同軸小型蛍光分光分析装置
【課題】本発明は、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】アッベ数の小さい高分散ガラスを用いたレンズ系によって、色収差が大きく、かつ、球面収差が小さい光学系を構成する。上記光学系の光軸上に該光軸方向に移動可能なピンホールを設け、測定波長に固有の光軸上の集光位置にピンホールを移動させることにより、測定波長成分のみをピンホールを介して選択的に光検出系側に通過させる。上記分光機構を採用することにより、走査光学系と検出光学系とを同光軸上に構成することが可能となる。
【解決手段】アッベ数の小さい高分散ガラスを用いたレンズ系によって、色収差が大きく、かつ、球面収差が小さい光学系を構成する。上記光学系の光軸上に該光軸方向に移動可能なピンホールを設け、測定波長に固有の光軸上の集光位置にピンホールを移動させることにより、測定波長成分のみをピンホールを介して選択的に光検出系側に通過させる。上記分光機構を採用することにより、走査光学系と検出光学系とを同光軸上に構成することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光分光分析装置に関し、より詳細には、小型化された分光光学系および該光学系を含む蛍光分光分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料の定性、定量などを行うことために分光法が用いられており、その中でも、蛍光物質を含有する試料を解析する場合、その蛍光物質の吸収バンドに合致した波長の励起光を試料に照射し、その結果、蛍光物質から発せられる蛍光を検出し定量化することによって試料の定性、定量などを行う手法が用いられており、そのための蛍光分光分析装置について種々開発がなされてきた。その中でも、同軸落射照明方式を採用する蛍光分光分析装置においては、励起光と蛍光とが同光軸上にあるため、検出対象が発する蛍光以外の光、たとえば反射光や散乱光などの影響を排除する必要があり、検出対象の波長の光線のみを取り出すために回析格子分光器やプリズム分光器、あるいは干渉フィルターなどを用いることが必要であった。しかしながら、回析格子分光器やプリズム分光器を用いた場合には、装置の大型化が避けられないという問題があり、また、干渉フィルターを用いた装置においても、測定波長が変更されるたびに複数の干渉フィルターを切り換えなければならず、またその測定可能な波長も固定的であるという問題があった。
【０００３】
この点につき、特開２００５−６２０２３号公報（特許文献１）は、励起光と蛍光のそれぞれの光軸方向を異ならしめ、それぞれの光路を分離、遮光することによって、干渉フィルターを用いることなく、連続的な蛍光波長測定を可能にする蛍光測定装置を開示する。しかしながら、特許文献１に開示された発明の装置は、励起光と蛍光の光軸を異ならしめるために複雑な構成にならざるを得ず、また、依然として回析格子分光器を必要とするため、上述した装置の大型化の問題を何ら解決するものではない。
【０００４】
一方、同軸落射式蛍光顕微鏡の中でも、試料を点状のプローブによってラスター走査する走査型の共焦点顕微鏡の開発が進んでおり、ＤＮＡチップの蛍光分光分析などに多く用いられている。共焦点顕微鏡においては、通常の顕微鏡と異なり、励起光は、対物レンズを通して該レンズの焦点に位置する試料のみを照射し、共焦点に配設されたピンホールによって、対物レンズの焦点位置以外から発光した蛍光や迷光を遮断することが可能とされている。図８を参照して、共焦点顕微鏡の機構について簡単に説明すると、図８に示す共焦点顕微鏡５０においては、図示しない光源から励起光Ｂが矢印が示すように平行光線として照射され、ビームスプリッター５２によって光路を９０°曲げられたのち、対物レンズ５４を透過して焦点ｆに収束し、サンプル設置部５６上の図示しないサンプルの極小領域を照射する。照射されたサンプルから発せられた蛍光は、対物レンズ５４を経てビームスプリッター５２を透過したのち、干渉フィルター５８によって所望の波長成分のみが選択的に透過され、透過した光は、集光レンズ６０によって共焦点Ｆに集光する。このとき、散乱光などの迷光は、ピンホール形成部６２の壁面によって反射、吸収されて光検出器６４に到達することができず、共焦点Ｆに集光した光のみがピンホール形成部６２のピンホールＰを通過して光検出器６４に導かれ、検出される。
【０００５】
特開２００２−２７７７４６号公報（特許文献２）および特開２００５−１８９２９０号公報（特許文献３）は、上述した共焦点顕微鏡において、共焦点ピンホールを光軸に一致させるために、該ピンホールを光軸に対し直交するＸＹ方向に移動させてその位置を調整する構成を開示する。しかしながら、特許文献２および３は、依然、干渉フィルターによる分光を要するものであり、連続的な蛍光波長測定を可能にするものではない。
【特許文献１】特開２００５−６２０２３号公報
【特許文献２】特開２００２−２７７７４６号公報
【特許文献３】特開２００５−１８９２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した技術的課題につき鋭意検討した結果、本発明者らは、近年開発が進むアッベ数の小さい高分散ガラスを用いたレンズ系によって、色収差が大きく、かつ、球面収差が小さい光学系を構成し、該光学系の光軸上に該光軸方向に移動可能なピンホールを設け、測定波長に固有の光軸上の集光位置にピンホールを移動させることによって、測定波長成分のみをピンホールを介して選択的に光検出系側に通過させることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、分析対象に励起光を照射するための光源と、前記分析対象から発光した蛍光を平行光線にするための第１の光学系と、平行光線となった前記蛍光を共焦点に集束させるための第２の光学系と、開口部が形成されたピンホール形成部と、前記開口部を通過した前記蛍光を光検出器に集光するための第３の光学系とを備え、前記第１、第２、および第３の光学系は、共通の光軸を有し、前記第２の光学系は、前記第１の光学系と前記第３の光学系との間に配置され、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線を、前記光軸上において０．５ｍｍ以上離間した位置に収束させる蛍光分光分析装置が提供される。
【０００９】
本発明においては、前記光軸上であって前記ピンホール形成部と前記第３の光学系との間に、光を遮蔽する光軸遮蔽部をさらに備えることができ、また、前記第２の光学系は、アッベ数が２５以下のレンズを含んで構成することができる。
【００１０】
また、本発明においては、前記ピンホール形成部は、前記開口部が、前記光軸上であって前記第２の光学系と前記第３の光学系の間を移動自在に設けられることができ、あるいは、前記第２の光学系を、前記光軸上であって前記第１の光学系と前記ピンホール形成部の間を移動自在に設けることもできる。
【００１１】
