JPH05142144A - 分光学的に相関関係のある光走査顕微鏡検査法 - Google Patents

分光学的に相関関係のある光走査顕微鏡検査法

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JPH05142144A
JPH05142144A JP4116727A JP11672792A JPH05142144A JP H05142144 A JPH05142144 A JP H05142144A JP 4116727 A JP4116727 A JP 4116727A JP 11672792 A JP11672792 A JP 11672792A JP H05142144 A JPH05142144 A JP H05142144A
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Wolfgang Jacobsen
ヴオルフガング・ヤコブセン
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Bayer AG
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 共焦点走査光顕微鏡で、1度または2度、結
像される試料表面(5)の個々の要素を走査すること;
結像ビーム経路から分光器(16)内へ光の一部を投射
すること;および2次元領域(17)内に分光データを
蓄積することによる、像データと分光データとを相互に
関連させること;により、試料の波長に従って解像され
る光顕微鏡像と分光データを作成し、かつ相互に関連さ
せる方法。 【効果】 共焦点走査光顕微鏡と各種分光技法の潜在能
力が十分に活用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、共焦点走査光−顕微鏡検査法お
よび分光器により、試料の波長に従って解像される光顕
微鏡像と分光データとを作成し、かつ相互に関連させる
方法に関するものである。
【0002】走査光顕微鏡検査法を用いて、透明または
半透明の被験体の光顕微鏡像を作ることは、既知の実施
事項である(アプライド・フィジクス Applied
Physics 22(1980),P.119)。
もしも、ビーム経路が、共焦点光顕微鏡(CLSM)の
原理と一致するならば、光学的部分像、即ち、顕微鏡レ
ンズの焦点面を囲む狭領域の像が得られる。もしも、上
記焦点面が上記被験体内にある時には、上記共焦点原理
に基づいて、上方および下方に横たわっている、上記試
料の領域からの強さは、大幅に削減される。この数年
間、上記原理に基づいて作動する装置は、商業的に入手
することができた。
【0003】分光技法を用いること、特に上記スペクト
ルの可視領域からの光、または上記可視スペクトルに密
接した領域からの光を用いることにより、被験体を検査
することで、被験体の化学構造に関するデータを得るこ
とは、さらに既知の実施事項である。
【0004】光顕微鏡検査法と分光技法との組合せは、
文献からも公知である:大量生産の共焦点光顕微鏡の大
多数の製造業者により、既に認識されている概念は、蛍
光のコントラストの中で拡散反射像を作るという概念で
ある。このために、試料は単色光源により照明される。
照明光源の波長をもつ光を、できるだけ完全に保持する
光学フィルタが、結像ビーム経路内に挿入されるので、
長い波長の蛍光だけが光電検出器に届く。
【0005】さらに、従来型光顕微鏡の結像ビーム経路
に、被験体内に含まれる選択された物質の特定ラマン線
に調整された分光写真器を加入することが、マイクロス
コピア・アクタ(Microscopia Acta)
79(1977),3,P.267−276,から周知
である。この様式においては、被験体の顕微鏡のラマン
暗視野が作られる。この像は上記被験体内の選択された
物質の局所分布を複写する。
【0006】ネイチュア(Nature)347,(2
0.09.1990)P.301−303,によれば、
被験体内の予め選択できる小測定容積の、完全なラマン
スペクトルを記録可能とするために、共焦点光学ビーム
経路の概念を用いることは、周知の実施事項である。こ
のために、被験体は共焦点ビーム経路の概念に従って、
固定配列を経由するレーザーで照射され、そして結像ビ
ーム経路の開口部を通過する光がラマン分光計で分析さ
れる。この様式で、選択された測定容積のラマンスペク
トルは、1μm**3の大きさのオーダで得られる。
【0007】光顕微鏡検査法と分光技法とを組み合わせ
る文献から周知のこれらの全方法の欠点は、両技法の全
潜在能力を同時に活用することが不可能なことにある:
現在まで利用されてきた、共焦点蛍光顕微鏡検査法の標
準方法は、像を作るために、測定フィルタで透過された
蛍光の平均強さだけを利用する。蛍光スペクトルの微妙
な細部は、別の見方をすれば利用されない。マイクロス
コピア・アクタ(Microscopia Acta)
79(1977),3,P.267−276,による方
法は、共焦点光顕微鏡検査法と同様で、3次元の顕微鏡
の使用によるデータを供給することはないが、さらにラ
ーマンスペクトルで得られるデータの2次元像だけを供
給し、像を作る時に予め選択された線のデータだけを使
用する。
【0008】ネイチュア(Nature)247,P.
