顕微鏡の種類と特徴: 光学・電子・プローブ顕微鏡

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このページの最終更新日: 2026/04/23

  1. 顕微鏡とは
  2. 光学顕微鏡
  3. 電子顕微鏡
  4. 走査型プローブ顕微鏡
  5. 参考文献

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顕微鏡とは

顕微鏡とは、光・電子・プローブなどを利用して微小な対象を拡大観察する装置の総称である。肉眼では識別できない細胞・細菌・結晶構造・原子まで幅広い対象を観察できる。

顕微鏡は大きく 光学顕微鏡、電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡 の 3 カテゴリーに分類される。観察したい対象のサイズ、生死の状態、試料前処理の可否によって最適な顕微鏡が異なる (1)。

各顕微鏡の分解能の目安を以下に示す。

カテゴリー 代表的な機器 分解能の目安 観察できる主な対象
光学顕微鏡 明視野・蛍光・共焦点・超解像 〜200 nm
超解像は 20〜50 nm		 細胞・組織・細菌・タンパク質複合体・シナプス
電子顕微鏡 TEM・SEM 0.2〜10 nm ウイルス・細胞小器官・結晶格子
走査型プローブ顕微鏡 AFM・STM 0.1 nm DNA・原子表面

また、各顕微鏡の特徴を一覧にまとめておく。以下のものは、すべて光学顕微鏡に分類される。

顕微鏡の種類 光源・原理 分解能 最大倍率 試料要件 主な用途
明視野顕微鏡 可視光（透過） 〜200 nm 1,000× 薄切片・染色 医学診断・教育
実体顕微鏡 可視光（反射/透過） 低〜中程度 45× (〜200×) 前処理ほぼ不要 解剖・精密作業
位相差顕微鏡 可視光（位相差） 〜200 nm 1,000× 透明・生細胞 生細胞観察
蛍光顕微鏡 励起光（蛍光） 〜200 nm 1,000× 蛍光標識 分子局在・免疫染色
共焦点レーザー顕微鏡 レーザー走査 180 nm (xy)
500 nm (z)		 1,000× 蛍光標識（厚試料可） 3D 細胞イメージング
偏光顕微鏡 偏光 〜200 nm 500× 複屈折性試料 鉱物・結晶解析
微分干渉顕微鏡 (DIC) 偏光（干渉） 〜200 nm 1,000× 透明試料（偏光材不可） 生細胞・発生観察
超解像顕微鏡 (STED/STORM) レーザー（回折限界突破） 20〜50 nm 100× 特殊蛍光色素 ナノスケール分子構造

電子顕微鏡には、透過型と走査型の 2 種類がある。

透過型電子顕微鏡 (TEM) 電子線（透過） 〜0.2 nm 1,000,000× 超薄切片・真空・導電処理 内部構造・cryo-EM
走査型電子顕微鏡 (SEM) 電子線（表面走査） 1〜10 nm 300,000× 導電コーティング・真空 表面形態・EDX 分析

探針 (プローブ) と試料間の相互作用によって、表面を可視化するのが走査型顕微鏡である。相互作用には、電流、物理的な力、磁気などが含まれる。代表的なものに、以下の原子間力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡がある。

原子間力顕微鏡 (AFM) 原子間力（プローブ） 〜0.1 nm — 特になし（大気・液中可） DNA・ナノ表面・細胞力学
走査型トンネル顕微鏡 (STM) トンネル電流（プローブ） 〜0.1 nm — 導電性試料のみ 表面電子構造・原子操作

光学顕微鏡

光学顕微鏡は、可視光線 (波長 400〜700 nm) を利用して試料を拡大する顕微鏡の総称である。回折限界により理論的な分解能の上限は約 200 nm となる。光源・対物レンズ・コントラスト形成の方式によってさまざまな種類に細分される。

明視野顕微鏡

透過光を直接検出する最もオーソドックスな光学顕微鏡である。染色した切片や塗抹標本など、コントラストが十分な試料に適する。生物顕微鏡とも呼ばれ、学校・研究・医療現場で広く使われる。

  • 倍率: 40×〜1,000×（油浸対物レンズ使用時）
  • 分解能: 約 200 nm
  • 主な用途: 組織切片の観察、血液塗抹、細菌形態確認
  • 試料の前処理: 固定・染色が必要なことが多い

実体顕微鏡（ステレオ顕微鏡）

左右に独立した光学系を持ち、試料を両眼で立体視できる顕微鏡である。試料と対物レンズの間にワーキングディスタンスが大きく取られるため、解剖・精密組み立て・電子部品検査など、試料を操作しながら観察する用途に適する。

  • 倍率: 7×〜45×（ズーム型では 200× まで可）
  • 分解能: 低〜中程度
  • 主な用途: 解剖実習、精密作業、昆虫・岩石などの大型試料観察
  • 試料の前処理: 不要（不透明な試料もそのまま観察可能）

