特許 7550734 検知プローブ、プローブ顕微鏡及び試料温度計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】検知プローブ、プローブ顕微鏡及び試料温度計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01Q 70/14 20100101AFI20240906BHJP

   G01Q 80/00 20100101ALI20240906BHJP

   G01Q 70/18 20100101ALI20240906BHJP

   G01K 11/20 20060101ALI20240906BHJP

   G01K 11/30 20060101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

G01Q70/14

G01Q80/00 121

G01Q70/18

G01K11/20

G01K11/30

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021128519

(22)【出願日】2021-08-04

(65)【公開番号】P2023023217

(43)【公開日】2023-02-16

【審査請求日】2024-02-06

【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

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(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

【審査官】山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０６７６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２１８５０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５２９３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００１８２６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１２２０８２１（ＣＮ，Ａ）

【文献】Jean-Philippe Tetienne、Alain Lombard、David A. Simpson、Cameron Ritchie、Jianing Lu、Paul Mulvaney，“Scanning Nanospin Ensemble Microscope for Nanoscale Magnetic and Thermal Imaging”，NANO LETTERS，米国，American Chemical Society，2015年12月28日，Vol.1,No.1，pp.326-333，DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03877

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｑ １０／００ － ９０／００

Ｇ０１Ｋ １／００ － １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料の温度を計測するプローブ顕微鏡の検知プローブであって、
窒素－空孔複合体中心部を少なくとも一つ含有するプローブと、
前記プローブを支持する支持部と、を有し、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、少なくとも前記窒素－空孔複合体中心部を前記支持部から切り離す切離部を有することを特徴とする検知プローブ。

【請求項2】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、前記プローブの寸法が最小となる寸法最小部分を有し、
前記寸法最小部分は、
前記プローブの先端から所定の距離だけ離れた領域が選択的に細くなるような形状を有し、
前記プローブを前記試料に挿入した際に前記寸法最小部分を介して折れることにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項１に記載の検知プローブ。

【請求項3】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、くびれ部を有し、
前記くびれ部は、
前記プローブを前記試料に挿入した際に折れることにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項１に記載の検知プローブ。

【請求項4】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、窪み部を有し、
前記窪み部は、
前記プローブを前記試料に挿入した際に折れることにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項１に記載の検知プローブ。

【請求項5】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、水溶性膜を有し、
前記水溶性膜は、
前記プローブを前記試料に挿入した際に溶解することにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項１に記載の検知プローブ。

【請求項6】

前記水溶性膜は、
水溶性ポリエステル樹脂又は水溶性アクリル樹脂で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の検知プローブ。

【請求項7】

試料を検知プローブで走査して前記試料の温度を計測するプローブ顕微鏡であって、
前記検知プローブは、
窒素－空孔複合体中心部を少なくとも一つ含有するプローブと、
前記プローブを支持する支持部と、を有し、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、少なくとも前記窒素－空孔複合体中心部を前記支持部から切り離す切離部を有することを特徴とするプローブ顕微鏡。

【請求項8】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、前記プローブの寸法が最小となる寸法最小部分を有し、
前記寸法最小部分は、
前記プローブの先端から所定の距離だけ離れた領域が選択的に細くなるような形状を有し、
前記プローブを前記試料に挿入した際に前記寸法最小部分を介して折れることにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項７に記載のプローブ顕微鏡。

【請求項9】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、くびれ部を有し、
前記くびれ部は、
前記プローブを前記試料に挿入した際に折れることにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項７に記載のプローブ顕微鏡。

【請求項10】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、窪み部を有し、
前記窪み部は、
前記プローブを前記試料に挿入した際に折れることにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項７に記載のプローブ顕微鏡。

【請求項11】

前記切離部は、
前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、水溶性膜を有し、
前記水溶性膜は、
前記プローブを前記試料に挿入した際に溶解することにより、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離すことを特徴とする請求項７に記載のプローブ顕微鏡。

【請求項12】

前記水溶性膜は、
水溶性ポリエステル樹脂又は水溶性アクリル樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のプローブ顕微鏡。

