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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rastersondenmikroskoptechnik und ein Probenbeobachtungsverfahren unter Verwendung derselben.
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STAND DER TECHNIK
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Ein optisches Rasternahfeldmikroskop (SNOM) ist als eine Einrichtung zum Messen der optischen und physikalischen Eigenschaften der Oberseite einer Probe mit hoher Auflösung bekannt. Dieses Mikroskop dient zum Messen der optischen Eigenschaften wie der Reflektanzverteilung und der Brechungsindexverteilung auf der Oberseite einer Probe mit einer Auflösung von mehreren zig Nanometern bis zu einer winzigen Öffnung von mehreren zig Nanometern und größer als die Beugungsbegrenzung von Licht durch Abtasten mit Nahfeldlicht, das aus der winzigen Öffnung austritt, während der Abstand zwischen der Öffnung und einer Probe gleichermaßen auf mehreren zig Nanometern (Öffnungssonde) gehalten wird, wie in Nicht-Patentliteratur 1 beschrieben. Als ein ähnliches Verfahren beschreibt Nicht-Patentliteratur 2 ein Verfahren, bei dem eine Metallsonde von außen mit Licht bestrahlt wird und das Abtasten mit Nahfeldlicht mit einer Größe bis zu mehreren zig Nanometern erfolgt, das auf ein winziges spitzes Ende der Sonde gestreut wird (Streusonde).
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Außerdem beschreibt Patentliteratur 1 ein Verfahren, bei dem eine winzige sphärische Linse an einem spitzen Ende einer Faser gebildet ist, um einen winzigen Strahler zu bilden, als einen weiteren Aspekt der Streusonde.
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Darüber hinaus beschreibt Patentliteratur 2 ein Verfahren, bei dem ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Metallcarbid wie V, Y, Ta, Sb oder dergleichen oder einer fluoreszierenden Substanz wie ZnS oder CaS gefüllt ist, das bzw. die Fotolumineszenz oder Elektrolumineszenz erzeugt, und in ähnlicher Weise ein winziger Strahler als ein weiterer Aspekt der Streusonde erhalten wird.
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ZITIERLISTE
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: JP-A-2006-515682
- Patentliteratur 2: JP-A-2002-267590
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Nicht-Patentliteratur
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- Nicht-Patentliteratur 1: Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 31, S. L1302–L1304 (1992)
- Nicht-Patentliteratur 2: Optics Letters, Vol. 19, S. 159–161 (1994)
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Technisches Problem
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In dem vorstehend genannten optischen Rasternahfeldmikroskop interagiert das zwischen einer Messsonde und einer zu untersuchenden Probe erzeugte Nahfeldlicht mit der Messsonde, um Streulicht (Transmissionslicht) zu erzeugen, und das Streulicht wird erfasst, um effektiv ein Nahfeldlichtbild zu erhalten. Ein optisches Hebelerfassungssystem wird zur Steuerung der Messsonde verwendet, und die Rückseite einer Konsole, in der die Messsonde befestigt ist, wird mit Laserlicht bestrahlt, so dass die Kontaktkraft zwischen der Messsonde und der Probe aus einer Änderung der Position des reflektierten Lichts abgelesen wird. Bei dem vorstehend genannten optischen Rasternahfeldmikroskop treten jedoch die folgenden Probleme bei der Messung in einer Flüssigkeit einer Zelle, eines Moleküls oder dergleichen eines Organismus auf. Mit anderen Worten, wenn das Streulicht die Wandfläche einer ebenen Oberfläche einer transparenten Probenzelle durchdringt, die mit Flüssigkeit gefüllt ist und in der sich die Probe wie etwa eine Zelle, ein Molekül oder dergleichen des Organismus befindet, tritt sphärische Aberration auf, so dass das Streulicht nicht auf einen Punkt fokussiert werden kann, und es ist schwierig, das Licht mit einem fotoelektrischen Umwandlungselement effizient zu empfangen, so dass ein Erfassungssignal des Streulichts stark verringert wird und der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verringert werden. Außerdem kann der größte Teil des Streulichts, das auf die Grenzfläche zwischen der Atmosphäre und der Flüssigkeit fällt, ohne die Wandfläche der Probenzelle zu durchdringen, aufgrund der Totalreflexion auf der Grenzfläche nicht fokussiert werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds ebenfalls in gleicher Weise verringert werden. Wenn das Laserlicht des optischen Hebelerfassungssystems die Grenzfläche zwischen der Atmosphäre und der Flüssigkeit durchdringt, ändert sich zudem die Position des Laserlichts aufgrund winziger Schwankungen der Flüssigkeitsoberfläche, und die Kontaktkraft zwischen der Messsonde und der Probe ändert sich, wodurch Schwankungen in dem Erfassungssignal des Streulichts erzeugt werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds ebenfalls in gleicher Weise verringert werden. Wenn das Laserlicht zum Erzeugen des Nahfeldlichts die Grenzfläche zwischen der Atmosphäre und der Flüssigkeit durchdringt, ändert sich in gleicher Weise die Position des Laserlichts, so dass die Intensität des erzeugten Nahfeldlichts variiert und der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verringert werden.
