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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022033486
(43)【公開日】2022-03-02
(54)【発明の名称】走査型イオンコンダクタンス顕微鏡
(51)【国際特許分類】
G01Q 60/44 20100101AFI20220222BHJP
G01Q 10/06 20100101ALI20220222BHJP
【ＦＩ】
G01Q60/44
G01Q10/06
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020137405
(22)【出願日】2020-08-17
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、「ケミカルマッピングを実現するナノ電気化学顕微鏡の創成」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504160781
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
(74)【代理人】
【識別番号】100114074
【弁理士】
【氏名又は名称】大谷 嘉一
(74)【代理人】
【識別番号】100222324
【弁理士】
【氏名又は名称】西野 千明
(72)【発明者】
【氏名】高橋 康史
(57)【要約】
【課題】走査速度の高速化を図った走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の提供を目的とする。
【解決手段】試料を保持する試料ステージと、プローブを保持するプローブ保持手段とを備え、前記試料の表面と前記プローブの先端部との相対的な水平方向の位置を制御するＸＹ方向制御手段と、前記試料の表面と前記プローブの先端部との垂直方向の距離を制御するＺ方向制御手段とを有し、前記Ｚ方向制御手段はプローブの先端部を試料表面に対して退避制御するための退避モードアクチュエータと、プローブの先端部を試料表面に対してホッピング動作するためのホッピングモードアクチュエータと、プローブの先端部を試料表面に対してトレース動作するためのトレースアクチュエータとを有することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】試料を保持する試料ステージと、プローブを保持するプローブ保持手段とを備え、前記試料の表面と前記プローブの先端部との相対的な水平方向の位置を制御するＸＹ方向制御手段と、前記試料の表面と前記プローブの先端部との垂直方向の距離を制御するＺ方向制御手段とを有し、前記Ｚ方向制御手段はプローブの先端部を試料表面に対して退避制御するための退避モードアクチュエータと、プローブの先端部を試料表面に対してホッピング動作するためのホッピングモードアクチュエータと、プローブの先端部を試料表面に対してトレース動作するためのトレースアクチュエータとを有することを特徴とする。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料を保持する試料ステージと、
プローブを保持するプローブ保持手段とを備え、
前記試料の表面と前記プローブの先端部との相対的な水平方向の位置を制御するＸＹ方向制御手段と、
前記試料の表面と前記プローブの先端部との垂直方向の距離を制御するＺ方向制御手段とを有し、
前記Ｚ方向制御手段はプローブの先端部を試料表面に対して退避制御するための退避モードアクチュエータと、
プローブの先端部を試料表面に対してホッピング動作するためのホッピングモードアクチュエータと、
プローブの先端部を試料表面に対してトレース動作するためのトレースアクチュエータとを有することを特徴とする走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。
プローブを保持するプローブ保持手段とを備え、
前記試料の表面と前記プローブの先端部との相対的な水平方向の位置を制御するＸＹ方向制御手段と、
前記試料の表面と前記プローブの先端部との垂直方向の距離を制御するＺ方向制御手段とを有し、
前記Ｚ方向制御手段はプローブの先端部を試料表面に対して退避制御するための退避モードアクチュエータと、
プローブの先端部を試料表面に対してホッピング動作するためのホッピングモードアクチュエータと、
プローブの先端部を試料表面に対してトレース動作するためのトレースアクチュエータとを有することを特徴とする走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。
