特開 2024-121700 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡

(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】P2024121700

(43)【公開日】2024-09-06

(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 20100101AFI20240830BHJP

   G01Q 10/06 20100101ALI20240830BHJP

【ＦＩ】

G01Q60/44

G01Q10/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023028942

(22)【出願日】2023-02-27

【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】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 康史

(57)【要約】

【課題】時間分解能が高い走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、プローブ５５と対象物９３とのＺ方向の距離を変化させるＺスキャナー６６と、プローブ電極５４とプローブ外の電解質液９２との間の電流を計測する微小電流計測器５１と、微小電流計測器５１の出力信号を処理するフィルター部２０と、フィルター部２０の出力に基づいてホッピングモードでＺスキャナー６６の動作を制御する制御装置１０とを備える。フィルター部２０は、プローブ５５を対象物９３へと近づけるアプローチ速度が第１速度より速いときに、前記出力信号に対して所定の遮断周波数よりも低い信号を逓減させるバンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号を出力する。制御装置１０は、フィルター部２０から出力された信号に基づいて、プローブ５５の先端と対象物９３とが近接したか否かを判定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質液に対象物が浸された試料と内部にプローブ電極が設けられた計測用のプローブとのＺ方向の距離を変化させるように構成されたＺスキャナーと、
前記プローブ電極と前記プローブ外の前記電解質液との間を流れる電流を計測するように構成された微小電流計測器と、
前記微小電流計測器の出力信号を処理するフィルター部と、
前記フィルター部から出力された信号に基づいて、ホッピングモードで前記Ｚスキャナーの動作を制御するように構成された制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記プローブを前記対象物へと近づけるときのアプローチ速度を第１速度より速い速度として、前記Ｚスキャナーに前記プローブを動作させることができるように構成されており、
前記フィルター部は、前記アプローチ速度が第１速度より速いときに、前記出力信号に対して所定の遮断周波数よりも低い信号を逓減させるバンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号を出力するように構成されており、
前記制御装置は、前記フィルター部から出力された信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定するように構成されており、
前記第１速度は、１００ｎｍ／ｍｓ以上である、
走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項2】

前記制御装置は、前記アプローチ速度に応じて、前記フィルター部に前記遮断周波数を変更させるように構成されている、請求項１に記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項3】

前記フィルター部は、前記出力信号に対して前記バンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号を１０倍以上に増幅して出力するように構成されている、請求項１又は２に記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項4】

前記所定の遮断周波数は、０．０１ｋＨｚ以上である、請求項１又は２に記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項5】

前記フィルター部は、
前記出力信号に対して所定の遮断周波数よりも高い信号を逓減させるローパスフィルターで処理した信号を出力するように構成された第１回路と、
前記出力信号に対して前記バンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号を出力するように構成された第２回路と
を有しており、
前記制御装置は、
前記アプローチ速度が前記第１速度以下のときには、前記第１回路から出力された信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定し、
前記アプローチ速度が前記第１速度より速いときには、前記第２回路から出力された信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定する
ように構成されている、
請求項１に記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項6】

前記制御装置は、前記アプローチ速度に応じて、前記フィルター部に、前記第１回路の前記遮断周波数である第１遮断周波数又は前記第２回路の前記遮断周波数である第２遮断周波数を変更させるように構成されている、請求項５に記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項7】

前記第１遮断周波数は、５０ｋＨｚ以下であり、
前記第２遮断周波数は、０．０１ｋＨｚ以上である、
請求項６に記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項8】

前記制御装置は、
前記第１回路から出力された信号を用いるときには、前記信号が基準値から所定割合低下したことを検出したときに前記プローブの先端と前記対象物とが近接したと判定し、
前記第２回路から出力された信号を用いるときには、前記信号が所定の閾値よりも大きくなったことを検出したときに前記プローブの先端と前記対象物とが近接したと判定する
ように構成されている、
請求項５乃至７の何れかに記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。

