit 46a converts the fluorescent optical signal output from the optical amplifier 45a into an electrical signal, and the signal processing unit 46b converts the fluorescent optical signal output from the optical amplifier 45b into an electrical signal. As illustrated in FIG. 4, the signal processing units 46 a and 46 b include a BPF 461, a photoelectric converter 462, a low-pass filter (LPF) 463, and an A / D converter 464.

BPF461は、光電変換器462の前面に設けられ、所定の波長帯域の蛍光の光信号を透過させるフィルタである。これにより、迷光を抑制することができる。なお、BPF461の代わりに、バンドリジェクトフィルタを用いてもよい。
光電変換器462は、例えばフォトダイオードや光電子増倍管等であり、光信号を受光し、光信号を電気信号に変換して出力する受光素子を有している。ここで、フォトダイオードは、光電子増倍管と比べて、量子効率が優れている一方で、増幅率が劣るという特性を有している。このため、蛍光の光信号を増幅する光電変換器を用いて蛍光を検出する従来技術の構成では、フォトダイオードを光電変換器に用いることが困難であった。一方、本実施形態では、蛍光の光信号が光増幅器45a,45bによって増幅されていることから、光電変換器で光信号を増幅させなくてもよい。これにより、本実施形態では、従来技術において光電変換器に用いることが困難であったフォトダイオードを、光電変換器462に用いることができる。
LPF463は、光電変換器462から出力された蛍光の電気信号のうち、変調信号の周波数と蛍光信号の周波数との加算周波数を成分とする高周波成分を除去し、変調信号の周波数と蛍光信号の周波数との差分周波数を成分とする低周波成分を通過させるためのフィルタである。これにより、蛍光の電気信号の実数部成分(Re成分)が、信号処理部46aのLPF463から出力され、蛍光の電気信号の虚数部成分(Im成分)が、信号処理部46bのLPF463から出力される。また、LPF463から低周波信号が出力されることにより、LPF463以降の信号処理において、高周波回路よりも製作するのが容易な低周波回路を用いてフローサイトメータを構成することができる。
なお、光電変換器462に低速な受光素子を用いた場合、電気信号の高周波成分が受光素子において自ずと除去されるので、例えば、光電変換処理後に、電気信号用のフィルタを用いて電気信号の高周波成分を除去する処理を行なくてもよい。これにより、信号処理部46a,46bの部品点数を低減することができるので、結果として、フローサイトメータの製造コストを低減することができる。
信号処理部46aのA/D変換器464は、LPF463から出力された蛍光の電気信号のRe成分をデジタルデータに変換する。信号処理部46bのA/D変換器464は、LPF463から出力された蛍光信号のIm成分をデジタルデータに変換する。変換されたデジタルデータのそれぞれは、分析装置60に供給される。
The BPF 461 is a filter that is provided in front of the photoelectric converter 462 and transmits a fluorescent optical signal in a predetermined wavelength band. Thereby, stray light can be suppressed. A band reject filter may be used instead of the BPF 461.
The photoelectric converter 462 is, for example, a photodiode or a photomultiplier tube, and has a light receiving element that receives an optical signal, converts the optical signal into an electrical signal, and outputs the electrical signal. Here, the photodiode has a characteristic that the quantum efficiency is superior to that of the photomultiplier tube, but the amplification factor is inferior. For this reason, it is difficult to use a photodiode for a photoelectric converter in the conventional configuration in which fluorescence is detected using a photoelectric converter that amplifies a fluorescent light signal. On the other hand, in the present embodiment, since the fluorescent optical signal is amplified by the optical amplifiers 45a and 45b, the optical signal need not be amplified by the photoelectric converter. Thereby, in this embodiment, the photodiode which was difficult to use for the photoelectric converter in the prior art can be used for the photoelectric converter 462.
The LPF 463 removes a high frequency component having a component of an addition frequency of the frequency of the modulation signal and the frequency of the fluorescence signal from the fluorescence electric signal output from the photoelectric converter 462, and the frequency of the modulation signal and the frequency of the fluorescence signal. Is a filter for passing a low frequency component having a difference frequency as a component. As a result, the real part component (Re component) of the fluorescent electrical signal is output from the LPF 463 of the signal processing unit 46a, and the imaginary part component (Im component) of the fluorescent electrical signal is output from the LPF 463 of the signal processing unit 46b. The Further, by outputting a low-frequency signal from the LPF 463, a flow cytometer can be configured using a low-frequency circuit that is easier to manufacture than a high-frequency circuit in signal processing after the LPF 463.
Note that when a low-speed light receiving element is used for the photoelectric converter 462, the high frequency component of the electric signal is naturally removed by the light receiving element. For example, after the photoelectric conversion process, the high frequency of the electric signal is obtained using a filter for the electric signal. There is no need to perform the process of removing the components. Thereby, since the number of parts of signal processing parts 46a and 46b can be reduced, the manufacturing cost of a flow cytometer can be reduced as a result.
The A / D converter 464 of the signal processing unit 46a converts the Re component of the fluorescent electrical signal output from the LPF 463 into digital data. The A / D converter 464 of the signal processing unit 46b converts the Im component of the fluorescence signal output from the LPF 463 into digital data. Each of the converted digital data is supplied to the analysis device 60.

次に、図5を参照して、制御部50の構成について説明する。図5は、制御部50の構成の一例を示す図である。制御部50は、変調信号の変調周波数を制御する。図5に示すように、制御部50は、発振器51と、パワースプリッタ52と、アンプ(AMP)53,54と、を有している。   Next, the configuration of the control unit 50 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of the control unit 50. The control unit 50 controls the modulation frequency of the modulation signal. As shown in FIG. 5, the control unit 50 includes an oscillator 51, a power splitter 52, and amplifiers (AMP) 53 and 54.

