JP2009058231A

JP2009058231A - 液中試料の分析方法

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Publication number: JP2009058231A
Application number: JP2007223212A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ota; 昌弘大田; Noriaki Oyabu; 範昭大藪; Hiroaki Adachi; 宏昭安達; Masayuki Abe; 真之阿部; Seizo Morita; 清三森田; Yusuke Mori; 勇介森; Takatomo Sasaki; 孝友佐々木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP4910949B2; KR20090023095A; US20110048115A1; KR101027762B1; US8037739B2; CN101377460B; CN101377460A

Abstract

【課題】容易且つ確実に分析用液体の蒸発を防止することのできる液中試料の分析方法を提供する。
【解決手段】カンチレバー１４の先端に設けられた探針１５を液中に浸漬した試料１３の表面に近接させて該試料表面を走査し、試料１３と探針１５の間の相互作用を検出して画像化する走査型プローブ顕微鏡を用いて液中試料を観察するに際し、試料１３及び探針１５を浸漬した分析用液体１６の周囲に分析用液体１６と混和しない密閉用液体１７を満たすことにより分析用液体１６を外気と遮断された密閉状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡又はカンチレバーセンサを用いた液中試料の分析方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope；SPM）は、微小な探針（プローブ）により試料の表面を走査しながら試料との間の相互作用を検出することで、その試料表面の形状や物理量を検出して画像化することができる顕微鏡であり、前記相互作用として、探針と試料の間に流れる電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope; STM）や、探針と試料の間に作用する原子間力を利用する原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope; AFM）などがある。

走査型プローブ顕微鏡は、上述のように探針と試料表面の間に働く相互作用を画像化するものであるため、真空中及び大気中のみならず、液体中に配置された試料を観察することができるという特徴を有している。こうした液中での試料の観察は、図６（ａ）に示すような溶液セルと呼ばれる構成を用いて実施される。

試料３３は、上面が開放され液体を満たすことのできる試料ホルダ３１にセットされ、先端に探針３５を備えたカンチレバー３４は台座３２に固定されて顕微鏡本体に取り付けられる。液中観察時には、試料ホルダ３１に液体３６が導入され、試料３３及び該試料３３に近接させた探針３５を該液体３６に浸漬した状態で観察が実行される。このとき、試料ホルダ３１内の液体３６は外気に接触しているため時間と共に蒸発して液量が減少する。このような蒸発によって観察中に液体３６の温度が変化すると、試料３３及び探針３５の熱膨張（又は収縮）が発生し、観察視野が時間と共に変化する。この現象は熱ドリフトと呼ばれ、走査型プローブ顕微鏡による観察画像の歪みなどの原因となっている。

また、上記のような液体３６の蒸発に起因する液体温度等の変化により試料表面の状態が変化するといった問題や、液体３６中の溶解物が析出して試料３３、カンチレバー３４、及び探針３５の表面が汚染されるといった問題も発生する。更に、原子間力顕微鏡等のようにレーザー光を利用してカンチレバー３４の上下変位を検出する機構を備えたものでは、図６（ｂ）に示すように、蒸発により液面が低下してレーザーの光路中に空間ができると、レーザー光源の位置及び光検出器の位置の再調整が必要となる。以上のような理由から、試料表面を長時間に亘って安定に観察するためには、該試料を浸漬した液体（以下、「分析用液体」と呼ぶ）の蒸発を抑える必要がある。

特開2002-286614号公報（[0016],図2）

分析用液体の蒸発対策の一つとして、従来より、試料及び分析用液体の周りをパッキンで囲んで密閉空間を形成する方法が知られている。この方法では、図７に示すように、カンチレバー３４を固定した台座３２と平板状の試料ホルダ３１との間にＯリング等から成るパッキン４１を挟持させ、試料ホルダ３１、台座３２、及びパッキン４１で囲まれた密閉空間内に試料３３及び分析用液体３６を閉じ込めることにより分析用液体３６の蒸発を防止する。しかしながら、この方法の場合、パッキン４１は通常固体であり一定量潰れた後はそれ以上の変形は困難であるため、パッキン４１の潰れしろｄ内で探針３５と試料表面との間の距離を観察可能な距離（1nm以下）まで接近させなければならない。そのため、潰れしろｄを考慮に入れて試料３３の厚さを精密に決定する必要があるが、実際の観察を行う際に、試料３３の厚さを精密に決定し加工することは非常に困難である。また、台座３２と試料ホルダ３１の相対移動がパッキン４１によって制限されるため、観察位置を変える際に、試料３３又は探針３５を水平方向及び垂直方向に大きく動かすことができないという問題がある。更に、上記パッキン４１としては一般にゴム製のＯリングなどが用いられるが、分析用液体３６として有機溶剤を用いた場合、有機溶剤によってパッキン４１が溶解されるおそれがある。

