JP2009282012A - Non-contact scanning probe microscope - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-contact scanning probe microscope capable of measuring an internal structure of extremely fragile samples such as biological and organic materials at high resolution without damaging the internal structure. <P>SOLUTION: A sample 13 is placed on a sample stage 11. A first probe 14 is disposed on a front surface of the sample stage and a second probe 15 is disposed on a rear surface of the sample stage. An alternating current signal with the same frequency as a mechanical resonance frequency of a cantilever, i.e., the second probe 15, is applied with an amplitude of several volts to the first probe 14 from an FM detection module 18, a signal which has been modulated by the sample 13 is sensed (detected) by a leading end of the second probe, and the cantilever resonates by the signal. Resonant oscillation based on such interaction is detected as an electrical signal by the cantilever 15, an amplitude change and frequency change of the detected signal are processed by a control PC 20, and image information (mapping image) is formed based on amplitude change information and frequency change information. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は非接触型の走査プローブ顕微鏡に関し、より詳細には、生体物質や有機物質などの極めて脆弱な試料に対してもダメージを与えることなく、その形態や構造を高分解能且つ迅速に観察・計測し得る走査プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a non-contact scanning probe microscope. More specifically, the form and structure of a non-contact scanning probe microscope can be quickly observed with high resolution without damaging even extremely fragile samples such as biological materials and organic materials. The present invention relates to a scanning probe microscope capable of measuring.

様々な試料の形態観察や構造解析を行なう手段として、光学顕微鏡や電子顕微鏡、或いは、AFMやSPM等のプローブ顕微鏡といった顕微鏡が開発されてきた。光学顕微鏡は、溶液中の細胞を観察することが可能であり、様々な蛍光色素との併用により、多様な機能解析に用いられている。電子顕微鏡は、電子線を試料に照射した際の反射電子や透過電子を計測するために分解能は数Åと極めて高く、被観察試料中の原子位置まで特定することが可能である。また、プローブ顕微鏡は、様々な試料の表面構造の観察を可能とし、その分解能も10Å以下と極めて高い。   Microscopes such as optical microscopes, electron microscopes, or probe microscopes such as AFM and SPM have been developed as means for morphological observation and structural analysis of various samples. Optical microscopes are capable of observing cells in a solution, and are used for various functional analyzes in combination with various fluorescent dyes. Since the electron microscope measures reflected electrons and transmitted electrons when the sample is irradiated with an electron beam, the resolution is extremely high, such as several millimeters, and it is possible to specify the atomic position in the sample to be observed. In addition, the probe microscope enables observation of the surface structure of various samples, and its resolution is extremely high at 10 mm or less.

このような手段以外にも、生体サンプル、特にタンパク質の構造計測技術としては、タンパク質の結晶サンプルを作製し、X線照射によるディフラクションを測定することで、3次元構造を導き出すX線結晶構造解析法やNMR法などがある。   In addition to these methods, X-ray crystal structure analysis that derives a three-dimensional structure by preparing a protein crystal sample and measuring the fraction of X-ray irradiation as a biological sample, particularly protein structure measurement technology Method and NMR method.

しかし、これらの従来の計測技術には、幾つかの難点が存在する。具体的に例示すると、光学顕微鏡では、プローブとして光を用いるために、その分解能は約200nmと低く、細胞中のタンパク質やウィルス等を直接観察することは不可能である。   However, these conventional measurement techniques have several difficulties. Specifically, in an optical microscope, since light is used as a probe, its resolution is as low as about 200 nm, and it is impossible to directly observe proteins and viruses in cells.

電子顕微鏡では、電子線の照射によりタンパク質やウィルス等がダメージを受けて破壊される虞があることから、照射電子線量を低くして観察する必要がある。このため、得られる撮影画像は、極めてノイズが高くコントラストが低いものとなり易く、かかる電顕画像から正確な試料構造を解析するためには、様々な画像処理技術を駆使しなければならない。   In an electron microscope, there is a possibility that proteins, viruses, and the like may be damaged and destroyed by irradiation with an electron beam, so it is necessary to observe with a low irradiation electron dose. For this reason, the obtained captured image tends to be extremely noisy and low in contrast, and various image processing techniques must be used in order to analyze an accurate sample structure from the electron microscope image.

X線結晶構造解析法は、分解能が数Åと極めて高いものの、結晶化試料の作製が必須であるため、結晶化が困難な試料の解析を行なうことができない。さらに、NMRによる解析では、試料を結晶化させる必要はないものの、比較的大きなサイズの試料の解析は困難である。これらの難点に加え、X線結晶構造解析法にせよNMRによる解析にせよ、得られる情報は、試料内に存在する多数の粒子の平均的な構造でしかなく、個々の粒子の構造や特性を解析することは不可能である。   Although the X-ray crystal structure analysis method has an extremely high resolution of several tens of meters, the preparation of a crystallized sample is indispensable, so that a sample that is difficult to crystallize cannot be analyzed. Further, in the analysis by NMR, although it is not necessary to crystallize the sample, it is difficult to analyze a sample having a relatively large size. In addition to these difficulties, the information obtained, whether by X-ray crystal structure analysis or NMR analysis, is only the average structure of a large number of particles present in the sample. It is impossible to analyze.

