提供“可视化”以前看不见的纳米世界的解决方案

山田AIST拥有许多这样的技术，从外部很难看到，但具有极高的实用价值。其中一项技术是纳米成像技术，它使我们能够看到以前看不见的东西。 “看到事物”是所有技术发展的基础，所以我认为如果我们能够使这些技术内容更容易从外部看到，并以符合私营部门需求的形式提供给企业和大学使用，那么研究和开发将会取得巨大进步。这将促进AIST所关注的技术的“融合”，也将为产业的发展做出贡献。

山田到目前为止，研究人员一直在单独致力于利用与纳米成像相关的技术。换句话说，他们在各个商店零碎地销售他们的技术。 NISP旨在根据用户需求进行选择，并以硬件和软件的形式全面提供AIST的技术能力。通过这样做，我们将能够最大限度地发挥 AIST 的价值，并准确地提供企业所需的技术。

　公司并不想要卓越的技术本身，他们想要的是解决问题的方法。为了满足这样的需求，需要以AIST为平台，提供相关技术，并结合起来提供解决方案。目前，NISP整合了生物医学研究部、物理测量标准研究部和人工智能研究中心三个研究单位的技术，我们相信，通过创建一个能够提供这样的跨学科解决方案的系统，我们将能够为解决工业问题做出更大的贡献。

一系列世界独特的技术

山田研究人员将引入三种已经可以提供服务的技术。除此之外，还有“智能成像技术”，利用AI从图像等大量样本中有效检测形状变化，取代专家的眼睛和感官。我们目前正在进行联合研究，旨在将其应用于病理诊断。

　我们内部正在考虑可能实际应用的另一项技术是利用单光子测量的分析技术。这是 AIST 世界上第一个也是唯一一个可以测量单个光粒子的数量和颜色的技术。如果我们能将其发展成成像技术，我们对未来抱有很大的期望，因为它将导致药物的发现和新的诊断方法的建立。

山田目前，我们的重点是技术咨询，以满足希望了解其实际可见度的公司的需求，以及食品和材料的观察、表面分析和成分分析。除非你亲眼所见，否则可能很难理解。如果您想查看、尝试或分析纳米成像，请联系 NISP 办公室。我们将确定解决问题的最佳方法，并将您与拥有适当技术的研究人员联系起来。

可以按原样观察活细胞
采用介电常数的独特技术的新型显微镜

　电子显微镜可以在纳米尺度上观察细胞，但为了观察，细胞必须用化学物质固定，并进一步用重金属染色。换句话说，迄今为止还不可能观察活细胞的原样。然而，在生命科学领域，人们自然有强烈的愿望以高分辨率观察生物，世界各地的研究人员都在集中精力来实现这一需求。生物医学研究部结构生理学研究组的Toshihiko Ogura给出的答案是介电常数^*1检测图像。

　在该显微镜中，水溶液中的生物样本夹在两层氮化硅薄膜之间并密封。氮化硅薄膜的厚度仅为 50 nm，非常薄。样品顶部的氮化硅薄膜覆盖有一层重金属钨（10 nm 厚）。当低加速度电子束扫描时入射到其上时，电子被钨层吸收并产生局部负电势。这些潜在变化的差异表现为图像对比度。这是利用相对介电常数进行观察的特征。

　传统的方法是直接用电子束照射样品并检测反射和透射的电子，观察水和样品的比重差异，但这种差异很小，图像几乎没有对比度。因此，以前的同类型显微镜只能提供模糊的图像。然而，当使用介电常数进行观察时，获得的值的差异变得非常大。小仓注意到了这一点，并能够利用它来获得高对比度图像。

　从比重到相对介电常数。这种思维的转变催生了AIST独特的技术。更重要的是，检测到图像只需要大约一分钟。

　尽管它是电子显微镜，但高分辨率介电常数显微镜能够观察水溶液中的样品，例如细菌、病毒和蛋白质，无需将样品密封在大气压下的支架中进行预处理。水溶液中的纳米颗粒和乳液也可以以 10 nm 或更小的分辨率进行观察。水溶液中传统光学或电子显微镜无法看到的纳米级区域终于被可视化了。

　而且，由于电子束不直接照射样品，因此样品受到的损伤很小，并且可以反复观察同一样品。换句话说，也可以观察同一生物样本随时间的变化。”Ogura 说。

　这不是唯一的优势。只需将一个将样品夹在薄膜之间的“大气压观察支架”和一个“电势检测放大器”连接到常规扫描电子显微镜即可获得这些图像。如果将这些简单的、手掌大小的装置添加到现有的扫描电子显微镜中，则无需购买昂贵的新显微镜。”

　通过用这种显微镜观察，将有可能看到以前从未见过的东西，例如给药后细胞的变化以及病毒感染后对细胞的影响。该方法应用范围广泛，除了医疗领域外，未来有望用于食品的乳化状态观察、化妆品和化工材料领域纳米粒子的分散状态以及汽车润滑油和冷却液的观察。

