LSME よるセロハンの紙遭瀝究 1. 緒言材料の構造例えば表面の凹凸や微細孔を評価する際の最も代表的な技術の一つは顕微鏡法であるこの技術は制限された視野内の情報しか評価できないため必ずしも全体を代表しているとは限らないが実際に形状や大きさを直接目で見ることができるという点で極めて優れてい

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みさえとどろき
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1 日本包鋳学会 H 態 VbL4jVb 3α995) 一 6 論文共焦点レーザースキャン顕微鏡 (LSM) によるセロハンの構造研究古田拓傘伊藤研策卒 * 伊勢典夫 * CeIIophaneStructureasStudied byconfocallaserscanningmicroscope TakuFURUTA.,KensakulTO..,NOIiolSE ThestructmBofcellophanewasstudiedbyusingconfOcallaserscannmglmcmscopy ByusingLSM,ceUophanesamplecouldbeobsewedcontmuouslyfmmtoptobottom smfacesasopticalcmss-sectionalimages,thethh e-dimensionalimagewas constructed fmmaseriesofopticalcmss-sectionslnspiteofthetmⅡ 巧 paⅡ 巳 ncyofthematenalthe surfacedep1 ssionandelevationofceuophanecouldbeeasilyanddeanyvisualized Theth 妃 e-dimensionalstmctumlinformationsuchasshape,diametendepth,andheightof surfacedepl 巴 sslonandelevationwe 兎 determined Thedistancebetweentopandbottom smfacesestimatedfmmthepositionsofthefbcalplanecom 巳 spondedtolocalsample thicknessthelsmwasdemonstmtedtobeusefuli thedeterminationoflocalfluctuatio ofsamplethickness Keywords:CeUophane,Structux OIaserscannmgmlcmscope 共焦点レーザースキャン顕微鏡 (ISM) を用いてセロハンの構造について検討した LSM を用いることによってセロハン試料は光学的切片イメージとして表から裏面に至るまで連続的にしかも容易に観察できた一連の光学的切片イメージを合成することによって得た三次元再構築イメージからは試料の透明性にもかかわらず表面の凹凸構造が明瞭となった凹凸栂造の形状径深さ高さを測定した試料の表面と裏面との焦点面の位置の差から試料の厚さを決定し微小領域での厚さ変動の評価を試みたキーワード : セロハン摺造レーザースキャン顕微鏡レンゴー ( 株 ) 中央研究所 ( 553 大阪市福島区大関 4 字 1- 噸兆 qsmtulll4epr さ rqmlfehgqgg: 幽関 ,Ohhira1d,Fukushima-kUOsaka,553. 富山大学工学節化学生物工学科 ( 980 富山県富山市五福 3190): ToyamaUniversitybDepartmentofChemicalandBiochemicalEngineeri 9,319qGOhuku,Toyama-shiO ToyamaP

2 LSME よるセロハンの紙遭瀝究 1. 緒言材料の構造例えば表面の凹凸や微細孔を評価する際の最も代表的な技術の一つは顕微鏡法であるこの技術は制限された視野内の情報しか評価できないため必ずしも全体を代表しているとは限らないが実際に形状や大きさを直接目で見ることができるという点で極めて優れている一般には光学顕微鏡走査型電子顕微鏡 (SEM) 透過型電子顕微鏡 (TEM) が用いられている通常の光学顕微鏡は操作は簡便であるものの観察倍率や解像度に限界があるまた基本的にセロハンのような透明性の高い試料の観察には適さない一方 SEMやTEMなどの電子顕微鏡では非常に高倍率での観察が可能でしかも試料の透明性は問題とならないしかし試料調製が煩雑で特にTEMでは顕著であるまた材料によっては電子線による試料の損傷が問題となるわれわれはセロハンの構造研究に共焦点レーザースキャン顕微鏡 (LSM) 詔) を用いた LSMはこれまで主に医学生物学分野においてレーザー光を蛍光励起光源として生物試料を観察するために利用されてきたしかし近年 LSMの特徴の一つである共焦点系を最大限に活用することにより工業製品を含むさまざまな材料の構造研究に利用されつつある1~,) LSMの光学系をFig.1に示す通常の光学顕微鏡では広い範囲が照明されるのに対し LSMは微小サイズのレーザースポットが試料のある一平面上を走査する従って周囲からの散乱または反射光が制限され高コントラスト像が得られるため透明性の高い試料であっても凹凸や孔のような構造があ _ 瞳仁 ~ く lde ecter 韮二薊 -- 師.' hl6 Fig.1PrincipleoftheconfocaIIaser scanningm 絶 roscope れば反射光強度の差として検出することが可能となるまた試料上の焦点面からの反射光だけが検出器手前に配置されたピンホールを通過できるため非常に焦点深度の浅い像すなわち光学的切片が得られるこれらの像と焦点面の位置とから構造の高さや深さのような三次元情報が得られるまた一連の光学的切片を合成することにより極めて焦点深度の深い像を再構築することもできるビスコース法再生セルロースフィルムであるセロハンの歴史は古いまた近年生分解性という観点からセルロース製品が注目を集めているにもかかわらずセロハンの構造に関する研究例は少なくわれわれの知る限り光学顕微鏡によるものはないこの理由はセロハンの高い透明性にあると考えられる本報告では LSM でセロハンの構造を評価するとともに透明性の高いフィルム試料の構造研究における LSM の有効性について検討したなお LSM によるセロハン構造の予備的研究結果はすでに報告した 8) -211-

