微細な被写体を詳細に観察したいとき、顕微鏡を使います。 しかし、顕微鏡には複数の種類があり、それぞれ適した観察方法が異なります。 大きく分けると、光学顕微鏡と電子顕微鏡です。 どちらも微細な被写体を観察することができますが、その方法は全く異なります。

ここでは、これらの強力なツールを詳しく見て、それぞれの違いを確認し、どのような場合にそれぞれのツールがより効果的であるかについて説明します。

一目でわかるように：

光学顕微鏡のしくみ

光顕微鏡は、その名の通り、光を使って見るものです。 光が対象物を透過し、レンズで大きく拡大されることで、小さな対象物を細部まではっきりと見ることができます。

光学顕微鏡とも呼ばれる光学顕微鏡には、一般的によく使われる複眼顕微鏡や、少し大きな被写体を見るのに適した実体顕微鏡など、さまざまな顕微鏡が存在しますが、高校時代の理科の授業を思い出すと、顕微鏡はすべて光顕微鏡でした。

光学顕微鏡は、光だけで対象を観察するため、死体や生体の標本に使用することができます。 標本にダメージを与えたり、殺したりしないので、生きた細胞や細菌などの生物を観察するのに適しています。

また、光学顕微鏡用のスライドは、通常数分から最大でも数時間程度で準備することができます。

光学顕微鏡の概要

アプリケーション

光学顕微鏡は、趣味や仕事、さまざまな分野で活用されています。 医療分野では血液や細胞などを観察するのに使われ、科学分野では顕微鏡を使ったさまざまな研究に使われています。

岩石や虫、細胞などを観察する植物学者や、犯人逮捕のための捜査員など、その用途は多岐にわたります。 このように、光学顕微鏡の用途は多岐にわたっています。

見る

光学顕微鏡の倍率は1000倍まであり、細胞の再生や血液中の血小板を観察することができます。

また、光学顕微鏡の一種である実体顕微鏡の倍率は60倍から70倍程度で、大きな標本を観察するのに適しています。

しかし、光顕微鏡は光を透過させるため、光の粒子の大きさに制約があります。 光の粒子は小さいと思われるかもしれませんが、科学者が見たいと思うものほど小さくはないのです。

光の光子の大きさは約400〜700ナノメートル。 5万〜10万ナノメートルの人間の髪の毛と比べると、光の光子は小さく見えます。 しかし、10ナノメートルのタンパク質と比べると、光の光子は巨大に見えるようになりました。

光子が被写体を通過しないと見ることができないので、光子より小さい被写体は光学顕微鏡では見ることができません。 そのため、最小の被写体は電子顕微鏡に任されています。

ポータビリティ

高校の理科の授業を思い出すと、顕微鏡を台車から取り出して机まで持っていった記憶があるかもしれません。 それは、光学顕微鏡が小型でコンパクトだからです。

最高級モデルで倍率が高いものは、少しずっしりとしたものがありますが、これらの道具は一般的に一人で動かすことが可能です。

価格

ハイエンドの光学顕微鏡は1,000ドル以上するものもありますが、それよりもはるかに安価で高品質なものがたくさんあります。 100ドル以下でも十分な光学顕微鏡を簡単に見つけることができます。

プロ仕様の光学顕微鏡の場合、200ドルから400ドルが目安です。 これより高価なものもありますが、この価格帯でも驚くほどの機能と性能を備えたものがたくさんあります。

光学顕微鏡の長所と短所

• ホビイストからプロフェッショナルまで、手頃な価格で購入できる
• 一人で移動できるコンパクトさ
• 人間の目では見えないような小さなものを見ることができます。
• 生きた標本が見られる

• 最高倍率1,000倍。
• 700ナノメートルより小さいものは表示できない

電子顕微鏡はどのような仕組みになっているのか？

光学顕微鏡が光子を標本に通してレンズで観察するのに対し、電子顕微鏡は電子を標本に通して観察します。 そこで、電磁波が関係してきます。 電子顕微鏡は、紫外線からガンマ線にかけての波長帯で観察します。

この概念をより理解するために、次の図をご覧ください：

光学顕微鏡では、試料を通過した光子はそのままレンズを通って目に入りますが、電子顕微鏡では、試料を通過した電子はそのまま電磁石を通過します。 電磁石は電子ビームを曲げたり屈折させたりして、光学顕微鏡の光学レンズと同じように拡大します。 しかし、電子顕微鏡では、電子ビームはそのままレンズを通って、目に入ります。電子顕微鏡はその何倍も強力で、倍率は200万倍にもなります。

しかし、その電子は目に届くことなく、スクリーンに映し出され、見ることができるのです。

しかし、電子線はX線と違って破壊力が強いため、電子顕微鏡は死んだ標本しか使えません。 また、標本は数日かけて慎重に準備しなければならず、電子は空気中を飛ばないため真空状態で観察しなければなりません。

電子顕微鏡には、透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型電子顕微鏡（SEM）、原子間力顕微鏡（AFM）の3種類があり、光顕微鏡と同様にいくつかの種類があります。