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Daher ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Erhöhung der erfassten Lichtmenge des Nahfeldlichts, das in einer Flüssigkeit zwischen einer Messsonde und einer zu untersuchenden Probe erzeugt wird, bei der Verwendung eines optischen Rasternahfeldmikroskops für die Messung in der Flüssigkeit und die Verbesserung des Signal-Rauschabstands und der Messreproduzierbarkeit eines Nahfeldlichtbilds.
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Lösung für das Problem
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Um das vorstehend Ziel zu erreichen, wird nach der vorliegenden Erfindung ein Rastersondenmikroskop bereitgestellt, aufweisend eine Messsonde zum relativen Abtasten einer zu untersuchenden Probe in einer Lösung, ein Laserlicht-Bestrahlungssystem zum Bestrahlen der Messsonde mit Laserlicht, eine Probenzelle, durch die Nahfeldlicht hindurchtritt, das als Reaktion auf die Bestrahlung mit dem Laserlicht zwischen der Messsonde und der zu untersuchenden Probe erzeugt wird, und die die zu untersuchende Probe enthält, und einen Detektor zum Erfassen des Nahfeldlichts, das durch die Probenzelle hindurchtritt.
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Außerdem wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Probenbeobachtungsverfahren unter Verwendung eines Rastersondenmikroskops bereitgestellt, aufweisend die Schritte relatives Abtasten einer zu untersuchenden Probe in einer Lösung mit einer Messsonde, Bestrahlen der Messsonde mit Laserlicht, Erzeugen von Nahfeldlicht zwischen der Messsonde und der zu untersuchenden Probe und Erfassen des Nahfeldlichts, das eine Probenzelle durchdringt, die die zu untersuchende Probe enthält.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung kann, wenn das optische Rasternahfeldmikroskop für die Messung in der Flüssigkeit verwendet wird, die erfasste Lichtmenge des Nahfeldlichts, das zwischen der Messsonde und der zu untersuchenden Probe in der Flüssigkeit erzeugt wird, erhöht werden und der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds können verbessert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Schnittansicht der Vorderseite einer Probenzelle nach einer ersten Ausführungsform.
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2 zeigt eine Schnittansicht der Vorderseite einer Probenzelle nach einer zweiten Ausführungsform.
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3 zeigt eine Schnittansicht der Vorderseite einer Probenzelle nach einer dritten Ausführungsform.
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4 zeigt eine Schnittansicht der Vorderseite einer Probenzelle nach einer vierten Ausführungsform.
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5 zeigt ein Blockdiagram zur schematischen Illustration eines Rastersondenmikroskops nach der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform.
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6 zeigt ein Blockdiagram zur schematischen Illustration eines Rastersondenmikroskops nach der vierten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen liegt eine zu untersuchende Probe in einer Flüssigkeit vor, obwohl die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern auch auf eine zu untersuchende Probe an der Atmosphäre angewendet werden kann.
