JP2008203057A - 物質供給プローブ装置及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】物質を試料表面に塗布および試料内に導入可能であって、試料表面の状態を適切に計測する。
【解決手段】物質供給プローブ装置１ａを、先鋭化された先端部２１ａを有する中空ガラスキャピラリー２１と、中空ガラスキャピラリー２１内を往復移動して圧力を変更可能なプランジャー２２およびリニアアクチュエータ２３と、加振源１２と、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの変位を検出する測定部１４と、測定部１４による検出結果に基づき中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを相対移動させる移動部１３とを備えて構成した。走査型プローブ顕微鏡１を、物質供給プローブ装置１ａと、試料捕捉プローブ１５と、試料捕捉プローブ１５を相対移動させる移動部１６とを備えて構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、物質を試料表面に塗布および試料内に導入可能であって、試料表面の状態を計測する物質供給プローブ装置、及び該物質供給プローブ装置を有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

従来、例えば生体試料が収容された容器内に、蛍光物質や遺伝子等の反応物質が混入された溶液を加え、生体試料の所定の反応箇所のみを蛍光させたり、遺伝子等を取り込んだ生体試料を発現させる方法が知られている。
しかしながら、このような方法では、容器内に反応物質が分散配置されることから、所望の反応を発生させる確率を増大させることが困難であるという問題が生じる。このような問題に対して、例えば反応物質の濃度を増加させることで反応物質が生体試料に取り込まれる確率を増大させると、生体試料において所望の反応以外の他の反応が発生したり、例えば蛍光物質が所望の反応箇所以外の他の箇所に吸着し、過剰に生体試料に取り込まれることにより、所望の反応状態を検出する際の雑音が増大してしまうという問題が生じる。
また、このような方法において、生体試料内に取り込ませた遺伝子等の反応物質を発現させる場合には、発現の発生確率を増大させるために、例えばガラス管を生体試料に差し込み、反応物質をガラス管から導入する方法が知られているが、この方法では、ガラス管を生体試料に突き刺す工程で生体試料が損傷し、死滅してしまう虞がある。
これらの問題に対して、従来、例えばカンチレバーの探針に遺伝子を付着させ、この探針を細胞に差し込む方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−５４２６９号公報

しかしながら、上述した従来技術に係る方法では、カンチレバーの探針が生体試料の膜を貫通する際に、反応物質を付着させた探針先端が損傷したり、探針に付着させた遺伝子が膜を貫通するより以前に変質したり、剥がれてしまう虞がある。
また、この方法では、生体試料の表面で反応を発生させたい場合に、試料表面で反応物質を探針から分離することが困難であって、試料表面に所望量の反応物質を供給することが困難であるという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、物質を試料表面に塗布および試料内に導入可能であって、試料表面の状態を適切に計測することが可能な物質供給プローブ装置、及び該物質供給プローブ装置を有する走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の物質供給プローブ装置は、先鋭化された先端部（例えば、実施の形態での先端部２１ａ）を有する中空ガラスキャピラリー（例えば、実施の形態での中空ガラスキャピラリー２１）と、前記中空ガラスキャピラリー内の圧力を制御する圧力制御手段（例えば、実施の形態での制御装置３、プランジャー２２およびリニアアクチュエータ２３、加減圧装置７１）と、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部の変位を検出する変位検出手段（例えば、実施の形態での測定部１４）と、前記変位検出手段による検出結果に基づき、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部を移動させる移動制御手段（例えば、実施の形態での制御装置３および移動部１３）とを備える。

この発明の物質供給プローブ装置によれば、圧力制御手段によって中空ガラスキャピラリー内の圧力を制御することにより、この中空ガラスキャピラリー内に所望量の物質を容易に導入および保持することができる。しかも、中空ガラスキャピラリーの先端部が先鋭化されていることから、試料表面に加えて、中空ガラスキャピラリーの先端部を試料に穿刺させることで試料内部において、この中空ガラスキャピラリー内に保持された物質を適宜に排出することができる。しかも、変位検出手段によって中空ガラスキャピラリーの先端部の変位を検出することができ、中空ガラスキャピラリーの先端部を試料表面上で走査させることで試料表面の状態を精度良く検出することができる。

さらに、本発明の物質供給プローブ装置では、前記圧力制御手段は、前記中空ガラスキャピラリー内を往復移動可能なプランジャー（例えば、実施の形態でのプランジャー２２）と、前記プランジャーの往復移動を制御するプランジャー制御手段（例えば、実施の形態での制御装置３およびリニアアクチュエータ２３）とを備える。

