特開 2023-140768 試料測定装置、試料測定システム及び人工授精装置

(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】P2023140768

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】試料測定装置、試料測定システム及び人工授精装置

(51)【国際特許分類】

   G01Q 30/14 20100101AFI20230928BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20230928BHJP

   G01R 33/20 20060101ALI20230928BHJP

   G01R 33/26 20060101ALI20230928BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20230928BHJP

   G01N 24/00 20060101ALI20230928BHJP

   G01Q 60/52 20100101ALI20230928BHJP

   G01Q 80/00 20100101ALI20230928BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20230928BHJP

   C12M 1/34 20060101ALI20230928BHJP

   C12Q 1/02 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

G01Q30/14

G01N21/64 E

G01R33/20

G01R33/26

G01R33/02 R

G01N24/00 G

G01Q60/52

G01Q80/00 121

C12M1/00 A

C12M1/34 A

C12Q1/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022046774

(22)【出願日】2022-03-23

【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）令和２年度文部科学省 科学技術試験研究委託事業「量子計測・センシング技術研究開発」のうち「固体量子センサの高度制御による革新的センサシステムの創出」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】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(71)【出願人】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】高口 雅成

(72)【発明者】

【氏名】中山 丈嗣

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 龍治

(72)【発明者】

【氏名】神長 輝一

(72)【発明者】

【氏名】塚本 智史

【テーマコード（参考）】

2G017

2G043

4B029

4B063

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AD69

2G043AA03

2G043BA17

2G043CA04

2G043DA06

2G043EA01

2G043FA01

2G043FA02

2G043LA03

4B029AA01

4B029AA07

4B029AA25

4B029BB11

4B029FA15

4B063QA05

4B063QA20

4B063QQ08

4B063QS39

4B063QX01

(57)【要約】

【課題】外部刺激を与える機構を設置可能にして、細胞の外部刺激に対する構造的、電磁気的な変化をＮＶセンタで高感度に計測可能にする。
【解決手段】試料に外部刺激を与えることにより試料の状態を変化させる環境制御機構を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素－空孔対を含むダイヤモンド又はシリコンカーバイドからなる探針を用いて、試料の状態を測定する試料測定装置であって、
前記試料に外部刺激を与えることにより前記試料の状態を変化させる環境制御機構を有することを特徴とする試料測定装置。

【請求項2】

前記環境制御機構は、
溶液中に浮遊した前記試料と前記探針の相対位置関係を決め、前記試料が前記溶液中で動かないように固定する試料吸引管を有することを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項3】

前記環境制御機構は、
前記試料に挿入されるように設置され、前記試料に物質を注入する注入管を有することを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項4】

前記環境制御機構は、
溶液中に浮遊した前記試料と前記探針の相対位置関係を決め、前記試料が前記溶液中で動かないように固定する試料吸引管と、
前記試料に挿入されるように設置され、前記試料に物質を注入する注入管と、を有し、
前記試料吸引管と前記注入管は、
前記窒素－空孔対に対して、所定の角度で相対するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項5】

前記試料を保持する試料台を有し、
前記環境制御機構は、
前記試料台の内部に配置され、前記試料の温度調整を行うヒータと、
前記試料台の内部に配置され、溶液が流れる流路と、
前記流路を流れる前記溶液の流量を制御するポンプと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項6】

前記試料を保持する試料台を有し、
前記環境制御機構は、
前記試料台の上方に形成されたスペースに配置されることを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項7】

少なくとも、前記窒素－空孔対を励起するレーザ光源、検出器及び第１のレンズを有し、
前記レーザ光源、前記検出器及び前記第１のレンズは、
前記試料台の下方に配置されることを特徴とする請求項６に記載の試料測定装置。

【請求項8】

マイクロ波機構を更に有し、
前記マイクロ波機構は、
前記試料台の下方に配置されることを特徴とする請求項７に記載の試料測定装置。

【請求項9】

前記試料台は、
前記レーザ光源から出力されるレーザ光を透過する素材で構成され、
前記レーザ光は前記試料台の底面から前記試料に照射されることを特徴とする請求項６に記載の試料測定装置。

