JPH0372238A - Highly sensitive microscopic multi-wavelength spectroscope - Google Patents

Highly sensitive microscopic multi-wavelength spectroscope

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JPH0372238A
JPH0372238A JP20874689A JP20874689A JPH0372238A JP H0372238 A JPH0372238 A JP H0372238A JP 20874689 A JP20874689 A JP 20874689A JP 20874689 A JP20874689 A JP 20874689A JP H0372238 A JPH0372238 A JP H0372238A
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Tsutomu Ichimura
市村 勉
Toshiyuki Nagoshi
利之 名越
Fumio Inaba
稲場 文男
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Abstract

PURPOSE:To enable spectral analysis of very weak emission with a microscopic multi-wavelength by providing an optical system to emit light from a point or a line source which is formed from a microscopic area of a magnified image of a sample or from an area with a certain extent. CONSTITUTION:An optical system 3 which emits light from a microscopic area of a magnified image Sb of a sample S or from an area with a certain extent being limited to a spot or a line makes the light incident on a collimator lens 4 which makes light from the magnified image Sb of the sample S incident on a reflection type diffraction grating 5 being turned into a parallel light beam with a higher parallelism without leaking. Therefore, the diffraction grating 5 delivers sufficient resolutions while diffracting a very weak light. Then, an imaging lens 6 forms an image of the parallel light diffracted by the diffraction grating 5 on an image surface P as spectral image. Then, a spectral analysis is performed with a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional detector 7 disposed on the spectral image surface based on the control of a computer 8.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、生物発光、化学発光、励起光による極微弱蛍
光等の可視領域から赤外に至る極微弱光のスペクトル分
析を顕微鏡による像サイズで行うことができる明るい小
型の操作性に優れた高感度顕微多波長分光装置に関する
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention is a method for analyzing the spectrum of extremely weak light ranging from the visible region to the infrared, such as bioluminescence, chemiluminescence, and extremely weak fluorescence caused by excitation light, by analyzing the image size using a microscope. This invention relates to a high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectroscopy device that is bright, compact, and has excellent operability.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

顕微多波長分光装置は、従来より、顕微鏡的な大きさの
試料の吸収分光特性等を測定し、それによりその試料中
に含まれる吸収物質等を量的あるいは質的に調べる装置
として使用されており、最近は、生物発光、化学発光、
励起光による極微弱蛍光等を呈する微小物体からの極微
弱発光の分光特性を測定する装置としても開発されてき
ている。
Microscopic multi-wavelength spectrometers have traditionally been used to measure the absorption spectral characteristics of microscopic samples and thereby quantitatively or qualitatively investigate absorbing substances contained in the samples. Recently, bioluminescence, chemiluminescence,
It has also been developed as a device for measuring the spectral characteristics of extremely weak luminescence from minute objects that exhibit extremely weak fluorescence due to excitation light.

これらのなかで、励起光の試料による吸収分光特性や反
射分光時性を求めるものとして、回折格子を用いた分光
器を利用した顕微分光測光法やフーリエ変換分光器を利
用した顕微測定用フーリエ変換分光法が実用化されてい
る。これらは、励起光の各波長当り強度の数桁下の強度
を検出できれば分光特性が求められ、たとえ測定困難な
試料でも励起光を強くしたり、試料濃度を希釈すれば測
定可能であるため、極微弱光を超高感度で検出できる最
高感度の測定系を必要としない。
Among these methods, microspectrophotometry using a spectrometer using a diffraction grating and Fourier transform for microscopic measurement using a Fourier transform spectrometer are used to determine the absorption spectral characteristics and reflection spectral temporality of excitation light by a sample. Spectroscopy has been put into practical use. These spectroscopic characteristics can be determined by detecting an intensity several orders of magnitude lower than the intensity for each wavelength of the excitation light, and even difficult samples can be measured by increasing the excitation light or diluting the sample concentration. It does not require the highest sensitivity measurement system that can detect ultra-weak light with ultra-high sensitivity.

一方、励起光による試料からの顕微鏡下での蛍光やラマ
ン散乱の測定は、細胞内カルシウムの濃度測定用として
の顕微蛍光法や、干渉計を採用したフーリエ変換分光法
による顕微蛍光分光法、さらに顕微鏡下でのマイクロラ
マン分光法として実用化されている。しかしながら、蛍
光やラマン散乱は、試料の吸収分光特性を求めるため透
過光を測定するのに比較してはるかに弱い光を検出する
ため、できる限り明るい顕微分光が要求される。
On the other hand, measurements of fluorescence and Raman scattering from a sample using excitation light under a microscope include microfluorescence spectroscopy for measuring the concentration of intracellular calcium, microfluorescence spectroscopy using Fourier transform spectroscopy using an interferometer, and It has been put into practical use as micro-Raman spectroscopy under a microscope. However, fluorescence and Raman scattering detect much weaker light than measuring transmitted light in order to determine the absorption spectral characteristics of a sample, so microscopic spectroscopy as bright as possible is required.

さらに、生物からの極微弱な発光の生物フォトンや化学
発光のような励起光のない発光の分光もできる限り明る
い顕微分光が要求される。すなわち、顕微蛍光分光や顕
微ラマン分光、顕微発光分光は、いずれも微小部分の発
光を顕微鏡で拡大して分光を行うため、拡大に逆比例し
て光量は少なくなる。したがって、拡大率を大きくする
につれてますます顕微分光は困難となる。そこで、高感
度な顕微分光装置が要求される。
Furthermore, the brightest possible microscopic spectroscopy is required for spectroscopy of extremely weak biophotons emitted from living organisms and emitted light without excitation light, such as chemiluminescence. That is, in microscopic fluorescence spectroscopy, microscopic Raman spectroscopy, and microscopic luminescence spectroscopy, the light emission from a minute portion is magnified using a microscope and the amount of light decreases in inverse proportion to the magnification. Therefore, as the magnification increases, microscopic spectroscopy becomes increasingly difficult. Therefore, a highly sensitive microspectroscopy device is required.

しかし、このような極微弱光の分光を顕微鏡下で行うた
めには、できるだけ光の損失を少なくして測定すること
が望ましい。そのためには、光束利用率(スルーブツト
)を大きくするために出射立体角を大きくとれる光学系
にして、−度に多数の波長の光を測定する同時測光の優
位性を有する検出系がよい。すなわち、コリメーター系
、集光系とも明るい光学系を採用するとともに、波長走
査を行わないで同時に多波長のスペクトル分析ができる
ポリクロメーターの設計思想をとり入れた高感度多波長
分光装置が必要である。しかしながら、従来の分光装置
にあってはこの要求を満足するものはなかった。
However, in order to perform spectroscopy of such extremely weak light under a microscope, it is desirable to perform measurements with as little light loss as possible. For this purpose, it is preferable to use an optical system that can have a large output solid angle in order to increase the luminous flux utilization rate (throughput), and a detection system that has the advantage of simultaneous photometry that measures light of many wavelengths at once. In other words, a highly sensitive multi-wavelength spectrometer is required that uses bright optical systems for both the collimator system and the condensing system, and also incorporates the design concept of a polychromator that allows spectrum analysis of multiple wavelengths simultaneously without wavelength scanning. . However, none of the conventional spectroscopic devices satisfies this requirement.