さらに、本発明においては、前記第２の光学系の前記共焦点における球面収差を直径１００μｍ以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明によれば、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の蛍光分光分析装置１０の概略図を示す。本発明の蛍光分光分析装置１０は、筐体１２によって外部からの光が遮断された空間内に、図の左からサンプル設置部１４、対物レンズ１６、ビームスプリッター１８、高分散光学系２０、ピンホール形成部２２、光軸遮蔽部２４、集光レンズ２６、および光検出器２８を含んで構成されており、対物レンズ１６、高分散光学系２０および集光レンズ２６は、それぞれの光軸が同軸となるように配設されている。図中、一点鎖線がその共通光軸Ｋを示す。光軸遮蔽部２４は、上述した光軸Ｋを通る光線が光検出器２８に到達することを阻止する遮蔽物として機能するものであり、たとえば、フリントガラスなどの透過率が高く、屈折率の低い材質からなる平板ガラスの一部に黒色の蒸着物質を蒸着した遮蔽領域として形成することができる。光軸遮蔽部２４は、光の吸収率が大きく、反射率の小さい材料によって形成されることが好ましい。光検出器２８は、微弱な蛍光を検出することができるよう、光電子増倍管等の高感度の検知器を含んで構成することができ、集光レンズ２６によって集光された蛍光は、光検出器２８の光電子増倍管によって増幅されて検出される。
【００１５】
本発明の蛍光分光分析装置１０は、さらに、励起光発生部２９を含んで構成されている。励起光発生部２９は、励起光を平行光線として照射するものであり、励起光発生部２９が照射する励起光Ｂは、ビームスプリッター１８を経て対物レンズ１６に入射するように構成されている。本発明における励起光発生部２９は、キセノンランプ等を光源とする平行光線を形成する周知の光学系から構成することもでき、レーザー装置とビームエキスパンダによって構成することもできる。
【００１６】
ビームスプリッター１８は、光束を二つに分割するものであり、入射した光の一部を反射し、一部を透過させる機能を備えている。ビームスプリッター１８に導入された励起光Ｂの一部は、矢印が示すように、ビームスプリッター１８によって光路を変えられ、対物レンズ１６に入射する。ビームスプリッター１８は、励起光Ｂの光路を光軸Ｋに平行な方向に変更するように設置されている。対物レンズ１６に入射した平行光線は、対物レンズ１６を透過して、該レンズの焦点に収束する。サンプル設置部１４は、対物レンズ１６の焦点面近傍に配置可能に構成されており、対物レンズ１６の焦点面にサンプルを配置することが可能に構成されている。したがって、対物レンズ１６によって収束された励起光Ｂは、サンプル設置部１４上の図示しないサンプルの極小領域を照射することができる。なお、本発明における励起光照射光学系は、サンプルの極小領域について励起光を照射しうる構成であればよく、上述した同軸落射照明方式に限定されるものではない。本発明においては、たとえば、サンプルにレーザー光を直接スポット照射することもでき、また、励起光をサンプルに対して裏側、あるいは、斜め方向から照射することもできる。
【００１７】
励起光Ｂによって照射された図示しない極小領域のサンプルは、蛍光を発し、発せられた蛍光Ｃは、矢印が示すように第１の光学系である対物レンズ１６を透過した後、再び、平行光線となってビームスプリッター１８に入射し、その一部は透過して第２の光学系である高分散光学系２０に導入される。高分散光学系２０に入射した蛍光は、その後、ピンホール形成部２２に形成されたピンホールＰを通過し、第３の光学系である集光レンズ２６を透過した後、光検出器２８に収束することになるが、その機構について以下詳細に説明する。
【００１８】
図２は、本発明の蛍光分光分析装置１０における軸上色収差を利用した分光機構を概念的に示す図である。本発明における高分散光学系２０は、高分散レンズを含む複数のレンズが組みあわされた光学系として構成される。本発明の高分散レンズは、光の色、すなわち光の波長による屈折率差の大きいレンズであり、たとえば、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線が透過した際、それぞれの光線を、光軸上において０．５ｍｍ以上の距離をもって離間した位置に収束させることが可能なレンズであることが好ましく、より好ましくは、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線が透過した際、それぞれの光線を、光軸上において１ｍｍ以上の距離をもって離間した位置に収束させることが可能なレンズであることが好ましい。本発明においては、高分散レンズのアッベ数は２５以下であることが好ましく、より好ましくは、アッベ数が１５〜２０のレンズを用いることが好ましい。このような高分散レンズには、一般的なフリントガラス（アッベ数、２０〜３０）の他、Ｓ−ＮＰ（株式会社オハラ、アッベ数、１８．９）を用いることができる。
【００１９】
本発明における高分散光学系２０は、上述した高分散レンズに適宜他のレンズ系を組み合わせることによって、軸上色収差を大きく残存させたまま、球面収差のみが小さくなるように修正された光学系として構成される。球面収差に関しては、集光効率に影響を与えない範囲でレンズの有効径を小さくすることその最適化を図ることができ、また、軸上色収差に関しては、できるだけ凸レンズまたは凹レンズのいずれか一方のレンズ系のみによって光学系を構成することによって、その収差を大きく維持することができることが知られており、上述した特性を備える高分散光学系２０は、光学設計プログラムによって設計することができる。上述したように、本発明の蛍光分光分析装置１０は、軸上色収差を大きく残存させたまま、球面収差のみが小さくなるように修正された高分散光学系２０を含んで構成されている。本発明においては、波長の異なる各光線を、光軸Ｋ上の共焦点において、直径１００μｍ以下の光束として収束させることが好ましく、より好ましくは、直径８０μｍ以下の光束として収束させることが好ましく、さらに好ましくは、直径５０μｍ以下の光束として収束させることが好ましい。すなわち、本発明においては、後述するピンポールの大きさをなるべく小さく設計しうるように、高分散光学系２０の球面収差が直径１００μｍ以下となるように設計することが、Ｓ／Ｎ比の向上のために好ましい。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、図示しないビームスプリッター１８を透過して入射した平行光線のうち、赤色光のような長波長の蛍光Ｌは、高分散光学系２０を透過して光軸Ｋ上の第１の共焦点Ｆ１に集光する。一方、緑色光のような短波長の蛍光Ｓが高分散光学系２０を透過した場合、蛍光Ｓは、蛍光Ｌより大きく屈折するため、長波長の第１の共焦点Ｆ１よりも、距離ｌだけ物体側よりの光軸Ｋ上の第２の共焦点Ｆ２に集光する。すなわち、高分散光学系２０においては、距離ｌの軸上色収差が生じている。本発明の蛍光分光分析装置１０において、長波長の蛍光Ｌを観測する場合は、図２（ａ）に示すように、ピンホール形成部２２に形成された開口部Ｐを共焦点Ｆ１の位置に合わせることによって蛍光Ｌを像側に通過させることができる。この際、迷光をはじめとする蛍光Ｌ以外の光のほとんどはピンホール形成部２２の壁面によって、吸収、反射されて像側への進入を阻止される。ただし、蛍光Ｌ以外の光であっても光軸Ｋを通る光成分は、開口部Ｐを通過する。本発明においては、ピンホール形成部２２は、金属板にエッチング加工を施すことによって形成することができる。また、ピンホール形成部２２に形成される開口部Ｐの大きさは、高分散光学系２０の球面収差に関連して、Ｓ／Ｎ比が大きく、かつ、光量損失が小さくなるように設計することが好ましい。本発明の蛍光分光分析装置１０においては、開口部Ｐの大きさの最適化を図ることによって、たとえば、ＤＮＡチップなどの蛍光解析において必要な検出精度を提供するに充分な波長分解能が実現される。