301−303,による方法は、走査顕微鏡像の作成が
ないために、同様に3次元の顕微鏡の使用によるデータ
を供給することなく、検査した試料容積の、完全なラマ
ンスペクトルを提供する。従って目的は、共焦点走査光
顕微鏡および分光技法の、全潜在能力を活用させる方法
を示すことにある。特に目的は、共焦点走査光顕微鏡お
よびそのスペクトルにより得られる、試料の像の間の相
関関係のデータ整理形式を示すことにある。
【0009】上記目的は、下記ステップを実施すること
により達成される: a)共焦点走査顕微鏡で、1度または2度、結像される
試料表面の個々の要素を走査すること; b)結像ビーム経路から分光器内へ、光の一部を投射す
ること; c)2次元領域内に、上記分光データを蓄積することに
より、像データと分光データとを相互に関連させるこ
と、ここで1次元は、個々の要素の測定スペクトルを蓄
積するために用いられ、そして第2の次元は、上記走査
された要素で拡散反射された光の強度により、または像
処理により試料像の全データから得られる規準によって
活性化される。さらに実施の好適形式は、実施態様に示
される。
【0010】共焦点走査光顕微鏡として、すべての装置
は、試料片が集束光ビームにより走査され、透過光また
は散乱光の一部分が、結像光学ビーム経路によって、開
口部または開口部の装置上に結像され、そして上記開口
部を通過する、上記光の一部は、光電検出器により測定
され、そして、上記測定信号の助けにより、全試料片の
像が作成されるのに適している。特に、共焦点レーザ走
査顕微鏡(例えば、テイ・ウイルソン・イーディー共焦
点顕微鏡検査法,アカデミックプレスロンドンその他、
1990の)(of.e.g.T.Wilson E
d,Confocal Microscopy,Aca
demic Press Londonetc.199
0)、および回転開口円板の概念に基礎をおいた装置
が、引用される。この様式で作られた試料片の像は、顕
微鏡の光学軸に垂直な部分像、そしてまた任意方向の切
断面、特に顕微鏡の光学軸の方向に延長する切断面の像
の両者である。
【0011】分光測定方法は、可視光線の、または可視
光線付近の波長、例えば100nm〜20μmの波長を
有する光線の、波長−従属強度を記録することに基礎を
置く任意の方法にすることもできる。特に引用する方法
は、紫外線,可視光線,近赤外線および赤外線領域なら
びに蛍光における吸収分光法、およびラマン分光法であ
る。蛍光分光法に対する励起波長が、また100nm〜
20μmの領域にあり、通常300nm〜700nm領
域内にある。ラマン分光法に対する励起波長も100n
m〜20μmの領域にあり、通常250nm〜1.5μ
mの領域内にある。
【0012】同時に記録する分光計として、問題の分光
方法に適用できる全波長領域を考慮に入れ、またはそれ
らの部品、波長間隔ごとに測定光に含まれる放射強度の
時間分解能測定を考慮に入れ、すべての装置が引用され
る。好適装置は単一または多重分光写真器で、特に好適
装置は、線または単一平面光電検出器を備えた3部分構
成の分光写真器である。特に好適な検出器は、2次元C
CD(電荷結合デバイス)配列である。
【0013】上記共焦点光顕微鏡が、多年にわたり市販
用であったにも拘わらず分光技法との完全な組合せが未
達成であったことは驚くべきことである。しかし、特別
のデータ整理手段なしに、即時かつ直接組合せが、下記
数値例を実演する時に、莫大なデータ転送速度とデータ
ボリュームに達する:8ビット分解,1,024で波長
補間ポイントリードで分光強度測定,512*512画
素の像の作成と共に、像ごとに268MBのデータ転送
速度、従って1Hzの影像周波数で268MB/sec
のデータ転送速度に達する。
【0014】本発明による上記方法は、共焦点光顕微鏡
の一方で光学部分像、かつ他方で分光強度分布のセット
の、同時または連続作成を可能にし、上記データを基礎
として上記の様式によるので、用いられる分光方法の関
連平均スペクトルは、この光学部分像の適当に選択され
た、それぞれの部分に示される。
