JP5100461B2 - LIGHT SOURCE DEVICE FOR NONLINEAR SPECTROSCOPY MEASUREMENT SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、非線形分光計測システム用の光源装置に関するものである。本明細書では、非線形分光計測の対象として生細胞を含む生体試料を中心に説明するが、本発明の光源装置が用いられる非線形分光計測の対象は生体試料に限定されない。 The present invention relates to a light source device for a nonlinear spectroscopic measurement system. In the present specification, a biological sample including living cells is mainly described as a target for nonlinear spectroscopic measurement. However, a target for nonlinear spectroscopic measurement using the light source device of the present invention is not limited to a biological sample.
生命現象を研究する上で、光を用いた方法は非破壊・非接触で対象にアプローチできるという優れた特徴を有している。このため、生細胞内で機能する分子の動的な振る舞いが、光を用いた様々な方法で研究されている。このうち最も広く使われている手法は、蛍光色素や蛍光タンパク質等による蛍光イメージングである。しかしながら、この手法では試料自身に蛍光物質という異物を予め導入する必要がある。 In studying life phenomena, the method using light has the excellent feature of being able to approach the object in a non-destructive and non-contact manner. For this reason, the dynamic behavior of molecules that function in living cells has been studied in various ways using light. Of these, the most widely used technique is fluorescence imaging using fluorescent dyes or fluorescent proteins. However, in this method, it is necessary to introduce a foreign substance called a fluorescent substance into the sample itself.
これに対して、ラマン分光法は、生きた細胞内の分子分布やそのダイナミクスを非染色で観測することのできる、非常に強力な方法である。ラマンスペクトルは“分子の指紋”とも呼ばれ、分子の個性を鋭敏に反映する特性を持つため、細胞内の分子種、分子構造とそのダイナミクスについての詳細な情報を“ありのまま”の試料から抽出することが可能である。時間と空間を分解し,かつ分子レベルで解析することができるラマン顕微分光法は、生細胞中の各所における分子の分布を時々刻々追跡することができる。したがって、ラマン顕微分光法は、生命科学においても非常に強力な武器となりうる。ラマンスペクトルを“読む”ことで、細胞内の分子種・分子構造の同定のみならず、細胞の生命活性をも選択的にモニタできることが明らかとなってきている。 On the other hand, Raman spectroscopy is a very powerful method that can observe the molecular distribution and dynamics in living cells without staining. Raman spectra, also called “molecular fingerprints”, have the characteristic of reflecting the individuality of the molecule, so that detailed information on the intracellular molecular species, molecular structure and their dynamics is extracted from “as is” samples. It is possible. Raman microspectroscopy, which decomposes time and space and can be analyzed at the molecular level, can track the distribution of molecules at various points in a living cell. Therefore, Raman microspectroscopy can be a very powerful weapon in life science. It has become clear that "reading" a Raman spectrum can selectively monitor not only the molecular species and molecular structure in the cell, but also the vital activity of the cell.
ラマン顕微分光法は非常に優れた方法であるが、弱点も存在する。一般に、ラマン散乱の散乱断面積は非常に小さいため、生細胞から良好なラマンスペクトルを得るためには数秒から数分の露光時間を必要とする。コヒーレントアンチストークスラマン散乱(Coherent anti-Stokes Raman scattering:以下CARSと呼ぶ)顕微分光法は、この弱点を克服すべく、微弱なラマン信号を増幅し、ラマンイメージを高速に得ることの出来る方法であり、次世代のラマン顕微分光法として、特に注目を集めている手法の一つである。 Raman microspectroscopy is a very good method, but there are weak points. In general, since the scattering cross section of Raman scattering is very small, an exposure time of several seconds to several minutes is required to obtain a good Raman spectrum from living cells. Coherent anti-Stokes Raman scattering (hereinafter referred to as CARS) microspectroscopy is a method that can amplify a weak Raman signal and obtain a Raman image at high speed in order to overcome this weak point. As one of the next generation Raman microspectroscopy, it is one of the methods that are attracting particular attention.
CARS過程では、一般に波長の異なる二つの光パルス(ポンプ光とストークス光)を必要とする。この光パルスの振動数差が分子振動と一致したときに、非常に強いCARS光が発生する。試料に蛍光プローブのタグ付けなどを必要とせず、分子レベルで高速にありのままの対象を可視化できるCARS顕微鏡の威力は、これまで様々な形で示されている。 The CARS process generally requires two light pulses (pump light and Stokes light) having different wavelengths. When the frequency difference of this light pulse coincides with the molecular vibration, very strong CARS light is generated. The power of the CARS microscope that can visualize an object as it is at a high speed at the molecular level without requiring tagging of a fluorescent probe on the sample has been shown in various forms.
しかしながら、CARS顕微鏡では一般に特定の振動モードを用いたモノクロ像しか得ることが出来ない。分子振動の豊富な情報を有効に利用するには、分光計測が必須である。CARSのスペクトルを得るには、マルチプレックスCARS過程という方法が一般に用いられている。この過程では、狭帯域のポンプ光と広帯域のストークス光を用いるが、ストークス光の光源として用いるスーパーコンティニューム光の発生には、ピコ秒またはフェムト秒の光パルスが必要であり、ピコ秒レーザーやフェムト秒レーザーは高価であることから、複雑かつ高価な光源システムが必要となっていた。 However, the CARS microscope can generally only obtain a monochrome image using a specific vibration mode. Spectroscopic measurement is essential to effectively use abundant information on molecular vibrations. In order to obtain a CARS spectrum, a method called a multiplex CARS process is generally used. In this process, narrow-band pump light and wide-band Stokes light are used, but generation of supercontinuum light used as a Stokes light source requires a picosecond or femtosecond light pulse. Since femtosecond lasers are expensive, a complicated and expensive light source system is required.
これに加えて、狭帯域及び広帯域の2つの光パルスを時間的に重ねるために、百マイクロメートルのスケールの高度な調整が必須であり、高度な専門技術を必要としていた。より具体的には、ポンプ光の光路上に、典型的には2マイクロメートル(往復で40/3フェムト秒)を最小刻みとして、ステージ上のものを並進させることが可能な移動ステージを配置し、このステージ上に折り返しミラー(90度などの角度で向かい合わせに置いたミラー)を設置し、ステージを移動させてミラーの調整を正確に行うことで、光の伝搬方向を維持しつつ、光路長を調整していた。 In addition to this, in order to superimpose two narrow-band and wide-band light pulses in time, a high degree of adjustment on the scale of a hundred micrometers is essential, and a high level of expertise is required. More specifically, on the optical path of the pump light, a moving stage that can translate what is on the stage with a minimum step of typically 2 micrometers (40/3 femtoseconds for reciprocation) is arranged. By installing a folding mirror (a mirror placed opposite to each other at an angle of 90 degrees, etc.) on this stage, the stage is moved and the mirror is accurately adjusted to maintain the light propagation direction while maintaining the optical path. The length was adjusted.
これらの理由のため、生命科学一般へのCARS顕微分光装置の普及が進んでいない。 For these reasons, CARS microspectroscopy devices are not widely used in life science in general.
特許文献1に開示された装置では、フェムト秒からピコ秒の短パルスを生成するレーザー光源を用いており、第1のパルスレーザ光の光源部から分析対象までの光路長を調整する光路長調整部が必須構成要素となっている。特許文献2に開示された装置では、フェムト秒からピコ秒の短パルスを生成するレーザー光源を用いており、また、分割されたパルス光の位相を合わせる位相調整部(これには光路長を調整する光路長調整部が含まれている)が必須構成要素となっている。また、特許文献2に示すように、従来のピコ秒レーザーやフェムト秒レーザーを用いた光学系では、光アイソレータ(比較的高額である)を導入しなければ、ファイバからの戻り光のため、フェムト秒またはピコ秒の発振(モード同期)がストップするという問題があり、その導入が必須であった。 The apparatus disclosed in Patent Document 1 uses a laser light source that generates a short pulse of femtoseconds to picoseconds, and adjusts the optical path length from the light source unit of the first pulse laser light to the analysis target. Is an essential component. The apparatus disclosed in Patent Document 2 uses a laser light source that generates a short pulse of femtoseconds to picoseconds, and a phase adjustment unit that adjusts the phase of the divided pulsed light (this adjusts the optical path length) Including an optical path length adjusting unit) is an essential component. Further, as shown in Patent Document 2, in an optical system using a conventional picosecond laser or femtosecond laser, if an optical isolator (which is relatively expensive) is not introduced, the return light from the fiber causes femto There was a problem that the second or picosecond oscillation (mode synchronization) stopped, and its introduction was essential.