この発明の物質供給プローブ装置によれば、中空ガラスキャピラリー内を往復移動可能なプランジャーを備えることで、装置構成が複雑化することを抑制しつつ、中空ガラスキャピラリー内の圧力を容易に制御することができる。

さらに、本発明の物質供給プローブ装置では、前記プランジャーは、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部から突出可能な探針（例えば、実施の形態での探針部材６１）を備える。

この発明の物質供給プローブ装置によれば、プランジャーは中空ガラスキャピラリーの先端部から突出可能な探針を備えることから、圧力制御手段は、中空ガラスキャピラリー内でのプランジャーの往復移動を制御することによって、中空ガラスキャピラリー内の圧力に加えて、探針の突出状態を制御することができ、この探針を試料表面上で走査させることで試料表面の状態を、より一層、精度良く検出することができる。

さらに、本発明の物質供給プローブ装置では、前記探針は、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部を気密に閉塞可能である。

この発明の物質供給プローブ装置によれば、中空ガラスキャピラリーの先端部を探針によって気密に閉塞することにより、例えば中空ガラスキャピラリー内に保持された物質が試料表面や試料内部に過剰に排出されてしまうことを防止することができると共に、例えば中空ガラスキャピラリー内に保持された物質に中空ガラスキャピラリーの先端部から不純物が混入してしまうことを防止することができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の何れか１つの物質供給プローブ装置（例えば、実施の形態での物質供給プローブ装置１ａ）と、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部に対向配置された試料（例えば、実施の形態での生体試料Ｓ）を載置するステージ（例えば、実施の形態でのシャーレセルＣ）と、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段（例えば、実施の形態での移動部１３）と、前記変位検出手段による検出結果に基づいて、前記走査時に前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部と前記試料表面との距離を制御すると共に、前記試料の状態に係るデータを取得する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置３）とを備える。

この発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、物質供給プローブ装置の中空ガラスキャピラリーによって、所望量の物質を容易に導入および保持することができ、この中空ガラスキャピラリー内に保持された物質を試料表面および試料内部に適宜に排出することができると共に、移動手段により中空ガラスキャピラリーの先端部と試料とを相対的に移動させて走査を行う際に、変位検出手段による検出結果に基づいて、例えば中空ガラスキャピラリーの先端部の振動状態（例えば、振動振幅や励発振時の周波数等）が一定となるように、中空ガラスキャピラリーの先端部と試料表面との距離を制御することで、試料表面の状態を容易かつ精度良く検出することができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、前記探針は導電性であって、前記制御手段は、前記試料の電気状態を検出する。

この発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、物質供給プローブ装置の中空ガラスキャピラリーによって、所望量の物質を容易に導入および保持することができ、この中空ガラスキャピラリー内に保持された物質を試料表面および試料内部に適宜に排出することができると共に、移動手段により中空ガラスキャピラリーの先端部と試料とを相対的に移動させて走査を行う際に、変位検出手段による検出結果に基づいて、例えば中空ガラスキャピラリーの先端部から突出した探針の振動状態（例えば、振動振幅や励発振時の周波数等）が一定となるように、中空ガラスキャピラリーの先端部から突出した探針と、試料表面との距離を制御することで、試料の電気状態（例えば、磁気力や電位等）を容易かつ精度良く検出することができる。

本発明の物質供給プローブ装置によれば、試料表面および試料内部の所望の反応箇所に所望量の物質を容易に供給することができ、例えば過剰な量の物質が試料に供給されてしまったり、所望の反応箇所以外の他の箇所に物質が拡散してしまう等の不具合が発生することを防止することができ、所望の反応を効率良く発生させることができる。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、試料に物質を供給可能な先鋭化された先端部を有する中空ガラスキャピラリーをプローブとして兼用することができ、装置構成が複雑化することを防止しつつ、試料での所望の反応状態を検出する際の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の物質供給プローブ装置及び走査型プローブ顕微鏡の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態による物質供給プローブ装置１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１は、例えばシャーレセルＣ内に貯留された溶液Ｗ内に存在する生体試料Ｓの状態に係る各種データを取得する測定装置１０に搭載され、この測定装置１０は、例えば図１に示すように、物質供給プローブ装置１ａと、試料捕捉プローブ装置１ｂと、走査型プローブ顕微鏡１と、光学顕微鏡２と、制御装置３とを備えて構成されている。