【請求項10】

前記試料で励起された蛍光は、
前記試料台の底面から下方に放射され、前記検出器で計測されることを特徴とする請求項７に記載の試料測定装置。

【請求項11】

前記マイクロ波機構は、
溶液中に挿入されないように配置されることを特徴とする請求項８に記載の試料測定装置。

【請求項12】

前記試料台の上方には、
光源、第２のレンズ及びカメラが配置され、
前記光源から放射された照明光は、前記第２のレンズを介して前記試料に照射され、
前記試料で発生した蛍光は、前記カメラで撮像されることを特徴とする請求項６に記載の試料測定装置。

【請求項13】

前記探針は、
軸方向の長さが２０ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項14】

前記探針は、
軸垂直半径が１ｕｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項15】

前記探針は、
先端から１００ｎｍの位置での軸垂直半径が、該探針の先端から１ｕｍの位置での軸垂直半径の二分の一以下であることを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。

【請求項16】

請求項１に記載の前記試料測定装置から出力される測定信号を解析し、解析結果を表示する制御機構を有することを特徴とする試料測定システム。

【請求項17】

窒素－空孔対を含むダイヤモンド又はシリコンカーバイドからなる探針を用いて、細胞の反応を測定する人工授精装置であって、
前記細胞に外部刺激を与えることにより前記細胞の状態を変化させる環境制御機構を有することを特徴とする人工授精装置。

【請求項18】

前記環境制御機構は、
溶液中に浮遊した前記細胞と前記探針の相対位置関係を決め、前記細胞が前記溶液中で動かないように固定する試料吸引管と、
前記細胞に挿入されるように設置され、前記細胞に物質を注入する注入管と、を有し、
前記試料吸引管と前記注入管は、
前記窒素－空孔対に対して、所定の角度で相対するように配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の人工授精装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料測定装置、試料測定システム及び人工授精装置に関する。

【背景技術】

【0002】

再生医療や生体機能を応用したエレクトロニクス向け新材料の研究開発が盛んになるにつれ、生体材料機能の可視化が課題である。すなわち細胞の場合における分化・誘導の過程モニタ、イオンチャネルやオルガネラ間の信号伝搬を定量的に計測する技術が必要となる。

【0003】

ここで示される過程や機能は計測量としては電場、磁場、温度、ｐＨ、イオン流、反応に伴う発光などの様々な物理量として捉えられるべきものである。こうした中、例えば特定のたんぱく質に付随しやすい蛍光色素を標識として用い、反応過程を追跡する技術、もしくは細胞内の特定小器官を遠心分離技術などで抽出し、遺伝子解析により反応過程を追跡する技術が広く行われているが、空間分解能が光の波長で規定されるサブマイクロメートルレベルであったり、細胞を破壊してしまうなど侵襲度が高いという問題があった。

【0004】

こうした中、近年、ＮＶセンタ（窒素－空孔対）を有するダイヤモンド材料が微小電磁場、温度に感度が高く、センサとしての大きさが原子レベルであることから高空間分解能を有し、さらに素材がカーボン材であることから生体適合性にも優れていることからこのような生体機能計測に注目を集めている。

【0005】

ＮＶセンターを用いた計測技術として、（１）ＮＶセンターを含むナノ粒子を用いる方法と、（２）ＮＶセンターを含むダイヤモンドプローブを用いた走査プローブ顕微鏡の方法がある（例えば、特許文献１参照）。

【0006】

しかし、（１）のＮＶセンターを含んだナノ粒子を用いた計測では、ナノ粒子が存在する箇所の周辺のみ測定可能であり、位置制御性は高くない。また、ナノ粒子が凝集している場合はその分は空間分解能が劣化するという課題を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２０１５－５２９３２８号公報（特許第６１１７９２６号）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記（２）のＮＶセンタを含んだプローブによる走査プローブ顕微鏡法では、高空間分解能が期待でき、磁場、電場など試料に対して非接触で測定できる物理量については問題ない。

【0009】

しかし、特許文献１においては、細胞に対する外部刺激を与える機構がないことから、細胞変化、すなわち受精前後、薬剤刺激前後、神経発火信号投入前後といったダイナミクスを評価することはできない。

【0010】

また、特許文献１に示された装置構成、すなわち、探針を試料上で走査する際、探針側からＮＶセンタを励起するレーザ光を照射する構成の場合、レーザ光を収束するレンズの特性上、レンズと試料間のスペースが通常は数ｍｍ程度しか確保できず、上記外部刺激を与える機構を設置することが難しいという課題があった。