非特許文献1では、サブナノ秒マイクロチップレーザー光源が開示されているが、レーザー光源からの出射光を、LBO結晶を通過させて第二高調波を生成させ、基本波と第二高調波をフォトニック結晶ファイバに注入するというダブルポンピング手法を採用してスーパーコンティニューム光を生成しており、さらに、移動ステージを用いた遅延ラインが備わっている。また、非特許文献2には、サブナノ秒ファイバレーザーが開示されているが、CARSへの適用については一切開示されていない。
本発明は、シンプル・コンパクトかつ廉価でありながら、高い性能を有する、非線形分光計測システム用の光源装置を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a light source device for a nonlinear spectroscopic measurement system which is simple, compact and inexpensive and has high performance.
かかる課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、0.1〜10ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射するレーザー光源と、前記レーザー光源から出射された光パルスが入射され、当該光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出射するフォトニック結晶ファイバと、からなり、フォトニック結晶ファイバから出射されたスーパーコンティニューム光を用いて非線形分光計測を行う、非線形分光計測システム用の光源装置、である。 The technical means adopted by the present invention in order to solve such a problem includes a laser light source that emits a light pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds, and a light pulse emitted from the laser light source. A non-linear spectroscopic measurement system comprising a photonic crystal fiber that generates and emits supercontinuum light by broadening an optical pulse, and performs non-linear spectroscopic measurement using supercontinuum light emitted from the photonic crystal fiber Light source device.
パルス幅が0.1ナノ秒より小さいと、”モード同期など特殊で大型複雑かつ高価な発振形式のレーザーを導入する必要がある”という不具合があり、10ナノ秒よりも大きいと、”スーパーコンティニューム光の発生が起こらない”という不具合がある。1つの態様では、前記パルス幅は、1ナノ秒以下である。後述する実験では、1つの態様では、パルス幅は800psである。1つの態様では、前記光パルスのスペクトル幅は、1cm−1以下である。これに対して従来のSC光生成に用いていたフェムト秒レーザー(たとえば、モード同期チタンサファイアレーザー)のパルス幅、スペクトル幅は、例えば、100fs、300cm-1のオーダーである。また、ピコ秒レーザーのパルス幅、スペクトル幅は、例えば、3ps、3cm-1のオーダーである。 If the pulse width is smaller than 0.1 nanoseconds, there is a problem that “It is necessary to introduce a special, large and complex oscillation laser such as mode synchronization”. If the pulse width is larger than 10 nanoseconds, “Supercontinue” There is a problem that "no light is generated". In one aspect, the pulse width is 1 nanosecond or less. In the experiment described below, in one aspect, the pulse width is 800 ps. In one aspect, the spectral width of the light pulse is 1 cm −1 or less. On the other hand, the pulse width and spectral width of a femtosecond laser (for example, mode-locked titanium sapphire laser) used for conventional SC light generation are, for example, on the order of 100 fs and 300 cm −1 . The pulse width and spectral width of the picosecond laser are, for example, on the order of 3 ps and 3 cm −1 .
フェムト秒光パルスをフォトニック結晶ファイバに導入することで非常に広帯域なスペクトルを持つコヒーレントな光源であるスーパーコンティニューム光が生成されることが知られている。フォトニック結晶ファイバ(PCF)は、多数の空孔が蜂の巣状に配列したクラッドと、ガラスからなる極細のコアという、マイクロストラクチャー構造を持つ。ガラスのコアと空孔よりなるクラッド間の大きな屈折率差のため、PCFに導入された光はコア中に強く閉じこめられる。また、PCFの波長分散特性は、コアを取り囲む空孔の大きさやその配列の仕方により調整することができる。これらの結果、幅広いスペクトル成分を持つフェムト秒光パルスが、そのパルス幅を広げることなくPCF中を伝搬することが可能となる。このように、PCF中で時間及び空間的に光子数密度の高い状態を実現できるため、PCF中で様々な非線形光学効果を生じさせることが可能である。最近では、サブナノ秒パルスをフォトニック結晶ファイバに注入することでも、スーパーコンティニューム光が得られることがわかった。サブナノ秒パルス光源とフォトニック結晶ファイバの選択で、所望の波長帯域のスーパーコンティニューム光を得ることができる。 It is known that supercontinuum light, which is a coherent light source having a very broad spectrum, is generated by introducing femtosecond light pulses into a photonic crystal fiber. Photonic crystal fiber (PCF) has a microstructure structure with a clad in which a large number of holes are arranged in a honeycomb shape and an ultrafine core made of glass. Due to the large refractive index difference between the glass core and the air-hole cladding, the light introduced into the PCF is strongly confined in the core. Further, the chromatic dispersion characteristics of the PCF can be adjusted by the size of the holes surrounding the core and the arrangement method thereof. As a result, femtosecond optical pulses having a wide spectrum component can propagate through the PCF without increasing the pulse width. As described above, since a high photon number density in time and space can be realized in the PCF, various nonlinear optical effects can be generated in the PCF. Recently, it has been found that supercontinuum light can also be obtained by injecting a sub-nanosecond pulse into a photonic crystal fiber. By selecting a sub-nanosecond pulse light source and a photonic crystal fiber, supercontinuum light in a desired wavelength band can be obtained.
1つの態様では、前記レーザー光源及び前記フォトニック結晶ファイバは、前記フォトニック結晶ファイバから出射されたスーパーコンティニューム光の波長帯域が1900nm以下であるように選択され、前記光源装置は、さらに、前記波長帯域を所定の帯域に狭める帯域制限手段を備えている。1つの態様では、前記帯域制限手段は、少なくとも前記レーザー光源の波長より短波長のスペクトル成分を遮断するものである。1つの態様では、前記レーザー光源の波長は、1064nmであり、この場合、前記フォトニック結晶ファイバから出射されたスーパーコンティニューム光の波長帯域が1064nmより短波長のスペクトル成分が遮断され、少なくとも1064nm以上で、少なくとも1900nm以下の波長帯域帯、すなわち、1064nm〜1900nmの波長帯域内のいずれかの帯域のスーパーコンティニューム光が得られる。これによって、本発明の光源装置をCARSに適用した場合には、波長帯域1064−1900nmでのCARS測定が可能となる。これは、振動分光で必要なすべての振動モードの検出を可能とするだけではなく、既存の報告に比べ、生体試料への侵入長が長く取れる。従来のCARSにおける波長帯域は、800−1200nmであったのに対して、本発明の波長帯域は、より近赤外の1064−1900nm程度となる。 In one aspect, the laser light source and the photonic crystal fiber are selected such that a wavelength band of supercontinuum light emitted from the photonic crystal fiber is 1900 nm or less, and the light source device further includes Band limiting means for narrowing the wavelength band to a predetermined band is provided. In one aspect, the band limiting means blocks at least a spectral component having a wavelength shorter than the wavelength of the laser light source. In one aspect, the wavelength of the laser light source is 1064 nm, and in this case, spectral components having a wavelength band shorter than 1064 nm of supercontinuum light emitted from the photonic crystal fiber are blocked, and at least 1064 nm or more. Thus, at least a wavelength band of 1900 nm or less, that is, a supercontinuum light in any band within a wavelength band of 1064 nm to 1900 nm can be obtained. Accordingly, when the light source device of the present invention is applied to CARS, CARS measurement in the wavelength band 1064 to 1900 nm can be performed. This not only enables detection of all vibration modes necessary for vibrational spectroscopy, but also allows a longer penetration length into a biological sample than existing reports. The wavelength band in the conventional CARS is 800 to 1200 nm, whereas the wavelength band of the present invention is about 1064 to 1900 nm in the near infrared.
1つの態様では、前記非線形分光計測システムは、コヒーレントアンチストークスラマン散乱を用いるものであり、前記スーパーコンティニューム光は、広帯域のストークス光として用いられる。 In one aspect, the nonlinear spectroscopic measurement system uses coherent anti-Stokes Raman scattering, and the supercontinuum light is used as broadband Stokes light.
