デュアル光コム顕微鏡を用いたスキャンレス蛍光寿命イメージング法の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K13768
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 水野 孝彦 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 特任助教 (70804475)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 蛍光顕微鏡法 / 蛍光分光 / イメージング / 光コム / デュアル光コム分光 / 超短パルスレーザー / デュアル光コム顕微鏡

研究実績の概要

デュアル光コム干渉を蛍光寿命イメージングに応用する「デュアル光コム蛍光寿命顕微鏡」の開発を目的とした．光コムが有する超離散コム・モード列を2次元波長分散素子によって空間的に局在させ，さらにデュアル光コム干渉によってモード毎に固有のRFビートを付与する．これを励起照明として用いることで，1度の測定から全視野の蛍光寿命イメージングが可能となる．焦点の機械的走査が不要となるため従来よりも高速撮像が実現でき，高速な生命現象の解明やモーションブラーの低減が期待できる．
初年度と第二年度において，原理検証までを完了させた．初年度に達成した近赤外励起・蛍光イメージングの実証を起点とし，緑色デュアル光コム光源の開発，緑色励起・蛍光イメージング実証，蛍光寿命イメージング実証までを第二年度内に完了させた．
最終年度では，まず装置の完成度を高め，生体イメージングへの適用を目標として十分なピクセル数を確保した．具体的には44400本の光コム・モード群を画像ピクセルとして利用できるように調整を行った．その後に基礎特性として空間分解能と蛍光寿命測定精度について検証した．さらに生体イメージング応用を模擬して2種の蛍光ビーズを含んだ試料のイメージング検証を行い，蛍光寿命による弁別を達成した．最終的に，これまでの成果を論文としてまとめた．
一方，応用検証として細胞内組織を多重蛍光染色したHeLa細胞の生体イメージングを試みたが，十分なシグナル・ノイズ比が確保できず画像化には至らなかった．今後，生体イメージングを目指したより実用的な手法に進化させるために，光源のさらなるコヒーレンス性の確保や，圧縮センシング，光学的断層化等の適用によるシグナル・ノイズ比の向上等の展開が期待できる．

研究成果

• [雑誌論文] Full-field fluorescence lifetime dual-comb microscopy using spectral mapping and frequency multiplexing of dual-comb optical beats (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Mizuno, Eiji Hase, Takeo Minamikawa, Yu Tokizane, Ryo Oe, Hidenori Koresawa, Hirotsugu Yamamoto, Takeshi Yasui
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 ページ: eabd2102-1-11
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd2102
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computationally image-corrected dual-comb microscopy with a free-running single-cavity dual-comb fiber laser (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Mizuno, Yoshiaki Nakajima, Yuya Hata, Takuya Tsuda, Akifumi Asahara, Takashi Kato, Takeo Minamikawa, Takeshi Yasui, Kaoru Minoshima
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 ページ: 5018-5032
  • DOI: 10.1364/OE.415242
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical image amplification in dual-comb microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Mizuno, Takuya Tsuda, Eiji Hase, Yu Tokizane, Ryo Oe, Hidenori Koresawa, Hirotsugu Yamamoto, Takeo Minamikawa, Takeshi Yasui
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 8338-8338
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64927-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] デュアルコムファイバーレーザーを光源としたスキャンレス共焦点デュアルコム顕微鏡 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水野孝彦、秦祐也、津田拓哉、中嶋善晶、安井武史、美濃島薫
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会，14a-B409-10．
• [学会発表] Scan-less full-field fluorescence lifetime imaging by 2D spectral encoding and dual-comb heterodyne-beating (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Mizuno, Eiji Hase, Takeo Minamikawa, Hirotsugu Yamamoto, and Takeshi Yasui
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2020
  • 国際学会
• [備考] 徳島大プレスリリース 光のストップウォッチで、蛍光寿命画像を一括測定
  • URL: https://www.pled.tokushima-u.ac.jp/2250/
• [備考] 徳島大学安井/南川研究室ホームページ
  • URL: https://femto.me.tokushima-u.ac.jp/