【0011】

本発明の目的は、外部刺激を与える機構を設置可能にして、細胞の外部刺激に対する構造的、電磁気的な変化をＮＶセンタで高感度に計測可能にすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一態様の試料測定装置は、窒素－空孔対を含むダイヤモンド又はシリコンカーバイドからなる探針を用いて、試料の状態を測定する試料測定装置であって、前記試料の近傍に設置された環境制御機構を有し、前記環境制御機構は、前記試料に外部刺激を与えることにより前記試料の状態を変化させることを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様の人工授精装置は、窒素－空孔対を含むダイヤモンド又はシリコンカーバイドからなる探針を用いて、細胞の反応を測定する人工授精装置であって、前記試料の近傍に設置された環境制御機構を有し、前記環境制御機構は、前記細胞に外部刺激を与えることにより前記細胞の状態を変化させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一態様によれば、外部刺激を与える機構を設置可能にして、細胞の外部刺激に対する構造的、電磁気的な変化をＮＶセンタで高感度に計測可能にする。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1A】ＮＶセンタを有するダイヤモンドの結晶構造を示す図である。

【図1B】光検出磁気共鳴スペクトルを示す図である。

【図1C】電子エネルギーの状態を示す図である。

【図2】実施例１におけるＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた正立型プローバ装置の基本構成を示す正面図である。

【図3】実施例１におけるＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた正立型プローバ装置の基本構成を示す側面図である。

【図4】実施例２におけるＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた倒立型プローバ装置の基本構成を示す正面図である。

【図5】実施例３における収束イオンビームとマイクロサンプリング法によるプローバ装置用プローブの作製過程を示す図である。

【図6】実施例１におけるＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いたプローバ装置の基本構成を示す上面図である。

【図7】実施例１におけるＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた回転台を有するプローバ装置の基本構成を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【0017】

最初に、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して、本発明の前提となる一般的な技術について説明する。

【0018】

まず、ＮＶセンタを有するダイヤモンドのユニットセル構造を図１Ａに示す。

【0019】

通常、窒素（Ｎ）を含有したダイヤモンド基板に電子線照射等により空孔（Ｖ）を一定量導入する。この後に高温アニールすることで窒素（Ｎ）と空孔（Ｖ）が〈１１１〉方向に隣接する位置に再配列し、エネルギー的に安定化する。ダイヤモンド中に形成されたこの発光中心はその原子構造からＮＶセンタと呼ばれている。

【0020】

こうした結晶は図１Ｃに示した特徴のある電子エネルギー状態を取ることになる。ＮＶ対は通常電子を１個捕獲して－１価のＮＶ^－となり、電子がスピン三重項状態を形成する。なにもしない状態で５３２ｎｍ波長の緑色光を照射すると、ｍ_ｓ＝０の状態から励起された電子はより長波長（５５０～８００ｎｍ程度）の赤い蛍光を発することで元のｍ_ｓ＝０の状態に緩和する。一方、この結晶に２．８７ ＧＨｚ近傍のマイクロ波を照射すると電子スピン共鳴により電子をｍ_ｓ＝０の状態からｍ_ｓ＝±１の状態へ励起することができる。ｍ_ｓ＝±１の状態に上記の５３２ｎｍ波長の緑色光を照射すると、電子の一部は無放射遷移を経由してｍ_ｓ＝０の状態に緩和する。

【0021】

この場合、赤色蛍光はその分が減少することになる。ｍ_ｓ＝±１の状態は無磁場下では縮退しているが、磁場がある場合はゼーマン分裂を起こし２準位に分裂する。この特徴を生かし、電子をｍ_ｓ＝０の状態からｍ_ｓ＝±１の状態へ励起するマイクロ波の波長を掃引することで電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により共鳴準位を正確に計測することが可能となる。ゼーマン分裂幅はＮＶセンタの感じる磁場に比例しており、上記の２準位幅から磁場を計測することができる。

【0022】

すなわち、ＮＶセンタに磁場が印加されている場合は図１Ｃの右の共鳴スペクトルが得られ、２つのピークのエネルギー差（ここでは周波数の差）から印加磁場を算出することができる。例えば室温でＮＶセンタに１ｇａｕｓｓ（０．１ｍＴ）の磁場が印加した場合、ピーク間隔は２．８ＭＨｚ程度離れることが知られている。このスペクトルは一般に光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スペクトルと呼ばれている。

