生物学用顕微鏡をレーザーで高性能化 (Making the World’s Best Microscopes for Biology Better)

2026-02-17 コロンビア大学

米ニューヨークにある Zuckerman Institute の研究チームは、生命科学向けの顕微鏡性能をさらに向上させる新技術を開発した。現在生物の微細構造観察に最も強力な手法の一つとされる クライオ電子トモグラフィー(cryo-ET) は、急速冷却した試料に高速電子線を当てて3D画像を生成するが、電子と生体分子との相互作用が弱く、コントラストの低さという課題があった。研究では、コーネル大学との共同でレーザーをクライオ-ETに組み込み、電子が試料を透過する直前のタイミングでレーザーを照射して電子の位相を変化させることで、画像のコントラストを大幅に改善することを目指している。このアプローチにより、脳細胞内の分子などナノスケール構造を ほぼ原子レベル で明瞭に可視化でき、神経科学や分子生物学の研究を飛躍的に進展させる可能性がある。成果は査読付き誌 eLife で発表された。

<関連情報>

電子顕微鏡における位相変調のためのパルスレーザーレンズ Pulsed laser lensing for phase modulation in electron microscopy

Daniel X Du,Adam C Bartnik,Cameron JR Duncan,Usama Choudhry,Tanya Tabachnik,Chaim Sallah,Yuki Ogawa,Ebrahim Najafi,Ding-Shyue Yang,Anthony WP Fitzpatrick,…
eLife  Reviewed Preprint v1:February 17, 2026
DOI:https://doi.org/10.7554/eLife.109793.1

生物学用顕微鏡をレーザーで高性能化 (Making the World’s Best Microscopes for Biology Better)

Abstract

Phase contrast electron microscopy is fundamental for visualizing unstained biological specimens. Advances in electron detection have not yet overcome the low contrast caused by weak scattering. Here, we demonstrate that an orthogonal pulsed laser-electron beam interaction produces a pronounced peak phase shift of 430 radians through ponderomotive defocusing, leading to a maximum angular deflection of 45 µrad. Experiments encompassing a variety of probe pulse energies and pump positions verified the properties of the electron pulses in a range of pulse durations from 5.8 ± 1.9 ps to 13.4 ± 0.9 ps and a width of 15.0 ± 2.6 µm at the interaction region. The stability of the beam was also tested across 10 hours of cumulative acquisition time, with only small variations in laboratory conditions resulting in a gradually shifting baseline measurement. Pulsed laser lensing of the electron beam offers the potential for refinement in phase shift and electron beam shaping with careful consideration to the overlap between laser and electron pulses. Calculations of phase shifts across a wide experimental envelope show that poorly chosen laser parameters can generate large incoherent distributions at both 30 keV and 300 keV. Thus, a delicate balance between laser and electron widths and pulse durations must be struck to adequately achieve uniform phase shifts, particularly when singling out specific beamlets in the back-focal-plane.

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