アプリケーション

高解像度3D視覚化を実現した例を紹介します。
この革新的な技術は、ナノメートルスケールの3D生物学的構造の評価、前例のないアクセスを提供します。
生物学的プロセスの解明、疾患メカニズムの説明、治療戦略の進歩に不可欠で、研究者に生命科学の分野での進歩を可能にします。

材料科学においても、金属腐食、有機コーティングの影響、顔料分布、金属間化合物粒子の分散などの理解が拡大します。
生命科学の進歩と同じ方法で、材料科学が次の次元に拡張されます。

【NEW】
マウスの小腸「陰窩」

NMC電池材料

タバコの苗

扁形動物

象牙質細管閉塞

イカ

アルミニウム合金

【NEW！】マウスの小腸「陰窩」

陰窩(いんか)は、幹細胞やパネート細胞を含む様々な種類の細胞で構成されます。
陰窩は腸管絨毛の底部に位置し、絨毛を形成する吸収上皮細胞の供給源として、重要な役割を果たしています。

Katanaは、超音波振動するダイヤモンドナイフと、1nmの分解能で動作するサンプルステージを採用しております。
これによって、陰窩の観察では、セクション厚 30nmの高分解能でのSBF-SEM観察を実現しています。

SBF-SEM 観察を行うことで、陰窩の実際の形態や幹細胞・パネート細胞などの空間的関係をより正確に把握でき、腸管の機能や病態の理解をより一層深めることが期待できます。

※資料ご提供：ヘルシンキ大学　Ilya Belevich　様
※スライス厚30nm、5120×3840ピクセル、450セクションの観察を行いました。
※HITACHI SU7000へKatana（ブロックフェースイメージングユニット）を搭載し、観察しました。

タバコの苗

タバコ（Nicotiana tabacum）の苗木は、植物の成長と環境への適応に関する重要な情報をもたらします。苗木の成長過程で細胞とその内部プロセスを理解することは、作物管理や遺伝子工学の進歩に大いに役立つ可能性があります。katanaブロックフェースイメージングユニットは、タバコの苗木の細胞壁と葉緑体の3D構造をビジュアル化するために使用されており、これらの構造を詳しく調べることで、植物の成長過程において細胞壁がどのように拡大するか、葉緑体の分布が苗の成長にどのように関与しているかを理解する手助けとなります。この研究を通じて、農業技術の向上が期待されます。

扁形動物 Macrostomum lignano

自由生活性の扁形動物である Macrostomum lignano は、生物学的研究における貴重なモデル生物です。その再生能力と透明な体により、幹細胞生物学、老化、有性生殖などの分野で興味深い主題となっています。したがって、その内部形態の詳細な知識は、その生物学的プロセスについての洞察を得る鍵となります。 katana は、M.lignanoの 3D 構造をナノメートルの解像度で取得することを可能にし、繊毛、ラブダイト、ウルトララブダイト、内部小胞などの一部の細胞構造の再構築を可能にします。重要な応用の 1 つは、M.lignanoの幹細胞の複雑なネットワークを視覚化することであり、これはその驚くべき再生能力を理解するために重要です。これは、生殖器官の独特な構造的特徴や、これらの器官と周囲の組織との相互作用を明らかにするのにも役立ちました。

象牙質細管閉塞

歯が敏感になると、象牙質細管が露出することが多くなり、不快感をもたらすことがあります。市販されている敏感用歯磨き粉は、象牙質細管閉塞として知られるプロセスを通じてこの問題を軽減することを目的としています。このプロセスの詳細な研究は、歯磨き粉の配合を最適化するために非常に重要です。ブロックフェースイメージングユニットKatanaを使用すると、ハイドロキシアパタイトや酢酸ストロンチウムなどのナノ粒子で構成される閉塞剤の象牙質細管への浸透を視覚化できます。これらの薬剤が細管とどのように相互作用するか、その沈着パターン、そして最終的に細管閉塞におけるそれらの有効性を明らかにします。治療前と治療後の画像を比較することで、さまざまな歯磨き粉製剤の閉塞効果を定量的に評価できます。

イカの皮

色素胞を利用したカモフラージュ

イカやその他の頭足類は、皮膚の色を変える驚くべき能力を備えた世界でも数少ない動物の1つで、周囲の環境に溶け込んで見つけるのが困難になります。皮膚の表面直下にある色素胞と呼ばれる何千もの特殊な色素含有細胞が、この驚くべき挙動の原因となっています。各発色団には、色素で満たされた弾性嚢が含まれています。嚢に付着した複雑な神経と筋肉の配列により嚢が拡張し、色素がより目立つようになり、皮膚の色が変化します。