【請求項2】
前記退避モードアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より小さく、
前記トレースアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より大きいことを特徴とする請求項１記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。
前記トレースアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より大きいことを特徴とする請求項１記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。
【請求項3】
前記退避モードアクチュエータの応答性が前記ホッピングモードアクチュエータの応答性よりも速いことを特徴とする請求項２記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡に関し、特に走査速度の高速化を可能にするプローブの制御構造に係る。
【背景技術】
【0002】
走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（scanning ion conductance microscope：ＳＩＣＭ）は、走査型イオン伝導顕微鏡とも称され、走査型プローブ顕微鏡（scanning probe microscope：ＳＰＭ）に属する顕微鏡である。
ＳＩＣＭは、プローブとしてナノピペットの内部に電極を挿入し、電解質液で満たしたものを用い、試料を保持した電解質側に設けた電極との間に電圧を加えることで生じるイオン電流を測定することで、ナノピペットと試料との距離を制御し、その際の位置情報から表面情報を得ることができる。
これにより、細胞のように柔らかい生物試料であっても測定可能であり、ナノスケールで可視化できることから、ウイルス等の取り込み等も連続的に可視化できることが期待されている。
この場合に、従来のＳＩＣＭでは、連続走査における時間分解能が不充分であることが技術的課題となっている。
ＳＩＣＭは、プローブとしてナノピペットの内部に電極を挿入し、電解質液で満たしたものを用い、試料を保持した電解質側に設けた電極との間に電圧を加えることで生じるイオン電流を測定することで、ナノピペットと試料との距離を制御し、その際の位置情報から表面情報を得ることができる。
これにより、細胞のように柔らかい生物試料であっても測定可能であり、ナノスケールで可視化できることから、ウイルス等の取り込み等も連続的に可視化できることが期待されている。
この場合に、従来のＳＩＣＭでは、連続走査における時間分解能が不充分であることが技術的課題となっている。
【0003】
特許文献１には、応答時間が異なる２つの圧電アクチュエータを有する走査プローブからなる走査型プローブ顕微鏡を開示する。
同公報に開示する２つの圧電アクチュエータのうち１つは、プローブの先端部を試料の表面に対して反復サイクル（ホッピング動作）させるためのものであり、もう１つは上記のアクチュエータの応答の遅れによるプローブと試料の表面の衝突を回避するためのものと記載されている。
ホッピングモードにて試料表面を走査する場合に、プローブの先端部を試料表面に対して接近及び退避するホッピング動作がイメージングの高速化のボトルネックとなっている。
同公報に開示する退避するためのもう１つの圧電アクチュエータを用いると、アクチュエータの応答の遅れによるプローブと試料の表面の衝突を回避可能となったが、細胞の凹凸は約１０μｍほどあり、接近及び退避の反復サイクルを行うアクチュエータは、この細胞の凹凸にあわせて駆動範囲の長いものを使用しなければならず、応答速度と関連する共振周波数が低いため、走査計測の高速化を困難にする要因の１つになっていた。
同公報に開示する２つの圧電アクチュエータのうち１つは、プローブの先端部を試料の表面に対して反復サイクル（ホッピング動作）させるためのものであり、もう１つは上記のアクチュエータの応答の遅れによるプローブと試料の表面の衝突を回避するためのものと記載されている。
ホッピングモードにて試料表面を走査する場合に、プローブの先端部を試料表面に対して接近及び退避するホッピング動作がイメージングの高速化のボトルネックとなっている。