【0015】換言すれば、分離データは、光顕微鏡像の
異なるコントラストの結果として明らかな、形態学上の
構成要素の化学構造に関して得られる。複数の例は、多
相重合体の個々の相の物質確認、重合体内の添加剤およ
び不純物の位置および確認、または生物学的試料内の活
性物質の位置の確認である。
【0016】本発明による方法は、次の説明および図面
を用いて詳細に説明する。本方法を実施する基本様式
は、共焦点レーザー走査顕微鏡の例を用いて記載する。
レーザー1で放射された光は、集束レンズ2により入射
開口部3の上に集束される。上記開口部は、顕微鏡レン
ズ4により、検査する試料5上または試料5内に結像さ
れる。開口部とレンズとの間に置かれる偏向ユニット6
は、上記レーザービームによる、選択された試料片の線
形走査に導く。
【0017】上記試料により拡散反射された光は、上記
顕微鏡レンズ4により、再び集光された後、ビームスプ
リッター7により第2開口部8上に集束される。この第
2開口部を通過する光の一部は、ビームスプリッター9
を通り、さらに他のレンズ10を経て光電検出器11に
導かれる。上記光電検出器11で作られた電気信号は、
信号処理ユニット12内で増幅されてアナログからデジ
タルに変換される。デジタル化されたCLSM像は、さ
らに処理されコンピューター13内に記憶され、出力装
置14で表示される。
【0018】上記ビームスプリッター9により反射され
た、後方散乱強度の部分はレンズ15により、分光写真
器16の入射スリット上に結像される。上記後方散乱部
分から分光写真器16は、同時に線または単一平面光電
検出器17により検出されるスペクトル解析を行なう。
上記光電検出器の電気信号は分光評価ユニットで増幅さ
れる。両例ともに、共焦点レーザー走査顕微鏡とラマン
分光写真器との組合せが記載されている。この両例は、
分光測定データを記録する様式において相互に異なるも
のである。
【0019】
【実施例】実施例1 回転鏡によるラマン散乱光の偏向について記述する。こ
の例に対する技術的実施細部は図2に示される。市販の
CLSM21は、市販の3部品構造分光写真器16と組
み合わされ、そこで測定開口部を通過する測定光の一部
が、ビームスプリッタ9により上記CLSMの測定チャ
ネルから分離されて、光ファイバー24を経て分光写真
器内へ導かれる。上記分光写真器の最初の2段は、散乱
したレーザー光を弾力的に(すなわち、波長変更なし
に)保持する。保持されるものは、蛍光またはラマン効
果により散乱された光である。この光は上記分光写真器
の第3段においてスペクトル解析を受けて、冷却した2
次元CCD配列17上に結像する。上記CCD配列上の
局所座標は、これに沿い測定光のスペクトル解析が行な
われるもので、以下xと呼ぶ。
【0020】上記分光写真器の出射スリットと上記CC
D配列との間に、電動制御の回転鏡27を備えたリレー
レンズ26が置かれる。上記回転鏡は、測定光を上記x
方向に垂直な、配列のy方向に偏向させる。上記回転鏡
は、その上試料内で弾性的に散乱した光の強度で制御さ
れ、この強度は上記分光写真器16の第2段で光電検出
器28によって測定される。他方これはまた従来型CL
SM拡散反射像にコントラストをつける変数である。上
記光電検出器の信号は、増幅器29で増幅される。
【0021】上記CCD配列にCLSM像を作成する完
全な走査処理中、測定されたラマン(および蛍光)強度
は、読出されその後の処理のためコンピューター18に
送られる。SN比すなわち信号対雑音比を改良するた
め、多数のCLSM走査から平均値が選ばれる。ここに
記載する、評価の信頼性に対する重要な要素は、回転鏡
の整定時間の、上記CLSMの走査周波数に対する同調
である。何故ならば、回転鏡は、検査試料の構造に相応
する拡散反射強度の時間にともなう変化量に、十分敏速
に反応できることを確保する必要があるからである。分
光学的割当てに対して、もしも5画素の局所分解能が要
求され、そしてCLSM像が512*512画素の分解
能と1Hzの像周波数を有すれば、約20μsecの鏡
