(57)【要約】【課題】アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、材料の相関を正確に測定することができる蛍光相関分光装置を提供する。【解決手段】蛍光相関分光装置１は、試料１５に含まれる材料１５ａから放射された蛍光光２１の強度の時間変化を検出する超伝導単一光子検出器３０と、超伝導単一光子検出器３０によって検出された蛍光光２１の強度を示す強度信号を処理する信号処理部５０とを備え、信号処理部５０は蛍光光２１の強度信号の自己相関関数及び相互相関関数の少なくとも１つを得る相関器５５を有する。【選択図】図１
2016148534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に含まれる材料から放射された蛍光光の強度の時間変化を検出する超伝導単一光子検出器と、前記超伝導単一光子検出器によって検出された前記蛍光光の前記強度を示す強度信号を処理する信号処理部とを備え、前記信号処理部は前記蛍光光の前記強度信号の自己相関関数及び相互相関関数の少なくとも１つを得る相関器を有する、蛍光相関分光装置。
【請求項２】
偏光選択素子をさらに備え、前記偏光選択素子は前記蛍光光が前記超伝導単一光子検出器に入射する光路に配置される、請求項１に記載の蛍光相関分光装置。
【請求項３】
前記超伝導単一光子検出器は、基板と前記基板上に設けられた超伝導細線とを含み、前記蛍光光が前記超伝導細線側から入射するように、前記超伝導単一光子検出器が配置される、請求項１または請求項２に記載の蛍光相関分光装置。
【請求項４】
前記超伝導単一光子検出器は、前記基板と前記超伝導細線との間にミラーをさらに含む、請求項３に記載の蛍光相関分光装置。
【請求項５】
前記超伝導細線と前記ミラーとは光共振器を構成する、請求項４に記載の蛍光相関分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光相関分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞や溶液の中の分子などの材料の相関を測定するために、蛍光相関分光装置が用いられている。蛍光相関分光装置とは、細胞や溶液の中の分子などの材料に標識された蛍光材料から放射される蛍光光を光検出器で検出して、光検出器で検出された蛍光光の強度信号の自己相関関数および相互相関関数の少なくとも１つを得ることによって、測定領域に含まれる分子などの材料の数及び大きさ、並びに複数の分子どうしの相互作用などを求める装置である。この蛍光相関分光装置における蛍光光の光検出器として、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられていた（特許文献１、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−４３２７８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】R.Rigler、外３名、「Fluorescence  correlation  spectroscopy  with  high  count  rate  and  low background:  analysis  of  translational  diffusion」、European  Biophysics  Journal、Springer-Verlag、1993年8月、第22巻、p.169-175
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、アバランシェフォトダイオードでは、アフターパルスと呼ばれる好ましくないノイズが発生する。このアフターパルスは、アバランシェ現象の最中にバンドギャップ内のエネルギー準位に捕獲された電荷キャリアによって引き起こされると考えられている。アフターパルスは、典型的には、光子検出から数１００ナノ秒（サブマイクロ秒）後に現れる。このアフターパルスのため、アバランシェフォトダイオードを備える蛍光相関分光装置では材料の相関を正確に測定することができない、という課題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、材料の相関を正確に測定することができる蛍光相関分光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の蛍光相関分光装置は、試料に含まれる材料から放射された蛍光光の強度の時間変化を検出する超伝導単一光子検出器と、超伝導単一光子検出器によって検出された蛍光光の強度を示す強度信号を処理する信号処理部とを備え、信号処理部は蛍光光の強度信号の自己相関関数及び相互相関関数の少なくとも１つを得る相関器を有する。なお、本明細書において、蛍光相関分光装置は、蛍光相関分光法（ＦＣＳ）を利用した装置だけでなく、蛍光相互相関分光法（ＦＣＣＳ）を利用した装置も含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の蛍光相関分光装置では、試料に含まれる材料から放射された蛍光光の強度の時間変化を検出するために、超伝導単一光子検出器が用いられている。超伝導単一光子検出器は、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本発明の蛍光相関分光装置によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、材料の相関を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る蛍光相関分光装置の模式図である。
【図２】（Ａ）は、第１の蛍光光が入射する側から平面視した、実施の形態１における第１の超伝導単一光子検出器の模式図である。（Ｂ）は、実施の形態１における第１の超伝導単一光子検出器の、図２（Ａ）に示す断面線ＩＩＢ−ＩＩＢにおける概略断面図である。
【図３】図１に示す領域ＩＩＩの拡大模式図である。
【図４】（Ａ）は、光照射領域に含まれる材料の分子量が小さい場合に、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置によって検出される蛍光光強度の一例を示す図である。（Ｂ）は、光照射領域に含まれる材料の分子量が大きい場合に、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置によって検出される蛍光光強度の一例を示す図である。
【図５】（Ａ）は、光照射領域に含まれる材料の数が少ない場合に、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置によって検出される蛍光光強度の一例を示す図である。（Ｂ）は、光照射領域に含まれる材料の数が多い場合に、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置によって検出される蛍光光強度の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る蛍光相関分光装置によって得られる蛍光光の強度信号の自己相関関数の一例のグラフを示す図である。
【図７】実施の形態１に係る蛍光相関分光装置と比較例のアバランシェフォトダイオードを用いた蛍光相関分光装置とによって得られた、ローダミンＢの蛍光光の強度信号の自己相関関数を表すグラフを示す図である。
【図８】実施の形態１に係る蛍光相関分光装置と比較例のアバランシェフォトダイオードを用いた蛍光相関分光装置とによって得られた、ローダミン６Ｇの蛍光光の強度信号の自己相関関数の、１０−２マイクロ秒以上１０２マイクロ秒以下の時間領域における、全体のグラフを示す図である。
【図９】実施の形態１に係る蛍光相関分光装置と比較例のアバランシェフォトダイオードを用いた蛍光相関分光装置とによって得られた、ローダミン６Ｇの蛍光光の強度信号の自己相関関数の、相関関数値が１．００付近のグラフを示す図である。
【図１０】（Ａ）は、第１の蛍光光が入射する側から平面視した、実施の形態１の変形例における第１の超伝導単一光子検出器の模式図である。（Ｂ）は、実施の形態１の変形例における第１の超伝導単一光子検出器の、図１０（Ａ）に示す断面線ＸＢ−ＸＢにおける概略断面図である。
【図１１】実施の形態２に係る蛍光相関分光装置の模式図である。
【図１２】図１１に示す領域ＸＩＩの拡大模式図である。
【図１３】（Ａ）は、実施の形態２に係る蛍光相関分光装置によって検出される蛍光光強度の一例を示す図である。（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示す領域ＸＩＩＩＢの拡大模式図である。
【図１４】実施の形態２に係る蛍光相関分光装置によって得られる蛍光光の強度信号の自己相関関数の一例のグラフを示す図である。
【図１５】実施の形態２に係る蛍光相関分光装置の測定対象物である材料（Ｑロッド）の写真を示す図である。
【図１６】実施の形態２に係る蛍光相関分光装置とアバランシェフォトダイオードを用いた蛍光相関分光装置とによって得られた、Ｑロッドの蛍光光の強度信号の自己相関関数を表すグラフを示す図の拡大図である。
【図１７】実施の形態３に係る蛍光相関分光装置の模式図である。
【図１８】図１７に示す領域ＸＶＩＩＩの拡大模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。特に説明しない限り、同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
【００１１】
（実施の形態１）
図１から図３を参照して、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置１を説明する。
【００１２】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１は、光学系２０と、第１の超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）３０と、冷凍機４０と、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度を示す強度信号を処理する信号処理部５０とを備えている。
【００１３】
光学系２０は、第１の材料１５ａを含む試料１５に第１の励起光１１を入射させる第１の光学系と、第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる第２の光学系とを含む。第１の材料１５ａは、蛍光材料、または、蛍光材料で標識された材料であってもよい。本実施の形態において、第１の材料１５ａとして、蛍光材料で標識された分子、蛍光材料で標識されたたんぱく質、蛍光材料で標識された細胞を例示することができる。
【００１４】
第１の光学系は、第１の光源１０と、対物レンズ１４とを含む。第１の光学系は、第１のフィルタ１２と、第１の波長選択素子１３とをさらに含んでいてもよい。
【００１５】
第１の光源１０は、試料１５に含まれる第１の材料１５ａを基底状態から励起状態に励起するための第１の励起光１１を出射する。本実施の形態では、第１の光源１０はレーザであり、第１の励起光１１はレーザ光である。第１の光源１０は、レーザに限られない。
【００１６】
第１のフィルタ１２によって、第１の材料１５ａを含む試料１５に照射される第１の励起光１１の強度が調整される。第１のフィルタ１２として、ＮＤフィルタを例示することができる。
【００１７】