【００２１】
一方、本発明の蛍光分光分析装置１０において、短波長の蛍光Ｓを観測する場合は、図２（ｂ）に示すように、ピンホール形成部２２に形成された開口部Ｐを共焦点Ｆ２の位置に合わせることによって蛍光Ｓを像側に通過させることができる。この際、迷光をはじめとする蛍光Ｓ以外の光のほとんどはピンホール形成部２２の壁面によって、吸収、反射されて像側への進入を阻止される。ただし、蛍光Ｓ以外の光であっても光軸Ｋを通る光成分は、開口部Ｐを通過する。
【００２２】
本発明においては、ピンホール形成部２２が光軸方向に移動可能に設けられている。すなわち、開口部Ｐが、光軸Ｋ上であって高分散光学系２０と集光レンズ２６の間を移動自在となるようにピンホール形成部２２が設けられており、光軸Ｋ上の所定の位置に収束する測定対象の蛍光を、選択的に開口部Ｐを介して像側に通過させることにより、測定波長成分のみを分光することができる。本発明の上述した新規な分光機構を用いることによって、蛍光分光分析装置における走査光学系と検出光学系とを同光軸上に構成することが可能となる。したがって、本発明によれば、回折格子等を用いた従来の蛍光分光分析装置に比較して、装置の外形をより小型化することが可能となり、加えて、分光のために別途の高価な光学素子を用いる必要がないため装置の製造コストの低減を図ることができる。また、本発明の分光機構によれば、従来の干渉フィルターを用いる蛍光分光分析装置とは異なり、その測定波長が限定されず、ピンホール形成部２２の固定位置を適宜変えることによって連続的な蛍光波長測定が可能となる。
【００２３】
なお、上述した軸上色収差を利用した分光機構は、ピンホール形成部２２を光軸方向に前後に移動させるものに限定されるものではなく、図２（ｃ）に示すように、ピンホール形成部２２自体は固定したままで、高分散光学系２０を光軸方向に前後に移動させる機構を含むものであり、さらに、ピンホール形成部２２ならびに高分散光学系２０の両方が移動可能な構成を排除するものではない。上述した分光機構が、本発明の蛍光分光分析装置１０において具体的にどのように機能するかについて以下説明する。
【００２４】
図３は、本発明の蛍光分光分析装置１０における光路図を示す。図３（ａ）は、本発明の蛍光分光分析装置１０において長波長の蛍光Ｌを観測する態様を示した図である。図示しない光源から入射した平行光線である励起光Ｂの一部は、ビームスプリッター１８によって進路を変更され光軸Ｋに平行な光線となって対物レンズ１６に入射し、対物レンズ１６を透過した励起光Ｂは、対物レンズ１６の焦点ｆに集光し、サンプル設置部１４上の図示しない極小領域のサンプルを照射する。照射されたサンプルによって発せられた蛍光Ｌを含む光は、対物レンズ１６およびビームスプリッター１８を透過して高分散光学系２０に入射する。
【００２５】
高分散光学系２０を透過した蛍光Ｌを含む光線成分のうち、蛍光Ｌは、共焦点Ｆ１に集光する。このとき、ピンホール形成部２２は、開口部Ｐと共焦点Ｆ１とが合致する光軸Ｋ上の所定位置に配置されているため、共焦点Ｆ１において集光した蛍光Ｌは、開口部Ｐを通過して像側に発散される。一方、迷光は、ピンホール形成部２２の壁面によって吸収、反射されて像側への進入を阻止される。また、対物レンズ１６の焦点ｆからの発光成分のうち蛍光Ｌ以外の成分の共焦点は、共焦点Ｆ１と離間した位置となるため、それらの成分のほとんどは、同じくピンホール形成部２２の壁面によって吸収、反射されて像側への進入を阻止される。しかし、上記成分のうち光軸Ｋを通る成分は、開口部Ｐを直進して通過する。
【００２６】
開口部Ｐを通過した光成分のうち、光軸Ｋに沿って直進する成分は、光軸遮蔽部２４によって吸収、反射されて集光レンズ２６への入射を阻止される。集光レンズ２６への入射を阻止される光成分には、光軸Ｋに沿って直進してきた蛍光Ｌの成分も含まれており、その分、観測対象である蛍光Ｌの光量が損失することになる。しかし、この損失量は、従来の干渉フィルターによる光損失量がおおよそ１０〜４０％であったことに鑑みれば、充分に許容しうるものであり、光軸遮蔽部２４の遮蔽面積の最適化を図ることによって、従来の干渉フィルターを用いる場合よりも光量損失を低減することが可能となり、その結果、検出精度が向上する。蛍光Ｌの光成分のうち、光軸遮蔽部２４によって吸収、反射されたもの以外の成分は集光レンズ２６を透過して光検出器２８に収束され、光電子増倍管によって増幅して検出される。
【００２７】
図３（ｂ）は、本発明の蛍光分光分析装置１０において短波長の蛍光Ｓを観測する態を示した図である。図３（ａ）について上述したのと同様に、励起光Ｂによって発せられた蛍光Ｓを含む光は、対物レンズ１６およびビームスプリッター１８を透過して高分散光学系２０に入射する。ここで、短波長の蛍光Ｓの観測モードにおいては、ピンホール形成部２２が、開口部Ｐと蛍光Ｓの共焦点Ｆ２の位置が合致するように、図３（ａ）における位置から距離ｌだけ物体側に移動して固定されるため、上述したのと同様の機構により、蛍光Ｓ以外の光成分が集光レンズ２６への入射を阻止される一方、蛍光Ｓの光成分のうち、光軸遮蔽部２４によって吸収、反射されたもの以外の成分は、集光レンズ２６を透過して光検出器２８に収束され、光電子増倍管によって増幅して検出される。なお、図３においては、説明の便宜のため、蛍光Ｌの共焦点Ｆ１と蛍光Ｓの共焦点Ｆ２との離間距離、すなわち軸上色収差を大きく表現しているが、実際にはその収差は０．５〜２ｍｍ程度であるため、集光レンズ２６の有効径におよぼす影響は非常に小さく無視できる。
【００２８】
図４は、本発明の蛍光分光分析装置１０を含む蛍光分光分析システム３０の概略図を示す。サンプル設置部１４はＸＹＺ試料ステージ３２に固定されており、ＸＹＺ試料ステージ３２は、光軸方向に対し平行方向（Ｚ方向）および光軸に対し垂直方向（ＸＹ方向）に移動することが可能とされている。ＸＹＺ試料ステージ３２によって、サンプル設置部１４が固定された光軸Ｋに対してＸＹ方向に移動することで、サンプル設置部１４上の図示しないサンプルが走査される。本発明においては、ＸＹＺ試料ステージ３２を位置制御システム３４含む電動ステージとすることができ、サンプル設置部上のサンプルと光軸Ｋの相対位置に関する情報は、分析制御用パソコン３６の所定のメモリーに記憶され、専用のアプリケーションによって駆動制御される。
【００２９】
一方、ピンホール形成部２２は、ピンホール移動ステージ３８に固定されており、ピンホール移動ステージ３８よって矢印が示す方向、すなわち光軸Ｋ方向に平行に移動可能に構成されている。本発明においては、ピンホール移動ステージ３８を位置制御システム４０を含む電動ステージとすることができ、光軸Ｋ上におけるピンホール形成部２２の位置情報は、分析制御用パソコン３６の所定のメモリーに記憶され、専用のアプリケーションによって駆動制御される。
【００３０】