位相差顕微鏡

光が透明な試料を透過するとき生じる位相のずれを、振幅の差（コントラスト）に変換する位相板を用いた顕微鏡である。無色透明の生細胞を染色せずにコントラスト高く観察できる点が最大の特徴である。Frits Zernike が 1942 年に開発し、1953 年にノーベル物理学賞を受賞した (2)。

  • 倍率: 10×〜100×
  • 分解能: 約 200 nm
  • 主な用途: 生細胞のリアルタイム観察、細胞運動・分裂の観察、微生物学
  • 試料の前処理: 不要（生細胞そのまま観察可）
  • 注意点: ハローアーティファクト（試料の周囲に明るいリングが生じる）が発生することがある

蛍光顕微鏡

特定波長の励起光を試料に照射し、蛍光色素や蛍光タンパク質が放出する蛍光を検出する顕微鏡である。細胞内の特定の分子（タンパク質・核酸・細胞小器官など）を選択的に可視化できる。

蛍光プローブには大きく 2 種類がある。

  1. 蛍光タンパク質（GFP、mCherry など）: 生細胞での観察に適する。
  2. 蛍光色素（FITC、TRITC、DAPI など）: 抗体や核酸などに化学的に結合させて標識する。免疫染色 に使われる。
  • 倍率: 10×〜100×
  • 分解能: 約 200 nm
  • 主な用途: タンパク質の局在解析、DNA・RNA 染色、免疫蛍光染色
  • 試料の前処理: 蛍光標識が必要（固定標本または生細胞）
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共焦点レーザー顕微鏡（CLSM）

レーザーを光源とし、ピンホール絞りによって焦点面以外からの蛍光（ボケ光）を除去しながらレーザーを試料上で走査する顕微鏡である。Confocal Laser Scanning Microscope の略で CLSM とも呼ばれる。

通常の蛍光顕微鏡と比較した主な利点を以下に示す。

  • 焦点面以外の蛍光を除去するため、高コントラストな画像が得られる
  • Z 軸方向（光軸方向）に少しずつスライスしながら取得した画像（光学切片）を積み重ねて、3D 再構成が可能
  • 厚さのある試料（組織切片、胚など）の内部構造を非破壊で観察できる
  • 倍率: 10×〜100×
  • 分解能: xy 方向 約 180 nm、z 方向 約 500〜700 nm
  • 主な用途: 3D 細胞・組織イメージング、共局在解析、FRAP
  • 試料の前処理: 蛍光標識が必要

偏光顕微鏡

偏光フィルター（ポラライザーとアナライザー）を組み込んだ光学顕微鏡である。光学的異方性（複屈折性）を持つ試料に偏光を透過させ、その複屈折の強さや方向を可視化できる。

  • 倍率: 10×〜100×
  • 主な用途: 地質学（鉱物・岩石の偏光色観察）、結晶構造解析、コラーゲン線維の観察
  • 試料の前処理: 薄切片が必要（固定不要な場合も多い）

微分干渉顕微鏡（DIC 顕微鏡）

Differential Interference Contrast の略。ウォラストン (Wollaston) プリズムによって光を分岐・再合成し、試料内の屈折率の勾配（微分）をコントラストとして描出する顕微鏡である。位相差顕微鏡と同様に無染色の透明試料を観察できるが、ハローアーティファクトが少なく、細胞表面の微細な凹凸（細胞膜のリッジ、核膜など）を立体感ある画像で観察できる。

  • 倍率: 10×〜100×
  • 主な用途: 発生生物学（受精卵・胚観察）、生細胞イメージング
  • 注意点: 偏光を利用するため、偏光材料（プラスチックシャーレなど）が入ると像が乱れる

超解像顕微鏡

光の回折限界（約 200 nm）を打ち破る一群の光学顕微鏡技術の総称である。2014 年ノーベル化学賞は超解像顕微鏡の開発者 3 名（Stefan Hell・Eric Betzig・William Moerner）に授与された (3)。

主な超解像技術を以下に示す。

名称 原理 分解能
STED
(Stimulated Emission Depletion)		 誘導放射消光レーザーで励起領域を絞り込む 〜30〜50 nm
STORM
(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)		 単分子蛍光の確率的点滅（ON/OFF）を利用して再構成 〜20〜30 nm
PALM
(Photoactivated Localization Microscopy)		 光活性化蛍光タンパク質の単分子位置精密決定 〜20〜30 nm
SIM
(Structured Illumination Microscopy)		 縞状の照明パターンと試料の干渉縞から超解像画像を再構成 〜100 nm

電子顕微鏡

電子顕微鏡は、可視光の代わりに電子線（加速電子ビーム）を用いる顕微鏡の総称である。電子の波長は加速電圧によって異なるが、100 kV では約 0.004 nm であり、可視光（〜500 nm）の約 10 万分の 1 という極めて短い波長をもつ (1)。これにより光学顕微鏡では不可能なサブナノメートルスケールの分解能が実現する。