3 日本包鍵学会厳 VbL4MQ3a995) 2. 実験部 ) に焦点面を合わせたときのイメージであるこの位置を基準 (=O) とし 0.5 mず 2.1 共焦点レーザースキャン顕微鏡 (LSM) つフィルム内部方向へ焦点面の位置を移動さ倒立型共焦点レーザースキャン顕微鏡せながら6.5 似 mまで計 14 枚の光学的切片イ LSM410(CarlZeiss,Oberkochen,Germa メージを調製した (b) はこのうち焦点面の ny) を用い反射光共焦点モードで検鏡した位置が3 匹 mのイメージであり視野のほぼ Ar-Krレーザー (488,568,647,m) を光中央部に焦点があっている (c) は焦点面の源とし LDEpiplan50x/ 50またはEpi plan-neofluar100x/0.90を対物レンい位置 ( 画面右下 ) に焦点があっている以位置が6.5αmのイメージで視野内で最も低ズとした上の (a)-(c) のイメージはすべてある一方の表面を捉えたものであるがさらに焦点面 2.2 試料を移動していくと反対の表面からのイメージ A 社製の試料 A1 A2 B 社製の試料 B C も捉えることができる (d) は (a) の焦点面社製の試料 Cの計 4 種類の普通セロハンの位置を基準 (=O) としたときの16.5 匹 mに Pr300を試料とした構造観察には試料 A1 おける光学的切片イメージであり視野のほ B Cを用い約 5mm 10mmの穴をあけたぼ中央部に焦点があっている視野内の同一プラスチック板にこれらのセロハン試料を固部位に焦点のあっている (b) と ( ) の焦点定しカパーガラスを介さず穴の部分を観察面の位置の差からこの部分における試料の厚した厚さ変動を評価する際は約 6mm 四方さが計算できるここでは16.5 匹 -3 処のセロハン試料 A2の小片を2 枚のカバーガラ =13.5αmであったこの値はこの試料を5 スの間に挟みマニキュアで周囲を固定して枚重ねてダイヤルゲージで測定することによ観察したこの厚さはダイヤルゲージで測定って得た1 枚あたりの厚さ20.OJumよりかなしたところ323 匹 mであったカパーガラスり小さく非常に小さな領域での厚さ変動が 2 枚の厚さは304 mであったのでセロハン大きいと結諭される小片の厚さはl9umと計算できたちなみに Fig.3はFig.2に示した一連の光学的切片カバーガラスに挟む前に直接ダイヤルゲージイメージを合成して調製した再構築イメージで測定したこの小片の厚さも19 匹 mであっである (a) は焦点面の位置 O~6.5 処 mで得たた14 枚の光学的切片イメージから再構築したセロハン表面のイメージである (b) は同 3. 結果および考察じ光学的切片イメージから調製した三次元再構築イメージであるこのようにZ 方向の情 3.1 構造の三次元評価報を色分けして視覚化することによって構造セロハンの代表的なLSMイメージとしての三次元的評価が可能である (c) は (a) の試料 A1の光学的切片イメージをFig.2に示反対側の表面すなわち焦点面の位置 13~ した (a) は視野内で最も高い部分 ( 画面上 19.5 匹 mで得た14 枚の光学的切片イメージか -212-

LSM によるセロハンの閲田遥擁鏥らの再構築イメージである (a) に認められる構造やフィルム内部の構造のために反射光が検出できずに黒く抜けている部分もあるが試料を裏返して厳密な位置決めを行ったりすることなく完全に表裏の情報を比較できることが判明した構造の三次元評価の一例として試料 A1に認めた代表的な構造をFig.4に示した (a) は0.

