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JP3001817B2 - X-ray excitation type fluorescence microscope - Google Patents
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JP3001817B2 - X-ray excitation type fluorescence microscope - Google Patents

X-ray excitation type fluorescence microscope

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JP3001817B2
JP3001817B2 JP8258997A JP25899796A JP3001817B2 JP 3001817 B2 JP3001817 B2 JP 3001817B2 JP 8258997 A JP8258997 A JP 8258997A JP 25899796 A JP25899796 A JP 25899796A JP 3001817 B2 JP3001817 B2 JP 3001817B2
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  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、X線励起型蛍光
顕微鏡に関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、コントラストを向上させるとともに、観察試料の特
定の化学基等の検出や微量な化学基等の検出を行うこと
のできる、高性能な、新しいX線励起型蛍光顕微鏡に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an X-ray excitation type fluorescence microscope. More specifically, the present invention relates to a high-performance, new X-ray-excited fluorescence microscope capable of improving contrast and detecting a specific chemical group or the like of an observation sample or a trace amount of a chemical group. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】近年、X線光源やX線光学系
の技術進歩に伴い、その応用技術としてのX線顕微鏡が
盛んに開発されてきている。このX線顕微鏡は、その光
源であるX線が生体試料に与えるダメージが少なく、生
体試料を濡れた状態のままで高解像度かつ無染色で観察
できるという特徴を有している。特に、「水の窓」と呼
ばれる波長42.7A〜23.6Aの波長領域におい
て、X線は、炭素または窒素による吸収が最も多く、さ
らに酸素と水素から成る水分子に対して高い透過率を持
つため、主構成原子が炭素である蛋白質の透過像を、水
中においても良好なコントラストで観察することができ
る。「水の窓」の限界波長42.7Aおよび23.6A
は、それぞれ炭素のK吸収端および酸素のK吸収端に対
応するものであり、X線の吸収像の撮影原理は炭素およ
び窒素の1S電子の内殻電離過程に基づいている。
2. Description of the Related Art In recent years, X-ray microscopes have been actively developed as an applied technology with the technical progress of X-ray light sources and X-ray optical systems. This X-ray microscope is characterized in that X-rays, which are its light source, cause little damage to a biological sample, and that the biological sample can be observed with high resolution and no staining while the biological sample remains wet. In particular, in a wavelength range of 42.7A to 23.6A called a “water window”, X-rays have the highest absorption by carbon or nitrogen and have a high transmittance to water molecules composed of oxygen and hydrogen. Therefore, a transmission image of a protein whose main constituent atom is carbon can be observed with good contrast even in water. "Water window" limit wavelengths 42.7A and 23.6A
Correspond to the K absorption edge of carbon and the K absorption edge of oxygen, respectively. The principle of capturing an X-ray absorption image is based on the inner shell ionization process of 1S electrons of carbon and nitrogen.

【0003】従来より、このような内殻電離過程を用い
たX線顕微鏡としては、たとえば、ウォルタータイプに
代表される斜入射光学系、回折効果を用いたフレネルゾ
ーンプレート、2枚の球面鏡にX線多層膜鏡を蒸着した
直入射型のシュバルツシルド光学系などのような結像素
子を用いた顕微鏡システムや、結像素子を用いずにX線
フィルムやフォトレジストに試料像を直接記録する直接
密着撮影法による顕微鏡システムなどが知られている。
Conventionally, as an X-ray microscope using such an inner shell ionization process, for example, a grazing incidence optical system represented by a Walter type, a Fresnel zone plate using a diffraction effect, and two spherical mirrors are used. Microscope system using an imaging element such as a direct-incidence type Schwarzschild optical system with a vapor-deposited X-ray multilayer mirror, or direct recording of a sample image directly on an X-ray film or photoresist without using an imaging element 2. Description of the Related Art A microscope system using a close-up photographing method is known.

【0004】一方、この内殻電離過程とは別に、生体分
子の分子軌道への内殻励起過程を用いたX線顕微鏡も開
発されてきている。図1(a)(b)は、各々、内殻電
離過程と内殻励起過程の概念を例示した図である。この
図1(a)に示したように、内殻電離過程は、「水の
窓」の波長領域42.7A〜23.6AのX線により生
体試料の細胞内の炭素または窒素の1S電子を電離させ
るものである。
On the other hand, apart from this inner-shell ionization process, an X-ray microscope using an inner-shell excitation process to the molecular orbital of a biomolecule has been developed. FIGS. 1 (a) and 1 (b) are diagrams illustrating the concepts of an inner-shell ionization process and an inner-shell excitation process, respectively. As shown in FIG. 1 (a), the inner shell ionization process uses the X-rays in the wavelength range of 42.7A to 23.6A of the “water window” to generate 1S electrons of carbon or nitrogen in the cells of the biological sample. It ionizes.

【0005】また、内殻励起過程は、図1(b)に示し
たように、「水の窓」の波長領域のX線により生体試料
の細胞内の炭素または窒素の1S電子を、電子に占有さ
れていない分子軌道に励起させるものである。この内殻
励起過程において重要な役割を果たす分子軌道は、π*
軌道と呼ばれる反結合性の分子軌道であり、通常は空軌
道である。このπ*軌道は、生体分子を構成する炭素の
2p軌道が他原子の軌道と二重結合する場合に多く見ら
れる。たとえば、ベンゼン環や窒素塩基ではX線の波長
が43.5A(光エネルギー285eV)前後で強い吸
収線を持つ。これらの吸収線のエネルギー位置は「水の
窓」領域の長波長側の限界である42.7Aよりもさら
に1A程度長波長側にある(光子エネルギーにして5e
V程度低エネルギー側)。このような内殻励起過程は、
一種の共鳴吸収過程であり、X線の強い吸収が期待でき
る。さらに、分子軌道は分子固有のエネルギー準位を持
つため、X線の共鳴波長を選択することにより、特定の
分子のみの吸収像を得ることができる。
[0005] In the inner-shell excitation process, as shown in Fig. 1 (b), 1S electrons of carbon or nitrogen in cells of a biological sample are converted into electrons by X-rays in a wavelength region of a "water window". Excitation to unoccupied molecular orbitals. The molecular orbital that plays an important role in this inner-shell excitation process is π *
Orbital anti-bonding molecular orbitals, usually empty orbitals. This π * orbit is often seen when the 2p orbit of carbon constituting a biomolecule is double-bonded to the orbit of another atom. For example, a benzene ring or a nitrogen base has a strong absorption line when the X-ray wavelength is about 43.5 A (light energy: 285 eV). The energy position of these absorption lines is on the longer wavelength side by about 1 A than 42.7 A, which is the longer wavelength limit of the “water window” region (5e in terms of photon energy).
V-low energy side). Such an inner-shell excitation process
This is a kind of resonance absorption process, and strong X-ray absorption can be expected. Furthermore, since the molecular orbital has an energy level inherent to the molecule, an absorption image of only a specific molecule can be obtained by selecting the resonance wavelength of the X-ray.

【0006】したがって、内殻励起過程を用いたX線励
起顕微鏡は、内殻電離過程を用いたX線顕微鏡に比べ、
感度が高く、生体試料の観察用X線顕微鏡として非常に
優れたものである。また、近年では、このような内殻励
起過程を用いたX線励起顕微鏡により得られる像のコン
トラストをさらに向上させるために、ラベラーによるラ
ベリングを用いた蛍光顕微鏡が開発されてきている。
Therefore, the X-ray excitation microscope using the inner-shell excitation process is different from the X-ray microscope using the inner-shell ionization process.
It has high sensitivity and is very excellent as an X-ray microscope for observing a biological sample. In recent years, a fluorescent microscope using labeling by a labeler has been developed in order to further improve the contrast of an image obtained by an X-ray excitation microscope using such an inner-shell excitation process.

【0007】この蛍光顕微鏡は、蛍光団を持つ分子であ
る蛍光色素分子、つまりラベラーにより、生体細胞分子
の特定の化学基や元素を染色、つまりラベリングし、こ
のラベリングされた分子の特定の分子軌道に、内殻電子
をX線により共鳴吸収させ、生体細胞の構造や組成を解
析するものである。たとえば、N-Succinimidyl-4-nitro
phenylacetate や5-(4-Dimmethylaminophenyl)-2,4-pen
tadienalは、蛋白質のアミノ基(N端)と結合して、強
い紫外蛍光を発する。また、O-(4-Nitrobenzyl)-N,N'-d
iisopropylisourea は、蛋白質のカルボニル基(C端)
と結合し、強い紫外蛍光を発する。さらに、N,N,N',N'-
Tetrakis(2-pyridylemethyl)ethylenediamine は、細胞
内での重要な役割を果たす情報伝達物質Ca2+をラベ
リングする。また、4-Fluroro-7-sulfobenzofurazan,am
monium salt は、たとえばアミノ酸の一種であるシステ
インのSH基と結合し、385nm励起で強い515n
mの蛍光を発する。
[0007] In this fluorescence microscope, a fluorescent dye molecule, which is a molecule having a fluorophore, that is, a labeler, stains or labels a specific chemical group or element of a living cell molecule, and a specific molecular orbital of the labeled molecule. Then, the core electrons are resonantly absorbed by X-rays to analyze the structure and composition of living cells. For example, N-Succinimidyl-4-nitro
phenylacetate or 5- (4-Dimmethylaminophenyl) -2,4-pen
Tadienal emits strong ultraviolet fluorescence by binding to the amino group (N-terminal) of the protein. Also, O- (4-Nitrobenzyl) -N, N'-d
iisopropylisourea is the carbonyl group of protein (C-terminal)
And emits strong ultraviolet fluorescence. Furthermore, N, N, N ', N'-
Tetrakis (2-pyridylemethyl) ethylenediamine labels the signaling molecule Ca2 + that plays an important role in cells. Also, 4-Fluroro-7-sulfobenzofurazan, am
Monium salt binds to, for example, the SH group of cysteine, which is a kind of amino acid, and has a strong intensity of 515 n at 385 nm excitation.
m.