【0023】

このＯＤＭＲスペクトルはＮＶセンタ位置に温度変化がある場合はさらにエネルギー（周波数）シフトが起こることが知られており、図１Ｂに示したように、室温３００Ｋでは－７５ｋＨｚ／Ｋ、５００Ｋでは－１４０ｋＨｚ／Ｋのシフト量が得られる。従って、このシフト量からＮＶセンタの置かれている温度が計測でき、その精度は１０ｍＫ以下であるとされている。

【0024】

ＮＶセンタを応用した計測技術は、そのセンシング部分は図１Ａに示されるように原子レベルの大きさであることから、原子レベルの空間分解能を有する可能性がある。しかしながら光を用いた検出であることから発光点は光の波長、すなわち数１００ｎｍ程度に広がってしまう。このため、試料の電磁場、温度をＮＶセンタで計測する際の高空間分解能化として以下の２つの方針、すなわち（１）ＮＶセンタを含むナノ粒子を用いる方法と、（２）ＮＶセンタを含むダイヤモンドプローブを用いた走査プローブ顕微鏡の方法がある。

【0025】

（１）のＮＶセンタを含むナノ粒子を用いる方法については、ＮＶセンタを含むカーボンナノ粒子が既に市販されており、これを測定対象である試料内に包含させる方法である。これに５３２ｎｍの緑色レーザ光とマイクロ波を照射することで図１Ｂ、図１Ｃに示した赤色蛍光を検出する。空間分解能はナノ粒子が置かれた位置が正確に認識できている場合にはナノ粒子サイズが得られる。ここで、上記した緑色レーザ光は、波長が５２０ｎｍ以上、５４０ｎｍ以下であれば最適な励起光であるといえる。なお、この一方で、照射に用いるレーザ光としては、例えば波長が５６１ｎｍの黄緑色のレーザ光を適用することも可能である。

【0026】

次に、（２）のＮＶセンタを含むダイヤモンドプローブを用いた走査プローブ顕微鏡の装置構成の概要について説明する。ここでは、一般の走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）をベースに装置構成について述べる。

【0027】

すなわち、除振機能を有する光学定盤上の試料ステージ上に試料が設置されており、それを上からＮＶセンタを含むダイヤモンドプローブで走査している。試料近傍には試料に印加するためのマイクロ波用アンテナが設置される。

【0028】

他方、電子を励起する５３２ｎｍ波長の緑色レーザ光からの発光がアライメントされ、透明性基材を透過してプローブに照射されている。この途中で緑色レーザ光はＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を通過する。ＡＯＭとは結晶中に圧電素子による振動で定常波を作り、これを回折格子として利用するものである。結晶中に印加する振動周波数により回折格子の格子幅を制御することができるため、回折格子を通して曲がる光の角度を自由に変化させることができる。ここで、上述したＡＯＭに代えて、EOM（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などの他のモジュレータ（変調器）を適用することも可能である。

【0029】

プローブ先端にはＮＶセンタがあり、ここからの赤色蛍光が入射レーザ光と逆の光路を通り、ハーフミラーを経由してアバランシェフォトダイオード検出器（ＡＰＤ検出器）で検知される。緑色レーザ光はビーム強度と形状を整えるためにビームプロファイラに、赤色蛍光はその発光特性を把握するために分光器に導かれる。

【0030】

マイクロ波用パワーアンプとＡＰＤ検出器は制御系装置に、プローブ顕微鏡はＳＰＭコントローラに接続され、この両者も通信で接続されており、マイクロ波や試料ステージ制御などのタイムシーケンスを制御できる仕組みである。これらは検出器への迷光の入射を避けるために暗室の中に設置される。

【0031】

電磁場計測法としては数１０ｎｍ程度の高空間分解能計測が期待されている。ＮＶセンタを含むダイヤモンドプローブは、透明性基材共々、ダイヤモンドで構成されている。

【0032】

（１）のＮＶセンタを含んだナノ粒子を用いた計測では、ナノ粒子が存在する箇所の周辺のみ測定可能であり、位置制御性は高くない。またナノ粒子が凝集している場合はその分は空間分解能が劣化するという課題を有する。さらにナノ粒子は細胞内に導入した場合、評価計測後に粒子を外部に排出させることが極めて困難であることから、これで良否を選別された細胞を人工授精や再生医療に利用することが難しいという問題がある。