第１の波長選択素子１３は、第１の励起光１１を反射し、試料１５に含まれる第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１を透過する性質を有する。第１の波長選択素子１３として、ダイクロイックミラーを例示することができる。第１の波長選択素子１３によって、第１の励起光１１は反射されて、対物レンズ１４に向けられる。
【００１８】
対物レンズ１４によって、第１の励起光１１は試料１５に集光される。図２を参照して、第１の材料１５ａを含む試料１５において、第１の励起光１１は集光領域１１ａに集光される。第１の励起光１１は、対物レンズ１４によって、試料１５において第１の励起光１１の回折限界まで絞り込まれてもよい。試料１５において第１の励起光１１を狭い集光領域１１ａに集光することによって、集光領域１１ａに含まれる試料１５の量を、例えば、フェムトリットル（１０−１５Ｌ）程度とすることができる。対物レンズ１４を用いて第１の励起光１１を集光することによって、微小な測定領域を得ることができる。
【００１９】
第２の光学系は、第１の共焦点光学系２２を含む。本実施の形態では、第１の共焦点光学系２２は、第１のレンズ２３と第１の光ファイバ２４とを有する。第１の共焦点光学系２２は、ピンホールのような他の光学要素によって構成されていてもよい。第２の光学系は、対物レンズ１４と、第１の波長選択素子１３と、第２のフィルタ２６と、第１の屈折率分布型レンズ２５とをさらに含んでいてもよい。
【００２０】
第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１は、対物レンズ１４によって集められる。対物レンズ１４を透過して第１の波長選択素子１３に入射する光には、第１の蛍光光２１と試料１５において反射または散乱された第１の励起光１１とが含まれる。第１の波長選択素子１３によって、試料１５において反射または散乱された第１の励起光１１は反射され、第１の蛍光光２１のみが第１の波長選択素子１３を透過する。
【００２１】
第１の波長選択素子１３を透過した第１の蛍光光２１は、第２のフィルタ２６に入射される。第２のフィルタ２６によって、第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる必要のない光が除去される。第２のフィルタ２６として、帯域通過フィルタを例示することができる。
【００２２】
第２のフィルタ２６を透過した第１の蛍光光２１は、第１の共焦点光学系２２に入射する。第１の蛍光光２１は第１のレンズ２３によって集光されて、第１の光ファイバ２４の入射端２４ｆに入射する。第１のレンズ２３によって集光された第１の蛍光光２１のうち、第１の光ファイバ２４のコアに光学的に結合することができる光だけが、第１の光ファイバ２４内を伝搬することができる。第１のレンズ２３によって集光された第１の蛍光光２１のうち、第１の光ファイバ２４のコアに光学的に結合することができない光は、第１の光ファイバ２４のコア内を伝搬することができない。そのため、第１の光ファイバ２４の入射端２４ｆは、ピンホールのように作用する。第１のレンズ２３と第１の光ファイバ２４とを有する第１の共焦点光学系２２は、対物レンズ１４の焦点位置にある第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１以外の光が、第１の光ファイバ２４を伝搬することを防ぐ。第１の光ファイバ２４として、６２．５μｍの直径のコアを有するマルチモードファイバを例示することができる。
【００２３】
第１の光ファイバ２４は、冷凍機４０の外部から冷凍機４０の内部に延在している。第１の光ファイバ２４によって、冷凍機４０の外部に位置する試料１５中の第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１を、冷凍機４０の内部に位置する第１の超伝導単一光子検出器３０に、高い効率で光学的に結合させることができる。
【００２４】
第１の光ファイバ２４の出射端に第１の屈折率分布型レンズ２５が設けられる。第１の光ファイバ２４を伝搬した第１の蛍光光２１は第１の屈折率分布型レンズ２５によって、第１の超伝導単一光子検出器３０上に集光される。第１の屈折率分布型レンズ２５によって、試料１５中の第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１を、第１の超伝導単一光子検出器３０に、高い効率で光学的に結合させることができる。
【００２５】
第１の超伝導単一光子検出器３０は、試料１５に含まれる第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１の強度の時間変化を検出して、第１の蛍光光２１の強度を示す第１の強度信号を信号処理部５０に出力する。本実施の形態では、第１の超伝導単一光子検出器３０は、基板３１と、ミラー３２と、誘電体層３３と、超伝導細線３４と、パッド電極３５とを有する。第１の超伝導単一光子検出器３０は、冷凍機４０によって、超伝導細線３４の超伝導転移温度Ｔｃ以下の温度に冷却される。
【００２６】
本実施の形態では、基板３１として、シリコン基板が用いられている。基板３１の材料はシリコンに限られない。
【００２７】
基板３１上にミラー３２が設けられる。ミラー３２は、基板３１と超伝導細線３４との間に設けられている。本実施の形態では、ミラー３２は、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で９９％以上の反射率を示す誘電体多層膜を有している。ミラー３２は、誘電体多層膜に限られない。ミラー３２は、５０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上の反射率を有していてもよい。ミラー３２は、基板３１と超伝導細線３４との間に位置する。ミラー３２は、超伝導細線３４で吸収されなかった第１の蛍光光２１を超伝導細線３４に向けて反射する。
【００２８】
ミラー３２上に誘電体層３３が設けられる。本実施の形態では、高周波スパッタ法によって、ミラー３２上に誘電体層３３が堆積される。他の堆積法によってミラー３２上に誘電体層３３を形成してもよい。本実施の形態では、誘電体層３３として、二酸化シリコンが用いられている。誘電体層３３の材料は、二酸化シリコンに限られず、第１の蛍光光２１に対する光吸収率が低い誘電体材料であってもよい。誘電体層３３は、超伝導細線３４とミラー３２との間に光共振器３６が形成されるような厚さを有することが好ましい。言い換えると、超伝導細線３４とミラー３２とは光共振器３６を構成することが好ましい。超伝導細線３４とミラー３２とが光共振器３６を構成することによって、第１の蛍光光２１は超伝導細線３４により一層吸収されやすくなる。そのため、本実施の形態の蛍光相関分光装置１によれば、第１の超伝導単一光子検出器３０の検出効率をさらに向上させることができる。超伝導細線３４とミラー３２とが光共振器３６を構成するように、誘電体層３３は厚さｄ３３＝λ／４ｎを有することが好ましい。ここで、ｎは誘電体層３３の屈折率、λは第１の蛍光光２１の波長を表す。誘電体層３３の厚さは、例えば１００ｎｍである。
【００２９】
基板３１上に超伝導細線３４とパッド電極３５とが設けられる。基板３１上に超伝導細線３４が設けられるとは、超伝導細線３４が基板３１に直接接しないことを含む。本実施の形態では、誘電体層３３上に超伝導細線３４とパッド電極３５とが設けられる。本実施の形態では、超伝導細線３４とパッド電極３５とは、窒化ニオブ（ＮｂＮ）を主に含む。超伝導細線３４の材料は窒化ニオブに限られない。超伝導細線３４の材料として、ニオブ（Ｎｂ）、ＭｇＢ２（二ホウ化マグネシウム）、イットリウム系の銅酸化物超電導材料、ビスマス系の銅酸化物超電導材料など、超伝導を示すいかなる材料を使用してもよい。
【００３０】
本実施の形態では、直流反応性スパッタ法によって、誘電体層３３上に窒化ニオブ膜を形成する。その後、電子線リソグラフィと反応性イオンエッチングによって、窒化ニオブ膜をパターニングして、超伝導細線３４とパッド電極３５とを形成する。他の方法によって、超伝導細線３４及びパッド電極３５を形成してもよい。
【００３１】
超伝導細線３４における第１の蛍光光２１の検出効率を向上させるために、本実施の形態の超伝導細線３４は、第１の蛍光光２１の入射方向から見たときに、蛇行した形状（メアンダ形状）を有している。第１の蛍光光２１の入射方向から見たときの超伝導細線３４の形状は、他の形状であってもよい。
【００３２】
第１の超伝導単一光子検出器３０における検出効率を向上させるために、第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に高効率で光学的に結合させる必要がある。そのため、超伝導細線３４の外周３７の形状は、超伝導細線３４上における第１の蛍光光２１の断面形状と相似であることが好ましい。また、超伝導細線３４の外周３７は、超伝導細線３４上における第１の蛍光光２１の断面よりも大きいことが好ましい。具体的には、本実施の形態の超伝導細線３４は、直径３５μｍの円の形状である外周３７を有している。第１の屈折率分布型レンズ２５によって集光された第１の蛍光光２１の超伝導細線３４上における断面も円の形状を有している。超伝導細線３４の外周３７の形状は、第１の屈折率分布型レンズ２５によって集光された第１の蛍光光２１の超伝導細線３４上における断面形状と相似である。そのため、第１の蛍光光２１を、高効率で超伝導細線３４に光学的に結合させることができる。また、第１の屈折率分布型レンズ２５によって集光された第１の蛍光光２１は、超伝導細線３４上において、２８μｍの直径を有している。超伝導細線３４の外周３７は、超伝導細線３４上における第１の蛍光光２１の断面よりも大きい。そのため、第１の蛍光光２１を、高効率で超伝導細線３４に光学的に結合させることができる。超伝導細線３４の外周形状は、円形以外の任意の形状であってもよい。
【００３３】
本実施の形態では、超伝導細線３４は１０．５ｎｍの厚さと１５０ｎｍの幅ｗＳＣとを有している。隣接する超伝導細線３４どうしが１００ｎｍの間隙ＧＳＣを空けて、超伝導細線３４は蛇行している（図２（Ａ）、図２（Ｂ）を参照）。超伝導細線３４の厚さ、幅、間隙は、これらの値に限られない。
【００３４】
第１の超伝導単一光子検出器３０の動作について説明する。
冷凍機４０によって、第１の超伝導単一光子検出器３０を超伝導細線３４の超伝導転移温度Ｔｃ以下に冷却する。その後、パッド電極３５から超伝導細線３４に、超伝導臨界電流密度Ｉｃよりも小さな電流密度を有するバイアス電流Ｉｂを印加する。バイアス電流Ｉｂの電流密度は超伝導臨界電流密度Ｉｃよりもわずかに小さいため、超伝導細線３４は超伝導状態にある。そのため、超伝導細線３４はゼロである電気抵抗を有し、一対のパッド電極３５間にゼロの電圧が発生する。
【００３５】
ここで、超伝導ギャップエネルギーよりも大きいエネルギーの単一光子が入射すると、単一光子が超伝導細線３４の一部に吸収される。超伝導細線３４における単一光子が吸収された領域の温度が局所的に上昇し、この局所的に温度が上昇した領域（ホットスポット領域）は常伝導状態となる。バイアス電流Ｉｂは、ホットスポット領域を迂回して超伝導細線３４中を流れる。ホットスポット領域以外の領域のバイアス電流Ｉｂの電流密度が超伝導臨界電流密度Ｉｃを越えるため、常伝導領域がホットスポット領域を含む超伝導細線３４の幅方向全体に広がる。そのため、超伝導細線３４はゼロより大きな電気抵抗を有し、一対のパッド電極３５間にゼロより大きな電圧が発生する。
【００３６】
第１の超伝導単一光子検出器３０は冷凍機４０によって冷却されているため、ホットスポット領域の温度はすぐに下がり、超伝導細線３４は超伝導状態に戻る。超伝導細線３４が超伝導状態に戻ると、一対のパッド電極３５間にゼロの電圧が発生する。
