JP2988058B2 - Ｘ線顕微鏡用の試料ホルダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｘ線顕微鏡の観察に
使用される試料ホルダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、医学や生物工学の分野では、通常
の可視光（波長λ＝約 400nm〜 800nm) を用いる顕微鏡
よりも解像度が高く、しかも生きた試料（以下、生物試
料と言う）、たとえば、細胞、バクテリア、精子、染色
体、ミトコンドリア、べん毛等を鮮明に観察することの
できる新しい顕微鏡の実現を求める声が日増しに高まっ
ている。その理由は、従来の高解像度の電子顕微鏡で
は、生物試料を観察することができないからである。そ
こで、可視光を用いる従来の顕微鏡に代えて、波長λ＝
２〜５nmの軟Ｘ線を用いるＸ線顕微鏡の検討が進めら
れ、具体的に開発されつつある。たとえば図４は、この
ようなＸ線顕微鏡の簡単な構造と光学系を示したもので
あり、Ｘ線発生器Ｇから出射したＸ線は、コンデンサー
光学系Ｃで集光されて試料カプセルＢを照射する。そし
て、試料カプセルＢを透過したＸ線は、結像光学系Ｉに
より、試料の像を撮像装置Ｋ上に結像させる。この像は
モニタ装置（テレビ画面）Ｍ上に映しだされる。Ｘ線発
生器Ｇから撮像装置Ｋまでの光路長は、たとえば２ｍ程
度である。また、Ｒは鏡筒用真空容器で、Ｖはこの容器
Ｒ内を真空に排気するための排気系である。Ｈは、試料
カプセルＢを保持する試料ホルダである。

【０００３】以上のように、その基本構成についての構
想はすでに明らかにされてきているものの、実際には、
Ｘ線顕微鏡の実現にはいくつかの解決すべき課題があ
り、いまだ試作の段階にある。Ｘ線顕微鏡についてまず
原理的に前提とされることは、軟Ｘ線は、物質内を透過
したときに物質によって吸収され、物質内の透過光路長
（単位長さ）当たりの吸収率、すなわち線吸収係数は、
物質の密度に比例し、一般には波長が長くなるほど高く
なることである。図５（ａ）（ｂ）は、いくつかの物質
の線吸収係数スペクトルを示したものである。このよう
に物質に応じて線吸収係数が異なることを利用して生物
試料を観察することができる。

【０００４】しかしながら、軟Ｘ線は、空気の大部分を
占める窒素によって吸収されてしまうため、図４に示し
たＸ線発生器Ｇから生物試料まで、また、生物試料から
撮像装置Ｋまでを真空空間（たとえば、4.8 ×10^-2Pa)
にしなければならない。一方、生物試料はこのような真
空空間では死滅してしまうので、適当な液体の媒質（た
とえば水、培養液、体液、生理食塩水など）に浮遊さ
せ、これを適当な容器に入れて保護する必要がある。こ
のような容器を一般に試料カプセルと呼んでおり、初期
の試料カプセルでは、図６に示すように、リング状のス
ペーサ（７）とこれを挟む一対の基板（８）に配設した
Ｘ線透過膜（８ａ）（たとえば、厚さが0.05〜0.1 μｍ
程度の窒化シリコン薄膜）とを有している。スペーサ
（７）とこれを挟む一対のＸ線透過膜（８ａ）で囲まれ
た空間は、試料室（１３）と呼ばれ、ここに“媒質とそ
の中に浮遊する生物試料”が満たされる。この試料室
（１３）は当然にも真空空間から隔離された密閉空間で
ある。

【０００５】このカプセル構造では、スペーサ（７）を
一対のＸ線透過膜（８ａ）で挟み、試料室（１３）内に
試料を入れ、スペーサ（７）とＸ線透過膜（８ａ）との
界面を接着剤または密封剤で接着する。形成された試料
カプセルは分解しないので利便性のよいものとなる。な
お、接着せずに、基板（８）方向から一対のＸ線透過膜
（８ａ）でスペーサ（７）を挟むように緊締する機械的
な接合手段で試料カプセルを一体化してもよい。

