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顕微鏡
生きた細胞を1個ずつ 観察
  • 2007年、理化学研究所の免疫・アレルギー科学総合研究センターと国立遺伝学研究所などは共同で、生きた細胞内の分子1個ずつを区別して観察できる顕微鏡を開発した。
    従来は細胞の表面しか見えなかったが、細胞内部まで見える。
    開発した顕微鏡は全反射蛍光顕微鏡の一種。レンズの上にガラス基板を置き、その上にサンプルをのせる。光を下方から照射。ガラス基板で全反射する際に漏れ出す光を使って観察する。レンズへの光の入射角を調節することで見える奥行きと範囲が変わる。厚さ10マイクロb以下の細胞内部を観察できる。
    顕微鏡本体の大きさはテーブルに載るサイズ。2〜4種類の蛍光物質を識別できる。物質ごとに色づけすれば、生きた細胞内の活動状態が時間経過ごとにとらえられる。


放射光を使うシステム
  • 2008年、電子顕微鏡並みの高解像度で観察できる光学顕微鏡を、東北大学の山本正樹教授らのグループが開発した。
    放射光を使うシステムで、200〜400ナノbまで観察できる。
    開発したのは、軟X線と呼ばれる放射光を使って物質を詳しく観察する顕微鏡。軟X線は波長がX線よりも可視光に近く、被爆の危険が無い。ただ、軟X線は通常の鏡を使ったレンズは透過してしまうため、反射しなかった。チームはモリブデンとシリコンを重ね合わせた鏡を開発、表面を精密に加工して光を反射させることに成功。
    電子顕微鏡では、実験対象を加工する必要があるが、今回の顕微鏡では加工が不要で、通常の実験室で可能になった


熱レンズ顕微鏡
  • 熱レンズ顕微鏡はガラス板にのせた試料に特定波長の光を当て、その発熱量から分子の数を測定する。ガラス板上の熱分布は光の当たる中心が高く、周囲に行くほど低くなる。これに伴い光の屈折率は中心ほど小さく、周囲ほど大きくなり、ガラス板があたかも凹レンズのように働く。分子量が増えると熱量も増え、焦点距離が長くなることから、これをもとに分子の数を測定することが出来る。
    微量物質の分離に使われる電気泳動法では、有機溶媒を使えないが、この顕微鏡はどんな試料(液体・固体)でも調べられるのが特徴。東京大学の北森大学院教授が開発」

立体原子顕微鏡・・・原子の姿が立体的に見えた
  • 2003年、奈良先端科学技術大学院教授の大門寛(49)が開発した「立体原子顕微鏡」は、これまで原子配列の詳細な構造解析にはX線解析のデータが必要だという常識を覆した。
    立体原子顕微鏡は、人間の両目の「視差」を利用して立体的に見る仕組みを利用して原子の配列の立体画像を再現する。螺旋状の波長を持つ特殊なX線を使うと光電子の分布パターンが微妙にずれる。これが視差に一致し、ずれた写真を2枚使うと立体像ができる。
    原子にX線を当てると飛び出してくる電子(光電子)を蛍光板で受ける際に出る光によって画像を作る。普通お願いします顕微鏡のレンズの役割を原子核が果たすため、非常に小さな領域を見ることが出来る。倍率は200億倍と電子顕微鏡の約2000倍。
    原子の配列を見る方法としては、電子顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡があるが、二次元的にしか見えず、角度がずれると全く見えなくなる問題があった