【0008】このように、特定の化学基や元素をラベリ
ングするラベラーは、何れも強い蛍光を発するという特
徴を持っており、この特徴はラベラーの分子軌道の構造
に起因する。すなわち、ラベラーは二重結合を有する化
学基を持つため、π電子が通常π軌道と呼ばれる分子軌
道に存在する。このπ電子は紫外または可視光によって
高次の占有されていないπ軌道や反結合性のπ*軌道に
容易に励起され、この励起状態から基底状態に脱励起す
るときに、強い蛍光を発するのである。
[0008] As described above, each labeler for labeling a specific chemical group or element has a feature of emitting strong fluorescence, and this feature is attributed to the molecular orbital structure of the labeler. That is, since a labeler has a chemical group having a double bond, π electrons exist in a molecular orbital usually called a π orbital. These π electrons are easily excited to higher unoccupied π orbitals or antibonding π * orbitals by ultraviolet or visible light, and emit strong fluorescence when deexcited from this excited state to the ground state. is there.

【0009】したがって、このようなラベラーによるラ
ベリングを用いた蛍光顕微鏡は、上述のように発生され
た強い蛍光により吸収像のコントラストを向上させるこ
とができ、生体細胞の構造や組成の解析を、より高い精
度で行うことができる。ところで、π軌道やπ*軌道の
分子軌道は、分子を構成する原子の2p軌道の線型結合
で形成され、たとえば、
Therefore, the fluorescence microscope using the labeling by such a labeler can improve the contrast of the absorption image by the strong fluorescence generated as described above, and can analyze the structure and composition of living cells more. It can be performed with high accuracy. By the way, the molecular orbital of π orbital or π * orbit is formed by the linear bond of 2p orbital of atoms constituting a molecule.

【0010】[0010]

【数1】 (Equation 1)

【0011】により表される。ここで、xi (r) はi番
目の分子構成原子の2p軌道の波動関数、Ciは規格化定
数である。一般に、原子の2p軌道は、光励起により1
s軌道の電子と強い相互作用を持つ。すなわち、1s軌
道の電子は、光励起を行う場合において2p軌道へ高い
遷移確率を持つ。図2は、炭素原子において1s電子が
各p軌道へ遷移する場合、および1s電子が電離する場
合における光子エネルギーと吸収断面積との関係を示し
たものである。この図2から明らかなように、炭素原子
は、1s電子が2p軌道へ遷移する場合において約15
0Mb(150×10-18 cm2 )程度の収断面積を持
ち、「水の窓」の励起波長による1s電子の電離におけ
る吸収断面積と比較すると100倍以上の強い吸収を持
つことが分かる。
Is represented by Here, x i (r) is a wave function of the 2p orbit of the i-th molecular constituent atom, and Ci is a normalization constant. In general, the 2p orbit of an atom is 1
Strong interaction with s orbital electrons. That is, the electrons in the 1s orbital have a high transition probability to the 2p orbital when photoexcitation is performed. FIG. 2 shows the relationship between the photon energy and the absorption cross section when the 1s electron transitions to each p orbital in the carbon atom and when the 1s electron is ionized. As is apparent from FIG. 2, the carbon atom is about 15 when the 1s electron transitions to the 2p orbital.
It has an absorption cross section of about 0 Mb (150 × 10 −18 cm 2 ), and has 100 times or more strong absorption as compared with the absorption cross section in the ionization of 1s electron by the excitation wavelength of the “water window”.

【0012】また、図3は、ベンゼン分子などの6員環
分子において1s電子がπ*軌道へ遷移する場合、およ
び1s電子が電離する場合における光子エネルギーと吸
収断面積との関係を示したものである。この図3から明
らかなように、6員環分子は、1s電子がπ*軌道へ遷
移する場合において、光子エネルギーが285eV前後
で約24Mb以上の吸収断面積を持ち、「水の窓」の励
起波長による1s電子の電離における吸収断面積と比
べ、6倍程度大きな吸収断面積を持ち、図2に示した炭
素原子の場合と同様に、非常に強い吸収を持つことが分
かる。
FIG. 3 shows the relationship between the photon energy and the absorption cross section when the 1s electron transitions to the π * orbit and when the 1s electron is ionized in a 6-membered ring molecule such as a benzene molecule. It is. As is clear from FIG. 3, when the 1s electron transits to the π * orbit, the 6-membered ring molecule has an absorption cross section of about 24 Mb or more at a photon energy of about 285 eV and excites the “water window”. It can be seen that it has an absorption cross section about 6 times larger than the absorption cross section in the ionization of 1s electron depending on the wavelength, and has very strong absorption like the carbon atom shown in FIG.

【0013】また、6員環分子以外の二重結合を持つ分
子も、上述の炭素原子や6員環分子と同様に、「水の
窓」よりも光子エネルギーが小さい領域、つまり「水の
窓」の波長領域よりも長い領域において、内殻励起過程
による非常に強い共鳴吸収を持つ。したがって、ラベリ
ングを行うラベラーは、豊富に二重結合が含まれるため
に内殻励起過程を起こす波長を持つ軟X線に対する吸収
ラベラーとしても機能する。すなわち、生体分子内のア
ミノ基などのような特定の化学基をラベリングして、内
殻励起過程を生じさせる共鳴する波長のX線を用いるこ
とにより生体試料の透過像を撮影すれば特定の化学基の
みの分布像を得ることができる。さらに共鳴による吸収
は非常に強いため、微量な量の化学基をも検出すること
ができる。
Also, molecules having a double bond other than the six-membered ring molecule, like the carbon atoms and six-membered ring molecules described above, have a region where the photon energy is smaller than the “water window”, ie, the “water window”. Has a very strong resonance absorption due to the inner-shell excitation process. Therefore, the labeler that performs labeling also functions as an absorption labeler for soft X-rays having a wavelength that causes an inner-shell excitation process because of abundant double bonds. That is, if a specific chemical group such as an amino group in a biomolecule is labeled and a transmission image of a biological sample is taken by using X-rays of a wavelength that resonates to cause an inner-shell excitation process, the specific chemical group can be obtained. A distribution image of only groups can be obtained. Furthermore, since the absorption by resonance is very strong, a trace amount of a chemical group can be detected.

【0014】よって、このようなラベラーによるラベリ
ングを用いたX線顕微鏡は、画質向上だけではなく、特
定の化学基のみの分布像を得ることができ、さらにま
た、非常に強い共鳴吸収のために微量な化学基をも検出
することができる。ところで、このラベリングを用いた
X線顕微鏡を実現するためには、以下に示す2つの必要
条件を満たす必要がある。
Therefore, the X-ray microscope using the labeling by such a labeler can not only improve the image quality but also obtain a distribution image of only specific chemical groups. Even trace amounts of chemical groups can be detected. By the way, in order to realize an X-ray microscope using this labeling, it is necessary to satisfy the following two necessary conditions.

【0015】1)ラベラーとして二重結合を含む分子を
用いる。 2)ラベラーの持つ内殻励起過程を生じさせる共鳴ライ
ンよりも波長幅、もしくは光子エネルギー幅の狭いバン
ド幅のX線を用いる。また、生体試料を観察する場合で
は、その機能を向上させるための付帯条件として、 3)濡れた状態の生体試料の撮像を可能なものとするた
めに、X線が水分子に吸収されない、 ことも挙げられ
る。
1) A molecule containing a double bond is used as a labeler. 2) Use X-rays having a wavelength width or a narrower photon energy width than the resonance line that causes the inner-shell excitation process of the labeler. In addition, when observing a biological sample, as additional conditions for improving its function, 3) X-rays are not absorbed by water molecules in order to enable imaging of a biological sample in a wet state. Are also mentioned.

【0016】以下に、これらの条件について説明する。 1)の条件について 通常、ラベラーは、H、C、N、Oを主成分として、若
干のS、Br、Pb等を含む有機分子である。したがっ
て、C、N、Oの1s電子がラベラーのπ軌道またはπ
*軌道に光励起される場合の吸収ラインを利用すること
が好ましい。この場合の共鳴吸収線の光子エネルギーお
よび波長は、たとえば、以下のようになる。
Hereinafter, these conditions will be described. Regarding condition 1) The labeler is usually an organic molecule containing H, C, N, and O as main components and containing some S, Br, Pb, and the like. Therefore, the 1s electrons of C, N and O are converted to the labeler's π orbit or π
* It is preferable to use an absorption line when light is excited in orbit. The photon energy and wavelength of the resonance absorption line in this case are as follows, for example.