1つの態様では、前記光源装置は、前記レーザー光源から出射された光パルスを第1光パルスと第2光パルスに分割する光学素子(ビームスプリッター)を備えており、前記第1光パルスは、前記フォトニック結晶ファイバに入射されてスーパーコンティニューム光として出射され、前記第2光パルスは、狭帯域ポンプ光として用いられる。 In one aspect, the light source device includes an optical element (beam splitter) that divides a light pulse emitted from the laser light source into a first light pulse and a second light pulse, and the first light pulse includes: The light enters the photonic crystal fiber and is emitted as supercontinuum light, and the second light pulse is used as narrow-band pump light.
1つの態様では、前記光源装置は、ポンプ光を生成する他の0.1〜100ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射するレーザー光源を備えている。パルス幅が0.1秒より小さいと、”モード同期など特殊で大型複雑かつ高価な発振形式のレーザーを導入する必要がある”という不具合があり、100ナノ秒よりも大きいと、”CARSを発生させるための尖頭出力が足りない”という不具合がある。 In one aspect, the light source device includes a laser light source that emits a light pulse having a pulse width of 0.1 to 100 nanoseconds that generates pump light. If the pulse width is smaller than 0.1 seconds, there is a problem that “It is necessary to introduce a special large-sized complex and expensive oscillation laser such as mode synchronization”. If the pulse width is larger than 100 nanoseconds, “CARS is generated. There is a problem that there is not enough peak output to make it happen.
1つの態様では、前記非線形分光計測システムは、多光子顕微鏡である。1つの態様では、前記多光子顕微鏡は、二光子励起蛍光顕微鏡を含む。本発明に係る光源装置は、CARS以外の非線形光学効果(二光子蛍光や第二高調波など)を発生させる励起光源としても使える。 In one aspect, the nonlinear spectroscopic measurement system is a multiphoton microscope. In one aspect, the multi-photon microscope includes a two-photon excitation fluorescence microscope. The light source device according to the present invention can also be used as an excitation light source that generates nonlinear optical effects (two-photon fluorescence, second harmonic, etc.) other than CARS.
1つの好ましい態様では、本発明に係る光源装置は、CARS顕微鏡に適用される。上記従来のCARS顕微鏡の問題を解決するためには、光源部分におけるブレイクスルーが必要となる。この点で、大量生産に向いており、比較的安価で製作可能なサブナノ秒マイクロチップレーザーをCARSの光源として用いてサブナノ秒スーパーコンティニューム光を生成させることで、シンプル・コンパクトかつ廉価でありながら、高い性能を有する、全く新しいCARS分光法及びイメージング法に関する発明を行った。 In one preferable aspect, the light source device according to the present invention is applied to a CARS microscope. In order to solve the problem of the conventional CARS microscope, a breakthrough in the light source portion is required. In this regard, it is suitable for mass production, and it is possible to generate subnanosecond supercontinuum light using a subnanosecond microchip laser that can be manufactured at a relatively low cost as a CARS light source, while being simple, compact and inexpensive. Invented a completely new CARS spectroscopy and imaging method with high performance.
すなわち、本発明が採用した他の技術手段は、0.1〜10ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射するレーザー光源と、前記光源から出射された光パルスを、第1光パルスと第2光パルスに分割する光学素子と、前記第1光パルスが入射され、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出射するフォトニック結晶ファイバと、前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光として、これらを重ね合わせて分析対象に集光する手段と、前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出する検出部と、からなる非線形分光計測システム、である。 That is, another technical means adopted by the present invention includes a laser light source that emits a light pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds, a light pulse emitted from the light source, a first light pulse, and a second light pulse. An optical element that divides into optical pulses, a photonic crystal fiber that generates and emits supercontinuum light by making the first optical pulse incident, broadens the first optical pulse, and broadbands the supercontinuum light. Stokes light, the second light pulse as narrow-band pump light, a means for superimposing these and condensing them on the analysis object, a detection unit for detecting coherent anti-Stokes Raman scattered light emitted from the analysis object, A non-linear spectroscopic measurement system comprising:
CARS顕微鏡を構成するにあたり、ポンプ光、ストークス光のそれぞれを生成するレーザー光源を設けてもよく、この場合、本発明が採用した技術手段は、0.1〜10ナノ秒のパルス幅の第1光パルスを出射する第1レーザー光源と、0.1〜100ナノ秒のパルス幅の第2光パルスを出射する第2レーザー光源と、前記第1光パルスが入射され、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出射するフォトニック結晶ファイバと、前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光として、これらを重ね合わせて分析対象に集光する手段と、前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出する検出部と、からなる非線形分光計測システム、である。 In constructing the CARS microscope, a laser light source that generates pump light and Stokes light may be provided. In this case, the technical means employed by the present invention is a first pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds. A first laser light source that emits a light pulse; a second laser light source that emits a second light pulse having a pulse width of 0.1 to 100 nanoseconds; and the first light pulse is incident, and the first light pulse is A photonic crystal fiber that generates and emits supercontinuum light by broadening the band, and the supercontinuum light is used as broadband Stokes light, and the second optical pulse is used as narrowband pump light. A non-linear spectrometer comprising: means for condensing light; and a detection unit for detecting coherent anti-Stokes Raman scattering light emitted from the analysis target System, it is.
本方法は、複雑なレーザー光源システムを必要とせず、波数帯域幅として、>2000cm−1に亘る広帯域なCARSスペクトルを一度に得ることができるという長所を併せ持つ。これに加えて、サブナノ秒のパルスの時間幅は、数十センチメートル程度のタイミングのずれに対して堅牢であるという特徴を持つため、2つの光パルスを同期して試料に照射する上で、タイミングジッダの影響を受けにくく、装置の構築も革新的に簡略化され得る。したがって、1つの態様では、ストークス光とポンプ光を重ね合わせて分析対象に集光する手段は、ポンプ光の光路長調整装置を含まない。ここで、ポンプ光の光路長調整装置は、光パルスを分割するビームスプリッターや光パルスの光路を異なる方向に仕向けるミラー等の光学要素とは別の1つあるいは複数の要素からなる装置であり、例えば、既述のような移動ステージとミラーから構成される。本発明では、このような光路長調整装置を用いる必要が無い。すなわち、ポンプ光とストークス光と重ね合わせる手段としては、従来のように光学遅延路を必要としない。重ね合わせ手段としては、エッジフィルタやノッチフィルタ、あるいは、ダイクロイックミラー、ビームスプリッター等の光学素子でもよい。 This method does not require a complicated laser light source system, and has an advantage that a wide-band CARS spectrum over> 2000 cm −1 as a wave number bandwidth can be obtained at a time. In addition to this, the time width of the sub-nanosecond pulse has a characteristic that it is robust against a timing shift of about several tens of centimeters. Therefore, when irradiating the sample with two light pulses in synchronization, It is less susceptible to timing jitter and the construction of the device can be innovatively simplified. Therefore, in one aspect, the means for superimposing the Stokes light and the pump light and condensing them on the analysis object does not include the optical path length adjusting device for the pump light. Here, the optical path length adjusting device of the pump light is a device composed of one or a plurality of elements different from optical elements such as a beam splitter that divides the optical pulse and a mirror that directs the optical path of the optical pulse in different directions, For example, it is composed of a moving stage and a mirror as described above. In the present invention, it is not necessary to use such an optical path length adjusting device. That is, as a means for superimposing the pump light and the Stokes light, an optical delay path is not required as in the prior art. The superimposing means may be an edge filter, a notch filter, or an optical element such as a dichroic mirror or a beam splitter.
