透過電子顕微鏡（TEM）
顕微鏡の分解能は試料に照射するものの波長により決まっており、光学顕微鏡は観察の際に光を利用しているのに対し、TEMは観察の際に電子線を利用しています。
TEM観察用の樹脂包埋試料は、主に超薄切片法を用いて作製されます。
主要な技術
・超薄切片法
細胞・組織の微細構造をできるだけ生体の状態に近く保つように作製した樹脂包埋試料について、ウルトラミクロトームを使用し、ダイヤモンドナイフで薄切する方法です。その内容構造を観察する上で最も正統的・一般的な方法です。
・急速凍結固定法
試料を急速に凍結することで細胞の構成要素を氷の中に封じ込めて物理的に固定する方法です。細胞中の水分を凍結することで生じる氷晶形成による構造破壊が凍結技法の難点となりますが、急速に凍結する事により最小限に抑えた方法です。化学固定よりもアーティファクトが少なく、瞬時に固定することで早い変化を固定することができます。
・加圧凍結固定法
高圧下では水の融点が低下し、細胞損傷の原因となる氷晶形成が常圧よりも起こりにくいという特性を生かして、ダメージの少ない良好な凍結固定試料を得る方法です。従来の急速凍結法よりも組織・細胞の深部まで明瞭な像が得られます。
・凍結置換固定法
凍結固定法と凍結置換法を組み合わせたもので、物理的に固定した試料を低温に冷却したアセトンに浸して試料中の水分とアセトンを置換することによりアセトン中に溶かした化学固定剤で固定する方法です。微細構造の変形、物質の移動、流出が少ないという特徴があります。
・ネガティブ染色法
電子線に対して透過性の悪い染色液で生体高分子粒子を包んだ際に、周辺より電子線の透過性が高い粒子の方が負のコントラストとして表されることを利用した方法です。試料に孔、亀裂、くぼみ、溝があると生のコントラストとして現れます。非常に簡単な操作で高分解の解像を得る事ができるために広く利用されています。
・免疫電顕法
組織や細胞内に存在する特定の抗原の局在を、抗体を用いて電子顕微鏡レベルで検出する手法です。抗原に結合した標識物質を可視化することで、タンパク質などの局在や機能解析に有用です。細胞や組織内での分子の分布を高精度に可視化し、幅広い研究分野で活用されています。
走査電子顕微鏡（SEM）
一方で、低真空SEMでは反射電子を用いて結像しています。反射電子は電子線を当てた際に試料を構成する原子から跳ね返った電子で、二次電子に比べて高いエネルギーを持っています。放出されるエネルギー量は試料表面の組成情報に依存しており、平均電子番号や結晶方位といった組成情報を得ることに適していますが、表面構造を観察するという点においては二次電子に劣っています。しかし、気体分子と散乱を起こす条件（低真空状態）でも検出器での結像が可能であり、また生物のような非伝導性試料の帯電を起こしにくいため、条件次第では金属蒸着を行わずにできるだけ生の状態に近い試料を観察することができます。
主要な技術
・超高分解能低加速電圧（UHR-LV）SEM法
生物試料表面を傷めないよう、低加速電圧領域(LV)の難点であった分解能の低さを克服するため、超高分解能SEMのレンズ系を組み合わせて開発されたUHR-LVSEMを使用した観察法です。導電性のない生物試料をコーティングする事なく観察することができ、試料の最表面の情報を忠実に得る事ができます。
・レプリカSEM法
歯形を作る時に使われるデンタルペーストを生の試料に塗って鋳型を取り、この鋳型を元に作ったレプリカを観察する方法です。生状態の形態がそのまま再現されるという利点の他、試料を生かしたまま経時的に観察できるという特徴を持つため、成長に伴う細胞系譜の解析などに威力を発揮します。
・免疫SEM法
TEMにおける免疫電子顕微鏡法と同様に、抗体を用いて特定の抗原の局在を電子顕微鏡レベルで検出する手法です。SEMの広い視野と三次元的な観察能力を生かし、組織表面や割断面における抗原の分布を可視化できます。組織構築や細胞形態と関連付けた局在解析が可能であり、生命科学・医学研究に広く利用されています。
周辺機器
蛍光顕微鏡
光学顕微鏡の一種で、特定の波長の光(励起光)を当てた時に、特定の波長の光を検出できる顕微鏡です。
蛍光色素には、励起光が当たるとその励起光の波長より長い波長の光を出す特徴があり、これを顕微鏡標本の染色に応用して観察する、蛍光顕微鏡法があります。ある特定の光を蛍光色素分子に当てることにより、目的の細胞内の構造が暗黒を背景にして光ることになり、感度よく目的物を検出できます。GFPを用いて行う生きた細胞での観察や、各種抗体染色観察等、幅広い観察を行うことができます。
ミクロトーム
樹脂包埋した試料を薄切するための装置です。ミクロトームに取り付けたダイヤモンドナイフを使って、樹脂包埋した試料を50nm～80nmの厚さの切片を切り出します。TEM観察の場合、薄切した切片は直径3mmの銅やニッケルでできたマイクログリッドやSin Window Chipに載せ、電子染色の後にTEMで観察します。SEM観察の場合、薄切切片または厚切り切片（200nm～500nm厚）をカバーガラスやスライドガラス、シリコンウエハーなどの基盤に載せ、電子染色およびオスミウムコーティングを行った後にSEMにて観察します。
オスミウムコーター
導電性のないSEM試料に帯電を防ぐためのコーティングを行う装置です。真空チャンバー内に酸化オスミウムガスを導入し、グロー放電によりプラズマ化させることで、試料にオスミウムをコーティングします。白金やカーボンでのコーティングに比べ、より高倍率で微細な構造の観察が可能になります。
イオンスパッター
低真空中で高電圧をかけてグロー放電を引き起こし、発生した陽イオンがターゲット金属(陰極)に衝突することで形成される金属微粒子が試料表面を覆い試料に導電性を持たせます。ターゲット金属には、金、白金、白金パラジウムなどが使われます。試料への回り込みが良く、比較的複雑な形の試料でもしっかり蒸着できます。
臨界点乾燥装置
試料を乾燥させるための装置です。脱水後に超脱水エタノールに浸漬した試料を装置に入れた後、液状二酸化炭素を充填して密閉し、超脱水エタノールと液状二酸化炭素を置換させてから、温度を臨界点以上に上げ気化させます。その状態の温度を保ちながら大気圧まで圧力を下げて乾燥させます。
加圧凍結装置
試料を凍結させるための装置です。試料ホルダーを固定して圧力バルブを開き、高圧シリンダー内の液体窒素に圧力をかけます。この圧力ピストン作動により液体窒素の圧力が増幅され、試料加圧室内に送り込まれます。試料室内に充填されていたエタノールが加圧されて高圧に達すると同時に高圧液体窒素が試料に到達し、高圧化によって試料が凍結されます。
急速凍結装置
試料を凍結させるための装置です。試料を試料ホルダーに固定して、液体窒素で冷却した液化プロパンで満たされた試料筒内に瞬時に落下させ、凍結固定を行います。