走査型プローブ顕微鏡１は、例えば、物質供給プローブ１１と、加振源１２と、物質供給プローブ１１をシャーレセルＣの底面（例えば、水平面）に平行なＸＹ方向及びＸＹ方向に垂直なＺ方向（例えば、鉛直方向）に相対移動させる移動部１３と、物質供給プローブ１１の変位を測定する測定部１４と、試料捕捉プローブ１５と、試料捕捉プローブ１５をＸＹ方向及びＺ方向に相対移動させる移動部１６とを備えて構成されている。
なお、物質供給プローブ装置１ａは、例えば、物質供給プローブ１１と、加振源１２と、移動部１３とを備えて構成され、試料捕捉プローブ装置１ｂは、例えば、試料捕捉プローブ１５と、移動部１６とを備えて構成されている。
また、光学顕微鏡２は、顕微鏡本体２ａと、モニタ２ｂとを備えて構成され、顕微鏡本体２ａから出力される生体試料Ｓの観察画像は、モニタ２ｂ上に表示されると共に制御装置３に入力される。

物質供給プローブ１１は、例えば図２に示すように、略鈎型に湾曲すると共に先鋭化された先端部２１ａを具備する中空ガラスキャピラリー２１と、中空ガラスキャピラリー２１内を往復移動可能なプランジャー２２と、制御装置３から入力される制御信号に応じてプランジャー２２を往復移動させるリニアアクチュエータ２３とを備えて構成されている。そして、中空ガラスキャピラリー２１およびリニアアクチュエータ２３はシリコン基板（図示略）上に配置され、例えば、中空ガラスキャピラリー２１は、先端部２１ａをシリコン基板から突出させた状態で自由端とし、シリコン基板の表面上に形成されたＶ字状等の凹溝に装着された基端部２１ｂにおいて、紫外線硬化樹脂等により片持ち状態に固定されている。
なお、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの直径は、例えば生体試料Ｓが細胞（例えば、大きさが数μｍから数百μｍ程度の細胞）である場合、１０〜５０ｎｍ程度とされている。

プランジャー２２は、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内を往復移動することによって、中空ガラスキャピラリー２１内の圧力を可変とし、例えば蛍光物質や遺伝子等の反応物質が混入された溶液を、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから採取して中空ガラスキャピラリー２１の内部に貯留したり、中空ガラスキャピラリー２１の内部に貯留された溶液を中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから排出する。

加振源１２は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であって、中空ガラスキャピラリー２１およびリニアアクチュエータ２３が配置されるシリコン基板（図示略）上に設けられ、制御装置３の制御により加振電源２４から入力される波形信号に応じた位相及び振幅でＺ方向に振動し、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを微小振動させる。

移動部１３は、加振源１２を介して物質供給プローブ１１が載置されるＸＹＺステージ２５と、駆動部２６とを備えて構成され、駆動部２６は制御装置３から入力される制御信号に応じてＸＹＺステージ２５に載置された物質供給プローブ１１をＸＹ方向及びＺ方向に移動させる。
ＸＹＺステージ２５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であって、駆動部２６から印加される電圧波形に応じて物質供給プローブ１１をＸＹ方向及びＺ方向に移動させることで、例えば中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓに対して所定位置に位置合わせをしたり、例えば中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓに穿刺させる。

測定部１４は、例えば光てこ方式により中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの変位（例えば、振動の振幅や撓み等）を測定しており、例えば図１に示すように、ミラー３１を介して、中空ガラスキャピラリー２１の表面上に形成された反射面Ｍに向けてレーザ光Ｌを照射する光照射部３２と、ミラー３３を介して、中空ガラスキャピラリー２１の反射面Ｍで反射されたレーザ光Ｌを受光し、このレーザ光Ｌの入射位置から中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの変位をＤＩＦ信号として出力する光検出部３４と、光検出部３４から出力されたＤＩＦ信号を増幅するプリアンプ３５と、プリアンプ３５の交流出力を直流変換して出力する交流−直流変換回路３６とを備えて構成されている。

試料捕捉プローブ１５は、例えば図３に示すように、シャーレセルＣの底面（例えば、水平面）に対向し、基端側から先端側に向かう長手方向に延びる平板状のレバー部４１と、このレバー部４１の先端部に形成された開口部４１ａと、このレバー部４１を片持ち状態に支持するホルダ部４２と、レバー部４１の撓みを測定する撓み測定部４３とを備えて構成されている。

