JP6923161B2 - Sample analyzer - Google Patents

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本発明は、試料分析装置に関するものである。 The present invention relates to a sample analyzer.

超解像顕微鏡として、例えば、少なくとも2以上の励起量子状態をもつ分子を含む試料を、回折限界を超える高い空間分解能で観察可能な超解像蛍光顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。 As a super-resolution microscope, for example, a super-resolution fluorescence microscope capable of observing a sample containing molecules having at least two or more excited quantum states with high spatial resolution exceeding the diffraction limit is known (for example, Patent Document 1). , 2).

特許文献1、2に開示の超解像蛍光顕微鏡は、試料中の分子を安定状態、例えば基底状態から第1量子状態に励起するためのポンプ光と、分子をさらに他の量子状態に遷移させるためのイレース光とを一組として、回折限界以下に収縮した蛍光スポットにより試料面を空間走査する。そして、各計測点の蛍光信号をコンピュータ上で2次元的に配列して画像処理することにより、回折限界の空間分解能を上回る解像度を有する蛍光画像を得ている。 The super-resolution fluorescence microscope disclosed in Patent Documents 1 and 2 uses pump light for exciting a molecule in a sample from a stable state, for example, a ground state to a first quantum state, and transitions the molecule to another quantum state. The sample surface is spatially scanned by a fluorescence spot that has shrunk below the diffraction limit as a set with the erased light for the purpose. Then, by arranging the fluorescence signals of each measurement point two-dimensionally on a computer and performing image processing, a fluorescence image having a resolution exceeding the spatial resolution of the diffraction limit is obtained.

その代表例として、蛍光色素分子を含む試料にポンプ光を照射して、蛍光色素分子を第1量子状態に励起する。さらに、試料にイレース光を照射して蛍光色素分子を他の量子状態に強制遷移させることで、第1量子状態の分子をクエンチする。その結果として、第1量子状態からの蛍光緩和を抑制する。対物レンズによりポンプ光と中空状のイレース光とを試料に同時に照射すれば、蛍光色素で染色された試料面に形成される蛍光スポットは、中心部を残し回折限界以下に収縮される。したがって、集光したポンプ光とイレース光とで試料を空間走査し、生成される蛍光スポット用いてコンピュータ上で画像化すれば、回折限界を上回る解像度をもつ観察画像を得ることができる。 As a typical example, a sample containing a fluorescent dye molecule is irradiated with pump light to excite the fluorescent dye molecule to the first quantum state. Further, the sample is irradiated with erase light to forcibly transition the fluorescent dye molecule to another quantum state, thereby quenching the molecule in the first quantum state. As a result, fluorescence relaxation from the first quantum state is suppressed. When the sample is simultaneously irradiated with the pump light and the hollow erase light by the objective lens, the fluorescent spots formed on the sample surface stained with the fluorescent dye are shrunk below the diffraction limit, leaving the central portion. Therefore, if the sample is spatially scanned with the focused pump light and erased light and imaged on a computer using the generated fluorescent spots, an observed image having a resolution exceeding the diffraction limit can be obtained.

特に、輪帯型の位相板、すなわちビーム中央の輪帯領域で位相反転できる位相板を通過したイレース光を集光すると、3次元的な中空をもつパターンが得られる。したがって、このような蛍光スポットを用いて試料を走査すれば、蛍光スポットが3次元的に収縮するので、3次元的に回折限界を上回る解像度を有する観察画像が得られる。 In particular, when the erased light that has passed through the ring-shaped phase plate, that is, the phase plate capable of phase inversion in the ring-shaped region at the center of the beam is focused, a pattern having a three-dimensional hollow can be obtained. Therefore, when the sample is scanned using such a fluorescent spot, the fluorescent spot contracts three-dimensionally, so that an observed image having a resolution exceeding the diffraction limit three-dimensionally can be obtained.

超解像蛍光顕微鏡は、他の分析方法、例えば蛍光相関法にも応用されている。蛍光相関法とは、溶液中の蛍光性の分子に励起光を集光し、試料から発光する蛍光強度に関して時間分解計測を行い、その強度の時間領域における相関関数を解析する手法である。 Super-resolution fluorescence microscopy has also been applied to other analytical methods, such as fluorescence correlation. The fluorescence correlation method is a method in which excitation light is focused on fluorescent molecules in a solution, time-resolved measurement is performed on the fluorescence intensity emitted from a sample, and the correlation function in the time domain of the intensity is analyzed.

蛍光相関法では、励起光の集光スポット、すなわち蛍光スポット内に存在する分子の量、拡散速度、溶液の粘度等の多角的な物理情報が得られるので、細胞内における代謝現象の解明などに貢献することができる。特に、超解像蛍光顕微鏡を用いると蛍光スポットの空間サイズが小さくなるので、より空間精度が高い分析ができる(例えば、特許文献3参照)。 In the fluorescence correlation method, multifaceted physical information such as the amount of molecules present in the focused spot of excitation light, that is, the amount of molecules present in the fluorescent spot, the diffusion rate, and the viscosity of the solution can be obtained. Can contribute. In particular, when a super-resolution fluorescence microscope is used, the spatial size of the fluorescent spot becomes smaller, so that analysis with higher spatial accuracy can be performed (see, for example, Patent Document 3).

特開2001−100102号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-100102 特開2010−15026号公報JP-A-2010-15026 特開2005−121432号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-121432

超解像蛍光顕微鏡は、極めて高い空間分解能を提供できる分析システムであるが、蛍光色素分子を染色する必要がある。そのため、特に生きた生物試料を観察する場合は、色素分子がその代謝現象などに影響を与えてしまい、生物試料の本来の生命現象を捉えることができない場合がある。 Super-resolution fluorescence microscopy is an analytical system that can provide extremely high spatial resolution, but it requires staining fluorescent dye molecules. Therefore, especially when observing a living biological sample, the dye molecule may affect the metabolic phenomenon and the like, and it may not be possible to capture the original biological phenomenon of the biological sample.

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、試料を非染色で回折限界を上回る空間分解能で分析可能な試料分析装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made in view of such a viewpoint is to provide a sample analyzer capable of analyzing a sample with unstained and spatial resolution exceeding the diffraction limit.

上記目的を達成する本発明に係る試料分析装置は、
対物レンズを経て波長の異なる複数の照明光の少なくとも一部を空間的及び時間的に重畳して試料に照射する照明部と、
前記複数の照明光の前記試料への照射に起因して、該試料から発生する信号光を検出する検出部と、
前記検出部の出力の時間領域における相関関数を演算する演算部と、を備え、
前記複数の照明光は、少なくとも1つの照明光が他の照明光と波面又は偏光分布が異なるものであり、
前記検出部は、前記試料から発生する前記複数の照明光とは異なる波長の前方散乱光を前記信号光として検出する。
The sample analyzer according to the present invention that achieves the above object is
An illumination unit that spatially and temporally superimposes at least a part of a plurality of illumination lights having different wavelengths through an objective lens to irradiate the sample.
A detection unit that detects signal light generated from the sample due to irradiation of the sample with the plurality of illumination lights, and a detection unit.
A calculation unit that calculates a correlation function in the time domain of the output of the detection unit is provided.
In the plurality of illumination lights, at least one illumination light has a different wave surface or polarization distribution from the other illumination lights.
The detection unit detects forward scattered light having a wavelength different from that of the plurality of illumination lights generated from the sample as the signal light.

前記少なくとも1つの照明光は、前記対物レンズの集光面における強度分布に極小値を有するとよい。 The at least one illumination light may have a minimum value in the intensity distribution on the condensing surface of the objective lens.

前記他の照明光は、前記集光面における強度分布に極大値を有するとよい。 The other illumination light may have a maximum value in the intensity distribution on the condensing surface.

前記複数の照明光は、それぞれコヒーレント光であるとよい。 The plurality of illumination lights may be coherent lights, respectively.

前記極小値と前記極大値とが前記集光面において同軸で重なるとよい。 It is preferable that the minimum value and the maximum value are coaxially overlapped on the condensing surface.

前記前方散乱光は、非線形光学過程で発生するものであるとよい。 The forward scattered light is preferably generated in a nonlinear optical process.

前記非線形光学過程は、非線形ラマン過程、二次又は三次和周波発生過程、二次又は三次差周波発生過程であるとよい。 The nonlinear optical process may be a nonlinear Raman process, a second-order or third-order sum frequency generation process, or a second-order or third-order difference frequency generation process.

前記複数の照明光は、前記試料に同時に照射される照射時間帯を有するパルス光であるとよい。 The plurality of illumination lights may be pulsed lights having an irradiation time zone in which the sample is simultaneously irradiated.

