JP2009115533A - 原子間力顕微鏡用のコロイドプローブカンチレバーの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光計測法を用いて、コロイドプローブカンチレバーを製造する方法とその自動化装置。
【解決手段】
原子間力顕微鏡のコロイドプローブカンチレバーの製造方法および装置であって、 Ａ）前記カンチレバーの探針を、基板表面に存在する接着剤および蛍光物質に接触させるステップ；および Ｂ）蛍光分子からの蛍光強度の変化を計測して、前記探針の先端と基板表面上に存在するコロイド粒子との相対位置決めを行い、前記コロイド粒子を前記探針の先端に接触させるステップ；を含む。

【選択図】図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡に用いるコロイドプローブカンチレバーの製造方法および製造装置に関する。

サンプル表面の局所領域の力学的性質や、表面力を直接測定する方法として、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope: AFM）が広く利用されている。一般に、プローブとして、カンチレバーの探針（窒化シリコン、またはシリコン単結晶）が用いられ、サンプル表面に接触させて測定を行う。一方で、探針形状の不確定さを取り除き、より定量的な力測定を行うことを目的として、コロイドプローブカンチレバーが用いられる（非参考文献１参照）。このコロイドプローブカンチレバーは、AFMカンチレバーの自由端近傍に球状粒子（コロイド粒子）が取り付けられたものであり、コロイド粒子を物体に接触させて力測定を行う。
コロイドプローブカンチレバーの製造方法は、一般に、接着剤塗布用針を用いて原子間力顕微鏡探針もしくはカンチレバーの自由端近傍に接着剤を塗布し、次に、球状粒子付着針を用いて、コロイド粒子を接着剤に接触させる方法が用いられる（特許文献１参照）。
これらの一連の製造方法では、一般に、顕微鏡を用いて、カンチレバーもしくは接着剤塗布用針および球状粒子付着針を観察しながら、手作業にて操作する。光学顕微鏡下において、粒径数μｍのコロイド粒子をカンチレバーに装着したコロイドプローブカンチレバーを製造することが可能となる。また、これよりさらに小さなコロイド粒子を装着するためには、電子顕微鏡（非参考文献２参照）を用いる。
特開２００２−０９２７１２号公報 W. A. Ducker, T. J. Senden, and R. M. Pashley, "Direct measurement of colloidal forces using an atomic force microscope" Nature 353, 239-241 (1991). T. Okajima, M. Tanaka, S. Tsukiyama, T. Kadowaki, S. Yamamoto, M. Shimomura, and H. Tokuｍoto, "Stress Relaxation Measurement of Fibroblast Cells with Atomic Force Microscopy", Jap. J. Appl. Phys. 46 (2007) 5552-5555.

従来の製造方法は、カンチレバーもしくは接着剤塗布用針および球状粒子付着針を観察しながら３次元操作を行うので、高倍率の観察条件では、焦点幅が狭くなる影響により、これらの観察が難しく、操作も熟練を要する。また、ナノサイズのコロイド粒子を装着する場合は、電子顕微鏡やナノマニピュレータが必要となり、装着装置は、極めて大がかりになり、費用もかかる。

そこで本発明者は、接着剤塗布用針や球状粒子付着針を使用せず、光学計測手法により探針位置の検出を行い、簡便に、そして高精度に、コロイド粒子を探針先端に装着する方法を提供することを検討した。

本発明の第一は、以下に示すコロイドプローブカンチレバーの製造方法に関する。
［１］コロイドプローブカンチレバーを製造する方法であって、Ａ）原子間力顕微鏡探針を位置決めするステップ；Ｂ）原子間力顕微鏡探針を基板表面に存在する接着剤および蛍光物質に接触させるステップ；およびＣ）探針先端に存在する蛍光物質からの蛍光強度の変化を計測して、探針先端とコロイド粒子との相対位置決めを行い、探針先端に基板表面上に存在するコロイド粒子を接触させるステップ；を含む方法。
［２］前記接着剤は、遅効性の常温硬化樹脂系からなる、［１］に記載の方法。
［３］前記蛍光強度の計測は、蛍光顕微鏡、カメラ、光強度検出器からなる、［１］〜［２］のいずれかに記載の方法。
［４］前記コロイド粒子の形状は、球状であり、真球であることが望ましい、［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］前記コロイド粒子は、その表面を異なる組成で化学修飾することを特徴とする、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］前記接触の方法は、カンチレバーの変位から計測する、［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。

本発明の第二は、以下に示すコロイドプローブカンチレバーの製造装置に関する。
［７］コロイドプローブカンチレバーを製造する装置であって、 Ａ）原子間力顕微鏡探針もしくはステージを高精度に移動する可動部；Ｂ）基板表面に存在する接着剤、蛍光物質、およびコロイド粒子を提供するサンプル提供部；Ｃ）カンチレバーの変位、および蛍光強度の情報を得る測定部；およびＤ）測定部により測定された信号を利用して可動部を制御する制御部、を有する装置。