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Erste Ausführungsform
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von 1 und 5 beschrieben. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Probenzelle, in der eine zu untersuchende Probe installiert ist, nach der ersten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, liegt eine zu untersuchende Probe 2 wie etwa eine Zelle, ein Molekül oder dergleichen eines Organismus in einer Lösung 3 wie Alkohol, Wasser oder dergleichen vor. Das heißt, die zu untersuchende Probe 2 wird auf einen Probenhalter 4 gelegt und in einer Probenzelle 1 befestigt, die mit der Lösung 3 gefüllt ist. Weiter wird die Probenzelle 1 auf einen XY-Probentisch 5 gelegt, der durch einen Aktor wie etwa ein piezoelektrisches Element oder dergleichen angetrieben wird. Eine Messsonde 9 mit einem schmalen spitzen Ende aus Metall wie Gold, Silber oder dergleichen ist fest auf dem spitzen Ende einer Konsole 8 befestigt, und das spitze Ende der Messsonde 9 wird an die zu messende Probe 2 herangeführt, während es zu der zu messenden Probe 2 weist, so dass ein Abstand zwischen der Messsonde 9 und der Oberseite der Probe 2 im Wesentlichen gleich oder kleiner als der Durchmesser des spitzen Endes der Messsonde 9 gehalten wird, oder das spitze Ende der Messsonde 9 wird mit einer winzigen Kontaktkraft mit der Oberseite der Probe 2 in Berührung gebracht. Daher wird, wenn Laserlicht 7 von schräg oben abgestrahlt wird, um das spitze Ende der Messsonde 9 mit dem Laserlicht 7 zu bestrahlen, eine winzige Menge Nahfeldlicht 12 zwischen der Messsonde 9 und der Oberseite der Probe 2 erzeugt, und außerdem wird Streulicht (Transmissionslicht) 14 durch Interaktion zwischen dem Nahfeldlicht 12 und der Messsonde 9 erzeugt. Der Abstand zwischen der Messsonde 9 und der Oberseite der Probe 2 oder die Kontaktkraft dazwischen wird durch Bestrahlen der Rückseite der Konsole 8 mit Laserlicht 13 und Messen der Position des reflektierten Lichts des Laserlichts 13 gesteuert.
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Hier ist die Probenzelle 1 aus einem Material hergestellt, das das Streulicht 14 des Nahfeldlichts 12 durchdringt, und eine Innenfläche 1a und eine Außenfläche 1b der Seite der Probenzelle 1 sind so gebildet, dass sie gekrümmte Oberflächen (sphärische Flächen) aufweisen, deren Krümmungsmittelpunkt auf der Seite der Messsonde 9 liegt. Daher verläuft das Streulicht 14 gerade ohne Beugung, wenn das Streulicht 14 die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff-Flüssigkeit) zwischen der Lösung 3 und der Innenfläche 1a und die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff Atmosphäre) zwischen der Außenfläche 1b und der äußere Atmosphäre durchdringt. Das heißt, im Falle der herkömmlichen Probenzelle, deren Seite aus der ebenen Fläche gebildet ist, tritt sphärische Aberration auf, wenn das Streulicht die Seite durchdringt, während bei der Ausführungsform kein Abbildungsfehler wie sphärische Aberration oder dergleichen in dem Streulicht 14 auftritt, wenn das Streulicht die Seite der Probenzelle durchdringt. Folglich kann das Streulicht 14 mit einer Kondensorlinse 15 auf einen Punkt 16 fokussiert und effizient empfangen werden, ohne aus einer Lichtempfangsfläche eines Detektors 20 wie etwa einer Fotovervielfacherröhre, Fotodiode oder dergleichen überzulaufen, so dass ein Streulicht-Erfassungssignal spürbar verstärkt wird und der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können. Die Seite der Probenzelle 1 ist so gebildet, dass sie gekrümmte Oberflächen mit dem Krümmungsmittelpunkt auf der Seite der Messsonde 9 aufweist, und ist gekrümmt, so dass die Fläche der Grenzfläche zwischen der Lösung 3 und der Luft klein gehalten wird. Außerdem ist ein Deckglas 6 über der Konsole 8 angeordnet, und die Lösung 3 erreicht die Unterseite des Deckglases 6, so dass die Grenzfläche 3a (Grenzfläche Atmosphäre-Flüssigkeit) zwischen der Flüssigkeitsoberfläche der Lösung 3 und der äußeren Atmosphäre so gebildet ist, dass sie eine sehr kleine Fläche aufweist (so dass im Allgemeinen nur der Abtastbereich der Probe 2 verbleibt). Folglich kann die Menge des Streulichts, das auf die Grenzfläche Atmosphäre-Flüssigkeit fällt und von der Grenzfläche vollständig reflektiert wird, deutlich verringert werden, und die erfasste Menge des Streulichts kann spürbar erhöht werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können. Weil das Auftreffen des Laserlichts 13 und das Erfassen des reflektierten Lichts in dem optischen Hebelerfassungssystem durch die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff-Flüssigkeit) zwischen dem Deckglas 6 und der Lösung 3 erfolgen, kann außerdem die Positionsschwankung des Laserlichts in hohem Maße unterdrückt werden, und der Abstand zwischen der Messsonde 9 und der Oberseite der Probe 2 oder die Kontaktkraft dazwischen kann stabil mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können. Weil das spitze Ende der Messsonde 9 mit dem Laserlicht 7 durch die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff Flüssigkeit) zwischen dem Deckglas 6 und der Lösung 3 bestrahlt wird, kann in gleicher Weise die Positionsschwankung des Laserlichts in hohem Maße unterdrückt werden, und die Intensität des erzeugten Nahfeldlichts kann stabilisiert werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können.