すなわち、従来の回折格子を用いた分光器は、基本的に
モノクロメータ−であるため、入射スリットと出射スリ
ットが必須であり、そのため波長走査が必要となり、そ
のとき出射スリット以外の光は捨ててしまっているため
同時測光の優位性はない。また、出射面にスペクトル分
布を検出する1次元又は2次元光分布検出器を配する構
成となっていないため、単に出射スリットをはずして検
出器をつけただけでは、焦点面の問題、収差の問題があ
りうまくいかない。そして、コリメーター系、集光系と
もに反射鏡を軸外しで用いているため、収差によるスペ
クトル線像の曲がりが生じ、Fナンバーはあまり小さく
できず、分光器の明るさには限界があり、F=3以下の
ものは実用化されていなかった。このような従来の分光
器の反射鏡として放物面鏡を用いて、F=1の分光器が
最近開発された。しかしながら、集光鏡(放物面鏡)を
軸外しの状態で用いているため、スペクトル線像が曲が
ってしまい、1次元又は2次元光分布検出器を配置して
正確なスペクトル分布を求めることは困難であるという
大きな問題の他、高感度で検出器を用いるため検出面を
冷却する必要が生じ、そのため検出面の結露を防ぐため
の手段として、1次元又は2次元光分布検出器の光電面
の前面に比較的厚さのある断熱用の真空チャンバーを配
置しなければならないことから生じる、集光用の放物面
鏡の焦点距離を長くしなければならないという問題があ
る。さらに、凹面回折格子を用い、検出器としてアレイ
状の検出器を用いたポリクロメーターが最近販売された
が、凹面回折格子の直径、曲率半径に限界があるため、
明るさに限界があり不充分である。一方、極微弱発光の
分光分析のために、三面コモンパス干渉計、四角コモン
パス干渉計、複屈折偏光干渉計等を用いた静止型干渉分
光法を利用することが提案されているが、その後の検討
の結果、発光試料面の面積がとれるので、分光器より明
るいとの指摘に疑問が出てきた。また、これらの干渉計
においては、従来の分光器より明るい光学系を採用して
いるが、これは鏡の代わりにより明るいレンズを使用し
ていることによるものであり、干渉計の特性ではない。
In other words, since conventional spectrometers using diffraction gratings are basically monochromators, they require an entrance slit and an exit slit, which necessitates wavelength scanning, in which case light other than the exit slit is discarded. Because it is closed, there is no advantage to simultaneous photometry. In addition, since the configuration does not include a one-dimensional or two-dimensional light distribution detector that detects the spectral distribution on the exit surface, simply removing the exit slit and attaching a detector will cause focal plane problems and aberrations. There's a problem and it's not working. In addition, since both the collimator system and the condensing system use reflecting mirrors off-axis, aberrations cause bending of the spectral line image, making it impossible to reduce the F number very much, and there is a limit to the brightness of the spectrometer. Those with F=3 or less have not been put into practical use. Recently, an F=1 spectrometer has been developed using a parabolic mirror as a reflecting mirror in such a conventional spectrometer. However, since the condensing mirror (parabolic mirror) is used off-axis, the spectral line image is curved, and it is difficult to obtain accurate spectral distribution by arranging a one-dimensional or two-dimensional light distribution detector. In addition to the major problem that it is difficult to use a detector with high sensitivity, it is necessary to cool the detection surface.Therefore, as a means to prevent dew condensation on the detection surface, photoelectric conversion of one-dimensional or two-dimensional light distribution detectors is There is a problem in that the focal length of the condensing parabolic mirror must be increased because a relatively thick insulating vacuum chamber must be placed in front of the surface. Furthermore, polychromators that use a concave diffraction grating and an array detector as a detector have recently been sold, but there are limits to the diameter and radius of curvature of the concave diffraction grating.
The brightness is limited and insufficient. On the other hand, for the spectroscopic analysis of extremely weak luminescence, it has been proposed to use stationary interferometry using a three-sided common-path interferometer, a square common-path interferometer, a birefringent polarization interferometer, etc., but further studies are needed. As a result, questions have been raised about the claim that it is brighter than a spectrometer because the area of the luminescent sample surface is larger. Furthermore, these interferometers employ optical systems that are brighter than conventional spectrometers, but this is due to the use of brighter lenses instead of mirrors, and is not a characteristic of the interferometer.

そして、回折格子の横幅より検出器アレイの横幅が小さ
い現状では、これらの幅の大きさがそれぞれの分光シス
テムの分解能を決定するものであるところから、静止型
干渉分光法の分解能は分光器より悪く、また、エネルギ
ーの点からは、分光器の場合、入射スリットの幅を広げ
ると分解能1ま悪くなる代わりにエネルギーはかせげる
が、静止型干渉分光法ではこのようなことはできない。
Currently, the width of the detector array is smaller than the width of the diffraction grating, and the size of these widths determines the resolution of each spectroscopic system, so the resolution of stationary interferometry is higher than that of the spectrometer. Moreover, from the point of view of energy, in the case of a spectrometer, increasing the width of the entrance slit increases energy at the cost of deteriorating the resolution by 1, but this cannot be done with stationary interferometry.

そして、例えば、従来のレーザーラマン分光装置と顕微
鏡とを組み合わせ、1μm程度の局所領域のラマン分光
スペクトルを測定できるようにしたものとして、第11
図に示したブロック構成図を有する顕微ラマンシステム
が開発されているが、この顕微ラマンシステムは顕微鏡
部分とレーザーラマン分光装置部分との結合機構が複雑
になっている。
For example, the 11th model is a system that combines a conventional laser Raman spectrometer and a microscope to be able to measure Raman spectra in a local area of about 1 μm.
Although a microscopic Raman system having the block diagram shown in the figure has been developed, this microscopic Raman system has a complicated coupling mechanism between the microscope section and the laser Raman spectrometer section.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

以上のとおりの現状であるため、従来の分光器ないし分
光法を用いて、生物発光、化学発光、励起光による極微
弱蛍光等を呈する微小物体からの極微弱発光の分光分析
、特に同時に多波長のスペクトル分布を求めることは困
難であった。
Due to the current situation as described above, spectroscopic analysis of extremely weak luminescence from microscopic objects exhibiting bioluminescence, chemiluminescence, extremely weak fluorescence due to excitation light, etc. using conventional spectrometers or spectroscopy, especially at multiple wavelengths at the same time. It was difficult to determine the spectral distribution of

したがって、本発明の目的は、上記した従来の分光器な
いし分光法を用いた顕微分光装置の欠点を克服し、極め
て明るく、小型で、生物発光、化学発光、励起光による
極微弱蛍光等の極微弱光のスペクトル分布を波長走査な
しに同時に求めることができるポリクロメーターの技術
思想による新規な高感度多波長分光装置を用いた高感度
顕微多波長分光装置を提供することである。
Therefore, it is an object of the present invention to overcome the drawbacks of the conventional spectrometers or microspectroscopy devices using spectroscopy, and to provide an extremely bright and compact device capable of emitting extremely weak fluorescence such as bioluminescence, chemiluminescence, and extremely weak fluorescence caused by excitation light. An object of the present invention is to provide a high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer using a novel high-sensitivity multi-wavelength spectrometer based on the technical idea of a polychromator, which can simultaneously determine the spectral distribution of weak light without wavelength scanning.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明の高感度顕微多波長分光装置は、試料の拡大像を
形成する顕微鏡光学系と、試料の拡大像の微小領域又は
ある程度の広がりのある領域からの光を点状ないし線状
に限定して射出する光学系、この限定して射出する光学
系の点状ないし線状の射出端を焦点としそこから出る光
をとり入れて平行にする明るいコリメーターレンズ、コ
リメーターレンズによって平行にされた光を回折して分
光する反射型回折格子、反射型回折格子によって分光さ
れた平行光を像面上にスペクトル像として結像する結像
レンズ、及び、結像レンズの像面上に配置された高感度
1次元又は2次元光検出器からなる高感度多波長分光装
置とから構成されていることを特徴とするものである。
The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention includes a microscope optical system that forms an enlarged image of a sample, and a system that confines light from a minute region or a region with a certain degree of spread in the enlarged image of the sample to a point or line. A bright collimator lens that focuses the point or linear exit end of this limited output optical system and takes in the light emitted from it and makes it parallel, and the light that is made parallel by the collimator lens. a reflection-type diffraction grating that diffracts and separates the light, an imaging lens that images the parallel light separated by the reflection-type diffraction grating as a spectral image on an image plane, and a It is characterized in that it is comprised of a highly sensitive multi-wavelength spectrometer consisting of a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector.

そして、励起光による極微弱発光の分光のためには、顕
微鏡光学系が、波長固定(し7ザー)又は波長遺沢可能
な試料の励起用光源を有し、その励起用光源により照射
された試料の再放出光の拡大像を形成するように構成さ
れているものである。
For spectroscopy of ultra-weak luminescence caused by excitation light, the microscope optical system has a light source for excitation of the sample that can fix the wavelength or change the wavelength, and the sample is irradiated by the excitation light source. It is configured to form an enlarged image of re-emitted light from the sample.