本発明により、接着剤塗布用針と球状粒子付着針の３次元マニピュレーションを必要とせずに、原子間力顕微鏡に用いるコロイドプローブを製造することができる。また、光学計測手法により探針位置の検出をおこなうため、簡便に、そして高精度に、コロイド粒子を探針先端に装着することができる。

基板探針に存在する蛍光物質の蛍光強度をモニターして、コロイドプローブを装着する技術であるため、以下の作用・利点がある。
（１）光学顕微鏡を備えた原子間力顕微鏡で作成が可能であり、特別なマニピュレータを必要とせずに、探針先端にコロイド粒子を高精度で装着することが可能となる。
（２）粒径が数100nmから数10μmのコロイド粒子を探針に装着することができる。
（３）コロイドプローブカンチレバーの作成に熟練を必要とせず、自動化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における、コロイド粒子をカンチレバー探針先端に装着する操作の一例を示す図である。蛍光観察が可能であること、サンプルとカンチレバー探針との位置を高精度に制御できること、およびカンチレバーの変位を計測できる装置を用いる。ここでは、落射蛍光顕微鏡と原子間力顕微鏡とが一体化した装置を用いる。一例として、Ｎｉｋｏｎ社の蛍光顕微鏡（ＴＥ−２０００）に装着されたＡｓｙｌｕｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社のＡＦＭ装置（ＭＦＰ−３Ｄ−Ｂｉｏ）がある。

本実施の形態では、カンチレバーを可動させて、探針とサンプルとの位置を制御する。

原子間力顕微鏡カンチレバーの変位は光てこ法により測定する。光てこ法は、カンチレバーの背面にレーザー光を照し、その反射光を測定する。探針がサンプル表面に接触すると、探針とサンプルとの間の斥力により、カンチレバーは表面に対して垂直上向きに変位する。カンチレバーの変位により、レーザー光の反射角度も変化するため、このレーザー光の反射角度の変化を電気信号に変換することで、カンチレバーの変位量の情報を得ることができる。

カンチレバーは、先端の尖った探針が片持ちバネのレバーの自由端近傍に装着されたものである。ＡＦＭ探針は、窒化シリコン、またはシリコン単結晶のものを用いる。

接着剤の特性に関して、コロイドプローブカンチレバーによる力測定を精密に行うため、接着剤の変形は小さいことが望ましい。また、揮発性の接着剤は、ＡＦＭ探針の先端やレーザー反射部を汚染する恐れがあるので適していない。本発明においては、硬化に時間を要する遅効性の２液常温硬化樹脂系の接着剤が適している。

接着剤サンプルは、平らな透明基板上に２液常温硬化樹脂系の接着剤が薄い膜として塗布されたものである。平らなへらを用いて、機械的に引き延ばして、厚さ１μｍ程の接着剤膜とする。透明基板は、光学顕微鏡観察に一般に使用されるガラス基板でよい。

接着剤サンプルをＡＦＭサンプルステージに配置する。図１（ａ）に示すように、カンチレバー探針を接着剤サンプルに接触させた後、カンチレバーを引き上げる。

探針先端とサンプルとの接触位置は、カンチレバーの変位から検出する。付着量は、接触時間、および接触力により調節できる。探針先端部の接着剤との接触時間は１秒程度が好ましい。本方法により、接着剤を探針先端に付着することができる。

次に、カンチレバー探針先端に蛍光物質を付着させる。蛍光物質サンプルは、平らな透明基板上に、蛍光物質が薄い膜として塗布されたものである。透明基板への蛍光物質の散布では、有機溶媒に溶解した希薄蛍光溶液を透明基板に滴下し乾燥させるか、スピンコートにより溶液を薄くのばしてもよい。蛍光溶液の蛍光物質は、有機蛍光分子であっても量子ドットのような無機ナノ材料でもよい。また、透明基板は、光学顕微鏡観察に一般に使用されるガラス基板でよい。

蛍光物質サンプルをＡＦＭサンプルステージに配置する。図１（ｂ）に示すように、探針先端に存在する接着剤が固化していない状態において、カンチレバー探針を蛍光物質サンプルに接触させた後、カンチレバーを引き上げる。

探針に付着した接着剤と蛍光物質サンプル表面の接触位置は、カンチレバーの変位量から検出する。付着量は、接触時間、接触深さ（接触力）により調節できる。接触時間は１秒程度が好ましい。本方法により、蛍光物質を探針先端に付着させることができる。