【００３７】
その結果、単一光子が第１の超伝導単一光子検出器３０に入射したことを、一対のパッド電極３５間に発生する１つの電圧パルス（強度信号）として観測することができる。第１の超伝導単一光子検出器３０では、アバランシェフォトダイオードにおけるアフターパルスは発生しない。第１の超伝導単一光子検出器３０によって、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、第１の蛍光光２１の強度の変化を正確に測定することができる。第１の超伝導単一光子検出器３０に印加するバイアス電流Ｉｂの電流密度を超伝導臨界電流密度Ｉｃにまで近づけるほど、第１の超伝導単一光子検出器３０による単一光子の検出効率をより一層高めることができる。第１の超伝導単一光子検出器３０は３０％以上の検出効率、より好ましくは４０％以上の検出効率、さらに好ましくは７０％以上の検出効率を有していてもよい。
【００３８】
信号処理部５０は、第１の相関器５５を有する。信号処理部５０は、第１の低ノイズ増幅器５１と、第１のコンパレータ５２とをさらに有していてもよい。
【００３９】
第１の低ノイズ増幅器５１は、第１の超伝導単一光子検出器３０によって得られた第１の蛍光光２１の強度を示す強度信号を、低いノイズで増幅する回路である。
【００４０】
第１のコンパレータ５２は、第１の超伝導単一光子検出器３０によって得られた第１の蛍光光２１の強度を示す強度信号を、トランジスタ−トランジスタ論理（ＴＴＬ）信号に変換する回路である。第１のコンパレータ５２は、第１の超伝導単一光子検出器３０によって得られた第１の蛍光光２１の強度を示す強度信号を、他の信号に変換する回路であってもよい。
【００４１】
第１の相関器５５は、第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数を得る回路である。第１の相関器５５では、第１の蛍光光２１の強度に対して、式（１）で表される演算を行う。
【００４２】
【数１】
2016148534.tif 000003
【００４３】
ここで、Ｉ１（ｔ）は時間ｔにおける第１の蛍光光２１の強度信号を表し、＜Ｉ１（ｔ）＞は第１の蛍光光２１の強度信号の時間平均を表し、τは相関時間を表し、Ｇ１１（τ）は第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数を表す。第１の相関器５５として、デジタル相関器を例示することができる。
【００４４】
本実施の形態の蛍光相関分光装置１を用いた材料（第１の材料１５ａ）の相関を測定する方法について説明する。
【００４５】
図３を参照して、溶液や細胞といった試料１５の中に含まれる分子などの第１の材料１５ａは、ランダムな方向に並進拡散運動している（ブラウン運動）。このブラウン運動によって、第１の材料１５ａが微小な集光領域１１ａを絶えず出入りする。微小な集光領域１１ａに位置する第１の材料１５ａのみから第１の蛍光光２１が放射される。そのため、微小な集光領域１１ａに第１の材料１５ａがランダムに出入りすることに応じて、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出される第１の蛍光光２１の強度もランダムに揺らぐ。
【００４６】
分子などの第１の材料１５ａのサイズが小さく、第１の材料１５ａが早く拡散する場合には、第１の材料１５ａが集光領域１１ａを通過する時間が短くなる。また、分子などの第１の材料１５ａの周りの微小領域の粘性が小さく、第１の材料１５ａが早く拡散する場合にも、第１の材料１５ａが集光領域１１ａを通過する時間が短くなる。そのため、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出される第１の蛍光光２１が、短い時間間隔で揺らぐ（図４（Ａ）を参照）。これに対し、分子などの第１の材料１５ａのサイズが大きく、第１の材料１５ａがゆっくりと拡散する場合には、第１の材料１５ａが集光領域１１ａを通過する時間が長くなる。また、分子などの第１の材料１５ａの周りの微小領域の粘性が大きく、第１の材料１５ａがゆっくりと拡散する場合にも、第１の材料１５ａが集光領域１１ａを通過する時間が長くなる。そのため、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出される第１の蛍光光２１が、長い時間間隔で揺らぐ（図４（Ｂ）を参照）。その結果、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の時間の揺らぎには、分子などの第１の材料１５ａのサイズ（分子量）や、分子などの第１の材料１５ａの周りの微小領域の環境に関する情報が含まれている。
【００４７】
集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数が少ない場合には、集光領域１１ａ内に第１の材料１５ａが存在するときと、集光領域１１ａ内に第１の材料１５ａが存在しないときがある。集光領域１１ａ内に第１の材料１５ａが存在するときには、第１の超伝導単一光子検出器３０によって第１の蛍光光２１が検出される。集光領域１１ａ内に第１の材料１５ａが存在しないときには、第１の超伝導単一光子検出器３０によって第１の蛍光光２１が検出されない。そのため、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎは大きくなる（図５（Ａ）を参照）。これに対し、集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数が多い場合には、集光領域１１ａ内に第１の材料１５ａが常に存在する。そして、集光領域１１ａ内に存在する第１の材料１５ａの数に対する集光領域１１ａを出入りする第１の材料１５ａの数の割合は小さくなる。そのため、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎは小さくなる（図５（Ｂ）を参照）。その結果、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出される第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎには、分子などの第１の材料１５ａの数に関する情報が含まれている。
【００４８】
以上のように、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の揺らぎには、分子などの第１の材料１５ａのサイズ（分子量）に関する情報、及び、第１の材料１５ａの周りの微小領域の環境に関する情報、並びに、分子などの第１の材料１５ａの数に関する情報が含まれている。第１の相関器５５において、第１の蛍光光２１の強度に対して式（１）で表される演算を行って、第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数を得ることによって、第１の蛍光光２１の強度信号の時間の揺らぎと第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎとを得ることができる。
【００４９】
図６に示される第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数のグラフにおいて、グラフの横軸は時間を表し、グラフの縦軸は相関関数値を表す。第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数の曲線は、ある時点に集光領域１１ａで検出された第１の材料１５ａが集光領域１１ａに存在する確率が時間とともに減少することを示す。
【００５０】
τＴは、第１の材料１５ｂの並進拡散運動の相関時間である。相関時間τＴは、第１の材料１５ａが集光領域１１ａを通過する時間を表す。分子などの第１の材料１５ａのサイズが小さかったり、第１の材料１５ａの周りの微小領域の粘性が小さい場合には、第１の材料１５ａは早い速度で並進拡散運動するため、第１の材料１５ａ集光領域１１ａを通過する時間を表す相関時間τＴは短くなる。これに対し、分子などの第１の材料１５ａのサイズが大きかったり、第１の材料１５ａの周りの微小領域の粘性が大きい場合には、第１の材料１５ａは遅い速度で並進拡散運動するため、第１の材料１５ａ集光領域１１ａを通過する時間を表す相関時間τＴは長くなる。その結果、相関時間τＴから、分子などの第１の材料１５ａのサイズに関する情報や、第１の材料１５ａの周りの微小領域の環境に関する情報を得ることができる。
【００５１】
集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数が少ない場合には、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎは大きくなる。そのため、集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数が少ない場合には、相関関数値の最大値ＧＴｍａｘは大きな値を有する。これに対し、集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数が多い場合には、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎは小さくなる。そのため、集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数が多い場合には、相関関数値の最大値ＧＴｍａｘは小さな値を有する。その結果、相関関数値の最大値ＧＴｍａｘから、集光領域１１ａに含まれる分子などの第１の材料１５ａの数に関する情報を得ることができる。
【００５２】
図７に、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置と比較例の蛍光相関分光装置とによって得られた、ローダミンＢの蛍光光の強度信号の自己相関関数を表すグラフを示す。比較例の蛍光相関分光装置では、単一光子検出器としてアバランシェフォトダイオードが用いられている。試料１５は、１．０μＭの濃度でローダミンＢを含む溶液である。第１の材料１５ａは、蛍光材料であるローダミンＢである。
【００５３】
比較例の蛍光相関分光装置によって得られた、ローダミンＢの蛍光光の強度信号の自己相関関数は、数１００ナノ秒（サブマイクロ秒）以下の時間領域に、大きなピークを有する。この大きなピークは、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスに基く偽ピークであって、ローダミンＢ（第１の材料１５ａ）から放射された第１の蛍光光２１に基くピークではない。アバランシェフォトダイオードのアフターパルスに基く偽ピークのために、アバランシェフォトダイオードを備えた比較例の蛍光相関分光装置では、数１００ナノ秒（サブマイクロ秒）以下の時間領域における材料の相関を正確に測定することができない。
【００５４】
これに対し、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置によって得られた、ローダミンＢ（第１の材料１５ａ）の第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数は、数１００ナノ秒（サブマイクロ秒）以下の時間領域に、大きなピークを有しない。本実施の形態では、第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１を検出する単一光子検出器として、アフターパルスを生じない第１の超伝導単一光子検出器３０が用いられているからである。第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１を検出する単一光子検出器として、第１の超伝導単一光子検出器３０が用いられることによって、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、材料の相関を正確に測定することができることが明らかになった。