【請求項9】

電解質液に対象物が浸された試料と内部にプローブ電極が設けられた計測用のプローブとのＺ方向の距離を変化させるように構成されたＺスキャナーと、
前記プローブ電極と前記電解質液との間を流れる電流を計測するように構成された微小電流計測器と、
前記微小電流計測器の出力信号に対して所定の遮断周波数よりも低い信号を逓減させるバンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号を出力できるように構成されたフィルター部と、
前記フィルター部から出力された信号に基づいて前記Ｚスキャナーの動作を制御するように構成された制御装置と
を備える走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の前記制御装置に、
前記プローブを前記対象物へと近づけるときのアプローチ速度を１００ｎｍ／ｍｓ以上である第１速度より速い速度として、前記Ｚスキャナーに前記プローブを動作させることと
前記アプローチ速度に応じて、前記フィルター部に前記遮断周波数を変更させることと、
前記アプローチ速度が第１速度より速いときに、前記フィルター部から取得した前記バンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定することと、
前記判定の結果に基づいて、ホッピングモードで前記Ｚスキャナーを動作させることと
を実行させるためのプログラム。

【請求項10】

前記フィルター部は、
前記出力信号に対して所定の遮断周波数よりも高い信号を逓減させるローパスフィルターで処理した信号を出力するように構成された第１回路と、
前記出力信号に対して前記バンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号を出力するように構成された第２回路と
を有しており、
前記制御装置に、
前記アプローチ速度が前記第１速度以下のときには、前記第１回路から出力された信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定することと、
前記アプローチ速度が前記第１速度より速いときには、前記第２回路から出力された信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定することと
を実行させるための請求項９に記載のプログラム。

【請求項11】

前記制御装置に、前記アプローチ速度に応じて、前記フィルター部に前記第１回路の前記遮断周波数である第１遮断周波数又は前記第２回路の前記遮断周波数である第２遮断周波数を変更させることを実行させるための請求項１０に記載のプログラム。

【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、特に時間分解能が高い走査型イオンコンダクタンス顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（scanning ion conductance microscope, SICM）が知られている。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡は、ナノピペットと呼ばれるガラス細管をプローブとして利用し、電解質液が充填されたナノピペット内の電極と試料を浸した電解質液中の電極との間に生じるイオン電流の変化に基づいて、プローブ先端と対象物表面との距離を制御し、対象物の表面を走査する。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の利点の一つは、プローブが測定対象物に触れないことであり、生細胞の画像化などが可能な点である。例えば、特許文献１には、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡に係る技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１１－５１１２８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

走査型イオンコンダクタンス顕微鏡では、時間分解能の向上が一つの課題とされている。本発明は、時間分解能が高い走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様によれば、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡は、電解質液に対象物が浸された試料と内部にプローブ電極が設けられた計測用のプローブとのＺ方向の距離を変化させるように構成されたＺスキャナーと、前記プローブ電極と前記プローブ外の前記電解質液との間を流れる電流を計測するように構成された微小電流計測器と、前記微小電流計測器の出力信号を処理するフィルター部と、前記フィルター部から出力された信号に基づいて、ホッピングモードで前記Ｚスキャナーの動作を制御するように構成された制御装置とを備え、前記制御装置は、前記プローブを前記対象物へと近づけるときのアプローチ速度を第１速度より速い速度として、前記Ｚスキャナーに前記プローブを動作させることができるように構成されており、前記フィルター部は、前記アプローチ速度が第１速度より速いときに、前記出力信号に対して所定の遮断周波数よりも低い信号を逓減させるバンドパスフィルター又はハイパスフィルターで処理した信号を出力するように構成されており、前記制御装置は、前記フィルター部から出力された信号に基づいて、前記プローブの先端と前記対象物とが近接したか否かを判定するように構成されており、前記第１速度は、１００ｎｍ／ｍｓ以上である。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、時間分解能が高い走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、一実施形態に係る走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の構成例の概略を示すブロック図である。

【図2】図２は、得られる信号とプローブ先端から対象物表面までの距離との関係を模式的に示す図であり、実線は第１回路で得られる電流値を模式的に示し、破線は第２回路で得られる信号値を模式的に示す。

【図3】図３は、対象物表面の画像を取得するときの走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の動作例の概略を説明するためのフローチャートである。