【請求項13】

試料を検知プローブで走査するプローブ顕微鏡を用いて前記試料の温度を計測する試料温度計測方法であって、
前記検知プローブを、窒素－空孔複合体中心部を少なくとも一つ含有するプローブと、前記プローブを支持する支持部とで形成し、
前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離し、
切り離した前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの前記先端部を前記試料内の所定の箇所に挿入して前記試料内に残留させ、
残留させた前記窒素－空孔複合体中心部を介して、前記試料の温度を計測することを特徴とする試料温度計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検知プローブ、プローブ顕微鏡及び試料温度計測方法に関する。

【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、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、生体機能を模倣した例えば人工イオンチャネルにおける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、反応に伴う発光などの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、後述するＮＶセンター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】

【文献】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センターを含んだプローブによる走査プローブ顕微鏡法は、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、温度測定の場合は試料に触針する必要があり、触針により試料に温度変化が生じてしまう。この結果、高感度な温度計測を実現することは困難である。

【0010】

本発明の目的は、ＮＶセンターを含んだプローブ顕微鏡の検知プローブにおいて、高感度な温度計測を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様の検知プローブは、試料の温度を計測するプローブ顕微鏡の検知プローブであって、窒素－空孔複合体中心部を少なくとも一つ含有するプローブと、前記プローブを支持する支持部と、を有し、前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、少なくとも前記窒素－空孔複合体中心部を前記支持部から切り離す切離部を有することを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様のプローブ顕微鏡は、試料を検知プローブで走査して前記試料の温度を計測するプローブ顕微鏡であって、前記検知プローブは、窒素－空孔複合体中心部を少なくとも一つ含有するプローブと、前記プローブを支持する支持部と、を有し、前記窒素－空孔複合体中心部と前記支持部との間に、少なくとも前記窒素－空孔複合体中心部を前記支持部から切り離す切離部を有することを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様の試料温度計測方法は、試料を検知プローブで走査するプローブ顕微鏡を用いて前記試料の温度を計測する試料温度計測方法であって、前記検知プローブを、窒素－空孔複合体中心部を少なくとも一つ含有するプローブと、前記プローブを支持する支持部とで形成し、前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの先端部を前記支持部から切り離し、切り離した前記窒素－空孔複合体中心部を包含する前記プローブの前記先端部を前記試料内の所定の箇所に挿入して前記試料内に残留させ、残留させた前記窒素－空孔複合体中心部を介して、前記試料の温度を計測す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、ＮＶセンターを含んだプローブ顕微鏡の検知プローブにおいて、高感度な温度計測を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】ＮＶセンターを有するダイヤモンドの結晶構造、電子エネルギー状態図と光検出磁気共鳴スペクトルの関係を示す図である。

【図2】ＮＶセンターを有するダイヤモンドをプローブに用いた走査プローブ顕微鏡の基本構成を示す図である。

【図3】ＮＶセンターを有するダイヤモンドをプローブの作製方法と液中試料に触針した時の熱散逸の課題を示す図である。

【図4】ＮＶセンターを有するダイヤモンドをプローブにおいて、先端のＮＶセンター部分を機械的な力で切り離して試料内に残留させるためのプローブ作製方法と細胞試料中の所望の箇所にＮＶセンターを注入する方法を示す図である。

【図5】ＮＶセンターを有するダイヤモンドプローブにおいて、先端のＮＶセンター部分を水溶性膜部分で切り離して試料内に残留させるためのプローブ作製方法と細胞試料中の所望の箇所にＮＶセンターを注入する方法を示す図である。

【図6】ダイヤモンドプローブにおける熱伝導・熱放射に起因する温度勾配についての計算結果を示す図である。

【図7】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ブ顕微鏡用プローブの作製過程を示す図である。

【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１、図２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センターを有するダイヤモンドのユニットセル構造を図１（ａ）に示す。
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センターと呼ばれている。こうした結晶は図１（ｂ）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。

【0019】

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。

【0020】

一方、この結晶に２．８７ＧＨｚ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。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。

【0021】

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を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。すなわちＮＶセンターに磁場が印加されている場合は図２（ｂ）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。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。

【0022】

このＯＤＭＲスペクトルはＮＶセンター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１（ｃ）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センター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。

【0023】

ＮＶセンターを応用した計測技術は、そのセンシング部分は図１（ａ）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。