【0017】 C:1s→π* 280eV〜300eV(44A〜41A) N:1s→π* 390eV〜410eV(32A〜30A) O:1s→π* 520eV〜550eV(24A〜22A) このような領域において、1s→π*を含む様々な内殻
励起過程による吸収ピーク群が観測されている。
C: 1 s → π * 280 eV to 300 eV (44 A to 41 A) N: 1 s → π * 390 eV to 410 eV (32 A to 30 A) O: 1 s → π * 520 eV to 550 eV (24 A to 22 A) Absorption peaks due to various inner-shell excitation processes including 1s → π * have been observed.

【0018】この他のS、Br、Pb等の重元素の場合
においても、1s→π*に限らず、2p、2s、3s、
3p、3p....などの様々な内殻軌道よりの吸収ピ
ークが2000eV以下で観測されている。したがっ
て、たとえば上述のような波長帯域のX線を用いれば、
高性能なX線顕微鏡を実現できる。
In the case of other heavy elements such as S, Br, Pb, etc., not only 1s → π *, but also 2p, 2s, 3s,
3p, 3p. . . . Absorption peaks from various inner orbitals are observed at 2000 eV or less. Therefore, for example, if X-rays in the above wavelength band are used,
A high-performance X-ray microscope can be realized.

【0019】2)の条件について 1s→π*遷移に伴う最も強い吸収ピークは1eV程度
のライン幅を持っている。したがって、少なくとも光子
エネルギー幅1eV以下のバンド幅のX線を用いること
が必要条件となる。これ以上のバンド幅で透過像を撮像
すると、吸収に関与しない波長が混入するために著しく
コントラストが低下する。よって、上記のバンド幅以上
の分解能をもつ波長分散性のある光学素子や単色化した
光源を用いることが必要である。
Condition 2) The strongest absorption peak associated with the 1s → π * transition has a line width of about 1 eV. Therefore, it is necessary to use an X-ray having a bandwidth of at least a photon energy width of 1 eV or less. When a transmission image is captured with a bandwidth larger than this, the contrast is significantly reduced because wavelengths not involved in absorption are mixed. Therefore, it is necessary to use an optical element having a wavelength dispersibility having a resolution equal to or greater than the above-mentioned bandwidth and a monochromatic light source.

【0020】3)の条件について 濡れた状態の生体試料を撮像するためには、X線が水分
子に吸収されないことが必要である。すなわち、水分子
中の酸素原子のK吸収端、つまり23.6Aよりも長い
波長の軟X線を用いる必要がある。このような条件を満
たすことにより、高性能なX線顕微鏡を実現させること
ができる。
Regarding Condition 3) In order to image a biological sample in a wet state, it is necessary that X-rays are not absorbed by water molecules. That is, it is necessary to use a soft X-ray having a wavelength longer than the K absorption edge of an oxygen atom in a water molecule, that is, a wavelength longer than 23.6A. By satisfying such conditions, a high-performance X-ray microscope can be realized.

【0021】以下に、ラベラーとしてO-(4-Nitrobenzy
l)hydroxylamineを用いたX線顕微鏡によるタバコモザ
イクウィルスの蛋白質の検出の一例を示し、説明する。
タバコモザイクウィルスの形状は、16×300nmの
棒状であり、その蛋白質は、158個のアミノ酸分子で
構成される2130個の小集団の蛋白質から成る。アミ
ノ酸分子1個に対して、ケトン基またはアルデヒド基を
有するペプチド結合は1個存在するため、タバコモザイ
クウィルスは158×2130のケトン基またはアルデ
ヒド基を持つ。
Hereinafter, O- (4-Nitrobenzy) is used as a labeler.
l) An example of detection of tobacco mosaic virus protein by X-ray microscopy using hydroxylamine is shown and described.
The shape of the tobacco mosaic virus is a rod of 16 × 300 nm, and its protein is composed of a small population of 2130 proteins composed of 158 amino acid molecules. Since one peptide bond having a ketone group or an aldehyde group exists for one amino acid molecule, tobacco mosaic virus has 158 × 2130 ketone groups or aldehyde groups.

【0022】O-(4-Nitrobenzyl)hydroxylamineは、ベン
ゼン環を持ち、光子エネルギー285eV前後で炭素1
s→π*遷移に伴う強いX線の吸収ピークを持つ。この
O-(4-Nitrobenzyl)hydroxylamineによりタバコモザイク
ウィルスのケトン基またはアルデヒド基をラベリングし
た時の1s→π*遷移に伴う最も強いX線の吸収を算出
すると、ベンゼン分子1個あたりの吸収断面積σは、約
25Mb(25×10-18 cm2 )であり、染色された
タバコモザイクウィルスの共鳴波長における、吸収断面
積σと単位体積あたりのケトン基またはアルデヒド基の
密度との積により与えられる線吸収係数μは13/μm
となる。この値は、通常の蛋白質の「水の窓」領域の波
長の線吸収係数μの倍以上の値である。 また、顕微鏡
のコントラストCは、色々なコントラストの領域を持つ
試料の最大透過率Imax と、対象とする領域の透過率I
とを用いて次式で与えられる。
O- (4-Nitrobenzyl) hydroxylamine has a benzene ring and has a photon energy of around 285 eV and carbon 1
It has a strong X-ray absorption peak accompanying the s → π * transition. this
Calculating the strongest X-ray absorption accompanying 1s → π * transition when labeling the ketone group or aldehyde group of tobacco mosaic virus with O- (4-Nitrobenzyl) hydroxylamine, the absorption cross section σ per benzene molecule is calculated. Is about 25 Mb (25 × 10 −18 cm 2 ) and is the line given by the product of the absorption cross section σ and the density of ketone or aldehyde groups per unit volume at the resonant wavelength of the stained tobacco mosaic virus. Absorption coefficient μ is 13 / μm
Becomes This value is at least twice the linear absorption coefficient μ of the wavelength in the “water window” region of a normal protein. Further, the contrast C of the microscope is determined by the maximum transmittance Imax of the sample having various contrast areas and the transmittance Imax of the target area.
And is given by the following equation.

【0023】[0023]

【数2】 (Equation 2)

【0024】また、x=16nmのサイズのタバコモザ
イクウィルスの透過率Iは、次式で与えられる。
The transmittance I of tobacco mosaic virus having a size of x = 16 nm is given by the following equation.

【0025】[0025]

【数3】 (Equation 3)

【0026】これらの式により算出すると、タバコモザ
イクウィルスのコントラストCは、0.1程度であり、
「水の窓」領域の波長を用いるX線顕微鏡と比べ、約2
倍以上の値となる。したがって、ラベラーによるラベリ
ングを用いたX線顕微鏡により、非常に高い感度で、た
とえばタバコモザイクウィルスの蛋白質を検出できるこ
とがわかる。
When calculated using these equations, the contrast C of the tobacco mosaic virus is about 0.1,
Compared to an X-ray microscope using a wavelength in the “water window” region, it is about 2
The value is more than double. Therefore, it can be seen that an X-ray microscope using labeling by a labeler can detect, for example, a protein of tobacco mosaic virus with very high sensitivity.

【0027】しかしながら、このような従来のX線顕微
鏡は、透過型顕微鏡、すなわち明視野顕微鏡であり、観
察する試料の構成組織の吸収によって、吸収像のコント
ラストがつくため、式(3)からも明らかなように、観
察する組織のサイズが小さくなると、X線の吸収の程度
が小さくなり、必然的にコントラストが悪くなるといっ
た問題があった。
However, such a conventional X-ray microscope is a transmission type microscope, that is, a bright field microscope, and a contrast of an absorption image is obtained by absorption of a constituent tissue of a sample to be observed. As is apparent, when the size of the tissue to be observed is reduced, the degree of absorption of X-rays is reduced, and there is a problem that the contrast is necessarily deteriorated.

【0028】そこで、この発明は、以上の通りの事情に
鑑みてなされたものであり、特定の化学基や元素などの
検出を行うことができ、また微小な量の化学基等の検出
をも行うことができるとともに、コントラストをより向
上させることのできる、高性能な、新しいX線顕微鏡を
提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the circumstances described above, and can detect a specific chemical group or element, and can detect a minute amount of a chemical group. It is an object of the present invention to provide a new high-performance X-ray microscope that can perform the measurement and can further improve the contrast.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、X線を放射するX線光源と、X
線光源からのX線を観察試料上に集光するX線集光部
と、X線集光部によるX線の集光点から発光する燐光お
よび蛍光を集光する燐光・蛍光集光部と、燐光・蛍光集
光部により集光された燐光および蛍光を検出する光検出
器とを備えたX線励起型蛍光顕微鏡であって、光子エネ
ルギー2000eV以下で単色化されたX線が用いられ
ていることを特徴とするX線励起型蛍光顕微鏡(請求項
1)を提供する。
According to the present invention, there is provided an X-ray light source for emitting X-rays.
An X-ray focusing unit that focuses X-rays from the X-ray light source on the observation sample; a phosphorescent / fluorescent focusing unit that collects phosphorescence and fluorescence emitted from the X-ray focusing point by the X-ray focusing unit An X-ray excitation type fluorescence microscope equipped with a photodetector for detecting phosphorescence and fluorescence condensed by a phosphorescence / fluorescence condensing unit, wherein X-rays monochromatized at a photon energy of 2000 eV or less are used. The present invention provides an X-ray excitation type fluorescence microscope (Claim 1).