整定時間が必要である。もしも、像周波数が、例えば
0.05Hzに減少すれば、約0.4msecの鏡整定
時間が適当である。
【0022】実施例2 ラマン散乱強度の電子分類について記述する。この例の
技術的実施細部は図3に示される。共焦点レーザー走査
顕微鏡31および分光写真器32の、光学的および光エ
レクトロニクス設計は、例1に記述した装置と同一であ
る。この例において、分光写真器から生じるラマン(お
よび蛍光)強度は、1,024素子で一次元CCD配列
17に直接当たる。この分光写真器のスペクトル解析
は、このように選択されるので関連スペクトル領域が、
上記CCD配列により確実に検出される。
【0023】1次光電検出器から出力ラインへ、ラマン
強度の転送は、上記CLSM電子装置の同期信号34
が、CCD配列に送られる、実際のCLSM像の検出と
同時に実施される。上記ラマン強度は、読出し装置35
で増幅され、アナログ−デジタル変換後、画素ごとに1
024・8bit(ビット)=1KB(キロバイト)の
データレコードになる。このデータレコードは従来のC
LSM像が作られるのに同期して、1KBに対してそれ
ぞれN位置の記憶配列36内で加算される。この数Nは
通常1<=N<=10の領域内にある。割当ては、アド
レス1からNまでのうちの1つが、各画素に対する入力
である、ルックアップテーブル(LUT)により行なわ
れる。もしも、N領域へ分割した割当てが、試料の弾性
的に散乱し、かつ分光器の第2段で測定された光の強度
を測定することにより実施されるならば、上記割当て
は、例えば上記強度の信号を用いることにより、上記試
料単一走査で容易に達成され、記憶配列36内ラマンス
ペクトルの記憶場所をアドレス指定するため、第1の試
料において上記回転鏡を制御する。別法で、LUTがラ
マン強度の検出に先行するステップで計算される:
【0024】このために、従来型CLSM後方散乱像
が、同一試料片から取られ、像解析装置37に送られ
る。この装置は、物体識別の目的で、問題固有の様式に
限定される方法を用いて、上記像に関する像クリーニン
グおよび像処理操作を実施する。例えば、すべての単一
または2重に結合された物体は、それ自体ほぼ等しい後
方散乱強度を示し、そしてこの強度でそれらの環境と十
分に異なり、さらに特定小寸法を有して検出される。従
って、画像になった試料片は、多くの物体に分割され、
そして−残り部分が−それらの環境である。後者は多数
の副領域を含む。換言すれば、総合結果は試料片の像が
N物体から成る。図4はそのような分割部分(a,b,
c,d,eおよび背景f)の代表例を複写する。数Nが
後続のラマン検出に対して、なお大き過ぎるならば、物
体は付加基準を基礎にして分類される。最後に、物体ま
たは物体のクラスは連続番号で割当てられる。上記LU
Tを設置するために、行なうべきすべてのことは、それ
が属する、これらのN物体の各画素を決めることであ
る。上記LUTは、次に像解析コンピューターからラマ
ン信号検出器38の制御電子装置へ送られる。
【0025】2ステップの達成に関して: a)従来型CLSM像の作成および上記LUTの像解析
計算、および b)a)のもとで形成した物体のおのおのに対し、別々
にラマン強度の検出、上記CLSM像の識別された物体
のおのおののラマンスペクトルは解析される。もしも、
試料の化学組成が、例えば他の解析処理の結果として、
全体として既知ならば、上記目標のおのおのの測定した
ラマンスペクトルは、試料内に含まれる化学成分の既知
ラマンスペクトルと比較できる。特に、(例えばアプラ
イド・スペクトロスコピ Appl.Spectros
c.33(1979),P351−357),既知の数
学的方法を用いれば、上記CLSM後方散乱像の個々の
目標の化学成分の割合が、定量的に決定できる。
【0026】実施態様は次のとおりである: (1)試料の波長に従って解像される、光顕微鏡像と分
光データとを作成し、かつ相互に関連させる方法であっ
て a)共焦点走査光顕微鏡で、1度または2度、結像され
る試料表面の個々の要素を走査すること; b)結像ビーム経路から分光器内へ、光の一部を投射す