【0033】

また、（２）のＮＶセンタを含んだプローブによる走査プローブ顕微鏡法では、高空間分解能が期待でき、磁場、電場など試料に対して非接触で測定できる物理量については問題ない。

【0034】

このように、一般のＮＶセンタを含有するダイヤモンド探針を用いた顕微鏡システムでは、ＮＶダイヤモンド探針を試料に接触させて高分解能な電磁場観察が可能であったが、試料の環境制御する機構がなく、薬剤や受精時の試料の状態変化を評価できなかった。

【0035】

また、高感度な蛍光検出を行うために集光率の高いレンズを試料に近接させる必要があったことから、試料周りのスペースが狭く、環境制御する機構を設置することが困難であった。

【0036】

このように、細胞に対する外部刺激を与える機構がないことから、細胞変化、すなわち受精前後、薬剤刺激前後、神経発火信号投入前後といったダイナミクスを評価することはできない。

【0037】

すなわち、探針を試料上で走査する際、探針側からＮＶセンタを励起するレーザ光を照射する構成の場合、レーザ光を収束するレンズの特性上、レンズと試料間のスペースが通常は数ｍｍ程度しか確保できず、上に述べた外部刺激を与える機構を設置することが難しいという課題があった。

【0038】

本発明は、外部刺激を与える機構を設置可能にして、細胞の外部刺激に対する構造的、電磁気的な変化をＮＶセンタで高感度に計測可能にすることにある。

【0039】

そこで、本発明では、試料の状態を変化させる環境制御機構を試料近傍に設置した。またＮＶセンタを励起するレーザ光やマイクロ波に関する機構と、探針や環境制御機構を試料台に対してお互いに反対面に設置することで試料室周りのスペースを確保し、より応用範囲の広い環境制御機構を設置可能とした。

【0040】

以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。本発明の実施例は、細胞をはじめとする液中ソフトマテリアルの電磁場、温度、ｐＨ値、組成、スピン情報を高空間分解能で計測するプロービング装置に関する。

【実施例0041】

図２、図３、図６、図７を参照して、本発明の実施例１の試料測定装置について説明する。実施例１の試料測定装置は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いたプローバ装置である。

【0042】

ここで、図２は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた正立型プローバ装置の基本構成を示す正面図である。図３は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた正立型プローバ装置の基本構成を示す側面図である。図６は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いたプローバ装置の基本構成を示す上面図である。図７は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いた回転台を有するプローバ装置の基本構成を示す上面図である。

【0043】

図２に、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いたプローバ装置の基本構成を示す。この構成は、試料に対し、探針とレーザ光が同じ面から接近していることから正立型と呼ぶ。

【0044】

この装置構成においては、試料１は試料台３上の培養液２中に設置されている。これから述べる装置全体は、高空間分解能な計測を実現するため、除振台４上に全て組まれており、部材の振動が極力発生しないようになっている。先端にＮＶセンタ１１が形成されているダイヤモンド探針１０は、ガラスや金属を素材とした探針台９上に固定されており、これらはピエゾ素子７上の水晶振動子８上に固定されている。

【0045】

これらはプローブ顕微鏡制御機構２５で位置制御され、試料１に触針する。尚、ここではダイヤモンドを素材としたが、シリコンカーバイドを素材とした欠陥を発光点とした同様の量子センサ材料も注目されており、用途に応じてこれらの材料の探針に置き換えて使うことが可能である。

【0046】

ダイヤモンドのＮＶセンタ１１を用いた計測においては波長５３２ｎｍの緑色系のレーザ光で蛍光が励起される。レーザ光源１２から放射されたレーザ光１３はミラー１４とレンズ５により試料１上に照射される。試料１からは図１に示した通り、赤色系のＮＶ蛍光１５が放射されるため、レンズ５で集光され、ミラー１４を介して検出器１６、もしくはＣＣＤカメラ１７に集光される。