【図4】図４は、第１方法によるデータ取得に係る動作例の概略を説明するためのフローチャートである。

【図5】図５は、第２方法によるデータ取得に係る動作例の概略を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

一実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（scanning ion conductance microscope, SICM）に係る。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡は、開口直径が例えば１０－１００ｎｍ程度のナノピペットをプローブとして、プローブと対象物との距離に応じたイオン電流の値を利用して、溶液中の対象物を非接触的に走査し、対象物の表面形状を特定する。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡は、例えば細胞表面をナノスケールで可視化することが可能である。本実施形態に係る走査型イオンコンダクタンス顕微鏡は、特に、ホッピングモードで高速に画像を取得できるように構成されている。

【0009】

［装置構成］
図１は、本実施形態に係る走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１の構成例の概略を示すブロック図である。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１の各部の動作を制御して対象物の画像を作成する制御装置１０を備える。制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路を備える。制御装置１０は、その他、一般的なコンピュータが備えるＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ストレージ、各種インターフェース、入力装置等を備える。制御装置１０は、記憶装置や各種回路内に記録されたプログラムに従って動作する。

【0010】

走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１が画像化の対象とする対象物９３は、これに限らないが、例えば細胞である。本実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、特に、固定処理などを施していない生細胞を対象物９３とすることができる。試料９０において、対象物９３は、試料容器９１に入れられた電解質液９２に浸されている。

【0011】

試料９０は、ＸＹスキャナー６４に載せられている。ＸＹスキャナー６４は、例えばピエゾアクチュエータを備えた試料ステージであり、水平方向であるＸ方向及びＹ方向に精密に試料９０の位置を制御することができる。

【0012】

走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１のプローブ５５は、プローブホルダを介して、Ｚスキャナー６６に取り付けられている。Ｚスキャナー６６は、例えばピエゾアクチュエータを備え、鉛直方向であるＺ方向に精密にプローブ５５の位置を制御することができる。このように、Ｚスキャナー６６は、試料９０とプローブ５５とのＺ方向の距離を変化させるように構成されている。スキャナコントローラー６２は、制御装置１０の指令に基づいて、ＸＹスキャナー６４及びＺスキャナー６６の動作を制御する。

【0013】

走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１のプローブ５５は、開口直径が例えば１０－１００ｎｍ程度のナノピペットである。プローブ５５内には、電解質液が充填されており、その中にはプローブ電極５４が挿入されている。試料容器９１内の電解質液９２には、バス電極５７が留置されている。プローブ電極５４とバス電極５７との間には、電圧源５２によって定電圧が印加されている。プローブ電極５４とバス電極５７との間の電圧は、例えば、２００ｍＶ程度である。プローブ電極５４とバス電極５７との間では、プローブ５５の先端の開口を介して、イオン電流が流れる。プローブ電極５４とバス電極５７との間を流れる微小電流は、微小電流計測器５１で電流－電圧変換され、この電圧信号は、増幅されて、フィルター部２０に入力される。このように微小電流計測器５１は、プローブ５５内に設けられたプローブ電極５４とプローブ５５外の電解質液９２との間をプローブ５５の先端の開口を介して流れる電流を計測するように構成されている。

【0014】

微小電流計測器５１の出力信号は、フィルター部２０に入力される。図１には、本実施形態のフィルター部２０の構成の一部が、模式的に示されている。フィルター部２０は、第１回路３０と第２回路４０とを備える。また、フィルター部２０は、制御装置１０の指令に基づいて、第１回路３０及び第２回路４０の各部を制御する制御部２２を備える。第１回路３０は、入力された信号を、ローパスフィルター３１で処理して出力する回路である。第２回路４０は、入力された信号を、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理し、その信号を増幅部４２で増幅し、その後ローパスフィルター４３で処理して出力する回路である。微小電流計測器５１及びフィルター部２０は、高速で微小電流を測定できるように構成されたコンピュータ制御の微小電流増幅器の一部を構成する。フィルター部２０から出力された信号は、制御装置１０へと入力される。制御装置１０は、フィルター部２０から取得した信号に基づいて、各部の動作を制御し、対象物９３の画像を作成する。