この試料捕捉プローブ１５は、例えばシリコン支持層及び酸化層及びシリコン活性層の３層を熱的に貼り合わせたＳＯＩ基板から形成され、レバー部４１及びホルダ部４２が一体的に形成されている。
レバー部４１の先端部には、例えば円形状等の開口部４１ａが形成され、この開口部４１ａは、生体試料Ｓの最大直径よりも若干小さい内径（例えば、数１０μｍ〜１００μｍ等）を有し、生体試料Ｓを捕捉可能とされている。

撓み測定部４３は、例えばレバー部４１の撓み量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子であって、レバー部４１とホルダ部４２との接合部であるレバー部４１の基端部に形成されている。なお、このピエゾ抵抗素子は、レバー部４１のＳＯＩ基板にイオン注入法や拡散法等により不純物が注入されて形成されている。
そして、レバー部４１及びホルダ部４２に設けられた接続端子（図示略）および金属配線（図示略）にバイアス電圧が印加されることで、レバー部４１の撓み、つまりピエゾ抵抗素子に生じる歪に応じてレベル変化する電気的信号が出力信号として接続端子から制御装置３に出力されている。

移動部１６は、例えば試料捕捉プローブ１５が載置されるＸＹＺステージ４５と、駆動部４６とを備えて構成され、駆動部４６は制御装置３から入力される制御信号に応じてＸＹＺステージ４５をＸＹ方向及びＺ方向に移動させる。
ＸＹＺステージ４５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であって、駆動部４６から印加される電圧波形に応じて試料捕捉プローブ１５をＸＹ方向及びＺ方向に移動させることで、例えばレバー部４１の開口部４１ａを生体試料Ｓに対して所定位置に位置合わせをしたり、例えば開口部４１ａを生体試料Ｓに嵌め込むようにして生体試料Ｓをレバー部４１とシャーレセルＣの底面とにより捕捉および固定する。

制御装置３は、リニアアクチュエータ２３および加振電源２４および各駆動部２６，４６に制御信号を出力しており、例えば光学顕微鏡２のモニタ２ｂ上に表示される生体試料Ｓの観察画像等に基づき操作者から入力される操作入力に応じて、物質供給プローブ１１および試料捕捉プローブ１５を移動させる。
また、制御装置３は、試料捕捉プローブ１５の撓み測定部４３から入力されたレバー部４１の撓みに係る出力信号に基づきレバー部４１の撓み量を検出し、レバー部４１の開口部４１ａにより生体試料Ｓを捕捉する際の押し付け力を制御しており、例えばレバー部４１の撓み量が所定値に到達した時点で、レバー部４１のＺ方向への移動を停止することで、過剰な押し付け力が生体試料Ｓに作用することを防止している。

また、制御装置３は、例えば物質供給プローブ１１を振動させつつ走査型プローブ顕微鏡１により測定を行う振動モードＳＰＭ（Scanning Probe Microscope）の実行時や、例えば中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓに穿刺させる際等において加振源１２を振動させる。

また、制御装置３はＺ電圧フィードバック回路５１を備え、このＺ電圧フィードバック回路５１は、例えば走査型プローブ顕微鏡１による振動モードＳＰＭの実行時等において、直流変換されたＤＩＦ信号が所定値となるように駆動部２６をフィードバック制御する。これにより、例えばＸＹＺステージ２５による走査時に中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａと生体試料Ｓの表面との距離は、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの振動状態（例えば、振幅や周波数や角度等）が所定状態となるように制御される。
そして、制御装置３は、交流−直流変換回路３６からＺ電圧フィードバック回路５１に入力される直流変換されたＤＩＦ信号に基づいて、例えば生体試料Ｓの表面形状および各種の物性情報(例えば、磁気力や電位等)を検出する。

本実施の形態による物質供給プローブ装置１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１は上記構成を備えており、次に、この走査型プローブ顕微鏡１の動作、特に、物質供給プローブ装置１ａにより、生体試料Ｓ内に反応物質を導入したり、生体試料Ｓの試料表面に反応物質を塗布する動作について説明する。

先ず、例えば図３に示ステップＳ０１においては、例えば図４（ａ）に示すように、例えば蛍光物質や遺伝子等の反応物質が混入および分散配置された溶液Ｕが貯留された容器Ｄまで物質供給プローブ１１を移動させ、リニアアクチュエータ２３によってプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１内の所定の基準位置に配置した状態で、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを溶液Ｕ内に浸漬する。

次に、ステップＳ０２においては、例えば図４（ｂ）に示すように、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内のプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１の基端部に向かい所定位置まで引き込み、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから所定量の溶液Ｕを中空ガラスキャピラリー２１内に取り込む。