【0030】また、この発明は、上記の顕微鏡におい
て、波長幅1eV以下で単色化されたX線が用いられて
いること(請求項2)や、X線の光子エネルギーが28
0eV〜550eVであり、かつ波長可変であること
(請求項3)や、X線光源が、シンクロトロン、レーザ
ープラズマ光源、プラズマ放電型X線光源、もしくは電
子線励起型X線管のいずれかであること(請求項4)
や、X線集光部にX線集光対物レンズが設けられてお
り、このX線集光対物レンズが、フレネルゾーンプレー
ト、ウォルタータイプ、もしくは直入射型シュバルツシ
ルド光学型のいずれかであること(請求項5)や、X線
集光部に、X線光源からのX線の発光点を制限するピン
ホールが設けられ、また光検出器の前であって燐光・蛍
光集光部に別のピンホールが設けられており、X線集光
部と燐光・蛍光集光部とが共焦点光学系を形成している
こと(請求項6)等をその好ましい態様としている。
According to the present invention, in the above microscope, monochromatic X-rays having a wavelength width of 1 eV or less are used (claim 2).
0 eV to 550 eV and the wavelength is variable (Claim 3), and the X-ray light source is any of a synchrotron, a laser plasma light source, a plasma discharge type X-ray light source, or an electron beam excitation type X-ray tube. There is (claim 4)
In addition, an X-ray focusing objective lens is provided in the X-ray focusing section, and the X-ray focusing objective lens is one of a Fresnel zone plate, a Walter type, and a direct incidence type Schwarzschild optical type. (Claim 5) In addition, a pinhole for limiting the emission point of the X-ray from the X-ray light source is provided in the X-ray focusing section, and a separate pinhole is provided in front of the photodetector and in the phosphorescence / fluorescence focusing section. The preferred embodiment is that the X-ray focusing section and the phosphorescence / fluorescence focusing section form a confocal optical system (claim 6).

【0031】さらにまた、この発明は、上記の顕微鏡を
用いる化学検出方法であって、二重結合を含む分子であ
るラベラーにより観察試料をラベリングすることを特徴
とする化学検出方法(請求項7)をも提供する。また、
この発明は、上記の方法において、ラベラーが5員環ま
たは6員環を含むこと(請求項8)や、ラベラーがベン
ゼン環を含むこと(請求項9)や、光子エネルギーが2
80〜290eVであること(請求項10)や、C、
N、Oを含む分子の1s→π*吸収を用いること(請求
項11)等をもその好ましい態様としている。
Further, the present invention relates to a chemical detection method using the above-mentioned microscope, wherein the observation sample is labeled with a labeler which is a molecule containing a double bond (claim 7). Also provide. Also,
According to the present invention, in the above method, the labeler contains a 5-membered ring or a 6-membered ring (claim 8), the labeler contains a benzene ring (claim 9), and the photon energy is 2
80 to 290 eV (Claim 10), C,
Use of 1s → π * absorption of a molecule containing N and O (claim 11) is also a preferred embodiment thereof.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】この発明のX線励起型蛍光顕微鏡
は、上述の通り、X線光源と、X線集光部と、燐光・蛍
光集光部と、光検出器とを備えており、X線光源から放
射されたX線は、X線集光部により観察試料上に集光さ
れる。そして、この集光されたX線により、観察試料の
電子構造に後述の内殻励起過程が起き、この内殻励起過
程後の脱励起過程において発光される燐光および蛍光
が、燐光・蛍光集光部により集光されて、光検出器によ
り検出される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, an X-ray excitation type fluorescence microscope according to the present invention includes an X-ray light source, an X-ray focusing section, a phosphorescence / fluorescence focusing section, and a photodetector. X-rays emitted from the X-ray light source are collected on the observation sample by the X-ray collector. The collected X-rays cause an inner-shell excitation process to be described later in the electronic structure of the observation sample, and phosphorescence and fluorescence emitted in the de-excitation process after the inner-shell excitation process are converted to phosphorescence and fluorescence condensed light. The light is collected by the unit and detected by the photodetector.

【0033】このようなこの発明のX線励起型蛍光顕微
鏡は、暗視野顕微鏡の原理を利用している。暗視野顕微
鏡は、観察試料からの散乱光、蛍光、または回折光によ
り像を得るものであり、暗いバックグラウンドの中に、
散乱、蛍光、または回折を引き起こす部分が輝いて見え
る。したがって、試料から発光した光子を純粋に計測す
るため、たとえば微量光子検出技術を用いることにより
高いS/N比で観察試料の微小組織を検出することがで
きる。このように、暗視野顕微鏡は明視野顕微鏡に比べ
て格段に検出感度が優れている。
Such an X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention utilizes the principle of a dark field microscope. A dark field microscope obtains an image by scattered light, fluorescence, or diffracted light from an observation sample.
Parts that cause scattering, fluorescence, or diffraction appear shiny. Therefore, since the photons emitted from the sample are purely measured, the microstructure of the observation sample can be detected at a high S / N ratio by using, for example, a trace photon detection technique. As described above, the dark-field microscope has much higher detection sensitivity than the bright-field microscope.

【0034】この暗視野顕微鏡の原理を用いたこの発明
のX線励起型蛍光顕微鏡は、前述のように、X線を観察
試料に集光照射することにより、観察試料の電子構造に
内殻励起過程を起こし、この内殻励起過程後の脱励起過
程において発光される燐光および蛍光を検出するもので
ある。すなわち、まず、図4(a)(b)(c)は、各
々、内殻励起過程、オージェー過程、脱励起過程におけ
るベンゼン環の炭素分子の電子構造を例示したものであ
る。
As described above, the X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention, which uses the principle of the dark field microscope, condenses and irradiates the observation sample with X-rays, thereby exposing the electronic structure of the observation sample to inner-shell excitation. A process is performed to detect phosphorescence and fluorescence emitted in a de-excitation process after the inner-shell excitation process. That is, first, FIGS. 4A, 4B, and 4C exemplify the electronic structures of the carbon molecules of the benzene ring in the inner-shell excitation process, the Auger process, and the de-excitation process, respectively.

【0035】図4(a)に示したように、ベンゼン環が
波長λxのX線を吸収して、内殻励起過程が起こり、炭
素の軌道1sの電子Aが高位の空の分子軌道e2に励起
される。その後、図4(b)に示したように、励起した
ベンゼン分子は、エネルギー的に不安定であるためオー
ジェー過程を起こし、価電した電子Bが軌道1sの空孔
をうめる。この時、電子Aの近くの軌道e1の電子Cは
弾き飛ばされて電離してしまう。つまり、このオージェ
ー過程において、1価のベンゼンの励起状態が形成され
る。この際、最初に高位の空の分子軌道e2に励起され
た電子Aはそのままの状態で留まる。この電子Aは、通
常スペクテイターと呼ばれる。このスペクテイターは、
図4(c)に例示したように、一定時間、たとえば数n
sec、軌道e2に留まった後、波長λf、たとえば2
00nm〜500nmの光を放出して、低位の軌道e1
の空孔をうめる。つまり、この脱励起過程において1価
の基底状態に戻る。
As shown in FIG. 4 (a), the benzene ring absorbs X-rays of wavelength λx, causing an inner shell excitation process, and the electrons A in the carbon orbit 1s are moved to the higher empty molecular orbital e2. Get excited. Thereafter, as shown in FIG. 4 (b), the excited benzene molecule is unstable in terms of energy, so that an Auger process occurs, and the charged electron B fills a vacancy in orbit 1s. At this time, the electron C in the trajectory e1 near the electron A is repelled and ionized. That is, in the Auger process, an excited state of monovalent benzene is formed. At this time, the electron A first excited in the higher empty molecular orbital e2 remains as it is. This electron A is usually called a spectator. This spectator,
As illustrated in FIG. 4C, for a certain period of time, for example, several n
sec, after staying in the orbit e2, the wavelength λf, for example, 2
Emitting light of 00 nm to 500 nm, the lower orbit e1
Fill the holes. That is, in this deexcitation process, the state returns to the monovalent ground state.