一方、上記のような分析用液体の閉じ込めが困難な場合には、蒸発することを念頭に予め分析用液体の量を多くしておくことが行われる。これにより、蒸発量に対する分析用液体全体の変化量を小さくすることができる。しかし、走査型プローブ顕微鏡の構成上、試料ホルダに導入できる分析用液体の量には制限があり、有機溶剤などの蒸発速度の速い液体を使用する場合、長時間の測定は困難であった。また、分析用液体の種類によっては気体が有毒のものもあり、こうした方法が適用できない場合もあった。更に、分析用液体が水溶液の場合、水分が蒸発することによって濃度が変化してしまうという問題もあった。

また、特許文献１には、分析用液体の揮発を防止するための手段として、分析用液体の表面上に該分析用液体と混和しない液体から成る揮発防止用の液体層を設けることが記載されている。しかし、このように分析用液体の上に揮発防止用の液体層を形成させる方法の場合、該液体層を構成する液体として、分析用液体よりも比重が小さいものを用いる必要がある。また、分析用液体が、試料及び探針を浸漬し且つ試料ホルダ内で液面を形成する程度まで試料ホルダに満たされている必要があるため、比較的多量の分析用液体が必要となる。また、カンチレバーの変位検出用レーザーの光路上に気体―液体界面が存在すると液面の揺らぎが光路を乱すため、特許文献１では、これを解消する手段として光源及び光検出器を液体中に設置することや、光ファイバーを液中に設置してレーザー光の導入及び反射光の捕捉を行うことが記載されている。しかし、こうした手段を採用した場合、光源及び光検出器、又は光ファイバー等の位置調整が煩雑となるという問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、容易且つ確実に分析用液体の蒸発を防止することのできる液中試料の分析方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る液中試料の分析方法は、カンチレバーの先端に設けられた探針を液中に浸漬した試料の表面に近接させて該試料表面を走査し、該試料と探針の間の相互作用を検出して画像化する走査型プローブ顕微鏡を用いた液中試料の分析方法において、前記試料及び探針を浸漬した分析用液体の周囲に該分析用液体と混和しない密閉用液体を満たすことにより前記分析用液体を外気と遮断された密閉状態とすることを特徴としている。

上記密閉状態は、例えば、上面が開放され液体を満たすことができる試料ホルダの内部に分析用液体の液滴を付着させる工程と、上記カンチレバーが固定された台座の下面に該カンチレバーを包み込むように分析用液体の液滴を付着させる工程と、該台座を試料ホルダに近づけて両者に付着した前記分析用液体の液滴を融合させる工程と、該試料ホルダに密閉用液体を導入して前記分析用液体の周囲を密閉用液体で満たす工程と、によって形成することができる。

また、上記密閉状態は、上面が開放され液体を満たすことができる試料ホルダの内部に分析用液体の液滴を付着させる工程と、該試料ホルダに密閉用液体を満たすことによって前記分析用液体から成る液滴の周囲を密閉用液体で満たす工程と、上記カンチレバーが固定された台座の下面に該カンチレバーを包み込むように分析用液体の液滴を付着させる工程と、該台座を試料ホルダに近づけて両者に付着した前記分析用液体の液滴を融合させる工程と、によって形成することも可能である。

なお、分析対象となる試料は、上記試料ホルダの内部に分析用液体の液滴を付着させる工程において該液滴中に配置される。

また、本発明に係る液中試料の分析方法は、上記のような走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の表面性状の分析のみならず、カンチレバーセンサを用いて液中の微量成分の検出を行う場合にも適用可能である。このような本発明に係る液中試料の分析方法は、目的物質を吸着可能な物質を表面に固定したカンチレバーを液中に浸漬し、該液中に溶解又は分散した目的物質とカンチレバー表面の間の相互作用を検出することにより該目的物質を検出するカンチレバーセンサを用いた液中試料の分析方法において、前記カンチレバーを浸漬した分析用液体の周囲に該分析用液体と混和しない密閉用液体を満たすことにより前記分析用液体を外気と遮断された密閉状態とすることを特徴としている。