フェムト秒レーザー顕微鏡
  1. 大阪大学の中村収・助教授らは、生物の臓器や組織の中にある細胞を生きたまま観察できるレーザー顕微鏡技術を開発した。発光時間が10兆分の1秒と非常に短い近赤外線レーザーを照射し、細胞内の物質の挙動をリアルタイムで見ることが出来る。動物を使ったタンパク質の機能解明や眼科手術装置の開発につながる。
    新技術ではあらかじめ、害のない色素を臓器・組織に加え、細胞内のイオンやタンパク質など観察したい物質に結合させておく。フェムト秒(1フェムト=1/1000兆)レーザーと呼ばれる超短パルスの近赤外線レーザーで、観察する細胞をスキャン(走査)する。レーザーは10兆分の1という極めて短い時間に強い光を出すため、色素分子が複数の光子を吸収し、光を発する。光った様子をカメラで捕らえて画像化する。
    光子の吸収はレーザー光が焦点を結んだ場所だけで起きる。焦点距離を調節することによって、これまで観察が困難だった組織の内部にある細胞を観察できるようになった。新技術では組織の表面から0.1mmの深さまで観察が可能。
    近赤外線は生体に悪影響を与えないので、細胞を生きたまま観察できる。複数のレーザービームを使って高速で走査するため、細胞内の物質の動きを瞬時に画像化できる。
    ラットから摘出した直後の心臓を観察した結果、心臓を収縮させる信号が出るたびに、心臓の表面から0.1mmの深さにある細胞内でカルシウムイオンの濃度が変化する様子をとらえることが出来た。
  2. 2009年、富士フイルムは、細胞を生きたまま万札する顕微鏡に欠かせない特殊なレーザー発振器を1/100に小型化した。
    開発したのはフェムト秒(1/1000兆)という、短時間だけ高出力のレーザー光を出す「超短パルスレーザー」向けの技術。この発振器を最先端の「二光子顕微鏡」に搭載すれば、細胞を生きたまま三次元的に観察できる

軟エックス線
  • 東北大学の山本正樹教授らのチームは、細胞などを生きたまま電子顕微鏡並みに高解像度で観察できる顕微鏡を開発した。『軟エックス線』と呼ぶX線を使う。光学部品を工夫することで、観察可能なレベルは従来の200〜400ナノbから140ナノbにまで向上した。成果は2008年9/2の応用物理学会で発表。
    軟X線は通常の実験室でも利用可能な装置で発生できる。開発した顕微鏡は、レーザー光を物質の照射して発生する軟エックス線を利用する。直径0.2mmと比較的広い視野内で、電子顕微鏡並みの解像度で観察できる。
    軟X線を観察したい物質に照射し、CCD検出器をつかって撮影し観察する。
    実際に人間の肺組織を観察したところ、140ナノbの微細構造もハッキリ観察できた。
    1秒間に10コマ以上の画像を撮影することも可能。
    軟X線はX線よりも可視光に近く、特殊な施設がなくても使える


テラヘルツ波を使った顕微鏡
  • 2013年、岡山大学の紀和利彦准教授は光と電波の中間の性質を持つ「テラヘルツ波」を利用した顕微鏡を開発した。
  • タンパク質などが入った溶液を、シリコンとサファイアでできた基盤上に置き、波長800ナノbで、フェムト秒単位で高いエネルギーを発するレーザーを照射する。
  • 基盤上でタンパク質などが変化すると、電子の加速度によってテラヘルツ波の出力が変わる。デラヘルツ波の強度を画像にして、起きている変化を沸かしやすく示すメカニズム。計測時間は数分。
  • 病原体などの異物が体内に侵入した際に働く抗原抗体反応などを高感度で測れるという。
  • イオン濃度の分布もマイクロb単位で計測できる。
  • 触媒と電極の反応も分かる。


超解像顕微鏡
  • 2009年、12月にニコンが発表。細胞や組織を構成するタンパク質レベルで見ることができる。
    100ナノbはウイルス1個に相当する大きさ、細胞内部の小器官、ミトコンドリアの内部構造も鮮明に観察できる。0.6秒単位で連続撮影でき、生きた細胞を長時間かけて撮影して変化を観察することができる。
    電子顕微鏡では、いったん細胞を殺さなければならない。生きたまま観察を続けられるので、薬の影響で細胞の活動がどう変化するかなども目で確かめられる。
    今回開発した「N-SIM」は光の干渉で縞状の模様が見える「モアレ」の現象を応用した。


高速3次元分子分光顕微鏡
  • 2008年、生物組織を染色処理しないで動画で観察できる顕微鏡を、大阪大学の河田聡教授らが開発し、ナノフォトンに委託開発した。
    生物のありのままの姿を観察できる。


誘導ラマン散乱顕微鏡を改良
  • 2012年、大阪大学とキャノンは、生体組織を染色しないでそのまま観察できる顕微鏡を開発。
  • 波長を高速で切り替える独自のレーザーを使った。
  • 生体組織は透明なため、現在は染色して細胞の姿などを浮かび上がらせて観察している。
  • 大阪大学の小関泰之助教と伊東一良教授らは2種類の光を照射して観察する「誘導ラマン散乱顕微鏡」を改良した。
  • 独自開発した波長を変更できるレーザーを一方の光源に使った。
  • 波長約1マイクロbの光を0.03マイクロbだけ変える間に約90回観察する。
  • 必要な時間は3秒〜30秒。
  • 切り出したラットの肝臓を観察すると、細胞膜や細胞核、脂肪、血管などが詳細に見えた

