低電圧電子顕微鏡

低電圧電子顕微鏡 (LVEM)は、数キロ電子ボルト(keV) 以下の加速電圧で動作する電子顕微鏡です。従来の電子顕微鏡では、10 ～ 1000 keV の範囲の加速電圧が使用されます。

多くの新しい走査型電子検出器では、透過電子の低電圧イメージングが可能です。

低コストの代替品としては、専用の卓上低電圧透過型電子顕微鏡があります。^[1]その構造は従来の透過型電子顕微鏡と非常に似ていますが、5 keVの電子源を利用できるという重要な違いがいくつかあります。ただし、高解像度、X線マイクロアナリシスやEELSの可能性など、高電圧操作の多くの利点を犠牲にしています。最近、6～25 kVの可変電圧範囲で動作する新しい低電圧透過型電子顕微鏡が導入されました。^[2]

電子エネルギーが大幅に低下すると、軽元素のコントラストが大幅に向上します。以下の比較画像では、加速電圧を 80 kV から 5 kV に下げると、テスト サンプルのコントラストが大幅に向上することがわかります。コントラストの向上は、加速電圧の低下に伴う電子散乱の増加の直接的な結果です。

LVEMは、100kVに比べて約20倍も高い画像コントラストの向上をもたらします。これは、軽元素で構成され、従来のTEMでは十分なコントラストを示さない生物学的標本にとって非常に有望です。^[3]

さらに、5 kVでの有機サンプルの平均自由行程が比較的低い（15 nm）ということは、一定の厚さのサンプルでは、​​密度の小さな変化から高いコントラストが得られることを意味します。たとえば、LVEM明視野像で5%のコントラストを得るには、相間の密度差が0.07 g/cm ^{3あれば十分です。これは、TEMでコントラストを高めるためにポリマーを染色する通常の必要性（通常は}オスミウムまたは四酸化ルテニウムで行われる）が、低電圧電子顕微鏡技術では必要ない可能性があることを意味します。^[4]

コントラストの向上により、軽元素 (H、C、N、O、S、P) の TEM イメージングにおける重金属ネガティブ染色ステップを大幅に削減、または排除できます。染色は高解像度の構造決定を目的とした実験には有益ですが、酸性 pH と比較的高い重金属濃度によりタンパク質サンプルが不安定になる可能性があるため、特定のタンパク質サンプルの準備では非常に望ましくありません。生物材料やポリマーなどの切片サンプルに染色を追加すると、イメージングアーティファクトも発生する可能性があります。

抽出された膜タンパク質サンプルを染色手順の有無で分析したLVEM実験では、標準的な染色を省略するとサンプルの外観が著しく改善されることが示されています。結果は、LVEMが、潜在的に混乱を招く染色ステップを回避し、タンパク質の凝集状態の乱れのない画像を提供するため、この特定の用途では従来のEMよりもさらに有用である可能性があることを示しています。^{[5] [6]}

さらに、酢酸ウラニルなどの一般的な重金属染色には健康リスクが伴うため、染色ステップを省略できることは、研究室の安全性の向上にも役立つ可能性があります。

最初の低電圧電子顕微鏡は、TEMで約2.5 nm、STEMで2.0 nm、SEMモードで3.0 nmの空間分解能を実現しました。^[4] SEMの分解能は2010年までに800 eVで約1.2 nmに向上し、^[7] 2016年には15 keVで0.14 nmのTEM分解能が報告されました。^[8]

現在利用可能な低電圧顕微鏡では、1～3 ナノメートル (nm) の解像度しか得られません。これは光学 (光) 顕微鏡で可能な解像度をはるかに超えていますが、従来の (高電圧) 電子顕微鏡で得られる原子解像度にはまだ匹敵しません。

低電圧では、TEM または STEM モードで研究できるサンプルの最大厚さが制限されます。従来の TEM では約 50～90 nm ですが、5 kV の LVEM では約 20～65 nm に減少します。ただし、5 kV の TEM および STEM モードで最大解像度を達成するには、20 nm 程度の厚さが必要です。^{[3] [4]これらの厚さは、}ウルトラミクロトームを使用することで達成できる場合があります。

2015年にこれらの制限は、最大約100nm以上の薄切片サンプルで高品質の結果を生み出すことができる25kV低電圧電子顕微鏡によって克服されました。^[要出典]

• 電子顕微鏡
• 透過型電子顕微鏡（TEM）
• 高解像度透過型電子顕微鏡（HRTEM）
• 走査型電子顕微鏡（SEM）
• 走査透過型電子顕微鏡（STEM）
• 低エネルギー電子顕微鏡（LEEM）
• 電子回折
• 低エネルギー電子回折（LEED）

LVEM は、次のアプリケーションに特に効果的です。

• ナノテックブログにおけるWENDMANの見解
• Delong America の LVEM5 低電圧電子顕微鏡