生物発光、化学発光等の極微弱な自然発光の分光検出の
ためには、高感度多波長分光装置が、反射型回折格子と
してブレーズド回折格子を用い、分光装置の各構成要素
を一1次の回折光をスペクトル像としてとり出し可能に
配置することが望ましく、ラマン散乱、蛍光等の励起光
による極微弱発光の分光検出のためには、反射型回折格
子としてブレーズド回折格子を用い、分光装置の各構成
要素を+1次の回折光をスペクトル像としてとり出し可
能に配置することが望ましい。
For spectroscopic detection of extremely weak natural luminescence such as bioluminescence and chemiluminescence, a highly sensitive multi-wavelength spectrometer uses a blazed diffraction grating as a reflection type diffraction grating, and each component of the spectrometer is It is desirable to arrange the diffracted light so that it can be taken out as a spectral image.For spectroscopic detection of extremely weak light emitted by excitation light such as Raman scattering and fluorescence, a blazed diffraction grating is used as a reflection diffraction grating. It is desirable to arrange each component so that the +1st-order diffracted light can be taken out as a spectral image.

上記の高感度多波長分光装置の変形として、コリメータ
ーレンズと結像レンズとを1つの兼用レンズによって兼
用させ、この兼用レンズを反射型回折格子の前面に平行
に配置し、兼用レンズの焦点面上に試料の拡大像の微小
領域又はある程度の広がりのある領域からの光を点状な
いし線状に限定して射出する光学系の点状ないし線状の
射出端を位置させて、兼用レンズの像面上に高感度1次
元又は2次元光検出器を配置するようにすることもでき
る。
As a modification of the above-mentioned high-sensitivity multi-wavelength spectrometer, one dual-purpose lens is used as both the collimator lens and the imaging lens, and this dual-purpose lens is arranged parallel to the front surface of the reflection type diffraction grating, so that the focal plane of the dual-purpose lens is The dot or line exit end of the optical system that confines light from a minute area of the magnified image of the sample or an area with a certain degree of spread to a dot or line and outputs it is positioned above the dual-purpose lens. It is also possible to arrange a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector on the image plane.

また、試料の拡大像の微小領域又はある程度の広がりの
ある領域からの光を点状ないし線状に限定して射出する
光学系としては、スリットないしピンホールを用いても
よいし、光コンセントレイターをを用いてもよい。
In addition, as an optical system that confines light from a microscopic region of an enlarged image of the sample or a region with a certain degree of spread to a point or line and emits it, a slit or a pinhole may be used, or a light concentrator may be used. You may also use

さらに、上記のような高感度多波長分光装置の高感度1
次元又は2次元光検出器を除いた分光器を同種又は種類
を異ならして2以上多段に配置し、加分散又は差分散の
配列にすることにより、数回回折光を利用して、角分散
を制御することにより、より分解能を向上させた高感度
多波長分光装置にすることができる。
Furthermore, the high sensitivity 1 of the high-sensitivity multi-wavelength spectrometer as described above
By arranging two or more spectrometers of the same type or different types in multiple stages, excluding a dimensional or two-dimensional photodetector, and arranging them for additive dispersion or differential dispersion, angular dispersion can be achieved by utilizing the diffracted light several times. By controlling this, a highly sensitive multi-wavelength spectrometer with improved resolution can be obtained.

〔作用〕[Effect]

本発明の高感度顕微多波長分光装置に用いられている高
感度多波長分光装置においては、試料の拡大像の微小領
域又はある程度の広がりのある領域からの光を点状ない
し線状に限定して射出する光学系が、顕微鏡光学系によ
って形成された試料の拡大像からの光を点状又は線状光
源としてコリメータレンズに入射させ、コリメータレン
ズは試料の拡大像からの光を漏れなく平行度の高い平行
光線にして反射型回折格子に入射させる。したがって、
反射型回折格子はその分解能を十分に発揮するとともに
極微弱光を分光するようになる。また、コリメータレン
ズと結像レンズとは、反射型回折格子に極近接して配置
できるので、装置の小型化が実現できる。そして、コリ
メータレンズと結像レンズとして、Fナンバーが可能な
限り小さい明るいレンズを使用することができるので、
両レンズの合成糸となる高感度多波長分光装置全体の明
るさを十分に大きくすることができ、高感度1次元又は
2次元光検出器と組み合わせることにより、生物発光、
化学発光、励起光による極微弱蛍光等の極微弱光の同時
多波長分析が可能になり、特に、生物発光、化学発光、
励起光による極微弱蛍光等を利用した生体、微量成分の
研究手段として有効なものである。したがって、本発明
の高感度顕微多波長分光装置は、多波長分光装置として
、上記のような生物発光、化学発光、励起光による極微
弱蛍光等を呈する微小物体からの極微弱光の多波長同時
分光分析を簡便に行うことのできる高感度多波長分光装
置を用いるので、明るく、極微弱光の検出ができ、小型
で操作性の優れたものとなり、特に、生物発光、化学発
光、励起光による極微弱蛍光等を利用した生体の研究手
段として有効なものとなる。
In the high-sensitivity multi-wavelength spectrometer used in the high-sensitivity multi-wavelength microspectroscopy device of the present invention, light from a minute region of an enlarged image of a sample or a region with a certain degree of spread is limited to a point or line. The optical system that emits the light from the magnified image of the sample formed by the microscope optical system enters the collimator lens as a point or linear light source, and the collimator lens adjusts the parallelism without leaking the light from the magnified image of the sample. The parallel light beam is made into a highly parallel light beam and is made incident on a reflection type diffraction grating. therefore,
Reflection-type diffraction gratings fully demonstrate their resolution and are capable of dispersing extremely weak light. Furthermore, since the collimator lens and the imaging lens can be arranged very close to the reflective diffraction grating, the device can be made smaller. And, as the collimator lens and imaging lens, bright lenses with the smallest possible F number can be used.
The brightness of the entire high-sensitivity multi-wavelength spectrometer, which is a composite thread of both lenses, can be sufficiently increased, and by combining it with a high-sensitivity one-dimensional or two-dimensional photodetector, bioluminescence,
Simultaneous multi-wavelength analysis of ultra-weak light such as chemiluminescence and ultra-weak fluorescence caused by excitation light is now possible, especially bioluminescence, chemiluminescence,
It is effective as a means of researching living organisms and trace components using extremely weak fluorescence caused by excitation light. Therefore, the high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention is a multi-wavelength spectrometer that simultaneously captures multiple wavelengths of ultra-weak light from minute objects exhibiting bioluminescence, chemiluminescence, ultra-weak fluorescence due to excitation light, etc. as described above. Since it uses a highly sensitive multi-wavelength spectrometer that can easily perform spectroscopic analysis, it is bright, can detect ultra-weak light, is small and has excellent operability, and is particularly useful for bioluminescence, chemiluminescence, and excitation light. This will be an effective means of studying living organisms using extremely weak fluorescence.

〔実施例〕〔Example〕

本発明の高感度顕微多波長分光装置は、顕微鏡光学系と
多波長分光装置を組み合わせていて、その顕微鏡光学系
自体は、従来の顕微分光装置と同様に、対物レンズと接
眼レンズないし結像レンズからなる種々の態様の顕微鏡
光学系を使用することができる。しかしながら、従来の
ものより明るく高感度な分光装置をしかも多波長同時検
出装置として用いている。
The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention combines a microscope optical system and a multi-wavelength spectroscopic device, and the microscope optical system itself consists of an objective lens, an eyepiece lens, or an imaging lens, as in a conventional microspectroscopic device. Various types of microscope optical systems can be used. However, it uses a spectroscopic device that is brighter and more sensitive than conventional ones, and is also used as a multi-wavelength simultaneous detection device.

すなわち、多波長分光装置において、生物発光、化学発
光、励起光による極微弱蛍光等の極微弱光を分光分析す
るためには、顕微鏡光学系によって拡大された試料の発
光点からの光を可能な限り多く分光系に入射させるよう
に光学系を選択する必要がある。そのため、光学系が極
微弱光発光点を見込む立体角を可能な限り大きくする必
要がある。
In other words, in order to perform spectroscopic analysis of extremely weak light such as bioluminescence, chemiluminescence, and extremely weak fluorescence caused by excitation light using a multiwavelength spectrometer, it is necessary to analyze the light from the luminescent point of the sample magnified by the microscope optical system. It is necessary to select an optical system so that as much light as possible enters the spectroscopic system. Therefore, it is necessary to make the solid angle at which the optical system looks at the extremely weak light emitting point as large as possible.