【0047】

前者では蛍光量を電流もしくは蛍光パルス数として検出し、後者では試料１面上の蛍光像を撮像する。ここでレンズ５とレーザ光の位置関係をアライメントするためにピエゾ素子やモータ等によるレンズ用微動機構１９が用いられる。レーザ光は次に述べるマイクロ波とタイミングをあわせたタイムシーケンスにより様々な量子計測プロトコルを実現する。

【0048】

このため、時間分解能を高く短時間パルスを形成するために、レーザ光源１２と試料１の間に音響光学変調器２１、すなわちＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と呼ばれる装置が広く用いられている。また、レーザ光強度などはレーザ制御機構２７で調整される。検出器１６とＣＣＤカメラ１７の動作制御や信号処置にはそれぞれ検出器制御機構２２、ＣＣＤカメラ制御機構２３が用いられる。

【0049】

次に、もう一つの照射要素であるマイクロ波について説明する。これも図１にて述べた通り、試料には２．８７ＧＨｚ前後のマイクロ波を、周波数を走査しながら照射する必要がある。さらに、試料１の数１０ｕｍの距離にマイクロ波発生源を近づけることが高感度計測に重要であることから、試料に近接できるマイクロ波アンテナ１８を設置する。マイクロ波アンテナ１８はマイクロ波制御機構２９により周波数、強度、タイミングなどが制御される。

【0050】

試料台３とダイヤモンド探針１０の相対位置関係は、試料台用微動機構２０によって制御される。この試料台用微動機構２０は、試料台３の図中に示したｘ，ｙ，ｚ方向に粗動・微動できる機構であり、試料台用微動機構用制御機構２６で制御される駆動源は、電導モータやピエゾ素子を併用して形成される。

【0051】

ＮＶセンタ１１の電子スピンを制御するためには安定した外部磁場印加が必要であり、ここでは空芯のヘルムホルツコイル３１が試料１をはさむように対で設置され、ヘルムホルツコイル制御機構２４で発生する磁場強度やタイミングが制御される。以上のシステム全体はシステム制御ＰＣ３０にて制御される。

【0052】

図３には本正立型装置の側面図を示す。
図３に示すように、実施例１では、試料環境制御機構が配置されている点が特徴である。

【0053】

まず、図１に示すように、試料１は培養液２中に浮遊した図となっているため、これだけでは試料１とダイヤモンド探針１０の相対位置関係は決まらない。これについては、試料吸引管４０で試料１が培養液２中で動かないように固定されていることで解決される。試料吸引管４０をモータやピエゾ素子で形成される試料吸引管位置・圧力制御機構４２で位置制御する。

【0054】

次に例えば細胞の固定には、試料吸引管４０をわずかに陰圧にするのが有効であり、細胞の吸引・固定・放出のための試料吸引管４０内の圧力調整にも試料吸引管制御機構４３で制御された試料吸引管位置・圧力制御機構４２を用いる。

【0055】

次に、試料１に挿入される形態で注入管４１が設置される。人工授精の過程評価では精子、遺伝子編集の効果評価では例えばＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９のような遺伝子薬剤、創薬研究における薬剤効果評価では薬液、神経細胞の発火機構や細胞の動作評価ではカルシウムやカリウムなどのイオン溶液が細胞内外の目的のオルガネラに注入される。これには先端径がマイクロメータレベルのガラスピペット形状の部材が想定される。目的の細胞に注入管４１を接近・挿入させるためにモータやピエゾ素子で形成される注入管位置制御機構４４を用いる。ここでの注入薬剤の量を制御するためにも注入管制御機構４５が用いられる。

【0056】

バイオ系試料は環境温度により非常に敏感に状態変化してしまうものが多い。このため、環境制御機構として、試料１の温度調整や培養液２の流量制御が重要となる。ここでは、試料台３内にヒータ調整機構４７で温度調整されたヒータ４６を埋設する構成とした。

【0057】

また、試料台３中には流路４８が設けられ、流量制御機構５０で制御されたポンプ４９にて培養液２がフローする構成とした。本図に示された各種の制御機構はシステム制御ＰＣ３０にて制御される。

【0058】

図６には、図２で示したＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いたプローバ装置の上面図を示す。この図では特に、除振台４からレンズ５下面までの高さに設置された各種部材を描画しており、それぞれの機構の配置関係が示される。