走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、先端が鋭敏なプローブを走査させることにより試料表面の形態や形状を高分解能で観察することが可能な手法であり、現在では、原子間力顕微鏡(AFM)や走査近接場光顕微鏡(SNOM)などの様々な方法として開発されてきており(非特許文献1)、その分解能は10Å以下と極めて高く、金属や有機材料あるいは生物といった多様な試料の表面計測に利用されてきている。しかし、AFMやSPM等のプローブ顕微鏡は、試料表面の形状についての情報しか得ることができず、内部構造に関する情報を得ることができない。
特開平11−160333号公報 特開2005−172571号公報 日本表面科学会編「表面分析技術選書 ナノテクノロジーのための走査プローブ顕微鏡」丸善株式会社出版(2002年) H. Takahashi et al.,"Self-sensing piezoresistive cantilever and its magnetic force microscopy applications" Ultramicroscopy 91 (2002) 63-72.
The scanning probe microscope (SPM) is a technique capable of observing the shape and shape of a sample surface with a high resolution by scanning a probe with a sharp tip. At present, an atomic force microscope (AFM) It has been developed as various methods such as a scanning near-field optical microscope (SNOM) (Non-Patent Document 1), and its resolution is extremely high at 10 mm or less, and it can be used for surface measurement of various samples such as metals, organic materials, and organisms. Has been. However, probe microscopes such as AFM and SPM can only obtain information on the shape of the sample surface, and cannot obtain information on the internal structure.
JP 11-160333 A JP 2005-172571 A “Surface analysis technology selection, scanning probe microscope for nanotechnology” published by Maruzen Co., Ltd. (2002) H. Takahashi et al., "Self-sensing piezoresistive cantilever and its magnetic force microscopy applications" Ultramicroscopy 91 (2002) 63-72.

本発明は、上述したような従来の計測技術が抱える難点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生体物質や有機物質など極めて脆弱な試料の内部構造を、ダメージなく、高分解能で、しかも極めて迅速に計測し、さらに、個々タンパク質を明確に解析できるレベルのコントラストとSN比が得られる非接触型走査プローブ顕微鏡を提供することにある。   The present invention has been made in view of the disadvantages of the conventional measurement techniques as described above, and its object is to increase the internal structure of extremely fragile samples such as biological materials and organic materials without damage. It is an object of the present invention to provide a non-contact scanning probe microscope capable of measuring at a resolution and extremely rapidly and obtaining a contrast and an S / N ratio that can clearly analyze individual proteins.

かかる課題を解決するために、本発明に係る非接触型走査プローブ顕微鏡は、試料の表裏の一方に対向して非接触で配置された第1のプローブと、前記試料の表裏の他方に対向して非接触で配置された第2のプローブであって、該プローブの先端部が前記第1のプローブの先端部の近傍に配置された第2のプローブと、前記第1のプローブの先端部から入力され前記試料により変調された後に前記第2のプローブの先端部により検出された信号の振幅変化情報または周波数変化情報の少なくとも一方の情報に基いてマッピング像を形成する信号処理部と、を備えていることを特徴とする。   In order to solve such a problem, a non-contact scanning probe microscope according to the present invention has a first probe arranged in a non-contact manner so as to face one of the front and back sides of the sample and the other of the front and back sides of the sample. A second probe arranged in a non-contact manner, wherein the tip of the probe is arranged in the vicinity of the tip of the first probe, and the tip of the first probe A signal processing unit that forms a mapping image based on at least one of amplitude change information and frequency change information of a signal detected by the tip of the second probe after being input and modulated by the sample. It is characterized by.

例えば、前記第2のプローブはカンチレバーであり、前記第2のプローブの先端部により検出される信号は該カンチレバーの振幅変化または共振周波数の変化である。   For example, the second probe is a cantilever, and the signal detected by the tip of the second probe is a change in amplitude or resonance frequency of the cantilever.

好ましくは、前記第1のプローブの先端部から前記カンチレバーの機械的共振周波数と同じ周波数の交流信号が入力される。   Preferably, an AC signal having the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever is input from the tip of the first probe.

前記第2のプローブの先端部により検出される信号は、例えば、下式により与えられるクーロン力である。なお、Q1は第1のプローブの先端部の電荷、Q2は第2のプローブの先端部の電荷、dは第1および第2のプローブ先端間の距離、ε(x,y)は試料の測定位置(x、y)における比誘電率、ε0は測定環境の誘電率である。 The signal detected by the tip of the second probe is, for example, a Coulomb force given by the following equation. Q 1 is the charge at the tip of the first probe, Q 2 is the charge at the tip of the second probe, d is the distance between the tips of the first and second probes, and ε (x, y) is the sample The relative dielectric constant at the measurement position (x, y), ε 0 is the dielectric constant of the measurement environment.