また、光検出器２８に入射した蛍光は、光電変換され、その電気信号がエレクトロメータ４２に入力されて電圧として測定された測定結果は、分析制御用パソコン３６にデジタル信号として入力される。分析制御用パソコン３６には、さらに、図示しない励起光発生部２９から波長をはじめとする励起光に関連する情報が入力されるように構成することができ、分析制御用パソコン３６は、励起光に関連する情報に加え、上述したサンプルと光軸Ｋの相対位置に関する情報、光軸Ｋ上におけるピンホール形成部２２の位置情報、およびエレクトロメータ４２から入力された光量に関連する情報などをあわせて処理し、サンプルの蛍光分光分析を行なうように構成することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の蛍光分光分析装置１０について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。図５は、本発明の蛍光分光分析装置１０の分光光学系における光路図を示す。図５に示した光学系は、光学設計プログラム（ＯＰＴＡＳ、株式会社オプト社製）によって設計されたものであり、両凸レンズである対物レンズ１６と破線に囲まれた高分散光学系２０とから構成されており、さらに高分散光学系２０は、アッベ数が１８．９のガラス（Ｓ−ＮＰＨ２、株式会社オハラ）を用いて作製したレンズ２０ａとレンズ２０ｂとから構成されている。図６は、対物レンズ１６、レンズ２０ａ、およびレンズ２０ｂのスペックについて示す。なお、図５中、ｆは対物レンズ１６の焦点面を、Ｆは光学系の共焦点面を示し、一点鎖線は光学系の光軸Ｋを示すものであり、図中の数値の単位はｍｍとして参照する。
【００３２】
図７は、図５に示した光学系において、波長５５０ｎｍの光と波長６５０ｎｍの光の２種類の光について光線追跡を行なった結果を示す。なお、光線追跡は、光学設計プログラム（ＯＰＴＡＳ、株式会社オプト社製）を用いて行なった。図７（ａ）は、波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１におけるスポットダイヤグラムを示す。波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１においては、波長５５０ｎｍの光束は、極小領域（直径０．０５ｍｍ）に収束しているが、波長６５０ｎｍの光束は、おおよそ０．５ｍｍの直径をもって共焦点面Ｆ１を通過することが示された。一方、図７（ｂ）は、波長６５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ２におけるスポットダイヤグラムを示す。波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１から０．７５ｍｍ像側に位置する波長６５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ２においては、波長６５０ｎｍの光束は、極小領域（直径０．０５ｍｍ）に収束しているが、波長５５０ｎｍの光束は、おおよそ０．５ｍｍの直径をもって共焦点面Ｆ２を通過することが示された。
【００３３】
上述した実施例の結果より、図５に示した分光光学系を含む本発明の蛍光分光分析装置１０は、おおよそ直径０．０５ｍｍの開口部Ｐが設けられたピンホール形成部２２を光軸方向に０．７５ｍｍ移動させることによって、波長５５０ｎｍの光と波長６５０ｎｍの光とを選択的に分光しうることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上、説明したように、本発明によれば、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置が提供される。本発明の蛍光分光分析装置は、その小型化ならびに低価格化にあいまって、たとえば、ＤＮＡチップなどの蛍光解析等をはじめとする医療の研究分野における更なる活用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の蛍光分光分析装置１０の概略図。
【図２】本発明の蛍光分光分析装置１０における軸上色収差を利用した分光機構を概念的に示す図。
【図３】本発明の蛍光分光分析装置１０における光路図。
【図４】本発明の蛍光分光分析装置１０を含む蛍光分光分析システム３０の概略図。
【図５】本発明の蛍光分光分析装置１０の分光光学系における光路図。
【図６】対物レンズ１６、レンズ２０ａ、レンズ２０ｂのスペックについて示す図。
【図７】波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１ならびに波長６５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ２におけるスポットダイヤグラムを示す図。
【図８】従来の共焦点顕微鏡を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…蛍光分光分析装置、１２…筐体、１４…サンプル設置部、１６…対物レンズ、１８…ビームスプリッター、２０…高分散光学系、２２…ピンホール形成部、２４…光軸遮蔽部、２６…集光レンズ、２８…光検出器、２９…励起光発生部、３０…蛍光分光分析システム、３２…ＸＹＺ試料ステージ、３４…位置制御システム、３６…分析制御用パソコン、３８…ピンホール移動ステージ、４０…位置制御システム、４２…エレクトロメータ、５０…共焦点顕微鏡、５２…ビームスプリッター、５４…対物レンズ、５６…サンプル設置部、５８…干渉フィルター、６０…集光レンズ、６２…ピンホール形成部、６４…光検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光分光分析装置に関し、より詳細には、小型化された分光光学系および該光学系を含む蛍光分光分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料の定性、定量などを行うことために分光法が用いられており、その中でも、蛍光物質を含有する試料を解析する場合、その蛍光物質の吸収バンドに合致した波長の励起光を試料に照射し、その結果、蛍光物質から発せられる蛍光を検出し定量化することによって試料の定性、定量などを行う手法が用いられており、そのための蛍光分光分析装置について種々開発がなされてきた。その中でも、同軸落射照明方式を採用する蛍光分光分析装置においては、励起光と蛍光とが同光軸上にあるため、検出対象が発する蛍光以外の光、たとえば反射光や散乱光などの影響を排除する必要があり、検出対象の波長の光線のみを取り出すために回析格子分光器やプリズム分光器、あるいは干渉フィルターなどを用いることが必要であった。しかしながら、回析格子分光器やプリズム分光器を用いた場合には、装置の大型化が避けられないという問題があり、また、干渉フィルターを用いた装置においても、測定波長が変更されるたびに複数の干渉フィルターを切り換えなければならず、またその測定可能な波長も固定的であるという問題があった。
【０００３】
この点につき、特開２００５−６２０２３号公報（特許文献１）は、励起光と蛍光のそれぞれの光軸方向を異ならしめ、それぞれの光路を分離、遮光することによって、干渉フィルターを用いることなく、連続的な蛍光波長測定を可能にする蛍光測定装置を開示する。しかしながら、特許文献１に開示された発明の装置は、励起光と蛍光の光軸を異ならしめるために複雑な構成にならざるを得ず、また、依然として回析格子分光器を必要とするため、上述した装置の大型化の問題を何ら解決するものではない。
