第83話 サイエンスカフェ in 静岡

光でみる〜顕微鏡の話〜

川田善正!
kawata@eng.shizuoka.ac.jp

自己紹介
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川田 善正（かわた よしまさ）!

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福島県立安積高等学校卒業!

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1992年 大阪大学工学研究科 応用物理学専攻修了!

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1992年 大阪大学応用物理学科 助手!

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1997年 静岡大学工学部機械工学科 助教授!

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2014年 静岡大学電子工学研究所

今日のお話❖光 (light) とは？!

❖像を結ぶ: 結像!

❖レンズの公式!

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小さいものを観察する方法!

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どこまで小さいものが見えるか？!

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走査型光学顕微鏡!

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高分解能化の試み光 (light)とは？

波としての光（電磁波の一つ）
波の長さ : 波長 h

光の速度 : 光速 c

8
光速 c = 3 x 10 m/s= 30万 km/s

携帯電話なら 周波数 800MHz
波長: 37.5 cm

可視光（かしこう）-9
波長: 400〜800 nm (10 m)（携帯の電磁波の1/1,000,000）
お札の厚み: 1枚 vs 100 m
12
周波数 750〜375 THz (10 Hz)（携帯の電磁波の1,000,000倍）
点滅するライト: 1秒間 vs 12日間に一度

光の色の違い
青色の光

緑色の光

赤色の光

波長 450nm

波長 510nm

波長 630nm

一家に１枚 “光マップ”
光の起源

光はどこで生まれるのでしょうか。光子（フォトン）は電アンテナの中で電子が動くと、低い周波数の光である電波がと、原子の中にある電子も一緒に動くので光が生まれます。その光は赤外線ので光が出ます。温度と光の周波数は対応します。分子の振動はランダムで原子の周りを回る電子が別の軌道に移ると（電子遷移）、光が出ます。これは

光 は、自然界にいつも存在していて、あらゆる植物や生物、人類の生命と営みを支えています。太陽からの光は、地球上に温度をもたらし、植物の光合成のエネルギーとなります。蛍光灯やランプは私たちの生活を明るく照らします。レーザーは材料を加工したり、手術や治療をします。
ラジオやテレビや携帯電話の信号を送る電波、電子レンジで使われるマイクロ波、電気ごたつや電熱線で加熱に用いる赤外線、日焼けや殺菌作用がある紫外線、レントゲン写真に用いるＸ線や、原子崩壊のときに発生するγ線などすべて、光のなかまです。
この光マップは、光が自然界や私たちの生活の中でどのようにつくられ、どのように使われているかをまとめたものです。

テレビ
90 ~220MHz : アナログ VHF
470~770MHz : 地上波デジタル
アナログ UHF

携帯電話（0.8­2 GHz)

無線 LAN(2.4GHz)FM 放送
80.2 MHz : FM80281.3 MHz : J-WAVE

FMAM

電子レンジ (2.45 GHz)
水分子をマイクロ波で揺らすことによって熱が出る。
英語で電子レンジはマイク
ロウェーブ (microwave)。

波長30 kHz
10 km

300 kHz
1 km

BS 放送 (12GＨz)

300 MHz1m

電車に乗るのもラクラク。

NMR / MRI( 核磁気共鳴 )磁場と電波を使っ速度取締まり300 GHz

3 THz

1 mm

100 µm

アリの大きさ髪の毛の太さ遠赤外光

アンテナで送受信
IC カード

こたつ・暖房赤外線ヒーター
波長 10µm で 27 C。

低温の黒体放射レーダー電波を照射して反射波を検出し、飛行機の位置を捕 捉 し た り、降雨や降雪を観測する。
ステルス戦闘機は奇抜な外形や電波吸収材料で電波望遠鏡

波 長 約 1mm
か ら 1c m の電波を検出する
望 遠 鏡。日 本
では野辺山宇宙電波観測所にある。温 度 が 非常に低い星間ガスなどからの黒体放射を観測する。

分子振動

YAG レーザー（1.06µm)

テラヘルツ波は様々な物質を透過し、X 線に比べて人体への影響が少ないため、X 線に代わる安全検査技術として期待されている。

半導体レーザー（1.3 ~ 1.6 µm)

光通信は近赤外半導体レーザーを変調して高速にデータを転送できる。
10.6 µm電波領域（電波も光）
ラジコンは、
電波 (radio wave) でコントロール。