【００５５】
図８及び図９に、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置と比較例の蛍光相関分光装置とによって得られた、ローダミン６Ｇの蛍光光強度信号の自己相関関数を表すグラフを示す。比較例の蛍光相関分光装置では、単一光子検出器としてアバランシェフォトダイオードが用いられている。試料１５は、１．０μＭの濃度でローダミン６Ｇを含む溶液である。第１の材料１５ａは、蛍光材料であるローダミン６Ｇである。
【００５６】
比較例の蛍光相関分光装置によって得られた、ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）の第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数は、数１００ナノ秒（サブマイクロ秒）以下の時間領域に、大きなピークを有する（図８を参照）。この大きなピークは、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスに基く偽ピークであって、ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）から放射された第１の蛍光光２１に基くピークではない。また、この大きなピークの裾は、数１００マイクロ秒（サブミリ秒）以下の時間領域における自己相関関数にも影響を及ぼしている。これに対し、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置によって得られた、ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）の第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数は、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスに基く大きなピークを有しない（図８を参照）。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置では、前記偽ピークの影響を受けることなく、ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）から放射された第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数を解析することができるため、集光領域１１ａに含まれるローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）の相関時間τＴ、数などを正確に得ることができる。第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出される第１の蛍光光２１の強度信号の揺らぎは、ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）が並進拡散運動して、ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）が集光領域１１ａを出入りすることと、ローダミン６Ｇが三重項状態から一重項状態に緩和することとによって生じる。ローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）から放射される第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数は、一般に、式（２）で与えられる。
【００５７】
【数２】
2016148534.tif 000004
【００５８】
ここで、Ｎは、集光領域１１ａと第１の共焦点光学系２２とによって定義される測定体積中に含まれるローダミン６Ｇ（第１の材料１５ａ）の平均分子数を表し、τＴは相関時間（拡散時間）を表し、ｓは測定体積の光軸方向の長さと測定体積の光軸方向に直交する方向の長さとの比を表し、Ｑは試料１５に含まれるローダミン６Ｇからなる第１の材料１５ａの数に対する三重項状態にあるローダミン６Ｇからなる第１の材料１５ａの数の割合を表し、τ３１は三重項状態から一重項状態へ緩和する緩和時間を表す。
【００５９】
図９に示されるように、本実施の形態のデータと比較例のデータとを式（２）を用いてフィッティングすることによって得られたパラメータの値を、表１に示す。図９の実線は、本実施の形態のデータを式（２）でフィッティングした曲線を表す。図９の二点鎖線は、比較例のデータを式（２）でフィッティングした曲線を表す。
【００６０】
【表１】
2016148534.tif 000005
【００６１】
表１に示されるように、本実施の形態のデータに基づいて求められたこれらパラメータの値は、比較例のデータに基づいて求められたこれらパラメータの値と異なる。比較例ではアバランシェフォトダイオードのアフターパルスのため、ローダミン６Ｇからなる第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１の自己相関関数を正確に解析できない。これに対し、第１の超伝導単一光子検出器３０を用いる本実施の形態では、アフターパルスの影響を受けることなく、第１の材料１５ａであるローダミン６Ｇから放射された第１の蛍光光２１の自己相関関数を解析することができる。そのため、集光領域１１ａに含まれるローダミン６Ｇからなる第１の材料１５ａの相関時間（拡散時間）τＴ、平均分子数Ｎなどを正確に得ることができる。
【００６２】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１、及び、材料（第１の材料１５ａ）の相関を測定する方法の効果を説明する。
【００６３】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１は、試料１５に含まれる第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１の強度の時間変化を検出する第１の超伝導単一光子検出器３０と、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度を示す強度信号を処理する信号処理部５０とを備え、信号処理部５０は第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数Ｇ１１（τ）を得る第１の相関器５５を有する。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１では、第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１の強度の時間変化を検出するために、第１の超伝導単一光子検出器３０が用いられている。第１の超伝導単一光子検出器３０は、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本実施の形態の蛍光相関分光装置１によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、第１の材料１５ａの相関を正確に測定することができる。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１を用いることによって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内で病原たんぱく質が生じたことや、細胞内の微小環境の変化を検出することができる。
【００６４】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１では、第１の超伝導単一光子検出器３０は基板３１と基板３１上に設けられた超伝導細線３４とを含み、第１の蛍光光２１が超伝導細線３４側から入射するように、第１の超伝導単一光子検出器３０が配置される。第１の蛍光光２１は基板３１を透過しないので、第１の蛍光光２１が基板３１に吸収されることを防ぐことができる。そのため、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１によれば、第１の超伝導単一光子検出器３０の検出効率を向上させることができる。
【００６５】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１では、第１の超伝導単一光子検出器３０は、基板３１と超伝導細線３４との間にミラー３２をさらに含む。超伝導細線３４に吸収されずに基板３１に向かう第１の蛍光光２１を、ミラー３２によって超伝導細線３４に向けて反射させて、超伝導細線３４に吸収させることができる。そのため、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１によれば、第１の超伝導単一光子検出器３０の検出効率を向上させることができる。
【００６６】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１では、超伝導細線３４とミラー３２とは光共振器３６を構成する。超伝導細線３４とミラー３２とが光共振器３６を構成することによって、第１の蛍光光２１は超伝導細線３４により一層吸収されやすくなる。そのため、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置１によれば、第１の超伝導単一光子検出器３０の検出効率をさらに向上させることができる。
【００６７】
本実施の形態に係る材料（第１の材料１５ａ）の相関を測定する方法は、試料１５に含まれる第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１の強度の時間変化を第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出することと、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光の強度を示す強度信号の自己相関関数Ｇ１１（τ）を得ることとを備える。本実施の形態に係る材料（第１の材料１５ａ）の相関を測定する方法では、第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１の強度の時間変化を検出するために、第１の超伝導単一光子検出器３０が用いられている。第１の超伝導単一光子検出器３０は、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本実施の形態に係る第１の材料１５ａの相関を測定する方法によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、第１の材料１５ａの相関を正確に測定することができる。本実施の形態に係る材料の相関を測定する方法を用いることによって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内で病原たんぱく質が生じたことや、細胞内の微小環境の変化を検出することができる。