4 LSM によるセロハンの閲田遥擁鏥らの再構築イメージである (a) に認められる構造やフィルム内部の構造のために反射光が検出できずに黒く抜けている部分もあるが試料を裏返して厳密な位置決めを行ったりすることなく完全に表裏の情報を比較できることが判明した構造の三次元評価の一例として試料 A1に認めた代表的な構造をFig.4に示した (a) は0.2αmごとに調製した一連の光学的切片イメージであり (b)(c) はその再構築イメージである (c) の三次元再構築イメージでは赤で示された部分が最も高く青の部分が最も低いこれらのイメージからの三次元評価結果は右上の構造が凹構造で最大径約 6 匹深さ約 0.6/4m 左下の構造が凸構造で最大径約 nm 高さ約 1.0 四 mとなった試料 B 試料 Cに認められた代表的な構造の三次元再構築イメージをFig.5に示した (a) (b) に示した試料 Bの構造はほぼ同様のものがこの試料の表裏両面に多数認められすべて凸構造であったここに示した構造では直径 4.3um 高さ約 1.0 匹 mであった (c)( ) に示した試料 Cの構造はこの試料のある一方の表面にのみ存在しすべて凹構造であった大きさは一様ではないがほぼ最大径で0. 5αm 深さ0.3 仏 mであった 3.2 微小部での厚さ変動評価 Fig.2の考察に示したようなLSMによる表裏の焦点面の位置から決定したセロハン試料の厚さはダイヤルゲージで測定した厚さに比べて小さかったこのことから顕微鏡レベルの非常に小さな領域での厚さ変動が推定されたので試料 A2を用いてさらに検討した LSMを用い試料 A2のマシン方向 (MD.) とクロス方向 (CD.) に沿ってそれぞれ 5000 LIm を 100 仏 m ごとに移動させながら表裏両面の焦点面の位置を決定した Fig.6 にクロス方向に沿っての厚さ変動を示した 2 本の破線は LSM で決定した表裏両表面の焦点面の位置を示すしたがって破線で挟まれた部分の形状が断面形状に相当し破線間の垂直方向の間隔が厚さに相当する LSM で決定した厚さは約 11~15 匹 m で変動しておりダイヤルゲージで測定した厚さ 19αm よりかなり小さかった断面形状に相当する 2 本の破線間を挟み込む最小間隔の平行線を実線で示したこれはダイヤルゲージの測定部を想定したものでその間隔は 19.6 m となりダイヤルゲージによる測定値とほぼ一致したマシン方向についても同様の評価を行ったところ ISM で決定した厚さは 10~l5LZm で変動しており平行線の間隔は 16.9 浬 m となった以上の結果からセロハンの厚さは実際には 10~l5Llm でありダイヤルゲージで測定した厚さには顕微鏡レベルの非常に小さな領域での厚さ変動や特にクロス方向ではうねりが影響を及ぼしていると考えられた 4. 結論 LSM によってセロハンの三次元的な構造評価が可能であったまた微小領域での厚さ変動を測定することができダイヤルゲージで測定した厚さ 19 匹 m に対して実際の厚さは 10~15 m 程度と推定されたセロハンのような透明性の高い試料の構造研究のための新しい手法として ISM が有効であることを確認した -213-

日本包菱学会誌 vojl4jvb. aa995) (a (b に ( ) Fig2 Opticalcross-sectionsofceI1ophane(sampIeA1)obtainedbylaserscanningmIcroscope. (a)thehighestareainthefieidofvisionwasfocaiized.(depth=o).

