ミクロトームの活用事例 その１

Unilab特別編集版

１．はじめに

　科学はすべて見ることから始まる。細菌学そして天文学などがそうだ。つまり肉眼または顕微鏡や望遠鏡などの機器による観察をまず行い情報を手に入れる。小さな対象は0.1㎜（100 µm） 程度までなら肉眼で識別できるが、それ以下の場合顕微鏡が要る。可視光を利用する光学顕微鏡は、どんな工夫をしてもおよそ0.0002 mm（200 nm）の大きさまでである。それより小さい場合、電子線を用いる電子顕微鏡に頼らざるを得ない。
　工業材料や製品の観察と分析も同様であり顕微鏡は、観察用の機器として重要な役割を担う。欠陥や構造、品質の解析に欠かせない。例えば付着物、腐食、変色、汚れ、異物、構造、欠陥、介在物、偏析、界面などを観察し、必要な情報・データを得て解析する。そうした情報は、表面からも得られるが、内部を露出させた観察が有用である。
　そうした内部の情報を得る断面試料は、種々の方法を用いて作製する。例えば、ナイフによる切断（切断法）、凍結後に分割（割断法）、研磨、樹脂包埋―研磨、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリング等が挙げられる。そして断面試料は、上記の他にミクロトームが使える。
　本稿は、ミクロトームにより作った試料の走査電子顕微鏡（SEM）による観察及びFT-IRによる定性分析を含む事例を2つ紹介する。

２．ミクロトームについて

　ミクロトームは、試料を厚さ数μmの薄片状に切り出す装置であり、1824年にドイツのBenedikt Stillingが考案し、1846年に大脳、脳幹、脊髄の標本作製に用いたのが始めとされる。生物の細胞や組織を顕微鏡観察する際、「かさ」の大きな試料から薄く均一に切り出した薄片が必要となる。被写界深度や電子線透過のため極めて薄い試料が要るのだ。薄く均一に切り出すことを「薄切（はくせつ）」と言い、薄切に使用する装置がミクロトームである。薄切して得た試料を「薄切切片」または「切片」と呼ぶ。

　近年前述の生物試料観察のほか、多層フィルム等の有機材料も同様に薄切し試料とする場合が増えてきた。得られた切片を顕微FT-IR 分析に用いて各層の材質を判定したり顕微鏡観察をしたりする。ミクロトームにより薄切すると
二つの界面が得られ、一方を切片として他方を切断面（断面試料）として双方を観察・分析の対象とする。つまりその断面が平滑となっているため、各種顕微鏡観察用の断面試料作製法としても活用できる。さらに、通常のミクロトームに冷却ユニット（凍結冷却アダプター）を装着し、試料を冷却しながら薄切すれば、ゴムや樹脂のように弾性変形する機械研磨が困難な材質もその切片及び断面試料が得られる。（図1）

❶固定したナイフに試料を押し当て、下側にスライドして切断する。
❷ナイフ上に切片が残る。

３．事例紹介（食品包装フィルムの層構成確認）

　食品を包んでいたフィルムを有姿のまま薄切し、その断面を観察するとともに、層構成及び材質を判定した。フィルムは柔らかい材料であり、前述のとおり冷却操作が要る。ミクロトームを用いて薄切して得た切片をFT-IR 分析に、断面試料をSEM 観察に供した。次に前処理の手順そしてそれぞれの観察・分析の結果を示す。

３. １　前処理

３. ２　SEM 観察結果

　前処理を行い得た食品包装フィルムの断面試料をSEM 観察した。併せてその断面試料（ミクロトーム切断面）と比較するため、前述の断面試料作製の中で比較的簡便な手法として挙げられるナイフ切断面も同様に作製し、SEM 観察に供した。（注：食品側を仮に第１層とした。）

　図２のナイフ切断面は全体に平滑でなく、切断方向に引き摺りが生じている。おおまかに、3 層構成が判別できる程度である。
　ミクロトーム切断面は、図３の薄切方向に多少の引き摺りが見られるものの、全体に平滑となっており、各層の厚みや添加剤の有無が観察できる。図４の1μm 程度の中間層（第2 層）も明瞭に観察できる。
　ミクロトームを使い薄切した断面試料は、ナイフ切断面と比べSEM 観察にも耐えうる十分な平滑さがあり微細構造を判断できる。特に中間層（第2 層）は、1μm 程度の2 層に分かれており、食品側の層は斑点状の模様が確認できる。
中間層の2 層は形態が異なることから、いずれも第1 層又は第3 層の材質と異なると推定される。このようにミクロトームを用いる試料作製は、簡便ながら多層フィルムの構造解析に有効な手法と言える。

３. ３　FT-IR 分析結果

　同様に食品包装フィルムの前処理から得た厚さ5 µmの切片を顕微FT-IR分析に供した。食品側（第1層）はポリオレフィン、大気側（第3層）はポリアミドが検出された。（図5～8）

　顕微FT-IR の分解能が10μm 程度であるため、数μm の中間層だけの分析は困難である。食品側（第1 層）及び大気側（第3 層）の両層を含む分析を実施したところ、ポリオレフィン及びポリアミドのほか、エステル結合に由来する図5 のC=O 吸収が認められた。したがって、中間層はエステル系の樹脂を含むと推定される。
　以上をまとめると分析に供した食品包装フィルムは、3 層からなり中間層は更に2 層に分かれている。食品側（第1 層）がポリオレフィン、大気側（第3 層）がポリアミド、中間層はエステル系の材料2 層からなる多層フィルムである。第1 層の厚みがおよそ40μm、第3 層が15μm、中間層が厚さ5μm 以下となっている。確認される添加剤そして薄い中間層の材質等の判定には、顕微ラマン分光法等の分析手法が有用であろう。

４．まとめ

　断面試料作成は、試料調整による変形・変質が少なく、元の試料の状態を保ったまま断面を現出させることが求められる。その点においてミクロトームは材料分析の前処理の幅を広げる装置といえる。
　弊社では既設のミクロトームに加えて、2021 年に冷却ユニットを増設した。ミクロトームと冷却ユニットを併用すれば、テープ等の粘着層を含んだ試料でも平滑な断面が得られる。養生テープをサンプルとした事例を別途当社HP（Uni-Lab）に公開予定のため是非ご確認頂きたい。
　正確な前処理で得られた分析結果が、今後様々なモノづくり分野の研究開発や品質管理の一助となれば幸いである。

ミクロトーム活用事例 その２ 養生テープ事例