前記少なくとも1つの照明光は、前記他の照明光よりもパルス幅が長いとよい。 The at least one illumination light may have a longer pulse width than the other illumination light.

前記少なくとも1つの照明光のパルス幅は、前記検出器の応答時間より短いとよい。 The pulse width of the at least one illumination light may be shorter than the response time of the detector.

前記演算部は、前記他の照明光のパルス幅より長く、かつ、前記検出器の応答時間より短い時間帯に検出される前記信号光の出力の時間領域における相関関数を演算するとよい。 The calculation unit may calculate a correlation function in the time domain of the output of the signal light detected in a time zone longer than the pulse width of the other illumination light and shorter than the response time of the detector.

本発明によれば、試料を非染色で回折限界を上回る空間分解能で分析可能な試料分析装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a sample analyzer capable of analyzing a sample without staining and with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.

CARS過程のエネルギーダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the energy diagram of the CARS process. 一実施の形態に係る試料分析装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the sample analyzer which concerns on one Embodiment. 空間変調素子の第1の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 1st example of a space modulation element. 空間変調素子の第2の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 2nd example of a space modulation element. 空間変調素子の第3の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 3rd example of a space modulation element. 空間変調素子の第4の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 4th example of a space modulation element. 空間変調素子の第5の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 5th example of a space modulation element. 空間変調素子の第6の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 6th example of a space modulation element. 空間変調素子の第7の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 7th example of a space modulation element. 図2の試料分析装置における励起ダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the excitation diagram in the sample analyzer of FIG. ライン発振のレーザ光を用いた場合のクエンチ光の焦点面における集光パターンの強度分布を示す図である。It is a figure which shows the intensity distribution of the condensing pattern on the focal plane of the quench light when the laser beam of line oscillation is used. 試料中の測定対象粒子の動きの軌跡モデルを示す図である。It is a figure which shows the locus model of the movement of the particle to be measured in a sample. 測定経過時間τと相関関数G(τ)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the measurement elapsed time τ and the correlation function G (τ). スーパーコンティニュアム光源からの白色レーザ光を用いた場合のクエンチ光の焦点面における集光パターンの強度分布を示す図である。It is a figure which shows the intensity distribution of the condensing pattern on the focal plane of the quench light when the white laser light from the super continuum light source is used. 輪帯型補正用光学素子の説明図である。It is explanatory drawing of the optical element for ring band type correction. 位相シフトによる光軸方向の強度分布を示す図である。It is a figure which shows the intensity distribution in the optical axis direction by a phase shift.

本発明の一実施の形態では、非線形光学過程としてCARS過程を利用する。CARS過程は、近年、振動分光手法として最も広く使われている非線形ラマン過程である。 In one embodiment of the invention, the CARS process is used as the nonlinear optical process. The CARS process is a nonlinear Raman process that is most widely used as a vibration spectroscopy method in recent years.

図1は、CARS過程のエネルギーダイアグラムを示す図である。CARS過程では、一般に角振動数の異なる2つのレーザ光(ω光、ω光)を用いる。これら2つの入射光の角振動数差(ω−ω)が試料分子の持つ振動モードの角振動数Ωと一致すると、多数の試料分子の振動モードが同時に励振される。 FIG. 1 is a diagram showing an energy diagram of the CARS process. In the CARS process, two laser beams (ω 1 light and ω 2 light) having different angular frequencies are generally used. When the angular frequency difference (ω 1ω 2 ) of these two incident lights coincides with the angular frequency Ω of the vibration mode of the sample molecules, the vibration modes of many sample molecules are excited at the same time.

このようにして生じた分子振動(振動コヒーレンス)は、分子が3つ目のレーザ光(ω光)と相互作用することにより、3次の非線形分極に由来するωCARS光(CARS光)として取り出される。CARS過程では、エネルギー保存則から、ωCARS=ω−ω+ωの条件を満たす。また、CARS光は、位相整合条件から、kCARS=k−k+kの方向に発生する。ここで、kはω光の波数ベクトルある。 The molecular vibration (vibration coherence) generated in this way is generated as ω CARS light (CARS light) derived from the third-order nonlinear polarization by the molecule interacting with the third laser light (ω 3 light). Taken out. In the CARS process, the condition of ω CARS = ω 1ω 2 + ω 3 is satisfied from the law of conservation of energy. Further, the CARS light is generated in the direction of k CARS = k 1 − k 2 + k 3 from the phase matching condition. Here, k x is a wave vector of ω x light.

CARS過程では、多くの場合、ω光としてω光が用いられる。その場合、CARS光の角振動数は、(2ω−ω)となる。また、CARS光の信号強度は、ω光の強度の2乗及びω光の強度の一乗にそれぞれ比例する。つまり、CARS光の信号強度は、ω光の強度に対して非線形に増大する。また、位相整合条件から、CARS過程により指向性のよいラマン散乱光(CARS光)を得ることができる。 In the CARS process, ω 1 light is often used as ω 3 light. In that case, the angular frequency of the CARS light is (2ω 1 − ω 2 ). The signal intensity of CARS light is proportional to the square of the intensity of ω 1 light and the square of the intensity of ω 2 light, respectively. That is, the signal intensity of CARS light increases non-linearly with respect to the intensity of ω 1 light. Further, from the phase matching condition, Raman scattered light (CARS light) having good directivity can be obtained by the CARS process.

CARS過程の優れているところは、観察しようとする分子の振動準位に起因した散乱光を検出できるので、染色を行うことなく同分子の存在を検出することができる。これは、生きた試料を薬品処理することなく、そのままの状態で、生物試料の生体分子を検出する際に好都合である。 The advantage of the CARS process is that it can detect the scattered light caused by the vibration level of the molecule to be observed, so that the presence of the molecule can be detected without staining. This is convenient for detecting biomolecules in a biological sample as it is, without chemical treatment of the live sample.

図2は、本発明の一実施の形態に係る試料分析装置の概略構成を示す図である。図2に示す試料分析装置は、CARS顕微鏡に応用したもので、照明部10と、検出部50と、演算部100と、を備える。照明部10は、第1光源11と、マルチバンドパスフィルタ12と、ビームコンバイナ13と、対物レンズ14と、第2光源15と、1/4波長板16と、空間変調素子17とを備える。 FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a sample analyzer according to an embodiment of the present invention. The sample analyzer shown in FIG. 2 is applied to a CARS microscope and includes an illumination unit 10, a detection unit 50, and a calculation unit 100. The illumination unit 10 includes a first light source 11, a multi-bandpass filter 12, a beam combiner 13, an objective lens 14, a second light source 15, a quarter wave plate 16, and a space modulation element 17.

第1光源11は、1台のスーパーコンティニュアム光源を有し、該スーパーコンティニュアム光源からの射出光から、第1照明光となるω光及びω光を生成する。スーパーコンティニュアム光源11は、例えば波長1560nmのフェムト秒のパルス光を射出するファイバレーザ21と、該ファイバレーザ21の射出光をシード光として白色のレーザ光を射出するフォトニック結晶ファイバ22とを有する。 The first light source 11 has one super-continuum light source, and generates ω 1 light and ω 2 light to be the first illumination light from the emitted light from the super-continuum light source. The super-continuum light source 11 includes, for example, a fiber laser 21 that emits femtosecond pulsed light having a wavelength of 1560 nm, and a photonic crystal fiber 22 that emits white laser light using the emitted light of the fiber laser 21 as seed light. Have.

フォトニック結晶ファイバ22から射出される白色のレーザ光は、マルチバンドパスフィルタ12に入射されて、ω光及びω光が分光して取り出される。本実施の形態では、ω光としてファイバレーザ21からフォトニック結晶ファイバ22に入射される波長1560nmのシード光であるパルス光を利用し、ω光として波長2021nmの光を利用する。 The white laser light emitted from the photonic crystal fiber 22 is incident on the multi-bandpass filter 12, and the ω 1 light and the ω 2 light are separated and extracted. In this embodiment, by using the pulsed light is a seed light of wavelength 1560nm incident from the fiber laser 21 as omega 1 light into photonic crystal fiber 22 utilizes the light having a wavelength of 2021nm as omega 2 light.

