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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】P2024017955
(43)【公開日】2024-02-08
(54)【発明の名称】光誘起力測定装置、光誘起力顕微鏡及び光誘起力測定方法
(51)【国際特許分類】
G01Q 60/24 20100101AFI20240201BHJP
【ＦＩ】
G01Q60/24
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022120944
(22)【出願日】2022-07-28
(71)【出願人】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】110003753
【氏名又は名称】弁理士法人シエル国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100173646
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 桂子
(72)【発明者】
【氏名】山西 絢介
(72)【発明者】
【氏名】岡本 裕巳
(57)【要約】
【課題】物質のキラリティ及び円偏光に対する応答をナノスケールで観測することが可能な光誘起力測定装置、光誘起力顕微鏡及び光誘起力測定方法を提供する。
【解決手段】試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部１０と、カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、この探針の先端が試料２に近接して配置されるプローブ２０と、該プローブ２０のカンチレバーの変位から、試料２と探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部３０と、カンチレバーの共振周波数に基づき試料２に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部４０とを少なくとも備える装置１を用いて、試料２の光誘起力測定を行う。
【選択図】図１
【解決手段】試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部１０と、カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、この探針の先端が試料２に近接して配置されるプローブ２０と、該プローブ２０のカンチレバーの変位から、試料２と探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部３０と、カンチレバーの共振周波数に基づき試料２に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部４０とを少なくとも備える装置１を用いて、試料２の光誘起力測定を行う。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力測定装置。
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力測定装置。
【請求項2】
前記照射光制御部は、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる請求項１に記載の光誘起力測定装置。
【請求項3】
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成する請求項１に記載の光誘起力測定装置。
【請求項4】
前記円偏光照射部は、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する請求項１に記載の光誘起力測定装置。
【請求項5】
試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記検出部で得た検出信号に基づき、右円偏光誘起像及び左円偏光誘起像を生成する画像生成部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力顕微鏡。
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記検出部で得た検出信号に基づき、右円偏光誘起像及び左円偏光誘起像を生成する画像生成部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力顕微鏡。
【請求項6】
前記照射光制御部は、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる請求項５に記載の光誘起力顕微鏡。
【請求項7】
前記画像生成部では、前記右円偏光誘起像と前記左円偏光誘起像の差分像を生成する請求項５に記載の光誘起力顕微鏡。
【請求項8】
前記円偏光照射部は、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する請求項５に記載の光誘起力顕微鏡。
【請求項9】
前記カンチレバー又は前記試料を走査し、前記試料全体の像を生成する請求項５に記載の光誘起力顕微鏡。
【請求項10】
カンチレバーの先端に探針が取り付けられたプローブを、前記探針の先端が試料に近接するよう配置し、前記試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射工程と、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出工程と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御工程と、
を有する光誘起力測定方法。