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5 zeigt schematisch ein Rastersondenmikroskop, in dem die Probenzelle eingebaut ist. Das Rastersondenmikroskop weist die Probenzelle 1, in der die Probe 2 angeordnet ist und die das Streulicht erfasst, den XY-Piezoelement-Probentisch 5, auf dem die Probenzelle 1 angeordnet ist und der die Probe 2 in X- und Y-Richtung abtastet, die Konsole 8, die als Auflager mit dem spitzen Ende dient, auf der die Messsonde 9 zum Abtasten der Probe 2 fest befestigt ist, einen Piezoelement-Aktor 26, der die Konsole 8 in winzigen Schritten in Z-Richtung bewegt, einen Z-Piezoelement-Probentisch 25 zum Abtasten der Konsole 8 in Z-Richtung, ein optisches Hebelerfassungssystem 110, das die Ablenkung der Konsole 8 erfasst, um die Kontaktkraft zwischen der Messsonde und der Probe zu erfassen, ein Anregungslaserlicht-Bestrahlungssystem 60, das das spitze Ende der Messsonde 9 mit dem Laserlicht 7 bestrahlt, ein Streulichterfassungssystem 120, das das Streulicht fokussiert und das Licht in Strom umwandelt, und ein Signalverarbeitungs- und Steuerungssystem 130 auf, das das Nahfeldlichtbild und das ungleichmäßige Bild aus dem erhaltenen Streulichtsignal sowie die auszugebenden X-, Y- und Z-Wegsignale erzeugt. Der XY-Piezoelement-Probentisch 5 und der Z-Piezoelement-Probentisch 25 bilden einen Antriebsteil für das relative Abtasten der Probe 2 mit der Messsonde 9.
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In dem optischen Hebelerfassungssystem 110 wird die Rückseite der Konsole 8 mit dem Laserlicht 13 aus einem Halbleiterlaser 50 durch das Deckglas 6 bestrahlt, und das davon reflektierte Licht wird mit einem Vierfeldsensor 53 empfangen. Der Ablenkungsbetrag der Konsole 8 wird aus der Positionsschwankung des reflektierten Lichts erfasst, und zudem wird die Kontaktkraft zwischen der Messsonde 9 und der Probe 2 aus dem Ablenkungsbetrag erfasst, so dass der Z-Piezoelement-Probentisch 25 durch einen Steuerungsteil 90 des Signalverarbeitungs- und Steuerungssystems 130 in Rückkopplung gesteuert wird, um die Kontaktkraft jederzeit gleich einem zuvor eingestellten Wert zu machen.
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Die Messsonde 9 wird in winzigen Schritten durch einen Oszillator 70 mit der Resonanzfrequenz der Konsole 8 in Z-Richtung in Schwingung versetzt, und daher werden das erzeugte Nahfeldlicht 12 und das Streulicht 14 ebenfalls mit derselben Frequenz intensitätsmoduliert. Das von dem Detektor 20 erzeugte intensitätsmodulierte Lichtsignal wird synchron mit einem Lock-in-Verstärker 80 erfasst, und der Verstärker gibt nur eine Frequenzkomponente aus. Das Streulicht im Hintergrund, das direkt am Fuß der Messsonde und an der Oberseite der Probe durch das Anregungslaserlicht 7 gestreut wird, ist eine Gleichstromkomponente, die nicht auf die winzige Schwingung der Konsole 8 reagiert, und ist daher nicht in dem Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers 80 enthalten. Daher kann das Hintergrundrauschen unterdrückt werden, und nur die Nahfeldlichtkomponente kann selektiv erfasst werden. Harmonische Komponenten wie Doppel- und Dreifachwellen der Resonanzfrequenz können erfasst werden, um den Signal-Rauschabstand des Signals weiter zu verbessern.