一方、分光系によって分光されたスペクトル線像は可能
な限り直線状に結像されなければならない。
On the other hand, the spectral line image separated by the spectroscopic system must be formed as linearly as possible.

このような要求を満足する光学系としては、現在のとこ
ろ光学ガラスレンズの組み合わせからなるFナンバーの
小さい光学レンズしかない。光学レンズにおいては、収
差のないFナンバーがl以下のものも容易に人手できる
。したがって、本発明に用いる高感度多波長分光装置に
おいては、このようなFナンバーの小さい光学レンズを
用いる。
At present, the only optical system that satisfies these requirements is an optical lens with a small F number that is made up of a combination of optical glass lenses. Optical lenses with no aberrations and an F number of l or less can be easily produced by hand. Therefore, in the highly sensitive multi-wavelength spectrometer used in the present invention, such an optical lens with a small F number is used.

そして、この光学レンズによって平行にされた光束を分
光する分光系として反射型の回折格子を用い、さらに、
回折された光を結像して、スペクトル分布像を与えるた
めにも明るい光学レンズを用い、その像面にスペクトル
強度分布像を電気的に検出する高感度1次元又は2次元
光検出器を配置して、各波長の光強度を同時に検出する
Then, a reflection type diffraction grating is used as a spectroscopic system that separates the light beam made parallel by this optical lens, and further,
A bright optical lens is used to image the diffracted light and provide a spectral distribution image, and a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector is placed on the image plane to electrically detect the spectral intensity distribution image. The light intensity of each wavelength is detected simultaneously.

第1図は、本発明の高感度顕微多波長分光装置の全体の
構成の1例を示したものである。この図面に示した高感
度顕微多波長分光装置は、試料Sの拡大像を形成する顕
微鏡光学系rと、その拡大像の分光すべき部分からの光
を分光検出する分光検出光学系(高感度多波長分光装置
)■とからなっており、その顕微鏡光学系Iは、試料S
の照明光源(図示せず。試料自身が極微弱光を発生する
場合には必要ない。)、試料載置台(図示せず)、像側
焦点Flを有する対物レンズ系1、及び、像側焦点F2
を有する接眼レンズ系2からなっている。この顕微鏡光
学系■においては、試料Sの中間像Saが対物レンズ系
1により、対物レンズ系の像側焦点Flから距離11の
位置に結像し、さ°らに、その拡大像sbが接眼レンズ
系2により、接眼レンズ系の像側焦点Flから距離2□
の位置に形成されるようになっている。
FIG. 1 shows an example of the overall configuration of a high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer according to the present invention. The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer shown in this drawing consists of a microscope optical system r that forms an enlarged image of the sample S, and a spectroscopic detection optical system (high-sensitivity The microscope optical system I is a multi-wavelength spectrometer).
an illumination light source (not shown; not necessary if the sample itself generates extremely weak light), a sample mounting table (not shown), an objective lens system 1 having an image-side focal point Fl, and an image-side focal point. F2
It consists of an eyepiece lens system 2 having a. In this microscope optical system (2), an intermediate image Sa of the sample S is formed by the objective lens system 1 at a distance of 11 from the image-side focal point Fl of the objective lens system, and an enlarged image sb of the intermediate image is formed by the objective lens system 1. Lens system 2 allows distance 2□ from the image-side focal point Fl of the eyepiece system.
It is designed to be formed at the position of

第1図の顕微鏡光学系Iは発光試料又は吸収試料を分析
する際に用いるものであるが、第2図に示した本発明の
高感度顕微多波長分光装置のように、試料Sの励起用光
源Lsを備え、励起用光源Lsにより照射された試料S
の蛍光、ラマン放射光等の拡大像を形成するようにして
もよい。これにより、局所領域の試料の蛍光分析、ラマ
ン分析等をすることが可能となる。この場合、励起用光
源Lsとしては、蛍光分析、ラマン分析等に使用する公
知の励起用光源を用いることができるが、特に、波長固
定のレーザーや波長選択可能なものが使用できる。
The microscope optical system I in Fig. 1 is used when analyzing a luminescent sample or an absorbing sample, but it is also used for excitation of a sample S, as in the high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention shown in Fig. 2. A sample S equipped with a light source Ls and irradiated by the excitation light source Ls
An enlarged image of fluorescence, Raman radiation, etc. may be formed. This makes it possible to perform fluorescence analysis, Raman analysis, etc. of a sample in a local area. In this case, as the excitation light source Ls, a known excitation light source used for fluorescence analysis, Raman analysis, etc. can be used, but in particular, a fixed wavelength laser or a wavelength selectable one can be used.

分光検出光学系■は、このような顕微鏡光学系Iにより
形成された試料Sの拡大像sbの微小領域又はある程度
の広がりのある領域からの光を点状ないし線状に限定し
て射出する光学系3、この点状ないし線状に限定された
位置を焦点とし、そこから出る光を可能な限り多くとり
入れて平行にするFナンバーの小さいコリメーターレン
ズ4、コリメーターレンズ4によって平行にされた光を
回折して分光する反射型回折格子5、及び、反射型回折
格子5によって分光された平行光を像面P上にスペクト
ル像として結像する結像レンズ6からなる分光器と、ス
ペクトル像面上に配置された高感度1次元又は2次元光
検出器7とから構成されているものである。高感度1次
元又は2次元光検出器7の出力側にはコンピュータ8が
接続されていて、それからの出力に基づいてスペクトル
分析を行う。なお、反射型回折格子5は、検出スペクト
ル範囲を調整するために、点Cを中心として、図示した
矢印のように回転調節可能に構成されている。
The spectroscopic detection optical system (2) is an optical system that confines light from a minute area or a certain extent of spread area of the enlarged image sb of the sample S formed by the microscope optical system I to a point or line and emits it. System 3: This point-like or linearly limited position is set as a focal point, and the light emitted from it is taken in as much light as possible and made parallel by collimator lens 4 with a small F number. A spectrometer consisting of a reflection type diffraction grating 5 that diffracts and separates light, and an imaging lens 6 that images the parallel light separated by the reflection type diffraction grating 5 as a spectral image on an image plane P, and a spectral image. It is composed of a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7 arranged on a surface. A computer 8 is connected to the output side of the highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7, and performs spectrum analysis based on the output from the computer 8. Incidentally, the reflection type diffraction grating 5 is configured to be rotatable as shown by the arrow shown in the figure, centering on a point C, in order to adjust the detection spectrum range.

この場合、拡大像sbの微小領域又はある程度の広がり
のある領域を点状ないし線状に限定して射出する光学系
3としては、試料の拡大像sbの微小領域又はある程度
の広がりのある領域からの光を点状あるいは線状にして
とり出せるものであれば特に制限はない。例えば、第3
図に示した分光検出光学系■のように、拡大像sbの像
面上にピンホール又はスリット3aを配置し、拡大像S
bからの光を絞るようにしてもよいし、あるいは、第4
図に示した分光検出光学系Hのように、拡大像sbから
の光を集光窓から集光し、点状又は線状の射出端に射出
する光コンセントレイク−3bにより構成してもよい。
In this case, the optical system 3 for emitting light from a minute region of the enlarged image sb of the sample or a region having a certain degree of spread, in a dotted or linear form, is used to There is no particular restriction as long as the light can be extracted in the form of points or lines. For example, the third
As shown in the spectral detection optical system (3), a pinhole or slit 3a is arranged on the image plane of the enlarged image sb, and the enlarged image S
The light from b may be narrowed down, or the fourth
Like the spectral detection optical system H shown in the figure, it may be configured with a light concentrator 3b that collects the light from the enlarged image sb from a condensing window and emits it to a point-like or linear exit end. .