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出工程と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御工程と、
を有する光誘起力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光誘起力測定装置、光誘起力顕微鏡及び光誘起力測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
見た目は同じに見えても空間的な位置関係が異なるため、分子の実像は鏡に映った鏡像と重ね合わせることができない構造、所謂キラル構造を有する物質をナノスケールで観測したいというニーズがある。例えば、アルツハイマーの原因物質と考えられているアミロイドβは、キラルな構造を持つ物質の１つである。患者の脳に蓄積するアミロイドβは通常とは異なった構造で蓄積されているため、その構造がアルツハイマー病の発症に深くかかわっていると考えられている。このため、アミロイドβの構造を解析することが、アルツハイマー治療薬の開発を促進すると期待されている。
【0003】
また、アミロイドβの他にキラリティが重要な物質としては化学薬品があり、例えばバルビツール酸誘導体やインダクリノンは、そのキラリティの方向で人体に対して異なる作用を示すことが知られている。このように、物質のキラリティは、生体の理解や創薬に関して重要な特徴であると考えられており、更に、生命科学分野以外でも、例えば磁性材料、高分子材料及び液晶材料などの各種有機・無機材料においてキラリティは重要な特徴とされている。
【0004】
従来、物質のキラリティを観測する手段としては、例えば円二色性（CD：Circular Dichroism）測定が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。円二色性は、左円偏光と右円偏光とで吸収が異なる現象であり、左右円偏光の吸収の差で表される。この円二色性は、光学活性を有する物質特有の性質であり、光学活性物質の分析、光学異性体の存在率の測定、生体分子の構造や状態の解析などに利用されている。
【0005】
一方、物質の光応答をナノスケールで観測できる装置として、近年、光誘起力顕微鏡（ＰｉＦＭ：Photo-induced Force Microscopy）が注目されている（特許文献３，４参照）。特許文献３，４に記載されているように、光誘起力顕微鏡は、金属コーティングされた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）のプローブチップを用いて、ＡＦＭプローブチップとチップ頂点の下にあるサンプル間で作用する光誘起力や力の勾配を検出するものである。
【0006】
そして、光誘起力顕微鏡には、「試料内部のシグナルを検出しないため、観測対象の試料の最表面の情報のみ取得することができる」、「サンプルを切片化する必要がないため、ブロック状のサンプルでも空間分解能に影響がない」、「ダイポールフォース（双極子間力）を検出しているため、バックグラウンド光による影響を受けない」といった特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】国際公開第２００７／０８８９４７号
【特許文献2】特開２０１７－１２０２５５号公報（特許第６７８４３９６号）
【特許文献3】国際公開第２０１８／１４０９８２号
【特許文献4】国際公開第２０１９／０３４０５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す課題がある。先ず、特許文献１に記載の円二色性顕微鏡のような光学顕微鏡方式に基づくキラル分子イメージング法は、回折限界を超えることができないため、ナノスケールで物質のキラリティを測定することは困難である。特許文献２に記載の円偏光照射器を用いれば、円二色性顕微鏡でも３００～４００ｎｍといったサブμｍの空間分解能は実現できるが、シングルナノスケールの空間分解能を実現することは難しい。
【0009】
一方、光誘起力顕微鏡は、物質の局所的な化学組成をナノスケールの空間分解能で測定することが可能であるが、物質のキラリティを測定することはできない。
【0010】
そこで、本発明は、物質のキラリティ及び円偏光に対する応答をナノスケールで観測することが可能な光誘起力測定装置、光誘起力顕微鏡及び光誘起力測定方法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】
【0011】
本発明に係る光誘起力測定装置は、試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、を有する。
前記照射光制御部は、例えばカンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させることができる。
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成してもよい。
前記円偏光照射部は、例えば検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する。
前記照射光制御部は、例えばカンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させることができる。
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成してもよい。
前記円偏光照射部は、例えば検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する。
【0012】
本発明に係る光誘起力顕微鏡は、試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、前記検出部で得た検出信号に基づき、右円偏光誘起像及び左円偏光誘起像を生成する画像生成部と、前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、を有する。