次に、カンチレバー探針先端にコロイド粒子を付着させる。コロイド粒子サンプルは、平らな透明基板上にコロイド粒子が低濃度で分散されているものである。透明基板へのコロイド粒子の散布は、低濃度で分散させたコロイド溶液を透明金に滴下し乾燥させるか、スピンコート法を用いて基板上に薄くのばしてもよい。また、透明基板は、光学顕微鏡観察に一般に使用されるガラス基板でよい。

コロイド粒子の材質は、ポリスチレン高分子材料、またはシリカガラス材料でよい。コロイド粒子の粒径は励起光の波長程度以上でよい。この粒径の条件では、ミー散乱近似が成り立つ。コロイド粒子の粒径の上限は、カンチレバーの可動範囲よりも小さくあればよい。

コロイド粒子の表面は、コロイド粒子の材質であっても、それと異なる分子で化学修飾されていてもよい。

コロイド粒子サンプルをＡＦＭサンプルステージに配置する。図１（ｃ）に示すように、特定のコロイド粒子に蛍光物質の励起光を照射する。このとき、コロイド粒子の前方には散乱場が存在する。コロイド粒子の粒径が励起光の波長程度のとき、コロイド粒子から遠方の散乱断面積は、ミー散乱理論により評価できる。ミー散乱の場合、図２に示すように、散乱光のほとんどは前方散乱である。

カンチレバーの探針を光照射しているコロイド粒子の上部に配置し、カンチレバー探針を表面に水平方向に走査をして、探針先端に付着した蛍光物質の蛍光強度を測定する。散乱光のほとんどは前方散乱であるので、カンチレバーがコロイド粒子から遠方の場合、光軸に沿って探針がコロイド粒子の直上に存在するとき、蛍光強度の変化は大きく変化する。従って、蛍光強度の変化量を測定することにより、カンチレバー探針先端とコロイド粒子との相対位置の情報を得ることが可能となる。

蛍光強度の変化量の信号を用いて、カンチレバー探針先端が、光軸に沿ってコロイド粒子の直上に配置する。そして、図１(c)に示すように、探針先端に存在する接着剤が固化していない状態において、カンチレバー探針をコロイド粒子に接触させる。

図３は、多重散乱を無視した場合の微粒子のミー散乱理論から算出される散乱強度の位置依存性である。探針と粒子との距離が減少することにより中心散乱強度（ｘ＝０の周り）のピークは鋭くなる傾向にある。従って、コロイドプローブを探針先端に高精度で接触させることができる。

図１（ｄ）に示すように、コロイド粒子と基板との物理的吸着と比べて、接着剤とコロイド粒子の物理吸着は十分大きいため、カンチレバーを引き上げることにより、コロイド粒子をカンチレバー探針先端に付着させることができる。探針先端部のコロイド粒子との接触時間は１秒程度が好ましい。

・ カンチレバー探針先端にコロイド粒子を付着させた後、室温にて２４時間程乾燥させてコロイドプローブの作成は完了する。

図４は、探針先端に存在する蛍光物質とコロイド粒子の距離が50μｍのときの、中心散乱強度の半値幅の粒径依存性を示す。粒径250ｎｍの半値幅は86μｍであり、粒径の増加に対して半値幅は減少する。一般に市販のＡＦＭの走査範囲は100μｍ程度であることから、本発明により、一般のＡＦＭ装置を用いて、粒径２５０ｎｍ程度以上のコロイドプローブカンチレバーを作成することができる。

２．本発明のコロイドプローブカンチレバーの製造装置について
前述のコロイドプローブカンチレバーの製造方法は、例えば、以下に示される装置を用いて実施されうる。本発明のコロイドプローブカンチレバーの製造装置は、原子間力顕微鏡探針もしくはステージを高精度に移動する可動部と、接着剤サンプル、蛍光物質サンプル、コロイド粒子サンプルを提供するサンプル提供部と、カンチレバーの変位計測、および蛍光強度の情報を得る測定部と、測定部により測定された信号により可動部を制御する制御部とを有する。

可動部は、圧電素子を用いて、カンチレバーまたはサンプルを３軸で移動する。例えば、プローブ顕微鏡の３次元スキャナーがある。しかし、これに類似の機構を兼ね備えたものであればよい。

サンプル提供部は、接着剤を透明基板に滴下し、平坦な薄い板を用いて機械的引きのばした接着剤サンプル、蛍光溶液を透明基板に滴下し、もしくはスピンコートにより基板上に薄く引きのばした蛍光物質サンプル、そして、コロイド溶液を透明基板に滴下し、もしくはスピンコートにより基板上に薄く引きのばしたコロイド粒子サンプルをサンプルステージに挿入・取り出しする。

測定部は、カンチレバーの変位を計測する。カンチレバーの背面にレーザー光を照し、その反射光を測定する。探針がサンプル表面に接触すると、探針とサンプルとの間の斥力により、カンチレバーは表面に垂直な方向に変位する。カンチレバーの変位により、レーザー光の反射角度も変化するため、このレーザー光の反射角度の変化を電気信号に変換することで、カンチレバーの変位量の情報を得ることができる。