【0059】

試料１に対して多くの機構が接近することから、相互の機構は干渉しない配置とすることが必要である。すなわち、図６においては、試料１を中心に、ダイヤモンド探針１０が右方から、マイクロ波アンテナ１８は相対する左方から試料１に接近する構成である。

【0060】

特に、マイクロ波アンテナ１８はダイヤモンド探針１０内に存在するＮＶセンタ１１に数１０ミクロンの距離に接近させることが効率よいマイクロ波照射に必須であることから、ダイヤモンド探針１０の開放側から接近させることが有効である。

【0061】

一方、試料１は培養液２中にあることから、高精度な測定には試料１を試料吸引管４０で固定しながら注入管４１で精子や薬剤を細胞内外に投与しつつ、ダイヤモンド探針１０で測定することが有効である。

【0062】

注入管４１やダイヤモンド探針１０は試料１内に挿入する場合は特に力を及ぼすことから、試料吸引管４０はそれらに相対した位置に設置することが安定な試料１の固定に有効である。

【0063】

図６ではことから試料吸引管４０と注入管４１が相対するそれぞれ上下方向から試料１に接近する構造である。同様に、流路４８とポンプ４９の系統もこれらの機構と干渉しない配置とする必要がある。

【0064】

図６においては、流路４８が点線で表示されているように、ダイヤモンド探針１０、水晶振動子８、ピエゾ素子７の下側で同一方向である右側に流路４８を引き出す構成図を示した。流路４８については試料台３内で方向転換させ、例えば本図における試料台３の下辺方向から取り出す形態なども考えられる。

【0065】

図７には、試料１に近接させる各機構の相対角度関係を変化させられるように、各機構を回転台７６に乗せた実施例を示す。

【0066】

この図における回転台７６は、独立した二重の回転ステージ構造となっており、これは除振台４上に試料台３を囲む形で設置される。この図の例においては、内周の回転ステージ上には、試料吸引管４０を支える側部構造体６と、マイクロ波アンテナ１８を支える側部構造体６が載せられている。外周の回転ステージ上には、注入管４１を支える側部構造体６が載せられている。ダイヤモンド探針１０を支える側部構造体６は、除振台４上に載せられている。

【0067】

内外周回転ステージの角度の組合せにより、各機構の相対角度関係は自由に設定できる。特に、ダイヤモンド探針１０が試料１に対して強い力で挿入させる必要がある場合は、試料吸引管４０での吸引は強いものでなければならず、この場合は双方が試料１をはさんで向かい合う配置になることが有効である。このことから、回転台７６により、例えば、試料吸引管４０を左方から、マイクロ波アンテナ１８を下方から、注入管４１を上方から接近できる配置に変更することができる。

【0068】

回転台７６は、図７のように二重構造でなくてもよく、また１周に渡る回転ストロークを持たせず、例えば半周以下にする構造にすることも可能である。また、側部構造体６を一方向に移動させる機能とし、使わない機構としてそれぞれの機構を使用しない際に退避させる構造とすることもできる。

【0069】

このように、実施例１は、窒素－空孔対（ＮＶセンタ１１）を含むダイヤモンド又はシリコンカーバイドからなる探針を用いて、試料１の状態を測定する試料測定装置において、試料１の近傍に環境制御機構を設置した。前記環境制御機構は、試料１に外部刺激を与えることにより試料１の状態を変化させる。

【0070】

また、実施例１は、窒素－空孔対（ＮＶセンタ１１）を含むダイヤモンド又はシリコンカーバイドからなる探針を用いて、細胞の反応を測定する人工授精装置において、試料１の近傍に環境制御機構を設置した。前記環境制御機構は、細胞に外部刺激を与えることにより細胞の状態を変化させる。

【0071】

前記環境制御機構は、溶液（培養液２）中に浮遊した試料１と探針の相対位置関係を決め、試料１が溶液中で動かないように固定する試料吸引管４０を有する。

【0072】

また、前記環境制御機構は、試料１に挿入されるように設置され、試料に物質を注入する注入管４１を有する。

【0073】

また、前記環境制御機構は、溶液中に浮遊した試料１と探針の相対位置関係を決め試料１が溶液中で動かないように固定する試料吸引管４０と、試料に挿入されるように設置され前記試料に物質を注入する注入管４１とを有する。ここで、試料吸引管４０と注入管４１は、前記窒素－空孔対に対して、所定の角度で相対するように配置されている。