1つの態様では、前記スーパーコンティニューム光を、二光子励起の光源として用い、二光子励起によって生じる蛍光が測定可能である。CARS装置の一部を用いることで、近赤外二光子励起による二光子蛍光イメージを得ることが出来る。図11、図12に示すように、本発明に係る光源装置(レーザー光源とフォトニック結晶ファイバを備えている)を用いて、CARS顕微鏡、二光子励起蛍光顕微鏡を構築することができる。図11は、CARS顕微鏡の概略図であり、レーザー光源から出射された光パルスをビームスプリッターで2つの光パルスに分割し、一方の光パルスをフォトニック結晶ファイバに注入して広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成し、他方の光パルスとスーパーコンティニューム光を重ね合わせて試料に照射し、試料から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を顕微鏡の対物レンズで取得し、分光器で分光してCCDカメラで取得する。図12は、二光子励起蛍光顕微鏡の概略図であり、レーザー光源から出射された光パルスをビームスプリッターで2つの光パルスに分割し、一方の光パルスをフォトニック結晶ファイバに注入して広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成し、ガルバノスキャナを介して試料に照射し、試料から発せられる励起蛍光を顕微鏡の対物レンズで取得し、検出器で取得する。 In one aspect, the supercontinuum light is used as a light source for two-photon excitation, and fluorescence generated by the two-photon excitation can be measured. By using a part of the CARS apparatus, a two-photon fluorescence image by near-infrared two-photon excitation can be obtained. As shown in FIG. 11 and FIG. 12, a CARS microscope and a two-photon excitation fluorescence microscope can be constructed using the light source device (including a laser light source and a photonic crystal fiber) according to the present invention. FIG. 11 is a schematic diagram of a CARS microscope, in which a light pulse emitted from a laser light source is divided into two light pulses by a beam splitter, and one of the light pulses is injected into a photonic crystal fiber to increase the bandwidth and supercontinue. The sample light is generated, the other light pulse and supercontinuum light are superimposed and irradiated onto the sample, and the coherent anti-Stokes Raman scattered light emitted from the sample is acquired with the objective lens of the microscope, and then dispersed with the spectroscope to obtain the CCD. Get it with the camera. FIG. 12 is a schematic diagram of a two-photon excitation fluorescence microscope. A light pulse emitted from a laser light source is divided into two light pulses by a beam splitter, and one of the light pulses is injected into a photonic crystal fiber to increase the bandwidth. The supercontinuum light is generated, and the sample is irradiated through the galvano scanner, and the excitation fluorescence emitted from the sample is acquired by the objective lens of the microscope and acquired by the detector.
本発明は非線形分光計測方法としても提供され、したがって、本発明が採用した他の技術手段は、0.1〜10ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射するレーザー光源から出射された光パルスを、第1光パルスと第2光パルスに分割するステップと、前記第1光パルスをフォトニック結晶ファイバに入射し、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出射するステップと、前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光として、光路長調整装置を用いた第1パルス光の光路長調整を行うことなく、これらを重ね合わせて分析対象に集光するステップと、前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出するステップと、からなる非線形分光計測方法、である。 The present invention is also provided as a nonlinear spectroscopic measurement method. Therefore, another technical means adopted by the present invention is to use an optical pulse emitted from a laser light source emitting an optical pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds. A step of dividing the first light pulse into a second light pulse, and a step of making the first light pulse incident on a photonic crystal fiber, generating a supercontinuum light by broadening the first light pulse, and emitting the supercontinuum light. And the supercontinuum light as a wide-band Stokes light and the second optical pulse as a narrow-band pump light without superimposing the optical path length of the first pulse light using an optical path length adjusting device. And collecting the light onto the analysis object, and detecting the coherent anti-Stokes Raman scattering light emitted from the analysis object. Form spectroscopic measurement method is,.
また、本発明が採用した他の技術手段は、0.1〜10ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射する第1レーザー光源から第1光パルスを、0.1〜100ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射する第2レーザー光源から第2光パルスを、それぞれ出射するステップと、前記第1光パルスをフォトニック結晶ファイバに入射し、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成して出射するステップと、前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光として、前記第1パルス光の光路長調整装置を用いることなく、これらを重ね合わせて分析対象に集光するステップと、前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出するステップと、からなる非線形分光計測方法、
である。
Another technical means employed by the present invention is that a first light pulse is emitted from a first laser light source that emits a light pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds, and a pulse width of 0.1 to 100 nanoseconds. Emitting a second light pulse from a second laser light source that emits the light pulse, and entering the first light pulse into a photonic crystal fiber to broaden the band of the first light pulse, thereby producing supercontinuum light. Generating and emitting the supercontinuum light as a wide-band Stokes light and the second optical pulse as a narrow-band pump light without using an optical path length adjusting device for the first pulsed light. And superposing and condensing on the analysis target, and detecting the coherent anti-Stokes Raman scattering light emitted from the analysis target. Linear spectroscopic measurement method,
It is.
本発明では、スーパーコンティニューム光を生成する光パルスの光源として、0.1〜10ナノ秒のパルス幅の光パルスを出射するレーザー光源を用いるものであり、このような光パルスを出射するサブナノ秒マイクロチップレーザーは、大量生産に向いており、比較的安価で製作可能である。 In the present invention, a laser light source that emits an optical pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds is used as a light source of an optical pulse that generates supercontinuum light. A sub-nano that emits such an optical pulse is used. The second microchip laser is suitable for mass production and can be manufactured at a relatively low cost.
光源が小さくコンパクトなので、顕微鏡に簡単に組み込むことができる。 Because the light source is small and compact, it can be easily integrated into a microscope.
CARSではポンプ光、ストークス光を時間的かつ空間的(少なくとも試料に照射された時に重なっている)に重ねる必要があるが、本発明に係る光源装置を用いることで、両光パルスの重ね合わせを非常に簡便に行うことができる。本発明は、従前の(ピコ秒あるいはフェムト秒のモード同期レーザー)のようなマイクロメートルスケールの光学調整を必要とせず、簡便にCARS過程を実現できる。そのため、システムが機械的変動に対してロバストである。従来では、100マイクロメートルの精度でポンプ光、ストークス光を合わせる必要があったが、本発明では、10cmの精度で済むため、従来の装置に必要であったポンプ光を遅延させる移動ステージが不要であり、百マイクロメートルのスケールの高度な調整も高度な専門技術も必要としない。 In CARS, it is necessary to superimpose pump light and Stokes light temporally and spatially (overlapping at least when the sample is irradiated), but by using the light source device according to the present invention, both light pulses are superimposed. It can be done very simply. The present invention does not require micrometer-scale optical adjustment unlike the conventional (picosecond or femtosecond mode-locked laser), and can easily realize the CARS process. Therefore, the system is robust against mechanical fluctuations. Conventionally, it was necessary to match the pump light and Stokes light with an accuracy of 100 micrometers. However, according to the present invention, since the accuracy of 10 cm is sufficient, there is no need for a moving stage for delaying the pump light required for the conventional apparatus. It does not require advanced adjustments on the scale of a hundred micrometers or advanced expertise.
サブナノ秒レーザー光源を用いた本発明では、従来のモード同期型ピコ秒レーザーやフェムト秒レーザーを用いた光学系で必要であった光アイソレータは必要ない。 The present invention using a sub-nanosecond laser light source does not require an optical isolator that is necessary for an optical system using a conventional mode-locked picosecond laser or femtosecond laser.
(サブ)ナノ秒の光源を用いると、ポンプレーザーのスペクトル幅(例えば、従来では10cm-1程度であるのに対して、本発明の光源装置では<1cm-1)が狭いため、スペクトル分解能が格段に向上する。これも一因となって、タンパクの信号などを鮮明に捉えることができ、二次構造についての情報なども得ることが出来る。 When a (sub) nanosecond light source is used, the spectral width of the pump laser (for example, about 10 cm -1 in the prior art, but <1 cm -1 in the light source device of the present invention) is narrow, so the spectral resolution is low. Greatly improved. This also contributes to a clear capture of protein signals and information on secondary structures.
本発明に係るCARS顕微鏡では、タンパク質のバンド(1650cm−1付近のアミドIや、1300cm−1付近のアミドIII)や、脂質のバンド(1450cm−1付近のC-H変角)など、指紋領域(500-1700cm−1付近)と呼ばれる、分子の構造により非常に異なるスペクトルパターンを示す信号が、従来のシステムに比べて、鋭く出る。 The CARS microscope according to the present invention, (or amide I near 1650 cm -1, amide III near 1300 cm -1) protein bands and, a band of the lipid (CH bending around 1450 cm -1), the fingerprint region (500 Compared with the conventional system, a signal having a very different spectral pattern depending on the structure of the molecule, which is called -1700 cm −1 ), appears sharply.
上記効果が相俟って、サブナノ秒スーパーコンティニューム光を応用することで、シンプル・コンパクトかつ廉価でありながら、高い性能を有する、全く新しいCARS分光法及びイメージング法を提供することができ、生命科学、医学、物質・材料科学を初め様々な分野に普及することが期待できる。 Combined with the above effects, by applying sub-nanosecond supercontinuum light, it is possible to provide a completely new CARS spectroscopy and imaging method with high performance while being simple, compact and inexpensive. It can be expected to spread to various fields including science, medicine and material / material science.