同公報に開示する退避するためのもう１つの圧電アクチュエータを用いると、アクチュエータの応答の遅れによるプローブと試料の表面の衝突を回避可能となったが、細胞の凹凸は約１０μｍほどあり、接近及び退避の反復サイクルを行うアクチュエータは、この細胞の凹凸にあわせて駆動範囲の長いものを使用しなければならず、応答速度と関連する共振周波数が低いため、走査計測の高速化を困難にする要因の１つになっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第０９３５４２４９号（ＵＳ２０１３０３１２１４３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、走査速度の高速化を図った走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る走査型イオンコンダクタンス顕微鏡は、試料を保持する試料ステージと、プローブを保持するプローブ保持手段とを備え、前記試料の表面と前記プローブの先端部との相対的な水平方向の位置を制御するＸＹ方向制御手段と、前記試料の表面と前記プローブの先端部との垂直方向の距離を制御するＺ方向制御手段とを有し、前記Ｚ方向制御手段はプローブの先端部を試料表面に対して退避制御するための退避モードアクチュエータと、プローブの先端部を試料表面に対してホッピング動作するためのホッピングモードアクチュエータと、プローブの先端部を試料表面に対してトレース動作するためのトレースアクチュエータとを有することを特徴とする。
【0007】
本発明において、Ｚ方向の位置を制御するアクチュエータを上記のように３つに分けたのは、次の理由による。
引用文献１に記載されている反復サイクルのアクチュエータでは、凹凸が約１０μｍもある細胞等の表面をイメージングするには、上記に説明したように高速化が不十分であった。
そこで、本発明は、上記引用文献１に記載されている反復サイクルのアクチュエータを細胞等の試料表面の大きな凹凸形状に沿って全体をトレースするためのトレースアクチュエータと、試料表面に対して接近と退避を繰り返すためのホッピングモードアクチュエータに分けた。
これにより、ホッピングモードアクチュエータの駆動範囲が引用文献１より短くて済み、高速化を図ることが出来る。
従って、退避モードアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より小さく、前記トレースアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より大きいことが好ましい。
また、退避モードアクチュエータの応答性が前記ホッピングモードアクチュエータの応答性よりも速いことが好ましい。
引用文献１に記載されている反復サイクルのアクチュエータでは、凹凸が約１０μｍもある細胞等の表面をイメージングするには、上記に説明したように高速化が不十分であった。
そこで、本発明は、上記引用文献１に記載されている反復サイクルのアクチュエータを細胞等の試料表面の大きな凹凸形状に沿って全体をトレースするためのトレースアクチュエータと、試料表面に対して接近と退避を繰り返すためのホッピングモードアクチュエータに分けた。
これにより、ホッピングモードアクチュエータの駆動範囲が引用文献１より短くて済み、高速化を図ることが出来る。
従って、退避モードアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より小さく、前記トレースアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より大きいことが好ましい。
また、退避モードアクチュエータの応答性が前記ホッピングモードアクチュエータの応答性よりも速いことが好ましい。
【0008】
このことをより具体的に説明する。
プローブの先端部を試料の表面に近づけると、プローブの内部に設けた電極と、試料側の電極との間のイオン電流が変化する。
このイオン電流の変化に基づいて、試料表面の高さ情報や各種試料表面情報を取得することができる。
ホッピングモードの場合に、プローブの先端部を試料表面に近づけていくとイオン電流が減少し、所定の閾値まで減少するとプローブ先端部が試料表面から退避するようにホッピングする。
例えば、ホッピング時のプローブの先端部の移動範囲は、０．００１～５μｍレベルである。
この近接と退避の高速化を実現するには、高速で動くピエゾ素子等のアクチュエータを利用する必要があるが、細胞の凹凸が１０μｍほどであるため、細胞の全体像を捉えることが可能な比較的長いアクチュエータを使用するとなると、その分だけ時間分解能が低下する。
そこで本発明は、ホッピング動作を行うアクチュエータと、細胞表面をトレースするアクチュエータに関して、別々のものを用いた点に特徴がある。
これにより、ホッピング動作を高速に行うこと、凹凸のある細胞のイメージングを両立することが可能となる。
