小さなものを間近で見るとどう見えるのか気になったことはありませんか？ コーヒーに入っている一粒の砂糖、一本の髪の毛、頬の細胞など、肉眼だけでは見ることができず、じっくりと観察することもできません。 では、生物の細かい部分など、ほとんど見えないようなものはどうでしょうか。
顕微鏡とは?
顕微鏡とは、古代ギリシャ語の「mikrós」（小さい）と「skopeîn」（見る）を合わせた言葉で、人間の目で見ることのできる小さな物体を観察するための道具です。
「顕微鏡」とは、人間の目で見ることのできる小さな物体を観察するための道具であり、顕微鏡を使って微細な構造や物体を研究する科学分野です。
16世紀に初めて複合顕微鏡が発見されたのは、ザカリアス・ヤンセンの功績とされています。 筒の先に物を置き、筒の上下に2枚のレンズを置くことで、物が拡大されることを、ザカリアスと彼の父ハンスが発見したのです。
顕微鏡の仕組み
顕微鏡はどのような仕組みで動いているのでしょうか？
現在、さまざまな機関で使用されている最も基本的な顕微鏡は、光を集め、反射させ、焦点を合わせて、検査対象物である試料に照射するレンズを使用しています。 顕微鏡は光がなければ機能しません。
顕微鏡レンズを使い分けることで、像の質を変えずに倍率を上げることができます。
レンズの倍率はもちろんですが、標本の大きさを正確に測るためには、顕微鏡の視野を確認することも重要です。 また、ほとんどの顕微鏡は、2つのレンズとプリズムで構成される双眼レンズで、覗くことになる両眼に像を分割します。
顕微鏡のもう一方の端には、光を集めて標本に集中させる役割を持つ対物レンズがあります。 この対物レンズには強弱があり、回転するノーズピースを調整することで、1つずつ使用することができます。
接眼レンズと呼ばれる器具は、器具を機能させるために使用される光の波長を変えることで、対象物を拡大します。 接眼レンズには多くの種類があり、それぞれ異なる役割を担っています。 最も一般的な接眼レンズは、ガス置換技術を用いて光を供給するタイプのものです。 次に多いのは、ガス補正式のものです。
そのほかにも様々な種類の接眼レンズがあります。
この他にも接眼レンズはあり、実験の目的に応じて使い分けられています。
顕微鏡の仕組みを知ることで、これらの接眼レンズを使った実験が可能になり、自然やその仕組みをよりよく研究することができます。
顕微鏡は通常、電池や機械的な機構で動いており、元の大きさの10倍までのものを観察することができます。 顕微鏡の試料は、扱い方が悪かったり、不適切な方法で撮影すると、像が歪んでしまい、誤解を招く結果になることがあります。 したがって、適切な種類の顕微鏡を使い、適切に扱うことが、選んだ対象物を見るために重要です。
ここでは、5つの顕微鏡の種類と、それぞれの特性、用途をご紹介します。
- 単純顕微鏡
単純顕微鏡とは、焦点距離の短い大きな虫眼鏡に、焦点面積の小さい凸面鏡を取り付けただけのものです。 手持ちのレンズや接眼レンズなどが代表的なものです。
顕微鏡のレンズに物質を近づけると、その焦点が作られ、元の物体が拡大されて直立するようになります。 そして、レンズの両端を合わせることで、材料の一部に焦点を合わせます。 これにより、材料の大きな部分よりも小さく、焦点の合った画像が作られます。
あくまでも単純な顕微鏡なので、どのレンズを使うかで倍率は1段階しか変わりません。 したがって、単純な顕微鏡は、複雑でないものを読み取ったり、拡大したりするためにのみ使用されます。 例えば、地図の細部を拡大するのに虫眼鏡を使います。
- 複合光学顕微鏡
複合光学顕微鏡は、先にその仕組みを説明したように、現在最も一般的に使われている顕微鏡の種類です。 基本的には、レンズやカメラを搭載した顕微鏡の間に、複合媒質を挟んだものです。 この複合媒質によって、非常に細かいところまで拡大することができます。
単純な顕微鏡が自然光だけで観察できるのに対し、複合光顕微鏡は照明器を使って観察します。 以上が、複合光学顕微鏡の基本仕様です。
- 倍率。 レンズを拡大して、顕微鏡の中の試料を大きく見せることです。 倍率は、40倍、100倍、400倍、1000倍と、数値化された特性です。
- 解像度。 複眼顕微鏡のレンズで撮影された画像の良さを指します。 解像度が高ければ高いほど、画像はより鮮明で詳細なものになります。 また、倍率が高いほど、視覚的な鮮明さが向上します。