発振器51は、所定の周波数の正弦波信号を生成し、出力する。発振器51から出力される正弦波信号は変調信号として用いられる。正弦波信号の周波数は、例えば、10〜200MHzである。
発振器51から出力された所定の周波数の正弦波信号(変調信号)は、パワースプリッタ52により、2つのアンプ53,54に分配される。アンプ53で増幅された変調信号
は、レーザ光源部20へ出力される。また、アンプ54で増幅された変調信号は、第2受光部40へ出力される。アンプ54で増幅された変調信号を第2受光部40へ出力するのは、前述したように、変調信号を、第2受光部40の光増幅器45a,45bのバイアス信号として用いるためである。
The oscillator 51 generates and outputs a sine wave signal having a predetermined frequency. The sine wave signal output from the oscillator 51 is used as a modulation signal. The frequency of the sine wave signal is, for example, 10 to 200 MHz.
A sine wave signal (modulation signal) having a predetermined frequency output from the oscillator 51 is distributed to the two amplifiers 53 and 54 by the power splitter 52. The modulation signal amplified by the amplifier 53 is output to the laser light source unit 20. The modulation signal amplified by the amplifier 54 is output to the second light receiving unit 40. The modulation signal amplified by the amplifier 54 is output to the second light receiving unit 40 because the modulation signal is used as a bias signal for the optical amplifiers 45a and 45b of the second light receiving unit 40 as described above.

次に、図6を参照して、分析装置60の構成について説明する。図6は、分析装置60の構成の一例を示す図である。分析装置60は、CPUを主体として構成されたコンピュータであり、第2受光部40の信号処理部46a,46bそれぞれから出力された電気信号を用いて、変調信号に対する蛍光の位相差を算出し、この位相差から蛍光の蛍光緩和時間を求める。分析装置60は、位相差算出部61と、蛍光緩和時間算出部62とを有している。位相差算出部61及び蛍光緩和時間算出部62は、コンピュータが実行可能なプログラムを実行することで形成されるモジュールである。
なお、分析装置60は、本発明における処理部の一例である。
Next, the configuration of the analyzer 60 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the analysis device 60. The analysis device 60 is a computer mainly composed of a CPU, and calculates the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal using the electrical signals output from the signal processing units 46a and 46b of the second light receiving unit 40, The fluorescence relaxation time of fluorescence is determined from this phase difference. The analysis device 60 includes a phase difference calculation unit 61 and a fluorescence relaxation time calculation unit 62. The phase difference calculation unit 61 and the fluorescence relaxation time calculation unit 62 are modules formed by executing a computer-executable program.
The analyzer 60 is an example of a processing unit in the present invention.

位相差算出部61は、第2受光部40の信号処理部46aから受信したRe成分のデータと、第2受光部40の信号処理部46bから受信したIm成分のデータとを用いてtan−1(Im/Re)(ImはIm成分のデータの値、ReはRe成分のデータの値である)を算出することにより、変調信号に対する蛍光の位相差θを算出する。算出された位相差θは、蛍光緩和時間算出部62に送信される。
なお、位相差算出部61は、算出された位相差θの代わりに、補正された位相差θを算出して、位相差θを蛍光緩和時間算出部62に送信してもよい。ここで、補正された位相差θは、位相差θと補正位相θ´とを用いてθ−θ´を算出することにより求められる。また、補正位相θ´は、分析装置60に設けられた記憶装置(図示省略)に予め記憶保持されており、以下のように求められる。すなわち、既知の蛍光緩和時間で蛍光を発する既知の蛍光色素を測定対象物12として、この測定対象物12の蛍光が測定される。このとき、補正された位相差θ−θ´から求められる蛍光緩和時間τが、蛍光色素の持つ既知の蛍光緩和時間に一致するように、補正位相θ´が定められる。このように、補正位相θ´は、計測結果が、既知の蛍光緩和時間に一致するように較正するための補正量である。
蛍光緩和時間算出部62は、位相差算出部61から受信した位相差θ(または、補正された位相差θ)を用いて、蛍光緩和時間τをτ=tanθ/(2πf)に従って求める。蛍光緩和時間τを、上記式に従って求めることができるのは、蛍光は、略1次遅れの緩和応答に従うからである。
The phase difference calculation unit 61 uses the Re component data received from the signal processing unit 46 a of the second light receiving unit 40 and the Im component data received from the signal processing unit 46 b of the second light receiving unit 40 to tan −1. By calculating (Im / Re) (Im is the value of the data of the Im component and Re is the value of the data of the Re component), the phase difference θ of the fluorescence with respect to the modulation signal is calculated. The calculated phase difference θ is transmitted to the fluorescence relaxation time calculation unit 62.
The phase difference calculation unit 61 may calculate the corrected phase difference θ 1 instead of the calculated phase difference θ and transmit the phase difference θ 1 to the fluorescence relaxation time calculation unit 62. Here, the corrected phase difference θ 1 is obtained by calculating θ−θ ′ using the phase difference θ and the correction phase θ ′. The correction phase θ ′ is stored and held in advance in a storage device (not shown) provided in the analysis device 60, and is obtained as follows. That is, the fluorescence of the measurement object 12 is measured using a known fluorescent dye that emits fluorescence with a known fluorescence relaxation time as the measurement object 12. At this time, the correction phase θ ′ is determined so that the fluorescence relaxation time τ obtained from the corrected phase difference θ−θ ′ matches the known fluorescence relaxation time of the fluorescent dye. Thus, the correction phase θ ′ is a correction amount for calibrating so that the measurement result matches the known fluorescence relaxation time.
The fluorescence relaxation time calculation unit 62 uses the phase difference θ received from the phase difference calculation unit 61 (or the corrected phase difference θ 1 ) to determine the fluorescence relaxation time τ according to τ = tan θ / (2πf). The reason why the fluorescence relaxation time τ can be obtained according to the above formula is that fluorescence follows a relaxation response with a substantially first-order lag.