前記照射光制御部は、例えばカンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させることができる。
前記画像生成部では、前記右円偏光誘起像と前記左円偏光誘起像の差分像を生成してもよい。
前記円偏光照射部は、例えば検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する。
本発明の光誘起力顕微鏡は、前記カンチレバー又は前記試料を走査し、前記試料全体の像を生成してもよい。
前記照射光制御部は、例えばカンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させることができる。
前記画像生成部では、前記右円偏光誘起像と前記左円偏光誘起像の差分像を生成してもよい。
前記円偏光照射部は、例えば検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する。
本発明の光誘起力顕微鏡は、前記カンチレバー又は前記試料を走査し、前記試料全体の像を生成してもよい。
【0013】
本発明に係る光誘起力測定方法は、カンチレバーの先端に探針が取り付けられたプローブを、前記探針の先端が試料に近接するよう配置し、前記試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射工程と、前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出工程と、前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御工程と、を行う。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、物質のキラリティや円偏光に対する応答をナノスケールで観測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第１の実施形態の光誘起力測定装置の構成例を模式的に示す図である。
【図2】Ａ，Ｂはキラル分子に円偏光を照射した際に探針との間に生じる力の関係を示す図であり、Ａは右円偏光を照射したときの図、Ｂは左円偏光を照射したときの図である。
【図3】熱膨張の影響を示す図である。
【図4】光強度変調を説明する図である。
【図5】Ａは右旋性試料、Ｂは原子間力顕微鏡で観察したその凹凸像、Ｃはその左円偏光誘起像、Ｄはその右円偏光誘起像である。
【図6】Ａは左旋性試料、Ｂは原子間力顕微鏡で観察したその凹凸像、Ｃはその左円偏光誘起像、Ｄはその右円偏光誘起像である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【0017】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係る光誘起力測定装置について説明する。図１は本実施形態の光誘起力測定装置の構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の光誘起力測定装置１は、円偏光による光誘起力を検出するものであり、円偏光照射部１０と、プローブ２０と、検出部３０と、制御部４０を少なくとも備える。
先ず、本発明の第１の実施形態に係る光誘起力測定装置について説明する。図１は本実施形態の光誘起力測定装置の構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の光誘起力測定装置１は、円偏光による光誘起力を検出するものであり、円偏光照射部１０と、プローブ２０と、検出部３０と、制御部４０を少なくとも備える。
【0018】
［円偏光照射部１０］
円偏光照射部１０は、例えば試料２の検出面とは逆の面側から、右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射するものであり、例えば光源１１と、直線偏光子１２、ミラー１３，１４、１／４波長板１５及びレンズ１６などの光学素子で成されている。なお、円偏光照射部１０は、上記構成に限定されるものではなく、１／４波長板１５の代わりに、光弾性変調器（ＰＥＭ：Photoelastic Modulator）、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-optic Modulator）及び電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-optic modulator）などの各種変調器を用いて円偏光に変調してもよい。また、円偏光照射部１０として、特許第６７８４３９６号やＰＣＴ／ＪＰ２０２２／００５０１４に記載されている円偏光照射器を用いることもできる。
円偏光照射部１０は、例えば試料２の検出面とは逆の面側から、右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射するものであり、例えば光源１１と、直線偏光子１２、ミラー１３，１４、１／４波長板１５及びレンズ１６などの光学素子で成されている。なお、円偏光照射部１０は、上記構成に限定されるものではなく、１／４波長板１５の代わりに、光弾性変調器（ＰＥＭ：Photoelastic Modulator）、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-optic Modulator）及び電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-optic modulator）などの各種変調器を用いて円偏光に変調してもよい。また、円偏光照射部１０として、特許第６７８４３９６号やＰＣＴ／ＪＰ２０２２／００５０１４に記載されている円偏光照射器を用いることもできる。