ただし、拡大像Sbの微小領域又はある程度の広がりの
ある領域を点状ないし線状に限定して射出する光学系3
の大きさは、穴の大きさにより、例えば直径りの丸穴と
したとき、λ/Dの回折角の広がった光束として分光器
の方に入射する。すなわち、拡大像sbの空間分解能を
高めるため、穴の直径りを小さくすると回折角は大きく
なり、広がった光束となって分光器に入射する。一方、
穴の直径りを大きくすると、回折角は小さくなり、顕微
鏡のレンズ系で決まる広がり角の光束になるため、光束
の損失は少ないが、空間分解は悪くなる。空間分解と試
料の発光により、光学系3の直径を選択することが、感
度をよくする上で考慮する必要がある。
However, the optical system 3 that confines the enlarged image Sb to a minute region or a region with a certain degree of spread in the form of a point or a line.
The size of the hole depends on the size of the hole. For example, when the hole is a round hole with a diameter, the light beam enters the spectroscope as a light beam with a wide diffraction angle of λ/D. That is, in order to increase the spatial resolution of the enlarged image sb, if the diameter of the hole is made smaller, the diffraction angle becomes larger, and the beam becomes a spread beam and enters the spectroscope. on the other hand,
When the diameter of the hole is increased, the diffraction angle becomes smaller and the beam spreads out as determined by the lens system of the microscope, so the loss of the beam is small, but the spatial resolution becomes worse. The selection of the diameter of the optical system 3 should be considered in order to improve sensitivity, depending on the spatial resolution and luminescence of the sample.

このような、高感度多波長分光装置Hにあっては、回折
格子5の格子間隔をd、回折格子4への入射角を1、回
折格子5からの回折角をβ、波長をλ、回折次数をmと
すると、 sin i +sinβ=mλ/d の関係を満足するように、試料Sの拡大像sbからの極
微弱な入射光が回折され、高感度1次元又は2次元光検
出器7上にスペクトル分光された像が結像されるので、
高感度1次元又は2次元光検出器7からの出力をコンピ
ュータ8によって分析し、その像の座標とその点の像強
度を求めることによって、生物発光、化学発光、励起光
による極微弱蛍光等を呈する微小物体からの極微弱発光
の分光特性を同時に測定することができる。ところで、
上記式において、m−−1の関係を満足させるように、
結像レンズ6及び高感度1次元又は2次元光検出器7を
配置する基本タイプ(−1次斜入射分光型)と、m−+
1の関係を満足させるように、結像レンズ6及び高感度
1次元又は2次元光検出器7を配置する基本タイプ(+
1次斜入射分光型)とがある。第5図(a)に−1次斜
入射分光型を、第5図(′b)に+1次斜入射分光型を
示す。これらの場合、反射型回折格子4としてはブレー
ズド回折格子を用い、図示のように配置する。
In such a high-sensitivity multi-wavelength spectrometer H, the grating interval of the diffraction grating 5 is d, the incident angle to the diffraction grating 4 is 1, the diffraction angle from the diffraction grating 5 is β, the wavelength is λ, and the diffraction When the order is m, the extremely weak incident light from the enlarged image sb of the sample S is diffracted so as to satisfy the relationship sin i + sin β = mλ/d, and is transmitted onto the highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7. A spectral image is formed on the
By analyzing the output from the highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7 using the computer 8 and determining the coordinates of the image and the image intensity at that point, bioluminescence, chemiluminescence, extremely weak fluorescence due to excitation light, etc. can be detected. It is possible to simultaneously measure the spectral characteristics of extremely weak light emitted from small objects. by the way,
In the above formula, so as to satisfy the relationship m--1,
The basic type (-1st order oblique incidence spectroscopy type) in which an imaging lens 6 and a high-sensitivity one-dimensional or two-dimensional photodetector 7 are arranged, and m-+
A basic type (+
There is a 1st-order oblique incidence spectroscopy type). FIG. 5(a) shows a -1st order oblique incidence spectroscopy type, and FIG. 5('b) shows a +1st order oblique incidence spectroscopy type. In these cases, a blazed diffraction grating is used as the reflection type diffraction grating 4, and is arranged as shown in the figure.

第5図(a)の−1次斜入射分光型及び第5図(b)の
+1次斜入射分光型分光器におけるコリメーターレンズ
4と結像レンズ6の口径の関係を考えてみる。第6図(
a)は−1次斜入射分光型について検討するための光路
図であるが、コリメーターレンズ4の直径をD1%回折
格子の幅をl、中心波長の回折角をβc1、結像レンズ
6の直径をDoとするDi  =j7cos  i D、 =j’sin (2/π−βc、)=fflco
s βC。
Let us consider the relationship between the apertures of the collimator lens 4 and the imaging lens 6 in the -1st order oblique incidence spectrometer shown in FIG. 5(a) and the +1st order oblique incidence spectroscope shown in FIG. 5(b). Figure 6 (
a) is an optical path diagram for studying the -1st order oblique incidence spectroscopy type, where the diameter of the collimator lens 4 is D1, the width of the diffraction grating is l, the diffraction angle of the center wavelength is βc1, and the diameter of the imaging lens 6 is D1. Di with diameter Do = j7 cos i D, = j'sin (2/π-βc,) = fflco
s βC.

ところで、このタイプの場合、光検出器7に有効に光が
達するためには、I〈βc8であるから、Di>Do の条件を満足するように結像レンズ6の口径を選ぶこと
が必要である。同じようにして、第6図ゎ)の+1次斜
入射分光型について検討すると、D、 =ji!cos
 1 Do=j!cosβC。
By the way, in the case of this type, in order for the light to effectively reach the photodetector 7, since I<βc8, it is necessary to select the aperture of the imaging lens 6 so as to satisfy the condition of Di>Do. be. In the same way, if we consider the +1st-order oblique incidence spectroscopy shown in Figure 6, D, = ji! cos
1 Do=j! cosβC.

このタイプの場合、光検出器7に有効に光が達するため
には、i〉β。であるから、 Di<Do の条件を満足するように結像レンズ6の口径を選ぶこと
が必要である。この検討に基づいて、分光すべき光の種
類に応じて何れのタイプを選択すべきかを検討する。−
1次斜入射分光型は、ブレーズド回折格子を第6図(a
)に示したように、短い回折面にも入射光が当たるよう
に配置しなければならないため、この面から反射光が生
じて迷光となり、バックグラウンド光を増加させる。こ
れに対して、+1次斜入射分光型は、第6図(b)に示
すように、ブレーズド回折格子の短い回折面には光が当
たらないように回折格子が配置されるため、迷光は生じ
ないが、上記したように結像レンズ6の口径がコリメー
ターレンズ4のそれより大きい必要がある。ところが、
本発明に用いる高感度多波長分光装置においては、コリ
メーターレンズ4の口径は可能な限り大きなものである
ので、それ以上の口径のレンズを結像レンズとして用い
ることは困難である。したがって、+1次斜入射分光型
のものは、結像レンズ6としてコリメーターレンズ4の
口径程度のものを用いる場合、損失の大きいものという
ことができる。以上のとおりであるから、生物発光、化
学発光のような極微弱な自然発光の分光検出のためには
、−1次斜入射分光型のものが適していると言える。こ
れに対して、迷光の影響が重大なラマン散乱、蛍光等の
励起光による極微弱発光の分光においては、多少のロス
はあっても、迷光が信号光を隠さない+1次斜入射分光
型のものがより適していると言える。なお、当然ながら
、レンズの設計において、自由にコリメーターレンズ、
結像レンズの口径、Fナンバーが実現できるなら、生物
発光、化学発光のような極微弱な自然発光の分光検出の
ためにも、+1次斜入射分光型のものがより優れている
と言うことができる。また、分解能をよくする必要があ
るときも、+1次斜入射分光型のものがよい。
In this type of case, in order for light to effectively reach the photodetector 7, i>β. Therefore, it is necessary to select the aperture of the imaging lens 6 so as to satisfy the condition Di<Do. Based on this study, we will consider which type should be selected depending on the type of light to be separated. −
The first-order oblique incidence spectroscopy type uses a blazed diffraction grating as shown in Figure 6 (a).
), since the arrangement must be such that the incident light also hits a short diffraction surface, light reflected from this surface becomes stray light and increases background light. On the other hand, in the +1st-order oblique incidence spectroscopy type, as shown in Figure 6(b), the diffraction grating is arranged so that the light does not hit the short diffraction surface of the blazed diffraction grating, so stray light does not occur. However, as mentioned above, the aperture of the imaging lens 6 needs to be larger than that of the collimator lens 4. However,
In the highly sensitive multi-wavelength spectrometer used in the present invention, the aperture of the collimator lens 4 is as large as possible, so it is difficult to use a lens with a larger aperture as an imaging lens. Therefore, the +1st-order oblique incidence spectroscopy type can be said to have a large loss when the imaging lens 6 has a diameter similar to that of the collimator lens 4. As described above, it can be said that the -1st order oblique incidence spectroscopy type is suitable for the spectroscopic detection of extremely weak natural luminescence such as bioluminescence and chemiluminescence. On the other hand, in the spectroscopy of extremely weak light emitted by excitation light such as Raman scattering and fluorescence, where the influence of stray light is significant, the +1st-order oblique incidence spectroscopy type, in which stray light does not hide the signal light, although there is some loss, It can be said that this is more suitable. Of course, when designing the lens, you are free to use collimator lenses,
If the aperture and F number of the imaging lens can be achieved, then the +1st order oblique incidence spectroscopy type is better for the spectroscopic detection of extremely weak natural luminescence such as bioluminescence and chemiluminescence. I can do it. Also, when it is necessary to improve the resolution, a +1st order oblique incidence spectroscopy type is preferable.