出力部70は、例えば、表示装置やプリンタ等であり、分析装置60が算出した結果、具体的には蛍光緩和時間等を出力する。
以上が本実施形態のフローサイトメータの概略構成である。
The output unit 70 is, for example, a display device, a printer, or the like, and outputs the fluorescence relaxation time or the like as a result of calculation by the analysis device 60.
The above is the schematic configuration of the flow cytometer of the present embodiment.

(蛍光検出方法)
図7は、本実施形態の蛍光検出方法のフローの一例を説明する図である。本実施形態の蛍光検出方法は、測定対象物12にレーザ光を照射し、レーザ光が照射された測定対象物12から発せられる蛍光を受光することにより、測定対象物12の情報を取得することができる。
まず、制御部50の発振器51は、所定の周波数の正弦波信号を変調信号として生成し(ステップS1)、生成された変調信号をレーザ光源部20及び第2受光部40に供給する(ステップS2)。
(Fluorescence detection method)
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the flow of the fluorescence detection method of the present embodiment. In the fluorescence detection method of the present embodiment, information on the measurement target 12 is acquired by irradiating the measurement target 12 with laser light and receiving fluorescence emitted from the measurement target 12 irradiated with the laser light. Can do.
First, the oscillator 51 of the control unit 50 generates a sine wave signal having a predetermined frequency as a modulation signal (step S1), and supplies the generated modulation signal to the laser light source unit 20 and the second light receiving unit 40 (step S2). ).

次に、レーザ光源部20のレーザドライバ23は、制御部50から変調信号が供給されると、変調信号の変調周波数でレーザ光の強度を変調する。強度変調されたレーザ光は、レーザ光源21から出射され、フローセル10中の測定場を通過する測定対象物12にレーザ光が照射される(ステップS3)。
一方、第2受光部40の光増幅器45a,45bは、発振器51から供給された変調信号を用いたバイアス信号でバイアスされている。測定場を通過する測定対象物12にレーザ光が照射された際に発せられる蛍光が第2受光部40に受光されると、光増幅器45a,45bは、蛍光の光信号の増幅を行う(ステップS4)。これにより、変調信号に対する蛍光の位相差の情報であるRe成分を含む光信号と、変調信号に対する蛍光の位相差の情報であるIm成分を含む光信号とがそれぞれ増幅される。また、光増幅器45a,45bにて増幅された光信号は、信号処理部46a,46bにおいてデジタルデータに変換される。このとき、蛍光信号のRe成分及びIm成分のデジタルデータが出力される。
Next, when the modulation signal is supplied from the control unit 50, the laser driver 23 of the laser light source unit 20 modulates the intensity of the laser light with the modulation frequency of the modulation signal. The intensity-modulated laser light is emitted from the laser light source 21, and the measurement target 12 passing through the measurement field in the flow cell 10 is irradiated with the laser light (step S3).
On the other hand, the optical amplifiers 45 a and 45 b of the second light receiving unit 40 are biased with a bias signal using the modulation signal supplied from the oscillator 51. When the fluorescence emitted when the measurement object 12 passing through the measurement field is irradiated with the laser light is received by the second light receiving unit 40, the optical amplifiers 45a and 45b amplify the optical signal of the fluorescence (step) S4). As a result, the optical signal including the Re component, which is information on the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal, and the optical signal including the Im component, which is information on the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal, are amplified. The optical signals amplified by the optical amplifiers 45a and 45b are converted into digital data by the signal processing units 46a and 46b. At this time, digital data of the Re component and Im component of the fluorescence signal is output.

次に、分析装置60の位相差算出部61は、第2受光部40から受信したRe成分及びIm成分のデジタルデータを用いて、変調信号に対する蛍光信号の位相差θを算出する(ステップS5)。
そして、蛍光緩和時間算出部62は、位相差算出部61が算出した位相差θを用いて、蛍光緩和時間τを求める(ステップS6)。
出力部70は、求められた蛍光緩和時間τ等の情報を出力する。
Next, the phase difference calculation unit 61 of the analysis device 60 calculates the phase difference θ of the fluorescence signal with respect to the modulation signal using the digital data of the Re component and Im component received from the second light receiving unit 40 (step S5). .
And the fluorescence relaxation time calculation part 62 calculates | requires fluorescence relaxation time (tau) using the phase difference (theta) calculated by the phase difference calculation part 61 (step S6).
The output unit 70 outputs information such as the obtained fluorescence relaxation time τ.

このように、本実施形態によれば、光増幅部45a,45bを用いて蛍光の光信号を増幅しているので、蛍光の光信号が電気信号に変換される前に蛍光の光信号を増幅することができる。これにより、入射する蛍光の光子数が少ない場合であっても、蛍光の強度を高めることができるので、蛍光の光信号が電気信号に変換された後に、蛍光の電気信号が他の電気信号に埋もれて抽出困難となり、またノイズとして除去される可能性を低減することができる。したがって、蛍光の強度が低い場合であっても、蛍光を検出することができ、ひいては精度の高い蛍光緩和時間を取得することができる。
また、変調信号を用いたバイアス信号でバイアスされた光増幅部45a,45bが蛍光の光信号を増幅することにより、蛍光の光信号とバイアス信号とがミキシングされる。このため、例えば、電気信号を混合するためのミキサー等の混合器を設ける必要がない。したがって、光信号を増幅するための装置と、混合器とを個別に設ける必要がないので、部品点数を低減することができ、フローサイトメータの製造コストを低減することができる。
As described above, according to this embodiment, since the fluorescence optical signal is amplified using the optical amplifying units 45a and 45b, the fluorescence optical signal is amplified before the fluorescence optical signal is converted into an electrical signal. can do. Thereby, even when the number of incident fluorescence photons is small, the intensity of the fluorescence can be increased. Therefore, after the fluorescence optical signal is converted into an electrical signal, the fluorescence electrical signal is converted into another electrical signal. Extraction is difficult due to being buried, and the possibility of being removed as noise can be reduced. Therefore, even when the intensity of the fluorescence is low, the fluorescence can be detected, and thus a highly accurate fluorescence relaxation time can be acquired.
Further, the optical amplifiers 45a and 45b biased by the bias signal using the modulation signal amplify the fluorescent optical signal, whereby the fluorescent optical signal and the bias signal are mixed. For this reason, for example, it is not necessary to provide a mixer such as a mixer for mixing electric signals. Therefore, it is not necessary to separately provide an apparatus for amplifying an optical signal and a mixer, so that the number of parts can be reduced and the manufacturing cost of the flow cytometer can be reduced.