【0024】

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センターで計測する際の高空間分解能化として以下の２つの方法、すなわち（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。（１）については、ＮＶセンター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の緑色レーザとマイクロ波を照射することで図１（ｂ）、（ｃ）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。

【0025】

次に、図２を参照して、装置構成の概要について説明する。図２は、ＮＶセンターを有するダイヤモンドをプローブに用いた走査プローブ顕微鏡の基本構成を示す図である。

【0026】

ここでは、一般の走査プローブ顕微鏡３１（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）をベースに装置構成を示している。すなわち、除振機能を有する光学定盤１３上の試料ステージ１４上に試料１５が設置されており、それを上からＮＶセンターを含むダイヤモンドプローブ１６で走査している。

【0027】

試料１５の近傍には、試料１５に印加するためのマイクロ波用アンテナ１７が設置される。他方、電子を励起する５３２ｎｍ波長の緑色レーザ１９からの緑色レーザ光２０がアライメントされ、透明性基材１８を透過してダイヤモンドプローブ１６に照射されている。この途中で緑色レーザ光２０はＡＯＭ２１（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；音響光学変調器）を通過する。ＡＯＭ２１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。

【0028】

ダイヤモンドプローブ１６はＮＶセンターを含み、ここから放射される赤色蛍光２２が入射レーザ光と逆の光路を通り、ハーフミラー２６を経由してＡＰＤ検出器２３（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ；アバランシェフォトダイオード）で検知される。緑色レーザ光２０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２４に、赤色蛍光はその発光特性を把握するために分光器２５に導かれる。

【0029】

マイクロ波パワーアンプ２９とＡＰＤ検出器２３は制御系装置２７に、プローブ顕微鏡３１と試料ステージ１４はＳＰＭコントローラ２８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３０の中に設置される。

【0030】

電磁場計測法としては１０ｎｍ程度の高空間分解能計測が期待されている。ＮＶセンターを含むダイヤモンドプローブ１６は、透明性基材共々、ダイヤモンドで構成されている。また、ダイヤモンドを材料としたプローブ顕微鏡用探針の作製方法として、微細な構造を有する収束イオンビームを応用した加工技術であるＦＩＢマイクロサンプリング法が応用されている。

【0031】

次に、図３を参照して、本発明の関連技術について説明する。
まず、ＮＶセンターを含有するダイヤモンド基板１を準備する。通常、ダイヤモンド基板１には窒素（Ｎ）が含有されているが、イオン注入で増やすことも行われている。この後、電子線照射をして空孔（Ｖ）を形成し、アニールにてＮＶ対を形成する（図３（ａ）参照）。

【0032】

ここから収束イオンビーム（ＦＩＢ）とマイクロサンプリング技術、もしくはリソグラフィで微細加工をすることで、基材２上にプローブ形状のダイヤモンド探針３を接着剤５を介して設置する。ダイヤモンド探針３内にはＮＶセンター４が包含される（図３（ｃ））。

【0033】

こうして作製したプローブを、例えば生体試料観察に用いる場合、試料６は通常は液面７の下の液中に位置する。また温度を測定する場合は、電場、磁場測定と異なり、ダイヤモンド探針３は試料６に接触する必要がある。

【0034】

このため、基材２の温度をＴ１、ＮＶセンター４の温度をＴ２、試料６の温度をＴ３とすると、針を経由して基材２への熱伝導や探針側面からの熱放射が発生し、試料６の温度が変化してしまうほか、試料６とＮＶセンター位置の間でも温度差が発生してしまうという問題があった（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）。

【0035】

すなわち、本来ｍＫレベルの高精度な温度計測が可能と言われているＮＶセンターの温度計測の能力を十分に活かせないという課題があった。

【0036】

本発明の実施形態は、ＮＶセンターの温度計測の能力を十分に活かすことにある。これにより、ＮＶセンターの設定位置の任意性と高空間分解能性を維持しつつ、探針を経由した外部への熱伝導を抑える。例えば、細胞内などで高感度な温度計測を実現する。