[A]非線形ラマン分光イメージング法
本発明の理解を助けることを主な目的として、本発明の背景技術について説明する。
[A] Nonlinear Raman Spectroscopic Imaging Method The background art of the present invention will be described mainly for the purpose of helping understanding of the present invention.
[A−1] CARSとは
コヒーレントアンチストークスラマン散乱(Coherent anti-Stokes Raman scattering:CARS)は、非線形ラマン過程の一つであり、現在最もイメージングの応用が進んでいる手法の一つである。図1(a)に、CARS過程のスキームを示す。CARSでは、一般に波長の異なる二つのレーザー光(ω1,ω2光、またはポンプ光、ストークス光)を用いる。二つの入射光の角振動数差ω1−ω2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共鳴的に位相を揃えて(コヒーレントに)励振され、その結果非常に強く、かつ指向性のよいラマン散乱光を得ることができる。
[A-1] What is CARS? Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) is one of nonlinear Raman processes and is one of the most advanced techniques of imaging at present. FIG. 1 (a) shows a scheme of the CARS process. In CARS, two laser beams (ω 1 , ω 2 light, pump light, Stokes light) having different wavelengths are generally used. When the angular frequency difference ω 1 −ω 2 between the two incident lights matches the angular frequency Ω of the vibration mode of the sample molecule, the vibration modes of many sample molecules are resonantly aligned in phase (coherently). As a result, it is possible to obtain Raman scattered light that is very strong and has good directivity.
通常の自発ラマン散乱と比べて、CARSには次のような優れた特徴がある。第一に、CARS光の波長は入射した光の波長より短く、また信号光がビーム状に射出されるため、一光子蛍光による妨害を受けにくい。第二に、CARS過程は非線形光学過程であるため、レーザー光が強く集光された部分のみから発生する。その結果、共焦点顕微鏡のようにピンホールを導入する必要がなく、高い三次元空間分解能を有する。 Compared with normal spontaneous Raman scattering, CARS has the following excellent features. First, the wavelength of the CARS light is shorter than the wavelength of the incident light, and the signal light is emitted in the form of a beam, so that it is not easily disturbed by one-photon fluorescence. Second, since the CARS process is a non-linear optical process, it occurs only from the portion where the laser beam is strongly focused. As a result, it is not necessary to introduce a pinhole as in the confocal microscope, and the three-dimensional spatial resolution is high.
[A−2] マルチプレックスCARS過程
様々な振動モードを用いてマルチカラーでイメージを取得することができるCARS顕微“分光”法を実現するためには、光源部分の改良が必要である。このうち最も直接的な方法の一つは、以下に示すマルチプレックスCARS過程である。図1(b)にマルチプレックスCARS過程のエネルギーダイアグラムを示す。マルチプレックスCARS過程では、ストークス光(ω2光)として広帯域な光源を用いる。従って、狭帯域なポンプ光(ω1光)との角振動数差ω1−ω2に幅広いバリエーションが生じる。その結果、試料分子の持つ複数の振動モードに共鳴しうる組み合わせが発生する。このようにして発生した振動分極を、ω1光によりプローブすると、最終的に様々な角振動数2ω1−ω2を持つCARS光が発生する。これを分光計測すると、各々の振動共鳴の波数位置に鋭い構造を持つ、マルチプレックスCARSスペクトルを得ることが出来る。このようなスキームにより、測定可能波数帯域として>3500cm−1という、分子振動基音の領域をほぼカバーできる超広帯域なマルチプレックスCARS顕微分光装置を得ることができる。超広帯域マルチプレックスCARSスペクトル測定を可能にしたのは、フォトニック結晶ファイバ(Photonic crystal fiber:PCF)と、それにより得られるスーパーコンティニューム(Supercontinuum:SC)光である。
[A-2] Multiplex CARS Process In order to realize a CARS microscopic “spectroscopy” method capable of acquiring images in multiple colors using various vibration modes, it is necessary to improve the light source portion. One of the most direct methods is the multiplex CARS process shown below. Fig. 1 (b) shows the energy diagram of the multiplex CARS process. In the multiplex CARS process, a broadband light source is used as Stokes light (ω 2 light). Therefore, a wide variation occurs in the angular frequency difference ω 1 −ω 2 with the narrow-band pump light (ω 1 light). As a result, a combination that can resonate with a plurality of vibration modes of the sample molecule is generated. When the vibration polarization generated in this way is probed with ω 1 light, CARS light having various angular frequencies 2ω 1 −ω 2 is finally generated. When this is spectroscopically measured, a multiplex CARS spectrum having a sharp structure at each vibration resonance wave number position can be obtained. With such a scheme, it is possible to obtain an ultra-wideband multiplex CARS microspectroscopic device capable of almost covering the region of the molecular vibration fundamental tone, where the measurable wavenumber band is> 3500 cm −1 . It is a photonic crystal fiber (PCF) and supercontinuum (SC) light obtained thereby that enables ultra-wideband multiplex CARS spectrum measurement.
[A−3] SC光を用いたマルチプレックスCARS顕微分光装置
図2に、従来の超広帯域マルチプレックスCARS顕微鏡の実験装置を示す。光源にはモード同期チタンサファイアレーザー発振器(Coherent社; Vitesse)を用い、出力の一部をPCF(Crystal Fiber社; NL-PM-750)に導入してSC光を発生させた。SC光は可視から近赤外まで、幅広いスペクトルを有するが、そのうち近赤外成分のみを広帯域ストークス光(ω2光)として用いた。一方、発振器からの残りの基本波をバンドパスフィルタにより狭帯域化してポンプ光(ω1)とし(波数幅約20cm−1)、光学遅延路を経由させた後、ノッチフィルタによりストークス光と同軸に顕微鏡へと導入した。二つの光パルスは対物レンズにより試料に集光される。光学遅延路は、ポンプ光の光路上に、典型的には2マイクロメートル(往復で40/3フェムト秒)を最小刻みとして、ステージ上のものを並進させることが可能な移動ステージを配置し、このステージ上に折り返しミラー(90度などの角度で向かい合わせに置いたミラー)を設置することで構成し、ステージを移動させてミラーの調整を正確に行うことで、光の伝搬方向を維持しつつ、光路長を調整している。
[A-3] Multiplex CARS microspectroscope using SC light FIG. 2 shows an experimental apparatus for a conventional ultra-wideband multiplex CARS microscope. A mode-locked titanium sapphire laser oscillator (Coherent; Vitesse) was used as the light source, and a part of the output was introduced into PCF (Crystal Fiber; NL-PM-750) to generate SC light. SC light has a wide spectrum from visible to near infrared, but only the near infrared component was used as broadband Stokes light (ω 2 light). On the other hand, the remaining fundamental wave from the oscillator is narrowed by a band-pass filter to be pump light (ω 1 ) (wave number width of about 20 cm −1 ), passed through an optical delay path, and then coaxial with Stokes light by a notch filter. Introduced into a microscope. Two light pulses are focused on the sample by the objective lens. The optical delay path is arranged on the optical path of the pump light with a moving stage that can translate the stage on the stage, typically with a minimum of 2 micrometers (40/3 femtoseconds for round trip), It is configured by installing a folding mirror (a mirror placed at an angle of 90 degrees, etc.) on this stage. By moving the stage and accurately adjusting the mirror, the light propagation direction is maintained. While adjusting the optical path length.
通常、CARS発生には位相整合条件が満たされる必要があるが、対物レンズの高いNA値のため、この条件は緩和され、幅広い波数領域でCARS光の発生が可能となっている。試料から発生したCARS光を対向させた対物レンズで集め,各種フィルタを経由させた後、分光器(Acton社; SpectraPro 300i)及びCCDカメラ(Roper Scientific社; PIXIS 100B)で分光測定した。試料は三軸ピエゾステージ(MadCity; Nano-LP-100)上に載っており、三次元的なスキャンが可能である。CARS過程は非線形光学過程であるため、レーザー光が強く集光された部分からのみ信号光が発生する。その結果、共焦点顕微鏡のようにピンホールを導入する必要がなく、本質的に高い三次元空間分解能を実現することができる。 Normally, the phase matching condition needs to be satisfied for CARS generation. However, because of the high NA value of the objective lens, this condition is relaxed, and CARS light can be generated in a wide wave number region. The CARS light generated from the sample was collected by an opposing objective lens, passed through various filters, and spectroscopically measured with a spectroscope (Acton; SpectraPro 300i) and a CCD camera (Roper Scientific; PIXIS 100B). The sample is placed on a triaxial piezo stage (MadCity; Nano-LP-100), and three-dimensional scanning is possible. Since the CARS process is a non-linear optical process, signal light is generated only from the portion where the laser light is strongly condensed. As a result, it is not necessary to introduce a pinhole unlike a confocal microscope, and an essentially high three-dimensional spatial resolution can be realized.