次に、ステップＳ０３においては、例えば図４（ｃ）に示すように、リニアアクチュエータ２３によってプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１内の所定位置に停止させた状態で、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを容器Ｄの溶液Ｕ内から引き出し、所定量の溶液Ｕを中空ガラスキャピラリー２１内に保持する。

次に、ステップＳ０４においては、例えば図４（ｄ）に示すように、シャーレセルＣに貯留された溶液Ｗ中に存在する複数の生体試料Ｓのうち適宜の生体試料Ｓを選択して試料捕捉プローブ１５により捕捉固定した状態で、この生体試料Ｓの表面上を中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａで走査させる。このとき、例えば振動モードＳＰＭでは、物質供給プローブ１１を加振源１２により振動させつつ、測定部１４でのレーザ光Ｌによる測定に応じて、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａと生体試料Ｓの表面との距離を、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの振動状態（例えば、振幅等）が所定状態となるように制御する。そして、Ｚ電圧フィードバック回路５１により駆動部２６をフィードバック制御する制御信号に基づき、生体試料Ｓの表面形状を測定し、生体試料Ｓ内に反応物質を導入する位置あるいは生体試料Ｓの試料表面に反応物質を塗布する位置を設定する。

次に、ステップＳ０５においては、例えば図４（ｅ）または図４（ｆ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを加振源１２により振動させつつ生体試料Ｓに穿刺させた状態または中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓの試料表面上の所定位置に配置させた状態で、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内のプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａに向かい押し出し、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから所定量の溶液Ｕを排出し、生体試料Ｓ内に反応物質を導入または生体試料Ｓの試料表面に反応物質を塗布する。

次に、ステップＳ０６においては、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを所定位置まで退避させ、一連の処理を終了する。

上述したように、この実施の形態に係る物質供給プローブ装置１ａによれば、中空ガラスキャピラリー２１内を往復移動可能なプランジャー２２を備えることで、装置構成が複雑化することを抑制しつつ、中空ガラスキャピラリー２１内の圧力を容易に制御することができる。そして、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内の圧力を制御することにより、この中空ガラスキャピラリー２１内に所望量の反応物質を容易に導入および保持することができる。しかも、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａが先鋭化されていることから、生体試料Ｓの試料表面に加えて、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓ内に穿刺させることで試料内部において、この中空ガラスキャピラリー２１内に保持された反応物質を適宜に排出することができる。しかも、測定部１４によって中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの変位を検出することができ、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを試料表面上で走査させることで試料表面の状態を精度良く検出することができる。

さらに、この実施の形態に係る物質供給プローブ装置１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１によれば、物質供給プローブ装置１ａの中空ガラスキャピラリー２１によって、所望量の反応物質を容易に導入および保持することができ、この中空ガラスキャピラリー２１内に保持された反応物質を生体試料Ｓの試料表面および試料内部に適宜に排出することができると共に、移動部１３により中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａと生体試料Ｓとを相対的に移動させて走査を行う際に、測定部１４による検出結果に基づいて、例えば中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの振動状態（例えば、振動振幅や励発振時の周波数等）が一定となるように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａと試料表面との距離を制御することで、試料表面の状態を容易かつ精度良く検出することができる。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図５に示す第１変形例に係る物質供給プローブ装置１ａのように、プランジャー２２は、中空ガラスキャピラリー２１内を往復移動可能であって中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから突出可能な探針部材６１を具備してもよい。
この探針部材６１は、例えば金やプラチナやタングステン等の金属からなるワイヤー状部材であって、基端部がプランジャー２２に固定されると共に、先鋭化された先端部６１ａを備えている。

この第１変形例による物質供給プローブ装置１ａでは、探針部材６１に接続された電流検出部（図示略）を備えることで、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから突出した探針部材６１の先端部６１ａを電極として、試料表面での局所的なイオン電流や電位勾配などの電気的シグナルを検出したり、局所的に所望の電気化学的反応を発生させることができる。これにより、物質供給プローブ１１を、ＡＦＭ（Atomic Force Mode）またはＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）での観察動作や距離検出動作に加え、電気化学的プローブとして用いることができる。