なお、本発明に係る液中試料の分析方法において使用するカンチレバー固定用の台座又は試料ホルダは、上記のような密閉状態を形成した後に、分析用液体中に液体を注入するための液体注入機構を備えたものすることが望ましい。このような台座又は試料ホルダを使用することにより、例えば、上記カンチレバーセンサを用いた液中試料の分析において、上記密閉状態を形成した後に前記液体注入機構を用いて分析用液体中に試料液体を導入することができ、該試料液体の導入前後におけるカンチレバーの挙動の変化を容易に測定することができる。

なお、本発明において「分析用液体」とは、上記走査型プローブ顕微鏡を用いた観察（すなわち表面性状の分析）の際に試料及び探針を浸漬する液体、又は上記カンチレバーセンサを用いた分析の際にカンチレバーを浸漬する液体を意味する。該分析用液体は、純水や水溶液のほか、油や有機溶剤等いかなる種類の液体であってもよく、試料の種類や分析目的に応じたものを適宜選択する。また、上記密閉用液体も、分析用液体と混和しないものであれば、いかなる種類の液体であってもよく、分析用液体として純水や水溶液を用いる場合には、例えば、油等を使用することができる。また、密閉用液体として、例えば、水にも有機溶剤にも混和しないフロリナート等のフッ素系不活性液体を使用すれば、幅広い種類の分析用液体に対応することが可能である。

本発明に係る液中試料分析方法によれば、上記密閉用液体によって分析用液体の周囲を取り囲んで密閉するため、該分析用液体の蒸発を確実に防止して液中試料の高精度な分析を実現することができる。また、Ｏリング等の固体パッキンを使用しないため、試料の厚さを厳密に制御する必要がなく、探針の移動範囲が大幅に制限されることもない。更に、上記密閉用液体は、分析用液体と混和しないものであればよく、上記従来の方法のように分析用液体よりも比重が小さいものを用いるといった制約がない。また、密閉用液体によって分析用液体を包み込むため、分析用液体の使用量が少量で済むという利点もあり、分析用液体として調整に手間の掛かる液体や高価な液体を使用する場合等にも好適に用いることができる。更に、本発明に係る液中試料の分析方法は、上記の効果に加え、レーザーによるカンチレバーの変位検出を行う場合に、レーザー光路上に気体−液体界面が存在しないため、液面の揺らぎによるレーザー光路の乱れが発生しないという効果を有している。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の試料分析方法に用いる溶液セルの構成を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’矢視断面図である。試料ホルダ１１は上面が開放され内部に液体を満たすことができる形状となっている。カンチレバー１４は、ガラス等の透明材料から成る台座１２の下面に固定されており、その先端には微小な探針１５が設けられている。図中において、１３は試料、１６は分析用液体、１７は密閉用液体であり、試料１３、探針１５及びカンチレバー１４が分析用液体１６に浸漬されている。分析用液体１６の周囲は密閉用液体１７によって取り囲まれており、密閉用液体１７によって分析用液体１６が外気と遮断された密閉状態となっている。ここで、分析用液体１６は、試料１３に応じた適切な種類のものを使用する。密閉用液体１７は、分析用液体１６と混和しないものであればいかなるものであってもよく、例えば、分析用液体１６として、純水や水溶液を使用する場合には、密閉用液体１７として油類を使用する。また、密閉用液体１７として水にも有機溶剤にも混和しないフッ素系不活性液体を使用すれば幅広い種類の分析用液体１６に対応することができる。

図２に、上記のような密閉状態の形成手順を示す。まず、試料ホルダ１１の底面中央に分析用液体１６から成る液滴を付着させ、該液滴の中に試料１３を配置する。更に、台座１２の下面にも探針１５及びカンチレバー１４を覆うように分析用液体１６から成る液滴を付着させる（図２（ａ））。続いて、台座１２を上方から試料ホルダ１１に近づけ、台座１２下面の液滴と試料ホルダ１１内の液滴とを融合させる（図２（ｂ））。このとき、分析用液体１６は対向する台座１２と試料ホルダ１１の間に表面張力によって保持され、略円柱状の形態を成す。その後、試料ホルダ１１に徐々に密閉用液体１７を導入することにより分析用液体１６の周囲に密閉用液体１７を充填する。これにより、上記略円柱状の分析用液体１６の周面（試料ホルダ１１及び台座１２と接している部分以外の表面）が密閉用液体１７によって取り囲まれた状態となり、分析用液体１６が外気から遮断される（図２（ｃ））。