マルチプレックスCARSスペクトルの測定により、複数の振動共鳴成分を同時に測定することが可能となるが、これに加えてもう一つ重要な利点が挙げられる。CARSには、一般に非共鳴バックグラウンドと呼ばれる信号が重畳する。非共鳴バックグラウンドとは、例えば図1(c)などの経路で生じる、三次の非線形光学過程の一つである。この信号は振動準位に“非共鳴”であるが、特に図1(c)の過程で生じる場合、2w1が電子準位に近づくと、電子的な共鳴効果を受けて増大する。この非共鳴バックグラウンドは、振動コントラストを低下させるコンタミネーションとしてしばしば扱われるが、我々は,逆にこの信号を利用することで、振動共鳴成分を効率よく取り出す方法を考案し、実現している。これは、振動共鳴したCARS光、非共鳴バックグラウンドともにコヒーレントである、という性質を利用している。この方法について、以下に述べる。 The measurement of the multiplex CARS spectrum makes it possible to simultaneously measure a plurality of vibration resonance components, but in addition to this, there is another important advantage. A signal generally called non-resonant background is superimposed on CARS. Non-resonant background is one of the third-order nonlinear optical processes that occur in the path of FIG. 1 (c), for example. This signal is “non-resonant” at the vibration level, but particularly when it occurs in the process of FIG. 1 (c), when 2w 1 approaches the electronic level, it increases due to the electronic resonance effect. This non-resonant background is often treated as a contamination that lowers the vibration contrast. On the contrary, we have devised and realized a method for efficiently extracting the vibration resonance component by using this signal. This utilizes the property that both the vibrationally-resonated CARS light and the non-resonant background are coherent. This method will be described below.
CARS顕微鏡・CARS顕微分光鏡で得られる信号強度は、一般に以下の式で表される。
[A−4] 生細胞の非線形ラマン分光イメージング
図3に、分裂酵母(Schizosaccharomyces pombe; S. pombe)生細胞のマルチプレックスCARSイメージングの結果を示す。図3(a)には酵母にレーザー光を照射したときのマルチプレックスCARSスペクトルが示されている。2850cm−1付近に観測されるピークは、リン脂質、タンパク質、多糖類等に含まれるC-H伸縮振動に由来する信号である。このCARS信号によりイメージを構成した結果を図3(b)に示す。分子振動により、様々な分裂周期にある複数の酵母細胞が明瞭に可視化されている。酵母の内部には、信号強度の強い部分が複数箇所存在するが、これらはリン脂質を豊富に含むミトコンドリア等の膜系オルガネラや、多糖類から構成されている隔壁に由来すると考えられる。
[A-4] Nonlinear Raman Spectroscopic Imaging of Living Cells FIG. 3 shows the results of multiplex CARS imaging of living cells of Schizosaccharomyces pombe (S. pombe). FIG. 3 (a) shows a multiplex CARS spectrum when the yeast is irradiated with laser light. The peak observed in the vicinity of 2850 cm −1 is a signal derived from CH stretching vibrations contained in phospholipids, proteins, polysaccharides and the like. The result of constructing an image with this CARS signal is shown in FIG. A plurality of yeast cells in various division cycles are clearly visualized by molecular vibration. In yeast, there are a plurality of portions with strong signal intensity, which are thought to originate from membrane organelles such as mitochondria and the like, which are rich in phospholipids, and partition walls composed of polysaccharides.
SC光は、幅広いラマン励起のための光源として利用可能であるばかりではなく、共鳴二光子励起の光源としても利用可能である。二光子励起によって生じる蛍光がCARSとスペクトル的に分離できる場合には、同じ光学系でCARSと二光子蛍光の同時測定が可能となる。一例として、図4に緑色蛍光タンパク質(Green Fluorescent Protein; GFP)で核を染色した分裂酵母生細胞のCARS・二光子蛍光マルチイメージングの結果を示す。GFPの蛍光は510 nm付近に現れるため、今回検出しているCARS光とスペクトル的に分離可能である。このように、SC光を使うことにより幅広い波長域で二光子励起が可能となるため、二光子許容な電子状態に共鳴した高効率イメージングが可能となることも期待される。露光時間は一点当たり50ms、一枚取得するために必要な時間は3.8分(測定当時)であった。この結果は、酵母の細胞分裂の様子を明瞭に捉えている。CARSイメージである図4(a)を見ると、酵母の内部に、ミトコンドリア等の膜系オルガネラに由来する、信号強度の強いスポットが複数箇所存在し、分裂中に細胞内を移動する様子が観察できる。また、分裂前には、細胞中央付近に多糖類から構成される隔壁が出現することも可視化されている。図4(b)には、GFPで染めた核の二光子蛍光イメージを示す。蛍光像のコントラストは、時間と共に劣化しているが、これはレーザー照射に伴う褪色が原因であると考えられる。これに対して、CARS像は褪色せず、良好なコントラストを保って細胞分裂過程を可視化できている。以上のように、CARSを用いることで生細胞のダイナミクスを高いコントラストで追跡可能であることが示された。 SC light can be used not only as a light source for a wide range of Raman excitation but also as a light source for resonant two-photon excitation. When fluorescence generated by two-photon excitation can be spectrally separated from CARS, it is possible to simultaneously measure CARS and two-photon fluorescence using the same optical system. As an example, FIG. 4 shows the result of CARS / two-photon fluorescence multi-imaging of viable fission yeast cells stained with a green fluorescent protein (GFP). Since the fluorescence of GFP appears in the vicinity of 510 nm, it can be spectrally separated from the currently detected CARS light. In this way, by using SC light, two-photon excitation can be performed in a wide wavelength range, and therefore, it is expected that high-efficiency imaging that resonates with an electronic state that allows two-photons is possible. The exposure time was 50 ms per point, and the time required to acquire one image was 3.8 minutes (at the time of measurement). This result clearly captures the state of yeast cell division. Looking at the CARS image in Fig. 4 (a), it is observed that there are multiple spots with high signal intensity, derived from membrane organelles such as mitochondria, and moving inside the cell during division. it can. In addition, it is also visualized that a partition wall composed of a polysaccharide appears near the center of the cell before division. FIG. 4 (b) shows a two-photon fluorescence image of a nucleus dyed with GFP. The contrast of the fluorescent image deteriorates with time, which is considered to be caused by the fading accompanying laser irradiation. On the other hand, the CARS image does not fade, and the cell division process can be visualized while maintaining good contrast. As described above, it was shown that the dynamics of living cells can be traced with high contrast by using CARS.
[B] サブナノ秒レーザーを用いた非線形ラマン分光イメージング法
SC光の発生は、サブナノ秒マイクロチップレーザーとフォトニック結晶ファイバとを組み合わせた光源装置でも得られる。この手法は、低コスト、コンパクト、超広帯域で位相コヒーレントな白色光光源を提供する。SC光は、サナノ秒マイクロチップレーザーから出射された1064nmレーザパルスのみに基づいて得ることができ、システム全体のコンパクト化が可能となる。
[B] Nonlinear Raman spectroscopic imaging method using sub-nanosecond laser
Generation of SC light can also be obtained by a light source device combining a sub-nanosecond microchip laser and a photonic crystal fiber. This approach provides a low-cost, compact, ultra-broadband, phase-coherent white light source. The SC light can be obtained based only on the 1064 nm laser pulse emitted from the Sananosecond microchip laser, and the entire system can be made compact.
以下に述べる態様では、近赤外領域において、超広域マルチプレックスCARS顕微分光法の生物細胞への適用を行った。深近赤外線CARS励起は、生物試料に対する光ダメージを最小にする。また、深近赤外線光は、生物媒質によって吸収あるいは/および散乱されるため可視光に比べて深い光の侵入が可能となる。 In the embodiment described below, the ultra-wide multiplex CARS microspectroscopy was applied to biological cells in the near infrared region. Deep near-infrared CARS excitation minimizes light damage to biological samples. Further, deep near-infrared light is absorbed or / and scattered by a biological medium, so that deeper light penetration is possible than visible light.
