CN101377460A - 液体中试料的分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种液体中试料的分析方法，其能够容易且可靠地防止分析用液体的蒸发。当使用扫描式探针显微镜来对液体中的试料进行观察时，使浸渍着试料(13)以及探针(15)的分析用液体(16)的周围充满不会与分析用液体(16)混合的密闭用液体(17)，借此形成分析用液体(16)与外部气体隔离的密闭状态，所述扫描式探针显微镜使设置在悬臂(14)前端的探针(15)接近浸渍在液体中的试料(13)的表面，对此试料表面进行扫描，检测试料(13)与探针(15)之间的相互作用并形成图像。

Description

液体中试料的分析方法
技术领域
本发明涉及一种使用扫描式探针显微镜(Scanning Probe Microscope；SPM)或者悬臂式传感器(cantilever sensor)的液体中试料的分析方法。
背景技术
扫描式探针显微镜是一种显微镜，其可以一面通过微小的探针(probe)来扫描试料的表面，一面检测探针与试料之间的相互作用，由此检测出此试料表面的形状或物理量并形成图像，所述扫描式探针显微镜包括利用在探针与试料之间流动的电流来作为所述相互作用的扫描式隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope:STM)，或利用作用在探针与试料之间的原子间力来作为所述相互作用的原子间力显微镜(Atomic ForceMicroscope:AFM)等。
如上所述，扫描式探针显微镜使作用在探针与试料表面之间的相互作用图像化，因此具有如下的特征，即，不仅可以对配置在真空中及大气中的试料进行观察，而且可以对配置在液体中的试料进行观察。使用图6(a)所示的被称作溶液胞(solution cell)的构成，来实施所述的在液体中对试料的观察。
将试料33放置在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器(holder)31中，将前端具有探针35的悬臂34固定在基座32上并安装于显微镜主体。在进行液体中观察时，将液体36导入到试料保持器31中，在使试料33以及接近此试料33的探针35浸渍于此液体36中的状态下进行观察。此时，试料保持器31内的液体36与外部气体接触，随着时间的推移，此液体36蒸发而使得液体量减少。在观察过程中，如果液体36的温度因所述蒸发而产生变化，则试料33以及探针35将产生热膨胀(或者收缩)，观察视野会随着时间的推移而产生变化。此现象被称作热漂移(heat drift)，此热漂移现象成为扫描式探针显微镜所引起的观察图像的畸变(distortion)等的原因。
此外，也会产生如下的问题:因所述液体36的蒸发所引起的液体温度等的变化，导致试料表面的状态发生变化；或液体36中的溶解物析出而使试料33、悬臂34以及探针35的表面受到污染。此外，对于像原子间力显微镜等的具有利用激光来检测悬臂34的上下位移的机构的显微镜而言，如图6(b)所示，如果液面因蒸发而下降，在激光的光路中形成空间，则必须重新调整激光源的位置以及光检测器的位置。由于以上的理由，为了能够长时间且稳定地对试料表面进行观察，必须抑制浸渍着此试料的液体(以下称作“分析用液体”)的蒸发。
[专利文献1]日本专利特开2002-286614号公报([0016]、图2)
作为防止分析用液体蒸发的对策之一，先前以来众所周知的是，利用密封件(packing)来包围试料以及分析用液体的周围而形成密闭空间的方法。此方法中，如图7所示，使由O形环等形成的密封件41，夹持在固定着悬臂34的基座32与平板状的试料保持器31之间，将试料33以及分析用液体36密封在由试料保持器31、基座32以及密封件41所包围的密闭空间内，借此来防止分析用液体36的蒸发。然而，当使用此方法时，密封件41通常为固体，在溃缩一定量后，难以进一步变形，因此必须在密封件41的溃缩量d以内，使探针35与试料表面之间的距离接近至可观察的距离(小于等于1nm)为止。因此，必须在考虑溃缩量d的前提下精密地规定试料33的厚度，但当进行实际的观察时，非常难以精密地规定试料33的厚度来进行加工。而且，基座32与试料保持器31的相对移动受到密封件41的限制，因此在改变观察位置时，存在无法在水平方向以及垂直方向上大幅移动试料33或者探针35的问题。此外，所述密封件41通常使用橡胶制的O形环等，但当使用有机溶剂来作为分析用液体36时，此有机溶剂有可能会溶解该密封件41。