測定部は、蛍光物質の強度を計測する。単色レーザー光や水銀ランプを用いて、探針先端の蛍光物質を励起して、探針先端に付着した蛍光物質の蛍光を観察する。蛍光顕微鏡、またはそれに類似のレンズを備えた装置で構成される。カメラ光や光強度検出器を用いて、探針先端に付着した蛍光物質の蛍光強度変化を計測する。

制御部は、探針と基板表面との距離の制御、および探針とコロイド粒子の相対位置の制御をする。探針に接着剤や蛍光物質を付着させるために、探針と基板表面との距離の制御は、探針と基板表面との接触位置をカンチレバーの変位計測により行う。また、接着剤と蛍光物質が付着した探針とコロイド粒子の相対位置を制御する制御部は、コンピュータ上で動作するソフトウェアである場合を一例として説明する。

Ｓ１１からＳ１３では、探針と基板表面とが十分離れている状態において、探針を基板に対して水平方向に指定範囲だけ走査する。そのとき、蛍光強度の測定も同時に行う。

Ｓ１４では、指定範囲の蛍光強度の信号において、蛍光強度変化が極大となる位置に探針を移動する。

Ｓ１５では、探針をコロイド粒子が存在する基板表面の方向に指定距離移動する。

Ｓ１６では、指定距離移動後に探針がサンプルに接触したかを判断する。接触していない場合は、Ｓ１１に戻り上記の操作を繰り返す。接触している場合は、Ｓ１７のように探針を引き上げる。

サンプル表面の力学特性を測定する場合、探針先端にコロイドプローブが装着されることにより、カンチレバーと測定サンプル表面との距離は離れる。従って、特に、液中測定では、カンチレバーとサンプル表面との間に働く流体力学的な相互作用を軽減することが可能となり、精密な計測が可能となる。また、探針先端にコロイド粒子が装着したカンチレバーに働く力は、探針の場合と同じであるので、精密な計測が可能となる。

本発明により、コロイドプローブカンチレバーの作成において、熟練を必要としないため、コロイドプローブカンチレバーの量産が可能となり、コロイドプローブカンチレバーがこれまで以上に広く普及し、表面物性の定量化を必要とする産業全般に利用できる。

コロイドプローブカンチレバー製造過程の概念図。 ミー散乱の角度依存性。入射波長は４８８ｎｍである。実線は粒径２．０μｍ、点線は粒径０．５μｍである。粒子の屈折率は１．４５（シリカ）とした。 ミー散乱理論による散乱強度の位置依存性。入射波長は４８８ｎｍとした。粒子はシリカ（屈折率１．４５、粒径１μｍ）とした。 中心散乱強度の半値幅のコロイド粒径依存性。入射波長は４８８ｎｍとした。粒子の屈折率は１．４５（シリカ）とした。粒子からの距離ｄは５０μｍとした。 蛍光強度の変化量を計測して、透明基板上のコロイド粒子をカンチレバー探針先端に装着する制御装置の１例を示すフロー図

符号の説明

１００ カンチレバー
２００ 接着剤膜サンプル
３００ 接着剤
４００ 蛍光物質
５００ 蛍光物質サンプル
６００ 励起光
７００ コロイド粒子

Claims (6)

1. 原子間力顕微鏡のコロイドプローブカンチレバーの製造方法であって、
   Ａ）前記カンチレバーの探針を、基板表面に存在する接着剤および蛍光物質に接触させるステップ；および
   Ｂ）蛍光分子からの蛍光強度の変化を計測して、前記探針の先端と前記基板表面上に存在するコロイド粒子との相対位置決めを行い、前記コロイド粒子を前記探針の先端に接触させるステップ；を含む方法。
2. 前記接着剤は、遅効性の常温硬化樹脂系である、請求項１に記載の方法。
3. 前記蛍光強度は、蛍光顕微鏡に装着された光強度検出器により計測される、請求項１に記載の方法。
4. 前記コロイド粒子の形状は、球形である、請求項１に記載の方法。
5. 原子間力顕微鏡のコロイドプローブカンチレバーの製造方法であって、
   Ｃ）前記コロイド粒子の表面を、異なる組成の分子で化学修飾するステップ；をさらに含む請求書１に記載の方法。
6. 原子間力顕微鏡のコロイドプローブカンチレバーの製造装置であって、
   Ａ）前記カンチレバーの探針もしくはステージを高精度に移動する可動部；
   Ｂ）接着剤、蛍光物質、コロイド粒子のサンプルを提供する提供部；
   Ｃ）カンチレバーの変位計測、および蛍光物質の蛍光強度の情報を得る測定部；および
   Ｄ）測定部により測定された信号を利用して可動部を制御する制御部、を有する装置。
   

Images