【０００６】また、試料カプセルは小さいので取扱が不
便なことから、一般には試料ホルダに保持させ、これを
Ｘ線顕微鏡にセットする。この試料ホルダは、たとえば
図７に示したように、一般に、有底の円筒状の主ホルダ
（１ａ）と円板状の押さえホルダ（１ｂ）との少なくと
も２部材によって構成し、この両部材を対向配設して接
合する。この接合によって両者の間には試料カプセルの
カプセル収納室（１２）が形成されるようにしている。
カプセル収納室（１２）は、試料カプセルよりも大きく
しているため、試料カプセルの横方向には空間が生じ
る。また、主ホルダ（１ａ）と押さえホルダ（１ｂ）に
は、それぞれほぼ中央にＸ線透過のための開口部（４）
がある。この開口部（４）を通ってＸ線が試料カプセル
に入射し、出射する。接着剤を用いないで試料カプセル
を一体化する場合には、図７に示したように、試料カプ
セル、すなわち、図６にも例示した基板（８）とＸ線透
過膜（８ａ）とスペーサ（７）で構成される材料カプセ
ルをホルダ（１ａ）（１ｂ）で押し付け、このとき、押
し付けを確実にするため、試料カプセルの基板（８）と
ホルダ（１ａ）、（１ｂ）との間にＯリング（５）を置
く。これにより、試料室（１３）の周囲の真空空間から
の隔離が確実になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、Ｘ線顕微
鏡の実現に向けての工夫がなされてきているが、前記の
材料カプセルと材料ホルダとの構造には解決すべき問題
があった。それというのも、従来の試料ホルダの場合に
は、図７からも明らかなように、試料カプセルのＸ線透
過膜（８ａ）の外側が真空空間に面し、逆に、Ｘ線透過
膜（８ａ）の内側は、試料の入った試料室（１３) に面
している。このため、厚さがたとえば0.05〜0.1 μｍ程
度と薄いＸ線透過膜は内外の圧力差を受けることにな
る。その結果、試料カプセルをＸ線顕微鏡にセットする
と、Ｘ線透過膜が破損するという問題があった。

【０００８】また、破損まで至らなくとも、圧力差によ
ってＸ線透過膜の中心部が膨らんでしまい、そのため中
心部を通るＸ線の光路が長くなり、Ｘ線は媒質によって
吸収され、観察しずらくなるという問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、以上の通り
の従来のＸ線顕微鏡の欠点を解消するものとしてなされ
たものであり、いずれか一方または両方に窪みのある主
ホルダと押さえホルダの少なくとも２部材からなり、両
ホルダの接合によって両者の間に試料カプセルの収納室
が形成され、かつ、両ホルダのほぼ中央にはＸ線透過の
ための開口部がもうけられているＸ線顕微鏡用の試料ホ
ルダにおいて、前記開口部をＸ線透過膜で閉鎖したこと
を特徴とする試料ホルダを提供する。

【００１０】すなわち、この発明の発明者は、Ｘ線顕微
鏡について詳細な検討を進め、従来の材料カプセルのＸ
線透過膜（８ａ）の外側に１気圧程度の与圧室を設ける
ことによってＸ線構造膜（８ａ）に大きな圧力差を生じ
させないようにすることを見出し、この知見に基づいて
この発明を完成させた。

【００１１】

【作用】この発明においては、主ホルダと押さえホルダ
のＸ線透過用の開口部をそれぞれＸ線透過膜で閉鎖する
ため、ホルダのＸ線透過膜と試料カプセルのＸ線透過膜
との間に空間（与圧室）を設けることができる。このた
め、圧力差による不都合は生じない。なお、試料カプセ
ルを試料ホルダに収容するとき、大気中で作業すれば、
与圧室は１気圧の空気で満たされるが、与圧室は、0.3
〜0.6 mm程度に薄くすることができるので、空気（窒
素）によるＸ線の吸収は無視できる。