マルチバンドパスフィルタ12から取り出されるω光及びω光は、ビームコンバイナ13を経て対物レンズ14に入射されて試料Sに集光される。ここで、試料Sに集光されるω光及びω光は、ガウスビームで集光面における強度分布に極大値を有する。これにより、試料S中の特定の有機分子のCH化学基の基本振動に起因するCARS光を選択的に誘導することが可能となる。しかも、ω光はスーパーコンティニュアム光源11のシード光を利用することから、十分高い先頭値が得られるので、CARS過程を効率的に誘導することが可能となる。 The ω 1 light and the ω 2 light extracted from the multi-bandpass filter 12 are incident on the objective lens 14 through the beam combiner 13 and focused on the sample S. Here, the ω 1 light and the ω 2 light focused on the sample S have a maximum value in the intensity distribution on the focused surface by the Gaussian beam. This makes it possible to selectively induce CARS light caused by the fundamental vibration of the CH chemical group of a specific organic molecule in the sample S. Moreover, since the ω 1 light uses the seed light of the super continuum light source 11, a sufficiently high head value can be obtained, so that the CARS process can be efficiently guided.

第2光源15は、CARS過程の誘導を抑制する第2照明光となるω光(以下、クエンチ光とも言う)を射出する。第2光源15は、例えば波長可変のフェムト秒レーザが用いられる。第2光源15から射出されるクエンチ光は、1/4波長板16で円偏光に変換された後、空間変調素子17を経てビームコンバイナ13に入射され、ここでω光及びω光と同軸に合成されて対物レンズ14により試料Sに集光される。 The second light source 15 emits ω q light (hereinafter, also referred to as quench light) which is the second illumination light that suppresses the induction of the CARS process. As the second light source 15, for example, a femtosecond laser having a variable wavelength is used. The quench light emitted from the second light source 15 is converted into circularly polarized light by the 1/4 wave plate 16 and then incident on the beam combiner 13 via the space modulation element 17, where ω 1 light and ω 2 light are used. It is synthesized coaxially and focused on the sample S by the objective lens 14.

空間変調素子17は、例えば図3又は図4に示すように構成される。図3に示す空間変調素子17は、クエンチ光の位相を、光軸を中心とする1周回で0から2π(又はその整数倍)まで連続的に変化させるものである。図4に示す空間変調素子17は、光軸の周りに独立した4領域を有し、クエンチ光の位相を光軸中心に0から2π(又はその整数倍)までπ/2(又はその整数倍)ずつ段階的に変化させるものである。 The space modulation element 17 is configured as shown in, for example, FIG. 3 or FIG. The spatial modulation element 17 shown in FIG. 3 continuously changes the phase of the quench light from 0 to 2π (or an integral multiple thereof) in one round around the optical axis. The spatial modulation element 17 shown in FIG. 4 has four independent regions around the optical axis, and the phase of the quench light is π / 2 (or an integral multiple thereof) from 0 to 2π (or an integral multiple thereof) around the optical axis. ) It is changed step by step.

図3又は図4に示した空間変調素子17をクエンチ光が透過すると、クエンチ光の位相は、光軸を中心とする対称点で位相が反転する。したがって、このクエンチ光を対物レンズ14で集光すると、集光面において強度分布に極小値を有する中空状のビームスポットが形成される(例えば、”Formation of a doughnut laser beam for super-resolving microscopy using a phase spatial light modulator”: T. Watanabe, Y. Igasaki, N. Fukuchi, M. Sakai, S. Ishiuchi, M. Fujii, T. Omatsu, K. Yamamoto and Y. Iketaki, Opt. Eng., 43(2004) 1136.参照)。 When the quench light is transmitted through the spatial modulation element 17 shown in FIG. 3 or FIG. 4, the phase of the quench light is inverted at a point of symmetry centered on the optical axis. Therefore, when this quench light is focused by the objective lens 14, a hollow beam spot having a minimum value in the intensity distribution is formed on the focusing surface (for example, "Formation of a doughnut laser beam for super-resolving microscopy using". a phase spatial light modulator ”: T. Watanabe, Y. Igasaki, N. Fukuchi, M. Sakai, S. Ishiuchi, M. Fujii, T. Omatsu, K. Yamamoto and Y. Iketaki, Opt. Eng., 43 ( 2004) See 1136.).

空間変調素子17は、例えば図5又は図6に示すように構成してもよい。図5に示す空間変調素子17は、クエンチ光の光軸を中心として複数(図5では2つ)の同心状(輪帯状)の領域を有し、隣接する領域においてクエンチ光の位相の符号を動径方向で反転させるものである。図6に示す空間変調素子17は、図5と同様に、クエンチ光の位相の符号を同心状の隣接する領域において動径方向で反転させる他、各領域においてクエンチ光の位相を、図3と同様に光軸を中心とする1周回で0から2π又はその整数倍変化させるものである。 The space modulation element 17 may be configured as shown in FIG. 5 or FIG. 6, for example. The spatial modulation element 17 shown in FIG. 5 has a plurality of concentric (ring-shaped) regions (two in FIG. 5) centered on the optical axis of the quench light, and assigns a sign of the phase of the quench light in the adjacent regions. It is inverted in the radial direction. Similar to FIG. 5, the spatial modulation element 17 shown in FIG. 6 inverts the sign of the phase of the quench light in the radial direction in the concentric adjacent regions, and the phase of the quench light in each region is the same as that of FIG. Similarly, it changes from 0 to 2π or an integral multiple thereof in one round around the optical axis.

図5又は図6に示した空間変調素子17をクエンチ光が透過すると、クエンチ光の位相が動径方向に反転するので、このクエンチ光を対物レンズ14で集光すると、図3及び図4の場合と同様に、集光面において強度分布に極小値を有する中空状のビームスポットが形成される。しかも、この場合は、クエンチ光の電場が3次元的に相殺されるので、焦点とその近傍のみで光が当たらない3次元的な微小空間が生成される(例えば、WO2005038441A1参照)。 When the quench light is transmitted through the spatial modulation element 17 shown in FIG. 5 or 6, the phase of the quench light is inverted in the radial direction. Therefore, when the quench light is focused by the objective lens 14, FIG. As in the case, a hollow beam spot having a minimum value in the intensity distribution is formed on the condensing surface. Moreover, in this case, since the electric field of the quench light is three-dimensionally canceled, a three-dimensional minute space that is not exposed to light is generated only at the focal point and its vicinity (see, for example, WO2005038441A1).

図3乃至図6に示した空間変調素子17は、構造が簡単で、例えば光学薄膜やエッチング等を用いて作製することができる(例えば、“Three-dimensional super-resolution microscope using two-color annular phase plate”: Y. Iketaki, Appl. Phys. Express, 3 (2010) 085203、 ”New Design Method for a Phase Plate in Super-Resolution Fluorescence Microscopy”: N. Bokor and Y. Iketaki, Appl. Spectroscopy. 68(2014) 353、”Generation of a doughnut -shaped beam using a spiral phase plate”: T. Watanabe, M. Fujii,Y. Watanabe, N. Nobuhito and Y. Iketaki, Rev. Sci. Instrum. 75(2004) 5132参照)。 The spatial modulation element 17 shown in FIGS. 3 to 6 has a simple structure and can be manufactured by using, for example, an optical thin film or etching (for example, "Three-dimensional super-resolution microscope using two-color annular phase". plate ”: Y. Iketaki, Appl. Phys. Express, 3 (2010) 085203,“ New Design Method for a Phase Plate in Super-Resolution Fluorescence Microscopy ”: N. Bokor and Y. Iketaki, Appl. Spectroscopy. 68 (2014) ) 353, "Generation of a doughnut -shaped beam using a spiral phase plate": T. Watanabe, M. Fujii, Y. Watanabe, N. Nobuhito and Y. Iketaki, Rev. Sci. Instrum. 75 (2004) 5132 ).

空間変調素子17は、上述したクエンチ光の位相を変調する場合に限らず、クエンチ光の偏光を変調しても、同様に集光面における強度分布に極小値を有する中空状のビームスポットを形成することが可能である。図7乃至図9は、クエンチ光の偏光を変調する空間変調素子17の構成を示す概略図である。図7及び図8に示す空間変調素子17は、クエンチ光の電場ベクトルの方向を、光軸を中心とする対称位置で反転させるように構成したものである。図9に示す空間変調素子17は、クエンチ光の光軸を中心として複数(図9では2つ)の同心状の領域を有し、隣接する領域においてクエンチ光の電場ベクトルの方向を反転させるように構成したものである。図7乃至図9の空間変調素子17は、波長板を張り合わすことによって容易に作製することができる。 The spatial modulation element 17 is not limited to the case of modulating the phase of the quench light described above, and even if the polarization of the quench light is modulated, the space modulation element 17 also forms a hollow beam spot having a minimum value in the intensity distribution on the condensing surface. It is possible to do. 7 to 9 are schematic views showing the configuration of the spatial modulation element 17 that modulates the polarization of the quench light. The spatial modulation element 17 shown in FIGS. 7 and 8 is configured to invert the direction of the electric field vector of the quench light at a symmetrical position centered on the optical axis. The spatial modulation element 17 shown in FIG. 9 has a plurality of (two in FIG. 9) concentric regions centered on the optical axis of the quench light, and reverses the direction of the electric field vector of the quench light in the adjacent regions. It is configured in. The spatial modulation element 17 of FIGS. 7 to 9 can be easily manufactured by laminating the wave plates.