【0036】スペクテイターが存在する分子軌道は、原
子や分子の種類等または化学的環境等の影響を極めて敏
感に受ける。このため、波長λxおよび波長λfは、原
子や分子の種類等または化学的環境等に応じて異なった
ものとなる。したがって、この発明のX線励起型蛍光顕
微鏡では、観察する分子の1s→π*遷移に相当する波
長のX線を用いて、上述のような内殻励起過程後の脱励
起過程におけるスペクテイターによる蛍光を検出するこ
とにより、微妙に異なる化学的環境を反映した観察試料
の化学基を、優れた感度で検出することができる。
The molecular orbital where the spectator is present is extremely sensitive to the effects of the type of atoms and molecules or the chemical environment. Therefore, the wavelength λx and the wavelength λf are different depending on the type of atoms and molecules, the chemical environment, and the like. Therefore, in the X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention, the X-rays having a wavelength corresponding to the 1s → π * transition of the observed molecule are used, and the fluorescence by the spectator in the de-excitation process after the inner-shell excitation process as described above is used. By detecting, it is possible to detect a chemical group of an observation sample that reflects a slightly different chemical environment with excellent sensitivity.

【0037】そして、さらに、この発明のX線励起型蛍
光顕微鏡を用いた化学検出方法では、ラベラーにより、
観察試料の特定の化学基や元素をラベリングすることに
より、Caイオンなどの微小検出を行うことができ、ま
た非常に高いコントラストの像を得ることができる。ま
た、プローブ光として、可視光の波長よりも僅かに短い
波長であるX線を用いるため、極めて高い空間分解能が
得られ、現存のX線光学素子を用いた場合、20〜30
nmの画素密度の映像を得ることができる。
Further, according to the chemical detection method using the X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention,
By labeling a specific chemical group or element of the observation sample, minute detection of Ca ions or the like can be performed, and an image with a very high contrast can be obtained. Further, since X-rays having a wavelength slightly shorter than the wavelength of visible light are used as probe light, extremely high spatial resolution can be obtained, and when an existing X-ray optical element is used, 20 to 30 is used.
An image with a pixel density of nm can be obtained.

【0038】さらにまた、X線光源として、たとえばパ
ルス光源を用いると、時間分解能により、観察試料の過
渡応答をも観察することができる。また、走査型共焦点
型の蛍光顕微鏡と同じような構成とすると、深さ分解能
を有することも可能である。このように、この発明は、
高性能な暗視野顕微鏡であって、蛍光顕微鏡の特徴と、
高い空間分解能を有するX線顕微鏡の特徴とを併せるこ
とにより、高性能なX線励起型蛍光顕微鏡を実現させる
ことができる。
Further, when a pulse light source is used as the X-ray light source, for example, the transient response of the observation sample can be observed with a time resolution. Further, when the configuration is the same as that of a scanning confocal fluorescence microscope, it is possible to have depth resolution. Thus, the present invention
A high-performance dark-field microscope that features the characteristics of a fluorescence microscope,
By combining the features of an X-ray microscope having a high spatial resolution, a high-performance X-ray excitation type fluorescence microscope can be realized.

【0039】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明の実施の形態について説明する。もちろんこの発明は
以下の例によって限定されるものではない。
Hereinafter, examples will be shown, and embodiments of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited by the following examples.

【0040】[0040]

【実施例】【Example】

(実施例1)図5は、この発明の一実施例であるX線励
起型蛍光顕微鏡を例示したものである。たとえばこの図
5に例示したように、この発明のX線励起型蛍光顕微鏡
では、X線光源としてシンクロトロン(1)が備えられ
ており、X線集光部は、回折格子(2)と、斜入射集光
レンズ(3)と、第1ピンホール(4)と、X線集光対
物レンズとしてのフレネルゾーンプレート(5)とによ
り構成され、また、燐光・蛍光集光部は、光学レンズと
しての可視・紫外光レンズ(7)と第2ピンホール
(8)とにより構成されており、光検出器としてはフォ
トマル(9)が備えられている。
(Embodiment 1) FIG. 5 illustrates an X-ray excitation type fluorescence microscope according to an embodiment of the present invention. For example, as exemplified in FIG. 5, in the X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention, a synchrotron (1) is provided as an X-ray light source, and an X-ray focusing unit includes a diffraction grating (2); An oblique incidence condenser lens (3), a first pinhole (4), and a Fresnel zone plate (5) as an X-ray condenser objective lens, and a phosphorescence / fluorescence condenser section is an optical lens. A visible / ultraviolet lens (7) and a second pinhole (8) are provided, and a photodetector (9) is provided as a photodetector.

【0041】シンクロトロン(1)から放射されたX線
は、回折格子(2)により分光された後、斜入射集光レ
ンズ(3)により第1ピンホール(4)上に集光され
る。この第1ピンホール(4)上の点像は、フレネルゾ
ーンプレート(5)により観察試料(6)内の1点に縮
小結像される。このようにして、数10nm程度のサイ
ズのX線マイクロビームが形成される。そして、このX
線マイクロビームにより観察試料(6)から発光した蛍
光は、紫外あるいは可視領域の可視・紫外光レンズ
(7)により第2ピンホール(8)上に集光された後、
フォトマル(9)上に集光される。
The X-rays radiated from the synchrotron (1) are separated by the diffraction grating (2) and then condensed on the first pinhole (4) by the grazing incidence condenser lens (3). The point image on the first pinhole (4) is reduced and formed on one point in the observation sample (6) by the Fresnel zone plate (5). In this way, an X-ray micro beam having a size of about several tens nm is formed. And this X
The fluorescence emitted from the observation sample (6) by the X-ray microbeam is collected on the second pinhole (8) by the visible / ultraviolet lens (7) in the ultraviolet or visible region,
The light is focused on the photomultiplier (9).

【0042】このようなこの発明のX線励起型蛍光顕微
鏡により、特定の化学基の検出や微量な化学基の検出を
行うことができるとともに、得られる像のコントラスト
をより向上させることができる。また、図6(a)に例
示したように、X線集光部の第1ピンホール(4)およ
びフレネルゾーンプレート(5)と、燐光・蛍光集光部
の可視・紫外光レンズ(7)および第2ピンホール
(8)とは、共焦点光学系を構成しているため、観察試
料(6)を3次元操作することにより、X線により励起
された分子からの3次元蛍光像をも得ることができる。
With such an X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention, it is possible to detect a specific chemical group or a trace amount of a chemical group, and to further improve the contrast of an obtained image. Further, as exemplified in FIG. 6A, the first pinhole (4) and the Fresnel zone plate (5) of the X-ray focusing unit, and the visible / ultraviolet light lens (7) of the phosphorescent / fluorescent focusing unit. The second pinhole (8) and the second pinhole (8) constitute a confocal optical system. Therefore, by three-dimensionally manipulating the observation sample (6), a three-dimensional fluorescence image from molecules excited by X-rays can be obtained. Obtainable.

【0043】もちろん、X線集光部の第1ピンホール
(4)と燐光・蛍光集光部の第2ピンホール(8)とを
用いずに、X線集光部のフレネルゾーンプレート(5)
と燐光・蛍光集光部の可視・紫外光レンズ(7)とによ
り、図6(b)に例示したように、共焦点光学系が構成
されていてもよく、また、2次元蛍光像のみを得る場合
には、非共焦点光学系であってもよい。
Of course, the Fresnel zone plate (5) of the X-ray collector is used without using the first pinhole (4) of the X-ray collector and the second pinhole (8) of the phosphorescent / fluorescent collector. )
As shown in FIG. 6B, a confocal optical system may be constituted by the light and the visible / ultraviolet light lens (7) of the phosphorescent / fluorescent light condensing part. If so, a non-confocal optical system may be used.

【0044】X線光源としては、シンクロトロンだけで
なく、レーザープラズマ光源や、プラズマ放電型X線光
源、電子線励起型X線管等が設置されていてもよく、ま
た、X線集光対物レンズとして、フレネルゾーンプレー
ト(5)の代わりに、ウォルタータイプに代表される斜
入射光学系や、2枚の球面鏡にX線多層膜鏡が蒸着され
た構造を有する直入射型シュバルツシルド光学型等が設
置されていてもよい。
As the X-ray light source, not only a synchrotron but also a laser plasma light source, a plasma discharge type X-ray light source, an electron beam excitation type X-ray tube or the like may be installed. As the lens, instead of the Fresnel zone plate (5), a grazing incidence optical system represented by a Walter type, a direct incidence type Schwarzschild optical type having a structure in which an X-ray multilayer mirror is deposited on two spherical mirrors, etc. May be installed.

【0045】また、光検出部の光学レンズとしては、可
視・紫外光レンズ(7)だけではなく、十分な蛍光強度
を有する、フレネルゾーンプレート、ウォルタータイ
プ、直入射型シュバルツシルド光学型などのX線結像光
学系が備えられていてもよい。 (実施例2)図6は、この発明の一実施例であるX線励
起型蛍光顕微鏡を例示したものである。
As the optical lens of the light detecting section, not only the visible / ultraviolet light lens (7) but also an X-ray such as a Fresnel zone plate, a Walter type, or a direct incidence type Schwarzschild optical type having a sufficient fluorescence intensity. A line imaging optical system may be provided. (Embodiment 2) FIG. 6 illustrates an X-ray excitation type fluorescence microscope according to an embodiment of the present invention.