【０００４】
一方、同軸落射式蛍光顕微鏡の中でも、試料を点状のプローブによってラスター走査する走査型の共焦点顕微鏡の開発が進んでおり、ＤＮＡチップの蛍光分光分析などに多く用いられている。共焦点顕微鏡においては、通常の顕微鏡と異なり、励起光は、対物レンズを通して該レンズの焦点に位置する試料のみを照射し、共焦点に配設されたピンホールによって、対物レンズの焦点位置以外から発光した蛍光や迷光を遮断することが可能とされている。図８を参照して、共焦点顕微鏡の機構について簡単に説明すると、図８に示す共焦点顕微鏡５０においては、図示しない光源から励起光Ｂが矢印が示すように平行光線として照射され、ビームスプリッター５２によって光路を９０°曲げられたのち、対物レンズ５４を透過して焦点ｆに収束し、サンプル設置部５６上の図示しないサンプルの極小領域を照射する。照射されたサンプルから発せられた蛍光は、対物レンズ５４を経てビームスプリッター５２を透過したのち、干渉フィルター５８によって所望の波長成分のみが選択的に透過され、透過した光は、集光レンズ６０によって共焦点Ｆに集光する。このとき、散乱光などの迷光は、ピンホール形成部６２の壁面によって反射、吸収されて光検出器６４に到達することができず、共焦点Ｆに集光した光のみがピンホール形成部６２のピンホールＰを通過して光検出器６４に導かれ、検出される。
【０００５】
特開２００２−２７７７４６号公報（特許文献２）および特開２００５−１８９２９０号公報（特許文献３）は、上述した共焦点顕微鏡において、共焦点ピンホールを光軸に一致させるために、該ピンホールを光軸に対し直交するＸＹ方向に移動させてその位置を調整する構成を開示する。しかしながら、特許文献２および３は、依然、干渉フィルターによる分光を要するものであり、連続的な蛍光波長測定を可能にするものではない。
【特許文献１】特開２００５−６２０２３号公報
【特許文献２】特開２００２−２７７７４６号公報
【特許文献３】特開２００５−１８９２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した技術的課題につき鋭意検討した結果、本発明者らは、近年開発が進むアッベ数の小さい高分散ガラスを用いたレンズ系によって、色収差が大きく、かつ、球面収差が小さい光学系を構成し、該光学系の光軸上に該光軸方向に移動可能なピンホールを設け、測定波長に固有の光軸上の集光位置にピンホールを移動させることによって、測定波長成分のみをピンホールを介して選択的に光検出系側に通過させることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、分析対象に励起光を照射するための光源と、前記分析対象から発光した蛍光を平行光線にするための第１の光学系と、平行光線となった前記蛍光を共焦点に集束させるための第２の光学系と、開口部が形成されたピンホール形成部と、前記開口部を通過した前記蛍光を光検出器に集光するための第３の光学系とを備え、前記第１、第２、および第３の光学系は、共通の光軸を有し、前記第２の光学系は、前記第１の光学系と前記第３の光学系との間に配置され、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線を、前記光軸上において０．５ｍｍ以上離間した位置に収束させる蛍光分光分析装置が提供される。
【０００９】
本発明においては、前記光軸上であって前記ピンホール形成部と前記第３の光学系との間に、光を遮蔽する光軸遮蔽部をさらに備えることができ、また、前記第２の光学系は、アッベ数が２５以下のレンズを含んで構成することができる。
【００１０】
また、本発明においては、前記ピンホール形成部は、前記開口部が、前記光軸上であって前記第２の光学系と前記第３の光学系の間を移動自在に設けられることができ、あるいは、前記第２の光学系を、前記光軸上であって前記第１の光学系と前記ピンホール形成部の間を移動自在に設けることもできる。
【００１１】
さらに、本発明においては、前記第２の光学系の前記共焦点における球面収差を直径１００μｍ以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明によれば、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の蛍光分光分析装置１０の概略図を示す。本発明の蛍光分光分析装置１０は、筐体１２によって外部からの光が遮断された空間内に、図の左からサンプル設置部１４、対物レンズ１６、ビームスプリッター１８、高分散光学系２０、ピンホール形成部２２、光軸遮蔽部２４、集光レンズ２６、および光検出器２８を含んで構成されており、対物レンズ１６、高分散光学系２０および集光レンズ２６は、それぞれの光軸が同軸となるように配設されている。図中、一点鎖線がその共通光軸Ｋを示す。光軸遮蔽部２４は、上述した光軸Ｋを通る光線が光検出器２８に到達することを阻止する遮蔽物として機能するものであり、たとえば、フリントガラスなどの透過率が高く、屈折率の低い材質からなる平板ガラスの一部に黒色の蒸着物質を蒸着した遮蔽領域として形成することができる。光軸遮蔽部２４は、光の吸収率が大きく、反射率の小さい材料によって形成されることが好ましい。光検出器２８は、微弱な蛍光を検出することができるよう、光電子増倍管等の高感度の検知器を含んで構成することができ、集光レンズ２６によって集光された蛍光は、光検出器２８の光電子増倍管によって増幅されて検出される。
【００１５】
本発明の蛍光分光分析装置１０は、さらに、励起光発生部２９を含んで構成されている。励起光発生部２９は、励起光を平行光線として照射するものであり、励起光発生部２９が照射する励起光Ｂは、ビームスプリッター１８を経て対物レンズ１６に入射するように構成されている。本発明における励起光発生部２９は、キセノンランプ等を光源とする平行光線を形成する周知の光学系から構成することもでき、レーザー装置とビームエキスパンダによって構成することもできる。
【００１６】
ビームスプリッター１８は、光束を二つに分割するものであり、入射した光の一部を反射し、一部を透過させる機能を備えている。ビームスプリッター１８に導入された励起光Ｂの一部は、矢印が示すように、ビームスプリッター１８によって光路を変えられ、対物レンズ１６に入射する。ビームスプリッター１８は、励起光Ｂの光路を光軸Ｋに平行な方向に変更するように設置されている。対物レンズ１６に入射した平行光線は、対物レンズ１６を透過して、該レンズの焦点に収束する。サンプル設置部１４は、対物レンズ１６の焦点面近傍に配置可能に構成されており、対物レンズ１６の焦点面にサンプルを配置することが可能に構成されている。したがって、対物レンズ１６によって収束された励起光Ｂは、サンプル設置部１４上の図示しないサンプルの極小領域を照射することができる。なお、本発明における励起光照射光学系は、サンプルの極小領域について励起光を照射しうる構成であればよく、上述した同軸落射照明方式に限定されるものではない。本発明においては、たとえば、サンプルにレーザー光を直接スポット照射することもでき、また、励起光をサンプルに対して裏側、あるいは、斜め方向から照射することもできる。