(変形例)
図8を参照して、上記実施形態の変形例について説明する。図8は、図3に示した第2受光部の変形例を説明する図である。
上記実施形態では、蛍光の光信号を2つに分配して光増幅器45a,46bに入射することにより、蛍光の位相差のRe成分を含む光信号が光増幅器45aから出力され、蛍光の位相差のIm成分を含む光信号が光増幅器45bから出力されるように構成されている。本変形例では、図8に示すように、蛍光の光信号を1つの光増幅器45aに入射するように構成した点において上記実施形態と異なる。
本変形例の光増幅器45aは、位相シフタ49を介して制御部50と電気的に接続されている。位相シフタ49は、制御部50から受信した変調信号を光増幅器45aに送信する。また、位相シフタ49は、所定時間(例えば数マイクロ秒)経過する毎に制御部50から所定の制御信号を受信すると、変調信号の位相を切替えて光増幅器45aに送信する。具体的には、位相シフタ49は、制御部50から送信された変調信号と同相の正弦波信号を光増幅器45aに送信し、制御部50から制御信号を受信すると、制御部50から送信された変調信号に対して90度位相シフトした余弦信号を光増幅器45aに送信する。
これにより、蛍光の位相差のRe成分を含む光信号と、蛍光の位相差のIm成分を含む光信号とを、1つの光増幅器45aから出力することができる。
また、本変形例では、蛍光の光信号を2つに分配する必要がないので、上記実施形態のハーフミラー43、BPF44b、光増幅器45b、信号処理部46b、パワースプリッタ47を設ける必要がない。このため、部品点数を低減して、フローサイトメータの製造コストを低減することができる。
(Modification)
A modification of the above embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating a modification of the second light receiving unit illustrated in FIG. 3.
In the above embodiment, the fluorescence optical signal is divided into two and incident on the optical amplifiers 45a and 46b, whereby an optical signal including the Re component of the fluorescence phase difference is output from the optical amplifier 45a, and the fluorescence phase difference is obtained. The optical signal including the Im component is output from the optical amplifier 45b. As shown in FIG. 8, the present modification is different from the above-described embodiment in that a fluorescent light signal is configured to enter one optical amplifier 45a.
The optical amplifier 45 a of this modification is electrically connected to the control unit 50 via the phase shifter 49. The phase shifter 49 transmits the modulation signal received from the control unit 50 to the optical amplifier 45a. When the phase shifter 49 receives a predetermined control signal from the control unit 50 every time a predetermined time (for example, several microseconds) elapses, the phase shifter 49 switches the phase of the modulation signal and transmits it to the optical amplifier 45a. Specifically, the phase shifter 49 transmits a sine wave signal having the same phase as the modulation signal transmitted from the control unit 50 to the optical amplifier 45a, and receives the control signal from the control unit 50. A cosine signal shifted by 90 degrees with respect to the modulation signal is transmitted to the optical amplifier 45a.
Thereby, an optical signal including the Re component of the fluorescence phase difference and an optical signal including the Im component of the fluorescence phase difference can be output from one optical amplifier 45a.
In this modification, since it is not necessary to distribute the fluorescence optical signal into two, it is not necessary to provide the half mirror 43, the BPF 44b, the optical amplifier 45b, the signal processing unit 46b, and the power splitter 47 of the above embodiment. For this reason, the number of parts can be reduced and the manufacturing cost of the flow cytometer can be reduced.

(第2実施形態)
以下に、第2実施形態の蛍光検出装置及び蛍光検出方法を適用したフローサイトメータについて説明する。第2実施形態のフローサイトメータの構成は、第1実施形態のフローサイトメータの構成とほぼ同じである。第2実施形態のフローサイトメータが第1実施形態のフローサイトメータと異なる点は、信号値が符号化された信号(符号化系列信号)を、レーザ光を強度変調するための変調信号及びバイアス信号として用いる点にある。具体的には、本実施形態の発振器51の構成が、第1実形態の発振器51の構成と異なっている。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a flow cytometer to which the fluorescence detection device and the fluorescence detection method of the second embodiment are applied will be described. The configuration of the flow cytometer of the second embodiment is substantially the same as the configuration of the flow cytometer of the first embodiment. The flow cytometer of the second embodiment is different from the flow cytometer of the first embodiment in that a signal (encoded sequence signal) in which a signal value is encoded is modulated signal and bias for intensity-modulating laser light. It is used as a signal. Specifically, the configuration of the oscillator 51 of the present embodiment is different from the configuration of the oscillator 51 of the first embodiment.

