最先端の顕微鏡

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共焦点顕微鏡

 点を理想的な顕微鏡で覗いても像は厳密には点になりません。点の周りに、ぼやけの原因となる輪が見えることになります。この輪を見えないように、絞りをおいたのが共焦点顕微鏡です。もう一つの特徴は、照明側も対物レンズをとおして、一点を照明することです。照明も像も共に焦点を結ぶので、共焦点顕微鏡と呼ばれています。しかし、これでは、一点しか見ることができないので、試料上をなぞる(走査)することが必要になります。さらに、焦点が上下(高さ方向)でずれると、照明の焦点もずれ、暗くなって見えなくなります。焦点の合ったところだけしか、明るく見えないので、立体的に試料を捉えることができます。
 生物への応用では、蛍光染料で染めた試料を共焦点顕微鏡で観察することにより、蛍光でありがちな、ぼやっとした画像を、鮮明に、立体的に捉えることができるようになりました。レーザーで蛍光を励起し(光らせ)、蛍光だけをとらえるところは、非線形光学顕微鏡ににています。

 

拉曼显微镜

 ラマン効果は、物質を光で照らした時に、その物質の状態(分子の運動状態)により、照らした波長とは違う波長の光がでてくる現象です。蛍光染料で染めなくても、励起光とは違う光が出ているのです。その光は非常に微弱で、強力なレーザーが登場するまで、実現しませんでした。
 ある入射光に対して観測されるラマン散乱光は物質に特有で、散乱光のスペクトル(波長の分布)を調べることで、その物質を特定することができます。蛍光共焦点顕微鏡と構造は似たものになりますが、検出器に波長の分布を調べる装置が付きます。

 

非線形光学顕微鏡

 非線形光学顕微鏡は、照明で照らした光以外の光をみる顕微鏡です。物質に光を当てると、反射や屈折がおきますが、ごく一部の光は、物質の状態によって波長が変わります。また、強い光をあてると、物質の状態がかわることもわかってきました。


第二高調波顕微鏡

 第二高調波(SHG)は、入射光によって、物質から出てくる、入射光の2倍の周波数の光です。レーザーの波長を短くする(周波数をあげる)ことに、応用されている現象です。物質の微細構造によって、強度がかわり表面状態を知ることができる、入射光で選択的に照らした部分だけを見ることができるので立体構造を知ることができるなどの特徴があります。


CARS顕微鏡

 CARSは、ラマン散乱のうち、入射光より周波数が高くなる光です。染色などをしなくても、蛍光を発する生体試料の観察がおこなえます。また、SHG顕微鏡同様、立体構造を知ることもできます。

 

電子顕微鏡

透過型電子顕微鏡(TEM)

 光ではなく、電子を用いることで、原理的に分解能の限界を打ち破った顕微鏡です。照明に電子線を使い、光学レンズの代わりに、電磁石で電子線をまげる電子レンズを使用していますが、像を見る原理は光学顕微鏡と同じです。


走査型電子顕微鏡(SEM)

 電子を用いることは、同じでも、走査型電子顕微鏡は、光学顕微鏡とは原理的に違います。どちらかというと、走査プローブ型顕微鏡に近い顕微鏡です。電子線という、非常に細い針(プローブ)で、試料表面をなぞり(走査)、そのときに得られる情報を画像にして、観察します。最初は、電子線によって、引き出させれる2次電子を観察していましたが、表面の組成がわかる、反射電子やX線なども検出できる様になり、分析装置としても発展しています。

 

走査プローブ型顕微鏡

走査型トンネル顕微鏡(STM)

 プローブは針で、試料と針の間に、生じるトンネル効果によって精密に距離を測定しています。試料はピエゾ素子で精密に走査されていて、針が試料の上を一定の距離を保ちながら、なぞっていきます。試料の位置と針の位置が立体的にコンピュータで再現されます。


原子間力顕微鏡 (AFM)

 STMはトンネル効果を測定するので、試料は電気を通す物質に限られましたが、原子間力顕微鏡は絶縁体でも、水中でも測定可能です。プローブはやはり針で、試料に針を限界まで近づけたときに、原子間力で針が動くのを検知して、高さ方向の距離を測定します。試料の走査はピエゾ素子で精密に走査され、STM と同様に、試料の位置と針の位置が立体的にコンピュータで再現されます。