電波

レーザー加工 は、強 力 な レ ー ザ ー 光 で、金属材料を切断、溶接する。樹脂やセラミックス、ガラスの加工もできる。

AM 放送
1008 kHz ：ABC ラジオ
954 kHz : TBS ラジオ

振動数 直流電流

レーザー脱毛白内障治療
1.06 µm

1.3, 1.55 µm

1.06 µm

10 µm

1 µm

30 THz

300 THz

細胞の大きさ

中赤外光

分子振動・格子振動、有機分子が見える領域
有機分子の指紋領域
中赤外は分子の振動準位が豊富。
有機分子の ” 指紋領域 ” と呼ばれる。

二酸化炭素（C=O 基）： 4.3 µm
水・アルコール（O-H 基） ： 2.9 µm
メタン（C-H 伸縮）

近赤外光

物質と相互作用しない、物質が透明な領域

監視カメラ（ナイトビジョン）
近 赤 外 光 を 照 射 し、
カ メ ラ で 検 知 す る。
目に見えない波長なの で、暗 闇 で も 相 手に気付かれない。
防 犯 の ほ か、軍 事 用にも用いられる。

http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/20/04/08040301.htm

像を結ぶ: 結像

結像の実験

結像の実験２

レンズの公式

倍率

レンズの公式

倍率

原理は単なる結像！
❖

試料をムラなく照明し、対物レンズで拡大する。

マウスの!
骨芽細胞

HeLa細胞（ヒーラ）!
人間の女性のガン細胞

どこまで小さいものが見える？

倍率はいくらでも大きくできる！

倍率a→f に近づけるとM→∞
原子や分子も見られる？

走査して試料を観察する〜走査型光学顕微鏡〜

走査型光学顕微鏡❖

１点１点ずつ観察する!

❖

レーザー光または試料を動かす❖

コンピューターで画像を表示

走査して試料を観察する

どこまで小さく集光できるか？
約 500 nme

集光スポット開口数（NA: Numerical Aperture)d（F: Ｆ値）

集光スポットで見える大きさが決まる

集光スポット❖500 nmスポットより小さい
ものは見えない水素原子を見ることができる？
0.1nm

人間: 〜2 m

500 nm

直径 10 km

なぜ小さく集光できない？

❖

集光スポットではいろいろな間隔の波の足しあわせ

波を足し合わせる
間隔の短い波++間隔の長い波足しあわせた結果

足しあわせた結果

足しあわせた結果

足しあわせた結果

足しあわせた結果

集光スポットは一番短い間隔までしか小さくできない足しあわせた結果

回折限界!

集光スポットの大きさの限界!
集光スポットは一番短い間隔までしか小さくできない
分解能!
!

見えるものの大きさの限界

高分解能化の試み!
― 小さなスポットをつくる ―波長を短くする❖

可視光 400〜800nm!

❖

紫外線 400〜10nm!

❖エックス線 10nm〜0.1nm

分解能が大きく向上する。しかし・・・❖

紫外線やエックス線は生物に毒である!

❖レンズに使える材料がない!

❖装置が大きい・・・小さな穴（開口）を通して観察する
穴の大きさ<<波長光小さな穴（開口）を通して観察する❖❖❖穴から漏れた光はすぐに拡がる!
試料が穴に近い時は一部にのみ光が当たる!
距離が離れるとスポットが拡がり、分解能が落ちる小さな穴（開口）を通して観察する❖❖❖穴から漏れた光はすぐに拡がる!
試料が穴に近い時は一部にのみ光が当たる!
距離が離れるとスポットが拡がり、分解能が落ちる小さな穴（開口）を通して観察する❖❖❖穴から漏れた光はすぐに拡がる!
試料が穴に近い時は一部にのみ光が当たる!
距離が離れるとスポットが拡がり、分解能が落ちる

近接場光学顕微鏡
Laserlight
レーザー光

❖

開口と試料の間隔を十分小さくする!

金属コート ❖ 試料の表面近傍を開口

Metal coatingを走査する!
❖a<< h

近接場プローブと呼ぶ

電子線で小さなスポットをつくる!

― EXA顕微鏡 ―EXA 顕微鏡

電子線で微小な光スポットを励起するEXA顕微鏡の特徴

1. 電子線を照射して微小な光スポットを形成
2. 試料に優しい光で観察
3. 発光膜で真空と大気圧を分離する—試料側は大気圧

近接場顕微鏡との対応

EXA顕微鏡EXA顕微鏡による観察

ZnOの水中での動き 電子線は薄膜表面に集束している薄膜近傍の粒子のみが観察される

2 µm
00800

Position (nm)
600 400 200
192 s

240 s
264 s

1 µm移動288 s

Position (nm)
200 400 600 800

216 s

1 µm

生きた細胞の細胞内微小物質の動態観察に応用できる
応用できる分野

本装置で可能なこと
分解能−数10nmの構造の観察
・タンパク質の構造観察、イオンチャンネルの観察、神経細胞内の伝達物質の解析、・・・
大気圧、液中での観察
・液晶、コロイド溶液の観察、微結晶の解析・・・
光による観察・試料の非破壊・非浸襲計測
・分光手法、時間分解計測手法との組み合わせによる定性分析

まとめ
光学顕微鏡の生物観察における多くの技術
電子顕微鏡の高い空間分解能

従来の光学顕微鏡の限界を克服した

世界初の “EXA顕微鏡” の原理試作に成功
医学・薬学、バイオ・ナノ分野での科学技術進展への道具に育てる

ご清聴ありがとうございましたご清聴ありがとうございました