プローブの先端部を試料の表面に近づけると、プローブの内部に設けた電極と、試料側の電極との間のイオン電流が変化する。
このイオン電流の変化に基づいて、試料表面の高さ情報や各種試料表面情報を取得することができる。
ホッピングモードの場合に、プローブの先端部を試料表面に近づけていくとイオン電流が減少し、所定の閾値まで減少するとプローブ先端部が試料表面から退避するようにホッピングする。
例えば、ホッピング時のプローブの先端部の移動範囲は、０．００１～５μｍレベルである。
この近接と退避の高速化を実現するには、高速で動くピエゾ素子等のアクチュエータを利用する必要があるが、細胞の凹凸が１０μｍほどであるため、細胞の全体像を捉えることが可能な比較的長いアクチュエータを使用するとなると、その分だけ時間分解能が低下する。
そこで本発明は、ホッピング動作を行うアクチュエータと、細胞表面をトレースするアクチュエータに関して、別々のものを用いた点に特徴がある。
これにより、ホッピング動作を高速に行うこと、凹凸のある細胞のイメージングを両立することが可能となる。
【0009】
ホッピング動作の高速化に加え、ＸＹ方向の水平方向にステップ状の移動のたびに生じる待ち時間を削減するため、例えば、図３、右側に示すように、Ｘ軸方向に等速に移動させながらホッピングを行い、試料表面に達したところで、ＸＹＺの座標を記録する。この座標を例えば、1024×1024に分割したＸＹ座標に当てはめ、さらに、各点の間を演算処理により補完することで、ピクセルサイズに合わせ、ホッピング後に一定のステップでＸＹ方向の移動を行う必要がなくなり、ステップ状にＸＹ方向を移動させた後の待ち時間をなくすことが可能となる。
【発明の効果】
【0010】
本発明においては、プローブの先端部を試料表面に対して垂直方向のＺ方向制御手段として、退避モード，ホッピングモード及びトレースモードにそれぞれ対応させた３つのアクチュエータを設けたので、連続的な計測走査の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明に係るＳＩＣＭのＸＹＺ走査機構の模式図を示す。
【図2】（ａ）は顕微鏡本体から取り外し可能なアクチュエータ及び計測器の取付け構造を示す。（ｂ）は細胞からなる試料を計測するイメージ図を示す。
【図3】本発明に係るＳＩＣＭを用いた走査方法の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明に係る走査型イオンコンダクタンス顕微鏡のＸＹＺ軸方向制御機構（走査機構）の構造例を以下図に基づいて説明する。
図１に示すように、除振台１１の上面に水平方向のＸＹ方向に移動制御可能なＸＹステージ２２を設けてある。
本実施例では、このＸＹステージ２２に試料を保持するための試料ステージ２３が設けられ、図示を省略したが電極が取り付けられている。
Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、ピエゾ素子にて制御されている。
Ｚ軸方向は、除振台１１から立設した支持部１２を介して上下方向に移動制御可能なステッピングモータ１３を有している。
本実施例では、プローブ２４をＺ軸方向に制御するためのアクチュエータと、イオン電流を計測するための小型の計測器２０をステッピングモータ（顕微鏡本体）から取り外し可能な構造になっているが、アクチュエータ機構をステッピングモータに直接的に取り付けてもよい。
図１に示すように、除振台１１の上面に水平方向のＸＹ方向に移動制御可能なＸＹステージ２２を設けてある。
本実施例では、このＸＹステージ２２に試料を保持するための試料ステージ２３が設けられ、図示を省略したが電極が取り付けられている。
Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、ピエゾ素子にて制御されている。
Ｚ軸方向は、除振台１１から立設した支持部１２を介して上下方向に移動制御可能なステッピングモータ１３を有している。
本実施例では、プローブ２４をＺ軸方向に制御するためのアクチュエータと、イオン電流を計測するための小型の計測器２０をステッピングモータ（顕微鏡本体）から取り外し可能な構造になっているが、アクチュエータ機構をステッピングモータに直接的に取り付けてもよい。
【0013】
取付具１５は、図２に示すように凹部形状（孔でもよい）の取付部１５ａ，１５ｂを有し、ステッピングモータ１３側の支柱状の固定部１４ａ，１４ｂに、ねじ部材１４ｃ，１４ｄを用いて脱着可能になっている。
取付具１５の下側にトレースアクチュエータ１６，ホッピングモードアクチュエータ１７及び退避モードアクチュエータ１８をこの順に取り付けてあり、最下端の退避モードアクチュエータ１８にはプローブ保持手段１９を連結してある。