另一方面，在难以密封所述的分析用液体时，要考虑到蒸发而预先使分析用液体的量较多。由此，可以减小分析用液体整体相对于蒸发量的变化量。然而，在扫描式探针显微镜的构成方面，可以导入到试料保持器中的分析用液体的量存在着限制，当使用有机溶剂等的蒸发速度快的液体时，难以进行长时间的测定。此外，也存在如下的情况，即，有些种类的分析用液体在蒸发时会产生有毒的气体，从而无法使用所述方法。而且，当分析用液体为水溶液时，也存在因水分蒸发而导致浓度产生变化的问题。
此外，专利文献1中记载的用以防止分析用液体的挥发的方法，是在分析用液体的表面上，设置由不会与此分析用液体混合的液体所形成的用于防止挥发的液体层。然而，当以所述方式，在分析用液体上形成用于防止挥发的液体层时，必须使用比重小于分析用液体的液体来作为构成所述液体层的液体。而且，必须向试料保持器中填充分析用液体，以达到能够浸渍试料以及探针且在试料保持器内形成液面的程度为止，因此，必需使用较大量的分析用液体。此外，如果在用于检测悬臂位移的激光的光路中存在气体-液体界面，则液面的晃动会干扰光路，因此，在专利文献1中，作为消除此问题的方法，记载了将光源以及光检测器设置在液体中，或将光纤设置在液体中来导入激光并捕获反射光。然而，当采用所述方法时，存在着光源以及光检测器、或者光纤等的位置调整较复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以消除所述先前技术中的问题点，并可以容易且可靠地防止分析用液体的蒸发的液体中试料的分析方法。
为了解决所述问题而完成的本发明的液体中试料的分析方法，使用了扫描式探针显微镜，此扫描式探针显微镜是使设置在悬臂前端的探针接近浸渍在液体中的试料的表面，扫描此试料表面，检测此试料与探针之间的相互作用并形成图像，所述液体中试料的分析方法的特征在于:通过使浸渍着所述试料以及探针的分析用液体的周围充满不会与此分析用液体混合的密闭用液体，来形成所述分析用液体与外部气体隔离的密闭状态。
例如可以通过以下的步骤来形成所述密闭状态，这些步骤包括:使分析用液体的液滴附着在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器的内部的步骤；使分析用液体的液滴以包围此悬臂的方式，附着在固定着所述悬臂的基座的下表面的步骤；使此基座接近试料保持器，以使附着在两者上的所述分析用液体的液滴融合的步骤；以及将密闭用液体导入到此试料保持器中，使密闭用液体充满所述分析用液体周围的步骤。
此外，也可以通过以下的步骤来形成所述密闭状态，这些步骤包括:使分析用液体的液滴附着在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器的内部的步骤；通过使密闭用液体充满此试料保持器，来使密闭用液体充满由所述分析用液体形成的液滴的周围的步骤；使分析用液体的液滴以包围此悬臂的方式，附着在固定着所述悬臂的基座的下表面的步骤；以及使此基座接近试料保持器，并使附着在两者上的所述分析用液体的液滴融合的步骤。
另外，在使分析用液体的液滴附着在所述试料保持器的内部的步骤中，将作为分析对象的试料配置在此液滴中。
此外，本发明的液体中试料的分析方法，不仅可以应用于使用所述扫描式探针显微镜来分析试料的表面性状的情况，而且可以应用于使用悬臂式传感器来检测液体中的微量成分(minor constituent)的情况。本发明的此液体中试料的分析方法使用了悬臂式传感器，此悬臂式传感器是将在表面上固定着能够吸附目标物质的物质的悬臂浸渍在液体中，通过对溶解或分散在此液体中的目标物质与悬臂表面之间的相互作用进行检测，来检测此目标物质，此液体中试料的分析方法的特征在于:通过使浸渍着所述悬臂的分析用液体的周围充满不会与此分析用液体混合的密闭用液体，来形成所述分析用液体与外部气体隔离的密闭状态。
另外，本发明的液体中试料的分析方法中所使用的用于固定悬臂的基座或试料保持器，优选具有液体注入机构，此液体注入机构用以在形成所述密闭状态后，将液体注入到分析用液体中。通过使用此种基座或者试料保持器，例如在使用了所述悬臂式传感器的液体中试料的分析过程中，可以在形成所述密闭状态后，使用所述液体注入机构来将试料液体导入到分析用液体中，从而可以容易地测定悬臂在导入此试料液体前后的行为的变化。
另外，在本发明中，所谓“分析用液体”，是指在使用所述扫描式探针显微镜来进行观察(即，进行表面性状的分析)时，用于浸渍试料以及探针的液体；或者是指在使用所述悬臂式传感器来进行分析时，用于浸渍悬臂的液体。此分析用液体除了可以是纯水或水溶液之外，还可以是油或有机溶剂等的任意种类的液体，适当地选择与试料的种类或分析目的相对应的液体。此外，所述密闭用液体只要不会与分析用液体混合，则可以是任意种类的液体，当使用纯水或水溶液来作为分析用液体时，可以使用例如油等来作为所述密闭用液体。而且，例如，如果使用既不会与水混合也不会与有机溶剂混合的Fluorinert等氟类惰性液体来作为密闭用液体，则可以应对众多种类的分析用液体。