【００１７】
励起光Ｂによって照射された図示しない極小領域のサンプルは、蛍光を発し、発せられた蛍光Ｃは、矢印が示すように第１の光学系である対物レンズ１６を透過した後、再び、平行光線となってビームスプリッター１８に入射し、その一部は透過して第２の光学系である高分散光学系２０に導入される。高分散光学系２０に入射した蛍光は、その後、ピンホール形成部２２に形成されたピンホールＰを通過し、第３の光学系である集光レンズ２６を透過した後、光検出器２８に収束することになるが、その機構について以下詳細に説明する。
【００１８】
図２は、本発明の蛍光分光分析装置１０における軸上色収差を利用した分光機構を概念的に示す図である。本発明における高分散光学系２０は、高分散レンズを含む複数のレンズが組みあわされた光学系として構成される。本発明の高分散レンズは、光の色、すなわち光の波長による屈折率差の大きいレンズであり、たとえば、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線が透過した際、それぞれの光線を、光軸上において０．５ｍｍ以上の距離をもって離間した位置に収束させることが可能なレンズであることが好ましく、より好ましくは、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線が透過した際、それぞれの光線を、光軸上において１ｍｍ以上の距離をもって離間した位置に収束させることが可能なレンズであることが好ましい。本発明においては、高分散レンズのアッベ数は２５以下であることが好ましく、より好ましくは、アッベ数が１５〜２０のレンズを用いることが好ましい。このような高分散レンズには、一般的なフリントガラス（アッベ数、２０〜３０）の他、Ｓ−ＮＰ（株式会社オハラ、アッベ数、１８．９）を用いることができる。
【００１９】
本発明における高分散光学系２０は、上述した高分散レンズに適宜他のレンズ系を組み合わせることによって、軸上色収差を大きく残存させたまま、球面収差のみが小さくなるように修正された光学系として構成される。球面収差に関しては、集光効率に影響を与えない範囲でレンズの有効径を小さくすることその最適化を図ることができ、また、軸上色収差に関しては、できるだけ凸レンズまたは凹レンズのいずれか一方のレンズ系のみによって光学系を構成することによって、その収差を大きく維持することができることが知られており、上述した特性を備える高分散光学系２０は、光学設計プログラムによって設計することができる。上述したように、本発明の蛍光分光分析装置１０は、軸上色収差を大きく残存させたまま、球面収差のみが小さくなるように修正された高分散光学系２０を含んで構成されている。本発明においては、波長の異なる各光線を、光軸Ｋ上の共焦点において、直径１００μｍ以下の光束として収束させることが好ましく、より好ましくは、直径８０μｍ以下の光束として収束させることが好ましく、さらに好ましくは、直径５０μｍ以下の光束として収束させることが好ましい。すなわち、本発明においては、後述するピンポールの大きさをなるべく小さく設計しうるように、高分散光学系２０の球面収差が直径１００μｍ以下となるように設計することが、Ｓ／Ｎ比の向上のために好ましい。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、図示しないビームスプリッター１８を透過して入射した平行光線のうち、赤色光のような長波長の蛍光Ｌは、高分散光学系２０を透過して光軸Ｋ上の第１の共焦点Ｆ１に集光する。一方、緑色光のような短波長の蛍光Ｓが高分散光学系２０を透過した場合、蛍光Ｓは、蛍光Ｌより大きく屈折するため、長波長の第１の共焦点Ｆ１よりも、距離ｌだけ物体側よりの光軸Ｋ上の第２の共焦点Ｆ２に集光する。すなわち、高分散光学系２０においては、距離ｌの軸上色収差が生じている。本発明の蛍光分光分析装置１０において、長波長の蛍光Ｌを観測する場合は、図２（ａ）に示すように、ピンホール形成部２２に形成された開口部Ｐを共焦点Ｆ１の位置に合わせることによって蛍光Ｌを像側に通過させることができる。この際、迷光をはじめとする蛍光Ｌ以外の光のほとんどはピンホール形成部２２の壁面によって、吸収、反射されて像側への進入を阻止される。ただし、蛍光Ｌ以外の光であっても光軸Ｋを通る光成分は、開口部Ｐを通過する。本発明においては、ピンホール形成部２２は、金属板にエッチング加工を施すことによって形成することができる。また、ピンホール形成部２２に形成される開口部Ｐの大きさは、高分散光学系２０の球面収差に関連して、Ｓ／Ｎ比が大きく、かつ、光量損失が小さくなるように設計することが好ましい。本発明の蛍光分光分析装置１０においては、開口部Ｐの大きさの最適化を図ることによって、たとえば、ＤＮＡチップなどの蛍光解析において必要な検出精度を提供するに充分な波長分解能が実現される。
【００２１】
一方、本発明の蛍光分光分析装置１０において、短波長の蛍光Ｓを観測する場合は、図２（ｂ）に示すように、ピンホール形成部２２に形成された開口部Ｐを共焦点Ｆ２の位置に合わせることによって蛍光Ｓを像側に通過させることができる。この際、迷光をはじめとする蛍光Ｓ以外の光のほとんどはピンホール形成部２２の壁面によって、吸収、反射されて像側への進入を阻止される。ただし、蛍光Ｓ以外の光であっても光軸Ｋを通る光成分は、開口部Ｐを通過する。
【００２２】
本発明においては、ピンホール形成部２２が光軸方向に移動可能に設けられている。すなわち、開口部Ｐが、光軸Ｋ上であって高分散光学系２０と集光レンズ２６の間を移動自在となるようにピンホール形成部２２が設けられており、光軸Ｋ上の所定の位置に収束する測定対象の蛍光を、選択的に開口部Ｐを介して像側に通過させることにより、測定波長成分のみを分光することができる。本発明の上述した新規な分光機構を用いることによって、蛍光分光分析装置における走査光学系と検出光学系とを同光軸上に構成することが可能となる。したがって、本発明によれば、回折格子等を用いた従来の蛍光分光分析装置に比較して、装置の外形をより小型化することが可能となり、加えて、分光のために別途の高価な光学素子を用いる必要がないため装置の製造コストの低減を図ることができる。また、本発明の分光機構によれば、従来の干渉フィルターを用いる蛍光分光分析装置とは異なり、その測定波長が限定されず、ピンホール形成部２２の固定位置を適宜変えることによって連続的な蛍光波長測定が可能となる。
【００２３】
なお、上述した軸上色収差を利用した分光機構は、ピンホール形成部２２を光軸方向に前後に移動させるものに限定されるものではなく、図２（ｃ）に示すように、ピンホール形成部２２自体は固定したままで、高分散光学系２０を光軸方向に前後に移動させる機構を含むものであり、さらに、ピンホール形成部２２ならびに高分散光学系２０の両方が移動可能な構成を排除するものではない。上述した分光機構が、本発明の蛍光分光分析装置１０において具体的にどのように機能するかについて以下説明する。
【００２４】