【００６８】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第１の超伝導単一光子検出器３０の変形例の第１の超伝導単一光子検出器３０ａを示す。変形例の第１の超伝導単一光子検出器３０ａは、ミラー３２を備えていない。変形例の第１の超伝導単一光子検出器３０ａでは、基板３１の表面を酸化することによって、誘電体層３３を形成することができる。変形例の第１の超伝導単一光子検出器３０ａによれば、第１の超伝導単一光子検出器３０ａの構造及び製造方法を単純にすることができるため、製造コストを低減することができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図１１及び図１２を参照して、実施の形態２に係る蛍光相関分光装置２を説明する。本実施の形態の蛍光相関分光装置２は、基本的には、図１から図３に示す実施の形態１の蛍光相関分光装置１と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、主に以下の点で異なる。
【００７０】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２の光学系２０ｂは、第２の偏光選択素子２７を含む。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２の光学系２０ｂは、第１の材料１５ｂを含む試料１５に第１の励起光１１を入射させる第１の光学系と、第１の材料１５ｂから放射される第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる第２の光学系とを含む。より特定的には、光学系２０ｂのうち、第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる第２の光学系は、第２の偏光選択素子２７を含む。本実施の形態では、第２の偏光選択素子２７は、試料１５中の第１の材料１５ｂから放射された第１の蛍光光２１のうち特定の偏光成分の光だけを透過させる。第２の偏光選択素子２７の偏光方向は、第１の蛍光光２１の光路に交差する面内において任意の方向に変化させてもよい。第２の偏光選択素子２７は、第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる第２の光学系中の任意の場所に配置することができる。本実施の形態では、第２の偏光選択素子２７は、第２のフィルタ２６と第１のレンズ２３との間に配置されている。第２の偏光選択素子２７として、偏光子、偏光ビームスプリッタを例示することができる。
【００７１】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２の光学系２０ｂは、第１の偏光選択素子１７を含む。より特定的には、光学系２０ｂのうち、第１の励起光１１を第１の材料１５ｂを含む試料１５に入射させる第１の光学系は、第１の偏光選択素子１７を含む。本実施の形態では、第１の偏光選択素子１７は、第１の光源１０から放射された第１の励起光１１のうち特定の偏光成分の光だけを透過させる。第１の偏光選択素子１７の偏光方向は、第１の励起光１１の光路に交差する面内において任意の方向に変化させてもよい。第１の偏光選択素子１７は、第１の励起光１１を試料１５に入射させる第１の光学系中の任意の場所に配置することができる。本実施の形態では、第１の偏光選択素子１７は、第１のフィルタ１２と第１の波長選択素子１３との間に配置されている。本実施の形態では、第１の光源１０はレーザ光源であり、第１の励起光１１はｘ方向に偏光されたレーザ光である。第１の偏光選択素子１７は、ｘ偏光光を透過し、ｙ偏光光を遮断する。第１の偏光選択素子１７として、偏光子、偏光ビームスプリッタなどを例示することができる。第１の偏光選択素子１７は配置しなくてもよい。例えば、第１の光源１０がレーザ光源であり、第１の励起光１１がレーザ光である場合には、第１の励起光１１は偏光された光であるため、第１の偏光選択素子１７を設けなくてもよい。
【００７２】
なお、本実施の形態において、試料１５中の第１の材料１５ｂから放射される第１の蛍光光２１が第１の超伝導単一光子検出器３０に向かって進む方向をｚ方向と定義する。第１の光源１０から出射された第１の励起光１１が第１の波長選択素子１３に向かって進む方向をｙ方向と定義する。ｚ方向とｙ方向とに直交する方向をｘ方向と定義する。
【００７３】
本実施の形態の蛍光相関分光装置２を用いた第１の材料１５ｂの相関を測定する方法について説明する。図１２を参照して、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２によって測定される試料１５に含まれる第１の材料１５ｂは、棒の形状を有している。第１の材料１５ｂは、異方的な形状及び等方的な形状を含む他の形状を有していてもよい。
【００７４】
図１２を参照して、溶液や細胞といった試料１５の中に含まれる分子などの第１の材料１５ｂは、ランダムな方向に並進拡散運動する（ブラウン運動）とともに、ランダムな方向に回転拡散運動をする。分子などの第１の材料１５ｂの回転拡散運動は、第１の材料１５ｂの形状（形状の異方性、大きさ等）や第１の材料１５ａの周りの微小領域の粘性等の影響を受ける。第１の材料１５ｂの回転拡散運動は、第１の材料１５ｂから放射される第１の蛍光光２１の偏光方向の変化に反映される。そこで、本実施の形態では、第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる第２の光学系中に第２の偏光選択素子２７を配置することによって、第１の材料１５ｂの回転拡散運動に伴う第１の蛍光光２１の強度の変化を測定する。第１の材料１５ｂの回転拡散運動に伴う第１の蛍光光２１の強度の変化を測定することによって、第１の材料１５ｂの形状（形状の異方性、大きさ等）に関する情報や第１の材料１５ａの周りの微小領域の環境に関する情報を得ることができる。分子などの第１の材料１５ｂの回転拡散運動における相関時間τＲは、分子などの第１の材料１５ｂの大きさの３乗に比例する。これに対し、実施の形態１で述べた、分子などの第１の材料１５ｂの並進拡散運動における相関時間τＴは、分子などの第１の材料１５ｂの大きさの３乗に比例する。そのため、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２を用いることによって、分子などの第１の材料１５ｂの大きさを高精度に測定することができる。
【００７５】
第１の材料１５ｂの回転拡散運動は、第１の材料１５ｂの並進拡散運動よりも速い。そのため、第１の超伝導単一光子検出器３０によって測定される第１の材料１５ｂから放射される第１の蛍光光２１の強度の時間変化は、図１３（Ａ）に示される相対的に遅い第１の材料１５ｂの並進拡散運動に基く第１の蛍光光２１の強度の時間変化と、図１３（Ｂ）に示される相対的に速い第１の材料１５ｂの回転拡散運動に基く第１の蛍光光２１の強度の時間変化とによって構成される。
【００７６】
以上のように、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号の揺らぎには、分子などの第１の材料１５ａのサイズ（分子量）に関する情報、第１の材料１５ａの周りの微小領域の環境に関する情報、分子などの第１の材料１５ａの数とに関する情報、及び、分子などの第１の材料１５ａの形状（形状の異方性、大きさ等）に関する情報が含まれている。第１の相関器５５において、第１の蛍光光２１の強度に対して式（１）で表される演算を行って、第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数を得ることによって、第１の蛍光光２１の強度信号の時間の揺らぎと第１の蛍光光２１の強度信号の振幅の揺らぎとを得ることができる。
【００７７】
図１４を参照して、第１の材料１５ｂの回転拡散運動は、第１の材料１５ｂの並進拡散運動よりも速いために、第１の材料１５ｂの並進拡散運動に基く自己相関関数よりも短い時間領域に、第１の材料１５ｂの回転拡散運動に基く自己相関関数が現れる。τＲは、第１の材料１５ｂの回転拡散運動に基く自己相関関数がＧＴｍａｘ＋ＧＲｍａｘ×ｅ−１の値をとる幅であり、第１の材料１５ｂの回転拡散運動の相関時間である。ＧＲｍａｘは、第１の材料１５ｂの回転拡散運動に基く相関関数値の最大値である。
【００７８】
本実施の形態に用いられる試料１５は、１００ｎＭの濃度でＱロッドを含む溶液である。図１５に、第１の材料１５ｂであるＱロッドのＴＥＭ像を示す。Ｑロッドは、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）からなるコアの周りに、硫化カドミウム（ＣｄＳ）からなるシェルが形成された棒状の半導体蛍光材料である。本実施の形態に用いられるＱロッドの寸法は、長軸方向に２０μｍの長さを有し、短軸方向に４μｍの長さを有する。
【００７９】
図１６に、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置と比較例の蛍光相関分光装置とによって得られた、Ｑロッドの蛍光光の強度信号の自己相関関数を表すグラフを示す。比較例の蛍光相関分光装置は、単一光子検出器としてアバランシェフォトダイオードが用いられている。図１６における二点鎖線（ＡＰＤ）が、比較例の蛍光相関分光装置によって得られた自己相関関数を示す。図１６における一点鎖線（ＳＳＰＤ１）が、実施の形態１の蛍光相関分光装置によって得られた自己相関関数を示す。図１６における実線（ＳＳＰＤ２ｘ）が、第２の偏光選択素子２７がｘ偏光光を透過するように配置された本実施の形態の蛍光相関分光装置２によって得られた自己相関関数を示す。図１６における実線（ＳＳＰＤ２ｙ）が、第２の偏光選択素子２７がｙ偏光光を透過するように配置された本実施の形態の蛍光相関分光装置２によって得られた自己相関関数を示す。
【００８０】
比較例の蛍光相関分光装置を用いた場合には、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動の自己相関関数を観測することができない（図１６のＡＰＤを参照）。Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の並進拡散運動の自己相関関数よりも短い時間領域に位置するＱロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動の自己相関関数が、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの自己相関関数のピークによって隠されるためである。
【００８１】
実施の形態１に係る蛍光相関分光装置１を用いても、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動の自己相関関数を明確に観測することができない（図１６のＳＳＰＤ１を参照）。実施の形態１に係る蛍光相関分光装置１では、第１の超伝導単一光子検出器３０が用いられているので、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の並進拡散運動の自己相関関数よりも短い時間領域に位置するＱロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動の自己相関関数が、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの自己相関関数のピークによって隠されない。しかし、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置１では、第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる光路中に第２の偏光選択素子２７が配置されていない。そのため、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）から放射される第１の蛍光光２１の偏光方向の変化を第１の超伝導単一光子検出器３０で検出することはできない。その結果、実施の形態１に係る蛍光相関分光装置１を用いても、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動を特徴づける回転拡散時間τＲと回転拡散運動による相関関数値の最大値ＧＲｍａｘとを求めることはできない。