すなわち、探針部材６１の先端部６１ａが、試料面との間で作用する原子間力を受けることで、試料の表面形状を検出することができ、試料表面と、試料表面に所定距離を置いて対峙する先端部６１ａとの間にバイアス電圧を印加した際に流れるイオン電流または、トンネル電流を電流検出部により検出することで、試料表面と先端部６１ａとの間の距離を精度良く検出することができ、さらに、試料表面と先端部６１ａとの間に電解液を介在させた状態で電圧を印加することで、先端部６１ａを電解加工の電極として作用させ、局所限定的に所望の電気化学的反応を発生させることができる。

さらに、この第１変形例においては、試料捕捉プローブ１５のレバー部４１の開口部４１ａの内壁部に導電性部材４１ｂを備え、この導電性部材４１ｂを介して開口部４１ａに捕捉された生体試料Ｓに所定電圧を印加する電圧印加部（図示略）を備えることで、生体試料Ｓを電気的に観察することができる。

また、この第１変形例においては、走査型プローブ顕微鏡１を、例えば探針部材６１の先端部６１ａを磁気検知可能とし、加振源１２により振動させた際の中空ガラスキャピラリー２１の撓み振幅や位相を検出することで磁気試料の磁気分布や磁区構造等の測定を行うＭＦＭ（Magnetic Force Microscope：磁気力顕微鏡）としてもよい。

さらに、上述したＭＦＭに限定されず、走査型プローブ顕微鏡１を、例えば試料表面と、試料表面に所定距離を置いて対峙する先端部６１ａを樹脂等の薄膜（図示略）で電気的に絶縁処理をした後、先端部６１ａとの間に、ＡＣバイアス電圧を印加し、先端部６１ａと生体試料Ｓとの静電結合によって中空ガラスキャピラリー２１を振動させ、この際の中空ガラスキャピラリー２１の撓み振幅を検知することで生体試料Ｓの表面電位分布等の測定を行うＫＦＭ（Kelvin Prove Force Microscope：ケルビンプローブフォース顕微鏡）やＳＭＭ（Scanning Maxwell-stress Microscope：走査型マクスウェル応力顕微鏡）等のＳＰＭとしてもよい。

さらに、この第１変形例においては、例えば図６（ａ）〜（ｇ）に示すように、探針部材６１の先端部６１ａは、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞可能なシール部材６１ｂを備えてもよい。
このシール部材６１ｂは、例えばゴム等からなる略環状に形成され、探針部材６１の先端部６１ａから基端側にずれた位置に配置され、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの内径よりも小さな直径を有する探針部材６１の本体部の外周面と、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの内周面との間を気密にシール可能とされている。

この場合、生体試料Ｓ内に反応物質を導入する際には、先ず、例えば図６（ａ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの位置に探針部材６１のシール部材６１ｂを配置し、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞した状態で、例えば蛍光物質や遺伝子等の反応物質が混入および分散配置された溶液Ｕが貯留された容器Ｄまで物質供給プローブ１１を移動させる。
そして、例えば図６（ｂ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞した状態で、この先端部２１ａを溶液Ｕ内に浸漬する。
そして、例えば図６（ｃ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを溶液Ｕ内に浸漬した状態で、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内のプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａに向かい押し出すことにより、探針部材６１のシール部材６１ｂを中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから突出させ、シール部材６１ｂによる先端部２１ａの閉塞を解除する。

そして、例えば図６（ｄ）に示すように、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内のプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１の基端部に向かい引き込み、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから溶液Ｕを中空ガラスキャピラリー２１内に取り込むと共に、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの位置に探針部材６１のシール部材６１ｂを配置し、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞する。
そして、例えば図６（ｅ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞した状態で、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを容器Ｄの溶液Ｕ内から引き出し、溶液Ｕを中空ガラスキャピラリー２１内に保持する。

そして、例えば図６（ｆ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞した状態で、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓに穿刺させる。
そして、例えば図６（ｇ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓに穿刺させた状態で、リニアアクチュエータ２３によって中空ガラスキャピラリー２１内のプランジャー２２を中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａに向かい押し出すことにより、探針部材６１のシール部材６１ｂを中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから突出させ、シール部材６１ｂによる先端部２１ａの閉塞を解除すると共に、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから中空ガラスキャピラリー２１内の溶液Ｕを排出し、生体試料Ｓ内に反応物質を導入する。

この場合には、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを気密に閉塞可能であることから、中空ガラスキャピラリー２１内に不純物等が混入してしまうことを防止することができる。

