2光子励起顕微鏡

2光子励起顕微鏡とは

2光子励起顕微鏡（Two-photon excitation microscope）は、多光子励起顕微鏡とも呼ばれ、物質の励起に2光子吸収過程を利用する顕微鏡です。この顕微鏡の最大の特徴は、従来の顕微鏡では難しかった生体組織の深部観察を可能にした点にあります。

2光子吸収過程

2光子吸収過程とは、本来1つの光子しか存在できない空間に、2つ以上の光子が同時に飛び込む現象です。通常、この現象は自然界では非常に稀ですが、光子の密度を高めることで発生確率を上げることができます。2光子吸収過程では、2つの光子が結合し、元の光子の2倍のエネルギーを持つ1つの光子、すなわち波長が半分の光子が生成されます。

2光子励起顕微鏡の原理

2光子励起顕微鏡の光源には、フェムト秒単位の超短パルス高出力レーザーが用いられます。これにより、高い光子密度を実現し、2光子吸収過程を効率的に発生させることができます。特に、チタンサファイアレーザーがよく使用され、対物レンズの焦点面で集光することで、その焦点面でのみ2光子吸収が起こるように設計されています。

この焦点面のみを励起できる特性により、共焦点顕微鏡と同様に3次元的な画像取得が可能です。画像構築は、ガルバノミラーと光電子増倍管、光学スリットを使用し、共焦点走査顕微鏡と類似の方法で行われます。しかし、2光子励起顕微鏡ではピンホールが不要なため、蛍光の損失が少なく、より効率的な観察が可能です。

2光子励起顕微鏡の利点

最も一般的な光源である赤外域レーザーは、長波長であるため、可視光や紫外線に比べて組織透過性に優れています。これにより、組織表面から数百マイクロメートルの深部にある細胞や組織を、少ない侵襲で観察できます。この特徴から、生きた動物の脳内における神経細胞の活動や血流の観察など、様々な研究分野で活用されています。

解像度について

2光子励起は確率論的に起こる現象であるため、画像解像度は共焦点顕微鏡に比べて劣る場合があります。

対物レンズの重要性

対物レンズには、レーザーの波長から蛍光の波長までを同焦点でカバーできる高性能なものが要求されます。

応用例

組織透過性が高いため、マウスの頭蓋骨を薄く削るなどの処置を行うことで、生きたままの脳細胞を観察することが可能になり、2000年代後半からは、樹状突起の成長を長期間にわたって追跡する研究などに利用されています。

参考文献

藤崎久雄、「ビデオレート2光子顕微鏡」 『生物物理』 2000年 40巻 3号 p.195-198, doi:10.2142/biophys.40.195
金子智行、「In situリアルタイム顕微鏡」 『生物物理』 2001年 41巻 6号 p.312-314, doi:10.2142/biophys.41.312
松崎政紀, 河西春郎. "2 光子励起顕微鏡." 細胞工学 26.3 (2007): 298-302.
水多陽子, 栗原大輔, 東山哲也、「2 光子顕微鏡による植物深部の in vivo イメージング」 『PLANT MORPHOLOGY』 2014年 26巻 1号 p.25-30, doi:10.5685/plmorphol.26.25
今村健志, 大嶋佑介. "補償光学 2 光子励起顕微鏡 (特集 光の機能に操る波面制御技術)." 光アライアンス 26.8 (2015): 8-12., NAID 40020541516
川上良介, 根本知己、「生命現象を生きたまま可視化する 2 光子顕微鏡法」 『比較内分泌学』 2015年 41巻 156号 p.136-137, doi:10.5983/nl2008jsce.41.136

関連項目

マリア・ゲッパート＝メイヤー: 2光子吸収過程が起こりうることを1931年の博士論文で予言しました。
2光子吸収過程

外部リンク

* 2光子顕微鏡 - 脳科学辞典

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