【００１２】以下、実施例を示し、この発明をより具体
的に説明するが、この発明はこれに限られるものではな
い。

【００１３】

【実施例】実施例１ 添付した図面の図１は、この発明の実施例にかかる試料
ホルダ（Ｈ）を例示した概略断面図である。試料カプセ
ル（Ｂ）は、前記の従来のカプセル（図６参照）と同じ
であり、リング状のスペーサ（７）とこれを挟む一対の
基板（８）に配設したＸ線透過膜（８ａ）から構成され
ている。窒化シリコン薄膜等からなるＸ線透過膜（８
ａ）は薄いので、シリコン等の基板（８）上に形成す
る。シリコンの基板（８）は比較的厚く、Ｘ線を透過さ
せないので、中心部にＸ線透過用の窓孔（６）を設け
る。一対のＸ線透過膜（８ａ）とスペーサ（７）が囲む
空間が試料室（１３）で、ここに“媒質とその中に浮遊
する生物試料”を入れる。

【００１４】試料ホルダ（Ｈ）は、大別すると、有底の
円筒状の主ホルダ（１ａ）と円板状の押さえホルダ（１
ｂ）との２部材からなる。主ホルダ（１ａ）と押さえホ
ルダ（１ｂ）には、それぞれほぼ中央にＸ線透過のため
の開口部（４）を設け、この開口部（４）を通ってＸ線
が試料カプセルに入射し、出射するようにしている。こ
の開口部（４）には、この発明の特徴とするＸ線透過膜
（１４ａ）を配設し、試料ホルダ（Ｈ）を閉鎖してい
る。そのため、試料カプセルのＸ線透過膜（８ａ）とホ
ルダ（１ａ）（ｂ）のＸ線透過膜（１４ａ）との間に与
圧室（１５）が形成される。Ｘ線透過膜（８ａ）（１４
ａ）の間にＯリング（５）を挟んで、主ホルダ（１ａ）
と押さえホルダ（１ｂ) とを図１の矢印Ｘ、Ｙ方向から
締めつける適当な接合手段により接合すると、与圧室
（１５）はほぼ１気圧（大気）の密閉空間となる。それ
と同時にホルダ内部に試料カプセル（Ｂ）のカプセル収
納室（１２）が形成される。この実施例では、カプセル
収納室（１２）は試料カプセル（Ｂ）より直径が大き
く、そのため、試料カプセル（Ｂ）を入れると、カプセ
ルの外側に予備室が形成される。つまり、予備室はカプ
セル収納室（１２）の一部となる。与圧室（１５）は、
Ｘ線透過膜（１４ａ）によって、外部の真空空間とは隔
離され、また、Ｏリング（５）によって、カプセル収納
室（１２）とも隔離される。この場合、試料室（１３）
も与圧室（１５）もそれぞれ完全に隔離されているの
で、カプセル収納室（１２）を密閉空間にする特別な理
由はない。

【００１５】与圧室（１５）はほぼ１気圧（大気圧）な
ので、試料室（１３）との間に大きな圧力差は生じな
い。従って、試料カプセル（Ｂ）のＸ線透過膜（８ａ）
は大きな応力を受けることがなく、そのため、破損の危
険が低減する。もちろん、この実施例では、Ｘ線透過膜
（１４ａ）が主ホルダ（１ａ）に直接接合されて一体化
されているが、別体であってもよい。次の例がそれを示
している。実施例２ 図２は、この発明の別の実施例にかかる試料ホルダ
（Ｈ）を示した概略断面図である。

【００１６】ここでは、ホルダの開口部（４）を閉鎖す
るＸ線透過膜（１４ａ）は、主ホルダ（１ａ）及び押さ
えホルダ（１ｂ）とは別体に形成されている。つまり、
Ｘ線透過膜（１４ａ）は、シリコン基板（１４）上に形
成してあり、シリコン基板（１４）の中央にはＸ線を通
すための窓孔（６）が開けられている。主ホルダ（１
ａ）と押さえホルダ（１ｂ）を重ねた後、止め金具（１
７）を主ホルダ（１ａ）の外周に切ったネジ（不図示）
に螺合することによって、ホルダ（１ａ）（１ｂ）を接
合することができる。この場合にも、試料カプセルのＸ
線透過膜（８ａ）とＸ線透過膜（１４ａ）との間に、与
圧室（１５）が形成される。