図３は、本発明の蛍光分光分析装置１０における光路図を示す。図３（ａ）は、本発明の蛍光分光分析装置１０において長波長の蛍光Ｌを観測する態様を示した図である。図示しない光源から入射した平行光線である励起光Ｂの一部は、ビームスプリッター１８によって進路を変更され光軸Ｋに平行な光線となって対物レンズ１６に入射し、対物レンズ１６を透過した励起光Ｂは、対物レンズ１６の焦点ｆに集光し、サンプル設置部１４上の図示しない極小領域のサンプルを照射する。照射されたサンプルによって発せられた蛍光Ｌを含む光は、対物レンズ１６およびビームスプリッター１８を透過して高分散光学系２０に入射する。
【００２５】
高分散光学系２０を透過した蛍光Ｌを含む光線成分のうち、蛍光Ｌは、共焦点Ｆ１に集光する。このとき、ピンホール形成部２２は、開口部Ｐと共焦点Ｆ１とが合致する光軸Ｋ上の所定位置に配置されているため、共焦点Ｆ１において集光した蛍光Ｌは、開口部Ｐを通過して像側に発散される。一方、迷光は、ピンホール形成部２２の壁面によって吸収、反射されて像側への進入を阻止される。また、対物レンズ１６の焦点ｆからの発光成分のうち蛍光Ｌ以外の成分の共焦点は、共焦点Ｆ１と離間した位置となるため、それらの成分のほとんどは、同じくピンホール形成部２２の壁面によって吸収、反射されて像側への進入を阻止される。しかし、上記成分のうち光軸Ｋを通る成分は、開口部Ｐを直進して通過する。
【００２６】
開口部Ｐを通過した光成分のうち、光軸Ｋに沿って直進する成分は、光軸遮蔽部２４によって吸収、反射されて集光レンズ２６への入射を阻止される。集光レンズ２６への入射を阻止される光成分には、光軸Ｋに沿って直進してきた蛍光Ｌの成分も含まれており、その分、観測対象である蛍光Ｌの光量が損失することになる。しかし、この損失量は、従来の干渉フィルターによる光損失量がおおよそ１０〜４０％であったことに鑑みれば、充分に許容しうるものであり、光軸遮蔽部２４の遮蔽面積の最適化を図ることによって、従来の干渉フィルターを用いる場合よりも光量損失を低減することが可能となり、その結果、検出精度が向上する。蛍光Ｌの光成分のうち、光軸遮蔽部２４によって吸収、反射されたもの以外の成分は集光レンズ２６を透過して光検出器２８に収束され、光電子増倍管によって増幅して検出される。
【００２７】
図３（ｂ）は、本発明の蛍光分光分析装置１０において短波長の蛍光Ｓを観測する態を示した図である。図３（ａ）について上述したのと同様に、励起光Ｂによって発せられた蛍光Ｓを含む光は、対物レンズ１６およびビームスプリッター１８を透過して高分散光学系２０に入射する。ここで、短波長の蛍光Ｓの観測モードにおいては、ピンホール形成部２２が、開口部Ｐと蛍光Ｓの共焦点Ｆ２の位置が合致するように、図３（ａ）における位置から距離ｌだけ物体側に移動して固定されるため、上述したのと同様の機構により、蛍光Ｓ以外の光成分が集光レンズ２６への入射を阻止される一方、蛍光Ｓの光成分のうち、光軸遮蔽部２４によって吸収、反射されたもの以外の成分は、集光レンズ２６を透過して光検出器２８に収束され、光電子増倍管によって増幅して検出される。なお、図３においては、説明の便宜のため、蛍光Ｌの共焦点Ｆ１と蛍光Ｓの共焦点Ｆ２との離間距離、すなわち軸上色収差を大きく表現しているが、実際にはその収差は０．５〜２ｍｍ程度であるため、集光レンズ２６の有効径におよぼす影響は非常に小さく無視できる。
【００２８】
図４は、本発明の蛍光分光分析装置１０を含む蛍光分光分析システム３０の概略図を示す。サンプル設置部１４はＸＹＺ試料ステージ３２に固定されており、ＸＹＺ試料ステージ３２は、光軸方向に対し平行方向（Ｚ方向）および光軸に対し垂直方向（ＸＹ方向）に移動することが可能とされている。ＸＹＺ試料ステージ３２によって、サンプル設置部１４が固定された光軸Ｋに対してＸＹ方向に移動することで、サンプル設置部１４上の図示しないサンプルが走査される。本発明においては、ＸＹＺ試料ステージ３２を位置制御システム３４含む電動ステージとすることができ、サンプル設置部上のサンプルと光軸Ｋの相対位置に関する情報は、分析制御用パソコン３６の所定のメモリーに記憶され、専用のアプリケーションによって駆動制御される。
【００２９】
一方、ピンホール形成部２２は、ピンホール移動ステージ３８に固定されており、ピンホール移動ステージ３８よって矢印が示す方向、すなわち光軸Ｋ方向に平行に移動可能に構成されている。本発明においては、ピンホール移動ステージ３８を位置制御システム４０を含む電動ステージとすることができ、光軸Ｋ上におけるピンホール形成部２２の位置情報は、分析制御用パソコン３６の所定のメモリーに記憶され、専用のアプリケーションによって駆動制御される。
【００３０】
また、光検出器２８に入射した蛍光は、光電変換され、その電気信号がエレクトロメータ４２に入力されて電圧として測定された測定結果は、分析制御用パソコン３６にデジタル信号として入力される。分析制御用パソコン３６には、さらに、図示しない励起光発生部２９から波長をはじめとする励起光に関連する情報が入力されるように構成することができ、分析制御用パソコン３６は、励起光に関連する情報に加え、上述したサンプルと光軸Ｋの相対位置に関する情報、光軸Ｋ上におけるピンホール形成部２２の位置情報、およびエレクトロメータ４２から入力された光量に関連する情報などをあわせて処理し、サンプルの蛍光分光分析を行なうように構成することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の蛍光分光分析装置１０について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。図５は、本発明の蛍光分光分析装置１０の分光光学系における光路図を示す。図５に示した光学系は、光学設計プログラム（ＯＰＴＡＳ、株式会社オプト社製）によって設計されたものであり、両凸レンズである対物レンズ１６と破線に囲まれた高分散光学系２０とから構成されており、さらに高分散光学系２０は、アッベ数が１８．９のガラス（Ｓ−ＮＰＨ２、株式会社オハラ）を用いて作製したレンズ２０ａとレンズ２０ｂとから構成されている。図６は、対物レンズ１６、レンズ２０ａ、およびレンズ２０ｂのスペックについて示す。なお、図５中、ｆは対物レンズ１６の焦点面を、Ｆは光学系の共焦点面を示し、一点鎖線は光学系の光軸Ｋを示すものであり、図中の数値の単位はｍｍとして参照する。
【００３２】
図７は、図５に示した光学系において、波長５５０ｎｍの光と波長６５０ｎｍの光の２種類の光について光線追跡を行なった結果を示す。なお、光線追跡は、光学設計プログラム（ＯＰＴＡＳ、株式会社オプト社製）を用いて行なった。図７（ａ）は、波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１におけるスポットダイヤグラムを示す。波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１においては、波長５５０ｎｍの光束は、極小領域（直径０．０５ｍｍ）に収束しているが、波長６５０ｎｍの光束は、おおよそ０．５ｍｍの直径をもって共焦点面Ｆ１を通過することが示された。一方、図７（ｂ）は、波長６５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ２におけるスポットダイヤグラムを示す。波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１から０．７５ｍｍ像側に位置する波長６５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ２においては、波長６５０ｎｍの光束は、極小領域（直径０．０５ｍｍ）に収束しているが、波長５５０ｎｍの光束は、おおよそ０．５ｍｍの直径をもって共焦点面Ｆ２を通過することが示された。
