移高速バイオナノスコープ(<特集>生命現象の可視化を支える精密工学)

概要

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「超高速バイオナノスコープ」は,時間的にも空間的にもナノオーダーの分解能で生物や生命現象を動画観察するためのビデオ顕微鏡である.具体的には時間分解能が100ns(1000万コマ/秒相当),空間分解能が500nm以下を目標にしている.実際には時空間分解能よりももっと大きな制約がある.微小なものの高速撮影を行う場合には,撮影機器の撮影速度に余裕があっても,感度や照明が不足するために,撮影速度をある程度以上上げることができないことが多い.例えば,倍率を10倍に上げると,同じ運動であっても視野内のみかけの速度は10倍となり,撮影速度を10倍に上げる必要がある.露光時間が1/10になるので,10倍の感度,もしくは照明が必要になる.また撮像素子の1個の画素が見ている面積は,1/100になるので,そこから反射,もしくは透過してくる光量も1/100になる.従って,倍率を10倍にすると,1000倍の感度または照明強度が必要になる.実際には,光軸方向(深さ方向)にも,焦点深度が浅くなるので,顕微鏡撮影では,倍率をMとすると,M^3〜M^4倍の感度や照明強度が必要になる.例えば光学顕微鏡の対物レンズの倍率を100倍とし,これをMに代入すると,100万〜10億倍の感度または照明強度が必要になる.「超高速『バイオ』ナノスコープ」の開発においては,この制約が最も大きな課題となる.最高100万コマ/秒の撮影速度を持つビデオカメラは2001年に筆者が開発し,(株)島津製作所が市販している.また,これを30万画素のカラーカメラにしたものはNHKの科学番組やスポーツ番組で使われている.一方,光子計数感度の撮影機器も開発されている.超高速バイオナノスコープは,(1)この2つの条件,すなわち光子計数感度に近い超高感度と超高速度を併せ持つビデオカメラと,(2)その性能を最も効率良く発揮させる生物顕微鏡システムからなる.開発中のカメラの感度は,すでに開発した100万コマ/秒のビデオカメラの100倍以上になる.このようにカメラの感度を上げるだけでは感度,もしくは光量不足という課題を乗超えることは不可能である.プロジェクトでは,カメラ,顕微鏡,照明装置,制御装置,観察手段,解析手段を総合的に開発することにより,感度・光量不足という最大の課題を解決するよう努力している.それでは具体的にどのような撮影対象が考えられるのだろうか?例えば動物の神経細胞中の信号の伝達速度は100m/秒程度といわれている.これを1000万コマ/秒の撮影速度で撮影すると,1コマで10μm進む.このように,生体中には超高速度ビデオ撮影でなければ観察できない様々の現象が内在しているはずである.以下では「超高速バイオナノスコープ」の機能と,それを達成するための技術について概説する.最も重要な開発課題であるカメラの目標性能は表1の通りである.
社団法人精密工学会の論文
2006-11-05

著者

江藤剛治
近畿大学理工学部

移高速バイオナノスコープ(<特集>生命現象の可視化を支える精密工学)

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