【0037】

初めに、プローブの熱伝導・熱放射を定量的に検討し、発明の構成に活用する。

【0038】

図６（ａ）には計算に用いたプローブ形状のモデルを示す。ここでは単純化し、半径ｒの円柱形状のプローブを検討した。ｘ＝０の位置に測定対象となる試料があり、ここの温度をＴｏｂｊとした。ｘ＝ｘの位置にＮＶセンターがあり、ここの温度をＴＮＶとした。ｘ＝∞での温度がＴＲＴである。部材の熱伝導率をλ、表面熱伝導率（熱伝達率）をα、密度をρとすると、ｘ軸方向の熱移動から側面の熱放射を差し引いた単位時間当たりの熱移動は式（数１）であらわされる。

【0039】

【数1】

ここで、Ｓ＝πｒ２、Ｓ＝２πｒｄｘである。単位質量当りの熱量変化は式（数２）となる。

【0040】

【数2】

【0041】

定常状態での温度変化は式（数３）となることから、

【0042】

【数3】

【0043】

ｘ＝０でＴ_ＮＶ＝Ｔ_ｏｂｊ、ｘ＝∞でＴ_ＮＶ＝Ｔ_ＲＴとすると、ＮＶセンター位置の温度を表す（数４）が得られる。

【0044】

【数4】

【0045】

この式を用い、プローブ材料として、高熱伝導率を持つダイヤモンドと、光を高効率に透過することから基材候補である低熱伝導率を持つ石英ガラスの温度勾配の計算結果を図６（ｃ）～図６（ｆ）に示した。

【0046】

また、ダイヤモンド試料の場合の試料とＮＶセンター間の降下温度量を表１にまとめた。ここでプローブはそれぞれ静水中または流れの無い大気中（静空中）にあるものとした。また、Ｔｏｂｊ＝３０３Ｋ、ＴＲＴ＝３００Ｋとした。

【0047】

熱伝導率λについては、ダイヤモンドでは１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、石英ガラスでは１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。熱伝達率αについては、静水中では １００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、静空中では５Ｗ／（ｍ２・Ｋ）とした。プローブの半径はｒ＝１００ｎｍとした。

【0048】

[表１]試料とＮＶセンター間の降下温度量（単位：ｍＫ）

【0049】

【表1】

【0050】

図６（ｃ）～図６（ｆ）および表１から以下の結論を得た。

【0051】

（１）「プローブ径が１μｍ以下と小さい場合、表面積：体積が大きく、軸方向の熱伝導より表面からの熱放射の方が温度勾配の要因として大きい。このため、温度勾配を小さくするために、軸方向に低熱伝導材を挿入するなどの熱伝導を抑える手段は有効ではない。

【0052】

（２）プローブ径を大きくすることで表面からの熱放射を抑えられるため、熱勾配は小さくできる。すなわち、プローブ径は測定系の空間分解能を規定する主要因であるため、空間分解能と温度分解能がトレードオフの関係を持つ。

【0053】

（３）ＮＶセンターがプローブ内に複数ある場合、試料からの距離のばらつきが温度計測精度を低下させる。半径が１００ｎｍと小さい場合、細胞のような静水中での温度測定精度を１ｍＫ以下にするには、試料からＮＶセンターまでの距離は２００ｎｍ程度以下に抑える必要がある。

【0054】

このように、半径が１μｍ以下のダイヤモンドプローブをプローブ顕微鏡として用いる場合には温度勾配の問題が発生し、測定対象に対してロバストな装置性能を有する設計が難しいという新たな課題が明らかになった。

【0055】

このことから、プローブ顕微鏡の持つ高分解能性を生かしつつ高精度な温度計測を行うには、ＮＶセンターを含有するダイヤモンドをプローブ先端から切り離し、試料内に残留させることが有効であるとの結論を得た。

【0056】

すなわち、プローブ顕微鏡はダイヤモンドを高精度に試料に注入する装置としての役割を持つことになる。この考えに基づいた実施例１、２について図４、図５を用いて説明する。

【実施例1】

【0057】

図４を参照して、実施例１について説明する。
実施例１では、ＮＶセンターを有するダイヤモンドプローブにおいて、先端のＮＶセンター部分を機械的な力で切り離し、試料内に残留させる。

【0058】

図４（ａ）、（ｂ）は、図３で述べた関連技術と同様であるのでその説明は省略する。図４（ｃ）には、基材（支持部）２に固定されたダイヤモンド探針（プローブ）３をさらに加工した形状を示す。収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用い、加工面８を形成する。すなわち、ＮＶセンター４の直上のダイヤモンド探針３をできるだけ細くなるように加工する。