【0015】

走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、上述の他、試料９０を光学的に観察できるように設けられた光学顕微鏡７２を備える。また、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、制御装置１０で処理された各種情報を表示する表示装置７４を備える。

【0016】

［画像取得方法について］
本実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、ホッピングモードと呼ばれる方式で、プローブ５５が対象物９３の表面を走査する。図１の対象物９３の近傍には、ホッピングモードにおけるプローブ５５の先端の経路が点線で模式的に示されている。ホッピングモードでは、各ＸＹ位置において、プローブ５５は、Ｚ軸に沿って十分に引き上げられ、その後、Ｚ軸に沿って対象物９３にアプローチする。例えば、プローブ５５は、Ｚ軸に沿って１－１０μｍ程度上下に移動させられる。プローブ５５の先端が対象物９３の表面に接近すると、プローブ５５先端部のイオンの移動が物理的に妨げられることで、イオン電流が減少する。図２は、計測されるイオン電流と、プローブ５５先端から対象物９３表面までの距離との関係を実線で模式的に示す図である。

【0017】

一般に、電流値が予め定めた閾値まで減少したところで、プローブ５５のアプローチは終了し、再び引き上げられる。プローブ５５が最も下がったときのＺ座標が記録され、対象物９３の高さ情報とされる。プローブ５５の先端が対象物９３に接触しないように、上述の閾値は、例えば、イオン電流の基準値から０．５％程度減少した値などに設定される。

【0018】

一般的な走査型イオンコンダクタンス顕微鏡では、フィルター部２０において、第１回路３０に相当する回路が用いられている。ここで、ローパスフィルター３１の遮断周波数は、１－１０ｋＨｚなどに設定される。これは、一般に高周波数帯域に含まれるノイズを除去するためである。

【0019】

発明者は、次のことを見出した。すなわち、ホッピングモードにおいて、Ｚ軸に沿ってプローブ５５を対象物９３へと近づける速度であるアプローチ速度が低い場合には、上述の方法で良好な測定が行える。すなわち、遮断周波数が１０ｋＨｚ以下、例えば１－１０ｋＨｚなどのローパスフィルターを介して計測されるイオン電流が、基準値から例えば０．５％減少したときに、プローブ５５を引き上げるように制御することで、良好な測定が行える。

【0020】

一方で、アプローチ速度が速くなると、電流値の変化も速くなる。それにも関わらず、上記と同様の手法を用いると、ローパスフィルターにより遅れが生じ、また、ローパスフィルターで処理された低周波数の信号を用いるため、信号の変化がプローブ５５の速い移動に追従できないという現象が生じ得る。その結果、実際には、プローブ５５の先端が対象物９３の表面を押し込むほどにプローブ５５が下がったときに、ようやく計測される電流値が０．５％減少するといったことが生じ得る。すなわち、プローブ５５の先端を対象物９３の表面に接触させないようにプローブ５５の高さを制御したいところ、これができないということが生じ得る。

【0021】

固定処理が施されている細胞などが対象物９３である場合には、プローブ５５の先端が対象物９３に接触しても、対象物９３の表面の画像を取得することができることが確認されている。しかしながら、生細胞においては、プローブ５５の先端が対象物９３に接触することで、細胞が損傷を受けることが確認されている。

【0022】

例えば、ローパスフィルター３１の遮断周波数を比較的高い１０ｋＨｚに設定した場合のシミュレーションによると、アプローチ速度が５０－１００ｎｍ／ｍｓである場合、計測される電流値は、プローブ５５の先端と対象物９３の表面との距離をよく表し、適切な測定が行われ得ることが明らかになった。これに対して、アプローチ速度が１０００ｎｍ／ｍｓである場合、実際よりもプローブ５５の先端が２０ｎｍ程度下がった状態でようやく閾値未満の電流値が計測され、計測される電流値に基づくと、実際には対象物９３の表面をプローブ５５の先端で押し込んでしまうことが明らかになった。アプローチ速度が５０００ｎｍ／ｍｓである場合、実際よりもプローブ５５の先端が８０ｎｍ程度下がった状態でようやく閾値未満の電流値が計測されることが明らかになった。