なお、上述した実施の形態においては、物質供給プローブ装置１ａの物質供給プローブ１１はプランジャー２２とリニアアクチュエータ２３とを備えるとしたが、これに限定されず、例えば図７に示す第２変形例に係る物質供給プローブ１１のように、プランジャー２２とリニアアクチュエータ２３とを省略し、中空ガラスキャピラリー２１の基端部に配置された加減圧装置７１を備えてもよい。
この加減圧装置７１は、例えば半導体プロセスを利用したマイクロダイヤフラムポンプ（例えば、ＭＥＭＳダイヤフラム式ポンプ等）であって、制御装置３から入力される制御信号に応じて中空ガラスキャピラリー２１内の圧力を制御する。

この第２変形例に係る物質供給プローブ１１を具備する物質供給プローブ装置１ａにより、生体試料Ｓ内に反応物質を導入したり、生体試料Ｓの試料表面に反応物質を塗布する動作について説明する。

先ず、例えばステップＳ０１においては、例えば図８（ａ）に示すように、例えば蛍光物質や遺伝子等の反応物質が混入および分散配置された溶液Ｕが貯留された容器Ｄまで物質供給プローブ１１を移動させ、加減圧装置７１を停止させ、中空ガラスキャピラリー２１内の圧力を大気圧に設定した状態で、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを溶液Ｕ内に浸漬する。

次に、ステップＳ０２においては、例えば図８（ｂ）に示すように、加減圧装置７１によって中空ガラスキャピラリー２１内を減圧し、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから所定量の溶液Ｕを中空ガラスキャピラリー２１内に取り込む。

次に、ステップＳ０３においては、例えば図８（ｃ）に示すように、加減圧装置７１による所定の減圧状態を保持した状態で、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを容器Ｄの溶液Ｕ内から引き出し、所定量の溶液Ｕを中空ガラスキャピラリー２１内に保持する。

次に、ステップＳ０４においては、例えば図８（ｄ）に示すように、シャーレセルＣに貯留された溶液Ｗ中に存在する複数の生体試料Ｓのうち適宜の生体試料Ｓを選択して試料捕捉プローブ１５により捕捉固定した状態で、この生体試料Ｓの表面上を中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａで走査させる。このとき、例えば振動モードＳＰＭでは、物質供給プローブ１１を加振源１２により振動させつつ、測定部１４でのレーザ光Ｌによる測定に応じて、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａと生体試料Ｓの表面との距離を、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａの振動状態（例えば、振幅等）が所定状態となるように制御する。そして、Ｚ電圧フィードバック回路５１により駆動部２６をフィードバック制御する制御信号に基づき、生体試料Ｓの表面形状を測定し、生体試料Ｓ内に反応物質を導入する位置あるいは生体試料Ｓの試料表面に反応物質を塗布する位置を設定する。

次に、ステップＳ０５においては、例えば図８（ｅ）または図８（ｆ）に示すように、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを加振源１２により振動させつつ生体試料Ｓに穿刺させた状態または中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを生体試料Ｓの試料表面上の所定位置に配置させた状態で、加減圧装置７１によって中空ガラスキャピラリー２１内を加圧し、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａから所定量の溶液Ｕを排出し、生体試料Ｓ内に反応物質を導入または生体試料Ｓの試料表面に反応物質を塗布する。

次に、ステップＳ０６においては、中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａを所定位置まで退避させ、一連の処理を終了する。

この第２変形例に係る物質供給プローブ１１を具備する物質供給プローブ装置１ａによれば、物質供給プローブ装置１ａの装置構成を簡略化することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

また、上述した実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡１の測定部１４は、光てこ方式により物質供給プローブ１１の変位検出をおこなうとしたが、これに限定されず、例えば図９に示す第３変形例に係る走査型プローブ顕微鏡１のように、中空ガラスキャピラリー２１にピエゾ抵抗素子等からなる変位検出部７２を備え、自己検知方式により物質供給プローブ１１の変位検出をおこなってもよい。

また、上述した実施形態では、物質供給プローブ装置１ａは、物質供給プローブ１１を移動部１３により３次元方向に移動させるとしたが、これに限定されず、例えば生体試料Ｓ側を物質供給プローブ１１に対して３次元方向に相対移動させる移動部（図示略）を走査型プローブ顕微鏡１に備え、生体試料Ｓを物質供給プローブ１１に対して３次元方向に相対移動させてもよいし、あるいは、生体試料Ｓと物質供給プローブ１１とを３次元方向に相対移動させてもよい。