【0019】
従来の光誘起力測定装置では、直線偏光を用いているため、物質のキラル構造を観測することはできない。そこで、本実施形態の光誘起力測定装置では、試料への照射光として円偏光を用いることとした。例えば観察対象が分子である場合、直線偏光を用いた測定で検出される双極子間力Ｆｄｉｐｏｌｅは光応答に関係する試料分極率αに基づくものであるが、円偏光照射による測定では、光応答に関係する試料分極率αに加えて、キラリティ由来の試料分極率χの情報も含む双極子間力Ｆｄｉｐｏｌｅを検出することが可能となる。
【0020】
実施形態の光誘起力測定装置１で用いる光源１１は、試料の種類や検出光の波長などに応じて適宜選択することができ、例えば固体レーザ、半導体レーザ（ＬＤ：laser diode）及び気体レーザなどの各種レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）及びスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）などの発光素子を用いることができる。ここで、照射光（円偏光）の波長は、特に限定されるものではなく、観測試料（分子）の誘起波長や探針の共鳴波長に応じて適宜設定することができる。
【0021】
［プローブ２０］
プローブ２０は、光誘起力を検知するものであり、カンチレバー２１の先端に探針２２が取り付けられた構成となっている。プローブ２０の構造や材質は、特に限定されるものではなく、光誘起力顕微鏡などの従来の測定装置で使用されている公知のプローブを用いることができる。プローブ２０は、探針２２の先端が試料２に近接するよう配置される。これにより、探針２２と試料との間に生じた双極子間力によりカンチレバー２１が試料に引き寄せられて変位する。
プローブ２０は、光誘起力を検知するものであり、カンチレバー２１の先端に探針２２が取り付けられた構成となっている。プローブ２０の構造や材質は、特に限定されるものではなく、光誘起力顕微鏡などの従来の測定装置で使用されている公知のプローブを用いることができる。プローブ２０は、探針２２の先端が試料２に近接するよう配置される。これにより、探針２２と試料との間に生じた双極子間力によりカンチレバー２１が試料に引き寄せられて変位する。
【0022】
また、プローブ２０には、例えばカンチレバー２１を特定の共振周波数ｆ１で振動させるピエゾ素子２３が取り付けられている。なお、カンチレバー２１の励振方法は、ピエゾ素子２３を用いる方法（ピエゾ励振法）に限定されるものではなく、本実施形態の構成を実現でき、本発明の効果に影響しない手法であれば、ピエゾ素子２３以外のものを用いて励振してもよい。
【0023】
［検出部３０］
検出部３０は、プローブ２０のカンチレバー２１の変位を検知し、試料２と探針２２との間に作用する光誘起力を検出するものである。カンチレバー２１の動きは、例えばカンチレバー２１にレーザ光を照射し、その反射光を４分割フォトダイオード（ＱＰＤ：Quadrant Photo-Diode）３９で検出することで検知することができる。
検出部３０は、プローブ２０のカンチレバー２１の変位を検知し、試料２と探針２２との間に作用する光誘起力を検出するものである。カンチレバー２１の動きは、例えばカンチレバー２１にレーザ光を照射し、その反射光を４分割フォトダイオード（ＱＰＤ：Quadrant Photo-Diode）３９で検出することで検知することができる。
【0024】
図２Ａ，Ｂはキラル分子に円偏光を照射した際に探針２２との間に生じる力の関係を示す図であり、図２Ａは右円偏光を照射したときの図、図２Ｂは左円偏光を照射したときの図である。図２Ａ、Ｂに示すように、例えばキラル分子２ａと探針２２との間に生じる双極子間力は、右偏光を照射したときと左偏光を照射したときで異なる。このため、左右円偏光で双極子間力の差を検出することにより、キラル分子２ａのキラリティを観測することができる。
【0025】
ここで、検出部３０の構成は、特に限定されるものではないが、カンチレバー２１にレーザ光を照射する光学系は、例えば、半導体レーザ（ＬＤ：laser diode）などのレーザ発振器３１ａと、レンズ３２、ミラー３３ａ，３３ｂ、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂ、１／４波長板３５、レンズ３６などの光学素子が、この順に配置された構成とすることができる。
【0026】
一方、カンチレバー２１からの反射光を検出する光学系は、例えば、レンズ３６、１／４波長板３５、ビームスプリッター３４ｂ、ロングパスフィルタ３７、ミラー３８、４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）３９などの光学素子が、この順に配置された構成とすることができる。なお、反射光検出のための光学系は、カンチレバー２１で反射した光のみ検出する構成であればよく、例えばロングパスフィルタ３７に代えてショートパスフィルタ、バンドパスフィルタ又はノッチフィルタなどを用いてもよい。
【0027】
また、カンチレバー２１の変位を検知する方法も、図１に示すＱＰＤを用いる方法に限定されるものではなく、例えばカンチレバー２１の背面に光ファイバーとフォトディテクターを配置する光干渉方式によって検出する方法、或いは、Ｑプラスセンサーを用いて検出する方法などを適用してもよい。
【0028】
［制御部４０］
制御部４０は、カンチレバー２１の共振周波数ｆ１に基づき、試料に照射する円偏光の光強度を調整するものである。図３は熱膨張の影響を示す図であり、図４は光強度変調を説明する図である。本発明者は、従来の光誘起力測定装置では、図３に示すように「双極子間力」だけでなく、光照射により探針２２と試料２とのに生じる「熱膨張による力」を合わせて検出しており、双極子間力の検出精度が十分には得られていないことを知見した。