【0023】

本実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１では、アプローチ速度が速いときの上述の課題を、第２回路４０を用いることで解決した。すなわち、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１では、プローブ５５の先端と対象物９３の表面との近接を検出したいので、電流値の変化を検出したい。アプローチ速度が速いとき、電流値の変化も速く、信号中の高周波成分が高くなる。フィルター部２０を第２回路４０のように構成し、低周波数を逓減させるバンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で得られた信号を処理することで、高周波成分を良好に検出でき、プローブ５５の先端と対象物９３の表面との接近による電流変化を良好に検出できることが確認された。ここで、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１の遮断周波数は、例えば、０．０１ｋＨｚ以上であり、例えば０．１ｋＨｚ以上、例えば０．２－５０ｋＨｚ程度である。

【0024】

図２の破線は、アプローチ速度が速いときの、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号と、プローブ５５先端から対象物９３表面までの距離との関係を模式的に示す。これに基づくと、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号が、所定の閾値よりも大きくなったとき、プローブ５５の先端が対象物９３の表面に近接したと判定できることが明らかになった。この判定に基づいて、プローブ５５のアプローチを終了してプローブ５５を引き上げることで、良好な表面形状の測定を行えることが明らかになった。

【0025】

また、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号では、変動がない直流成分の信号や、低周波数のノイズ成分が除去される。したがって、電流値が変化しないときの信号は、ほぼ０となる。このため、第２回路４０は、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１の下流に増幅部４２を備える。

【0026】

増幅部４２は、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号を増幅する。増幅部４２は、例えば、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号を、１０倍以上に、例えば１００倍に増幅する。バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号は、バックグラウンドレベルがほぼ０であるので、増幅部４２は、必要な信号のみを良好に増幅することができる。

【0027】

このことは、第１回路３０においては、ローパスフィルター３１で処理した信号が基本的に高い信号レベルを有しており、高いゲインで増幅することができないこととは対照的である。第１回路３０による信号によれば、高い信号レベルにおけるわずかな変化を検出する必要がある。例えば、１６ｂｉｔのデジタル処理において、入力範囲を±１０Ｖとすると、１ｓｔｅｐあたり０．３０５ｍＶとなる。仮に信号が２Ｖであり、０．４％の変化を検出したい場合には、８ｍＶの変化を検出する必要がある。これは６５５７ｓｔｅｐ分の信号のデータにおいて、２６ｓｔｅｐ分の極わずかな変化を検出することに相当し、比較的検出が難しくなる。これに対して、上述のように、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号を１００倍に増幅する場合、８００ｍＶ程度の電流変化に係る信号を入力できることになる。

【0028】

第２回路４０ではさらに、増幅部４２による増幅後、高周波成分を有するノイズを低減させるために、信号はローパスフィルター４３で処理される。ローパスフィルター４３の遮断周波数は、例えば、第１回路３０のローパスフィルター３１と同程度の１－１０ｋＨｚ程度であってもよいし、それより高い１００ｋＨｚ程度であってもよい。

【0029】

シミュレーションによると、例えば、バンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１の遮断周波数を１００Ｈｚに設定し、ローパスフィルター４３の遮断周波数を１００ｋＨｚに設定した場合、アプローチ速度が５０００ｎｍ／ｍｓの場合であっても、プローブ５５の先端が対象物９３の表面に近接したことを表す信号を適切に検出することができ、良好な測定を行えることが明らかになった。

【0030】

なお、第１回路３０を用い、ローパスフィルター３１の遮断周波数を例えば１００ｋＨｚといったように高くすると、高周波の信号をよりとらえることができるようになるが、全体としてのＳ／Ｎ比が悪くなり、実用的ではないことが明らかになっている。

【0031】

第１回路３０を用いて良好な画像を取得できる例えばアプローチ速度が５０ｎｍ／ｍｓの場合、例えば、１２８×１２８画素の１枚の画像を得るために２０分ほどの時間を要する。これに対して、第２回路４０を用いて、例えばアプローチ速度を５０００ｎｍ／ｍｓとすることで、画像取得時間を１００分の１程度に、すなわち１０秒程度まで短縮することができ、高速に画像取得を行え、高い時間分解能が実現される。