【0046】この図6に例示したこの発明のX線励起型
蛍光顕微鏡では、レーザー光を放射するレーザーシステ
ム(10)が備えられており、このレーザーシステム
(10)からのレーザー光を観察試料(6)上に集光さ
せるためのミラー(11)とレーザー光集光レンズ(1
2)とが設けられている。その他の構成は、図5のX線
励起型蛍光顕微鏡と同じである。
The X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention illustrated in FIG. 6 is provided with a laser system (10) for emitting a laser beam, and the laser beam from the laser system (10) is used for an observation sample ( 6) A mirror (11) for converging light on the upper surface and a laser light condensing lens (1)
2) is provided. Other configurations are the same as those of the X-ray excitation type fluorescence microscope of FIG.

【0047】レーザーシステム(10)から放射される
レーザー光を、ミラー(11)により方向調整し、レー
ザー光集光レンズ(12)により観察試料(6)上に集
光させることにより、観察試料(6)における観察の対
象とする分子の価電子を励起させた後、X線光源(1)
からのX線により、同じ分子の内殻電子を共鳴波長で外
殻価電子軌道に励起させる。そして、オージェー過程後
の分子からの蛍光を検出する。
The direction of the laser beam emitted from the laser system (10) is adjusted by a mirror (11), and the laser beam is condensed on the observation sample (6) by a laser beam condensing lens (12). After exciting the valence electrons of the molecule to be observed in 6), the X-ray light source (1)
Excites the inner-shell electrons of the same molecule into outer-shell valence orbitals at the resonance wavelength. Then, the fluorescence from the molecule after the Auger process is detected.

【0048】このようにして、たとえば紫外光+X線の
二重共鳴吸収を起こさせることにより、特定の微量な分
子を高感度で検出することができる。レーザーシステム
(10)は、波長可変のものが好ましく、たとえば、N
d:YAGレーザー+色素レーザーを用い、これと非線
型結晶とを併用することにより、赤外〜紫外領域の光を
放射することができる。また、オプティカルパラメトリ
クオシレーター(OPO)やチタンサファイヤレーザー
等を用いてもよい。
In this way, by causing double resonance absorption of, for example, ultraviolet light and X-rays, a specific trace amount of molecule can be detected with high sensitivity. The laser system (10) is preferably of a wavelength tunable type.
d: By using a YAG laser + dye laser and using the non-linear crystal in combination, light in the infrared to ultraviolet region can be emitted. Further, an optical parametric oscillator (OPO), a titanium sapphire laser, or the like may be used.

【0049】もちろん、図6に示したようなレーザーシ
ステムでなくとも、二重共鳴を起こすことのできる光源
システムであればよい。また、任意に、フォトダイオー
ド、光電子増倍管、マイクロチャンネルプレート等の検
出器の受光面の入り口に、フィルター等の分光光学素子
を挿入することにより、検出感度をさらに向上させるこ
とができる。
Of course, a light source system capable of causing double resonance may be used instead of the laser system shown in FIG. Optionally, by inserting a spectroscopic optical element such as a filter at the entrance of the light receiving surface of a detector such as a photodiode, a photomultiplier tube, or a microchannel plate, the detection sensitivity can be further improved.

【0050】(実施例3)この発明のX線励起型蛍光顕
微鏡を用いた化学検出方法により、生体試料をラベラー
によりラベリングし、生体試料の蛋白質分子中のケトン
基またはアルデヒド基の分布を撮像する。ラベラーとし
て、O-(4-Nitrobenzyl)hydroxylamineを用いる。このO-
(4-Nitrobenzyl)hydroxylamineは、高い蛍光収率のベン
ゼン環を有し、さらに光子エネルギー285eV前後で
炭素1s→π*遷移に伴う強いX線の吸収ピークを持
つ。
Example 3 A biological sample is labeled with a labeler by the chemical detection method using an X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention, and the distribution of ketone groups or aldehyde groups in protein molecules of the biological sample is imaged. . O- (4-Nitrobenzyl) hydroxylamine is used as a labeler. This O-
(4-Nitrobenzyl) hydroxylamine has a benzene ring with a high fluorescence yield, and has a strong X-ray absorption peak associated with a carbon 1s → π * transition at a photon energy of around 285 eV.

【0051】このような特徴を有するO-(4-Nitrobenzy
l)hydroxylamineにより、生体試料の蛋白質分子中のケ
トン基またはアルデヒド基をラベリングする。そして、
光子エネルギー285eV前後のX線により、ベンゼン
環の炭素1s電子を内殻励起させた後、脱励起過程にお
いて発光する蛍光を検出することにより、ケトン基また
はアルデヒド基の分布を高感度、且つ高コントラストで
撮像することができる。
O- (4-Nitrobenzy) having such characteristics
l) Labeling ketone groups or aldehyde groups in protein molecules of biological samples with hydroxylamine. And
X-rays with a photon energy of around 285 eV excite the carbon 1s electrons of the benzene ring in the inner shell, and then detect the fluorescence emitted in the de-excitation process, so that the distribution of ketone groups or aldehyde groups can be detected with high sensitivity and high contrast. Can be imaged.

【0052】(実施例4)ここでは、以下に、この発明
において用いることのできる、様々な特定の化学基また
は分子に対するラベラーを例示する。 1)チオール基のラベラー(R−SH) ジスルフィードの交換反応を起こす分子やリアールハラ
イドなどがあり、SH基の特異的反応を利用するマレイ
ミド基を持つ分子。
Example 4 Here, labelers for various specific chemical groups or molecules that can be used in the present invention will be exemplified. 1) Labeler of thiol group (R-SH) A molecule having a maleimide group utilizing a specific reaction of an SH group, such as a molecule which causes an exchange reaction of disulfide and a rial halide.

【0053】たとえば、 ・4-Fluoro-7-sulfamoylbenzofurazan ・2,2'-Dihydroxy-6,6'dinaphthyl disulfide ・N-(9-Acridinyl)maleimide 2)カルボキシル基のラベラー(R−COOH) ブロメチル基を反応活性基とする分子。For example: 4-Fluoro-7-sulfamoylbenzofurazan 2,2'-Dihydroxy-6,6'dinaphthyl disulfide N- (9-Acridinyl) maleimide 2) Labeler of carboxyl group (R-COOH) Bromethyl group A molecule used as a reactive group.

【0054】たとえば、 ・4-Bromomethyl-7-methoxycoumarin ・3-Bromomethyl-6,7-dimethoxy-1-methyl-1,2-ditydro
quinoxaline-2-one 3)アミノ基のラベラー(R−NH、R−NH2) イソチオシアネート基、フェロセニルイソチオシアネー
ト基、ニトロアリールハライド、酸クロリド基を活性基
とする分子。
For example, 4-Bromomethyl-7-methoxycoumarin 3-Bromomethyl-6,7-dimethoxy-1-methyl-1,2-ditydro
quinoxaline-2-one 3) Labeler of amino group (R-NH, R-NH2) A molecule having an isothiocyanate group, ferrocenyl isothiocyanate group, nitroaryl halide, or acid chloride group as an active group.

【0055】たとえば、 ・Fluoresceinisothiothiocyanate,isomer-1 ・4-[4-(Dimethylamino)phenylazo]phenylisothiocyana
te ・4-Chloro-7-nitrobenzofurazan ・4-Fluroro-7-nitrobenzofurazan ・3-Chlorocarbonyle-6,7-dimethoxy-1-methyl-2(1H)-q
uinoxalinone ・N-Succinimidyl-4-nitrophenylacetate ・Sulforrhodamine 101 acid chloride 4)アルデヒド基のラベラー たとえば、 ・1,2-Diamino-4,5-dimethoxybenzen,dihydrochloride ・2,2'-Dithiobis(1-aminonaphthalene) 5)水酸基のラベラー 酸クロリドなど。
For example: ・ Fluoresceinisothiothiocyanate, isomer-1 ・ 4- [4- (Dimethylamino) phenylazo] phenylisothiocyana
te ・ 4-Chloro-7-nitrobenzofurazan ・ 4-Fluroro-7-nitrobenzofurazan ・ 3-Chlorocarbonyle-6,7-dimethoxy-1-methyl-2 (1H) -q
uinoxalinone ・ N-Succinimidyl-4-nitrophenylacetate ・ Sulforrhodamine 101 acid chloride 4) Labeler of aldehyde group For example, ・ 1,2-Diamino-4,5-dimethoxybenzen, dihydrochloride ・ 2,2'-Dithiobis (1-aminonaphthalene) 5) Hydroxyl labeler acid chloride, etc.