ブロックフェースイメージングユニットKatanaを備えたSEM(SBF-SEM)により、発色団の高解像度3Dイメージングが可能になりナノスケールの超微細構造を視覚化し、細胞および細胞内レベルでの配列と接続性を調べることができます。

図 1. (a0 スライス厚 50nm の 600 枚の連続画像で構成されるイカ皮サンプルの概要体積データセット (743µm x 551µm x 30µm)。 (b) 高解像度のモンタージュ ROI から取得した色素袋の画像ピクセルサイズ 24nm (c) (b) で強調表示されたイカ皮サンプルのトリミング領域のボリュームレンダリング (d) (e) (c) に示す ROI から抽出された細胞弾性嚢の端のレンダリングすべての画像JEOL JSM-7800FLV SEM にインストールされた ブロックフェースイメージングユニットKatanaを使用して 5120 x 3840 で取得されました。

材料科学用シリアルブロックフェイスSEM

材料科学を次の次元に拡張する

ブロックフェースイメージングユニットKatanaは、連続ブロック面走査型電子顕微鏡 (SBF-SEM) の実行に使用されます。SBF-SEM は、生物学および医学研究における重要なツールとしての地位をすでに確立しており、これらの分野の進歩を推進しています。SBF-SEM は組織や生物の非常に詳細な 3D 画像を生成するためにライフサイエンスで一般的に使用されていますが、材料科学や冶金学における SBF-SEM の応用は、これらのサンプルの切片作成に課題があるため、依然としてあまり研究されていません。

ここでは、材料科学における SBF-SEM 用のブロックフェースイメージングユニットKatanaの使用に成功し、バッテリーの正極材料とアルミニウムの両方の高解像度 3D 視覚化を実現した例を紹介します。Katanaミクロトームを使用した SBF-SEMを材料科学に拡張すると、金属の腐食挙動、腐食に対する有機コーティングの影響、塗料中の顔料の分布、金属間化合物粒子の分散などの分野でのさらなる理解を可能にする機会が得られます。

NMC電池材料（LiNiMnCoO₂）

リチウムイオン電池用リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物正極

現在のリチウムイオン技術は、長寿命と、より優れた電力およびエネルギー貯蔵性能が求められますが、これを達成するには、各コンポーネントの構造と化学を包括的かつ詳細に理解する必要があります。

これらの材料にKatana使用すると、SEMはナノレベルの微細構造を観察できる高解像度の3D画像を取得できます。

たとえば、充電/放電サイクルの結果として生じる凝集体、微粒子、または粒子の亀裂の分布を調査することがきます。下図はKatanaを使用してNi-Mn-Co 正極材料サンプルのSBF-SEM観察した事例です。

図：(a) アルミニウム基板上の Ni-Co-Mn サンプルから撮影した単一スライス画像。材料全体にわたる大きな粒子の分布を示しています。

(b) Ni-Co-Mn サンプルの3D SEM像。元のデータは 5120×3840 画像、306 シリアルスライス、12nm ピクセルで、JEOL IT700HR FEG SEM に取り付けられた katanaを使用して取得されました。

アルミニウム合金

航空宇宙、自動車、その他の機械製造

アルミニウムおよびその他の金属合金は、その機械的挙動、優れた鋳造性、高い強度重量比および耐食性により、航空宇宙、自動車、造船およびその他のさまざまな機械製造分野で重要な役割を果たし続けています。従来、ほとんどの構造研究は 2D SEM などの従来の方法で得られる 2 次元イメージングに依存していました。ただし、細孔、粒子、金属間化合物のサイズ、形状、接続性、分布を定量的に特性評価するには、垂直 (Z 軸) 方向のデータも必要です。一部の研究者は、いくつかの 2D 画像を使用して 3D 情報の定量的評価を試みていますが、上で説明したバッテリー材料と同様、このアプローチでは正確で代表的な空間微細構造が真に得られません。

Katanaを使用すると、ユーザーは3DボリュームSEM データを取得できるだけでなく、ボリューム全体にわたる高度な元素分析につながるEDX測定も同時に行うことができます。下図は、Katanaを使用してSBFSEMとEDXを同時に実行して得られたアルミニウム (AL6061) の体積データセットの例を示しており、サンプル全体にわたるさまざまな元素含有物が明らかになります。