図9を参照して、本実施形態の発振器51の構成について説明する。図9は、第2実施形態のフローサイトメータに含まれる発振器51の構成の一例を説明する図である。
発振器51は、所定の符号化系列信号を生成し、この符号化系列信号を、アンプ53,54に供給する。発振器51は、変調信号としてレーザ光源部20に供給される符号化系列信号の生成と、光増幅器45a,45bのバイアス信号として第2受光部40に供給される符号化系列信号の生成を繰り返し行う。
なお、符号化系列信号として、信号値が所定長さで符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成された信号が用いられる。ビット方向とは、信号値の配列方向をいう。このような符号化系列信号として、例えば、PN符号化系列信号が好適に用いられる。PN符号化系列信号は、M系列あるいはGold系列の符号を用いた信号であることが好ましく、特に、M系列が後述する相関特性の点で好ましい。
なお、M系列とは、発振器20が、シフトレジスタ符号発生器を有し、このシフトレジスタ符号発生器は、m段(mは自然数)のシフトレジスタと、シフトレジスタの各段の状態の論理結合をシフトレジスタの入力へフィードバックする論理回路とで構成されるとき、信号長さLが2m−1で表されたものをいう。Gold系列は、2つのM系列を、同期してビットごとに加算したものである。従って2つの符号発生器の位相関係は不変であり、生成される系列の長さはもとになる系列の長さと同じ長さであるが、M系列にはならないものである。
With reference to FIG. 9, the structure of the oscillator 51 of this embodiment is demonstrated. FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the configuration of the oscillator 51 included in the flow cytometer of the second embodiment.
The oscillator 51 generates a predetermined encoded sequence signal and supplies the encoded sequence signal to the amplifiers 53 and 54. The oscillator 51 repeatedly generates an encoded sequence signal supplied to the laser light source unit 20 as a modulation signal and an encoded sequence signal supplied to the second light receiving unit 40 as a bias signal for the optical amplifiers 45a and 45b. .
Note that, as an encoded sequence signal, a signal whose signal value is encoded with a predetermined length, and the signal before the shift and the signal after the shift are substantially orthogonal to each other by shifting in the bit direction in the bit unit. A signal configured as described above is used. The bit direction refers to the arrangement direction of signal values. As such an encoded sequence signal, for example, a PN encoded sequence signal is preferably used. The PN encoded sequence signal is preferably a signal using an M-sequence or Gold sequence code, and the M-sequence is particularly preferable in terms of correlation characteristics described later.
In the M series, the oscillator 20 has a shift register code generator, which is an m-stage (m is a natural number) shift register and a logical combination of the states of each stage of the shift register. Is a signal whose length L is expressed by 2m−1. The Gold sequence is obtained by adding two M sequences in synchronization for each bit. Therefore, the phase relationship between the two code generators is invariant, and the length of the generated sequence is the same as the length of the original sequence, but does not become an M sequence.

PN符号化系列信号は、値が0および1からなる1ビット信号で、ビット方向にビット単位でシフトすることによってできる自己相関関数の値が0又は−1/n(nは後述する系列符号の長さ)となる信号である。
PN符号化系列信号は、一例を挙げると以下のように作成されるPN系列符号のデータを用いて信号化したものである。
次数k=5、符号系列の長さn=31とし、係数h=1,h=1,h=0,h=1,h=1とし、初期値a=1,a=1,a=0,a=1,a=0としたとき下記式(15)に示す漸化式で一意的にPN系列符号C={a}(kは自然数)を求めることができる。
The PN encoded sequence signal is a 1-bit signal having a value of 0 and 1, and the value of the autocorrelation function that can be shifted by the bit unit in the bit direction is 0 or -1 / n (n is a sequence code described later) Signal).
For example, the PN encoded sequence signal is a signal generated using data of a PN sequence code created as follows.
The order k = 5, the length of the code sequence n = 31, the coefficients h 1 = 1, h 2 = 1, h 3 = 0, h 4 = 1, h 5 = 1, and the initial values a 0 = 1, a When 1 = 1, a 2 = 0, a 3 = 1, and a 4 = 0, the PN sequence code C = {a k } (k is a natural number) is uniquely determined by the recurrence formula shown in the following formula (15). Can be sought.

Figure 0005654509
Figure 0005654509

さらに、系列符号C={a,a,a,………,an−1}を用いて基準となる符号化系列信号を生成するとともに、さらにこの系列符号Cをq1ビット、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Tq1・C(Tq1は、ビット方向にq1ビット、ビットシフトする作用素である)を用いて符号化系列信号を生成する。ここで、系列符号Tq1・Cは、{aq1,aq1+1,aq1+2,………,aq1+N−1}である。さらに、系列符号Cをq2ビット(例えば、q2=2×q1)、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Tq2・Cを用いて符号化系列信号を生成する。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号C,Tq1・C,Tq2・Cは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。
Further, a reference encoded sequence signal is generated using a sequence code C = {a 0 , a 1 , a 2 ,..., A n−1 }, and this sequence code C is further converted into q1 bits and bits. An encoded sequence signal is generated using a sequence code T q1 · C bit-shifted in the direction (T q1 is an operator that bit-shifts q1 bits in the bit direction). Here, the sequence code T q1 · C is {a q1 , a q1 + 1 , a q1 + 2 ,..., A q1 + N−1 }. Further, a coded sequence signal is generated using a sequence code T q2 · C obtained by shifting the sequence code C by q2 bits (eg, q2 = 2 × q1) and bit-shifting in the bit direction.
Since the sequence codes C, T q1 · C and T q2 · C used to generate the encoded sequence signal have characteristics that are orthogonal to each other, the generated encoded sequence signals also have a property to be orthogonal to each other.