[发明的效果]
根据本发明的液体中试料分析方法，利用所述密闭用液体来包围并密闭分析用液体的周围，因此能够可靠地防止此分析用液体的蒸发，从而能够高精度地对液体中的试料进行分析。此外，由于未使用O形环等固体密封件，因此无须严格地控制试料的厚度，也未大幅地限制探针的移动范围。而且，所述密闭用液体只要不会与分析用液体混合即可，从而不会像所述先前的方法那样，受到使用比重小于分析用液体的液体之类的制约。此外，因为由密闭用液体来包围分析用液体，所以也存在分析用液体的使用量少的优点，也可以较佳地使用于各种使用调整时耗费时间的液体或昂贵的液体来作为分析用液体的情况等。进而，本发明的液体中试料的分析方法除了具有所述效果以外，由于在利用激光来检测悬臂的位移时，在激光的光路中不存在气体-液体界面，因此还具有不会因液面的晃动而产生激光光路的扰动的效果。
附图说明
图1(a)、(b)是表示本发明的试料分析方法中的分析用液体成为密闭状态时的溶液胞的构成的截面图。
图2(a)、图2(b)、图2(c)是表示所述密闭状态的形成顺序的一例的图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)是表示所述密闭状态的形成顺序的另一例的图。
图4是表示使用原子间力显微镜来观察所述溶液胞中的试料时的主要部分构成的示意图。
图5是表示使用悬臂式传感器来进行分析时的溶液胞的构成的截面图，图5(a)表示在试料保持器上设置着液体注入机构的情况，图5(b)表示在基座上设置着液体注入机构的情况。
图6是表示先前的试料分析方法中的溶液胞的构成的截面图，图6(a)表示试料保持器中充满着液体的状态，图6(b)表示液体蒸发而导致液面下降的状态。
图7(a)、图7(b)是说明使用了密封件的先前的防止分析用液体蒸发的方法的示意图。
11、31:试料保持器
12、32:基座
13、33:试料
14、34:悬臂
15、35:探针
16、36:分析用液体
17:密闭用液体
18:液体注入机构
21:三维扫描仪
22:激光源
23:光检测器
41:密封件
具体实施方式
以下，参照附图来对用以实施本发明的最佳形态加以说明。图1是表示本发明的试料分析方法中所使用的溶液胞的构成的图，图1(a)是侧视截面图，图1(b)是图1(a)的A-A’箭视截面图。试料保持器11呈上表面敞开且可以在内部充满液体的形状。悬臂14固定在由玻璃等的透明材料所形成的基座12的下表面，在此悬臂14的前端设置着微小的探针15。图中，13是试料，16是分析用液体，17是密闭用液体，试料13、探针15以及悬臂14浸渍在分析用液体16中。分析用液体16的周围由密闭用液体17包围着，分析用液体16因密闭用液体17而成为与外部气体隔离的密闭状态。此处，使用的是与试料13相对应的适当种类的分析用液体16。密闭用液体17只要是不会与分析用液体16混合的任何液体都可以，例如，当使用纯水或水溶液来作为分析用液体16时，则使用油类来作为密闭用液体17。此外，如果使用既不会与水混合也不会与有机溶剂混合的氟类惰性液体来作为密闭用液体17，则可以应对众多种类的分析用液体16。
图2表示所述的密闭状态的形成顺序。首先，使由分析用液体16形成的液滴附着在试料保持器11的底面中央，将试料13配置在此液滴中。然后，以覆盖探针15以及悬臂14的方式，使由分析用液体16形成的液滴也附着在基座12的下表面(图2(a))。接着，使基座12从上方接近试料保持器11，使基座12下表面的液滴与试料保持器11内的液滴融合(图2(b))。此时，分析用液体16在表面张力的作用下，被保持在相向的基座12与试料保持器11之间，形成大致呈圆柱状的形态。其后，通过缓慢地将密闭用液体17导入到试料保持器11中，来将密闭用液体17填充到分析用液体16的周围。由此，形成所述大致呈圆柱状的分析用液体16的周面(除了与试料保持器11及基座12接触的部分以外的表面)被密闭用液体17包围着的状态，从而使分析用液体16被外部气体隔离(图2(c))。
