透過型電子顕微鏡とは
透過型電子顕微鏡とは、試料の内部の構造を観察することのできる測定装置です。
電子顕微鏡の一種で、極薄の試料に電子線を照射し試料を透過する透過電子や散乱電子などを検出することで、内部を観察します。光学顕微鏡では観察不可能な高倍率で試料の内部構造を観察することができるため、材料工学や生化学など幅広い分野で利用されています。(英:Transmission Electron Microscope (TEM) )
透過型電子顕微鏡の使用用途
図1. 顕微鏡の種類と分解能
透過型電子顕微鏡は数百倍～数百万倍の倍率で試料の内部構造を観察するために使用されます。
数十μmレベルの細胞全体の観察から、数Å (1Å (オングストローム) =10-10m) レベルの原子配列構造まで観察可能です。半導体やセラミックなど各種材料の構造解析、細胞や細菌などの生体試料の構造解析など、様々な対象物の観察に対応することができます。レンズ系の調整によって電子回折パターンを観察したり、分光装置の追加取り付けによって元素分析や状態解析を行ったりと様々な情報を取得することが可能です。走査型透過電子顕微鏡 (STEM) とは異なり、一度に画像データを取得できるため構造変化の経時変化を観察する目的で使用されることもあります。
透過型電子顕微鏡の原理
図2. 顕微鏡の種類と構造イメージ
透過型電子顕微鏡の原理は、加速させた電子を試料に照射し、試料を透過した電子を検出することで内部の状態を観察します。構造は光学顕微鏡と類似しているものの用いる光源が可視光ではなく電子線であるため、試料の厚さを電子が透過できる程度 (100nm程度以下) にまで薄くする必要があります。試料を透過した電子の密度の差がコントラストとして現れます。
分解能は試料に照射する電子の波長が短いほど (エネルギー が大きいほど) 高くなります。300kVの加速電圧で電子を加速させた場合の波長は 0.00197 nmで光学顕微鏡で用いる可視光線の波長 (約380nm～約780nm) に比べて非常に短いため、高い分解能 (~0.1nm) で観察することができます。
加速電圧が高いほど波長が短くなり分解能も高くなりますが、その分試料へのダメージが増えるため適切に調整する必要があります。分解能の上限は光学系の収差などの要因から50pm程度です。
透過型電子顕微鏡のその他情報
1. 透過型電子顕微鏡に用いる試料の調製
用いる試料によっては、適切な試料調製を必要とするものがあります。
厚い試料
一般の透過型電子顕微鏡で観察する試料は100nm程度の厚さに薄くする必要があります。
1. 分散法
試料を溶媒中に分散させ、分散液を観察用基板に滴下します。
2. ミクロトーム法
ダイヤモンドナイフを用いて試料を100nm前後まで薄くする方法です。ポリマーなどの柔らかい試料は液体窒素で冷却したのち切断します。
3. Arミリング法
機械的な加工によって厚さを数10μmまで薄くした試料を、Ar+イオンを照射することにより、試料中の結合を切断しながら薄片化します。
4. FIB法
走査型電子顕微鏡 (SEM) などで観察しながら目的箇所をFIBで薄片化します。加速電圧が1000kV以上の超高圧電子顕微鏡 (HVEM) を用いれば厚さ5µm程度の試料でも観察可能ですが、装置が超巨大で構造も複雑であるため主に大学などの研究施設で所有されています。
重元素を含まない試料
高分子や生体試料はC、H、N、Oなどの軽元素で主に構成されているため電子の透過性が高く、構造の識別のためのコントラストが十分でない場合があります。構造を観察したい部分を電子散乱能の高い染色剤 (OsO4や RuO4など) で選択的に電子染色することでコントラストの十分な画像を得ることができます。電子染色は試料の構造を変化させる可能性があり、この影響を避けるためには透過型電子顕微鏡の位相差によってコントラストを得る方法や走査型透過電子顕微鏡 (STEM) などの利用が効果的です。
高真空下で蒸発や昇華する試料
高真空条件で蒸発や昇華が起こると試料の構造や形状が変化してしまうだけでなく、装置の故障につながる場合があります。これを防ぐためには環境制御透過型電子顕微鏡 (ETEM) やクライオ電子顕微鏡を使用する必要があります。
2. 透過型電子顕微鏡に付属される主な分析装置
図3. 電子線照射によって発生する主な電磁波
加速させた電子線を試料に照射すると電子以外にも様々な信号を得ることができるため、透過型電子顕微鏡には様々な種類の分析装置が装着される場合があります。
電子線回折
弾性散乱した電子線の干渉を検出することで試料の回折像が得られます。回折像を解析すると結晶構造や配向性などの結晶学的な情報が分かります。
電子エネルギー損失分光法 (EELS)
非弾性散乱した電子線は、入射した電子線が試料内の電子を励起した後に試料から放出される電子線です。入射前と比較して電子線のエネルギーがどれだけ失われたかを測定することで、試料の組成や結合状態などの情報が分かります。
電子線トモグラフィー
透過した電子に CT (計算機トモグラフィー) の原理を適用することで、試料の断層画像を積み重ねた3次元立体画像を作製することができます。
これらの他にも様々な分析機能を追加することが可能です。独立した測定装置で測定を行った場合と比べて、透過型電子顕微鏡の画像を見ながら測定位置を選択できるため、より詳細な測定が可能になります。