例えば、前記第1のプローブはタングステンプローブであり、前記第2のプローブは自己検知型のカンチレバーであって、該第1および第2のプローブの先端部は何れも10nm以下の曲率半径となるように先鋭化されている。   For example, the first probe is a tungsten probe, the second probe is a self-sensing cantilever, and the tips of the first and second probes both have a radius of curvature of 10 nm or less. Has been sharpened.

好ましくは、前記信号処理部は、前記第1のプローブの先端部のXY平面内での位置(x1,y1)と前記第2のプローブの先端部のXY平面内での位置(x2,y2)を独立に制御可能なプローブ位置制御手段と、前記第1及び第2のプローブの先端部間の複数の相対位置関係の下で得られた複数のマッピング像に基づいて前記試料の三次元構造を画像化するための画像処理手段を備えている。 Preferably, the signal processing unit, the position within the XY plane of the front end portion of the said first position in the XY plane of the tip of the probe and (x 1, y 1) second probe (x 2 , Y 2 ) based on a plurality of mapping images obtained under a plurality of relative positional relationships between the probe position control means capable of independently controlling the tip portions of the first and second probes. Image processing means for imaging the three-dimensional structure is provided.

また、好ましくは、前記信号処理部は、前記第1及び第2のプローブの先端部間の複数の相対位置関係を、予め指定された範囲内で自動的に変化させる手段を備えている。   Preferably, the signal processing unit includes means for automatically changing a plurality of relative positional relationships between the distal end portions of the first and second probes within a predetermined range.

更に好ましくは、前記画像処理手段は、前記複数のマッピング像内に基準点を定め、該基準点からマッピング像相互間の位置ずれを補正して三次元構造を画像化する。   More preferably, the image processing means defines a reference point in the plurality of mapping images, corrects a positional shift between the mapping images from the reference point, and images a three-dimensional structure.

また、前記第1および第2のプローブは、該プローブの先端部と試料との位置関係を視認可能な装置内に設けられていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the first and second probes are provided in an apparatus in which the positional relationship between the tip of the probe and the sample can be visually confirmed.

前記装置は、例えば、走査型電子顕微鏡である。   The apparatus is, for example, a scanning electron microscope.

従来の走査プローブ顕微鏡は何れも、試料の表面側にのみプローブを配置する構成のものであった(例えば、特開平11−160333号公報(特許文献1)や特開2005−172571号公報(特許文献2)など参照)のに対し、本発明では、試料の表裏の双方に2つのプローブの先端部を対向させて配置して試料により変調された信号に基いてマッピング像を形成することとしたので、試料内部の物理的な特性情報を得ることが可能となる。   All of the conventional scanning probe microscopes have a configuration in which the probe is arranged only on the surface side of the sample (for example, JP-A-11-160333 (Patent Document 1) and JP-A-2005-172571 (Patent Document). In the present invention, the mapping image is formed on the basis of the signal modulated by the sample by arranging the tip portions of the two probes to face both sides of the sample. Therefore, it is possible to obtain physical characteristic information inside the sample.

また、本発明の顕微鏡では、プローブ間の微弱な物理量を計測するために印加する信号も数V程度と弱く、かつ、非接触であるために、試料に対するダメージもない。このため、ウィルスやタンパク質等の生物サンプルをダメージ無しに高分解能で計測することが可能となる。   In the microscope of the present invention, the signal applied to measure the weak physical quantity between the probes is as weak as about several volts and is non-contact, so there is no damage to the sample. For this reason, biological samples such as viruses and proteins can be measured with high resolution without damage.

さらに、本発明の顕微鏡では、第1及び第2のプローブの先端部のXY平面内での位置((x1,y1)及び(x2,y2))を独立に制御可能な構成としたので、試料を斜め方向から観察した場合のものに相当する画像情報(マッピング像)を得ることが可能となり、試料の三次元構造を画像化することができる。 Furthermore, in the microscope of the present invention, the positions ((x 1 , y 1 ) and (x 2 , y 2 )) of the tip portions of the first and second probes in the XY plane can be controlled independently. Therefore, it is possible to obtain image information (mapping image) corresponding to that observed when the sample is observed from an oblique direction, and the three-dimensional structure of the sample can be imaged.

このように、本発明によれば、生体物質や有機物質など極めて脆弱な試料の内部構造を、ダメージなく、高分解能で、しかも極めて迅速に計測し、さらに、個々タンパク質を明確に解析できるレベルのコントラストとSN比が得られる非接触型走査プローブ顕微鏡を提供することが可能となる。   Thus, according to the present invention, the internal structure of a very fragile sample such as a biological material or an organic material can be measured at a high resolution without damage and at a very high speed, and further, the individual protein can be clearly analyzed. It is possible to provide a non-contact scanning probe microscope that can obtain contrast and SN ratio.