- コントラスト。 写真のように、焦点や標本に対する背景の暗さをコントラストといいます。 一般的には、顕微鏡で見たときに試料の色が際立つように染色することで、優れたコントラストが得られます。
複合型顕微鏡は、さまざまな分野の研究に非常に役立ちます。 科学技術に大きな影響を与えています。 一般的な使用方法としては、教育や研究目的で科学的な標本を見るときなどがあります。
- 実体顕微鏡
実体顕微鏡、解剖顕微鏡、立体顕微鏡は、生物標本の低倍率イメージングのために特別に設計された光学顕微鏡バージョンです。
このタイプの顕微鏡は、光を媒体に透過させるのではなく、標本の表面に反射させることで機能します。
このタイプの顕微鏡は、電子顕微鏡やその他の高倍率の顕微鏡では不可能な、より詳細な三次元画像が必要な化学実験室でよく使用されます。
実体顕微鏡の技術は100年以上前から存在していましたが、実体顕微鏡が研究室で使われるようになったのはごく最近のことで、以前よりも高品質な画像を得ることができます。
必要に応じてより高品質な画像を得ることができるため、多くの人が他の顕微鏡モデルよりも実体顕微鏡を選びます。
他の顕微鏡に比べて立体視が選ばれるのは、必要に応じてより高品質な画像が得られること、メンテナンスが少なくて済むこと、安価であることなどが挙げられます。
- 走査型電子顕微鏡（SEM）
走査型電子顕微鏡は、非常にポピュラーなタイプの走査型電子顕微鏡で、高出力の電子ビームで試料を走査することにより、物質の画像を生成します。 電子が試料中の原子と相互作用することで、物質の構造や表面形状に関するデータを含むさまざまな信号が生成されます。 また、顕微鏡の接眼レンズや拡大鏡を使って高解像度の画像を見ることができ、精度の高い画像を得ることができます。
SEMで適切な結果を得るためには、試料の表面で電子が跳ね返って鮮明な画像が得られるように、試料が電気的に伝導している必要があります。 十分な導電性を持たせるために、試料には金などの金属を薄くコーティングします。
SEMの画質を向上させるには、蛍光イメージング、先端電子顕微鏡、マルチビームスキャン、コロイド結晶の使用など、いくつかの技術を採用することができます。
さらに、顕微鏡の状態が良いと、得られる画像の質が低下するので、良い状態で使用することも重要です。
これらのことを踏まえた上で、最小のサンプルを見たり調べたりすることができる素晴らしい装置を手に入れることができます。
以下に、走査型電子顕微鏡の最適なアプリケーションと用途を挙げます。
- 半導体検査
- 材料科学
- 医学
- 法医学
- 土壌・岩石のサンプリング
- ガス検知用ナノワイヤ
- 芸術
- 透過型電子顕微鏡（TEM 電子顕微鏡(TEM)
透過電子顕微鏡法は、無染色の試料に電子ビームを透過させて試料の光学像を形成する光学顕微鏡法である。 SEMのように電子が試料を走査して跳ね返すのではなく、TEMは電子が薄い試料を通過するようになっています。
通常の複合顕微鏡とは対照的に、TEMは光学顕微鏡の1万倍以上ともいわれる驚異的な倍率を誇り、非常に小さな試料を観察することができます。 また、試料中の原子の配列を図示することもできます。
TEMは非常に高度な技術を必要とするため、非常に高価です。 ナノテクノロジー、医療研究、生命科学、生物学研究、材料研究、宝石学、冶金学などの分野で厳しい仕事をしている科学者のための顕微鏡なので、通常、学生はこの種の顕微鏡にアクセスすることはできません。
しかし、サンプルは真空チャンバー内に置かなければならず、詳細な準備が必要です。
しかしながら、サンプルは真空チャンバーに入れなければならず、原生動物のような生きたサンプルはTEMでは観察できません。また、サンプルの構造を保護するために染色したり、化学物質でコーティングしたりすることはできますが、顕微鏡によってサンプルが破壊される可能性が高くなります。 このような欠点はありますが、透過型電子顕微鏡の貢献度は他の追随を許しません。
いろいろな意味で、顕微鏡は科学に貢献できることがたくさんあります。 顕微鏡があるからこそ、対象物を拡大して研究や学習を行うことができます。 また、顕微鏡は今後の科学の発展の基礎となるものです。 世界のテクノロジーに対する理解が深まれば、顕微鏡が今以上に可能性を秘めた新しいタイプのものに変化するのも時間の問題かもしれません。