【0032】

上述のような知見に基づいて、本実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、フィルター部２０に第１回路３０と第２回路４０とを備え、アプローチ速度に応じてこれらを使い分ける。さらに、上述のシミュレーション等に基づけば、アプローチ速度とフィルターの適切な遮断周波数との関係が既知である。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、アプローチ速度に基づいて、適した回路と適した遮断周波数とを設定するように構成されていてもよい。

【0033】

このため、制御装置１０は、アプローチ速度取得部１１、回路及びパラメーター決定部１２、画像取得制御部１３及び画像作成部１４としての機能を有する。また、制御装置１０は、フィルター設定テーブル１５を記憶している。

【0034】

アプローチ速度取得部１１は、アプローチ速度の情報を取得する。制御装置１０は、ユーザーがアプローチ速度を直接入力するように構成されていてもよいし、ユーザーが１画像の取得に要する時間等を入力し、それらに基づいてアプローチ速度が算出されるように構成されていてもよい。

【0035】

回路及びパラメーター決定部１２は、アプローチ速度取得部１１が取得したアプローチ速度に基づいて、画像取得に第１回路３０と第２回路４０との何れの回路を用いるか、各回路のフィルターの遮断周波数、プローブ５５が対象物９３の表面に近づいたことを判定する閾値などを決定する。アプローチ速度に応じた各種設定は、フィルター設定テーブル１５に予め用意されていてもよい。回路及びパラメーター決定部１２は、フィルター設定テーブル１５を参照して各種設定を決定してもよい。参照テーブルに限らず例えば関数が予め用意されており、回路及びパラメーター決定部１２は、その関数に基づいて各種設定値を算出してもよい。

【0036】

画像取得制御部１３は、回路及びパラメーター決定部１２で決定された各種条件を設定し、データ取得のための各種演算を行う。例えば、フィルター部２０を介して取得された信号に基づいて、スキャナコントローラー６２に指令して、ホッピングモードによるＺスキャナー６６やＸＹスキャナー６４の動作を制御し、データを記録する。

【0037】

画像作成部１４は、得られたデータに基づいて画像を作成する。画像作成部１４は、作成した画像を記録し、また、表示装置７４に表示させてもよい。

【0038】

［装置の動作］
走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１の動作例について説明する。図３は、対象物９３の画像を取得するときの走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１の動作例の概略を説明するためのフローチャートである。

【0039】

ステップＳ１１において、制御装置１０は、アプローチ速度に係る情報を取得する。ステップＳ１２において、制御装置１０は、ステップＳ１１で取得したアプローチ速度に基づいて、フィルター部２０の第１回路３０を用いるか第２回路４０を用いるかを決定する。また、制御装置１０は、回路に含まれる各種フィルターの遮断周波数などを決定する。

【0040】

例えば、制御装置１０は、アプローチ速度が所定の第１速度以下のとき、微小電流計測器５１の出力信号に対して所定の第１遮断周波数よりも高い信号を逓減させるローパスフィルター３１で処理した信号を出力するように構成された第１回路を用いると決定する。一方、制御装置１０は、アプローチ速度が所定の第１速度より速いとき、微小電流計測器５１の出力信号に対して所定の第２遮断周波数よりも低い信号を逓減させるバンドパスフィルター又はハイパスフィルター４１で処理した信号を出力するように構成された第２回路を用いると決定する。ここで、第１速度は、例えば、１００ｎｍ／ｍｓ以上であり、例えば、２００ｎｍ／ｍｓ、５００ｎｍ／ｍｓ、１０００ｎｍ／ｍｓなどといったどのような値であってもよい。

【0041】

また、第１遮断周波数は、５０ｋＨｚ以下であり、例えば、１０ｋＨｚ、５ｋＨｚ、３ｋＨｚ、１ｋＨｚなどといったどのような値であってもよい。また、第２遮断周波数は、０．０１ｋＨｚ以上であり、例えば、０．１ｋＨｚ、０．２ｋＨｚ、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚなどといったどのような値であってもよい。第１遮断周波数及び第２遮断周波数は、アプローチ速度に基づいて、予め用意された参照テーブルを参照して決定されてもよいし、予め用意された数式を用いて決定されてもよいし、その他の方法で決定されてもよい。