【0059】

収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いれば、ダイヤモンド探針３の細く残った部分の幅は１０ｎｍ程度にすることができる。この状態のダイヤモンド探針を図４（ｄ）に示した細胞試料９に挿入するとＮＶセンター４を包含したダイヤモンド探針３の先端部のみ折れて、細胞試料９内に残留させることができる。

【0060】

このように、実施例１の検知プローブは、細胞試料９の温度を計測するプローブ顕微鏡の検知プローブである。検知プローブは、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を少なくとも一つ含有するプローブ（ダイヤモンド探針３）とプローブ（ダイヤモンド探針３）を支持する支持部（基材２）とを有する。さらに、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）と支持部（基材２）との間に、少なくとも前記窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を支持部（基材２）から切り離す切離部を有する。

【0061】

ここで、前記切離部は、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）と支持部（基材２）との間に、プローブ（ダイヤモンド探針３）の寸法が最小となる寸法最小部分（加工面８）を有する。寸法最小部分（加工面８）は、プローブ（ダイヤモンド探針３）の先端から所定の距離だけ離れた領域が選択的に細くなるような形状を有する。そして、プローブ（ダイヤモンド探針３）を細胞試料９に挿入した際に寸法最小部分（加工面８）を介して折れることにより、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を包含するプローブ（ダイヤモンド探針３）の先端部を支持部（基材２）から切り離す。

【0062】

前記切離部は、例えば、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）と支持部（基材２）との間に、くびれ部を有する（図７（ｇ）参照）。くびれ部は、プローブ（ダイヤモンド探針３）を細胞試料９に挿入した際に折れることにより、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を包含するプローブ（ダイヤモンド探針３）の先端部を支持部（基材２）から切り離す。

【0063】

また、前記切離部は、例えば、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）と支持部（基材２）との間に、窪み部を有する（図７（ｇ）参照）。窪み部は、プローブ（ダイヤモンド探針３）を細胞試料９に挿入した際に折れることにより、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を包含する前記プローブ（ダイヤモンド探針３）の先端部を支持部（基材２）から切り離す。

【0064】

実施例１によれば、プローブ顕微鏡の持つプローブ位置制御精度でＮＶセンター４を細胞試料９内に設置し、プローブ顕微鏡本体から切り離す。この結果、熱勾配の発生も起こさないことから高感度な温度測定が可能となる。

【実施例2】

【0065】

図５を参照して、実施例２について説明する。
実施例２では、ＮＶセンターを有するダイヤモンドをプローブにおいて、先端のＮＶセンター部分を水溶性膜部分で切り離し、試料内に残留させる。

【0066】

まず、イオン注入、電子線照射と熱処理が完了したダイヤモンド基板１上に水溶性膜１０を形成し、ここからダイヤモンド探針３を切り出し基材２に固定する。

【0067】

ここでの最表面の水溶性膜１０としては、例えば水溶性ポリエステル樹脂、水溶性アクリル樹脂など、数ミクロン厚さに薄く塗布でき、塗布後に硬化できる材料を形成することとする。これにより、基材２とダイヤモンド探針３の間には水溶性膜１０が挟まる形状となる。ここでダイヤモンド探針３の先端から水溶性膜１０までの探針長さは数１００ｎｍ程度となるのが望ましい。

【0068】

このダイヤモンド探針３を図５（ｃ）に示した細胞試料９に挿入すると、水溶性膜１０が溶解し、ＮＶセンター４を包含したダイヤモンド探針３の先端部のみを細胞試料９内に残留させることができる。

【0069】

このように、実施例２の検知プローブは、細胞試料９の温度を計測するプローブ顕微鏡の検知プローブである。検知プローブは、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を少なくとも一つ含有するプローブ（ダイヤモンド探針３）とプローブ（ダイヤモンド探針３）を支持する支持部（基材２）とを有する。さらに、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）と支持部（基材２）との間に、少なくとも前記窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を支持部（基材２）から切り離す切離部を有する。

【0070】

前記切離部は、例えば、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）と支持部（基材２）との間に、水溶性膜１０を有する。水溶性膜１０は、プローブ（ダイヤモンド探針３）を細胞試料９に挿入した際に溶解することにより、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を包含するプローブ（ダイヤモンド探針３）の先端部を支持部（基材２）から切り離す。