　“能够看到以前看不见的东西可以成为研发领域下一次发展的触发因素。如果您想知道是否可以观察样品的原始状态，请考虑使用这款显微镜进行观察，”Ogure 总结道。

可以以8纳米的分辨率观察纳米结构
大气扫描电子显微镜（ASEM），可用于从病理诊断到化学反应观察的一切

　可以观察水中多种纳米结构的“大气扫描电子显微镜（ASEM）”。该显微镜由生物医学研究部结构生理学研究小组的 Chikara Sato 和 Toshihiko Ogura 与 JEOL Ltd 联合开发，其特点是具有 8 nm 分辨率的高精度。

　该显微镜的拍摄机构如下。首先，将样品固定并用重金属溶液染色。氮化硅薄膜附着在放置样品的培养皿底部。关键是保持该薄膜下方的真空，并保持薄膜上方的大气压力。当电子束在真空中从下到上行进并到达薄膜时，它会穿透薄膜上方 2 至 3 µm。因此，从样品底部开始厚度达 2 至 3 µm，就可以看到样品在水溶液中的自然状态。 ASEM还可以录制视频。 NISP 使用该 ASEM 提供分析功能。

　显微镜的形状也很独特。普通电子显微镜是从上方用电子束照射样品，但本电子显微镜是从下方照射电子束的倒置型电子显微镜。由于重型电子枪位于底部，所以结构非常坚固，有稳定感。

　佐藤说，在东日本大地震期间，强烈震动期间图像变得模糊，但显微镜完好无损，我们能够继续使用它进行观察，没有任何问题。

它也很容易使用。放置样品后，大约一分钟内就会形成真空，打开开关时，门会自动锁定，图像立即出现。只需将您想要查看的部分移动到屏幕中央并使用鼠标将其放大即可。由于培养皿顶部是敞开的，即使样品厚度为1～2厘米也没有问题，无需将样品切成薄片。

　“在 ASEM，我们还在样品上方安装了光学显微镜，因此我们可以将其与电子显微镜图像进行比较。”

　人们相信，前所未有的图像将有助于捕捉细胞内蛋白质的动态运动，并有助于阐明它们的功能。

　这种显微镜的预期应用之一是识别传染性细菌。支原体的诊断非常困难，因为其细胞体积约为大肠杆菌的 1/25，但我们能够使用该 ASEM 成功观察到它。

目前，在癌症手术中，主要通过光学显微镜图像来诊断癌细胞是否已转移至切除的组织。通常，这需要冷冻组织并将其切成约 3 µm 的薄片，获得一个样本的图像大约需要 20 分钟。然而，如果使用ASEM直接观察切除的组织块的表面，所需的时间可以减少到几分钟，从而可能减轻患者的身体负担。

　“我的一个梦想是未来将ASEM用于术中诊断，如果实现了我会很高兴。”

迄今为止，除了医疗、食品和农业领域外，它还被用于观察结构材料的表面以及观察电池开发中电化学反应的电极处晶体的生长。

　当谈到观察水中物质的物理性质时，我认为存在着多样化的需求，不仅在生物领域，而且在物理性质领域和纳米领域。我希望这种可以轻松快速获得高精度图像的显微镜得到广泛应用。佐藤的梦想正在不断扩大。

Takumi 充分利用超分辨率光学显微镜的技术
水溶液中活体样品的高分辨率观察

　超分辨率光学显微镜是一种可以超越传统光学显微镜的分辨率极限并允许在更小的纳米尺度上进行观察的显微镜。

　光学显微镜的分辨率在物理上由光的波长和透镜的特性决定，并且人们一直认为低于分辨率的结构是看不见的。然而，到了 2000 年左右，世界报道了这样的原理：除了光线和镜头之外，通过添加一些独创性，就有可能超越传统限制并看到更小的结构。随后，2010年左右，超分辨率光学显微镜产品开始商用。

　AIST 是最早推出超分辨率光学显微镜的公司之一，并且正在研究它可以获得什么样的图像、它可以用于哪些应用以及如何进一步提高分辨率。即使你了解了原理并且会制作显微镜，你仍然需要技术才能将其投入实际使用。生物医学研究部脑基因研究组的Kaoru Kato利用他独特的技术来制备样品和调整光学系统，成功地进行了日本最高分辨率的观察（细胞40 nm和脑组织切片80 nm）。

　专业的单反相机，如果专业人士用得好，可以拍出表现力很高的精彩图像，但业余爱好者不一定能用同样的方式拍照。要最大限度地发挥相机的性能，需要摄影技术，显微镜也是如此。

此外，使用超分辨率光学显微镜，不仅需要注意设备的调整，还需要注意与被摄体相对应的样品。

　在超分辨率光学显微镜中，样品的质量与分辨率直接相关。选择最佳的荧光染料并制备良好的样品，同时考虑透光率和折射率等光学特性，将极大地有助于提高分辨率。''

　加藤是一位研究人员，拥有使用超分辨率光学显微镜获得良好图像的专业知识和先进技术。他利用在显微镜光学世界核心的美国实验室工作的经验，在日本产业技术研究院 (AIST) 参与了包括设备开发在内的生物仪器研究。加藤拍摄的高清图像也被显微镜制造商用作目录图像。

　“SIM 的分辨率约为 100 nm，但它可以捕获活细胞的视频。另一方面，STED 显微镜产生静态图像，但它们可以使用约 500 nm 的光产生分辨率约为 40 nm 的图像。”