なお、コリノーターレンズ4、結像レンズ6としては、
球面レンズからなるFナンバーの小さいレンズだけでは
なく、非球面レンズ、フレネルレンズを用いてもよい。
In addition, as the collinator lens 4 and the imaging lens 6,
Not only a spherical lens with a small F number, but also an aspherical lens or a Fresnel lens may be used.

このような高感度多波長分光装置Hにより試料の拡大像
Sbからの光を分光分析するに際しては、上記第1〜3
図に示したように、結像レンズ6から射出する回折光が
0次光以外に一1次光、+1次光等の光を含むので、さ
きに述べたように適当な次数の回折光の中心波長が高感
度1次元又は2次元光検出器7の中心にくるように結像
レンズ6を配置するとともに、回折格子5の角度を調節
する。
When performing spectroscopic analysis of the light from the enlarged image Sb of the sample using such a high-sensitivity multi-wavelength spectrometer H, the above-mentioned first to third
As shown in the figure, the diffracted light emitted from the imaging lens 6 includes 11th-order light, +1st-order light, etc. in addition to the 0th-order light, so as mentioned earlier, the diffracted light of an appropriate order is The imaging lens 6 is arranged so that the center wavelength is at the center of the highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7, and the angle of the diffraction grating 5 is adjusted.

ところで、高感度多波長分光装置Hについて、第1図に
示した基本タイプの変形として、コリメーターレンズと
結像レンズとを1つのレンズによって兼用させる分光装
置が考えられる。第7図(a)に示すように、反射型回
折格子5の前面にFナンバーの小さいコリメーター・結
像兼用レンズ9を平行に配置し、この兼用レンズ9の焦
点に入射スリット3を位置させ、回折格子5による回折
光の兼用レンズ9による像位置に高感度1次元又は2次
元光検出器7を配置して、試料からの光を垂直に入射さ
せるものである(垂直入射分光型)。入射スリット3と
高感度1次元又は2次元光検出器7との配置位置を交換
して、第7図〜〉のように試料からの光を斜め方向から
入射させるように配置してもよい(斜入射分光型)。図
の(b)の斜入射分光型のものが、図の(a)の垂直入
射分光型のものより、回折光の角度分解能に優れており
、光束利用では、図の(a)の垂直入射分光型のものが
優れていまた、高感度1次元又は2次元光検出器7とし
ては、第8図に示したように、2次元光子計数管と低残
像ビジコンを組み合わせたもの(VIMS)、第9図の
ような光子計数型画像計測装置(PIAS)、さらには
、ダイオード光検出器をアレー状に並べたアレー光検出
器、CCD等が含まれる。
By the way, as a modification of the basic type of high-sensitivity multi-wavelength spectroscopic device H shown in FIG. 1, a spectroscopic device can be considered in which a single lens serves as both a collimator lens and an imaging lens. As shown in FIG. 7(a), a collimator/imaging lens 9 with a small F number is placed in parallel in front of the reflective diffraction grating 5, and the entrance slit 3 is positioned at the focal point of this lens 9. A highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7 is placed at the image position of the diffracted light by the diffraction grating 5 by the dual-purpose lens 9, and the light from the sample is vertically incident thereon (vertical incidence spectroscopy type). The positions of the entrance slit 3 and the high-sensitivity one-dimensional or two-dimensional photodetector 7 may be exchanged so that the light from the sample is incident from an oblique direction as shown in FIGS. Grazing incidence spectroscopy type). The oblique incidence spectroscopy type shown in figure (b) has better angular resolution of diffracted light than the normal incidence spectroscopy type shown in figure (a). The spectroscopic type is excellent, and the highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7 is a combination of a two-dimensional photon counter and a low-afterimage vidicon (VIMS), These include a photon counting type image measurement system (PIAS) as shown in FIG. 9, an array photodetector in which diode photodetectors are arranged in an array, a CCD, and the like.

この中のV IMSとPIASについて、簡単に説明す
ると、第8図において、2次元光子計数管21の光電面
22に入射した光子は光電子に変換され、この光電子は
メツシュ23、電子レンズ24を経て2段接続のマイク
ロチャンネルプレート(MCP)25に入射して増幅さ
れ、出射面の蛍光面26に当って輝点を形成する。この
輝点はレンズ27によって低残像ビジコン28の光電面
に結像し、ビジコン28の出力から光子が対応する輝点
の2次元の位置がパルス信号とし求められるので、この
輝点の分布を得ることによって極微弱光スペクトル分布
画像が求められる。
To briefly explain VIMS and PIAS among these, in FIG. The light enters a microchannel plate (MCP) 25 connected in two stages, is amplified, and hits a fluorescent screen 26 on the output surface to form a bright spot. This bright spot is imaged by the lens 27 on the photocathode of the low afterimage vidicon 28, and the two-dimensional position of the bright spot to which the photon corresponds is determined from the output of the vidicon 28 as a pulse signal, so the distribution of this bright spot is obtained. By doing this, an ultra-weak light spectral distribution image can be obtained.

また、第9図のPIASにおいては、光電面22からM
CP25に至るまでの構成は第8図のものと同様であり
(もっとも、第9図のMCP25は3段接続である)、
MCP25から出る電子群はその後に配置されたシリコ
ン半導体装置検出器(PSD)29に入射し、電子衝撃
効果によってさらに増幅され、パルス信号としてPSD
29から出力される。PSD29はその周辺に4個の信
号出力電極30を持つ電荷分配型の位置検出器であり、
PSD29内部で発生した電荷は、表面の抵抗層を経て
これら4個の電極30にその発生位置に応じて分配され
る。この結果、PSD29に入射する電子群の重心位置
すなわち、輝点位置に対応する信号が4個の電極30か
ら得られる。PSD29から得られるパルス信号はアン
プ32で増幅された後、位置演算装置31に導かれる。
In addition, in the PIAS shown in FIG.
The configuration up to the CP25 is the same as that in Fig. 8 (although the MCP25 in Fig. 9 has a three-stage connection).
The electron group emitted from the MCP 25 enters the silicon semiconductor device detector (PSD) 29 placed after it, is further amplified by the electron impact effect, and is output as a pulse signal to the PSD.
It is output from 29. The PSD 29 is a charge distribution type position detector that has four signal output electrodes 30 around it.
Charges generated inside the PSD 29 are distributed to these four electrodes 30 according to their generation positions via the resistance layer on the surface. As a result, a signal corresponding to the position of the center of gravity of the electron group incident on the PSD 29, that is, the position of the bright spot, is obtained from the four electrodes 30. The pulse signal obtained from the PSD 29 is amplified by an amplifier 32 and then guided to a position calculation device 31.

ここで、これらパルス信号を積分回路33で積分して各
電極30からの電荷量を求める。次に、これらの信号を
加減算回路34に導き、ウィンドゲート35を介して除
算器36に導いて位置信号に変換し、AD変換器37で
AD変換して出力する。
Here, these pulse signals are integrated by an integrating circuit 33 to determine the amount of charge from each electrode 30. Next, these signals are led to an addition/subtraction circuit 34, and then to a divider 36 via a wind gate 35 to be converted into a position signal, which is then AD-converted by an AD converter 37 and output.

この出力信号を処理して輝点の分布を求め、極微弱光ス
ペクトル分布画像を得ることができる。なお、第8図、
第9図において、符号り。は入射光子(矢印)を光電面
22上に結像させる対物レンズを示している。
This output signal is processed to determine the distribution of bright spots, and an ultra-weak light spectrum distribution image can be obtained. Furthermore, Figure 8,
In FIG. 9, the symbol. indicates an objective lens that images incident photons (arrows) onto the photocathode 22.