制御部４０は、カンチレバー２１の共振周波数ｆ１に基づき、試料に照射する円偏光の光強度を調整するものである。図３は熱膨張の影響を示す図であり、図４は光強度変調を説明する図である。本発明者は、従来の光誘起力測定装置では、図３に示すように「双極子間力」だけでなく、光照射により探針２２と試料２とのに生じる「熱膨張による力」を合わせて検出しており、双極子間力の検出精度が十分には得られていないことを知見した。
【0029】
そこで、図４に示すように、本実施形態の光誘起力測定装置１では、カンチレバー２１の共振周波数ｆ１に基づき、試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる。ここで、ｆｍは任意の変調周波数である。これにより、熱膨張の力の検出信号への影響が抑制され、双極子間力の検出感度が相対的に高まるため、光誘起力の検出精度を向上させることができる。
【0030】
また、光誘起力測定装置１における検出信号は、光誘起力（極子間力）及び光熱膨張による力と、カンチレバー２１の振動が結合した力として、周波数（ｆ１＋ｆｍ）で表される。そして、カンチレバー２１を周波数（２ｆ１＋ｆｍ）でも駆動することにより、光熱振動をキャンセルすることができる。
【0031】
制御部４０では、前述した照射光である円偏光の変調の他、例えばカンチレバー２１の振動制御、右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分をとる（差分信号を生成する）といった検出信号の処理、及び探針２２と試料２の間の距離の制御などを行ってもよい。具体的には、制御部４０に、円偏光を変調させるための信号を生成する回路（ＰＬＬ回路、ダブラー回路、サイドバンド生成回路など）と併せて、カンチレバー２１の振動を制御するための信号を生成する回路（ＰＬＬ回路、ＡＧＧ回路、ＰＩＤ回路など）や検出信号を処理するための回路を設けてもよい。
【0032】
なお、前述したカンチレバー２１の振動制御、検出信号の処理及び探針２２と試料２の間の距離の制御は、制御部４０で行ってもよいが、それぞれ個別の制御部や処理部を設けてもよい。その場合、制御部４０は、試料に照射する円偏光の変調のみ実行する。
【0033】
［固体撮像素子５０］
本実施形態の光誘起力測定装置１は、前述した各構成に加えて、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）などの固体撮像素子５０が設けられていてもよい。固体撮像素子５０は、例えば、円偏光の照射位置及び探針２２の位置から、試料２の検出面とは逆の面側から照射された円偏光のスポットに探針２の先端が配置されているか確認するために用いられる。また、試料２の特定の領域を観測したい場合に、試料２の位置を確認するために用いることもできる。
本実施形態の光誘起力測定装置１は、前述した各構成に加えて、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）などの固体撮像素子５０が設けられていてもよい。固体撮像素子５０は、例えば、円偏光の照射位置及び探針２２の位置から、試料２の検出面とは逆の面側から照射された円偏光のスポットに探針２の先端が配置されているか確認するために用いられる。また、試料２の特定の領域を観測したい場合に、試料２の位置を確認するために用いることもできる。
【0034】
［動作］
次に、本実施形態の光誘起力測定装置１の動作、即ち、光誘起力測定装置１を用いて物質のキラリティを観測する方法について説明する。本実施形態の光誘起力測定装置１により測定される試料２としては、例えば、たんぱく質などの生体分子、ナノ構造体、磁性材料、高分子材料、液晶及びキラルな有機分子が挙げられる。
次に、本実施形態の光誘起力測定装置１の動作、即ち、光誘起力測定装置１を用いて物質のキラリティを観測する方法について説明する。本実施形態の光誘起力測定装置１により測定される試料２としては、例えば、たんぱく質などの生体分子、ナノ構造体、磁性材料、高分子材料、液晶及びキラルな有機分子が挙げられる。
【0035】
本実施形態の光誘起力測定方法では、カンチレバー２１の先端に探針２２が取り付けられたプローブ２０を、探針２１の先端が試料２に近接するよう配置し、試料２の例えば検出面とは逆の面側から、右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（円偏光照射工程）。具体的には、円偏光照射部１０の光源１１から例えばレーザ光を出射し、その光を直線偏光子１２、ミラー１３及びミラー１４を経て、１／４波長板１５で円偏光に変換し、レンズ１６で集光して、試料２に検出面とは逆の面（裏面）側から照射する。
【0036】
なお、円偏光照射部１０において円偏光を生成する方法は、１／４波長板１５を用いる方法に限定されるものではなく、例えば光弾性変調器（ＰＥＭ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）及び電気光学変調器（ＥＯＭ）などの各種変調器を用いて円偏光に変調する方法、特許第６７８４３９６号やＰＣＴ／ＪＰ２０２２／００５０１４に記載されている円偏光照射器を用いる方法などを適用することもできる。
【0037】
そして、カンチレバー２１の変位を検出し、試料２と探針２２との間に作用する光誘起力を検知する（検出工程）。カンチレバー２１の変位検出方法は、特に限定されるものではないが、例えば、検出部３０のレーザ発振器３１ａの光ファイバー端面３１ｂから出射されたレーザ光を、レンズ３２で平行光にした後、ミラー３３ａ及びミラー３３ｂを経由し、ビームスプリッター３４ａで反射し、ビームスプリッター３４ｂ、１／４波長板３５及びレンズ３６を透過して、カンチレバー２１に照射する。
【0038】
カンチレバー２１からの反射光は、レンズ３６で平行光にされ、１／４波長板３５を透過し、ビームスプリッター３４ｂで反射され、ロングパスフィルタ（ＬＰＦ）３７を透過し、ミラー３８で反射されて、４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）３９で検出する。