【００８２】
これに対し、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２を用いることによって、１マイクロ秒前後に、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動に基く自己相関関数を明確に得ることができる（図１６のＳＳＰＤ２ｘ及びＳＳＰＤ２ｙを参照）。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２では、第１の超伝導単一光子検出器３０が用いられているので、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の並進拡散運動の自己相関関数よりも短い時間領域に位置するＱロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動の自己相関関数が、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの自己相関関数のピークによって隠されない。また、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２では、第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させる光路中に第２の偏光選択素子２７が配置されている。そのため、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）から放射される第１の蛍光光２１の偏光方向の変化を第１の超伝導単一光子検出器３０で検出することができる。その結果、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２を用いることにより、Ｑロッド（第１の材料１５ｂ）の回転拡散運動を特徴づける回転拡散時間τＲと回転拡散運動による相関関数値の最大値ＧＲｍａｘとを求めることができる。
【００８３】
本実施の形態の蛍光相関分光装置２、及び、材料（第１の材料１５ｂ）の相関を測定する方法の効果を説明する。
【００８４】
本実施の形態の蛍光相関分光装置２は、第２の偏光選択素子２７をさらに備え、第２の偏光選択素子２７は第１の蛍光光２１が第１の超伝導単一光子検出器３０に入射する光路に配置される。第１の蛍光光２１が第１の超伝導単一光子検出器３０に入射する光路に第２の偏光選択素子２７が配置されているので、第１の材料１５ｂから放射される第１の蛍光光２１の偏光方向の変化を第１の超伝導単一光子検出器３０で検出することができる。その結果、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２を用いることにより、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、第１の材料１５ａの回転拡散のような第１の材料の相関を正確に測定することができる。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置２を用いることによって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内で病原たんぱく質が生じたことや、細胞内の微小環境の変化を検出することができる。
【００８５】
本実施の形態の材料（第１の材料１５ｂ）の相関を測定する方法は、第１の蛍光光２１を第２の偏光選択素子２７に入射させ、第２の偏光選択素子２７から出射された第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させることをさらに備える。第２の偏光選択素子２７から出射された第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させるので、第１の材料１５ｂから放射される第１の蛍光光２１の偏光方向の変化を第１の超伝導単一光子検出器３０で検出することができる。その結果、本実施の形態に係る第１の材料１５ｂの相関を測定する方法により、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、第１の材料１５ａの回転拡散のような第１の材料の相関を正確に測定することができる。本実施の形態に係る第１の材料１５ｂの相関を測定する方法を用いることによって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内で病原たんぱく質が生じたことや、細胞内の微小環境の変化を検出することができる。
【００８６】
（実施の形態３）
図１７及び図１８を参照して、実施の形態３に係る蛍光相関分光装置３を説明する。本実施の形態の蛍光相関分光装置３は、基本的には、図１から図３に示す実施の形態１の蛍光相関分光装置１と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、主に以下の点で異なる。
【００８７】
本実施の形態の蛍光相関分光装置３によれば、試料１５に含まれる複数の材料の相関を測定することができる。より特定的には、本実施の形態の蛍光相関分光装置３によれば、試料１５に含まれる複数の材料（第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃ）間の相互相関を測定することができる。また、本実施の形態の蛍光相関分光装置３によれば、試料１５に含まれる複数の材料（第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃ）のそれぞれの自己相関を同時に測定することができる。第２の材料１５ｃは、第１の材料１５ａと異なる材料である。第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃは、蛍光材料、または、蛍光材料で標識された材料であってもよい。第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃとして、蛍光材料で標識された分子、蛍光材料で標識されたたんぱく質、蛍光材料で標識された細胞を例示することができる。
【００８８】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３は、光学系２０ｃと、第１の超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）３０と、第２の超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）３０ｃと、冷凍機４０と、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度を示す第１の強度信号と第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって検出された第２の蛍光光２１ｃの強度を示す第２の強度信号とを処理する信号処理部５０ｃとを備えている。
【００８９】
光学系２０ｃは、第１の光学系と第２の光学系とを含む。第１の光学系は、第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃを含む試料１５に第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃを入射させる。第２の光学系は、第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１を第１の超伝導単一光子検出器３０に入射させるとともに、第２の材料１５ｃから放射される第２の蛍光光２１ｃを第２の超伝導単一光子検出器３０ｃに入射させる。
【００９０】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３の光学系２０ｃの第１の光学系は、実施の形態１の光学系２０の第１の光学系に含まれる光学要素に加えて、第２の光源１０ｃと、光合波器１９とをさらに含む。本実施の形態の第１の光学系は、第１のミラー１８をさらに含んでいてもよい。
【００９１】
第２の光源１０ｃは、試料１５に含まれる第２の材料１５ｃを基底状態から励起状態に励起するための第２の励起光１１ｃを出射する。第２の励起光１１ｃの波長は第１の励起光１１の波長と異なる。本実施の形態では、第２の光源１０ｃはレーザであり、第２の励起光１１ｃはレーザ光である。第２の光源１０ｃは、レーザに限られない。第２の励起光１１ｃは第１のミラーで反射された後、光合波器１９において、第１の励起光１１と合波される。光合波器１９として、第１の励起光１１を透過し第２の励起光１１ｃを反射するダイクロイックミラーを例示することができる。
【００９２】
光合波器１９において合波された第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは、第１のフィルタ１２に入射される。第１のフィルタ１２によって、第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃを含む試料１５に照射される第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃの強度が調整される。第１のフィルタ１２として、ＮＤフィルタを例示することができる。
【００９３】
第１のフィルタ１２を通過した第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは、第１の波長選択素子１３に入射する。第１の波長選択素子１３は、第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃを反射し、試料１５に含まれる第１の材料１５ａから出射される第１の蛍光光２１と試料１５に含まれる第２の材料１５ｃから出射される第２の蛍光光２１ｃとを透過する性質を有する。第１の波長選択素子１３によって、第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは反射されて、対物レンズ１４に向けられる。
【００９４】
対物レンズ１４によって、第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは試料１５に集光される。図１８を参照して、第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃを含む試料１５において、第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは集光領域１１ａに集光される。第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは、対物レンズ１４によって、試料１５において第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃの回折限界まで絞り込まれてもよい。試料１５において第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃを狭い集光領域１１ａに集光することによって、集光領域１１ａに含まれる試料１５の量を、例えば、フェムトリットル（１０−１５Ｌ）程度とすることができる。対物レンズ１４を用いて第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃを集光することによって、微小な測定領域を得ることができる。