ところで、高感度多波長分光装置■として、第1〜7図
に示したものに限らず、分光器を2以上多段に配置して
、角分散を数回回折光を利用して加分散配列に下ること
により、全体の分解能を向上させたものを用いることも
できる。もちろん、差分散の配列もできる。このような
多重多波長分光装置の構成例を第1O図に示す。図中(
a)は、第5図(a)の−1次斜入射分光型分光器A1
〜A、を4段直列に配列して、全体として方形に構成し
たものであり、同じ< (b)のものは、第5図(b)
の+1次斜入射分光型分光器A1〜A4を4段直列に配
列して、全体として方形に構成したものであり、(C)
のものは、+1次斜入射分光型分光器A1〜A、を3段
直列に配列して構成したものである。なお、段数は上記
に限られるものではない。
By the way, high-sensitivity multi-wavelength spectrometers (2) are not limited to the ones shown in Figures 1 to 7, but can also be used by arranging two or more spectrometers in multiple stages and converting the angular dispersion into an additive dispersion array by using the diffracted light several times. By lowering the resolution, it is also possible to use one with improved overall resolution. Of course, you can also array the difference variance. An example of the configuration of such a multiplexed multi-wavelength spectrometer is shown in FIG. 1O. In the figure (
a) is the −1st order oblique incidence spectrometer A1 in FIG. 5(a).
~A, are arranged in four stages in series to form a rectangular structure as a whole, and the same < (b) is shown in Fig. 5 (b).
The +1st order oblique incidence spectrometers A1 to A4 are arranged in series in four stages to form a rectangular structure as a whole, (C)
The device is constructed by arranging +1st order oblique incidence type spectrometers A1 to A in three stages in series. Note that the number of stages is not limited to the above.

以上のように、本発明の高感度顕微多波長分光装置にお
いて、拡大像sbの微小領域又はある程度の広がりのあ
る領域を点状ないし線状に限定して射出する光学系3、
Fナンバーの小さいコリメータレンズ4、反射型回折格
子5、結像レンズ6、高感度1次元又は2次元光検出器
7を有する高感度多波長分光装置■は、生物発光、化学
発光、励起光による極微弱蛍光等を呈する微小物体の拡
大像sbからの極微弱光の分光分析に際して、次のよう
な優れた作用を実現する。すなわち、光学系3が拡大像
sbからの光を点状又は線状光源としてコリメータレン
ズ4に入射させるので、コリメータレンズ4は拡大像s
bからの光を漏れなく平行度の高い平行光線にして反射
型回折格子5に入射させる。したがって、反射型回折格
子5はその分解能を十分に発揮するとともに極微弱光を
分光するようになる。また、コリメータレンズ4と結像
レンズ6とは、反射型回折格子5に極近接して配置でき
るので、装置の小型化が実現できる。さらに、コリメー
タレンズ4と結像レンズ6にはFナンバーの可能な限り
小さい明るいレンズを使用することができるので、両レ
ンズの合成糸となる装置全体の明るさを十分に大きくす
ることができ、高感度1次元又は2次元光検出器7と組
み合わせることにより、従来困難であった生物発光、化
学発光、励起光による極微弱蛍光等の極微弱光の多波長
同時分析が可能になる。
As described above, in the high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention, the optical system 3 is configured to limit and emit a minute region or a region with a certain degree of spread of the enlarged image sb in the form of a point or a line;
The highly sensitive multi-wavelength spectrometer ■, which has a collimator lens 4 with a small F number, a reflective diffraction grating 5, an imaging lens 6, and a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7, uses bioluminescence, chemiluminescence, and excitation light. The following excellent effects are achieved in spectroscopic analysis of extremely weak light from an enlarged image sb of a minute object exhibiting extremely weak fluorescence or the like. That is, since the optical system 3 makes the light from the enlarged image sb enter the collimator lens 4 as a point or linear light source, the collimator lens 4 causes the light from the enlarged image sb to enter the collimator lens 4.
The light from b is made into parallel light beams with high parallelism without leaking and is made incident on the reflection type diffraction grating 5. Therefore, the reflection type diffraction grating 5 fully exhibits its resolution and can separate extremely weak light. Furthermore, since the collimator lens 4 and the imaging lens 6 can be arranged very close to the reflective diffraction grating 5, the device can be made smaller. Furthermore, since the collimator lens 4 and the imaging lens 6 can use bright lenses with the smallest possible F number, the brightness of the entire device, which is a composite thread of both lenses, can be sufficiently increased. By combining with a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector 7, it becomes possible to simultaneously analyze multiple wavelengths of extremely weak light such as bioluminescence, chemiluminescence, and extremely weak fluorescence caused by excitation light, which has been difficult in the past.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上、詳しく説明したように、本発明の高感度顕微多波
長分光装置は、その多波長分光装置として、生物発光、
化学発光、励起光による極微弱蛍光等を呈する微小物体
からの極微弱光の多波長同時分光分析を簡便に行うこと
のできる高感度多波長分光装置を用いるので、明るく、
極微弱光の検出ができ、小型で操作性の優れたものとな
り、特に、生物発光、化学発光、励起光による極微弱蛍
光等を利用した生体の研究手段として有効なものである
As described above in detail, the high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention has bioluminescence, bioluminescence,
It uses a high-sensitivity multi-wavelength spectrometer that can easily perform multi-wavelength simultaneous spectroscopic analysis of ultra-weak light from minute objects exhibiting chemiluminescence, ultra-weak fluorescence due to excitation light, etc.
It is capable of detecting extremely weak light, is compact and has excellent operability, and is particularly effective as a means for researching living organisms using bioluminescence, chemiluminescence, extremely weak fluorescence caused by excitation light, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の高感度顕微多波長分光装置の1実施例
の光学配置図、第2図は他の実施例の光学配置図、第3
図は本発明の高感度顕微多波長分光装置に用いる高感度
多波長分光装置のl実施例の光学配置図、第4図は高感
度多波長分光装置の他の実施例の光学配置図、第5図は
第3図の高感度多波長分光装置の2つの基本タイプの光
学配置図、第6図は第5図の基本タイプを検討するため
の光路図、第7図は本発明の高感度顕微多波長分光装置
に用いる高感度多波長分光装置の他の実施例の光学配置
図、第8図は本発明において用いる2次元光子計数管と
低残像ビジコンを組み合わせたものの断面図、第9図は
他の光子計数型画像計測装置の断面図、第10図は本発
明において用いる高感度多重多波長分光装置の光学配置
図、第11図は従来の顕微ラマンシステムのブロック構
成図である。 S:試料、■:顕微鏡光学系、■:高感度多波長分光装
置、1:対物レンズ系、2:接眼レンズ系、Sa ;試
料の中間像、Sb:拡大像、Ls :励起用光源、分光
器A I””A 4  :分光器、3:試料の拡大像の
微小領域又はある程度の広がりのある領域からの光を点
状ないし線状に限定して射出する光学系、3a:入射ス
リット、3b:光コンセントレイター、4:コリメータ
ーレンズ、5:反射型回折格子、6;結像レンズ、7;
高感度1次元又は2次元光検出器、8:コンピュータ、
9:コリメーター・結像兼用レンズ、21:2次元光子
計数管、22:光電面、23:メツシュ、24:電子レ
ンズ、25:マイクロチャン不ルプレート(MCP) 
、26 :蛍光面、27:レンズ、28:低残像ビジコ
ン、29:シリコン半導体装置検出器(PSD) 、3
0 :信号出力電極、31:位置演算装置、32:アン
プ、33:積分回路、34:加減算回路、35:ウィン
ドゲート、36:除算器、37:AD変換器、Lo :
対物レンズ
FIG. 1 is an optical layout diagram of one embodiment of the high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer of the present invention, FIG. 2 is an optical layout diagram of another embodiment, and FIG.
4 is an optical layout diagram of an embodiment of a high-sensitivity multi-wavelength spectrometer used in the high-sensitivity multi-wavelength spectrometer of the present invention; FIG. 4 is an optical layout diagram of another embodiment of the high-sensitivity multi-wavelength spectrometer; Figure 5 is an optical layout diagram of the two basic types of the high-sensitivity multi-wavelength spectrometer shown in Figure 3, Figure 6 is an optical path diagram for examining the basic type shown in Figure 5, and Figure 7 is the high sensitivity of the present invention. An optical layout diagram of another embodiment of a highly sensitive multi-wavelength spectrometer used in a microscopic multi-wavelength spectrometer, FIG. 8 is a sectional view of a combination of a two-dimensional photon counter and a low-afterimage vidicon used in the present invention, and FIG. 9 10 is a cross-sectional view of another photon-counting image measuring device, FIG. 10 is an optical arrangement diagram of a highly sensitive multiplexed multi-wavelength spectrometer used in the present invention, and FIG. 11 is a block diagram of a conventional Raman microscope system. S: Sample, ■: Microscope optical system, ■: High-sensitivity multi-wavelength spectrometer, 1: Objective lens system, 2: Eyepiece system, Sa: Intermediate image of sample, Sb: Enlarged image, Ls: Excitation light source, spectroscopy Instrument A I""A 4: Spectrometer, 3: Optical system that confines light from a micro region of an enlarged image of the sample or a region with a certain degree of spread to a point or line and emits it, 3a: Input slit, 3b: light concentrator, 4: collimator lens, 5: reflection type diffraction grating, 6; imaging lens, 7;
Highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector, 8: computer,
9: Collimator/imaging lens, 21: Two-dimensional photon counter, 22: Photocathode, 23: Mesh, 24: Electron lens, 25: Microchannel plate (MCP)
, 26: Fluorescent screen, 27: Lens, 28: Low afterimage vidicon, 29: Silicon semiconductor device detector (PSD), 3
0: Signal output electrode, 31: Position calculation device, 32: Amplifier, 33: Integrating circuit, 34: Addition/subtraction circuit, 35: Wind gate, 36: Divider, 37: AD converter, Lo:
objective lens