ラマン顕微鏡
  1. ナノフォトンは医薬品や先端材料の研究に使うレーザー顕微鏡を開発している。『ラマン顕微鏡』は対象の外観に含まれる物質を詳細に読み取れるのが特徴で、同社が世界で初めて実用化した。
    培養中の細胞の状態を生きたまま観察できる
    分子にレーザーを照射した際に発生する『ラマン分散光』を活用。分子によって異なる分散光の波長を解析し、これを元に対象物を分子レベルでカラー映像に合成する。
    無色透明な生物の細胞を観察する場合、一般の顕微鏡では有害な染料で着色する必要がある。ラマン顕微鏡は染料無しでも色つき画像になる。
    ナノフォトンのラマン分散光は400のレーザー照射光を一列に並べ対象を数分で広い面積を観察できる。



細胞の変化を観察
  • 2010年、慶応技術大学の岡浩太郎教授らは、細胞の中で起きる現象を顕微鏡で詳しく観察する技術を開発した。
    蛍光物質をつけたタンパク質をセンサーとして利用する「FRET」を呼ぶ技術の一種。
    観察したい物質がセンサータンパク質にくっつくと立体構造に変わり、蛍光の光り方が変わる仕組み。
    1つのセンサータンパク質に蛍光を出す物質と蛍光を吸収する物質をつけた。観察したい物質がセンサータンパク質と反応すると、蛍光の色は変わらず光が弱まる。1物質の変化に対して1色しか発色しないので複数の現象が同時に発生しても色の違いで観察できる。
    1個の細胞内でカルシウム量の変化が起き、それにともなって別の体内物質AとBの量が変化する場合、カルシウムの増減は青色のセンサーで、物質Aのセンサーは赤のセンサーで、物質Bは青緑のセンサーでそれぞれ同時に観察できる。
    実験では、1個の細胞内で神経回路の形成に関わる3種類の物質の量の変化を同時に測定できた。


柔らかい組織も撮影できる
  • 百生敦・東大准教授の成果をもとに科学技術振興機構(JST)のプロジェクトで開発。
  • X線は軟骨や内臓などを透過して撮影できなかった。それを1万分の1で屈折する現象を検出する原理を見つけ出し、画像化に成功した。百生准教授は日立製作所に在籍していた時からこの装置のアイデアを温めてきた。金と高分子が交互に格子状に並ぶ専用の検出器が必要で、微細加工が得意な兵庫県立大学と協力して開発した。次いでJSTのプロジェクトにコニカミノルタエムジーが加わり、乳ガン組織の撮影で名古屋医療センターと、軟骨で埼玉医科大学と協力することで、装置の試作にこぎつけた。



分解能90ナノb
  • 2011年、日本原子力研究開発機構と奈良女子大学は、新型顕微鏡を開発した。波長が数ナノbの「軟エックス線」を使った。ミトコンドリアの像を映し出せた。


光学顕微鏡
・・・・150ナノレベル
  1. 藤田克昌・大阪大学准教授らは、光学顕微鏡の識別能力の限界を破る新技術を開発した。これまでは200ナノbが限界だった。
    開発したのは光学顕微鏡の中でも分解能の高い「レーザー蛍光顕微鏡」の新技術。藤田准教授らはレーザー光の当て方を工夫して「高周波」という光を発生させ、レーザーを当てたスポットより狭く、より小さな構造まで識別できるようになった。さらに改良を目指す
  2. 0.054ナノb
    2011年、理化学研究所と名古屋大学のグループは、世界最高性能の分解性能を持つ光学顕微鏡の開発につながる技術を開発した。
    成果は7/17のネイチャー・フィジックス(電子版)に掲載。
    研究グループは、エックス線を物質に照射すると1千億分の1の確率で光子が2つに分裂する現象に注目。波長が0.112ナノbのエックス線をダイヤモンドに照射すると、0.113ナノbのエックス線領域の波長を持つ光子と20.6ナノbの極端紫外線領域の波長を持つ光子になる。