電子顕微鏡は真空中で動作するため、試料は通常乾燥・固定・金属蒸着などの前処理が必要である。ただし、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）では試料を急速凍結することで、生理的な状態に近い構造を保ったまま観察できる。

透過型電子顕微鏡（TEM）

電子ビームを超薄切片（50〜100 nm 程度）に透過させ、電子の散乱・回折パターンから内部構造を像にする顕微鏡である。Transmission Electron Microscope の略。

  • 倍率: 1,000×〜1,000,000×
  • 分解能: 約 0.2 nm（原子分解能）
  • 主な用途: 細胞小器官の形態観察、タンパク質複合体・ウイルスの構造解析、結晶格子の直接観察
  • 試料の前処理: 固定・脱水・包埋（エポキシ樹脂など）・超薄切片作製・重金属染色

クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）: 試料をガラス状氷の状態に急速凍結し、水和状態に近いタンパク質・ウイルスの立体構造を解析する手法。構造生物学の分野で急速に普及し、2017 年ノーベル化学賞が授与された (4)。

走査型電子顕微鏡（SEM）

絞った電子ビームを試料表面上でラスタースキャンし、発生する二次電子・反射電子・X 線を検出することで表面形状・組成を描出する顕微鏡である。Scanning Electron Microscope の略。TEM とは異なり試料内部ではなく 表面の形態 を立体的に観察することに特化している。

  • 倍率: 10×〜300,000×
  • 分解能: 1〜10 nm（試料・条件に依存）
  • 主な用途: 材料・半導体表面の形態観察、細菌・ウイルスの立体形状、破断面解析
  • 試料の前処理: 固定・乾燥（臨界点乾燥など）・導電性コーティング（金・オスミウムなど）

EDX（エネルギー分散型 X 線分光）との組み合わせ: SEM と EDX を組み合わせることで、観察部位の元素組成を定性・定量的に分析できる。材料科学・地質学で広く利用される。

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走査型プローブ顕微鏡（SPM）

鋭利な探針（プローブ）を試料表面に極めて近づけ、探針と試料間のさまざまな物理的相互作用を検出することで表面の形状・物性を原子分解能でマッピングする顕微鏡の総称である (5)。真空を必要とせず大気中・液中でも計測できるものが多い。

原子間力顕微鏡（AFM）

Atomic Force Microscope の略。カンチレバー（片持ち梁）の先端に付いた鋭利な探針を試料表面に近づけ、探針–試料間に働く原子間力（ファンデルワールス力・静電力・排除体積力など）によるカンチレバーのたわみをレーザー反射で検出し、表面形状を原子レベルでマッピングする。

  • 分解能: 横方向 約 0.1 nm、垂直方向 約 0.01 nm
  • 測定環境: 大気中・液中（緩衝液中での生体試料観察が可能）・真空中
  • 試料の制限: 特になし（絶縁体・導体ともに観察可能）
  • 主な用途: DNA・タンパク質の形状観察、ナノ材料表面、細胞の機械的性質（ヤング率）測定

AFM のモードには大きく コンタクトモード（探針が試料に接触）、タッピングモード（間欠的に接触）、非接触モードがある。生体試料の観察にはタッピングモードまたは非接触モードが多用される。

AFM でブルーレイディスクの表面を観察した図 (7)。

AFM でブルーレイディスクの表面を観察した図

走査型トンネル顕微鏡（STM）

Scanning Tunneling Microscope の略。探針と導電性試料の間に生じるトンネル電流（量子力学的な電子の確率的透過）を一定に保ちながら探針を走査することで、試料表面の電子密度分布を原子分解能で可視化する。

1981 年に Gerd Binnig と Heinrich Rohrer が開発し、1986 年にノーベル物理学賞を受賞した (6)。AFM の前身であり、原子を初めて「見た」顕微鏡として科学史上に残る。

  • 分解能: 約 0.1 nm
  • 試料の制限: 導電性試料のみ（絶縁体は観察不可）
  • 主な用途: 半導体表面の原子構造・電子状態観察、表面化学反応の追跡

参考文献

  1. Murphy DB, Davidson MW. Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging. 2nd ed. Wiley-Blackwell; 2012.
  2. Zernike F. Zernike F. How I Discovered Phase Contrast. Science. 1955;121(3141):345-349. doi:10.1126/science.121.3141.345
  3. Nobel Prize in Chemistry 2014. The Royal Swedish Academy of Sciences. nobelprize.org
  4. Nobel Prize in Chemistry 2017. The Royal Swedish Academy of Sciences. nobelprize.org
  5. Binnig G, Quate CF, Gerber C. Atomic Force Microscope. Phys Rev Lett. 1986;56(9):930-933.
  6. Binnig G, Rohrer H. Binnig G, Rohrer H. Scanning Tunneling Microscopy. Helvetica Physica Acta. 1982;55:726-735.
  7. By Stephan Sprinz - Own work, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=139214823

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1. 概要