以下に、図面を参照して、本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡について説明する。   The non-contact scanning probe microscope of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る非接触型走査プローブ顕微鏡の構成例を説明するためのブロック図で、この図では、当該非接触型走査プローブ顕微鏡のプローブが、該プローブの先端部と試料との位置関係を視認可能な装置である走査型電子顕微鏡(SEM)内に設けられ、試料をSEM観察しながら測定することが可能な態様とした例が図示されている。   FIG. 1 is a block diagram for explaining a configuration example of a non-contact scanning probe microscope according to the present invention. In this figure, the probe of the non-contact scanning probe microscope is connected to the tip of the probe and a sample. An example is shown that is provided in a scanning electron microscope (SEM), which is a device that can visually recognize the positional relationship, and is capable of measuring a sample while observing the SEM.

なお、以降の説明では、便宜上、第1のプローブ14及び第2のプローブ15の先端部間の相互作用の程度をカンチレバーの共振周波数の変化から求めるいわゆる「FM検出法」による信号検出手法に基づく顕微鏡として本発明を説明するが、FM検出法の採用そのものは、本発明にとって必須条件ではない。   In the following description, for the sake of convenience, a signal detection method based on a so-called “FM detection method” in which the degree of interaction between the distal ends of the first probe 14 and the second probe 15 is obtained from a change in the resonance frequency of the cantilever. Although the present invention will be described as a microscope, the adoption of the FM detection method itself is not an essential condition for the present invention.

XY平面内での試料移動を可能とする試料ステージ(XYステージ)11の上に、支持膜12で支持された試料13が載置されている。この試料の表面と裏面の一方の面(ここでは表面)に対向させて非接触で第1のプローブ14(ここではタングステンプローブ)が配置され、試料の裏面に対向させて非接触で第2のプローブ15(ここでは自己検知型カンチレバー)が配置されている。これらのプローブは何れも、その先端部の位置移動がXY平面内はもとよりZ方向(垂直方向)への移動も可能であり、マニピレータ16、17によりそれらの先端部の精密な位置決めが可能とされ、両プローブの先端部が試料12を介して、サブミクロンオーダの隙間をもって直近対向している。   A sample 13 supported by a support film 12 is placed on a sample stage (XY stage) 11 that enables sample movement in the XY plane. A first probe 14 (here, a tungsten probe) is disposed in a non-contact manner so as to face one of the front and back surfaces of the sample (here, the front surface). A probe 15 (here, a self-detecting cantilever) is arranged. In any of these probes, the position of the tip can be moved in the Z direction (vertical direction) as well as in the XY plane. The manipulators 16 and 17 can precisely position the tip. The tip portions of both probes are directly opposed with a gap of submicron order through the sample 12.

なお、これらのプローブ先端部は、第1のプローブの先端部から入力され試料により変調された信号が第2のプローブの先端部により十分な感度で検出される限度で近傍配置されていればよく、両先端部がXY平面内で同じ位置(x,y)に配置されることは、必ずしも必要ではない。   It should be noted that these probe tips may be arranged in the vicinity as long as the signal input from the tip of the first probe and modulated by the sample is detected with sufficient sensitivity by the tip of the second probe. It is not always necessary that both tip portions are arranged at the same position (x, y) in the XY plane.

これらのプローブの先端部は何れも先鋭化(例えば、先端の曲率半径が10nm以下)されており、第1のプローブ14であるタングステンプローブには、FM検出モジュール18から、第2のプローブ15であるカンチレバーの機械的な共振周波数と同じ周波数の交流信号が数Vの振幅で印加されている。一方、第2のプローブ15であるカンチレバーには、DC電圧源19により6Vの電圧が印加され、リファレンス側は例えばグランドに接続されている。   The tips of these probes are all sharpened (for example, the radius of curvature of the tip is 10 nm or less). The tungsten probe, which is the first probe 14, is supplied from the FM detection module 18 to the second probe 15. An AC signal having the same frequency as the mechanical resonance frequency of a cantilever is applied with an amplitude of several volts. On the other hand, a voltage of 6 V is applied to the cantilever which is the second probe 15 by the DC voltage source 19, and the reference side is connected to, for example, the ground.

このような条件下では、第2のプローブの先端部では、第1のプローブ14の先端部から入力され試料13により変調された後の信号が感知(検出)され、第2のプローブ15であるカンチレバーは当該信号により共振することとなる。なお、プローブの先端部は、先鋭度が高いほど、また、アスペクト比(プローブ先端の長さと径の比)が高いほど、高感度の顕微鏡が得られる。   Under such conditions, at the tip of the second probe, the signal input from the tip of the first probe 14 and modulated by the sample 13 is sensed (detected) to be the second probe 15. The cantilever resonates with the signal. Note that the higher the sharpness of the tip of the probe and the higher the aspect ratio (ratio of the length and diameter of the probe tip), the higher the sensitivity of the microscope.