図2において、試料Sは、対物レンズ14の光軸方向であるz方向と、z方向と直交する面内で直交するx方向及びy方向との3次元方向に移動可能な試料ステージ40上に載置される。 In FIG. 2, the sample S is placed on the sample stage 40 which can move in the three-dimensional directions of the z direction, which is the optical axis direction of the objective lens 14, and the x and y directions orthogonal to each other in the plane orthogonal to the z direction. It will be placed.

検出部50は、コレクタレンズ51と、集光レンズ52と、共焦点ピンホール53と、分光器54と、分光器スリット55と、検出器56とを備える。検出器56は、例えば光電子増倍管や半導体検出器等を用いて構成される。コレクタレンズ51は、試料Sの前方散乱光を入射して平行光に変換する。コレクタレンズ51で平行光に変換された前方散乱光は、集光レンズ52により集光されて、共焦点ピンホール53を経て分光器54に入射される。そして、分光器54で分光されて、所望の波長成分のCARS光(信号光)が分光器スリット55により取り出されて検出器56で検出される。ここで、共焦点ピンホール53は、空間フィルタとして機能するだけでなく、CARS光の単色性を向上させる機能も持ち合わせている。 The detection unit 50 includes a collector lens 51, a condenser lens 52, a confocal pinhole 53, a spectroscope 54, a spectroscope slit 55, and a detector 56. The detector 56 is configured by using, for example, a photomultiplier tube, a semiconductor detector, or the like. The collector lens 51 incidents the forward scattered light of the sample S and converts it into parallel light. The forward scattered light converted into parallel light by the collector lens 51 is collected by the condenser lens 52 and incident on the spectroscope 54 via the confocal pinhole 53. Then, it is separated by the spectroscope 54, and CARS light (signal light) having a desired wavelength component is taken out by the spectroscope slit 55 and detected by the detector 56. Here, the confocal pinhole 53 not only functions as a spatial filter, but also has a function of improving the monochromaticity of CARS light.

演算部100は、例えばデジタル相関器を有し、検出器56の出力(CARS信号)に基づいて、時間領域における相関関数を演算する。 The calculation unit 100 has, for example, a digital correlator, and calculates a correlation function in the time domain based on the output (CARS signal) of the detector 56.

上記構成において、ω光、ω光及びクエンチ光がビームコンバイナ13で同軸に合成されて対物レンズ14により試料Sに集光されると、超解像でCARS光を誘導することが可能となる。すなわち、中空状に集光されるクエンチ光の輪帯部では、ω光及びω光によるCARS過程が阻害されるので、CARS光が発生する領域は、ω光及びω光の回折限界サイズの集光スポットよりも小さくなる。したがって、ω光、ω光及びクエンチ光に対して試料Sを空間走査すれば、回折限界を上回る空間分解能で試料SからのCARS光を画像化することが可能となる。 In the above configuration, when ω 1 , ω 2, and quench light are coaxially combined by the beam combiner 13 and focused on the sample S by the objective lens 14, CARS light can be induced with super-resolution. Become. That is, in the annular portion of the quench light that is focused in a hollow shape, the CARS process by the ω 1 light and the ω 2 light is hindered, so that the region where the CARS light is generated is the diffraction of the ω 1 light and the ω 2 light. It is smaller than the limit size condensing spot. Therefore, if the sample S is spatially scanned with respect to the ω 1 light, the ω 2 light, and the quench light, the CARS light from the sample S can be imaged with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.

図10は、本実施の形態に係る試料分析装置における励起ダイアグラムを示す図である。CARS過程は、見方を変えると、振動準位νを中間準位とする2段階の励起過程と見なすことができる。まず、ω光(波長:λ)とω光(波長:λ)とのコヒーレントな重ね合わせにより発生する差周波成分(Δω)で、基底状態Sの分子を振動準位νに励起する。この中間状態の分子からのω光の照射によるアンチストークス(CARS)光は、角振動数がω+Δω(波長:λCARS)と見なせる。この過程においては、振動準位νの存在が大前提である。 FIG. 10 is a diagram showing an excitation diagram in the sample analyzer according to the present embodiment. From a different point of view, the CARS process can be regarded as a two-stage excitation process with the vibrational level ν 1 as the intermediate level. First, the differential frequency component (Δω) generated by the coherent superposition of ω 1 light (wavelength: λ 1 ) and ω 2 light (wavelength: λ 2 ) causes the molecule in the ground state S 0 to vibrate at the vibrational level ν 1. Excited to. The anti-Stokes (CARS) light obtained by irradiating ω 1 light from the molecule in this intermediate state can be regarded as having an angular frequency of ω 1 + Δω (wavelength: λ CARS). In this process, the existence of vibrational level ν 1 is a major premise.

ω光の他に、別の波長のクエンチ光(角振動数:ω、波長:λ)が入射されると、振動準位νの中間準位は、クエンチ光とカップリングして和周波光(角振動数:ω+Δω、波長:λout)を発生する。その結果、本来の角振動数(ω+Δω)で発生するCARS光と競合して、CARS光強度が減少する。すなわち、振動準位νは、CARS光と和周波光(角振動数:ω+Δω)とを分岐するのに利用される。 When a quench light of another wavelength (angular frequency: ω q , wavelength: λ q ) is incident in addition to the ω 1 light, the intermediate level of the vibration level ν 1 is coupled with the quench light. Generates sum frequency light (angular frequency: ω q + Δω, wavelength: λ out ). As a result, the CARS light intensity decreases in competition with the CARS light generated at the original angular frequency (ω 1 + Δω). That is, the vibrational level ν 1 is used to branch the CARS light and the sum frequency light (angular frequency: ω q + Δω).

和周波光の強度はクエンチ光の強度に比例するので、その分CARS光の強度は減少する。すなわち、CARS光は、中空状のクエンチ光の辺縁部で抑制されるので、蛍光抑制型の超解像顕微鏡法と同様に、回折限界を超える分解能を得ることができる。これにより、試料Sに存在する分子振動状態や化学結合状態等の多角的な情報を、回折限界を上回る解像度で画像化することができる。 Since the intensity of the sum frequency light is proportional to the intensity of the quench light, the intensity of the CARS light is reduced accordingly. That is, since the CARS light is suppressed at the edge of the hollow quench light, it is possible to obtain a resolution exceeding the diffraction limit as in the fluorescence suppression type super-resolution microscopy. As a result, it is possible to image multifaceted information such as the molecular vibration state and the chemical bond state existing in the sample S with a resolution exceeding the diffraction limit.

また、本実施の形態によると、演算部100によりCARS信号の時間領域における相関関数を演算するので、動的光散乱法を用いて試料S中に存在する分子の挙動や分子が存在する環境に関する情報を1分子レベルで解析することができる。 Further, according to the present embodiment, since the calculation unit 100 calculates the correlation function of the CARS signal in the time domain, the behavior of the molecules existing in the sample S and the environment in which the molecules exist are related to the dynamic light scattering method. Information can be analyzed at the single molecule level.

動的光散乱法とは、ブラウン運動する粒子群からの光散乱強度を測定し、その強度の時間的変動から粒子径と分布とを求める方法である。特に、サブミクロン以下の微粒子を測定する方法として活用されている。 The dynamic light scattering method is a method of measuring the light scattering intensity from a group of particles moving in Brownian motion and obtaining the particle size and distribution from the temporal variation of the intensity. In particular, it is used as a method for measuring fine particles of submicron or smaller.

具体的には、演算部100において、検出器56の出力(前方散乱光強度)I(t)を時系列に取得し、下式(1)に従って相関関数G(τ)を演算する。式(1)において、τは測定経過時間を示す。 Specifically, the calculation unit 100 acquires the output (forward scattered light intensity) I (t) of the detector 56 in time series, and calculates the correlation function G (τ) according to the following equation (1). In the formula (1), τ indicates the elapsed measurement time.