【0039】
その際、カンチレバー２１の共振周波数ｆ１に基づき、試料２と探針２２に照射する光の強度を調整する（照射光制御工程）。具体的には、カンチレバー２１の共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、試料２と探針２２に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる。これにより、熱膨張の力の検出信号への影響を抑制し、光誘起力の検出精度を向上させることができる。
【0040】
以上詳述したように、本実施形態の光誘起力測定装置では、円偏光を用いると共に、カンチレバーの共振周波数に基づき、試料に照射する円偏光の光強度を調整しているため、シングルナノメートルスケールの物質のキラリティを観測することができる。更に、本実施形態の光誘起力測定装置は、物質のキラリティだけでなく、物質の円偏光に対する応答も観測することが可能である。
【0041】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光誘起力顕微鏡について説明する。本実施形態の光誘起力顕微鏡は、円偏光による光誘起力を検出し、円偏光誘起像を生成するものであり、前述した光誘起力測定装置の各部に加えて、画像生成部を有する。
次に、本発明の第２実施形態に係る光誘起力顕微鏡について説明する。本実施形態の光誘起力顕微鏡は、円偏光による光誘起力を検出し、円偏光誘起像を生成するものであり、前述した光誘起力測定装置の各部に加えて、画像生成部を有する。
【0042】
この画像生成部では、検出部３０で得た検出信号に基づき、右円偏光誘起像及び左円偏光誘起像を生成する。これにより、物質のキラリティや円偏光に対する応答を可視化することができる。なお、本実施形態の光誘起力顕微鏡では、必要に応じて、右円偏光誘起像と左円偏光誘起像の差分像を生成してもよい。また、本実施形態の光誘起力顕微鏡では、カンチレバー２１又は試料２を走査し、試料２の全体の像を生成してもよい。カンチレバー２１又は試料２の走査は、例えば制御部４０により制御することもできる。
【0043】
本実施形態の光誘起力顕微鏡は、照射光を円偏光にすると共に、カンチレバーの共振周波数に基づき、試料に照射する円偏光の光強度を調整しているため、物質のキラリティや円偏光に対する応答をシングルナノスケールの空間分解能で検出し、画像化することができる。なお、本実施形態の光誘起力顕微鏡における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
【実施例0044】
以下、本発明の実施例により、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、風車型の金属ナノ構造体が間隔をあけて複数形成された試料を、原子間力顕微鏡及び第２の実施形態の光誘起力顕微鏡で観察した。図５Ａは右旋性試料、図５Ｂは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察したその凹凸像、図５Ｃはその左円偏光誘起像、図５Ｄはその右円偏光誘起像である。また、図６Ａは左旋性試料、図６Ｂは原子間力顕微鏡で観察したその凹凸像、図６Ｃはその左円偏光誘起像、図６Ｄはその右円偏光誘起像である。図７は図５Ｃの左円偏光誘起像と図５Ｄの右円偏光誘起像の差分像である。
【0045】
図５Ｂ及び図６Ｂに示すように、ＡＦＭで観測した凹凸像では、試料の右旋性と左旋性の違いが確認できなかった。一方、図５Ｃ，Ｄ及び図６Ｃ，Ｄに示す本発明の光誘起力顕微鏡による左円偏光誘起像及び右円偏光誘起像は、試料の右旋性と左旋性の違いが円偏光の左右で異なることが確認できた。更に、図７に示す差分像は、キラル分子イメージングに該当する像であり、局所的光学活性に関する量を観察することができた。
【0046】
以上の結果から、本発明によれば、物質のキラリティ及び局所的な円偏光応答をナノスケールで観測できることが確認された。
【0047】
なお、本発明は、以下の形態をとることもできる。
（１）
試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力測定装置。
（２）
前記照射光制御部は、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる（１）に記載の光誘起力測定装置。
（３）
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成する（１）又は（２）に記載の光誘起力測定装置。
（４）
前記円偏光照射部は、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（１）～（３）のいずれかに記載の光誘起力測定装置。
（５）
試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記検出部で得た検出信号に基づき、右円偏光誘起像及び左円偏光誘起像を生成する画像生成部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力顕微鏡。
（６）
前記照射光制御部は、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる（５）に記載の光誘起力顕微鏡。
（７）
前記画像生成部では、前記右円偏光誘起像と前記左円偏光誘起像の差分像を生成する（５）又は（６）に記載の光誘起力顕微鏡。
（８）
前記円偏光照射部は、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（５）～（７）のいずれかに記載の光誘起力顕微鏡。
（９）
前記カンチレバー又は前記試料を走査し、前記試料全体の像を生成する（５）～（８）のいずれかに記載の光誘起力顕微鏡。