上記３つのアクチュエータは、それぞれピエゾ素子からなる。
プローブ保持手段には、固定ネジ１９ａを用いて脱着自在にプローブ２４が取り付けられている。
プローブ２４は、例えばガラスナノピットからなり、その内部に電極を挿入し、電解質で満たしてある。
取付具１５の下側にトレースアクチュエータ１６，ホッピングモードアクチュエータ１７及び退避モードアクチュエータ１８をこの順に取り付けてあり、最下端の退避モードアクチュエータ１８にはプローブ保持手段１９を連結してある。
上記３つのアクチュエータは、それぞれピエゾ素子からなる。
プローブ保持手段には、固定ネジ１９ａを用いて脱着自在にプローブ２４が取り付けられている。
プローブ２４は、例えばガラスナノピットからなり、その内部に電極を挿入し、電解質で満たしてある。
【0014】
本発明はＺ軸方向の位置制御を行うアクチュエータを機能毎に３つに分けた点に特徴があり、イオン電流等を検出、計測する計測器２０の取り付け方や、その構造に制限はない。
本実施例では、プローブ２４側の電極と試料側の電極との間に電圧を印加し、両電極間に流れるイオン電流の微小電流を計測するための計測器２０を取付具１５から垂下した計測器保持部２１を介して、このアクチュエータと一体的に設けてある。
本実施例では、プローブ２４側の電極と試料側の電極との間に電圧を印加し、両電極間に流れるイオン電流の微小電流を計測するための計測器２０を取付具１５から垂下した計測器保持部２１を介して、このアクチュエータと一体的に設けてある。
【0015】
図２（ｂ）に基づいて走査計測の例を説明する。
図２（ｂ）には、試料１として細胞を模式的に示してある。
試料１の表面にプローブ２４の先端部を近づける。
プローブ２４の先端部が試料表面の近傍に位置すると、ホッピングモードアクチュエータ１７が作動し、イオン電流値を計測しながら、さらに試料表面に向けて下降する。
イオン電流が減少し所定の閾値まで下がると、退避モードアクチュエータ１８が作動し、プローブ２４の先端部を速やかに僅かな距離だけ退避させた後に、ホッピングモードアクチュエータ１７の作動により、図２（ｂ）に矢印で示すようにホッピング２する。
このホッピング動作の間に、Ｘ軸方向又は／及びＹ軸方向に相対的に移動することで、細胞の表面形状がトレース３される。
図２（ｂ）には、試料１として細胞を模式的に示してある。
試料１の表面にプローブ２４の先端部を近づける。
プローブ２４の先端部が試料表面の近傍に位置すると、ホッピングモードアクチュエータ１７が作動し、イオン電流値を計測しながら、さらに試料表面に向けて下降する。
イオン電流が減少し所定の閾値まで下がると、退避モードアクチュエータ１８が作動し、プローブ２４の先端部を速やかに僅かな距離だけ退避させた後に、ホッピングモードアクチュエータ１７の作動により、図２（ｂ）に矢印で示すようにホッピング２する。
このホッピング動作の間に、Ｘ軸方向又は／及びＹ軸方向に相対的に移動することで、細胞の表面形状がトレース３される。
【0016】
このようにして、Ｚ軸方向のアクチュエータを上記の３のそれぞれの異なる機能に合せて３つに分けて設けたので、図３右側に示すような走査方法を高速に行うことができる。
図３には、矢印でプローブの動きを示す。
従来は、図３左側に示すようにＸ軸方向への移動時にステップ状に動かしていたため、所定の待ち時間を設けてホッピング動作する必要があったが、本発明では、この待ち時間を設けることなく連続的に等速で移動させながら計測を行うことが可能になった。
図３には、矢印でプローブの動きを示す。
従来は、図３左側に示すようにＸ軸方向への移動時にステップ状に動かしていたため、所定の待ち時間を設けてホッピング動作する必要があったが、本発明では、この待ち時間を設けることなく連続的に等速で移動させながら計測を行うことが可能になった。
【符号の説明】
【0017】
１ 試料
２ ホッピング
３ トレース
１１ 除振台
１２ 支持部
１３ ステッピングモータ
１４ａ 固定部
１４ｂ 固定部
１５ 取付具
１６ トレースアクチュエータ
１７ ホッピングモードアクチュエータ
１８ 退避モードアクチュエータ
１９ プローブ保持手段
２０ 計測器
２１ 計測器保持部
２２ ＸＹステージ
２３ 試料ステージ
２４ プローブ
２ ホッピング
３ トレース
１１ 除振台
１２ 支持部
１３ ステッピングモータ
１４ａ 固定部
１４ｂ 固定部
１５ 取付具
１６ トレースアクチュエータ
１７ ホッピングモードアクチュエータ
１８ 退避モードアクチュエータ
１９ プローブ保持手段
２０ 計測器
２１ 計測器保持部
２２ ＸＹステージ
２３ 試料ステージ
２４ プローブ
【図1】
【図2】
【図3】