Figure 0006923161
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図11Aは試料S中の測定対象粒子の動きの軌跡モデルを示し、図11Bは測定経過時間τと相関関数G(τ)との関係を示す。式(1)によると、隣接する時間帯域では、測定対象の粒子が照明光の領域に存在するので、G(τ)は大きな値をもつ。しかし、時間間隔が開くと、粒子は照明領域から外れるので散乱信号が検出されず、G(τ)はゼロになる。 FIG. 11A shows a trajectory model of the movement of the particle to be measured in the sample S, and FIG. 11B shows the relationship between the elapsed measurement time τ and the correlation function G (τ). According to the equation (1), G (τ) has a large value because the particles to be measured exist in the region of the illumination light in the adjacent time band. However, when the time interval is widened, the particles are out of the illuminated area, so that the scattered signal is not detected and G (τ) becomes zero.

したがって、演算部100で得られた相関関数G(τ)を解析すれば、試料Sの照明領域に存在する測定対象粒子の粒子数、大きさ、拡散速度、密度、粘度等の情報を得ることができる。 Therefore, by analyzing the correlation function G (τ) obtained by the calculation unit 100, information such as the number of particles to be measured, the size, the diffusion rate, the density, and the viscosity of the particles to be measured existing in the illumination region of the sample S can be obtained. Can be done.

従来の顕微鏡を用いる動的光散乱法では、レーザ光の集光スポットが大きいことから、そのスポット形状を勘案した相関関数を算出するために、様々な散乱角における強度を測定して、空間的な散乱情報が反映された相関関数を演算している。しかし、非線型光学効果により発生される散乱光は、前方散乱光のみが強くなる。そのため、従来のように様々な散乱角における強度を測定するのは困難である。特に、レーザ光を集光すると、前方散乱光は光軸方向に広がった楕円形となり、相関関数はユーザが望む正確な情報を提供できない。 In the dynamic light scattering method using a conventional microscope, the focused spot of the laser light is large, so in order to calculate the correlation function considering the spot shape, the intensity at various scattering angles is measured and spatially. A correlation function that reflects various scattering information is calculated. However, as for the scattered light generated by the non-linear optical effect, only the forward scattered light becomes stronger. Therefore, it is difficult to measure the intensity at various scattering angles as in the conventional case. In particular, when the laser beam is focused, the forward scattered light becomes an ellipse that spreads in the optical axis direction, and the correlation function cannot provide accurate information desired by the user.

これに対し、本実施の形態によると、観測領域が光の回折限界よりも遥かに小さくなり、空間的に等方な球状となるので、前方散乱光の測定だけで信頼度の高い相関関数を得ることが可能となる。しかも、非染色で特定の分子の振動準位に共鳴した信号光を検出できるので、興味ある分子のみを選択して解析することが可能となる。 On the other hand, according to the present embodiment, the observation region becomes much smaller than the diffraction limit of light and becomes a spatially isotropic spherical shape. Therefore, a highly reliable correlation function can be obtained only by measuring the forward scattered light. It becomes possible to obtain. Moreover, since the signal light that resonates with the vibrational level of a specific molecule can be detected without staining, it is possible to select and analyze only the molecule of interest.

また、動的光散乱法では、観測領域おける1分子レベルの揺らぎ信号光を測定することが基本であることから、観測領域での試料の密度が高いと、相関関数は定常値になり解析不能となる。しかし、本実施の形態においては、観測領域自体を微小化することができるので、高密度の試料も解析できる。しかも、非染色であることから、褪色や照明中の光化学反応もない。したがって、対象分子を容易かつ安定して解析することが可能となる。加えて、立体分解能も高いので、例えば、細胞内のナノメータオーダのオルガネラの代謝機能も解析可能となる。 In addition, since the dynamic light scattering method basically measures the fluctuation signal light at the single molecule level in the observation region, if the sample density in the observation region is high, the correlation function becomes a steady value and cannot be analyzed. It becomes. However, in the present embodiment, since the observation region itself can be miniaturized, a high-density sample can be analyzed. Moreover, since it is unstained, there is no fading or photochemical reaction during illumination. Therefore, the target molecule can be easily and stably analyzed. In addition, since the steric resolution is high, for example, the metabolic function of an intracellular nanometer-order organelle can be analyzed.

ここで、信頼度の高い相関関数を得るには、試料に対する照明光の集光条件を最適化する必要がある。そのため、本実施の形態では、照明光の照射タイミングが適切に設定されてされる。すなわち、非線形光学効果、本実施の形態ではCARS過程を誘導するため、試料Sに全ての光が同時に照射される。 Here, in order to obtain a highly reliable correlation function, it is necessary to optimize the condensing conditions of the illumination light with respect to the sample. Therefore, in the present embodiment, the irradiation timing of the illumination light is appropriately set. That is, the non-linear optical effect, in the present embodiment, induces the CARS process, so that the sample S is irradiated with all the light at the same time.

照明光の照射タイミングは、具体的には介在する分子の振動準位の励起寿命に大きく依存ずる。すなわち、角振動数差(ω−ω)による励起の間にのみ、分子はω光と相互作用して、和周差光(CARS光)を発生する。この場合の励起寿命は、高々ピコ秒オーダーである。 Specifically, the irradiation timing of the illumination light largely depends on the excitation lifetime of the vibrational level of the intervening molecule. That is, only during the excitation by the angular frequency difference (ω 12), molecules interact with omega 2 light, generates KazuAmanesako (CARS light). The excitation lifetime in this case is on the order of picoseconds at most.

そのため、本実施の形態では、この励起時間内に、ω光及びω光を時間的に少なくとも一部を重畳させている。さらに、クエンチ光は、これらの重畳時間帯よりも以前に発光を開始し、同時間帯よりも後に発光を完了させている。 Therefore, in the present embodiment, at least a part of the ω 1 light and the ω 2 light are superimposed in time within this excitation time. Further, the quench light starts emitting light before these superimposed time zones and completes emitting light after the same time zone.

以上の条件を満たすことにより、照明領域において観測に不必要な空間領域のCARS信号光を確実に抑制でき、分解能を向上させることができる。 By satisfying the above conditions, the CARS signal light in the spatial region unnecessary for observation can be reliably suppressed in the illumination region, and the resolution can be improved.

また、ω光及びω光の重畳時間は、検出器56の応答時間よりも短い方が望ましい。すなわち、検出器56を構成する光電子増倍管や半導体検出器等は、光により感受面を光励起して電子に変換し、それを電気的に増幅して出力する。そのため、光が入射しつづけると検出効率が飽和する不感時間が発生して、検出効率が著しく低下し、S/Nが悪くなる。 Further, it is desirable that the superposition time of the ω 1 light and the ω 2 light is shorter than the response time of the detector 56. That is, the photomultiplier tube, the semiconductor detector, and the like constituting the detector 56 photoexcit the sensitive surface with light, convert it into electrons, and electrically amplify and output the sensitive surface. Therefore, if the light continues to be incident, a dead time occurs in which the detection efficiency is saturated, the detection efficiency is remarkably lowered, and the S / N is deteriorated.

例えば、代表的な光電子増倍管では、重なり合う電極を全て走行して、電極を通過するには10n程度の時間(走行時間)がかかる。その間は、増幅のために光電子が大量に発生して、新たな信号光が入射しても、それに対する検出効率が低下する。したがって、感度よく信号検出を行うためには、少なくとも走行時間分の時間間隔あけて、電極が完全に中和するまで待つ必要がある。さらには、検出器56の出力を増幅する場合は、増幅回路の応答時間も考慮する必要がある。その場合には、光電子増倍管の走行時間よりも長い時間間隔を必要とずる。 For example, in a typical photomultiplier tube, it takes about 10 n (travel time) to travel through all the overlapping electrodes and pass through the electrodes. During that time, a large amount of photoelectrons are generated for amplification, and even if a new signal light is incident, the detection efficiency for the new signal light is lowered. Therefore, in order to perform signal detection with high sensitivity, it is necessary to wait at least for the traveling time until the electrodes are completely neutralized. Furthermore, when amplifying the output of the detector 56, it is necessary to consider the response time of the amplifier circuit. In that case, a time interval longer than the traveling time of the photomultiplier tube is required.

