低エネルギーな長波長光を励起光源とする超高感度蛍光顕微鏡システムの開発｜国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

「色素系」と「光学系」を最適化して低ノイズ・高輝度な蛍光顕微鏡システムを構築

試料を染色した色素からの発光を検出・観察する蛍光顕微鏡技術は、発光検出の高感度性や染色部位の選択性による環境識別などの観点から化学や生命科学、医学分野を中心に広く用いられています。当該技術においては光子エネルギーの大きな紫外～青色光が励起光として広く用いられていますが、これらの光は発光性色素のほかに細胞などの生体試料を構成する物質や顕微鏡の光学部品をも励起して発光を与えてしまうことがあります。このような現象は「自家蛍光」と呼ばれ、得られた顕微鏡画像のノイズとなって解像度を低下させる原因となります。また、紫外～青色光は生体透過性が低く、試料内部に励起光が到達しないため、内部の情報を得ることができないという課題も残されています。
本研究ではこれらの課題を一挙に解決するために、複数個の低エネルギーな光子を利用して高エネルギーな励起状態を生み出す「フォトンアップコンバージョン現象」を利用して低ノイズ・高輝度な画像を与える蛍光顕微鏡システムを、「色素システム」と「光学システム」の両面から開発します。

微小球状イオン交換媒体を利用して純水中でも希釈条件でも機能する「色素系」を構築

本研究では、２分子の励起三重項状態から励起一重項状態と基底状態を１分子ずつ生成する「三重項－三重項消滅」を用いたアップコンバージョン蛍光システムを構築します。この機構では、複数種の色素を介した多段階の反応を経ることから、多様な環境が混在する観察対象に導入しても機能する系の設計が不可欠です。また、生体試料を染色するにあたっては、純水中あるいは水溶液で機能することが重要となります。しかしながら、有機蛍光化合物や光増感剤の溶解度や分散性から、水系溶媒中での達成例はごく限られています。
本研究では、微小球状イオン交換媒体の内部にこれらの色素群を濃縮・担持することでこれらの課題を解決します。色素を濃縮する場として水への高い分散性をもつ微粒子を用いることにより、純水中でも希釈条件でもアップコンバージョン蛍光を示す「色素システム」を創出します。