【0071】

実施例２によれば、実施例１と同様に、プローブ顕微鏡の持つプローブ位置制御精度でＮＶセンター４を細胞試料９内に設置し、プローブ顕微鏡本体から切り離す。この結果、熱勾配の発生も起こさないことから高感度な温度測定が可能となる。

【実施例3】

【0072】

図７を参照して、実施例３について説明する。
実施例３では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）とマイクロサンプリングを用いて、ダイヤモンド探針を基板から切り出す。

【0073】

まず、基板のうち後々ダイヤモンド探針にする領域をマイクロサンプル１１として設定し、その周辺をイオンビームで溝加工すると共に、マイクロサンプル１１にマイクロプローブ１２を接触させる。次に、ＦＩＢ装置内で有機タングステンガスを流し、マイクロプローブ１２先端にイオンビームを照射することで有機タングステンガスを固体化しプローブと試料を固定する（図７（ａ））。

【0074】

次に、マイクロプローブ１２でマイクロサンプル１１を摘出し、基材２に移動する（図７（ｂ））。
このあと、基材２とマイクロサンプル１１の接触部に再度有機タングステンガスを流してイオンビームを照射することで、両者を仮固定する。続いて、ＦＩＢでマイクロプローブ１２側の余分な試料部分を切除したあと、基材２とマイクロサンプル１１の固定を強化し、本固定とする（図７（ｃ））。

【0075】

こうして基材２に固定された粗加工されたマイクロサンプル１１に対し、図７（ｄ）に示された種々の方向からのＦＩＢ加工により目的の形状のダイヤモンド探針３を形成する。

【0076】

実際にダイヤモンド基板から作製したダイヤモンド探針３の先端部の電子顕微鏡写真を図７（ｆ）に示す。この写真から、試料が約１μｍ径の円柱もしくは１μｍ辺の角柱に加工できていることが確認できる。

【0077】

さらに、図７（ｄ）に示されたＦＩＢ加工プロセスを追加し、特に探針軸に対して垂直な方向からのＦＩＢ加工を行い、探針先端から１μｍ～３μｍ程度の領域が選択的に細くなるような形状加工を施した。加工の結果の試料外観の電子顕微鏡像を図７（ｇ）に示す。これにより、実施例１で述べた加工面８（図４（ｃ）参照）がＦＩＢ加工により実現できることが確認された。

【実施例4】

【0078】

図４、５を参照して、実施例４の試料温度計測方法について説明する。
実施例４では、細胞試料９を検知プローブで走査するプローブ顕微鏡を用いて細胞試料９の温度を計測する。

【0079】

まず、検知プローブを、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を少なくとも一つ含有するプローブ（ダイヤモンド探針３）と、プローブ（ダイヤモンド探針３）を支持する支持部（基材２）とで形成する。

【0080】

次に、窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を包含するプローブ（ダイヤモンド探針３）の先端部を支持部（基材２）から切り離す。

【0081】

次に、切り離した窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を包含するプローブ（ダイヤモンド探針３）の先端部を細胞試料９内の所定の箇所に挿入して細胞試料９内に残留させる。

【0082】

最後に、残留させた窒素－空孔複合体中心部（ＮＶセンター４）を介して、細胞試料９の温度を計測する。

【0083】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0084】

１ ダイヤモンド基板
２ 基材
３ ダイヤモンド探針
４ ＮＶセンター
５ 接着剤
６ 試料
７ 液面
８ 追加工面
９ 細胞試料
１０ 水溶性層
１１ マイクロサンプル
１２ マイクロプローブ
１３ 光学定盤
１４ 試料ステージ
１５ 試料
１６ ダイヤモンドプローブ
１７ マイクロ波用アンテナ
１８ 透明性基材
１９ 緑色レーザ
２０ 緑色レーザ光
２１ ＡＯＭ
２２ 赤色蛍光
２３ ＡＰＤ検出器
２４ ビームプロファイラ
２５ 分光器
２６ ハーフミラー
２７ 制御系装置
２８ ＳＰＭコントローラ
２９ マイクロ波パワーアンプ
３０ 暗室
３１ 走査プローブ顕微鏡

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】