【００１７】試料ホルダ（Ｈ）内に形成されるカプセル
収納室（１２）は、通常、試料カプセル（Ｂ）より大き
いことと、試料カプセル（Ｂ）のＸ線透過領域、つまり
窓孔（６）の直径は、約0.2mm と小さいことから、試料
カプセル（Ｂ）を「Ｘ線の透過する位置にセットする位
置合わせ」が面倒である。そこで、この実施例では、リ
ング状の位置合わせ治具（１６）を２段重ねて、カプセ
ル収納室（１２）内に入れてある。

【００１８】試料ホルダ（Ｈ）を組み立てる順序の一例
を説明すると、まず、主ホルダ（１ａ）の底にＯリング
（５）を介してＸ線透過膜（１４ａ）を置く。次いで、
位置合わせ治具（１６）の下段をカプセル収納室（１
２）内に入れ、治具（１６) の中にＸ線透過膜（８ａ）
を置く。そして、位置合わせ治具（１６）の上段を下段
の上に重ねる。その後、Ｘ線透過膜（８ａ）の上にスペ
ーサ（７）を置く。スペーサ（７）が下に位置するＸ線
透過膜（８ａ）上に一体に形成されているものを用いて
もよい。次に、スペーサ（７）の内部である試料室（１
３）を、試料（１０）を含む媒質（９）で満たす。その
上に第２のＸ線透過膜（８ａ）を重ね、試料カプセル
（Ｂ）を組み立てる。さらに第２のＸ線透過膜（１４
ａ）を置き、その上でＯリング（５）を介して押さえホ
ルダ（１ｂ）を乗せる。最後に止め金具（１７）を主ホ
ルダ（１ａ）の外周に螺合することによって、試料ホル
ダ（Ｈ）の組み立てを完了する。

【００１９】なお、基板（１４）上に一体に形成された
Ｘ線透過膜（１４ａ）は、図２とは上下を逆に置いても
良い。実施例３ 図３は、この発明のさらに別の実施例にかかる試料ホル
ダ（Ｈ）を示した概略断面図である。

【００２０】ここでは、基板（１４）上に一体に形成さ
れたＸ線透過膜（１４ａ）は、図２とは上下を逆に置い
ている。この実施例の試料ホルダ（Ｈ）は、実施例２の
ものとほぼ同一であるが、大きな相違点は、主ホルダ
（１ａ）にホルダ内部（カプセル収納室）への入口
（２）と出口（３）を設けたことである。試料カプセル
（Ｂ）を収納した後に、この入口（２）と出口（３）を
使って、カプセル収納室へ試料の刺激物質を供給するこ
とができるようにしている。

【００２１】すなわち、試料カプセル（Ｂ）のスペーサ
（７）の一部に貫通孔または隙間を設けておくことによ
り、試料室（１３）を開放状態にすることができる。こ
のような試料カプセル（Ｂ）は開放型試料カプセルと呼
ばれる。この場合、媒質は試料カプセル（Ｂ）の周囲
（つまり、カプセル収納室）に露出している。しかしな
がら、一対のＸ線透過膜（８ａ）の隙間は狭い（たとえ
ば、１〜１０μｍ）ので、媒質の表面張力により、媒質
は試料カプセル（Ｂ）からは流出しない。媒質はカプセ
ル収納室に露出しているものの、カプセル収納室は、外
の真空空間から隔離されているので、不都合はない。そ
こで、このカプセル収納室に刺激物質を供給すると、刺
激物質は、媒質を介して試料を刺激することができる。

【００２２】この刺激によって、生物試料をある程度自
由に操作することができる。たとえば、カプセル収納室
に酸素ガス（刺激物質）を入れておけば、媒質中の酸素
濃度分布を中心部に薄く周辺部に高くすることができる
ので、試料が嫌気性で自力走行可能な場合、試料を中心
部の観察領域に集めることができる。また、たとえば、
カプセル収納室に刺激物質として酸素を含まないガス
（たとえば、窒素、アルゴン、ヘリウム等）を入れてお
けば、媒質中の酸素濃度分布を中心部に高く周辺部に薄
くすることができるので、試料が好気性で自力走行可能
な場合、試料を中心部の観察領域に集めることができ
る。