図5に、近赤外線超広域マルチプレックスCARS顕微鏡の概略図を示す。QスイッチNd:YAGマイクロチップレーザー(JDS Uniphase, NP-10820-GM1;中心波長1064nm;スペクトル幅<1cm−1;パルス幅<1ns;パルスエネルギー8μJ;繰り返しレート6.6kHz)をレーザー光源として用いた。 FIG. 5 shows a schematic diagram of a near-infrared ultra-wide area multiplex CARS microscope. A Q-switched Nd: YAG microchip laser (JDS Uniphase, NP-10820-GM1; center wavelength 1064 nm; spectral width <1 cm −1 ; pulse width <1 ns; pulse energy 8 μJ; repetition rate 6.6 kHz) was used as the laser light source.
レーザーの出射光は、1/2波長板を透過した後、ビームスプリッターによって二つの光パルスに分割される。1/2波長板は、レーザー光源とビームスプリッターとの間に代えて、ビームスプリッターとフォトニック結晶ファイバの間に配置してもよい。サブナノ秒レーザー光源を用いた本発明では、従来のモード同期型ピコ秒レーザーやフェムト秒レーザーを用いた光学系で必要であった光アイソレータは必要ない。 The laser beam is transmitted through the half-wave plate and then split into two light pulses by a beam splitter. The half-wave plate may be disposed between the beam splitter and the photonic crystal fiber in place of the laser light source and the beam splitter. The present invention using a sub-nanosecond laser light source does not require an optical isolator that is necessary for an optical system using a conventional mode-locked picosecond laser or femtosecond laser.
出射光の約10%は、CARS過程のポンプ光(ω1)として用いられる。バンドパスフィルタを導入することで、マイクロチップレーザーからの出射光における望ましくないスペクトル要素を遮断する。 About 10% of the emitted light is used as pump light (ω 1 ) in the CARS process. By introducing a bandpass filter, unwanted spectral elements in the light emitted from the microchip laser are blocked.
出射光の残りの90%は、フォトニック結晶ファイバにおける近赤外SC光の生成に用いられる。光ファイバの長さは1.6mである。SC光は、CARS過程のストークス光(ω2)として用いられる。いくつかのバンドパスフィルタおよび長波長通過フィルタを用いて、SC光における1064nmより短波長のスペクトル成分を遮断する。 The remaining 90% of the emitted light is used to generate near infrared SC light in the photonic crystal fiber. The length of the optical fiber is 1.6 m. The SC light is used as Stokes light (ω 2 ) in the CARS process. Several band pass filters and long wavelength pass filters are used to block spectral components with wavelengths shorter than 1064 nm in SC light.
ポンプ光、スペクトル成分が整形された超広域ストークス光のパルスエネルギーは、それぞれ、800nJ、150nJ、である。1064nmエッジフィルタを用いて、二つのレーザパルスを、同軸上に重ね合わせ、40×0.9NAの顕微鏡対物レンズを用いて試料に集光する。この条件下において、大きい角分散及び小さい干渉長によって、CARS位相マッチング条件が大幅に緩和される。前方検出におけるCARS光が、他の40×0.6 NAの顕微鏡対物レンズによって集められる。二つの短波長通過フィルタを通した後、CARS光が光ファイバへと導入される。 The pulse energy of the pump light and the ultra-wide Stokes light whose spectral components are shaped are 800 nJ and 150 nJ, respectively. Two laser pulses are superimposed on the same axis using a 1064 nm edge filter and focused on the sample using a 40 × 0.9 NA microscope objective. Under this condition, the CARS phase matching condition is greatly relaxed due to the large angular dispersion and the small interference length. The CARS light in the forward detection is collected by another 40 × 0.6 NA microscope objective. After passing through the two short wavelength pass filters, CARS light is introduced into the optical fiber.
CARS信号は、分光器(Acton, SpectraPro-300i)によって分散され、CCD検出器(Roper Scientific, PIXIS-100B)によって検出される。 The CARS signal is dispersed by a spectrometer (Acton, SpectraPro-300i) and detected by a CCD detector (Roper Scientific, PIXIS-100B).
試料は、CARSイメージングのため、ピエゾステージ(Madcity, Nano-LP-100)でスキャンされる。ピエゾステージでは、ナノメートルスケールの位置制御が可能である。 The sample is scanned with a piezo stage (Madcity, Nano-LP-100) for CARS imaging. In the piezo stage, position control on the nanometer scale is possible.
ポリエチレンフィルムの信号強度プロファイルのエッジから、横方向の分解能は、0.9±0.1マイクロメートルであると見積もられる。空気―フィルム界面における信号の立ち上がりから、深さ方向の分解能は、4.6±0.3マイクロメートルであると見積もられる。 From the edge of the signal intensity profile of the polyethylene film, the lateral resolution is estimated to be 0.9 ± 0.1 micrometers. From the rise of the signal at the air-film interface, the depth resolution is estimated to be 4.6 ± 0.3 micrometers.
図6は、近赤外線領域のSC光の典型的なスペクトルプロファイルである。スペクトルはInGaAs分光器(Ocean Optics, NIR 512)によって測定された。図6に示すように、1100nmから1700nmの範囲で、極めて広いスペクトルプロファイルをもつ超広域SCを得た。CARS信号の歪んだスペクトルプロファイルを補正するため、非共鳴バックグラウンドを用いた。 FIG. 6 is a typical spectral profile of SC light in the near infrared region. The spectrum was measured with an InGaAs spectrometer (Ocean Optics, NIR 512). As shown in FIG. 6, an ultra wide-area SC having an extremely wide spectral profile in the range of 1100 nm to 1700 nm was obtained. Non-resonant background was used to correct the distorted spectral profile of the CARS signal.
図6(a)は、ポリスチレンビーズの、強度が補正された深近赤外マルチプレックスCARSスペクトルを示す。ビーズの直径は、3マイクロメートルである。露光時間は、1秒である。信号強度の補正は、カバーグラスの非共鳴バックグラウンド信号を用いて行った。>2000cm−1のスペクトル範囲で、CARS信号が得られていることが明らかである。図7(a)に示すように、複数のラマン共鳴によって、いくつかのピークが観察される。3052, 2890, 2844, 1595, 1572, 1169, 1141, 1019 そして 992cm-1における強度ピークは、芳香族C-H伸縮, 脂肪族C-H伸縮, 脂肪族C-H伸縮, 芳香族C=C伸縮, 芳香族C=C伸縮, 芳香族面内C-H変角, 芳香族面内C-H変角, 環変形, そして、環呼吸振動モードにそれぞれ由来している。 FIG. 6 (a) shows a deep near-infrared multiplex CARS spectrum with corrected intensity of polystyrene beads. The bead diameter is 3 micrometers. The exposure time is 1 second. The signal intensity was corrected using a non-resonant background signal of the cover glass. It is clear that CARS signals are obtained in the spectral range> 2000 cm −1 . As shown in FIG. 7 (a), several peaks are observed due to a plurality of Raman resonances. The intensity peaks at 3052, 2890, 2844, 1595, 1572, 1169, 1141, 1019 and 992cm -1 are aromatic CH stretch, aliphatic CH stretch, aliphatic CH stretch, aromatic C = C stretch, aromatic C = It is derived from C stretching, aromatic in-plane CH variation, aromatic in-plane CH variation, ring deformation, and ring breathing vibration mode.
図7(b)は、900から1700cm−1のCARS信号の詳細なスペクトルプロファイルを示す。振動共鳴成分が指紋領域で観察されていることがわかる。特に、振動共鳴成分が、ラマンシフト1595, 1572, 1169, 1141, そして、1019cm―1でスペクトル的に解像されている。非共鳴バックグラウンドとの干渉によって、スペクトルは分散形の形状を示している。 FIG. 7 (b) shows the detailed spectral profile of the CARS signal from 900 to 1700 cm −1 . It can be seen that the vibrational resonance component is observed in the fingerprint region. In particular, vibrational resonance components are spectrally resolved at Raman shifts 1595, 1572, 1169, 1141, and 1019 cm −1 . Due to interference with non-resonant background, the spectrum shows a dispersive shape.