【0056】たとえば、 ・3-Chlorocarboonyle-6,7-dimethoxy-1-methyl-2(1H)-
quinoxalinone 6)蛋白質の疎水ポケットのラベラー たとえば、 ・3,6-Bis(dimethylamino)-10-dodecylacridinium brom
ide ・4-Benzylamino-7-nitrobenzofurazan ・4-(4-Methoxybenzylamino)-7-nitrobenzofurazan 7)細胞内カルシウムイオンのラベラー たとえば、 ・O,O'-Bis(2-aminophenyl)ethyleneglycol-N,N,N',N',
-tetraacetic acide,tetrapotassiumu salt,hydrate ・N,N,N',N'-Tetrakis(2-pyridylmethyl)ethylenediami ・1-[2-Amido-5-(2,7-dichloro-6-hydroxy-3-oxy-9-xan
thenyl)phenoxy]-2-(2-amino-5-methylphenoxy)ethane-
N,N,N',N',-tetraacetic acid 8)細胞内のpHのラベラー たとえば、 ・2',7'-Bis(carboxyethyl)-4 or 5-carboxyfluorescei
n ・3'-O-Acetyl-2',7'-bis(carboxyethyl)-4 or 5-carbo
xyfluorescein,diacetoxymethyl ester 9)細胞膜のラベラー(リン脂質、生体膜) たとえば、 ・1,3-Bis(1-pyrenyl)propane ・1-(4-Trimethylammoniumphenyl)-6-phenyl-1,3,5-hex
atriene iodide 10)DNAなどの核酸のラベラー たとえば、 ・4',6-diamino-2-phenylindole(DAPI) また、官能基と少なくとも1つの二重結合とを持つ分子
であれば、この発明においてラベラーとして用いること
ができる。
For example: 3-Chlorocarboonyle-6,7-dimethoxy-1-methyl-2 (1H)-
quinoxalinone 6) Labeler of hydrophobic pocket of protein For example: ・ 3,6-Bis (dimethylamino) -10-dodecylacridinium brom
ide ・ 4-Benzylamino-7-nitrobenzofurazan ・ 4- (4-Methoxybenzylamino) -7-nitrobenzofurazan 7) Labeler of intracellular calcium ion For example: ・ O, O'-Bis (2-aminophenyl) ethyleneglycol-N, N, N ', N',
-tetraacetic acide, tetrapotassiumu salt, hydrate ・ N, N, N ', N'-Tetrakis (2-pyridylmethyl) ethylenediami ・ 1- [2-Amido-5- (2,7-dichloro-6-hydroxy-3-oxy -9-xan
thenyl) phenoxy] -2- (2-amino-5-methylphenoxy) ethane-
N, N, N ', N',-tetraacetic acid 8) Intracellular pH labeler For example: ・ 2 ', 7'-Bis (carboxyethyl) -4 or 5-carboxyfluorescei
n ・ 3'-O-Acetyl-2 ', 7'-bis (carboxyethyl) -4 or 5-carbo
xyfluorescein, diacetoxymethyl ester 9) Labeler of cell membrane (phospholipid, biological membrane) For example: 1,3-Bis (1-pyrenyl) propane 1- (4-Trimethylammoniumphenyl) -6-phenyl-1,3,5-hex
atriene iodide 10) Labeler of nucleic acid such as DNA For example: 4 ', 6-diamino-2-phenylindole (DAPI) Also, any molecule having a functional group and at least one double bond is a labeler in the present invention. Can be used.

【0057】このように、様々なラベラーを使い分ける
ことにより、生体細胞の特定の化学基、分子、構造等を
ラベリングして、それらの分布像を高感度で検出するこ
とができる。もちろん、上記以外にも、蛍光性を有する
分子であれば、ラベラーとして用いることができ、たと
えば、表1に例示した様々な分子もラベラーとして用い
ることができる。
As described above, by selectively using various labelers, specific chemical groups, molecules, structures, and the like of living cells can be labeled, and their distribution images can be detected with high sensitivity. Of course, in addition to the above, any molecule having fluorescence can be used as a labeler. For example, various molecules exemplified in Table 1 can also be used as a labeler.

【0058】(実施例5)この発明により、O-(4-Nitro
benzyl)hydroxylamineを用いて生体試料の蛋白質分子中
のケトン基またはアルデヒド基をラベリングし、蛍光像
を撮像する場合において、蛍光像のコントラストを制御
する。図3に示したように、ベンゼン環の1s→π*遷
移に伴う吸収断面積の吸収ピークは約1eVのバンド幅
を持つ。この共鳴ラインのバンド幅より一桁程度狭いバ
ンド幅で単色化され、且つ波長可変のX線を用いること
により、観察像のコントラストを容易に調整することが
できる。
Embodiment 5 According to the present invention, O- (4-Nitro
In the case where a ketone group or an aldehyde group in a protein molecule of a biological sample is labeled using benzyl) hydroxylamine and a fluorescent image is captured, the contrast of the fluorescent image is controlled. As shown in FIG. 3, the absorption peak of the absorption cross section associated with the 1s → π * transition of the benzene ring has a bandwidth of about 1 eV. The use of X-rays that are monochromatic with a band width that is approximately one digit narrower than the band width of the resonance line and that have variable wavelengths makes it possible to easily adjust the contrast of the observed image.

【0059】たとえば文部省高エネルギー物理学研究所
フォトンファクトリーのビームラインPF−BL2は、
光子エネルギー285eV前後でバンド幅50meV程
度の分光されたX線を取り出すことができ、このような
X線を用いて、O-(4-Nitrobenzyl)hydroxylamineにより
ラベリングされた試料を、ベンゼン環の1s→π*遷移
の共鳴ラインピークの先頭値の光子エネルギーで照射す
ると、蛍光発光が最大になる。また、共鳴ラインピーク
の先頭値よりも250meV程度低い光子エネルギーで
撮影すると、ベンゼンのX線に対する吸収断面積が半減
するために蛍光発光量も半減する。
For example, the beamline PF-BL2 of the Photon Factory of the High Energy Physics Research Institute of the Ministry of Education is
X-rays having a band width of about 50 meV can be taken out at a photon energy of about 285 eV, and a sample labeled with O- (4-Nitrobenzyl) hydroxylamine using such X-rays can be used to convert the sample of the benzene ring to 1s → Irradiation with the photon energy of the leading value of the resonance line peak of the π * transition maximizes the fluorescence emission. Further, when photographing is performed at a photon energy about 250 meV lower than the head value of the resonance line peak, the amount of fluorescent light emission is reduced by half because the absorption cross section of X-rays of benzene is reduced by half.

【0060】この発明では、このようにX線の光子エネ
ルギーもしくは波長を選択することにより、蛍光発光量
を調整するとができ、よって得られる像のコントラスト
の制御を行うことができる。たとえば、サイズが大き
く、且つ蛋白質を多量に含む細胞は、必要以上に発光が
強すぎるために、そのままでは微細構造の観察ができな
い。
In the present invention, the amount of fluorescent light can be adjusted by selecting the photon energy or the wavelength of the X-ray, and the contrast of the obtained image can be controlled. For example, a cell having a large size and containing a large amount of protein emits light more than necessary, so that the microstructure cannot be observed as it is.

【0061】このような場合、従来のX線顕微鏡では、
コントラストの調整は、試料の厚みを調整することによ
り行っていたために非常に困難であった。しかしなが
ら、この発明のX線励起型蛍光顕微鏡では、上述のよう
にX線の光子エネルギーもしくは波長を任意に選択する
だけで、蛍光発光量、すなわちコントラストを非常に容
易に調整することができ、高精度の観察を行うことがで
きる。
In such a case, with a conventional X-ray microscope,
Adjusting the contrast was very difficult because it was performed by adjusting the thickness of the sample. However, in the X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention, the fluorescence emission amount, that is, the contrast can be adjusted very easily only by arbitrarily selecting the photon energy or the wavelength of the X-ray as described above. Accuracy observations can be made.

【0062】(実施例6)観察対象の化学基の密度を
N、ラベラーのX線吸収断面積をσxとすると、線吸収
係数μは、
(Example 6) Assuming that the density of a chemical group to be observed is N and the X-ray absorption cross section of a labeler is σx, the linear absorption coefficient μ is

【0063】[0063]

【数4】 (Equation 4)

【0064】により与えられる。この式4によると、観
察対象の化学基の密度Nが小さくなると、従来のX線顕
微鏡では、X線の吸収が少なく、蛍光量が減少すること
がわかる。しかし、この発明の方法では、ラベラーの分
子設計により、微量な化学基の蛍光像を得るための蛍光
効果を増幅させることができる。
Is given by According to this formula 4, when the density N of the chemical group to be observed decreases, the conventional X-ray microscope shows that the absorption of X-rays is small and the amount of fluorescence decreases. However, in the method of the present invention, a fluorescent effect for obtaining a fluorescent image of a trace amount of a chemical group can be amplified by the molecular design of the labeler.