ここで、上記第2のプローブ15の先端部により感知(検出)される信号は、例えば、試料13を介してプローブ先端部間に作用する微小なクーロン力(下式)である。ここで、Q1は第1のプローブ14の先端部の電荷、Q2は第2のプローブ15の先端部の電荷、dは第1および第2のプローブ先端間の距離、ε(x,y)は試料13の測定位置(x、y)における比誘電率、そして、ε0は測定環境(ここでは真空)の誘電率である。 Here, the signal sensed (detected) by the tip portion of the second probe 15 is, for example, a minute Coulomb force (the following formula) acting between the probe tip portions via the sample 13. Where Q 1 is the charge at the tip of the first probe 14, Q 2 is the charge at the tip of the second probe 15, d is the distance between the first and second probe tips, and ε (x, y ) Is the relative dielectric constant at the measurement position (x, y) of the sample 13, and ε 0 is the dielectric constant of the measurement environment (here, vacuum).

このような相互作用に基づく共振振動は、カンチレバー15により電気信号として検出され、第1のプローブ14からの入力信号と第2のプローブからの検出信号は、何れもFM検出モジュール18により制御される。そして、検出信号の振幅変化と周波数変化は、FM検出モジュール18からコントロールPC20へと送られる。   The resonance vibration based on such interaction is detected as an electric signal by the cantilever 15, and both the input signal from the first probe 14 and the detection signal from the second probe are controlled by the FM detection module 18. . Then, the amplitude change and frequency change of the detection signal are sent from the FM detection module 18 to the control PC 20.

試料の測定位置制御(試料ステージ11の移動)もコントロールPC20により行なわれ、当該コントロールPC20からの制御信号を高電圧アンプモジュール21が増幅して試料ステージ11へと送られる。   Control of the measurement position of the sample (movement of the sample stage 11) is also performed by the control PC 20, and the control signal from the control PC 20 is amplified by the high voltage amplifier module 21 and sent to the sample stage 11.

このようにして収集された測定位置(x、y)に対応付けられた検出信号はコントロールPC20により処理されて、振幅変化情報および周波数変化情報に基いて画像情報(マッピング像)が形成される。   The detection signal associated with the measurement position (x, y) collected in this way is processed by the control PC 20, and image information (mapping image) is formed based on the amplitude change information and the frequency change information.

なお、ここでは、非接触型走査プローブ顕微鏡のプローブ(およびマニピュレータと試料ステージ)がSEM内に設けられ、試料をSEM観察しながらマニピュレータを操作して、プローブとカンチレバーを試料内の目的の位置へと移動可能な態様を説明したが、SEMの代わりに光学顕微鏡を用いることも可能である。また、プローブ間の距離や試料とプローブ間の距離をセンサにより計測するようにして、自動的に位置決定するような態様とすることもできる。   Here, a probe (and a manipulator and a sample stage) of a non-contact scanning probe microscope is provided in the SEM, and the probe and the cantilever are moved to a target position in the sample by operating the manipulator while observing the sample with the SEM. However, it is also possible to use an optical microscope instead of the SEM. Further, it is possible to adopt a mode in which the position is automatically determined by measuring the distance between the probes and the distance between the sample and the probe with a sensor.

図2は、プローブと試料の近傍領域を拡大して示した図である。試料ステージ(不図示)上の試料13は支持膜12の上に支持され、試料ステージの移動に伴って、試料表面に非接触で配置された第1のプローブ14と試料裏面に非接触で配置された第2のプローブ15の試料上でのプローブ先端位置(x,y)が変わる。   FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the probe and the sample. A sample 13 on a sample stage (not shown) is supported on a support film 12, and is arranged in a non-contact manner on the back surface of the sample and the first probe 14 arranged in a non-contact manner on the sample surface as the sample stage moves. The probe tip position (x, y) on the sample of the second probe 15 thus changed is changed.

そして、第1のプローブ14の先端部から入力された信号(カンチレバーの機械的共振周波数と同じ周波数の交流信号)は試料13により変調された後に第2のプローブ15の先端部によりクーロン力として検出されてカンチレバーの共振周波数変化として検出信号が生成される。そして、このような検出信号の振幅変化情報および周波数変化情報に基いて抽出された情報が、測定位置(X,Y)に対応付けされてマッピングされることとなる。   A signal (an AC signal having the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever) input from the distal end portion of the first probe 14 is detected as a Coulomb force by the distal end portion of the second probe 15 after being modulated by the sample 13. Thus, a detection signal is generated as a change in the resonant frequency of the cantilever. Information extracted based on such amplitude change information and frequency change information of the detection signal is mapped in association with the measurement position (X, Y).