また、上記のような密閉状態は、図３に示す手順で形成することもできる。これは、探針１５及びカンチレバー１４を試料１３に近接させる前に予め分析用液体１６を密閉用液体１７で包み込んでおくものであり、試料１３のみの状態で蒸発対策が可能であるため、試料１３を試料ホルダ１１にセットした後、試料１３を搬送する必要がある場合などに適している。まず、上記手順と同様に試料ホルダ１１の底面中央に分析用液体１６から成る液滴を形成してその内部に試料１３を配置し、続いて、試料ホルダ１１に徐々に密閉用液体１７を導入する。これにより、分析用液体１６の試料ホルダ１１と接している部分以外の表面が密閉用液体１７によって取り囲まれた状態となり、外気から遮断される（図３（ａ））。一方、台座１２の下面にも分析用液体１６から成る液滴をカンチレバー１４及び探針１５を包み込むように付着させ、該台座１２を上方から試料ホルダ１１に近づけて台座１２下面の液滴と試料ホルダ１１内部の分析用液体１６から成る液滴とを融合させる（図３（ｂ）、（ｃ））。

図４に、原子間力顕微鏡を用いて上記溶液セル中の試料１３を観察する際の要部構成を模式的に示す。原子間力顕微鏡は、試料１３をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させるための３次元スキャナ２１と、カンチレバー１４のＺ軸方向の変位を検出する変位検出系を備えており、３次元スキャナ２１上には試料ホルダ１１が載置され、顕微鏡本体の３次元スキャナ２１と対応する位置にはカンチレバー１４を固定した台座１２が取り付けられる。スキャナ２１はピエゾ素子を含む略円筒形状体であり、外部から印加される電圧によってＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向にそれぞれ所定範囲で自在に変位する。変位検出系は、カンチレバー１４の先端付近にレーザー光を照射するためのレーザー光源２２と、カンチレバー１４で反射した該レーザー光を検出するための光検出器２３等を有し、光てこの原理を利用してカンチレバー１４の撓み角を検出することにより、カンチレバー１４の上下動を検出することができるものである。

本実施例の液中試料分析方法においては、観察開始前に予め上記いずれかの手順によって溶液セル内に上記のような密閉構造を形成し、分析用液体１６の中で探針１５によって試料１３の表面を走査することによって試料表面の観察を行う。探針１５の先端を試料１３のごく近傍（数nm以下の間隙）に近づけると、探針１５の先端と試料１３の原子との間には原子間力（引力又は反発力）が作用する。この状態で、試料表面に沿って探針１５と試料１３とがＸ−Ｙ平面内で相対移動するようにスキャナ２１による走査を行いつつ、上記原子間力を一定に保つように探針１５の試料１３からの距離（Ｚ軸方向高さ）をフィードバック制御する。このときのＺ軸方向のフィードバック量は試料１３の表面の凹凸に応じたものとなるから、これに基づいて試料表面の３次元画像を得ることができる。

以上のような本実施例に係る試料分析方法によれば、分析用液体の周囲を密閉用液体によって密閉した状態で原子間力顕微鏡による試料表面の観察を行うことにより、分析用液体の蒸発を確実に防止することができ、試料表面を高精度で観察することが可能となる。また、本実施例の試料分析方法によれば、分析用液体の上面が台座と接触しているため、試料表面を走査した際の液面の揺らぎに起因するレーザー光の乱れがなく、安定した画像を得ることができる。

以上、実施例を用いて本発明に係る液中試料の分析方法について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容されるものである。例えば、上記実施例では原子間力顕微鏡による観察を行う場合を例として説明したが、本発明は、走査型トンネル顕微鏡など各種の走査型プローブ顕微鏡に適用することができる。

更に、本発明に係る液中試料の分析方法は、走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の表面性状の分析のみならず、カンチレバーセンサを用いた液中の微量成分の検出に適用することもできる。このような場合の溶液セルの構成の一例を図５（ａ）に示す。カンチレバー１４の表面には検出しようとする物質（目的物質）を特異的に吸着する物質が固定化されており、カンチレバー１４を浸漬した分析用液体１６は密閉用液体１７によって密閉されている。このような密閉状態は、上述のいずれかの手順と同様にして形成される。但し、試料は前記密閉状態の形成時に分析用液体１６中に配置されるのではなく、密閉状態を形成した後に、試料ホルダ１１に設けられた液体注入機構１８を用いて分析用液体１６中に導入される。液体注入機構１８は試料ホルダ１１の外部から試料ホルダ１１の周面を貫通して試料ホルダ１１内部の中央付近に至る管状の形状を有し、図示しない開閉手段により内部の流路を開閉することができる。なお、液体注入機構１８の構成は、上記に限定されるものではなく、例えば、図５（ｂ）に示すようにカンチレバー固定用の台座１２に液体注入機構１８を設けてもよい。この場合、液体注入機構１８はレーザー光の光路を妨げない位置に配置する。

