電子顕微鏡

**限界**。

光学顕微鏡には、**原理的な限界がある**。

**1873年**、**エルンスト・アッベ**が、それを定式化した。

**分解能の限界 ≒ 光の波長の、およそ半分**。

（可視光の波長は、**400〜700ナノメートル**。

だから、分解できる限界は、**約200ナノメートル（0.2マイクロメートル）**。）

**それより小さいものは、どれだけレンズを良くしても、見えない**。

（アッベは、この式を**イェーナのカール・ツァイス**の工場で導いた。

彼は、それによって顕微鏡の設計を、**経験から、理論へ移した**。

——そして、**自分の理論が、自分の製品の限界を証明した**。）

**見えなかったもの**。

- **ウイルス**（20〜300ナノメートル）。

（存在は、**推測されていた**。

1892年、**イワノフスキー**が、タバコモザイク病の病原体が、**細菌を通さないフィルターを通過する**ことを示した。

1898年、**ベイエリンク**が、それを「**contagium vivum fluidum**」（生きた、流動する伝染性のもの）と呼んだ。

——**何かが、いる。しかし、見えない**。）

- **細胞の内部の微細な構造**（ミトコンドリアの内膜、リボソーム、ウイルス粒子）。 - **結晶の格子**。

**電子**。

**1924年**、**ルイ・ド・ブロイ**が、博士論文で提案した。

**物質にも、波動性がある**。

波長 λ = h / p（プランク定数 ÷ 運動量）。

**電子を、加速すれば、波長が短くなる**。

（100キロボルトで加速した電子の波長——**約0.0037ナノメートル**。

**可視光の、10万分の1以下**である。）

（1927年、デイヴィソンとガーマー、そしてG・P・トムソンが、実験で電子の回折を確認した。

——**皮肉**。電子が**粒子**であることを示してノーベル賞を受けたJ・J・トムソンの息子が、電子が**波**であることを示して、ノーベル賞を受けた。）

**レンズ**。

**1926年**、**ハンス・ブッシュ**が、**軸対称の磁界が、電子の流れに対して、レンズとして働く**ことを、理論と実験で示した。

**つまり——電子の像を、拡大できる**。

**ルスカ**。

**エルンスト・ルスカ**。1906年生まれ。

**ベルリン工科大学**の学生。指導者は**マックス・クノール**。

（彼らの当初の目的は、**顕微鏡ではなかった**。

**陰極線オシログラフ**——電子の流れを、速く、正確に偏向させる装置の研究である。

そのために、電子のビームを、細く絞る必要があった。）

**1931年4月**、彼らは、**二段のレンズ**を持つ装置を組み立てた。

**倍率——約16倍**。

（**顕微鏡としては、まったく役に立たない**。虫眼鏡以下である。）

**しかし——原理が、証明された**。

**電子で、像を拡大できる**。そして、**レンズを重ねれば、倍率が上がる**。

（この年の学位論文で、ルスカは、**電子の波長から計算して、この装置が原理的には光学顕微鏡をはるかに超える分解能を持ちうる**ことを示した。

——**彼は、当時、ド・ブロイの理論を知らなかった**、と後に述べている。彼は、実験から、そこへ至った。）

**1933年**。

**光学顕微鏡の分解能を、超えた**。

（倍率**12,000倍**。分解能、約50ナノメートル。）

**問題**。

**（1）真空が要る**。

電子は、空気の分子に当たると散乱する。だから、**装置の内部を、真空にしなければならない**。

**つまり、生きたものは、見られない**。

**（2）試料が、焼ける**。

電子のビームが、当たった場所を加熱する。

（初期の観察で、**試料が、目の前で燃えた**。

ルスカは、そのため、**極めて薄い試料**を作る方法と、**低い電流**での観察を工夫した。）

**（3）染色**。

電子の透過の差が、コントラストになる。

**生物の試料は、軽い元素（炭素、水素、酸素、窒素）ばかりで、差が出ない**。

→ **重金属で染める**（オスミウム、鉛、ウラン）。

**（4）超薄切片**。

電子は、厚いものを透過しない。

→ **数十ナノメートルの厚さ**に切る必要がある。

（**ウルトラミクロトーム**——ガラスかダイヤモンドの刃で切る装置——が、1950年代に実用化されて、初めて細胞の観察が可能になった。）

**実用化**。

**1937年**、ルスカは**ジーメンス社**に入った。

**1939年**、**最初の商用の電子顕微鏡**を出荷した。

**弟**。

**ヘルムート・ルスカ**——**医師**である。

彼が、この装置を、**医学と生物学に使った最初の一人**になった。

**1938年**——彼らは、**細菌を撮った**。

**1939年**——**ウイルスを、初めて撮った**。

（タバコモザイクウイルス。そして、ポックスウイルス。

——**50年間、存在が推測されながら、誰も見たことがなかったものが、見えた**。

〈ヘルムート・ルスカは、後にウイルスの分類の基礎となる形態の観察を行った。〉）

**その後**。

- **1940〜50年代**、細胞の**微細構造**が、次々に見えた。

（**ミトコンドリアの内膜**（クリステ）、**小胞体**、**ゴルジ体**の実体、**リボソーム**、**シナプス**。

——**細胞生物学**という分野が、この装置によって生まれた、と言ってよい。

〈**ジョージ・パラーデ**、**キース・ポーター**、**アルベール・クロード**。彼らは1974年にノーベル賞を受けた。〉）

- **1965年**、**走査型電子顕微鏡（SEM）**の商用化。

（透過ではなく、**表面を走査して、反射（二次電子）を捉える**。

**立体的に見える**。花粉、昆虫の複眼、そして雪の結晶の、あの写真である。）

- 1981年、**走査型トンネル顕微鏡（STM）**（ビーニッヒとローラー、IBMチューリッヒ研究所）。

**原子が、一個ずつ見える**。

（1989年、IBMのドン・アイグラーが、**35個のキセノン原子を並べて「IBM」と書いた**。

——**原子を、一個ずつ動かした**。）

- **2017年**、**クライオ電子顕微鏡**（デュボシェ、フランク、ヘンダーソン。ノーベル化学賞）。

**試料を、極低温で急速に凍らせる**。

（——**染色も、結晶化も、しなくてよい**。

**タンパク質を、ほぼ本来の形のまま、見られる**。

そして、この技術が、2020年、**新型コロナウイルスのスパイクタンパク質の構造**を、極めて短期間で決定するのに使われた。ワクチンの設計の基礎になった。）

**ルスカ**。

**1986年**、**ノーベル物理学賞**。

**装置の完成から、55年後**。**79歳**である。

（同じ年、ビーニッヒとローラーが、走査型トンネル顕微鏡で受賞した。

——**顕微鏡の二世代が、同時に顕彰された**。）

（受賞の時点で、共同研究者の**マックス・クノール**は、既に死んでいた〈1969年〉。

そして、弟**ヘルムート**も、死んでいた〈1973年〉。

**ノーベル賞は、死者には与えられない**。）

**1988年5月27日**、ベルリンで死去。**81歳**。

**そして**。

いま、電子顕微鏡の分解能は、**0.05ナノメートル**を下回っている。

**原子の直径より、小さい**。