具体的に説明すると、長さnの系列符号をC={b,b,b,………,bn−1}とし、上記作用素Tを系列符号Cに作用させた系列符号をC´=T・C、すなわちC´={b,bq+1,bq+2,………,bq+n−1}としたとき、系列符号CとC´との間の相関関数Rcc´(q)は下記式(16)のように定義される。ここで、Nは系列符号における項bと項bq+i(iは0以上n−1以下の整数)の値が一致する数であり、Nは系列符号における項bと項bq+iの値の不一致の数である。また、NとNの和は系列符号長さnとなる(N+N=n)。ここで、iとq+iはmod(n)で考える。 More specifically, a sequence code of length n is C = {b 0 , b 1 , b 2 ,..., B n−1 }, and a sequence code in which the operator T q is applied to the sequence code C. Is C ′ = T q · C, that is, C ′ = {b q , b q + 1 , b q + 2 ,..., B q + n−1 }, the correlation function R cc between the sequence codes C and C ′. (Q) is defined as in the following formula (16). Here, N A is a number in which the values of the term b i and the term b q + i (i is an integer between 0 and n−1) in the sequence code match, and N D is the term b i and the term b q + i in the sequence code. Is the number of mismatches in the value of. Further, the sum of N A and N D is the sequence code length n (N A + N D = n). Here, i and q + i are considered as mod (n).

Figure 0005654509
Figure 0005654509

上記PN符号化系列において2つの系列を項毎にmod(2)で加算した結果はもとのPN系列符号を巡回シフトしたPN系列符号になる性質があり、PN系列符号の値が0となる個数は値が1となる個数より1つだけ少ないので、N−N=−1となる。これより、PN系列符号において下記式(17)および(18)に示す値となる。 In the PN encoded sequence, the result of adding two sequences by mod (2) for each term has a property of becoming a PN sequence code obtained by cyclically shifting the original PN sequence code, and the value of the PN sequence code is 0. Since the number is one less than the number where the value is 1, N A −N D = −1. Thus, the values shown in the following equations (17) and (18) are obtained in the PN sequence code.

Figure 0005654509
Figure 0005654509

Figure 0005654509
Figure 0005654509

上記式(17)より、ビットシフト量が0、すなわちq=0(mod(n))の場合、式(17)に示すようにRcc´(q)の値は1となり自己相関性を有する。一方、ビットシフト量が0でない、すなわちq≠0(mod(n))の場合、式(18)に示すようにRcc´(q)の値は−1/nとなる。ここで系列符号長さnを大きくすることにより、Rcc´(q)(q≠0)の値は0に近づく。
すなわち、系列符号CとC´は自己相関性を持ち、かつ略直交性を有するといえる。
このようなPN系列符号の値を0,1として時系列信号としたのがPN符号化系列信号である。
発振器51は、このようなPN符号化系列信号を生成する。
From the above equation (17), when the bit shift amount is 0, that is, q = 0 (mod (n)), the value of R cc ′ (q) is 1 as shown in equation (17), and there is autocorrelation. . On the other hand, when the bit shift amount is not 0, that is, q ≠ 0 (mod (n)), the value of R cc ′ (q) is −1 / n as shown in Expression (18). Here, by increasing the sequence code length n, the value of R cc ′ (q) (q ≠ 0) approaches zero.
That is, it can be said that the sequence codes C and C ′ have autocorrelation and substantially orthogonality.
A PN coded sequence signal is a time series signal with such PN sequence code values of 0 and 1.
The oscillator 51 generates such a PN encoded sequence signal.

次に、本実施形態の発振器51の構成について、図9を参照して説明する。変調信号に対する蛍光の位相差θの分解能を高めるためには、符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtを極めて狭くする必要がある。すなわち、上記PN符号化系列信号の1ビットシフトする時間幅が小さくなるようにする必要がある。このため、発振器51は、高速の符号化系列信号を発振させる必要があることから、図9に示すように、FPGA(Field Programmable Gate Array)51a、パラレル・シリアル(P/S)変換器51b,51c、同期信号分割器51d,51e、クロック信号発生器51fを用いて構成することが好ましい。
パラレル・シリアル変換器51b,51cを用いるのは、符号化系列信号を高速化させるためである。また、クロック信号発生器51fを用いるのは、パラレル・シリアル変換器51b,51cのシリアル信号として生成され、アンプ53及びアンプ54に送られる2つの符号化系列信号を同期あるいは遅延時間を制御するためである。同期あるいは遅延時間を制御するのは、光増幅器45a,45bを用いた増幅処理のとき、アンプ54に送られる符号化系列信号が、光増幅器45a,45bにて蛍光の光信号とミキシングされることにより、光増幅器45a,45bに入射する蛍光の光信号との間で相関関数を作成するためである。なお、光増幅器45a,45bに入射する蛍光の光信号は、アンプ53に送られる符号化系列信号によって変調されている。
発振器51は、分析装置60からのパルス信号、あるいは図示されない制御装置からのパルス信号、に応じて、符号化系列信号を繰り返し生成する。
Next, the configuration of the oscillator 51 of the present embodiment will be described with reference to FIG. In order to increase the resolution of the fluorescence phase difference θ with respect to the modulation signal, it is necessary to extremely narrow the time interval Δt between the data of the encoded sequence signals. That is, it is necessary to reduce the time width for shifting the PN coded sequence signal by 1 bit. Therefore, since the oscillator 51 needs to oscillate a high-speed encoded sequence signal, as shown in FIG. 9, an FPGA (Field Programmable Gate Array) 51a, a parallel-serial (P / S) converter 51b, It is preferable to use 51c, synchronous signal dividers 51d and 51e, and a clock signal generator 51f.
The reason why the parallel / serial converters 51b and 51c are used is to speed up the encoded sequence signal. The clock signal generator 51f is used to control the synchronization or delay time of two encoded series signals generated as serial signals of the parallel / serial converters 51b and 51c and sent to the amplifier 53 and the amplifier 54. It is. The synchronization or delay time is controlled by the fact that the encoded sequence signal sent to the amplifier 54 is mixed with the fluorescent optical signal by the optical amplifiers 45a and 45b in the amplification process using the optical amplifiers 45a and 45b. Thus, a correlation function is created between the optical signals of the fluorescence incident on the optical amplifiers 45a and 45b. The fluorescent optical signal incident on the optical amplifiers 45 a and 45 b is modulated by an encoded sequence signal sent to the amplifier 53.
The oscillator 51 repeatedly generates an encoded sequence signal according to a pulse signal from the analysis device 60 or a pulse signal from a control device (not shown).