上記のような溶液セルを用いてカンチレバーセンサによる分析を行う際には、まず分析用液体１６中に試料液体を導入しない状態で、所定の方法によりカンチレバー１４の共振周波数を測定する。続いて、液体注入機構１８を用いて分析用液体１６中に試料液体を導入し、同様にカンチレバー１４の共振周波数を測定する。試料液体中に目的物質が含まれていれば、該目的物質を吸着してカンチレバー１４の質量が増大し、それに伴ってカンチレバー１４の共振周波数が変化するため、試料液体の導入前後におけるカンチレバー１４の共振周波数の変化を検出することにより、試料液体中の目的物質を検出することができる。

本発明の試料分析方法における分析用液体を密閉状態とした溶液セルの構成を示す断面図。上記密閉状態の形成手順の一例を示す図。上記密閉状態の形成手順の別の例を示す図。原子間力顕微鏡を用いて上記溶液セル中の試料を観察する際の要部構成を示す模式図。カンチレバーセンサを用いた分析を行う際の溶液セルの構成を示す断面図であり、（ａ）は液体注入機構を試料ホルダに設けた場合を、（ｂ）は液体注入機構を台座に設けた場合を示す。従来の試料分析方法における溶液セルの構成を示す断面図であり、（ａ）は試料ホルダに液体が満たされた状態を、（ｂ）は液体が蒸発して液面が低下した状態を示す。パッキンを使用した従来の蒸発防止方法を説明する模式図。

符号の説明

１１、３１…試料ホルダ
１２、３２…台座
１３、３３…試料
１４、３４…カンチレバー
１５、３５…探針
１６、３６…分析用液体
１７…密閉用液体
１８…液体注入機構
２１…３次元スキャナ
２２…レーザー光源
２３…光検出器
４１…パッキン

Claims

カンチレバーの先端に設けられた探針を液中に浸漬した試料の表面に近接させて該試料表面を走査し、該試料と探針の間の相互作用を検出して画像化する走査型プローブ顕微鏡を用いた液中試料の分析方法において、
前記試料及び探針を浸漬した分析用液体の周囲に該分析用液体と混和しない密閉用液体を満たすことにより前記分析用液体を外気と遮断された密閉状態とすることを特徴とする液中試料の分析方法。
目的物質を吸着可能な物質を表面に固定したカンチレバーを液中に浸漬し、該液中に溶解又は分散した目的物質とカンチレバー表面の間の相互作用を検出することにより該目的物質を検出するカンチレバーセンサを用いた液中試料の分析方法において、
前記カンチレバーを浸漬した分析用液体の周囲に該分析用液体と混和しない密閉用液体を満たすことにより前記分析用液体を外気と遮断された密閉状態とすることを特徴とする液中試料の分析方法。
上面が開放され液体を満たすことができる試料ホルダの内部に分析用液体の液滴を付着させる工程と、上記カンチレバーが固定された台座の下面に該カンチレバーを包み込むように分析用液体の液滴を付着させる工程と、該台座を試料ホルダに近づけて両者に付着した前記分析用液体の液滴を融合させる工程と、該試料ホルダに密閉用液体を導入して前記分析用液体の周囲を密閉用液体で満たす工程と、によって上記密閉状態を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の液中試料の分析方法。
上面が開放され液体を満たすことができる試料ホルダの内部に分析用液体の液滴を付着させる工程と、該試料ホルダに密閉用液体を満たすことによって前記分析用液体から成る液滴の周囲を密閉用液体で満たす工程と、上記カンチレバーが固定された台座の下面に該カンチレバーを包み込むように分析用液体の液滴を付着させる工程と、該台座を試料ホルダに近づけて両者に付着した前記分析用液体の液滴を融合させる工程と、によって上記密閉状態を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の液中試料の分析方法。
上記試料ホルダの内部に分析用液体の液滴を付着させる工程において、該液滴中に試料を配置することを特徴とする請求項３又は４に記載の液中試料の分析方法。
上記密閉用液体がフッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液中試料の分析方法。
請求項３又は４に記載の方法に用いられる台座又は試料ホルダであって、上記密閉状態を形成した後に、上記分析用液体中に液体を注入するための液体注入機構を有することを特徴とする台座又は試料ホルダ。