なお、試料13は支持膜12の上に支持されているから、第2のプローブ15により検出される信号は、試料13のみならず支持膜12の存在の影響をも受けている。この支持膜12の影響を除去するためには、試料13の存在しない領域を測定して得られた信号をブランクとして取り扱えばよい。   Since the sample 13 is supported on the support film 12, the signal detected by the second probe 15 is affected not only by the sample 13 but also by the presence of the support film 12. In order to remove the influence of the support film 12, a signal obtained by measuring a region where the sample 13 does not exist may be handled as a blank.

図3は、後述する実施例で用いたFM検出モジュールからプローブまでの詳細な回路構成を説明するためのブロック図である。FM検出モジュール18からの信号は、OPアンプ22により約50倍に増幅された後にタングステンプローブ14へと入力される。この入力信号は、自己検知型カンチレバー15の機械的な共振周波数と同じに設定する。   FIG. 3 is a block diagram for explaining a detailed circuit configuration from the FM detection module to the probe used in an embodiment described later. A signal from the FM detection module 18 is amplified about 50 times by the OP amplifier 22 and then input to the tungsten probe 14. This input signal is set to be the same as the mechanical resonance frequency of the self-detecting cantilever 15.

一方、この入力信号を受ける自己検知型カンチレバー15は、そのレバー先端側に直流6Vが印加され、リファレンス側がグランドに接続されている。なお、自己検知型カンチレバーに関する技術文献としてはH. Takahashi et al., "Self-sensing piezoresistive cantilever and its magnetic force microscopy applications" Ultramicroscopy 91 (2002) 63-72(非特許文献2)などがある。   On the other hand, the self-detecting cantilever 15 that receives this input signal has a DC voltage of 6 V applied to the lever tip side and the reference side connected to the ground. In addition, H. Takahashi et al., “Self-sensing piezoresistive cantilever and its magnetic force microscopy applications” Ultramicroscopy 91 (2002) 63-72 (Non-Patent Document 2) and the like are available as technical documents relating to self-detecting cantilevers.

カンチレバー15は、タングステンプローブ14からのクーロン力のみを受けて振動することとなり、この振動により、カンチレバー接続部の抵抗が変化して電位変化が生じる。このようにして生成する検出信号は、ハイパスフィルターを通した後にOPアンプ23で6倍に増幅され、FM検出モジュール18へと入力される。FM検出モジュール18では、入力信号と検出信号とを比較し、周波数の変化や振幅の変化が計測される。   The cantilever 15 vibrates by receiving only the Coulomb force from the tungsten probe 14, and this vibration changes the resistance of the cantilever connecting portion to cause a potential change. The detection signal generated in this way passes through the high-pass filter, is amplified by 6 times by the OP amplifier 23, and is input to the FM detection module 18. The FM detection module 18 compares the input signal and the detection signal, and measures changes in frequency and amplitude.

なお、試料13を載置する試料ステージ11は、10MΩの抵抗を介してグランドへと接続されている。これにより、帯電やプローブからの放電を防ぐことができる。   Note that the sample stage 11 on which the sample 13 is placed is connected to the ground via a 10 MΩ resistor. Thereby, charging and discharging from the probe can be prevented.

本実施例の測定試料は、カーボン薄膜のメッシュである。カーボン薄膜には数マイクロ程の穴が点在しており、このようなカーボン薄膜が銅製のフレームに固定されているものを用いた。   The measurement sample of this example is a carbon thin film mesh. The carbon thin film was dotted with holes of several micrometers, and such a carbon thin film was fixed to a copper frame.

図4(A)〜(D)はその観察結果を説明するための図で、図4(A)は、カーボンメッシュの上方にタングステンプローブの先端が対向し、下方に自己検知型カンチレバーの先端が対抗している様子を示すSEM写真である。本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡によるカーボンメッシュの測定領域は、図4(B)のSEM写真中に四角で示した領域である。   FIGS. 4A to 4D are diagrams for explaining the observation results. FIG. 4A is a diagram in which the tip of the tungsten probe is opposed to the upper side of the carbon mesh and the tip of the self-sensing cantilever is located below. It is a SEM photograph which shows a mode that it is opposing. The measurement region of the carbon mesh by the non-contact scanning probe microscope of the present invention is a region indicated by a square in the SEM photograph of FIG.

当該領域を、上述した構成の非接触型走査プローブ顕微鏡で測定した際の検出信号に含まれる周波数変化情報(周波数信号)を抽出してマッピング像(周波数画像)としたものが図4(C)であり、カーボンメッシュの輪郭が極めて明瞭に観察されている。これに対して、同一領域のSEM像では、カーボンメッシュの輪郭はぼやけており、本発明の顕微鏡により得られる像の優位性が確認できる。   FIG. 4C shows a mapping image (frequency image) obtained by extracting frequency change information (frequency signal) included in the detection signal when the region is measured by the non-contact scanning probe microscope having the above-described configuration. The outline of the carbon mesh is observed very clearly. On the other hand, in the SEM image of the same region, the outline of the carbon mesh is blurred, and the superiority of the image obtained by the microscope of the present invention can be confirmed.