バイアス信号として光増幅器45a,45bに供給される符号化系列信号は、発振器51で繰り返し生成され、しかも、生成されるタイミングが、符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtずつ、すなわち、符号化系列信号の1ビットずつ、ビット方向にシフトしている。このときのシフトによる遅延は、変調信号としてレーザ光源部20に供給される符号化系列信号の生成のタイミングを基準とした遅延である。
光増幅器45a,45bでの増幅時におけるミキシングでは、遅延した符号化系列信号をa(t+Δ)とし、入射光(蛍光)の光信号をb(t)としたとき、a(t+Δ)×b(t)の演算を行う。ここでΔは、遅延時間であり、Δ=k・Δt(kは自然数であり、データポイント上の1ビットのシフト量を表す)である。
The encoded sequence signal supplied to the optical amplifiers 45a and 45b as a bias signal is repeatedly generated by the oscillator 51, and the generated timing is the time interval Δt between the encoded sequence signal data, that is, encoded. Each bit of the sequence signal is shifted in the bit direction. The delay due to the shift at this time is a delay based on the generation timing of the encoded sequence signal supplied to the laser light source unit 20 as a modulation signal.
In the mixing at the time of amplification by the optical amplifiers 45a and 45b, when the delayed encoded series signal is a (t + Δ) and the optical signal of the incident light (fluorescence) is b (t), a (t + Δ) × b ( t) is calculated. Here, Δ is a delay time, and Δ = k · Δt (k is a natural number and represents a shift amount of 1 bit on the data point).

信号処理部46a,46bそれぞれのLPF463は、光増幅器45a,45bにてミキシングされた蛍光の信号のうち、符号化系列信号に応じて設定される周波数をカットオフ周波数として高周波成分の信号成分を除去して、低周波成分の信号を通過させる。   The LPF 463 of each of the signal processing units 46a and 46b removes the signal component of the high frequency component from the fluorescence signal mixed by the optical amplifiers 45a and 45b with the frequency set according to the encoded sequence signal as a cutoff frequency. Then, the low frequency component signal is passed.

分析装置60の位相差算出部61は、発振器51で繰り返し生成される符号化系列信号の生成のタイミングに同期して、上記低周波成分の信号を、符号化系列信号の1周期の時間、積算する。これにより、遅延時間Δにおける相関関数の値を求めることができる。この遅延時間Δが順次変更されることにより、相関関数を求めることができる。
また、位相差算出部61は、符号化系列信号の1周期の時間のうち相関関数の値が最大となる遅延時間Δを求め、求められた遅延時間Δを用いて2πf・Δ(fは変調周波数の値である)を算出することにより、変調信号に対する蛍光の位相差θを算出する。なお、位相差算出部61において求められる相関関数は、回路の帯域が無限大である場合、自己相関関数となる。
蛍光緩和時間算出部62は、位相差算出部61から受信した位相差θを用いて、蛍光緩和時間τをτ=tanθ/(2πf)に従って求める。
The phase difference calculation unit 61 of the analysis device 60 integrates the low-frequency component signal for one cycle of the encoded sequence signal in synchronization with the generation timing of the encoded sequence signal repeatedly generated by the oscillator 51. To do. Thereby, the value of the correlation function in the delay time Δ can be obtained. By sequentially changing the delay time Δ, a correlation function can be obtained.
Further, the phase difference calculation unit 61 obtains a delay time Δ 1 that maximizes the value of the correlation function in one period of the encoded sequence signal, and uses the obtained delay time Δ 1 to obtain 2πf · Δ 1 ( f is the value of the modulation frequency) to calculate the fluorescence phase difference θ with respect to the modulation signal. The correlation function obtained by the phase difference calculation unit 61 is an autocorrelation function when the circuit band is infinite.
The fluorescence relaxation time calculation unit 62 uses the phase difference θ received from the phase difference calculation unit 61 to determine the fluorescence relaxation time τ according to τ = tan θ / (2πf).

このように、本実施形態によれば、変調信号が、信号値が符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成された信号である。このため、位相差算出部61にて相関関数が求められるとき、相関がない状態では、近似的に値が0になる。このため、蛍光の遅延時間を示す相関関数のピーク位置が明確に形成される。したがって、蛍光の位相差θを精度良く求めることができ、精度の高い蛍光緩和時間を取得することができる。   Thus, according to the present embodiment, the modulation signal is a signal in which the signal value is encoded, and the signal before the shift and the signal after the shift are mutually shifted by shifting in the bit direction in the bit direction. The signal is configured to be substantially orthogonal. For this reason, when the correlation function is obtained by the phase difference calculation unit 61, the value is approximately 0 in a state where there is no correlation. For this reason, the peak position of the correlation function indicating the fluorescence delay time is clearly formed. Therefore, the fluorescence phase difference θ can be obtained with high accuracy, and a highly accurate fluorescence relaxation time can be obtained.

なお、相関関数のSN比を高めることにより、遅延時間Δを求めやすくするためには、相関関数の最大値以外の値(=−1/n)が0に近くなる、すなわち近似的に直交性を実現する(略直交する)ことが必要である。このためには、符号化系列信号の1周期のデータ数nを大きくする必要がある。しかし、データ数nを大きくすることにより、1周期に対応する時間T(=n・Δt)が増大し、相関関数を0〜Tの遅延時間の範囲で算出するには多くの計算時間を要する。
したがって、符号化系列信号を用いて蛍光検出を行う場合、測定場における測定対象物12の滞在時間を長くすることが好ましく、例えば、蛍光顕微鏡に本実施形態の蛍光検出装置及び蛍光検出方法を適用することが好ましい。
Incidentally, by increasing the SN ratio of the correlation function, in order to facilitate seeking a delay time delta 1, the value other than the maximum value of the correlation function (= -1 / n) is close to 0, i.e. approximately orthogonal It is necessary to realize the property (substantially orthogonal). For this purpose, it is necessary to increase the number of data n in one cycle of the encoded sequence signal. However, by increasing the number of data n, the time T (= n · Δt) corresponding to one cycle increases, and it takes a lot of calculation time to calculate the correlation function in the range of 0 to T delay time. .
Therefore, when fluorescence detection is performed using an encoded sequence signal, it is preferable to increase the residence time of the measurement object 12 in the measurement field. For example, the fluorescence detection apparatus and the fluorescence detection method of the present embodiment are applied to a fluorescence microscope. It is preferable to do.