此外，也可以按照图3所示的顺序来形成所述的密闭状态。此顺序是在使探针15以及悬臂14接近试料13之前，预先用密闭用液体17来包围分析用液体16，由于可以在仅存在试料13的状态下防止分析用液体16的蒸发，因此，能够应用于在将试料13放置到试料保持器11中之后，必须搬送试料13的情况等。首先，与所述顺序相同，在试料保持器11的底面中央形成由分析用液体16形成的液滴，并在此液滴的内部配置试料13，接着，将密闭用液体17缓慢地导入到试料保持器11中。由此，形成分析用液体16的与试料保持器11接触的部分以外的表面被密闭用液体17包围着的状态，从而使所述分析用液体16被外部气体隔离(图3(a))。另一方面，使由分析用液体16形成的液滴，以包围悬臂14以及探针15的方式而附着在基座12的下表面，使此基座12从上方接近试料保持器11，以使基座12下表面的液滴与由试料保持器11内部的分析用液体16形成的液滴融合(图3(b)、图3(c))。
图4示意性地表示使用原子间力显微镜来观察所述溶液胞中的试料13时的主要部分构成。原子间力显微镜包括用以使试料13在X-Y-Z轴方向上移动的三维扫描仪21、及对悬臂14在Z轴方向上的位移进行检测的位移检测系统，在三维扫描仪21上载置试料保持器11，在与显微镜主体的三维扫描仪21相对应的位置，安装有固定着悬臂14的基座12。扫描仪21是包含压电元件(piezoelectric element)的大致呈圆筒状的物体，且利用从外部施加的电压而分别在X轴、Y轴以及Z轴方向上的规定范围内自如地移动。位移检测系统包括用以对悬臂14的前端附近照射激光的激光源22、及用以检测由悬臂14所反射的所述激光的光检测器23等，利用光学杠杆(opticallever)原理来检测悬臂14的挠曲角(bending angle)，借此可以检测悬臂14的上下动作。
本实施例的液体中试料分析方法中，在开始观察前，预先通过所述任一个顺序而在溶液胞内形成所述的密闭结构，在分析用液体16中，利用探针15来扫描试料13的表面，借此来对试料表面进行观察。当使探针15的前端非常接近试料13(小于等于数nm的间隙)时，原子间力(引力或者斥力)会作用在探针15的前端与试料13的原子之间。在此状态下，以探针15与试料13在X-Y平面内相对移动的方式，使扫描仪21沿着试料表面进行扫描，同时使所述原子间力保持固定的方式，对探针15与试料13之间的距离(Z轴方向上的高度)进行反馈控制(feed back control)。此时的Z轴方向的反馈量与试料13的表面的凹凸相对应，因此，可以根据此反馈量来获得试料表面的三维图像。
根据以上的本实施例的试料分析方法，在已由密闭用液体将分析用液体的周围密闭的状态下，利用原子间力显微镜来对试料表面进行观察，借此能够可靠地防止分析用液体的蒸发，从而能够高精度地观察试料表面。此外，根据本实施例的试料分析方法，因为分析用液体的上表面与基座接触，所以不会因扫描试料表面时的液面的晃动而产生激光的扰动，从而能够获得稳定的图像。
以上，使用实施例来对本发明的液体中试料的分析方法进行了说明，但本发明并不限定于所述实施例，在本发明的主旨的范围内允许有适当的变更。例如，在所述实施例中，举例说明了使用原子间力显微镜来进行观察的情况，但本发明也可以应用于扫描式隧道显微镜等各种扫描式探针显微镜。
而且，本发明的液体中试料的分析方法，不仅可以应用于各种使用扫描式探针显微镜来分析试料的表面性状的情况，也可以应用于使用悬臂式传感器来检测液体中的微量成分的情况。图5(a)表示此种情况的溶液胞的构成的一例。在悬臂14的表面上，固定着以特殊方式吸附所要检测的物质(目标物质)的物质，由密闭用液体17来将浸渍着悬臂14的分析用液体16密闭。以与上述任一个顺序相同的方式来形成此种密闭状态。但是，试料并不是在形成所述密闭状态时被配置在分析用液体16中，而是在形成密闭状态之后，利用设置在试料保持器11上的液体注入机构18，来将此试料导入到分析用液体16中。液体注入机构18具有管状的形状，此管状的形状是从试料保持器11的外部，贯穿试料保持器11的圆周面而到达试料保持器11内部的中央附近，可以利用未图示的开闭装置来打开或关闭内部的流路。另外，液体注入机构18的构成并不限定于所述的内容，例如，如图5(b)所示，也可以在用于固定悬臂的基座12上设置液体注入机构18。在此情况下，将液体注入机构18配置在不会妨碍激光的光路的位置。
当使用所述的溶液胞并利用悬臂式传感器来进行分析时，首先，在尚未将试料液体导入到分析用液体16中的状态下，利用规定的方法来测定悬臂14的共振频率。接着，使用液体注入机构18来将试料液体导入到分析用液体16中，同样地测定悬臂14的共振频率。如果在试料液体中含有目标物质，则吸附此目标物质而使悬臂14的质量增大，随着质量增大，悬臂14的共振频率发生变化，因此，可以通过对导入试料液体前后的悬臂14的共振频率的变化进行检测，来检测试料液体中的目标物质。

Claims (12)

1、一种液体中试料的分析方法，其使用扫描式探针显微镜，所述扫描式探针显微镜是使设置在悬臂前端的探针接近浸渍在液体中的试料的表面，扫描所述试料表面，检测所述试料与探针之间的相互作用并形成图像，所述液体中试料的分析方法的特征在于:
通过使浸渍着所述试料以及探针的分析用液体的周围充满不会与所述分析用液体混合的密闭用液体，来形成所述分析用液体与外部气体隔离的密闭状态。
2、一种液体中试料的分析方法，其使用悬臂式传感器，所述悬臂式传感器是将在表面上固定着能够吸附目标物质的物质的悬臂浸渍在液体中，通过对溶解或分散在所述液体中的目标物质与悬臂表面之间的相互作用进行检测，来检测所述目标物质，所述液体中试料的分析方法的特征在于:
通过使浸渍着所述悬臂的分析用液体的周围充满不会与所述分析用液体混合的密闭用液体，来形成所述分析用液体与外部气体隔离的密闭状态。
3、根据权利要求1所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭状态是通过以下的步骤而形成，这些步骤包括:使分析用液体的液滴附着在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器的内部的步骤；使分析用液体的液滴以包围所述悬臂的方式，附着在固定着所述悬臂的基座的下表面的步骤；使所述基座接近试料保持器，以使附着在所述基座与所述试料保持器的所述分析用液体的液滴融合的步骤；以及将密闭用液体导入到所述试料保持器中，使密闭用液体充满所述分析用液体的周围的步骤。
4、根据权利要求2所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭状态是通过以下的步骤而形成，这些步骤包括:使分析用液体的液滴附着在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器的内部的步骤；使分析用液体的液滴以包围所述悬臂的方式，附着在固定着所述悬臂的基座的下表面的步骤；使所述基座接近试料保持器，以使附着在所述基座与所述试料保持器的所述分析用液体的液滴融合的步骤；以及将密闭用液体导入到所述试料保持器中，使密闭用液体充满所述分析用液体的周围的步骤。
5、根据权利要求1所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭状态是通过以下的步骤形成的，这些步骤包括:使分析用液体的液滴附着在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器的内部的步骤；通过使密闭用液体充满所述试料保持器，来使密闭用液体充满由所述分析用液体形成的液滴的周围的步骤；使分析用液体的液滴以包围所述悬臂的方式，附着在固定着所述悬臂的基座的下表面的步骤；以及使所述基座接近试料保持器，并使附着在所述基座与所述试料保持器的所述分析用液体的液滴融合的步骤。
6、根据权利要求2所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭状态是通过以下的步骤形成的，这些步骤包括:使分析用液体的液滴附着在上表面敞开且可以充满液体的试料保持器的内部的步骤；通过使密闭用液体充满所述试料保持器，来使密闭用液体充满由所述分析用液体形成的液滴的周围的步骤；使分析用液体的液滴以包围所述悬臂的方式，附着在固定着所述悬臂的基座的下表面的步骤；以及使所述基座接近试料保持器，并使附着在所述基座与所述试料保持器的所述分析用液体的液滴融合的步骤。
7、根据权利要求3至6中任一项所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
在使分析用液体的液滴附着在所述试料保持器的内部的步骤中，将试料配置在所述液滴中。
8、根据权利要求1所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭用液体是氟类惰性液体。
9、根据权利要求2所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭用液体是氟类惰性液体。
10、根据权利要求3至6中任一项所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭用液体是氟类惰性液体。
11、根据权利要求7所述的液体中试料的分析方法，其特征在于:
所述密闭用液体是氟类惰性液体。
12、一种基座或试料保持器，其是权利要求3至6中任一项所述的液体中试料的分析方法中所使用的基座或试料保持器，所述基座或试料保持器的特征在于:具有液体注入机构，用以在形成所述密闭状态之后，将液体注入到所述分析用液体中。
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