【0042】

ステップＳ１３において、制御装置１０は、プローブ５５を画像取得の開始位置へと移動させる。制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令して、ＸＹスキャナー６４及びＺスキャナー６６を動作させることができる。また、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、ＸＹスキャナー６４及びＺスキャナー６６とは別に、粗動用のアクチュエータを備えており、当該アクチュエータが用いられてもよい。このとき、微小電流計測器５１及びフィルター部２０で得られる信号を用いてもよい。このとき、プローブ５５の移動は低速であり、第２回路４０を用いて得られる信号よりも、第１回路３０を用いて得られる信号を用いることが好ましい。

【0043】

ステップＳ１４において、制御装置１０は、ステップＳ１２で決定された使用する回路が第１回路３０であるか第２回路４０であるかを判定する。使用する回路が第１回路３０であるとき、処理はステップＳ１５に進む。ステップＳ１５において、制御装置１０は、第１回路３０を用いた第１方法でデータ取得を行う。第１方法によるデータ取得については後述する。その後、処理はステップＳ１７に進む。一方、使用する回路が第２回路４０であるとき、処理はステップＳ１６に進む。ステップＳ１６において、制御装置１０は、第２回路４０を用いた第２方法でデータ取得を行う。第２方法によるデータ取得については後述する。その後、処理はステップＳ１７に進む。

【0044】

ステップＳ１７において、制御装置１０は、取得したデータに基づいて、画像を作成し、記録する。以上によって、画像取得に関する処理は終了する。

【0045】

ステップＳ１５で行われる第１方法によるデータ取得について説明する。図４は、第１方法によるデータ取得に係る動作例の概略を示すフローチャートである。

【0046】

ステップＳ２１において、制御装置１０は、第１回路３０を介して得られる電流値を示す信号に基づいて、プローブ５５の先端と対象物９３の表面とが離れている場合に得られる基準電流値を決定する。制御装置１０は、基準電流値に基づいて、プローブ５５の先端が対象物９３の表面に近接したと判定するための閾値を設定する。

【0047】

ステップＳ２２において、制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令してＺスキャナー６６を用いて、プローブ５５を設定されたアプローチ速度で対象物９３の方向に移動させる。

【0048】

ステップＳ２３において、制御装置１０は、プローブ５５の先端と対象物９３の表面との距離が近接したか否かを判定する。すなわち、制御装置１０は、第１回路３０を介して得られた電流値を示す信号が、ステップＳ２１で設定された閾値より小さくなったか否かを判定する。電流値を示す信号が閾値より小さくないとき、処理はステップＳ２２に戻る。すなわち、プローブ５５の対象物９３へのアプローチが継続される。一方、電流値を示す信号が閾値よりも小さくなったと判定されたとき、処理はステップＳ２４に進む。

【0049】

ステップＳ２４において、制御装置１０は、プローブ５５のそのときのＺ座標を記録する。すなわち、当該ＸＹ位置における対象物９３の高さ情報が記録される。

【0050】

ステップＳ２５において、制御装置１０は、ＸＹ位置に関してデータ取得対象の全域で高さ情報に係るデータの取得が済んだか否かを判定する。全域でのデータ取得が済んでいないとき、処理はステップＳ２６に進む。

【0051】

ステップＳ２６において、制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令してＺスキャナー６６を用いて、プローブ５５を上昇させて対象物９３から離させる。また、制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令してＸＹスキャナー６４を用いて、プローブ５５を走査のために、ＸＹ方向に所定量だけ移動させる。その後、処理は、ステップＳ２２に戻る。

【0052】

すなわち、ステップＳ２２からステップＳ２６の処理が繰り返されて、データ取得対象の全域の各ＸＹ位置において高さ情報が取得される。ステップＳ２５において、全領域のデータ取得が済んだと判定されたとき、第１方法によるデータ取得は終了し、処理は図３を参照して説明したメイン処理に戻る。

