顕微鏡を用いた微弱光測定


-背景-
　近接場顕微鏡を用いての資料測定はその分解能により非常に微細なスケールでの資料評価が可能である。
　当研究は走査型近接場顕微鏡の光プローブ先端に蛍光色素を塗布し、その蛍光色素を励起した時に発生する蛍光により対象となる試料の蛍光測定を行なうことを前提としたものである。
　この際、光プローブによりスキャンされる光は非常に微弱なものでそれを測定する為の技術として光子係数法を選択した。
　光子係数法は光を光子としてカウントするもので、非常に微弱な光を検出することができる、それだけにバックグラウンドの抑制に非常に困難を要するものであった。
　これは、そのときの技術を確立するものである

-目的-
　微小な対象物（今回の実験ではローダミン６Ｇを使用）に蛍光を当て、どこまで弱い光が測定できるかを確認する。

-方法-
　蛍光色素にチョッパーで制御した白色光源を当てることにより光の強度を測定する。
　その中から強度の弱いものをフォトンカウンティング装置を用いて光子の数を測定する。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 　極微少の蛍光試料を測定するまでに比較的大きな蛍光試料から初めて徐々に小さな物にしていくことにした。
　始めの段階として左に示した装置を用いて蛍光測定を行なった。
　蛍光試料としてはローダミン６Ｇを用いた。それをメタルハライドランプから出る光をオプティカルチョッパーによりsin波状に強弱をつけて、それを用いて試料を励起する。
　それにより発生する蛍光を光学顕微鏡を用いて集光し光ファイバに入れてアバランシェフォトダイオード（APD）により光強度を読み取る。
　最終的に励起光のsin波とAPDの検出をロックインアンプで同期させて蛍光強度を測定した。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 　今回使用したオプティカルチョッパーは8枚の羽を回転させて光を一定の間隔で遮るもので、変調周期が早いという理由からこれを使用した。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 　測定結果を左に示す。
　図１、図２は比較的大きめの蛍光試料に光を当てた時のもの、図３、図４は比較的小さな蛍光試料に光を当てたものである。
　図１、図２の結果ではオシロスコープのモニターにより出力に大きな振幅が見える。また、同時に取り込んだオプティカルチョッパーの制御信号と同期が取れていることが覗えた。このときのロックイン検出の値が下の表の（１）、（２）である。
　図３、図４ではその信号に振幅を見ることは出来なかった。しかし、ロックインアンプを用いてその光強度を測定したものが、下の表の（３）、（４）である。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 　次に光子係数法による光強度測定の装置を示す。
　フォトンカウンティング装置を使うことで微弱光を高空間分解能かつ信頼性高く測定できるものである。
　これにより、先ほどまでの蛍光試料よりもサイズの小さいものを測定することとする。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 　フォトンカウンティング装置による測定結果を左に示す。
　上の二つのデータは先ほどのものであるが、この大きさの試料の光子計数法による測定は、フォトンカウンティング装置が壊れる危険性より測定値は無い。
　よって、さらにサイズの小さい蛍光試料を測定したものが下の二つのデータである。
　参考として測定したロックイン検出による光強度の数値と光子計数法による光強度の数値とを見比べている。
　減少率が異なっているのはバックグラウンドの影響によるものと考えられ、次からはいかにバックグラウンドを下げていくかが課題となった。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 　バックグラウンドとしてもっとも考えられるものは、光源から検出器までの光の経路の途中より進入してくる「迷光」である。
　改めて光子計数法により光り強度を測定するに当たりその迷光の入りうる箇所を特定し、遮光対策を施すことで左図にあるようにバックグラウンドを大幅に抑制することができた。




-成果-
　遮光対策を施すことで大幅なバックグラウンドの抑制効果を得ることができたが、上の図を見てもわかるようにロックイン検出とフォトンカウンティングの数値の減少率はまだ異なっている。
　これによりまだ迷光の入りうる箇所があることがわかるが、しかしその減少率に対象性も認められることから、フォトンカウンティングの信頼性は確証されたものと考えられる。

-課題-
　今後、よりバックグラウンドの抑制に努めると共に、より小さな蛍光試料の測定をしていく必要がある。