タンパク質を生きたまま観察できる
  • 2013年、日立製作所はナノbサイズのタンパク質を生きたまま観察できる光学顕微鏡を開発。光学顕微鏡は広く使われる電子顕微鏡と異なり、試料を乾かさなくても見える。
  • 新型の光学顕微鏡は先端部に直径4ナノbのカーボンナノチューブから近接場光を出すことで、分解能を3ナノbに高めた。
  • 2016年、大阪大学蛋白質研究所は液体窒素で冷やしながら電子を当てて分子の構造を調べる「クライオ電子顕微鏡」を導入した。
  • 手間のかかるタンパク質の結晶化をしなくても観察できる。
  • 原子並みの0.3ナノbまで構造が分かる。


蛍光顕微鏡
・・・暗室が不要
  • 2008年、オリンパスは暗室が不要のボックス型の蛍光顕微鏡画像撮影装置を発売。蛍光顕微鏡は細胞やタンパク質などの試料を蛍光物質で染色して観察す


質量顕微鏡
  • 日本独自の検査装置
  • ガン組織への薬剤到達を細胞レベルで調べることできる。
  • 2013年、国立がん研究センターと島津製作所が開発。
  • 質量分析計と顕微鏡を組み合わせた。
  • 約15分で薬剤がガン組織のどの細胞まで到達したかが分かる。


3次元の映像として記録できる
  • 2009年、ニューヨーク大学のチームは生体分子を3次元の映像として記録できる新型顕微鏡を開発した。


原子1個・・・ナノサイズを観察
  • 2010年、東北大学の小林典男教授らのチームは、強磁場の中でナノbサイズの物質が見える顕微鏡を開発した。世界最強磁場で原子1個の観察に成功した。
    超電導材料の観察に使える。


原子1個の大きさの1/10
  • 2010年、日立製作所は原子1個の大きさの1/10という細かさで、物質の構造を立体的に観察できる高性能顕微鏡を開発した。
    「原子力間顕微鏡」と呼ばれ、物質表面を微小な針でなぞって輪郭を調べる仕組み。

どこでも使えるエックス線検査
  • 2010年、京都大学の河合潤教授らのチームは、手のひらサイズのエッックス線発生装置を開発したと発表。単一電池2本の電力で試料からX線を放出させられる。
    装置は3cm×5cmでガラスなどで覆われている。内部は棒状のタンタル酸リチウム電極が向かいあっており、一方の電極の上に試料を載せる。電気を流すと発生する熱で電極の伸び縮みする。その際、高電圧が商事、装置内のガスから飛び出した電子が試料にぶつかってX線が発生する仕組み


新型の「ミラー電子顕微鏡」
  • 2011年、日立製作所は、新型の「ミラー電子顕微鏡」を開発した。
    観察する試料の表面にマイナスの電気を帯びさせておく。電子線から出た電子も同じマイナスのため、試料にぶつからずに跳ね返される。表面の凸凹に合わせて電子が反射し、形状が分かる。
    観察時間が従来の1/10に短縮。一度に観察できる範囲が10倍に広がった


電子のスピンを計測
  • 2012年、ユニクソは、電子の磁石(スピン)の向きを計測できる特殊な顕微鏡を開発した。
    開発したのは絶対温度0.03度(-273℃)、16テスラの高磁場を作り出せる走査型トンネル顕微鏡(STM)。
    原子は絶対温度約0.1度で振動が止まるとともに、スピンの揺れが止まって向きがそろう。また、十数テスラの磁場を与えるとスピンの向きを変えられる。
    直径約10cmの空間を極低温、高磁場にできる。


電子顕微鏡・・・・大気中で観察
  1. 2008年、産業技術総合研究所と日本電子は、真空状態にしなくても大気中で試料を観察できる電子顕微鏡を開発した。
    溶液中の細胞などを、生きているのに近い状態で直接見ることができる。開発した走査型電子顕微鏡は、試料を入れるところと電子線が通る真空室とを厚さ100ナノbの窒化シリコン薄膜の窓で仕切った
  2. 2009年、日本電子は真空状態にしなくても大気中で試料を観察できる電子顕微鏡を開発。乾燥や脱水などの前処理が不要。
  3. 2011年、島津製作所ナノb単位の物質を大気中でも水中でも精密に観測できる走査型プローブ顕微鏡を発売。