以上、本発明の蛍光検出装置及び蛍光検出方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および変形例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the fluorescence detection apparatus and the fluorescence detection method of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course.

10 フローセル
12 測定対象物
20 レーザ光源部
30 第1受光部
40 第2受光部
45a,45b 光増幅器
50 制御部
51 発振器
60 分析装置
61 位相差算出部
62 蛍光緩和時間算出部
70 出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow cell 12 Measurement object 20 Laser light source part 30 1st light-receiving part 40 2nd light-receiving part 45a, 45b Optical amplifier 50 Control part 51 Oscillator 60 Analyzer 61 Phase difference calculation part 62 Fluorescence relaxation time calculation part 70 Output part

Claims (3)

測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出装置であって、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するレーザ光源部と、
前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を2つに分けて第1の光信号と第2の光信号にする光学素子と、前記レーザ光を強度変調するための変調信号と同相の信号を用いたバイアス信号で第1の誘導放出を行うことにより、前記第1の光信号の増幅を行う第1の光増幅器と、前記レーザ光を強度変調するための変調信号に対して90度位相シフトした信号を用いたバイアス信号で第2の誘導放出を行うことにより、前記第2の光信号の増幅を行う第2の光増幅器と、前記第1の光信号を受光し、第1の電気信号を出力する第1の受光素子と、前記第2の光信号を受光し、第2の電気信号を出力する第2の受光素子と、を備える受光部と、
前記受光部から出力された前記第1の電気信号及び前記第2の電気信号を用いて、前記変調信号に対する前記蛍光の位相差を算出し、前記位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求める処理部と、を有する、
ことを特徴とする蛍光検出装置。
A fluorescence detection device that detects fluorescence emitted when a measurement object is irradiated with laser light,
A laser light source unit for irradiating the measurement object with intensity-modulated laser light;
An optical element that divides a fluorescent optical signal emitted when the laser beam is irradiated onto the measurement object into two, and converts the intensity of the laser light into a first optical signal and a second optical signal; A first optical amplifier that amplifies the first optical signal by performing a first stimulated emission with a bias signal using a signal in phase with the modulation signal of the first modulation signal, and a modulation for intensity-modulating the laser light A second optical amplifier that amplifies the second optical signal by performing second stimulated emission with a bias signal using a signal that is phase-shifted by 90 degrees with respect to the signal; and A light receiving unit comprising: a first light receiving element that receives light and outputs a first electric signal; and a second light receiving element that receives the second optical signal and outputs a second electric signal;
A process of calculating a phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal using the first electric signal and the second electric signal output from the light receiving unit, and obtaining a fluorescence relaxation time of the fluorescence from the phase difference And having a part,
A fluorescence detection apparatus characterized by the above.
前記光増幅器は、前記変調信号に対する前記蛍光の位相差の情報を含む光信号を出力する、請求項に記載の蛍光検出装置。 The fluorescence detection apparatus according to claim 1 , wherein the optical amplifier outputs an optical signal including information on a phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal. 測定対象物にレーザ光を照射したときに発せられる蛍光を検出する蛍光検出方法であって、
強度変調したレーザ光を前記測定対象物に照射するステップと、
前記測定対象物に前記レーザ光を照射したときに発せられる蛍光の光信号を2つに分けて第1の光信号と第2の光信号にするステップと、
前記レーザ光を強度変調するための変調信号を用いたバイアス信号で第1の誘導放出を行うことにより、前記第1の光信号の増幅を行うステップと、
前記レーザ光を強度変調するための変調信号に対して90度位相シフトした信号を用いたバイアス信号で第2の誘導放出を行うことにより、前記第2の光信号の増幅を行うステップと、
前記第1の誘導放出を行って得られる第1の光信号を受光して第1の電気信号を出力するステップと、
前記第2の誘導放出を行って得られる第2の光信号を受光して第2の電気信号を出力するステップと、
出力された前記第1の電気信号及び前記第2の電気信号を用いて、前記変調信号に対する前記蛍光の位相差を算出し、前記位相差から前記蛍光の蛍光緩和時間を求めるステップと、を有する、
ことを特徴とする蛍光検出方法。
A fluorescence detection method for detecting fluorescence emitted when a measurement object is irradiated with laser light,
Irradiating the measurement object with intensity-modulated laser light; and
Dividing the fluorescence optical signal emitted when the measurement object is irradiated with the laser light into two to be a first optical signal and a second optical signal;
Amplifying the first optical signal by performing first stimulated emission with a bias signal using a modulation signal for intensity-modulating the laser light;
Amplifying the second optical signal by performing second stimulated emission with a bias signal using a signal phase-shifted by 90 degrees with respect to a modulation signal for intensity-modulating the laser light;
Receiving a first optical signal obtained by performing the first stimulated emission and outputting a first electrical signal;
Receiving a second optical signal obtained by performing the second stimulated emission and outputting a second electrical signal; and
Calculating the phase difference of the fluorescence with respect to the modulation signal using the output first electric signal and the second electric signal, and obtaining the fluorescence relaxation time of the fluorescence from the phase difference. ,
A fluorescence detection method characterized by that.
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