5 日本包菱学会誌 vojl4jvb. aa995) (a (b に ( ) Fig2 Opticalcross-sectionsofceI1ophane(sampIeA1)obtainedbylaserscanningmIcroscope. (a)thehighestareainthefieidofvisionwasfocaiized.(depth=o).(b)depth=31 m ThefocaIpIanewasmoved3Umintothesample ThecenterinthefieIdofvisionwas focaiized.(c)depth=6.5um.( )depth=16.51 m ThefocalplanewasmughIyonthe unde sidesu faceofthesampiathefocuswasonthecenterofthefieidofvision. (a (b (c) Fig.3 3-DimensionaIimagesofcelIophane(sampIeA1) econst uctedfromtheopticaicmss-sections. (a)reccnstructedimageusingl4cross-sections.(depth=0-6.5um),(b)coiored3-dimensionai imagathepianeshowninredis6.51 mabovethepianeinblue.(c)reconstructedimageof theundersidesurfaceusingl4cross-sections.(depth-13um-1g51 )

Ⅱ LSA' によるセロハンの鎌遭厩錨 (a (b に Fig.4 Opticalcross-sectionalviewsand3-dimensionaIimagesshowinganelevationandadepressiononcellophane(sampIeA1)Surface.(a)9cross-sectionalviews.(depth=0-1.

6 Ⅱ LSA' によるセロハンの鎌遭厩錨 (a (b に Fig.4 Opticalcross-sectionalviewsand3-dimensionaIimagesshowinganelevationandadepressiononcellophane(sampIeA1)Surface.(a)9cross-sectionalviews.(depth=0-1.6 Um),(b)Reconstructedimageusingthecross-sections.(c)CoIored3-dimensionalimage Theplaneshownin edis1.6umabovethepianoinbiue. (a) (b 11 ザ 3 凸ロ J1 クマ 5 且 ~ -- (c ( lilll Fig.5 3-DimensionaIst uctu aiimages.(a)and(b)amareconstructedimageshowinganeievation st uctureoncel1ophanesampiebanditscoiomd3-dimensionalimage rospectively Theplane showninredisl6umabovethepianeinblue.(c)and( )areareconstructedimage showinganumbe ofdepressionsonceliophanesamplecanditscoio ed3-dimensionaiimage, respectively Theplaneshownin ediso6i mabovethepianeinbiue

7 0 日卒包鍔裳会厳 VbL jvb,aa995) ( ロヨ )1 自国ロ詞 opo 垣窃四蛎癒二二論ヴニーも UndeTsidB も - ~ ちびワ ~~~ わももここ U -, グーひひ -S-C S-C ~ もグ句もひ 19.6 匹ノー BasBSurIace 亀 = ここミミーハーノヘ = -30 上 Length(α ) < 引用文献 > 1)YOungJ.Z androbeitaf.,natui 167, 231(1951) 2)WUke,V,Scanning7,88(1985) 3)Wilson,T,ConfOcalLaserScanningMi cmscope,wilson,me.,academicpress, London,pl(1990) 4)HYOshidaKIto,andN Ise,Phys Rev. B44,453(1991) 5)KIto,HYOshida,andNIse,Science 263,660994) 6)JangHF.,Robertson,AG,andSeth,R S.,Tappi74UO),217(1991) 7)Verhoogh,H,vanDanLL,Posthumade Boer,.,Dmaijer,A,andHoupt,P.M, Polymer34(6),1325(1993) 8)T FumtaYBMOxikawa,KIto,andN Ise, Tappi77(8),128(1994) ( 原稿受付 1994 年 6 月 20 日 ) ( 審査受理 1995 年 2 月 14 日 ) R9.6 LocaIfIuctuationofthethicknessofcellophane(sampleA2)alongcmss-dirGction -216-

<4D F736F F F696E74202D C834E D836A834E83588DDE97BF955D89BF8B5A8F F196DA2E >

<4D F736F F F696E74202D C834E D836A834E83588DDE97BF955D89BF8B5A8F F196DA2E > 7-1 光学顕微鏡 8-2 エレクトロニクス材料評価技術途による分類透過型顕微鏡体組織の薄切切や細胞細菌など光を透過する物体の観察にいる落射型顕微鏡 ( 反射型顕微鏡 ) 理学部材料機能学科属表や半導体など光を透過しない物体の観察にいる岩素顕 iwaya@meijo-u.ac.jp 電線を使った結晶の評価法透過電顕微鏡査電顕微鏡実体顕微鏡拡像を体的に