【００９５】
本実施の形態の光学系２０ｃの第２の光学系は、実施の形態１の光学系２０の第２の光学系に含まれる光学要素に加えて、第２の波長選択素子２８と、第２の共焦点光学系２２ｃとをさらに含む。本実施の形態では、第２の共焦点光学系２２ｃは、第２のレンズ２３ｃと第２の光ファイバ２４ｃとを有する。第２の共焦点光学系２２ｃは、ピンホールのような他の光学要素によって構成されていてもよい。本実施の形態の第２の光学系は、第２のミラー２９と、第２の屈折率分布型レンズ２５ｃをさらに含んでいてもよい。
【００９６】
第１の材料１５ａから放射された第１の蛍光光２１と第２の材料１５ｃから放射された第２の蛍光光２１ｃとは、対物レンズ１４によって集められる。対物レンズ１４を透過して第１の波長選択素子１３に入射する光には、第１の蛍光光２１と、第２の蛍光光２１ｃと、試料１５において反射または散乱された第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃが含まれる。第１の波長選択素子１３によって、試料１５において反射または散乱された第１の励起光１１及び第２の励起光１１ｃは反射され、第１の蛍光光２１及び第２の蛍光光２１ｃのみが第１の波長選択素子１３を透過する。
【００９７】
第１の波長選択素子１３を透過した第１の蛍光光２１及び第２の蛍光光２１ｃは、第２のフィルタ２６に入射される。第２のフィルタ２６によって、第１の超伝導単一光子検出器３０及び第２の超伝導単一光子検出器３０ｃに入射させる必要のない光が除去される。第２のフィルタ２６として、帯域通過フィルタを例示することができる。
【００９８】
第２のフィルタ２６を透過した第１の蛍光光２１及び第２の蛍光光２１ｃは、第２の波長選択素子２８に入射する。第２の波長選択素子２８は、第１の蛍光光２１を透過し、第２の蛍光光２１ｃを反射する。第２の波長選択素子２８として、ダイクロイックミラーを例示することができる。
【００９９】
第２の波長選択素子２８で反射された第２の蛍光光２１ｃは、第２のミラー２９で反射された後、第２の共焦点光学系２２ｃに入射する。本実施の形態では、第２の共焦点光学系２２ｃは、第２のレンズ２３ｃと第２の光ファイバ２４ｃとを有する。第２の蛍光光２１ｃは第２のレンズ２３ｃによって集光されて、第２の光ファイバ２４ｃの入射端２４ｃｆに入射する。第２のレンズ２３ｃによって集光された第２の蛍光光２１ｃのうち、第２の光ファイバ２４ｃのコアに光学的に結合することができる光だけが、第２の光ファイバ２４ｃ内を伝搬することができる。第２のレンズ２３ｃによって集光された第２の蛍光光２１ｃのうち、第２の光ファイバ２４ｃのコアに光学的に結合することができない光は、第２の光ファイバ２４ｃのコア内を伝搬することができない。そのため、第２の光ファイバ２４ｃの入射端２４ｃｆは、ピンホールのように作用する。第２のレンズ２３ｃと第２の光ファイバ２４ｃとを有する第２の共焦点光学系２２ｃは、対物レンズ１４の焦点位置にある第２の材料１５ｃから放射された第２の蛍光光２１ｃ以外の光が、第２の光ファイバ２４ｃを伝搬することを防ぐ。第２の光ファイバ２４ｃとして、６２．５μｍの直径のコアを有するマルチモードファイバを例示することができる。
【０１００】
第２の光ファイバ２４ｃは、冷凍機４０の外部から冷凍機４０の内部に延在している。第２の光ファイバ２４ｃによって、冷凍機４０の外部に位置する試料１５中の第２の材料１５ｃから放射された第２の蛍光光２１ｃを、冷凍機４０の内部に位置する第２の超伝導単一光子検出器３０ｃに、高い効率で光学的に結合させることができる。
【０１０１】
第２の光ファイバ２４ｃの出射端に第２の屈折率分布型レンズ２５ｃが設けられる。第２の光ファイバ２４ｃを伝搬した第２の蛍光光２１ｃは第２の屈折率分布型レンズ２５ｃによって、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ上に集光される。第２の屈折率分布型レンズ２５ｃによって、試料１５中の第２の材料１５ｃから放射された第２の蛍光光２１ｃを、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃに、高い効率で光学的に結合させることができる。
【０１０２】
第２の超伝導単一光子検出器３０ｃは、試料１５に含まれる第２の材料１５ｃから放射された第２の蛍光光２１ｃの強度を検出して、第２の蛍光光２１ｃの強度を示す強度信号を信号処理部５０ｃに出力する。第２の超伝導単一光子検出器３０ｃは、図２（Ａ）、（Ｂ）または図１０（Ａ）、（Ｂ）に示される構造を有している。
【０１０３】
本実施の形態の信号処理部５０ｃは、実施の形態１の信号処理部５０ｃに含まれる回路に加えて、第２の相関器５５ｃと第３の相関器５６とを有する。本実施の形態の信号処理部５０ｃは、第２の低ノイズ増幅器５１ｃと、第２のコンパレータ５２ｃとをさらに有していてもよい。
【０１０４】
第２の低ノイズ増幅器５１ｃは、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって検出された第２の蛍光光２１ｃの強度信号を、低いノイズで増幅する回路である。
【０１０５】
第２のコンパレータ５２ｃは、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって検出された第２の蛍光光２１ｃの強度信号を、トランジスタ−トランジスタ論理（ＴＴＬ）信号に変換する回路である。第２のコンパレータ５２ｃは、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって得られた第２の蛍光光２１ｃの強度を示す強度信号を、他の信号に変換する回路であってもよい。
【０１０６】
第２の相関器５５ｃは、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって検出された第２の蛍光光２１ｃの強度信号の自己相関関数を得る回路である。第３の相関器５６は、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出された第１の蛍光光２１の強度信号と第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって検出された第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数を得る回路である。第２の相関器５５ｃでは、第２の蛍光光２１ｃの強度信号に対して、式（３）で表される演算を行い、第３の相関器５６では、第１の蛍光光２１の強度信号及び第２の蛍光光２１ｃの強度信号に対して、式（４）で表される演算を行う。
【０１０７】
【数３】
2016148534.tif 000006
【０１０８】
ここで、Ｉ２（ｔ）は時間ｔにおける第２の蛍光光２１ｃの強度信号を表し、＜Ｉ２（ｔ）＞は第２の蛍光光２１ｃの強度信号の時間平均を表し、τは相関時間を表し、Ｇ２２（τ）は第２の蛍光光２１ｃの強度信号の自己相関関数を表し、Ｇ１２（τ）は第１の蛍光光２１の強度信号と第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数を表す。第２の相関器５５ｃ及び第３の相関器５６として、デジタル相関器を例示することができる。
【０１０９】
本実施の形態の蛍光相関分光装置３を用いた第１の材料１５ａ及び第２の材料の相関を測定する方法について説明する。
【０１１０】
図１８を参照して、溶液や細胞といった試料１５の中に含まれる分子などの第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃは、ランダムな方向に並進拡散運動している（ブラウン運動）。このブラウン運動によって、第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃは微小な集光領域１１ａを絶えず出入りする。微小な集光領域１１ａに位置する第１の材料１５ａのみから第１の蛍光光２１が放射され、微小な集光領域１１ａに位置する第２の材料１５ｃのみから第２の蛍光光２１ｃが放射される。そのため、微小な集光領域１１ａに第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃがランダムに出入りすることに応じて、第１の超伝導単一光子検出器３０によって検出される第１の蛍光光２１の強度及び第２の超伝導単一光子検出器３０ｃによって検出される第２の蛍光光２１ｃの強度もランダムに揺らぐ。
【０１１１】
実施の形態１と同様に、第１の相関器５５によって、試料１５に含まれる第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数を得る。第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数から、第１の材料１５ａのサイズに関する情報、第１の材料１５ａの周りの微小領域の環境に関する情報、及び集光領域１１ａに含まれる第１の材料１５ａの数に関する情報などを得ることができる。また、第２の相関器５５ｃによって、試料１５に含まれる第２の材料１５ｃから放射される第２の蛍光光２１ｃの強度信号の自己相関関数を得る。第２の蛍光光２１ｃの強度信号の自己相関関数から、第２の材料１５ｃのサイズに関する情報、第２の材料１５ｃの周りの微小領域の環境に関する情報、及び集光領域１１ａに含まれる第２の材料１５ｃの数に関する情報などを得ることができる。
【０１１２】
本実施の形態の蛍光相関分光装置３における信号処理部５０ｃは、第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１の強度信号と第２の材料１５ｃから放射される第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数を得る第３の相関器５６を有している。第３の相関器５６によって、第１の蛍光光２１の強度の揺らぎと第２の蛍光光２１ｃの強度の揺らぎとの同時性を測定することができる。第１の蛍光光２１の強度の揺らぎと第２の蛍光光２１ｃの強度の揺らぎとの同時性は、第１の蛍光光２１を放射する第１の材料１５ａと第２の蛍光光２１ｃを放射する第２の材料１５ｃとが時間的及び空間的に一緒に存在する程度を表す。
【０１１３】
第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１の強度信号と第２の材料１５ｃから放射される第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数の振幅から、第１の材料１５ａと第２の材料１５ｃとの結合の度合いを得ることができる。例えば、第１の蛍光光２１の強度信号と第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数の振幅が大きいほど、第１の材料１５ａと第２の材料１５ｃの結合の度合いが大きく、第１の蛍光光２１の強度信号と第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数の振幅が小さいほど、第１の材料１５ａと第２の材料１５ｃとの結合の度合いが小さい。
【０１１４】