また、本実施の形態では、観測領域が微小となるため、試料Sに強い照明光を集光させると、その散乱光が検出器に混入する確立が高くなる。特に、クエンチ光は他の照明光よりもパルス幅が長くなるので、その影響は大きい。そのため、演算部100においては、信号光を発生させるω光及びω光の時間幅だけ電気的にゲートをかけるとよい。これにより、信号光発生時以外の迷光をカットでき、S/Nを向上させることができる。 Further, in the present embodiment, since the observation region is small, when the strong illumination light is focused on the sample S, the probability that the scattered light is mixed in the detector is high. In particular, the quench light has a longer pulse width than other illumination lights, so its influence is large. Therefore, in the calculation unit 100, it is preferable to electrically gate the time widths of the ω 1 light and the ω 2 light that generate the signal light. As a result, stray light other than when signal light is generated can be cut, and S / N can be improved.

このように、空間領域のみならず時間領域においても、照明光の重なり具合を確実にすることで、分析能力をさらに向上させることができる。例えば、ω光の波長を1064nm、ω光の波長を1274nm、クエンチ光の波長を780nmに設定すると、ω光とω光との角振動数差は略1549cm−1となるので、例えば共役ポリエンのC=C(βカロテンのC=C)を選択的に検出することができる。 In this way, the analytical ability can be further improved by ensuring the overlapping condition of the illumination light not only in the spatial region but also in the time domain. For example, if the wavelength of ω 1 light is set to 1064 nm, the wavelength of ω 2 light is set to 1274 nm, and the wavelength of quench light is set to 780 nm, the angular frequency difference between ω 1 light and ω 2 light is approximately 1549 cm -1 . For example, C = C of conjugated polyene (C = C of β-carotene) can be selectively detected.

この場合、図2に示した空間変調素子17として、例えば図5に示した構成のものを用いる場合は、石英基板の円形の中央部を2578nmの深さでエッチングして空間変調素子17を形成することができる。この空間変調素子17は、石英基板の屈折率が波長780nmで1.454、波長1159nmで1.448なので、波長1159nmの光が入射しても中央部で位相がλ(波長)だけシフトするので、ビーム位相面には何も変化を与えない。一方、波長780nmのクエンチ光は、3/2λだけ位相シフトするので、位相が反転する。 In this case, when the spatial modulation element 17 shown in FIG. 2 has the configuration shown in FIG. 5, for example, the circular central portion of the quartz substrate is etched to a depth of 2578 nm to form the spatial modulation element 17. can do. In this space modulation element 17, the refractive index of the quartz substrate is 1.454 at a wavelength of 780 nm and 1.448 at a wavelength of 1159 nm. Therefore, even if light having a wavelength of 1159 nm is incident, the phase shifts by λ (wavelength) in the central portion. , Does not change the beam phase plane. On the other hand, the quench light having a wavelength of 780 nm is phase-shifted by 3 / 2λ, so that the phase is inverted.

CARS信号光を生成するためのω光及びω光は、波長1159nmを基準として、0.09λしか離れていない。この差は、市販の光学研磨した石英基板の面精度よりも少ないので、ω光及びω光がこの空間変調素子17を通過しても、ビーム位相面は変化せず、ガウシアンビームのままとなる。 The ω 1 light and the ω 2 light for generating the CARS signal light are separated by only 0.09 λ with respect to the wavelength of 1159 nm. Since this difference is less than the surface accuracy of a commercially available optically polished quartz substrate , the beam phase surface does not change even if ω 1 light and ω 2 light pass through the spatial modulation element 17, and the Gaussian beam remains. It becomes.

したがって、ω光及びω光は、ガウシアンビームそして試料Sに集光されてCARS信号光を発生させ、クエンチ光は3次元的な中空構造を持つように試料Sに集光されて、ω光及びω光のガウシアンビームの集光点を3次元的に取り囲むようになる。このように、ω光、ω及びクエンチ光の3波長の光が、原理通りに空間的にオーバーラップすることにより、CARS信号光の発生領域を空間的に微小化し、空間分析機能を向上させることができる。 Therefore, ω 1 light and ω 2 light are focused on the Gaussian beam and sample S to generate CARS signal light, and quench light is focused on sample S so as to have a three-dimensional hollow structure, and ω. It surrounds the focusing point of the Gaussian beam of 1 light and ω 2 light in three dimensions. In this way, the three wavelengths of ω 1 , ω 2, and quench light overlap spatially according to the principle, thereby spatially miniaturizing the generation region of CARS signal light and improving the spatial analysis function. Can be made to.

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、試料Sのxy方向の2次元走査は、ガルバノミラー光学系を用いて行ってもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment, and many modifications or changes can be made. For example, the two-dimensional scanning of the sample S in the xy direction may be performed using a galvanometer mirror optical system.

また、より効果的にCARS光を抑制するため、分光学的な原理に基づく方法やレーザの機能に着目した方法を適用することも可能である。 Further, in order to suppress CARS light more effectively, it is also possible to apply a method based on the spectroscopic principle or a method focusing on the function of the laser.

分光学的な原理に基づく方法としては、クエンチ光の周波数を調整して、図10において和周波光(ω+Δω)を試料分子の電子励起状態Sよりも高くする。これにより、和周波光を電子励起状態Sと共鳴させて、電子状態間の遷移を誘導する。すなわち、クエンチ光として、基底状態Sから電子励起状態Sの遷移エネルギーより大きい励起エネルギーに対応する振動数の光を照射する。このようにすれば、試料分子のクエンチ光の吸収断面積が大きくなるので、弱いクエンチ光の照射強度でCARS光を確実に抑制することができる(例えば、S. Koura, K. Inoue, T. Omari, M. Ishihara, M. Kikuchi, M. Fuji, and M. Sakai, Opt. Express, 18, 13402 (2010)、 M. Sakai, M. Fuji, Chem. Phys. Lett. 396 (2004) 298.参照)。 Based methods spectroscopic principle is to adjust the frequency of the quenching light, sum frequency light (ω q + Δω) is higher than the electron excited state S 1 of the sample molecules 10. Thus, the sum frequency light by resonance with an electronic excited state S 1, induces transitions between electronic states. That is, as quench light, light having a frequency corresponding to an excitation energy larger than the transition energy of the ground state S 0 to the electron excitation state S 1 is irradiated. In this way, the absorption cross section of the quench light of the sample molecule becomes large, so that the CARS light can be reliably suppressed with the irradiation intensity of the weak quench light (for example, S. Koura, K. Inoue, T. Omari, M. Ishihara, M. Kikuchi, M. Fuji, and M. Sakai, Opt. Express, 18, 13402 (2010), M. Sakai, M. Fuji, Chem. Phys. Lett. 396 (2004) 298. reference).

レーザの機能に着目した方法としては、図2においてクエンチ光を発生させる第2光源15を、スーパーコンティニュアム光源を用いて構成する。スーパーコンティニュアム光源は、連続波長帯域の高輝度のコヒーレント光を生成できる。したがって、このようなブロードな帯域のクエンチ光を試料Sに照射すれば、様々な分岐比で和周波光を発生できるので、相対的にCARS光を抑制できる。 As a method focusing on the function of the laser, the second light source 15 that generates the quench light in FIG. 2 is configured by using the super continuum light source. The super continuous light source can generate high-intensity coherent light in a continuous wavelength band. Therefore, if the sample S is irradiated with quench light in such a broad band, sum frequency light can be generated at various branching ratios, so that CARS light can be relatively suppressed.

図12Aは、ライン発振のレーザ光を用いた場合のクエンチ光の焦点面における集光パターンの強度分布を示す図である。図12Bは、スーパーコンティニュアム光源からの白色レーザ光を用いた場合のクエンチ光の焦点面における集光パターンの強度分布を示す図である。図12Aは、クエンチ光の波長λが、646nm<λ<647nmの場合である。図12Bは、クエンチ光の波長λが、中心波長647nmで、帯域幅が約30nmである634nm<λ<660nmの場合である。なお、いずれの場合も、図2に示した空間変調素子17は、図5に示した構成のものとした。 FIG. 12A is a diagram showing the intensity distribution of the focused pattern on the focal plane of the quench light when the laser beam of line oscillation is used. FIG. 12B is a diagram showing the intensity distribution of the focused pattern on the focal plane of the quench light when the white laser light from the super continuum light source is used. FIG. 12A shows a case where the wavelength λ q of the quench light is 646 nm <λ q <647 nm. FIG. 12B shows a case where the quench light has a wavelength λ q of 647 nm and a bandwidth of about 30 nm, 634 nm <λ q <660 nm. In each case, the spatial modulation element 17 shown in FIG. 2 has the configuration shown in FIG.