【0065】通常、内殻電子がπ*軌道へ遷移する場合
の吸収断面積は、ラベラーが持っている二重結合の数に
比例する。したがって、ラベラーに、二重結合を持つ側
鎖を必要な数だけ付加することにより、ラベラーのX線
の吸収断面積を、側鎖の付加数に比例して高めることが
できる。付加する側鎖の数をm、側鎖を付加する前のラ
ベラーのX線吸収断面積をσsとすると、側鎖付加後の
ラベラーのX線吸収断面積は、
Normally, the absorption cross section when a core electron transitions to a π * orbit is proportional to the number of double bonds possessed by the labeler. Therefore, by adding the required number of side chains having double bonds to the labeler, the X-ray absorption cross section of the labeler can be increased in proportion to the number of added side chains. Assuming that the number of side chains to be added is m and the X-ray absorption cross section of the labeler before adding the side chain is σs, the X-ray absorption cross section of the labeler after adding the side chain is

【0066】[0066]

【数5】 (Equation 5)

【0067】となり、したがって、線吸収係数μは、Therefore, the linear absorption coefficient μ is

【0068】[0068]

【数6】 (Equation 6)

【0069】のようになる。たとえば、O-(4-Nitrobenz
yl)hydroxylamineは、二重結合を有するベンゼン環を一
つしか含んでいないが、これにm個のベンゼン環側鎖を
付加すると、発光する蛍光量がm倍となり、高感度で試
料の化学基の分布像を得ることができる。
Is as follows. For example, O- (4-Nitrobenz
yl) hydroxylamine contains only one benzene ring with a double bond, but when m benzene ring side chains are added to it, the amount of emitted fluorescence becomes m times larger, and the Can be obtained.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、コントラストを向上させるとともに、観察試料の
特定の化学基等の検出や微量な化学基等の検出を行うこ
とのできる、高性能な、新しいX線励起型蛍光顕微鏡が
提供される。
As described in detail above, according to the present invention, a new high-performance, high-performance device capable of detecting a specific chemical group or the like or a trace amount of a chemical group in an observation sample while improving the contrast. An X-ray excited fluorescence microscope is provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)(b)は、各々、内殻電離過程と内殻励
起過程を例示した概念図である。
FIGS. 1A and 1B are conceptual diagrams illustrating an inner-shell ionization process and an inner-shell excitation process, respectively.

【図2】炭素原子において1s電子が各p軌道へ遷移す
る場合、および1s電子が電離する場合における光子エ
ネルギーと吸収断面積との関係を例示した図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between photon energy and absorption cross section when a 1s electron transits to each p orbital in a carbon atom and when a 1s electron is ionized.

【図3】6員環分子において1s電子がπ*軌道へ遷移
する場合、および1s電子が電離する場合における光子
エネルギーと吸収断面積との関係を例示した図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between photon energy and absorption cross section when a 1s electron transits to a π * orbit and when a 1s electron is ionized in a 6-membered ring molecule.

【図4】(a)(b)(c)は、各々、内各励起過程、
オージェ過程、脱励起過程におけるベンゼン環の炭素分
子の電子構造を例示した概念図である。
FIGS. 4 (a), (b), and (c) show respective excitation processes,
It is a conceptual diagram which illustrated the electronic structure of the carbon molecule of the benzene ring in an Auger process and a deexcitation process.

【図5】この発明の一実施例であるX線励起型蛍光顕微
鏡の構成を例示した概略図である。
FIG. 5 is a schematic view illustrating the configuration of an X-ray excitation fluorescence microscope according to an embodiment of the present invention.

【図6】(a)(b)は、各々、図5のこの発明のX線
励起型蛍光顕微鏡における共焦点光学系の構成を例示し
た概略図である。
6 (a) and 6 (b) are schematic diagrams each exemplifying a configuration of a confocal optical system in the X-ray excitation type fluorescence microscope of the present invention of FIG. 5;

【図7】この発明の一実施例であるX線励起型蛍光顕微
鏡の構成を例示した概略図である。
FIG. 7 is a schematic view illustrating the configuration of an X-ray excitation type fluorescence microscope according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シンクロトロン 2 回折格子 3 斜入射集光レンズ 4 第1ピンホール 5 フレネルゾーンプレート 6 観察試料 7 可視・紫外光レンズ 8 第2ピンホール 9 フォトマル 10 レーザーシステム 11 ミラー 12 レーザー光集光レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Synchrotron 2 Diffraction grating 3 Oblique incidence condenser lens 4 First pinhole 5 Fresnel zone plate 6 Observation sample 7 Visible / ultraviolet light lens 8 Second pinhole 9 Photomultiplier 10 Laser system 11 Mirror 12 Laser light condenser lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−89812(JP,A) 特開 平8−248200(JP,A) 特開 平9−105709(JP,A) 特開 平7−318700(JP,A) 特開 平7−128500(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G21K 7/00 JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-9-89812 (JP, A) JP-A-8-248200 (JP, A) JP-A-9-105709 (JP, A) JP-A-7-108 318700 (JP, A) JP-A-7-128500 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G21K 7/00 JICST file (JOIS) WPI (DIALOG)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 X線を放射するX線光源と、X線光源か
らのX線を観察試料上に集光するX線集光部と、X線集
光部によるX線の集光点から発光する燐光および蛍光を
集光する燐光・蛍光集光部と、燐光・蛍光集光部により
集光された燐光および蛍光を検出する光検出器とを備え
たX線励起型蛍光顕微鏡であって、光子エネルギー20
00eV以下で単色化されたX線が用いられることを特
徴とするX線励起型蛍光顕微鏡。
1. An X-ray light source that emits X-rays, an X-ray condensing unit that condenses X-rays from the X-ray light source on an observation sample, and an X-ray condensing unit that focuses X-rays What is claimed is: 1. An X-ray excitation type fluorescence microscope comprising: a phosphorescence / fluorescence condensing section for condensing emitted phosphorescence and fluorescence; and a photodetector for detecting phosphorescence and fluorescence condensed by the phosphorescence / fluorescence condensing section. , Photon energy 20
An X-ray excitation type fluorescence microscope characterized in that X-rays monochromized at 00 eV or less are used.
【請求項2】 波長幅1eV以下で単色化されたX線が
用いられることを特徴とする請求項1のX線励起型蛍光
顕微鏡。
2. The X-ray fluorescence microscope according to claim 1, wherein monochromatic X-rays having a wavelength width of 1 eV or less are used.
【請求項3】 X線の光子エネルギーが280eV〜5
50eVであり、かつ波長可変であることを特徴とする
請求項1のX線励起型蛍光顕微鏡。
3. An X-ray photon energy of 280 eV to 5
The X-ray excitation type fluorescence microscope according to claim 1, wherein the X-ray fluorescence microscope has a wavelength of 50 eV and a variable wavelength.
【請求項4】 X線光源が、シンクロトロン、レーザー
プラズマ光源、プラズマ放電型X線光源、もしくは電子
線励起型X線管のいずれかである請求項1ないし3のX
線励起型蛍光顕微鏡
4. The X-ray source according to claim 1, wherein the X-ray light source is any one of a synchrotron, a laser plasma light source, a plasma discharge type X-ray light source, and an electron beam excitation type X-ray tube.
Line-excited fluorescence microscope
【請求項5】 X線集光部にX線集光対物レンズが設け
られており、このX線集光対物レンズが、フレネルゾー
ンプレート、ウォルタータイプ、もしくは直入射型シュ
バルツシルド光学型のいずれかである請求項1ないし4
のX線励起型蛍光顕微鏡。
5. An X-ray focusing objective lens is provided in an X-ray focusing section, and the X-ray focusing objective lens is any one of a Fresnel zone plate, a Walter type, and a direct incidence type Schwarzschild optical type. Claims 1 to 4
X-ray excitation type fluorescence microscope.
【請求項6】 X線集光部に、X線光源からのX線の発
光点を制限するピンホールが設けられ、また光検出器の
前であって燐光・蛍光集光部に別のピンホールが設けら
れており、X線集光部と燐光・蛍光集光部とが共焦点光
学系を形成していることを特徴とする請求項4または5
のX線励起型蛍光顕微鏡。
6. A pinhole for limiting an emission point of X-rays from an X-ray light source is provided in an X-ray condensing section, and another pin is provided in front of a photodetector and in a phosphorescence / fluorescence condensing section. 6. A hole is provided, and the X-ray focusing section and the phosphorescence / fluorescence focusing section form a confocal optical system.
X-ray excitation type fluorescence microscope.
【請求項7】 請求項1ないし6のX線励起型蛍光顕微
鏡を用いる化学検出方法であって、二重結合を含む分子
であるラベラーにより観察試料をラベリングすることを
特徴とする化学検出方法。
7. A chemical detection method using an X-ray excitation type fluorescence microscope according to claim 1, wherein an observation sample is labeled by a labeler which is a molecule containing a double bond.
【請求項8】 ラベラーが5員環または6員環を含む請
求項7の化学検出方法。
8. The method according to claim 7, wherein the labeler has a 5-membered ring or a 6-membered ring.
【請求項9】 ラベラーがベンゼン環を含む請求項7の
化学検出方法。
9. The method according to claim 7, wherein the labeler contains a benzene ring.
【請求項10】 光子エネルギーが280〜290eV
であることを特徴とする請求項9の化学検出方法。
10. A photon energy of 280-290 eV
The chemical detection method according to claim 9, wherein
【請求項11】 C、N、Oを含む分子の1s→π*吸
収を用いることを特徴とする請求項7の化学検出方法。
11. The chemical detection method according to claim 7, wherein 1s → π * absorption of a molecule containing C, N, and O is used.
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