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Das Lichtsignal von dem Lock-in-Verstärker 80 wird an den Steuerungsteil 90 des Signalverarbeitungs- und Steuerungssystems 130 gesendet und mit dem XY-Signal von dem XY-Piezoelement-Probentisch 5 kombiniert, um das Nahfeldlichtbild zu erzeugen, das einem Display 100 zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Z-Signal von dem Z-Piezoelement-Probentisch 25 auch mit dem XY-Signal in dem Steuerungsteil 90 kombiniert, um das ungleichmäßige Bild der Oberseite der Probe zu erzeugen, das dem Display 100 zugeführt wird.
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Weil nach der Ausführungsform die Seite der Probenzelle 1 so gebildet ist, dass sie gekrümmte Oberflächen aufweist, deren Krümmungsmittelpunkt auf der Seite der Messsonde 9 angeordnet ist, kann die Entstehung von Abbildungsfehlern wie sphärische Aberration oder dergleichen in dem Streulicht 14 verhindert werden, wenn das Streulicht die Seite der Probenzelle 1 durchdringt, und das Streulicht 14 kann mit der Kondensorlinse 15 auf einen Punkt fokussiert werden. Daher kann das Erfassungssignal des Streulichts deutlich verstärkt werden, und der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds können verbessert werden. Außerdem wird das Nahfeldlicht (Streulicht 14) veranlasst, die Probenzelle 1 anstelle der Grenzfläche zwischen der Lösung 3 und der zu erfassenden Luft zu durchdringen. Darüber hinaus ist die Seite der Probenzelle 1 so gekrümmt, dass die Fläche der Grenzfläche zwischen der Lösung 3 und der Luft klein gehalten wird. Daher kann die Menge des Streulichts, das auf die Grenzfläche Atmosphäre-Flüssigkeit fällt und von dieser vollständig reflektiert wird, deutlich verringert werden, und die erfasste Menge des Streulichts kann spürbar erhöht werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können. Weil das Auftreffen des Laserlichts 13 und das Erfassen des reflektierten Lichts in dem optischen Hebelerfassungssystem durch die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff-Flüssigkeit) zwischen dem Deckglas 6 und der Lösung 3 erfolgen, kann außerdem die Positionsschwankung des Laserlichts in hohem Maße unterdrückt werden, und der Abstand zwischen der Messsonde 9 und der Oberseite der Probe 2 oder die Kontaktkraft dazwischen kann stabil mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können. In gleicher Weise kann die Positionsschwankung des Laserlichts 7 zum Erzeugen des Nahfeldlichts deutlich verringert werden, und die Intensität des erzeugten Nahfeldlichts kann stabilisiert werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können.
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Folglich kann das Messen von optischen Informationen, Spektralinformationen und Ungleichmäßigkeitsinformationen der Oberseite der Probe in der Flüssigkeit mit einer Auflösung im Nanometerbereich und mit einem hohen Signal-Rauschabstand und einer hohen Messreproduzierbarkeit vorgenommen werden. Als Ergebnis können die Form und die Funktion einer Zelle oder eines Moleküls eines Organismus in der Flüssigkeit in vitro mittels der optischen Informationen, der Spektralinformationen und der Ungleichmäßigkeitsinformationen mit einer Auflösung im Nanometerbereich abgebildet werden, und durch ein detailliertes Verständnis der Generierungs- und Differenzierungsprozesse kann ein Beitrag zur Unterstützung der Genom-Arzneimittelentwicklung auf Molekülebene und zur praktischen Implementierung der regenerativen Medizin geleistet werden.