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)試料の拡大像を形成する顕微鏡光学系と、試料の
拡大像の微小領域又はある程度の広がりのある領域から
の光を点状ないし線状に限定して射出する光学系、この
限定して射出する光学系の点状ないし線状の射出端を焦
点としそこから出る光をとり入れて平行にする明るいコ
リメーターレンズ、コリメーターレンズによって平行に
された光を回折して分光する反射型回折格子、反射型回
折格子によって分光された平行光を像面上にスペクトル
像として結像する結像レンズ、及び、結像レンズの像面
上に配置された高感度1次元又は2次元光検出器からな
る高感度多波長分光装置とから構成されていることを特
徴とする高感度顕微多波長分光装置。
(1) A microscope optical system that forms an enlarged image of a sample, and an optical system that confines light from a minute area or a certain amount of spread area of the enlarged image of the sample to a point or line and emits it; A bright collimator lens focuses the light emitted from the point-like or linear exit end of the optical system and makes it parallel.Reflection-type diffraction that diffracts and separates the light made parallel by the collimator lens. An imaging lens that forms parallel light separated by a grating or a reflective diffraction grating as a spectral image on an image plane, and a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector placed on the image plane of the imaging lens. 1. A high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer comprising: a high-sensitivity multi-wavelength spectrometer comprising:
(2)顕微鏡光学系が、波長選択可能な試料の励起用光
源を有し、その励起用光源により照射された試料の再放
出光の拡大像を形成するように構成されていることを特
徴とする請求項1記載の高感度顕微多波長分光装置。
(2) The microscope optical system has a wavelength-selectable sample excitation light source and is configured to form an enlarged image of re-emitted light from the sample irradiated by the excitation light source. The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer according to claim 1.
(3)高感度多波長分光装置が、生物発光、化学発光等
の極微弱な自然発光の分光検出のために、反射型回折格
子としてブレーズド回折格子を用い、分光装置の各構成
要素を−1次の回折光をスペクトル像としてとり出し可
能に配置したことを特徴とする請求項1記載の高感度顕
微多波長分光装置。
(3) A highly sensitive multi-wavelength spectrometer uses a blazed diffraction grating as a reflection type diffraction grating for spectroscopic detection of extremely weak natural luminescence such as bioluminescence and chemiluminescence, and each component of the spectrometer is 2. The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer according to claim 1, characterized in that the device is arranged so that the next diffracted light can be taken out as a spectral image.
(4)高感度多波長分光装置が、ラマン散乱、蛍光等の
励起光による極微弱発光の分光検出のために、反射型回
折格子としてブレーズド回折格子を用い、分光装置の各
構成要素を+1次の回折光をスペクトル像としてとり出
し可能に配置したことを特徴とする請求項1又は2記載
の高感度顕微多波長分光装置。
(4) The high-sensitivity multi-wavelength spectrometer uses a blazed diffraction grating as a reflective diffraction grating for the spectroscopic detection of extremely weak light emitted by excitation light such as Raman scattering and fluorescence, and each component of the spectrometer has +1 order. 3. The high-sensitivity multi-wavelength microspectroscopy apparatus according to claim 1, wherein said multi-wavelength spectrometer is arranged such that the diffracted light can be taken out as a spectral image.
(5)高感度多波長分光装置が、コリメーターレンズと
結像レンズとを1つの兼用レンズによって兼用させ、こ
の兼用レンズを反射型回折格子の前面に平行に配置し、
兼用レンズ7の焦点面上に試料の拡大像の微小領域又は
ある程度の広がりのある領域からの光を点状ないし線状
に限定して射出する光学系の点状ないし線状の射出端を
位置させ、兼用レンズの像面上に高感度1次元又は2次
元光検出器を配置したことを特徴とする請求項1又は2
記載の高感度顕微多波長分光装置。
(5) A high-sensitivity multi-wavelength spectrometer uses one dual-purpose lens as both a collimator lens and an imaging lens, and this dual-purpose lens is arranged parallel to the front surface of a reflection type diffraction grating,
On the focal plane of the dual-purpose lens 7, position the dot-shaped or linear exit end of the optical system that confines light from a minute area of the magnified image of the sample or an area with a certain degree of spread to a dot-shaped or linear shape and emits it. Claim 1 or 2, characterized in that a highly sensitive one-dimensional or two-dimensional photodetector is arranged on the image plane of the dual-purpose lens.
High-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer described.
(6)高感度多波長分光装置が、試料の拡大像の微小領
域又はある程度の広がりのある領域からの光を点状ない
し線状に限定して射出する光学系として、スリットない
しピンホールを用いたことを特徴とする請求項1から5
のいずれかに記載の高感度顕微多波長分光装置。
(6) A high-sensitivity multi-wavelength spectrometer uses a slit or pinhole as an optical system to limit and emit light from a minute area or a certain extent of spread in an enlarged image of a sample in a dot or line shape. Claims 1 to 5 characterized in that
The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer according to any one of the above.
(7)高感度多波長分光装置が、試料の拡大像の微小領
域又はある程度の広がりのある領域からの光を点状ない
し線状に限定して射出する光学系として、光コンセント
レイターを用いたことを特徴とする請求項1から5のい
ずれかに記載の高感度顕微多波長分光装置。(8)高感
度多波長分光装置が、請求項1、3〜7のいずれかに記
載の、試料の拡大像の微小領域又はある程度の広がりの
ある領域からの光を点状ないし線状に限定して射出する
光学系、コリメーターレンズ、反射型回折格子、及び、
結像レンズからなる分光器を、同種又は種類を異ならし
て2以上多段に配置し、加分散又は差分散の配列にする
ことにより、数回回折光を利用して角分散を制御するこ
とを特徴とする高感度顕微多波長分光装置。
(7) The high-sensitivity multi-wavelength spectrometer uses a light concentrator as an optical system that confines light from a microscopic region of an enlarged image of the sample or a region with a certain degree of spread to a point or line. The high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer according to any one of claims 1 to 5. (8) The high-sensitivity multi-wavelength spectrometer limits the light from a minute region or a region with a certain degree of spread of an enlarged image of the sample to a point or line according to any one of claims 1 and 3 to 7. an optical system, a collimator lens, a reflection type diffraction grating, and
By arranging two or more spectrometers consisting of imaging lenses in multiple stages of the same type or different types, and arranging them for additive or differential dispersion, it is possible to control angular dispersion using diffracted light several times. Features a high-sensitivity microscopic multi-wavelength spectrometer.
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