3Dで観察
  • 2011年、東北大学の林好一准教授と堀場製作所は1つの原子を立体的に観察できる新しい電子顕微鏡を開発した。光が放つ波としての性質を使い、立体像を撮影するホログラフィー技術を応用した。
    原子の並びや微妙な動きの3D画像が得られる小型の電子顕微鏡は世界初。
    新しい電子顕微鏡は観察したい物質に電子線を当て、コンピューターで画像処理する走査型電子顕微鏡を改良。照射角度や方法を変えながら電子線を照射し、原子の並びの3D画像を得られる


カルシウム原子やタンパク質を観測できる
  • 2009年、日本電子、産業技術総合研究所などは生体内で重要な役割を果たすカルシウム原子やタンパク質を観測できる電子顕微鏡を開発した。
    開発した電子顕微鏡は従来比1/10の低電圧で加速した電子を物質に当てて観測する。電圧が低いために、分子を破壊したり軽い原子をはじき飛ばしたりせずに観測できる。
    30〜60`ボルトの電圧で原子1つひとつを観測できる0.1ナノbの分解能を実現。筒状炭素分子(カーボンナノチューブ)の中に入れたカルシウムなどの原子を観測できる。


真空でも・・・内部構造をたもつ
  • 2010年、桑畑進・大阪大学教授らは、ウイルスや細胞を自然のままの状態で観察できる電子顕微鏡を開発した。
    真空でも蒸発しない特殊な液体「イオン液体」を細胞に染み込ませる。生きているときの構造を保ちながら解析できる。
    これまでの電子顕微鏡は、細胞の表面を金属の膜で覆う準備が必要で観察までに2〜3日必要だったが、今回の技術では1時間以内に可能。
    細胞が含む水をイオン液体に多き換える。真空にしても正確な構造が残り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)で観察できる。
    分裂するガン細胞の突起がハッキリ見えた。
    SEMでは・・・
    細胞をイオン液体に溶かして台の上に塗る。細胞の表面には厚さ1〜数µmのイオン液体の薄膜ができる。
    TEMでは・・・
    2〜3µmの穴がたくさん開いたレンコンに似た臺を使う。細胞を含むイオン液体の膜が穴に張り付く。
    研究には日立ハイテクノドジーズ、北里大学、朝日大学、石川県立大学、金沢医科大学が参加。
    金沢医科大が、ガン細胞の観察に成功した。阪大は人のヘルペスウイルスを観察。
    北里大はマウスの腎臓を観察。
    現時点では生物が動いている様子は観察できていない。


透過型電子顕微鏡を分解しないで掃除
  • 産業技術総合研究所とシーゼットアイは、透過型電子顕微鏡を分解しないで、内部に溜まった汚染物質を除去できる技術を開発した。
    透過型電子顕微鏡は使っているうちに試料や装置内部から漏れた有機物などの影響で性能が低下すつ欠点があった。
    小型のプラズマ発生装置を電子顕微鏡に取り付けて、装置で作った活性酸素のガスを顕微鏡の中で循環させる。活性酸素が内部jを汚染している有機物などを分解して、取り除く。2時間ガスを循環させることで、性能を大幅に回復できた


分解能43ピコ・・・透過型電子顕微鏡
  • 2015年、日立が開発。電子線を固定する透過型電子顕微鏡(TEM)。
  • 走査型透過電子顕微鏡(STEM)では、東大が2014年に45ピコを開発。


ナノ粒子・・・自在に張り付ける
  • 2011年、東京大学とセイコーインスツル、東北大学の共同チームは、ナノメートルサイズの超微細な材料を貼り合わせる技術を開発した。
    ペプチドを接着剤に使う。
    実験では酸化亜鉛に傾向粒子をくっつけた。シリコン基板に酸化亜鉛で模様を描き、模様の上にだけナノメートルサイズの傾向粒子を張り付けた


位相差顕微鏡でウイルス感染を観察
  • 2013年、自然科学研究機構生理学研究所の氷山国昭特任教授は、ウイルスが藍藻に感染する過程を立体的に観察することに成功した。
  • 光の屈折率を利用した「位相差電子顕微鏡」を使うことで明らかにした。


ウイルスの増殖を観察
  • 2015年、理化学研究所の岡田康志チームリーダーらはオリンパスと共同で、生きた細胞内を高速で撮影し、ウイルスが増える様子を観察する顕微鏡を開発した。
  • 1/100秒の間隔で、多くのウイルスと同じ約100ナノbの分解能がある。
  • 静止状態のウイルスだけで無く細胞の中で活発に動くウイルスも撮影できる。
  • 細胞内のミトコンドリアの動く様子も観察できた。


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