（１０）
カンチレバーの先端に探針が取り付けられたプローブを、前記探針の先端が試料に近接するよう配置し、前記試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射工程と、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出工程と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度の強度を調整する照射光制御工程と、
を有する光誘起力測定方法。
（１１）
前記照射光制御工程では、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる（１０）に記載の光誘起力測定方法。
（１２）
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成する（１０）又は（１１）に記載の光誘起力測定方法。
（１３）
前記円偏光照射工程では、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（１０）～（１２）のいずれかに記載の光誘起力測定方法。
（１）
試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力測定装置。
（２）
前記照射光制御部は、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる（１）に記載の光誘起力測定装置。
（３）
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成する（１）又は（２）に記載の光誘起力測定装置。
（４）
前記円偏光照射部は、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（１）～（３）のいずれかに記載の光誘起力測定装置。
（５）
試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射部と、
カンチレバーの先端に探針が取り付けられ、前記探針の先端が前記試料に近接して配置されるプローブと、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出部と、
前記検出部で得た検出信号に基づき、右円偏光誘起像及び左円偏光誘起像を生成する画像生成部と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度を調整する照射光制御部と、
を有する光誘起力顕微鏡。
（６）
前記照射光制御部は、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の変調周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる（５）に記載の光誘起力顕微鏡。
（７）
前記画像生成部では、前記右円偏光誘起像と前記左円偏光誘起像の差分像を生成する（５）又は（６）に記載の光誘起力顕微鏡。
（８）
前記円偏光照射部は、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（５）～（７）のいずれかに記載の光誘起力顕微鏡。
（９）
前記カンチレバー又は前記試料を走査し、前記試料全体の像を生成する（５）～（８）のいずれかに記載の光誘起力顕微鏡。
（１０）
カンチレバーの先端に探針が取り付けられたプローブを、前記探針の先端が試料に近接するよう配置し、前記試料に右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する円偏光照射工程と、
前記カンチレバーの変位から、前記試料と前記探針との間に作用する光誘起力を検出する検出工程と、
前記カンチレバーの共振周波数に基づき、前記試料に照射する円偏光の光強度の強度を調整する照射光制御工程と、
を有する光誘起力測定方法。
（１１）
前記照射光制御工程では、カンチレバーの共振周波数をｆ１、任意の周波数をｆｍとしたとき、前記試料に照射する円偏光の光強度を（２ｆ１＋ｆｍ）の周波数で変調させる（１０）に記載の光誘起力測定方法。
（１２）
右円偏光に由来する信号と左円偏光に由来する信号の差分信号を生成する（１０）又は（１１）に記載の光誘起力測定方法。
（１３）
前記円偏光照射工程では、検出面とは逆の面側から右円偏光、左円偏光又はその両方の光を照射する（１０）～（１２）のいずれかに記載の光誘起力測定方法。
【符号の説明】
【0048】
１ 光誘起力測定装置
２ 試料
２ａ キラル分子
３ 円偏光
１０ 円偏光照射部
１１ 光源
１２ 直線偏光子
１３、１４、３３ａ、３３ｂ、３８ ミラー
１５、３５ １／４波長板
１６，３２，３６ レンズ
２０ プローブ
２１ カンチレバー
２２ 探針
２３ ピエゾ素子
３０ 検出部
３１ａ レーザ発振器
３１ｂ 光ファイバー端面
３４ａ、３４ｂ ビームスプリッター
３７ ロングパスフィルタ（ＬＰＦ）
３９ ４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）
４０ 制御部
５０ 撮像素子
２ 試料
２ａ キラル分子
３ 円偏光
１０ 円偏光照射部
１１ 光源
１２ 直線偏光子
１３、１４、３３ａ、３３ｂ、３８ ミラー
１５、３５ １／４波長板
１６，３２，３６ レンズ
２０ プローブ
２１ カンチレバー
２２ 探針
２３ ピエゾ素子
３０ 検出部
３１ａ レーザ発振器
３１ｂ 光ファイバー端面
３４ａ、３４ｂ ビームスプリッター
３７ ロングパスフィルタ（ＬＰＦ）
３９ ４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）
４０ 制御部
５０ 撮像素子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