本実施例の測定試料は、概ね30nm径の金のコロイド溶液をカーボン薄膜に付着させたものである。   The measurement sample of this example is obtained by attaching a gold colloid solution having a diameter of approximately 30 nm to a carbon thin film.

図5(A)〜(C)はその観察結果を説明するための図で、図5(A)はカーボン膜上の金コロイド付着部位をSEMで観察した像であり、白い四角内の雲状のものが金コロイド付着部位である。   FIGS. 5A to 5C are diagrams for explaining the observation results, and FIG. 5A is an image obtained by observing the gold colloid adhesion site on the carbon film with an SEM, and is a cloud shape in a white square. Is the gold colloid deposition site.

この金コロイド付着部位を、上述した構成の非接触型走査プローブ顕微鏡で測定した際の検出信号に含まれる振幅変化情報を抽出(振幅信号)してマッピング像(振幅画像)としたものが図5(B)であり、同一領域をSEM観察したものが図5(C)である。両画像から認識できる金粒子の形状は類似しているが、コントラストや分解能の点では、図5(B)の振幅画像が優れている。   FIG. 5 shows a mapping image (amplitude image) obtained by extracting (amplitude signal) amplitude change information contained in the detection signal when the gold colloid adhesion site is measured by the non-contact scanning probe microscope having the above-described configuration. FIG. 5B shows the same region observed by SEM. Although the shapes of the gold particles that can be recognized from both images are similar, the amplitude image of FIG. 5B is excellent in terms of contrast and resolution.

本実施例の測定試料は生物サンプルの一例であり、ウィルスの一種であるT4ファージをカーボン薄膜上に付着させたものである。なお、通常のSEM観察時に行なうオスミウム染色等の処理は一切施していない。   The measurement sample of this example is an example of a biological sample, in which T4 phage which is a kind of virus is attached on a carbon thin film. Note that no treatment such as osmium staining performed during normal SEM observation is performed.

図6(A)及び(B)は、上述した構成の非接触型走査プローブ顕微鏡による測定結果を説明するための図で、図6(A)は、カーボン薄膜上のT4ファージを振幅変化情報を基に画像化した結果であり、マッチ棒状のT4ファージが点在しているのが確認できる。   FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the measurement results by the non-contact scanning probe microscope having the above-described configuration, and FIG. 6A shows the amplitude change information of the T4 phage on the carbon thin film. This is a result of imaging based on the image, and it can be confirmed that match-stick-shaped T4 phages are scattered.

図6(A)中に示した黒い四角の中にT4ファージが存在しており、これらを拡大したものが図6(B)である。なお、図6(B)の右側には、各画像から確認できるT4ファージを模式的に示したもので、染色等の処理を何ら施さなくとも、ウィルス観察が可能であることが確認できる。   T4 phage is present in the black square shown in FIG. 6 (A), and an enlarged view of this is FIG. 6 (B). The right side of FIG. 6B schematically shows T4 phage that can be confirmed from each image, and it can be confirmed that virus observation is possible without any treatment such as staining.

本実施例の非接触型走査プローブ顕微鏡は、生物等の観察試料内部の3次元構造を観察可能な構成としたものである。   The non-contact scanning probe microscope according to the present embodiment has a configuration capable of observing a three-dimensional structure inside an observation sample such as a living organism.

図7は、本実施例の非接触型走査プローブ顕微鏡の構成例を説明するためのブロック図で、この図に示した例においても、当該非接触型走査プローブ顕微鏡のプローブ(先端を鋭敏に研磨したタングステンプローブ)が、該プローブの先端部と試料との位置関係を視認可能な装置である走査型電子顕微鏡(SEM)内に設けられ、試料をSEM観察しながら測定することが可能な態様とされている。   FIG. 7 is a block diagram for explaining a configuration example of the non-contact scanning probe microscope of the present embodiment. Also in the example shown in this figure, the probe (tip is sharply polished) of the non-contact scanning probe microscope. A tungsten probe) is provided in a scanning electron microscope (SEM), which is a device that can visually recognize the positional relationship between the tip of the probe and the sample, and the sample can be measured while observing the SEM. Has been.

なお、便宜上、両プローブ(第1のプローブ14と第2のプローブ15)の先端部間の相互作用の程度をカンチレバーの共振周波数の変化から求めるいわゆる「FM検出法」による信号検出手法に基づく顕微鏡として本実施例を説明するが、FM検出法の採用そのものは、本発明にとって必須条件ではないことは上述したとおりである。   For convenience, a microscope based on a signal detection technique based on a so-called “FM detection method” in which the degree of interaction between the tips of both probes (the first probe 14 and the second probe 15) is obtained from a change in the resonance frequency of the cantilever. This embodiment will be described as follows, but the adoption of the FM detection method itself is not an essential condition for the present invention, as described above.