ること; c)2次元領域内に、上記分光データを蓄積することに
より、像データと分光データとを相互に関連させるこ
と、ここで1次元は、個々の要素の測定スペクトルを蓄
積するために用いられ、そして第2の次元は、上記走査
された要素で拡散反射された光の強度により、または像
処理により試料像の全データから得られる規準によって
活性化される、のステップから成るもの。
【0027】(2)上記スペクトルが、光電検出器配列
を用いて測定かつデジタル化され、そして拡散反射光強
度のデジタル化した値により、データ記憶の有限個から
選択された記憶内に蓄積される、第1項記載の方法。 (3)走査要素のスペクトルが、2次元光電検出器配列
上に線として集束され、そして上記スペクトルが、上記
分光器のビーム経路内で偏向ユニットを用いて上記配列
上で垂直に変位され、上記偏向ユニットに関しては、上
記走査要素の拡散反射光強度により制御できるようにな
っている第1項および第2項記載の方法。
【0028】(4)光感応半導体または光電倍率器の1
次元または2次元の配列が、光電検出器として用いられ
る第1項〜第3項記載の方法。 (5)電気駆動回転鏡が反射ユニットとして用いられる
第1項〜第4項記載の方法。 (6)最初の走査動作で得られた試料像が、像処理装置
により多数の領域に分割され、これに試料の第2走査か
ら得られたスペクトルが割当てられる第1項記載の方
法。
【0029】(7)単色光源を備えた顕微鏡または連続
スペクトルを放射する光源を備えた顕微鏡が、共焦点走
査光顕微鏡として用いられる第1項〜第6項記載の方
法。 (8)下記分光計のうちの1個または組合せが、分光計
として用いられる: a)ラマン分光計; b)蛍光分光計; c)紫外分光計; d)目視分光計; e)赤外分光計; 第1項〜第7項記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】本方法を実施するための基本的配置を示し、
【図2】本方法が、画素に対して、スペクトルのどんな
機械的割当てで実施されるかを示し、
【図3】本方法が、画素に対して、スペクトルのどんな
電子的割当てで実施されるかを示し、
【図4】5個の物体と像解析装置による背景とになる、
試料像の分割を示す。
【符号の説明】
1 レーザー 2 集束レンズ 3 入射開口部 4 顕微鏡レンズ 5 試料 6 偏向ユニット 7 ビームスプリッター 8 第2開口部 9 ビームスプリッター 10 レンズ 11 光電検出器 12 信号処理ユニット 13 コンピューター 14 出力装置 15 レンズ 16 分光写真器 17 単一平面光電検出器(CCD配列) 18 分光評価ユニット 21 CLSM 24 光ファイバー 26 リレーレンズ 27 回転鏡 28 光電検出器 29 増幅器 31 共焦点レーザー走査顕微鏡 32 分光写真器 34 同期信号 35 読出し装置 36 記憶配列 37 像解析装置 38 ラマン信号検出器 a,b,c,d,e 像の分割部分 f 背景

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料の波長に従って解像される、光顕微
    鏡像と分光データとを作成し、かつ相互に関連させる方
    法であって a)共焦点走査光顕微鏡で、1度または2度、結像され
    る試料表面の個々の要素を走査すること; b)結像ビーム経路から分光器内へ、光の一部を投射す
    ること; c)2次元領域内に、上記分光データを蓄積することに
    より、像データと分光データとを相互に関連させるこ
    と、ここで1次元は、個々の要素の測定スペクトルを蓄
    積するために用いられ、そして第2の次元は、上記走査
    された要素で拡散反射された光の強度により、または像
    処理により試料像の全データから得られる規準によって
    活性化される、のステップから成るもの。
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