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Zweite Ausführungsform
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von 2 und 5 beschrieben. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Probenzelle, in der eine zu untersuchende Probe installiert ist, nach der zweiten Ausführungsform. Die Form der Probenzelle 1 und deren Funktion sind identisch mit der ersten Ausführungsform und daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet. Bei dieser Ausführungsform ist die Form der Messsonde anders. Eine Messsonde 10 weist eine Quarzfaser 10a mit einem schmalen spitzen Ende gegenüber der Probe 2 und einen Umfang auf, der mit einem Metallfilm 10b aus Gold, Silber oder dergleichen beschichtet ist, und der Metallfilm ist nur auf dem spitzen Ende gegenüber der Probe 2 entfernt, um eine winzige Öffnung zu bilden. Wenn Laserlicht 7 von oberhalb (von der Seite, die der Seite gegenüberliegt, wo die Probe 2 in der Messsonde 10 angeordnet ist) der Quarzfaser 10a abgestrahlt wird, wird das Nahfeldlicht 12 aus der Öffnung an dem spitzen Ende des Messsonde 10 erzeugt und außerdem wird Streulicht (Transmissionslicht) 14 durch Interaktion zwischen dem Nahfeldlicht 12 und der Messsonde 10 erzeugt.
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5 zeigt schematisch das Rastersondenmikroskop, in dem die Probenzelle eingebaut ist. Die Konfiguration und die Funktion dieses Rastersondenmikroskops sind identisch mit der ersten Ausführungsform, und daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
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Weil bei der Ausführungsform das Laserlicht 7 durch die Quarzfaser 10a geleitet wird, so dass das Nahfeldlicht 12 erzeugt wird, ergibt sich der Vorteil, dass der Einfluss des Hintergrundrauschens verglichen mit der ersten Ausführungsform, bei der das spitze Ende der Messsonde mit dem Laserlicht 7 bestrahlt wird, gering ist.
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Dritte Ausführungsform
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Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von 3 und 5 beschrieben. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Probenzelle, in der eine zu untersuchende Probe installiert ist, nach der dritten Ausführungsform. Die Form der Probenzelle 1 und deren Funktion sind identisch mit der ersten Ausführungsform und daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet. Bei dieser Ausführungsform ist die Form der Messsonde anders. Eine Messsonde 11 weist ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) auf, dessen spitzes Ende der Probe 2 gegenüberliegt und einen Durchmesser aufweist, der schmaler wird, bis er gleich mehreren Nanometern ist. Das CNT kann mit einer Gold- oder Silbernanostruktur gefüllt sein. Die Messsonde 11 ist fest auf einer vorderen Firstlinie eines dreieckigen pyramidenförmigen Chips 17 befestigt, der mit einem Metallfilm aus Gold oder Silber beschichtet und am spitzen Ende der Konsole 8 gebildet ist und mit Anregungslaserlicht 7 von schräg oben (von der Seite, die der Seite gegenüberliegt, wo die Probe 2 in der Messsonde 22 angeordnet) bestrahlt wird. Das Bestrahlen mit dem Laserlicht 7 bewirkt ein kollektives Schwingen der freien Elektronen in dem Metallfilm auf der Oberseite des Chips 17 (Plasmon), und das kollektive Schwingen wird, wie mit der gestrichelten Linie in 3 gezeigt, als Oberflächenplasmon 18 vom oberen Ende des CNT (von der Seite, die der Seite gegenüberliegt, wo die Probe 2 in der Messsonde 22 angeordnet) zum unteren Ende (zu der Seite, wo die Probe 2 angeordnet ist) übertragen, so dass sich ein elektrisches Feld auf das spitze Ende des CNT konzentriert, um Nahfeldlicht 12a zu erzeugen. Außerdem wird das Streulicht (Transmissionslicht) 14 durch die Interaktion zwischen dem Nahfeldlicht 12a und der Messsonde 11 erzeugt.
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5 zeigt schematisch das Rastersondenmikroskop, in dem die Probenzelle eingebaut ist. Die Konfiguration und die Funktion dieses Rastersondenmikroskops sind identisch mit der ersten Ausführungsform, und daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
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Weil bei der Ausführungsform das CNT mit dem spitzen Ende, dessen Durchmesser gleich mehreren Nanometern ist, als die Messsonde 11 verwendet wird, beträgt die räumliche Auflösung mehrere Nanometer und ist im Vergleich mit der ersten und zweiten Ausführungsform etwa zehnmal besser.