本実施の形態の信号処理部５０ｃは、第１の蛍光光２１の強度信号と第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数の振幅を、第１の相関器５５によって得られた第１の蛍光光２１の強度信号の自己相関関数の振幅及び第２の相関器５５ｃによって得られた第２の蛍光光２１ｃの強度信号の自己相関関数の振幅で除算する演算回路５８を有していてもよい。このような演算回路５８によって、第１の材料１５ａと第２の材料１５ｃとの結合の度合いをより正確に得ることができる。
【０１１５】
第１の材料１５ａから放射される第１の蛍光光２１の強度信号と第２の材料１５ｃから放射される第２の蛍光光２１ｃの強度信号との相互相関関数の相関時間から、第１の材料１５ａと第２の材料１５ｃとが結合する平均時間、または第１の材料１５ａと第２の材料１５ｃとが結合した材料構造体、例えば分子構造体、が微小な集光領域１１ａに滞在する平均時間を得ることができる。
【０１１６】
本実施の形態の蛍光相関分光装置３、及び、複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法の効果を説明する。
【０１１７】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３は、試料１５に含まれる複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）から放射された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度の時間変化を検出する複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）と、複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）によって検出された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度を示す複数の強度信号を処理する信号処理部５０ｃとを備え、信号処理部５０ｃは複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の複数の強度信号のそれぞれの自己相関関数を得る複数の相関器（第１の相関器５５、第２の相関器５５ｃ）を有する。
【０１１８】
第１の超伝導単一光子検出器３０及び第２の超伝導単一光子検出器３０ｃは、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本実施の形態の蛍光相関分光装置３によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、複数の材料（第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃ）のそれぞれの自己相関関数を同時かつ正確に測定することができる。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３を用いることによって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内で複数の病原たんぱく質が生じたことや、細胞内の微小環境の複数の変化を同時に検出することができる。
【０１１９】
本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３は、試料１５に含まれる複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）から放射された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度の時間変化を検出する複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）と、複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）によって検出された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度を示す複数の強度信号を処理する信号処理部５０ｃとを備え、信号処理部５０ｃは複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の複数の強度信号の相互相関関数を得る相関器（第３の相関器５６）を有する。
【０１２０】
複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）は、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相互相関関数を正確に測定することができる。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相互作用の状況を正確に測定することができる。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３を用いることによって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内の分子の相互作用の状況を検出することができる。
【０１２１】
本実施の形態に係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法は、試料１５に含まれる複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）から放射された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度の時間変化を複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）によって検出することと、複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）によって検出された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度を示す複数の強度信号の自己相関関数を得ることを備える。
【０１２２】
第１の超伝導単一光子検出器３０及び第２の超伝導単一光子検出器３０ｃは、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本実施の形態に係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、複数の材料（第１の材料１５ａ及び第２の材料１５ｃ）のそれぞれの自己相関関数を同時かつ正確に測定することができる。本実施の形態に係るに係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法によって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内で複数の病原たんぱく質が生じたことや、細胞内の微小環境の複数の変化を同時に検出することができる。
【０１２３】
本実施の形態に係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法は、試料１５に含まれる複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）から放射された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度の時間変化を複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）によって検出することと、複数の超伝導単一光子検出器（第１の超伝導単一光子検出器３０、第２の超伝導単一光子検出器３０ｃ）によって検出された複数の蛍光光（第１の蛍光光２１、第２の蛍光光２１ｃ）の強度を示す強度信号の相互相関関数を得ることとを備える。
【０１２４】
第１の超伝導単一光子検出器３０及び第２の超伝導単一光子検出器３０ｃは、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスを発生しない。そのため、本実施の形態に係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相互相関関数を正確に測定することができる。本実施の形態に係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法によれば、アバランシェフォトダイオードのアフターパルスの影響を受けることなく、複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相互作用の状況を正確に測定することができる。本実施の形態に係る複数の材料（第１の材料１５ａ、第２の材料１５ｃ）の相関を測定する方法によって、例えば、生体内（in  vivo）において、細胞内の分子の相互作用の状況を検出することができる。
【０１２５】
本実施の形態の変形例について説明する。本実施の形態に係る蛍光相関分光装置３は、第１の相関器５５及び第２の相関器５５ｃを備えているが、本実施の形態の第１の変形例に係る蛍光相関分光装置３は、第１の相関器５５及び第２の相関器５５ｃの少なくとも１つを備えていなくてもよい。本実施の形態の第２の変形例に係る蛍光相関分光装置３は、第３の相関器５６及び演算回路５８を備えていなくてもよい。本実施の形態の第３の変形例に係る蛍光相関分光装置３は、実施の形態２のように、第２の波長選択素子２８と第１のレンズ２３との間、及び、第２の波長選択素子２８と第２のレンズ２３ｃとの間に、第２の偏光選択素子２７を配置してもよい。本実施の形態の第４の変形例に係る蛍光相関分光装置３は、実施の形態２のように、第１の波長選択素子１３と第２の波長選択素子２８との間に、第２の偏光選択素子２７を配置してもよい。
【０１２６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【０１２７】
１，２，３  蛍光相関分光装置、１０  第１の光源、１０ｃ  第２の光源、１１  第１の励起光、１１ａ  集光領域、１１ｃ  第２の励起光、１２  第１のフィルタ、１３  第１の波長選択素子、１４  対物レンズ、１５  試料、１５ａ，１５ｂ  第１の材料、１５ｃ  第２の材料、１７  第１の偏光選択素子、１８  第１のミラー、１９  光合波器、２０，２０ｂ，２０ｃ  光学系、２１  第１の蛍光光、２１ｃ  第２の蛍光光、２２  第１の共焦点光学系、２２ｃ  第２の共焦点光学系、２３  第１のレンズ、２３ｃ  第２のレンズ、２４  第１の光ファイバ、２４ｃ  第２の光ファイバ、２４ｃｆ，２４ｆ  入射端、２５  第１の屈折率分布型レンズ、２５ｃ  第２の屈折率分布型レンズ、２６  第２のフィルタ、２７  第２の偏光選択素子、２８  第２の波長選択素子、２９  第２のミラー、３０，３０ａ  第１の超伝導単一光子検出器、３０ｃ  第２の超伝導単一光子検出器、３１  基板、３２  ミラー、３３  誘電体層、３４  超伝導細線、３５  パッド電極、３６  光共振器、３７  外周、４０  冷凍機、５０，５０ｃ  信号処理部、５１  第１の低ノイズ増幅器、５１ｃ  第２の低ノイズ増幅器、５２  第１のコンパレータ、５２ｃ  第２のコンパレータ、５５  第１の相関器、５５ｃ  第２の相関器、５６  第３の相関器、５８  演算回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１５】
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