• こちらもご覧ください： 透過型（TEM）電子顕微鏡と走査型（SEM）電子顕微鏡、その違いは？

電子顕微鏡の概要

アプリケーション

電子顕微鏡は、電子の大きさである1ナノメートルという極小の試料を詳細に観察するために使用されます。

小さな細菌やタンパク質を見たい場合は、一般的に電子顕微鏡を使うことになります。

また、電子顕微鏡は3次元の画像を見ることができるので、微細なものの構造を見る場合には、電子顕微鏡を使うことが多いですね。

生検の検査、金属の検査、結晶の細胞の検査、さらには品質管理機能にも使用されています。

見る

電子顕微鏡は、被写体を10万倍に拡大するのはもちろんのこと、100万倍、200万倍という高倍率のものもあります。

さらに、電子顕微鏡は標本を3次元的に見ることができるので、光学顕微鏡で見るよりも、細胞の構造をより完全に見ることができます。

画像引用元：pxhere.com

しかし、電子顕微鏡では、光学顕微鏡のようなフルカラーの画像ではなく、白黒の画像しか得られません。 それ以外は、コンピュータによるエンハンスメントが行われます。 つまり、700ナノメートルより小さいものを見るなら、電子顕微鏡が唯一の選択肢となります。

ポータビリティ

電子顕微鏡は大きくてかさばるので、一度設置したら、どうしても移動しなければならない場合を除き、そのままにしておきたいものです。 そのため、電子顕微鏡を移動するための専門業者も存在するほどです。

卓上型SEMは小型の食器洗い機ほどの大きさですが、フルサイズSEMは冷蔵庫ほどの大きさです。 TEMは幅2メートル、高さ5メートルにも及ぶ大きな箱です。 また、スライドの真空装置など、正しく機能するための道具も多数必要です。

価格

光学顕微鏡と電子顕微鏡の違いはここにあり、光学顕微鏡はプロやホビー愛好家の予算内で購入できますが、電子顕微鏡は莫大な資金を持つ大企業が購入するものであり、購入できる人はごくわずかです。

ハイエンドの電子顕微鏡に必要な付属品や機器をすべて揃えると100万円近くかかります。 中古の電子顕微鏡でも、何年も経っていて使用感があるものは5桁以上。 中古でも、あまり古くない高品質のものは15万円から50万円程度になります。

電子顕微鏡の長所と短所

• 最大2,000,000倍まで拡大可能
• 3D画像を提供する
• 700ナノメートル以下の試料を見ることができる唯一のツールです

• ほとんどの人の予算の範囲外
• 非常に大きく、動かしにくい
• 死んだ標本にしか使えない
• モノクロ画像のみ提供

マイクロスコープ、パワー、モノの大きさを知る。

光学顕微鏡の最大倍率は1,000倍で、2,000倍の倍率を謳っている顕微鏡は、1,000倍以上の倍率はボケて使えなくなる、空倍率です。

これらの顕微鏡は、光に頼っているため、その波長によって倍率が1,000倍程度に制限されています。

しかし、すべての光学顕微鏡が1,000倍というわけではなく、それ以上の倍率で大きな被写体を観察するためのものもあります。 実体顕微鏡は光学顕微鏡の一種で、約60倍から70倍の倍率で、岩や虫などを観察するのに適しています。

つまり、光学顕微鏡で見ることのできる被写体の大きさは、700ナノメートル程度ということになります。

電子顕微鏡の倍率は、100万倍が一般的ですが、極端なものでは200万倍もあり、3次元画像も作成できるものもあります。

電子の大きさは1ナノメートル程度なので、電子顕微鏡では数ナノメートルの小さな被写体を見ることができます。 光顕微鏡では700ナノメートル以下の被写体は見ることができないので、電子顕微鏡は唯一の選択肢です。

試料を考える

電子顕微鏡は、試料に通す電子の破壊力が大きいため、死んだ試料にしか使えません。 つまり、生きている試料には光学顕微鏡しか選択肢がないのです。

一方、光の光子よりも小さい約700ナノメートルの試料は、光顕微鏡では見ることができません。 この場合、電子顕微鏡の小さな電子が必要で、小さな被写体を通過させることができます。

画像引用元：Pixabay

結晶の細胞の構造を調べるように、3次元の画像を見る必要がある場合は電子顕微鏡が必要ですが、何かを調べるときに色を見る必要がある場合は、電子顕微鏡は白黒しか見えないので、ライトマイクロスコープが必要です。

価格

光学顕微鏡は、ホビーからプロまで幅広く使える価格帯なので、多くの人に選ばれているようです。

一方、電子顕微鏡は、古くて使い古したものでなければ、安くても6桁以上はかかります。 新品で100万円近くすることもあり、一般の人や企業では実現不可能な道具です。

光顕微鏡と電子顕微鏡、どっちがいい？

科学者や医学研究者でない限り、光学顕微鏡が最適でしょう。 顕微鏡に50万円も出せる人はまずいないでしょうから。

血液サンプルや生きた標本など、光量子より大きなものを見るなら、光学顕微鏡が最適です。 同様に、移動させるなら光学顕微鏡が最適です。 また、サンプルを準備する時間も短く、高価で特殊な機材は必要ありません。

しかし、医療や科学のために小さな標本を見るなら、電子顕微鏡ならではの驚異的な倍率が必要かもしれません。 電子顕微鏡は数ナノメートルの標本を見ることができるので、バクテリアやタンパク質など、限りなく小さな標本を調べるのに適しています。 しかし、死んだ標本しか見ることができず、大量の試料が必要です。スライドを真空状態にする必要があるため、専用の機器を使用する必要があります。

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注目の画像引用：（左）Herney Gómez, Pixabay