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Vierte Ausführungsform
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Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von 4 und 6 beschrieben. 4 zeigt eine Schnittansicht einer Probenzelle, in der eine zu untersuchende Probe installiert ist, nach der vierten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, wird eine zu untersuchende Probe 2 auf einen Probenhalter 30 gelegt und in einer Probenzelle 21 befestigt, die mit einer Lösung 3 gefüllt ist. Außerdem wird die Probenzelle 21 auf einem XY-Probentisch 51 angebracht, der durch einen Aktor wie ein piezoelektrisches Element oder dergleichen angetrieben wird und eine in der Mitte gebildete Öffnung aufweist.
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Bei der Ausführungsform ist die Probenzelle 21 aus einem Material hergestellt, das Streulicht 35 durchlässt, und eine Innenfläche 21a und eine Außenfläche 21b ihres Bodens sind so gebildet, dass sie sphärische Flächen aufweisen, deren Krümmungsmittelpunkt auf der Seite der Messsonde 9 liegt. Dementsprechend verläuft das Streulicht 35 gerade ohne Beugung, wenn das Streulicht 35 die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff-Flüssigkeit) zwischen der Lösung 3 und der Innenfläche 21a und die Grenzfläche (Grenzfläche Feststoff-Atmosphäre) zwischen der Außenfläche 21b und der äußeren Atmosphäre durchdringt.
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6 zeigt schematisch ein Rastersondenmikroskop, in dem der Probenhalter eingebaut ist. In diesem Rastersondenmikroskop sind die Konfiguration bis auf die Probenzelle 21 und deren Funktion identisch mit der ersten Ausführungsform, und daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
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Weil bei der Ausführungsform das Nahfeldlicht von der Unterseite der Probenzelle erfasst wird, wie in 4 gezeigt, ist der Erfassungswinkel für das Nahfeldlicht nicht durch den Abtastbereich der Probe 2 begrenzt, und daher kann das Nahfeldlicht mit einem größeren Winkel als im Vergleich mit dem Fall erfasst werden, wo das Nahfeldlicht von der Seite erfasst wird, wie bei der ersten bis dritten Ausführungsform beschrieben. Daher kann die numerische Apertur für die Erfassung erhöht werden, und die erfasste Menge des Streulichts kann spürbar erhöht werden, so dass der Signal-Rauschabstand und die Messreproduzierbarkeit des Nahfeldlichtbilds verbessert werden können.
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Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt und kann verschiedene Modifikationsbeispiele umfassen. Die vorstehenden Ausführungsformen sind zum Beispiel im Detail beschrieben worden, um die vorliegende Erfindung einfacher zu verstehen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht unbedingt auf die Ausführungsformen mit allen beschriebenen Bestandteilen beschränkt. Darüber hinaus kann ein Teil der Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann außerdem zu der Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform hinzugefügt werden. Zudem kann ein Teil der Konfiguration der Ausführungsformen zu einer anderen Konfiguration hinzugefügt, aus dieser entfernt oder ersetzt werden.
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Es ist zum Beispiel beschrieben worden, dass ein Anregungslaserlicht 7 monochromatisches Licht ist, obwohl die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern Laserlicht mit den drei Wellenlängen Rot, Grün und Blau verwendet werden kann, um farbige Nahfeldbilder aufzunehmen. Außerdem können weißes Laserlicht und ein Spektroskop verwendet werden, um die Nahfeld-Spektrometrie und Nahfeld-Raman-Spektrometrie durchzuführen, mit der zum Beispiel Raman-verschobene Wellenlängen anstelle derselben Wellenlänge wie das Anregungslaserlicht erfasst werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 21
- Probenzelle
- 2
- Probe
- 3
- Lösung
- 4
- Probenhalter
- 5, 51
- XY-Piezoelement-Probentisch
- 6
- Deckglas
- 7
- Laserlicht
- 8
- Konsole
- 9, 10, 11
- Messsonde
- 12, 12a
- Nahfeldlicht
- 14, 35
- Streulicht
- 20
- Detektor
- 25
- Z-Piezoelement-Probentisch
- 26
- Piezoelement-Aktor
- 60
- Anregungslaserlicht-Bestrahlungssystem
- 70
- Oszillator
- 80
- Lock-in-Verstärker
- 90
- Steuerungsteil
- 100
- Display
- 110
- Optisches Hebelerfassungssystem
- 120
- Streulichterfassungssystem
- 130
- Signalverarbeitungs- und Steuerungssystem