【0053】

ステップＳ１６で行われる第２方法によるデータ取得について説明する。図５は、第２方法によるデータ取得に係る動作例の概略を示すフローチャートである。

【0054】

ステップＳ３１において、制御装置１０は、第２回路４０を介して得られる信号に基づいて、プローブ５５の先端が対象物９３の表面に近接したと判定するための閾値を設定する。

【0055】

ステップＳ３２において、制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令してＺスキャナー６６を用いて、プローブ５５を設定されたアプローチ速度で対象物９３の方向に移動させる。

【0056】

ステップＳ３３において、制御装置１０は、プローブ５５の先端と対象物９３の表面との距離が近接したか否かを判定する。すなわち、制御装置１０は、第２回路４０を介して得られた信号値が、ステップＳ３１で設定された閾値より大きくなったか否かを判定する。信号値が閾値より大きくないとき、処理はステップＳ３２に戻る。すなわち、プローブ５５の対象物９３へのアプローチが継続される。一方、信号値が閾値よりも大きくなったと判定されたとき、処理はステップＳ３４に進む。

【0057】

ステップＳ３４において、制御装置１０は、プローブ５５のそのときのＺ座標を記録する。すなわち、当該ＸＹ位置における対象物９３の高さ情報が記録される。

【0058】

ステップＳ３５において、制御装置１０は、ＸＹ位置に関してデータ取得対象の全域で高さ情報に係るデータの取得が済んだか否かを判定する。全域でのデータ取得が済んでいないとき、処理はステップＳ３６に進む。

【0059】

ステップＳ３６において、制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令してＺスキャナー６６を用いて、プローブ５５を上昇させて対象物９３から離させる。また、制御装置１０は、スキャナコントローラー６２に指令してＸＹスキャナー６４を用いて、プローブ５５を走査のために、ＸＹ方向に所定量だけ移動させる。その後、処理は、ステップＳ３２に戻る。

【0060】

すなわち、ステップＳ３２からステップＳ３６の処理が繰り返されて、データ取得対象の全域の各ＸＹ位置において高さ情報が取得される。ステップＳ３５において、全領域のデータ取得が済んだと判定されたとき、第２方法によるデータ取得は終了し、処理は図３を参照して説明したメイン処理に戻る。

【0061】

［本実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡について］
本実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、アプローチ速度に応じて第１回路３０と第２回路４０とを使い分け、また、アプローチ速度に応じて各回路に含まれるフィルターの遮断周波数を適切に設定する。これにより、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１は、ゆっくりと高解像度で画像を得ることもできるし、高速であっても良好な解像度で画像を得ることもできる。

【0062】

以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることはいうまでもない。

【0063】

例えば、フィルター部２０で行われる処理として説明した処理は、アナログ信号で行われても、デジタル信号で行われてもよい。

【0064】

例えば、上述の実施形態では、ＸＹ位置は試料９０が載置されるステージで制御され、Ｚ位置はプローブ５５を保持するホルダで制御される例を示したが、これに限らない。ＸＹＺの何れの位置も、ステージで制御されても、プローブ５５のホルダで制御されてもよい。

【0065】

また、上述の実施形態の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡１の動作のうち、一部が手動で行われてもよい。

【符号の説明】

【0066】

１：走査型イオンコンダクタンス顕微鏡
１０：制御装置、１１：アプローチ速度取得部、１２：回路及びパラメーター決定部、１３：画像取得制御部、１４：画像作成部、１５：フィルター設定テーブル
２０：フィルター部、２２：制御部
３０：第１回路、３１：ローパスフィルター
４０：第２回路、４１：バンドパスフィルター又はハイパスフィルター、４２：増幅部、４３：ローパスフィルター
５１：微小電流計測器、５２：電圧源、５４：プローブ電極、５５：プローブ、５７：バス電極
６２：スキャナコントローラー、６４：ＸＹスキャナー、６６：Ｚスキャナー
７２：光学顕微鏡、７４：表示装置
９０：試料、９１：試料容器、９２：電解質液、９３：対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】