【0074】

また、前記環境制御機構は、試料台３の内部に配置され前記試料の温度調整を行うヒータ４６と、試料台３の内部に配置され前記溶液の流量制御を行う流路４８とを有する。

【0075】

実施例１によれば、細胞生育環境を一定になるようにすると共に、培養液の劣化を低減し、より長時間の安定した、動物体内の環境に近づけた評価計測が可能となる。

【実施例0076】

図４を参照して、本発明の実施例２の試料測定装置について説明する。実施例２の試料測定装置は、ＮＶセンタを有するダイヤモンドをプローブに用いたプローバ装置である。

【0077】

図４に基本構成の正面図を示す。この構成は、試料に対し、探針とレーザ光がお互いに反対の面から接近していることから倒立型と呼ぶこととする。

【0078】

図４に示すように、試料１は試料台３内の培養液２中に設置されている。ダイヤモンド探針１０は、ガラスや金属を素材とした探針台９上に固定されており、これらはｘ，ｙ，ｚ方向の位置制御のほか、探針軸長方向の線形運動を有した探針位置制御機構６２で位置制御される。これは試料１に対してダイヤモンド探針１０を直線的に挿入できることから、ダイヤモンド探針１０を折れずに挿入しやすいという特長がある。

【0079】

本実施例２では、マイクロ波アンテナ１８とレーザ光源１２は試料台３の下方に設置され、ダイヤモンド探針１０とは試料１を介して反対面から試料１に接近していることが特長である。これにより、ダイヤモンド探針１０側のレンズ５とのスペースがフリーとなり、図に記載されていない側面図上に設置される試料吸引管４０、注入管４１、ヒータ４６、流路４８などの試料環境制御機構（図３参照）の設置が容易となると共に、試料台３を大きなものにすることができる。すなわち、レーザ光源１２からのレーザ光１３は試料台３の底面から試料１に照射される。このため、試料台３が石英ガラスシャーレなどのレーザ光を効率よく透過する素材で作製される。

【0080】

試料１で励起されたＮＶ蛍光は再び試料台１底面から下方に放射され、同じく下方に設置された検出器１６で計測される。従って、レンズ５が試料下方に設置される。本実施例２ではマイクロ波アンテナ１８も試料台３の底面下に設置される。

【0081】

マイクロ波アンテナ１８と試料１の間隔は通常数１０ｕｍ程度が求められることから、試料台３の底面は薄い石英ガラス板などであるものとする。尚、ＮＶダイヤモンドの計測で用いられる２．８７ＧＨｚ周辺のマイクロ波は液中での吸収が大きいことから、マイクロ波アンテナ１８を培養液中に挿入しない本方式には大きなメリットがある。

【0082】

本実施例２では、試料１上面から広い視野で観察初期に視野探しなどの粗い観察に用いる撮像系を付加した。すなわち、ＬＥＤなどの光源６０から放射された照明光６１をレンズ５で試料１に照射する。試料１で発生した蛍光６４はＣＣＤカメラ１７で撮像される。

【0083】

ここでは、実施例１で示したＣＣＤカメラ１７とは異なる撮像を考える。すなわち、光源６０にはレーザより安価なＬＥＤ光源を用いており、実施例１と同様に緑色光を照明した場合はＮＶダイヤモンドのみが赤色の蛍光像を形成するが、光源を青色光にすることでＮＶダイヤモンドは発光せず、細胞などの有機物が緑色光に発光する。また、白色光を照明することで通常の明視野像と呼ばれる光学顕微鏡像を得ることができる。

【0084】

このように、試料１への照射光をレーザ光と別系統で持たせることで、試料構造や組成に適した視野特定観察を持たせることが可能となる。これにより、ＮＶダイヤモンドの位置特定精度を高め、細胞構造の同定精度を高めた評価が実現する。これは装置構成を倒立型にすることで生まれたスペースを有効活用した効果である。

【0085】

尚、倒立型は試料１の上下から光を照射する構造であることから、光学的に透明な生体試料や有機系試料の場合には特に有効である。一方、金属材料や半導体試料など光の透過率が低い試料の評価には適さず、こうした試料１では実施例１の構成が有効となる。