【００３３】
上述した実施例の結果より、図５に示した分光光学系を含む本発明の蛍光分光分析装置１０は、おおよそ直径０．０５ｍｍの開口部Ｐが設けられたピンホール形成部２２を光軸方向に０．７５ｍｍ移動させることによって、波長５５０ｎｍの光と波長６５０ｎｍの光とを選択的に分光しうることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上、説明したように、本発明によれば、測定波長を自在に設定可能であり、かつ、より小型化された装置外形を実現する新規な蛍光分光分析装置が提供される。本発明の蛍光分光分析装置は、その小型化ならびに低価格化にあいまって、たとえば、ＤＮＡチップなどの蛍光解析等をはじめとする医療の研究分野における更なる活用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の蛍光分光分析装置１０の概略図。
【図２】本発明の蛍光分光分析装置１０における軸上色収差を利用した分光機構を概念的に示す図。
【図３】本発明の蛍光分光分析装置１０における光路図。
【図４】本発明の蛍光分光分析装置１０を含む蛍光分光分析システム３０の概略図。
【図５】本発明の蛍光分光分析装置１０の分光光学系における光路図。
【図６】対物レンズ１６、レンズ２０ａ、レンズ２０ｂのスペックについて示す図。
【図７】波長５５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ１ならびに波長６５０ｎｍの光の共焦点面Ｆ２におけるスポットダイヤグラムを示す図。
【図８】従来の共焦点顕微鏡を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…蛍光分光分析装置、１２…筐体、１４…サンプル設置部、１６…対物レンズ、１８…ビームスプリッター、２０…高分散光学系、２２…ピンホール形成部、２４…光軸遮蔽部、２６…集光レンズ、２８…光検出器、２９…励起光発生部、３０…蛍光分光分析システム、３２…ＸＹＺ試料ステージ、３４…位置制御システム、３６…分析制御用パソコン、３８…ピンホール移動ステージ、４０…位置制御システム、４２…エレクトロメータ、５０…共焦点顕微鏡、５２…ビームスプリッター、５４…対物レンズ、５６…サンプル設置部、５８…干渉フィルター、６０…集光レンズ、６２…ピンホール形成部、６４…光検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象に励起光を照射するための光源と、
前記分析対象から発光した蛍光を平行光線にするための第１の光学系と、
平行光線となった前記蛍光を共焦点に集束させるための第２の光学系と、
開口部が形成されたピンホール形成部と、
前記開口部を通過した前記蛍光を光検出器に集光するための第３の光学系とを備え、
前記第１、第２、および第３の光学系は、共通の光軸を有し、
前記第２の光学系は、前記第１の光学系と前記第３の光学系との間に配置され、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線を、前記光軸上において０．５ｍｍ以上離間した位置に収束させる
蛍光分光分析装置。
【請求項２】
前記光軸上であって前記ピンホール形成部と前記第３の光学系との間に、光を遮蔽する光軸遮蔽部をさらに備える、請求項１に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項３】
前記第２の光学系は、アッベ数が２５以下のレンズを含む、請求項１または２のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項４】
前記ピンホール形成部は、前記開口部が、前記光軸上であって前記第２の光学系と前記第３の光学系の間を移動自在に設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項５】
前記第２の光学系は、前記光軸上であって前記第１の光学系と前記ピンホール形成部の間を移動自在に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項６】
前記第２の光学系は、前記共焦点における球面収差が直径１００μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項１】
分析対象に励起光を照射するための光源と、
前記分析対象から発光した蛍光を平行光線にするための第１の光学系と、
平行光線となった前記蛍光を共焦点に集束させるための第２の光学系と、
開口部が形成されたピンホール形成部と、
前記開口部を通過した前記蛍光を光検出器に集光するための第３の光学系とを備え、
前記第１、第２、および第３の光学系は、共通の光軸を有し、
前記第２の光学系は、前記第１の光学系と前記第３の光学系との間に配置され、５０ｎｍの波長の差がある２種の光線を、前記光軸上において０．５ｍｍ以上離間した位置に収束させる
蛍光分光分析装置。
【請求項２】
前記光軸上であって前記ピンホール形成部と前記第３の光学系との間に、光を遮蔽する光軸遮蔽部をさらに備える、請求項１に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項３】
前記第２の光学系は、アッベ数が２５以下のレンズを含む、請求項１または２のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項４】
前記ピンホール形成部は、前記開口部が、前記光軸上であって前記第２の光学系と前記第３の光学系の間を移動自在に設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項５】
前記第２の光学系は、前記光軸上であって前記第１の光学系と前記ピンホール形成部の間を移動自在に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【請求項６】
前記第２の光学系は、前記共焦点における球面収差が直径１００μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光分光分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２７１５２８（Ｐ２００７−２７１５２８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９９５３４（Ｐ２００６−９９５３４）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（５９１０６０２４５）株式会社相馬光学 (14)
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（５９１０６０２４５）株式会社相馬光学 (14)
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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