CARS信号の同時計測が、1000から3000cm-1 のスペクトル範囲で、ポンプ光とストークス光との間の遅延時間を変更すること無く行われたことが注目される。このことは、フェムト秒、ピコ秒の光パルスに基づくSCに比べて、サブナノ秒光パルスを用いるCARS過程では、群遅延分散が問題とならないことを意味する。 It is noted that the simultaneous measurement of the CARS signal was performed in the spectral range of 1000 to 3000 cm- 1 without changing the delay time between the pump light and the Stokes light. This means that group delay dispersion is not a problem in the CARS process using sub-nanosecond optical pulses, compared to SC based on femtosecond and picosecond optical pulses.
図7(c),(d),(e)は、3つの異なるラマンシフト992, 1572 および 1900 cm−1における3マイクロメートルの径のポリスチレンビードの3つのCARSイメージを示す。露光時間は、各地点で100msである。図7(c)および(d)に示すように、992および1572cm−1で振動共鳴CARSイメージが観察された。一方、非共鳴バックグラウンド信号のみが観測される1900cm−1では、明瞭な振動コントラストは得られなかった。図7(c)および(d)において、図7(e)に比べて高い振動コントラストが備わっている。 FIGS. 7 (c), (d), (e) show three CARS images of polystyrene beads with a diameter of 3 micrometers at three different Raman shifts 992, 1572 and 1900 cm −1 . The exposure time is 100 ms at each point. As shown in FIGS. 7 (c) and (d), vibration resonance CARS images were observed at 992 and 1572 cm −1 . On the other hand, no clear vibration contrast was obtained at 1900 cm −1 where only non-resonant background signals were observed. 7C and 7D, the vibration contrast is higher than that in FIG. 7E.
図8(a)は、Nicotiana tabacum L. cv. Bright Yellow
2(BY2)細胞から得られたCARSスペクトルおよびイメージを示す。実験において、BY2細胞は、水中に拡散され、スライドガラスとカバーガラスの間に挟持させた。全ての計測は室温で行われた。
Fig. 8 (a) shows Nicotiana tabacum L. cv. Bright Yellow
2 shows CARS spectra and images obtained from 2 (BY2) cells. In the experiment, BY2 cells were diffused in water and sandwiched between a glass slide and a cover glass. All measurements were performed at room temperature.
図8(b)は、C-H 伸縮モードによるラマンシフト2902cm-1でのCARSイメージを示す。各ピクセルの露光時間は、300msである。信号において非共鳴バックグラウンドが支配的ではあるが、スペクトル解析を用いることで、振動コントラストを改善させることが可能である。図8(b)において、CH伸縮CARS bandの分散形状のポジティブピーク(2860から2870cm-1の平均)とネガティブピーク(2960から2970
cm-1の平均)間の信号強度差をマッピングした。この作業は、CARS顕微鏡における単一の波数検出では行うことができないことが強調される。図8(b)において、BY2細胞は、高い振動コントラストとして視覚化されている。BY2細胞内において、核および細胞壁において強いCARS信号が観察された。細胞質も適度な強度でCARS信号によって視覚化された。液胞の位置では、CARS信号は極めて弱い。
FIG. 8B shows a CARS image at a Raman shift of 2902 cm −1 in the CH stretching mode. The exposure time for each pixel is 300 ms. Although non-resonant background is dominant in the signal, it is possible to improve vibration contrast by using spectral analysis. In FIG. 8 (b), a positive peak (average of 2860 to 2870 cm −1 ) and a negative peak (2960 to 2970) of the CH stretch CARS band are dispersed.
The signal intensity difference between (mean cm -1 ) was mapped. It is emphasized that this task cannot be done with single wave number detection in a CARS microscope. In FIG. 8 (b), BY2 cells are visualized as high vibration contrast. In BY2 cells, strong CARS signals were observed in the nucleus and cell wall. The cytoplasm was also visualized with CARS signals at moderate intensity. At the vacuole position, the CARS signal is very weak.
本発明は、CARS顕微分光法に用いることができる。CARS顕微分光法では、生体試料を構成する様々な分子種を、分子の指紋であるラマンスペクトルに基づいて多彩に”色分け”することが可能である。CARS顕微分光法は、既知の分子を可視化することが得意な蛍光イメージングと比べ、スペクトルを通して、未知の分子をも分析・検出することを可能とするため、生細胞内でこれまで知られていなかった分子や分子構造についても研究対象とすることができる。CARS顕微分光法に代表される非線形ラマン分光イメージング法は、医学、生命科学、物質・材料科学をはじめ、幅広い分野で利用可能性を有している。 The present invention can be used for CARS microspectroscopy. In CARS microspectroscopy, various molecular species constituting a biological sample can be variously “color-coded” based on a Raman spectrum that is a fingerprint of the molecule. CARS microspectroscopy has never been known in living cells because it enables analysis and detection of unknown molecules through spectra compared to fluorescence imaging, which is good at visualizing known molecules. The molecules and molecular structures can also be studied. Nonlinear Raman spectroscopic imaging methods represented by CARS microspectroscopy have applicability in a wide range of fields including medicine, life science, and materials / materials science.
Claims (7)
前記光源から出射された光パルスを、第1光パルスと第2光パルスに分割する光学素子と、
前記第1光パルスが入射され、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成するフォトニック結晶ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光とし、光学遅延路を用いることなく、これらを重ね合わせて分析対象に集光する手段と、
前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出する検出部と、
からなる非線形分光計測システム。 A laser light source emitting a light pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds;
An optical element that divides a light pulse emitted from the light source into a first light pulse and a second light pulse;
A photonic crystal fiber that receives the first light pulse and generates a supercontinuum light by broadening the first light pulse;
Means for condensing the supercontinuum light into a wide-band Stokes light, the second light pulse as a narrow-band pump light, and superimposing them on an analysis target without using an optical delay path ;
A detection unit for detecting coherent anti-Stokes Raman scattered light emitted from the analysis target;
A nonlinear spectroscopic measurement system.
0.1〜100ナノ秒のパルス幅の第2光パルスを出射する第2レーザー光源と、
前記第1光パルスが入射され、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成するフォトニック結晶ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光とし、光学遅延路を用いることなく、これらを重ね合わせて分析対象に集光する手段と、
前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出する検出部と、
からなる非線形分光計測システム。 A first laser light source emitting a first light pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds;
A second laser light source emitting a second light pulse having a pulse width of 0.1 to 100 nanoseconds;
A photonic crystal fiber that receives the first light pulse and generates a supercontinuum light by broadening the first light pulse;
Means for condensing the supercontinuum light into a wide-band Stokes light, the second light pulse as a narrow-band pump light, and superimposing them on an analysis target without using an optical delay path ;
A detection unit for detecting coherent anti-Stokes Raman scattered light emitted from the analysis target;
A nonlinear spectroscopic measurement system.
前記第1光パルスをフォトニック結晶ファイバに入射し、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成するステップと、
前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光として、光学遅延路を用いることなく、これらを重ね合わせて分析対象に集光するステップと、
前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出するステップと、
からなる非線形分光計測方法。 Dividing an optical pulse emitted from a laser light source emitting an optical pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds into a first optical pulse and a second optical pulse;
Generating a supercontinuum light the first light pulse incident on the photonic crystal fiber, and broadband the first light pulse,
The supercontinuum light is used as broadband Stokes light, the second optical pulse is used as narrowband pump light, and these are superposed and condensed on the analysis target without using an optical delay path ;
Detecting coherent anti-Stokes Raman scattering light emitted from the analysis object;
A nonlinear spectroscopic measurement method comprising:
前記第1光パルスをフォトニック結晶ファイバに入射し、当該第1光パルスを広帯域化してスーパーコンティニューム光を生成するステップと、
前記スーパーコンティニューム光を広帯域のストークス光、前記第2光パルスを狭帯域のポンプ光として、光学遅延路を用いることなく、これらを重ね合わせて分析対象に集光するステップと、
前記分析対象から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光を検出するステップと、
からなる非線形分光計測方法。 A first light pulse is emitted from a first laser light source emitting a light pulse having a pulse width of 0.1 to 10 nanoseconds, and a second light is emitted from a second laser light source emitting a light pulse having a pulse width of 0.1 to 100 nanoseconds. Emitting each light pulse;
Generating a supercontinuum light the first light pulse incident on the photonic crystal fiber, and broadband the first light pulse,
The supercontinuum light is used as broadband Stokes light, the second optical pulse is used as narrowband pump light, and these are superposed and condensed on the analysis target without using an optical delay path ;
Detecting coherent anti-Stokes Raman scattering light emitted from the analysis object;
A nonlinear spectroscopic measurement method comprising:
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