第二高調波発生による生体組織内部の細胞膜電位計測

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本研究の目的は、生体組織内部での細胞膜電位の時間的・空間的な変化を1ミリ秒の時間分解能で可視化する技術の開発である。この技術においては非線形感受率が膜電位に依存するプローブ分子によって脳組織の細胞膜を標識し、この分子からの第二高調波発生(SHG)を検出することにより細胞膜電位の空間的分布を計測する。生体透過率が高い近赤外域において発振するモード同期チタンサファイアレーザを光源に用い、組織内部での第二高調波発生を測定可能な装置を試作した。マイクロレンズアレイによる多焦点同時走査によって、細胞膜電位の計測に必要な1msの時間分解能を達成した。SHGを検出する際に、背景光となる蛍光による影響を除去するために、信号光を時間分割して検出する方法についてReview of Scientific Instruments誌にて発表した。本手法においては、ゲート付きイメージインテンシファイアを用いることにより、マイクロレンズアレイによって形成された複数の焦点からの光を同時に時間分割検出した。その結果、SHGと背景光となる蛍光の検出比を10^3以上にできること、また、検出器の暗電流を99.4%減少させることができることを確認した。入射光の偏光に対する第二高調波発生の強度、偏光、放射パターンを解析し、より効率よく第二高調波を検出する方法を検討した。光軸に垂直な細胞膜からのSHGを効率よく検出するために必要な、入射光の焦点において光軸に平行な電場成分が、対物レンズの瞳面に、分割波長板を設置することで増強できることを数値計算によって確認した。実際に、対物レンズの瞳面に8分割の位相板を挿入することで光軸に平行な電場成分が増強されることを確認し、細胞膜の第二高調波像を取得した。