【００２３】また、試料が酸素を消費する場合でも、カ
プセル収納室に酸素ガス（刺激物質）を入れておけば、
ここから媒質を通して試料に酸素が供給されるので、長
期間、試料を生かした状態で観察することができる。試
料が好酸性（または好アルカリ性）で自力走行可能な場
合には、カプセル収納室にアルカリ性（または酸性）の
ガスもしくは液体を入れておくと、媒質中のｐＨ分布を
中心部に高く（または低く）周辺部に低く（または高
く）することができるので、試料を中心部（＝観察領
域）に集めることができる。

【００２４】さらにそのほか、試料がどんな刺激物質に
どんな反応を示すかが観察できる。刺激物質としては、
試料が好む物質、嫌う物質、試料が忌避する物質、試料
が反応する物質などを例としてあげることができる。こ
こでは、刺激物質をカプセル収納室に入れた後、入口、
出口にそれぞれキャップ（１８）で栓をする。こうする
ことにより、そのまま、Ｘ線顕微鏡に試料ホルダ（Ｈ）
をセットすることができる。もちろん、栓をせずに、入
口（２）、出口（３）にそれぞれパイプを接続して、こ
のパイプを真空容器Ｒの外に引き出し、このパイプを通
して連続的に刺激物質を供給または循環させてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
れば、主ホルダと押さえホルダの各々の「Ｘ線透過のた
めの開口部」をＸ線透過膜で閉鎖したので、試料カプセ
ルのＸ線透過膜の外側に与圧室を形成することができ
る。そのため、試料カプセルのＸ線透過膜の外側と内側
との間に圧力差がなくなるか、または少なくなるので、
試料カプセルのＸ線透過膜が破損する危険性が低下す
る。また、破損まで至らなくとも、圧力差によってＸ線
透過膜の中心部が膨らんでしまう現象も低下するので、
中心部が観察しずらくなるという問題も解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例にかかる試料ホルダを例示し
た概略断面図である。

【図２】この発明の別の実施例としての試料ホルダを例
示した概略断面図である。

【図３】この発明のさらに別の実施例としての試料ホル
ダを例示した概略断面図である。

【図４】Ｘ線顕微鏡の簡単な構造を示した概念構成図で
ある。

【図５】（ａ）（ｂ）はＸ線吸収係数のスペクトルを示
したスペクトル図である。

【図６】試料カプセル（非開放型）の分解斜視図であ
る。

【図７】従来の試料ホルダを示した概略断面図である。

【符号の説明】

１ａ 主ホルダ １ｂ 押さえホルダ ２ 入口 ３ 出口 ４ Ｘ線透過のための開口部 ５ Ｏリング ６ Ｘ線透過のための窓孔 ７ スペーサ ８ 基板 ８ａ Ｘ線透過膜 ９ 媒質 １０ 生物試料 １２ カプセル収納室 １３ 試料室 １４ａ Ｘ線透過膜 １４ 基板 １５ 与圧室 １６ 位置合わせ治具 １７ 止め金具 １８ キャップ Ｂ 試料カプセル（７＋８＋８ａ） Ｈ 試料ホルダ（１ａ＋１ｂ） Ｃ コンデンサー光学系 Ｉ 結像光学系 Ｋ 撮像装置 Ｒ 鏡筒用真空容器 Ｍ モニタ装置 Ｖ 真空排気系 Ｇ Ｘ線発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−186311（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−88000（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21K 7/00 G21K 5/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 いずれか一方または両方に窪みのある主
   ホルダと押さえホルダの少なくとも２部材からなり、両
   ホルダの接合によって両者の間に試料カプセルの収納室
   が形成され、かつ、両ホルダのほぼ中央にはＸ線透過の
   ための開口部が設けられているＸ線顕微鏡用の試料ホル
   ダにおいて、 前記開口部をＸ線透過膜で閉鎖したことを特徴とするＸ
   線顕微鏡用の試料ホルダ。