図12A及び図12Bの比較から明らかなように、白色レーザ光からブロードな帯域のクエンチ光を分光して使用する場合でも、焦点面に集光されるクエンチ光の中心部の強度はゼロとなる。したがって、超解像顕微鏡のクエンチ光として十分使用することができ、白色レーザ光の特徴を生かして、試料Sを効率的に照明することができる。 As is clear from the comparison between FIGS. 12A and 12B, even when the quench light in the broad band is separated from the white laser light and used, the intensity of the central portion of the quench light focused on the focal plane becomes zero. .. Therefore, it can be sufficiently used as quench light of a super-resolution microscope, and the sample S can be efficiently illuminated by taking advantage of the characteristics of the white laser light.

また、スーパーコンティニュアム光源を用いてクエンチ光を発生させるようにすれば、空間変調素子17の作製誤差に応じて、試料S上でクエンチ光が理想的な中空ビームとなるようにクエンチ光の波長を容易に微調整することができる。 Further, if the quench light is generated by using a super continuous light source, the quench light can be generated as an ideal hollow beam on the sample S according to the manufacturing error of the space modulation element 17. The wavelength can be easily fine-tuned.

さらに、図10に示した励起ダイアグラムからも明らかなように、クエンチ光をω光として利用し、反対にω光をクエンチ光として利用してもよい。 Furthermore, as is apparent from the excitation diagram shown in FIG. 10, using the quenched light as omega 2 light, it may be used omega 2 light as quench light in the opposite.

この場合、クエンチ光は、ビーム整形されず通常のガウスビームとして集光される。一方、ω光は中空状に整形されて集光される。そして、集光スポット毎に和周波光(ω+Δω)を検出する。この場合、ω光の強度が大きくなると、和周波光の強度が抑制されて超解像での分析が可能となる。 In this case, the quench light is focused as a normal Gaussian beam without beam shaping. On the other hand, ω 2 light is shaped into a hollow shape and focused. Then, the sum frequency light (ω q + Δω) is detected for each focused spot. In this case, as the intensity of the ω 2 light increases, the intensity of the sum frequency light is suppressed and analysis at super-resolution becomes possible.

さらに、図2において、照明部10に色収差がある場合には、輪帯型補正用光学素子を配置して色収差を補正してもよい。すなわち、一般に、照明光学系は色収差が発生する。例えば、対物レンズでは、種類によっては大きな色収差が発生する。そのため、多波長対応設計を適用した空間変調素子17を用いても、ω光及びω光の集光点とクエンチ光の中空中心とが異なる場合がある。特に、光軸方向のシフトが大きい。 Further, in FIG. 2, when the illumination unit 10 has chromatic aberration, an annular correction optical element may be arranged to correct the chromatic aberration. That is, in general, chromatic aberration occurs in the illumination optical system. For example, in an objective lens, large chromatic aberration occurs depending on the type. Therefore, even if the spatial modulation element 17 to which the multi-wavelength compatible design is applied , the focusing point of the ω 1 light and the ω 2 light and the hollow center of the quench light may be different. In particular, the shift in the optical axis direction is large.

その場合は、照明部10のω光、ω光及びクエンチ光の共通光路に輪帯型補正用光学素子を配置して、クエンチ光に対しては位相を正確に2πの整数倍だけ遅らせ、ω及びω光に対しては位相をδ分シフトさせるとよい。CARS信号光を発生させるためのω光及びω光の波長は、通常極めて接近し、光学媒質の光学定数も略同一である。したがって、その特性を利用してこれらの集光点をクエンチ光の中空中心に一致させることができる。 In that case, an annular correction optical element is arranged in the common optical path of the ω 1 light, the ω 2 light, and the quench light of the illumination unit 10, and the phase is delayed exactly by an integral multiple of 2π with respect to the quench light. , Ω 1 and ω 2 It is advisable to shift the phase by δ for light. The wavelengths of ω 1 light and ω 2 light for generating CARS signal light are usually extremely close, and the optical constants of the optical medium are also substantially the same. Therefore, these characteristics can be utilized to align these focusing points with the hollow center of the quench light.

一例として、最も単純な2重輪帯構造を有する輪帯型補正用光学素子を用いて、位相変調により焦点位置を自在に調整する方法について説明する。図13に示すように、輪帯型補正用光学素子110は、円形の中央部111aとその外側の輪帯部111bとを有し、瞳面に配置される。中央部111aは、輪帯部111bと比較して、位相がδだけシフトしているものとする。 As an example, a method of freely adjusting the focal position by phase modulation using a ring-shaped correction optical element having the simplest double-wheel band structure will be described. As shown in FIG. 13, the annular type correction optical element 110 has a circular central portion 111a and an outer annular portion 111b thereof, and is arranged on the pupil surface. It is assumed that the phase of the central portion 111a is shifted by δ as compared with the annular portion 111b.

図13に示す座標系を用いると、下式(2)乃至(6)で示すように、瞳面から焦点近傍に集光する光の強度分布I(x、y、z)を計算することができる。なお、座標系は焦点距離で規格した。また、各変数は、以下のように定義した。
電場:E
磁場:H
波長:λ
瞳面座標:(ξ,η)
瞳面内動径ベクトル:φ
焦点面座標:(x,y)
光軸方向座標:z
焦点より動径ベクトル先端を見込む角:θ
焦点より中央部外周を見込む角:θin
焦点より輪帯部外周を見込む角:α
輪帯部半径と中央部半径との比:21/2:1
Using the coordinate system shown in FIG. 13, as shown by the following equations (2) to (6), it is possible to calculate the intensity distribution I (x, y, z) of the light focused from the pupil plane to the vicinity of the focal point. can. The coordinate system was standardized by the focal length. In addition, each variable was defined as follows.
Electric field: E
Magnetic field: H
Wavelength: λ
Eye plane coordinates: (ξ, η)
Radial diameter vector in the pupil: φ
Focal plane coordinates: (x, y)
Optical axis coordinates: z
Angle to see the tip of the radius vector from the focal point: θ
Angle to see the outer circumference of the central part from the focal point: θ in
Angle to see the outer circumference of the annulus from the focal point: α
Ratio of annulus radius to central radius: 2 1/2 : 1

Figure 0006923161
Figure 0006923161

図14は、位相シフトによる光軸方向の強度分布I(0,0,z)を示す。縦軸は強度を示し、横軸は焦点位置からの光軸方向の距離を示す。図14において、Aは位相シフトδが−λ/7の場合、Bは位相シフトδが0の場合、Cは位相シフトδがλ/7の場合をそれぞれ示す。 FIG. 14 shows the intensity distribution I (0.0, z) in the optical axis direction due to the phase shift. The vertical axis shows the intensity, and the horizontal axis shows the distance in the optical axis direction from the focal position. In FIG. 14, A shows a case where the phase shift δ is −λ / 7, B shows a case where the phase shift δ is 0, and C shows a case where the phase shift δ is λ / 7.

図14から明らかなように、Aの場合の強度分布はBの場合よりも手前にピークが位置し、Cの場合の強度分布はBの場合よりも後方にピークが位置している。したがって、照明部10における照明光学系の色収差に応じて位相シフトδを適切に調整することにより、ω光及びω光の集光点の位置をクエンチ光の焦点位置に一致させることができる。このような輪帯型補正用光学素子110は、光学膜(単層、多層膜)や偏光光学基板を用いて構成することができる。 As is clear from FIG. 14, the intensity distribution in the case of A has a peak located in front of the case of B, and the intensity distribution in the case of C has a peak located behind the case of B. Therefore, by appropriately adjusting the phase shift δ according to the chromatic aberration of the illumination optical system in the illumination unit 10, the positions of the focusing points of the ω 1 light and the ω 2 light can be matched with the focal positions of the quench light. .. Such an annular correction optical element 110 can be configured by using an optical film (single-layer or multilayer film) or a polarizing optical substrate.

また、上記実施の形態では、3色の照明光を試料に集光するので、それらの照明光の組合せによる様々な2次及び/又は3次の和周波の発生過程等も競合する。このような2次及び/又は3次の和周波の発生過程等も、CARS光を抑制することに利用できるので、より広い超解像での分析が可能となる。 Further, in the above embodiment, since the illumination lights of three colors are focused on the sample, various secondary and / or tertiary sum frequency generation processes due to the combination of the illumination lights also compete with each other. Since such a process of generating second-order and / or third-order sum frequencies can also be used to suppress CARS light, analysis with a wider super-resolution becomes possible.