また、上述した実施形態では、走査型プローブ顕微鏡１を、振動モードＳＰＭの一例として、共振させた中空ガラスキャピラリー２１の振動状態が所定状態になるように中空ガラスキャピラリー２１の先端部２１ａと生体試料Ｓとの間の距離を制御しながら走査を行うＤＦＭ（共振モード測定−原子間力顕微鏡：Dynamic Force Mode Microscope）としてもよい。

更には、走査型プローブ顕微鏡１を、ＡＦＭ動作中に、生体試料Ｓを試料表面に平行な水平方向に横振動させ、又は中空ガラスキャピラリー２１を試料表面に平行な水平方向に横振動させ、この際の中空ガラスキャピラリー２１のねじれ振動振幅を検出することで摩擦力分布を測定するＬＭ−ＦＦＭ（Lateral Force Modulation Friction Force Microscope：横振動摩擦力顕微鏡）や、ＡＦＭ動作中に、生体試料Ｓを試料表面に垂直なＺ方向に微小振動させて、又は、中空ガラスキャピラリー２１を試料表面に垂直なＺ方向に微小移動させて、周期的な力を加え、この際の中空ガラスキャピラリー２１の撓み振幅や、ｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分を検出することで粘弾性分布を測定するＶＥ−ＡＦＭ（Viscoelastic AFM：マイクロ粘弾性測定−原子間力顕微鏡）としてもよい。

また、上述した実施形態において、試料捕捉プローブ装置１ｂは、試料捕捉プローブ１５をＸＹ方向及びＺ方向の３方向に適宜移動させて、生体試料Ｓをレバー部４１の開口部４１ａに捕捉する際に、レーザ光を利用した光ピンセット技術を利用して生体試料Ｓの捕捉を補助してもよい。

本発明の実施形態に係る物質供給プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡の構成図である。 本発明の実施形態に係る物質供給プローブ装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る物質供給プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡の動作を示すフローチャートである。 図４（ａ）から図４（ｆ）は、本発明の実施形態に係る物質供給プローブの状態を示す図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係る物質供給プローブ装置の構成図である。 図６（ａ）から図６（ｇ）は、本発明の実施形態の第１変形例に係る物質供給プローブの状態を示す図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係る物質供給プローブ装置の構成図である。 図８（ａ）から図８（ｆ）は、本発明の実施形態の第２変形例に係る物質供給プローブの状態を示す図である。 本発明の実施形態の第３変形例に係る物質供給プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡の構成図である。

符号の説明

Ｃシャーレセル（ステージ） Ｓ生体試料（試料） Ｓ１試料表面 １走査型プローブ顕微鏡 １ａ物質供給プローブ装置 ３制御装置（圧力制御手段、移動制御手段、プランジャー制御手段、制御手段） １３移動部（移動制御手段、移動手段） １４測定部（変位検出手段） ２１中空ガラスキャピラリー ２１ａ先端部 ２２プランジャー（圧力制御手段） ２３リニアアクチュエータ（圧力制御手段） ６１探針部材（探針） ７１加減圧装置（圧力制御手段）

Claims (6)

1. 先鋭化された先端部を有する中空ガラスキャピラリーと、
   前記中空ガラスキャピラリー内の圧力を制御する圧力制御手段と、
   前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部の変位を検出する変位検出手段と、
   前記変位検出手段による検出結果に基づき、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部を相対移動させる移動制御手段と
   を備えることを特徴とする物質供給プローブ装置。
2. 前記圧力制御手段は、前記中空ガラスキャピラリー内を往復移動可能なプランジャーと、前記プランジャーの往復移動を制御するプランジャー制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の物質供給プローブ装置。
3. 前記プランジャーは、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部から突出可能な探針を備えることを特徴とする請求項２に記載の物質供給プローブ装置。
4. 前記探針は、前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部を気密に閉塞可能であることを特徴とする請求項３に記載の物質供給プローブ装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか１つに記載の物質供給プローブ装置と、
   前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部に対向配置された試料を載置するステージと、
   前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、
   前記変位検出手段による検出結果に基づいて、前記走査時に前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部と前記試料表面との距離を制御すると共に、前記試料の状態に係るデータを取得する制御手段とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
6. 請求項３または請求項４に記載の物質供給プローブ装置と、
   前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部に対向配置された試料を載置するステージと、
   前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、
   前記変位検出手段による検出結果に基づいて、前記走査時に前記中空ガラスキャピラリーの前記先端部と前記試料表面との距離を制御すると共に、前記試料の状態に係るデータを取得する制御手段とを備え、
   前記探針は導電性であって、
   前記制御手段は、前記試料の電気状態を検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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