また、上記実施の形態では、CARS過程の非線形光学過程を利用するため、クエンチ光を含めて3色のレーザ光を用いたが、例えばSHG光子発生過程の非線形光学過程を利用する場合は、第1照明光及び第2照明光をそれぞれ1色とする合計2色のレーザ光を用いて超解像顕微鏡観察を行うことができる。したがって、本発明において、非線形光学過程は、例えば、2次非線形光学過程、3次非線形光学過程、4次非線形光学過程、5次非線形光学過程のいずれかの過程で生じるものであってよい。 Further, in the above embodiment, since the nonlinear optical process of the CARS process is used, laser light of three colors including quench light is used. For example, when the nonlinear optical process of the SHG photon generation process is used, the first Super-resolution microscope observation can be performed using a total of two colors of laser light having one illumination light and one second illumination light. Therefore, in the present invention, the nonlinear optical process may occur in any of, for example, a second-order nonlinear optical process, a third-order nonlinear optical process, a fourth-order nonlinear optical process, and a fifth-order nonlinear optical process.

2次非線形光学過程には、例えば、第2高調波発生(SHG: second harmonic generation)、2次和周波発生(SFG: sum frequency generation)、差周波発生(DFG: difference frequency generation)、光パラメトリック過程(optical parametric process)のいずれかが含まれる。 Second-order nonlinear optical processes include, for example, second harmonic generation (SHG), second sum frequency generation (SFG), difference frequency generation (DFG), and optical parametric processes. (Optical parametric process) is included.

3次非線形光学過程には、例えば、第3高調波発生(THG: third harmonic generation)、3次和周波発生(TSFG: third-order sum frequency generation)、コヒーレント反ストークスラマン散乱(CARS: coherent anti-Stokes Raman scattering)、誘導ラマン散乱(SRS: stimulated Raman scattering (SRG: stimulated Raman gain, SRL: stimulated Raman loss))、光学カー効果(OKE: optical Kerr effect)、ラマン誘導カー効果(RIKE: Raman induced Kerr effect)、誘導レイリー散乱(stimulated Rayleigh scattering)、誘導ブリルアン散乱(SBS: stimulated Brillouin scattering)、誘導カー散乱(stimulated Kerr scattering)、誘導Rayleigh-Bragg散乱(stimulated Rayleigh-Bragg scattering)、誘導 Mie散乱(stimulated Mie scattering)、自己位相変調(SPM: self phase modulation)、相互位相変調(XPM: cross phase modulation)、二光子吸収(two-photon absorption)、光場複屈折(optical-field induced birefringence)、電界誘起SHG(electric-field induced SHG)のいずれかが含まれる。 Third-order nonlinear optical processes include, for example, third harmonic generation (THG), third-order sum frequency generation (TSFG), and coherent anti-Stoke Slamant scattering (CARS). Stokes Raman scattering), stimulated Raman scattering (SRS: stimulated Raman gain, SRL: stimulated Raman loss), optical Kerr effect (OKE), Raman induced Kerr effect (RIKE) effect), induced Rayleigh scattering, induced Brillouin scattering (SBS), induced Kerr scattering, induced Rayleigh-Bragg scattering, induced Mie scattering (stimulated) Mie scattering), self phase modulation (SPM), cross phase modulation (XPM), two-photon absorption, optical-field induced birefringence, electric field induction Any of SHG (electric-field induced SHG) is included.

4次非線形光学過程には、例えば、4光波混合(FWM: four-wave mixing)が含まれる。 The fourth-order nonlinear optical process includes, for example, four-wave mixing (FWM).

5次非線形光学過程には、例えば、二光子蛍光(TPEF: two-photon excitation fluorescence)、ハイパーラマン散乱(hyper-Raman scattering)、ハイパーレイリー散乱(hyper-Rayleigh scattering)、コヒーレント・アンチストークス・ハイパーラマン散乱(coherent anti-Stokes hyper-Raman scattering)のいずれかが含まれる。 Fifth-order nonlinear optical processes include, for example, two-photon excitation fluorescence (TPEF), hyper-Raman scattering, hyper-Rayleigh scattering, and coherent anti-Raman scattering. Includes either coherent anti-Stokes hyper-Raman scattering.

S 試料
10 照明部
11 第1光源(スーパーコンティニュアム光源)
12 マルチバンドパスフィルタ
13 ビームコンバイナ
14 対物レンズ
15 第2光源
16 1/4波長板
17 空間変調素子
21 ファイバレーザ
22 フォトニック結晶ファイバ
50 検出部
51 コレクタレンズ
52 集光レンズ
53 共焦点ピンホール
54 分光器
55 分光器スリット
56 検出器
100 演算部
110 輪帯型補正用光学素子
S sample 10 Illumination unit 11 1st light source (super continuous light source)
12 Multi-band pass filter 13 Beam combiner 14 Objective lens 15 Second light source 16 1/4 wave plate 17 Spatial modulation element 21 Fiber laser 22 Photonic crystal fiber 50 Detector 51 Collector lens 52 Condensing lens 53 Confocal pinhole 54 Spectrometer Instrument 55 Spectrometer Slit 56 Detector 100 Calculation unit 110 Optical element for ring-shaped correction

Claims (11)

対物レンズを経て波長の異なる複数の照明光の少なくとも一部を空間的及び時間的に重畳して試料に照射する照明部と、
前記複数の照明光の前記試料への照射に起因して、該試料から発生する信号光を検出する検出部と、
前記検出部の出力の時間領域における相関関数を演算する演算部と、を備え、
前記複数の照明光は、少なくとも1つの照明光が他の照明光と波面又は偏光分布が異なるものであり、
前記検出部は、前記試料から発生する前記複数の照明光とは異なる波長の前方散乱光を前記信号光として検出する、
試料分析装置。
An illumination unit that spatially and temporally superimposes at least a part of a plurality of illumination lights having different wavelengths through an objective lens to irradiate the sample.
A detection unit that detects signal light generated from the sample due to irradiation of the sample with the plurality of illumination lights, and a detection unit.
A calculation unit that calculates a correlation function in the time domain of the output of the detection unit is provided.
In the plurality of illumination lights, at least one illumination light has a different wave surface or polarization distribution from the other illumination lights.
The detection unit detects forward scattered light having a wavelength different from that of the plurality of illumination lights generated from the sample as the signal light.
Sample analyzer.
請求項1に記載の試料分析装置において、
前記少なくとも1つの照明光は、前記対物レンズの集光面における強度分布に極小値を有する、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 1,
The at least one illumination light has a minimum value in the intensity distribution on the condensing surface of the objective lens.
Sample analyzer.
請求項2に記載の試料分析装置において、
前記他の照明光は、前記集光面における強度分布に極大値を有する、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 2,
The other illumination light has a maximum value in the intensity distribution on the condensing surface.
Sample analyzer.
請求項3に記載の試料分析装置において、
前記複数の照明光は、それぞれコヒーレント光である、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 3,
The plurality of illumination lights are coherent lights, respectively.
Sample analyzer.
請求項4に記載の試料分析装置において、
前記極小値と前記極大値とが前記集光面において同軸で重なる、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 4,
The minimum value and the maximum value are coaxially overlapped on the condensing surface.
Sample analyzer.
請求項5に記載の試料分析装置において、
前記前方散乱光は、非線形光学過程で発生するものである、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 5,
The forward scattered light is generated in a nonlinear optical process.
Sample analyzer.
請求項6に記載の試料分析装置において、
前記非線形光学過程は、非線形ラマン過程、二次又は三次和周波発生過程、二次又は三次差周波発生過程である、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 6,
The nonlinear optical process is a nonlinear Raman process, a second-order or third-order sum frequency generation process, or a second-order or third-order difference frequency generation process.
Sample analyzer.
請求項7に記載の試料分析装置において、
前記複数の照明光は、前記試料に同時に照射される照射時間帯を有するパルス光である、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 7,
The plurality of illumination lights are pulsed lights having an irradiation time zone in which the sample is simultaneously irradiated.
Sample analyzer.
請求項8に記載の試料分析装置において、
前記少なくとも1つの照明光は、前記他の照明光よりもパルス幅が長い、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 8,
The at least one illumination light has a longer pulse width than the other illumination light.
Sample analyzer.
請求項9に記載の試料分析装置において、
前記少なくとも1つの照明光のパルス幅は、前記検出器の応答時間より短い、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 9,
The pulse width of the at least one illumination light is shorter than the response time of the detector.
Sample analyzer.
請求項10に記載の試料分析装置において、
前記演算部は、前記他の照明光のパルス幅より長く、かつ、前記検出器の応答時間より短い時間帯に検出される前記信号光の出力の時間領域における相関関数を演算する、
試料分析装置。
In the sample analyzer according to claim 10,
The calculation unit calculates a correlation function in the time domain of the output of the signal light detected in a time zone longer than the pulse width of the other illumination light and shorter than the response time of the detector.
Sample analyzer.
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