本実施例の非接触型走査プローブ顕微鏡の構成と図1に示した構成との相違は、第1のプローブ14の先端部のXY平面内での位置(x1,y1)と第2のプローブ15の先端部のXY平面内での位置(x2,y2)を独立に制御可能とするためのマニピュレータ制御装置24と、観察試料の三次元構造を画像化するための三次元解析用PC25を設けている点にある。 The difference between the configuration of the non-contact scanning probe microscope of the present embodiment and the configuration shown in FIG. 1 is that the position (x 1 , y 1 ) of the distal end portion of the first probe 14 in the XY plane is different from the second configuration. A manipulator control device 24 for enabling the position (x 2 , y 2 ) in the XY plane of the tip of the probe 15 to be independently controlled, and for three-dimensional analysis for imaging the three-dimensional structure of the observation sample The PC 25 is provided.

図7に示した構成では、第1及び第2のプローブ(14,15)の先端部のXY平面内での位置((x1,y1)及び(x2,y2))は独立に制御可能となるため、両プローブの先端部のXY平面内での位置が異なる場合には、これらの先端部間の位置関係に、Z軸に対して傾き(角度θ≠0)をもたせ得る。 In the configuration shown in FIG. 7, the positions ((x 1 , y 1 ) and (x 2 , y 2 )) in the XY plane of the tip portions of the first and second probes (14, 15) are independent. Since control is possible, when the positions of the tips of the two probes in the XY plane are different, the positional relationship between these tips can be inclined (angle θ ≠ 0) with respect to the Z axis.

図1に示した態様では、両プローブの先端部間を結ぶ直線はZ軸方向(θ=0)となり、コントロールPC20により処理される検出信号は測定位置(x、y)に対応付けられるものであった。これに対し、図7に示した構成では、両プローブの先端部間を結ぶ直線がZ軸と成す角度をθ≠0とした状態での測定が可能となるため、計測角度θを情報として含む測定位置(x、y、θ)に対応付けられた検出信号がコントロールPC20により処理されることとなる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the straight line connecting the tips of both probes is the Z-axis direction (θ = 0), and the detection signal processed by the control PC 20 is associated with the measurement position (x, y). there were. On the other hand, in the configuration shown in FIG. 7, measurement can be performed in a state where θ ≠ 0 is an angle formed by the straight line connecting the tip portions of both probes with the Z axis, and therefore the measurement angle θ is included as information. The detection signal associated with the measurement position (x, y, θ) is processed by the control PC 20.

そして、θ≠0の条件下でマッピング測定を実行すると、試料13を斜め方向から観察した場合のものに相当する画像情報(マッピング像)が得られることとなり、複数のθ値(計測角度)についてマッピング像を収集することとすれば、三次元解析用PC25により、試料13の三次元構造を画像化することができる。なお、このような3次元構造を示す画像を得るための信号処理方法としては、CT等によく用いられているバックプロジェクション法等を利用することが可能である。   When mapping measurement is executed under the condition of θ ≠ 0, image information (mapping image) corresponding to the sample 13 observed from an oblique direction is obtained, and a plurality of θ values (measurement angles) are obtained. If the mapping images are collected, the three-dimensional structure of the sample 13 can be imaged by the PC 25 for three-dimensional analysis. As a signal processing method for obtaining an image showing such a three-dimensional structure, a back projection method or the like often used for CT or the like can be used.

図8は、試料13の三次元構造を画像化する手順を概念的に説明するための図で、タングステンプローブ14の先端部のXY平面内での位置(x1,y1)を固定し、カンチレバー15の先端部のxy平面内での位置(x2,y2)を変化させている。 FIG. 8 is a diagram for conceptually explaining a procedure for imaging the three-dimensional structure of the sample 13. The position (x 1 , y 1 ) of the tip of the tungsten probe 14 in the XY plane is fixed, The position (x 2 , y 2 ) in the xy plane of the tip of the cantilever 15 is changed.

図8の左図はカンチレバー15の先端部位置をタングステンプローブ14の先端部位置に一致させた状態(測定位置(x、y、θ=±0))、図8の中央図はカンチレバー15の先端部位置をタングステンプローブ14の先端部位置に対して左側に位置させた状態(測定位置(x、y、θ=−30°))、そして、図8の右図はカンチレバー15の先端部位置をタングステンプローブ14の先端部位置に対して右側に位置させた状態(測定位置(x、y、θ=+30°))を示している。   The left figure of FIG. 8 is a state in which the position of the tip of the cantilever 15 is made coincident with the position of the tip of the tungsten probe 14 (measurement position (x, y, θ = ± 0)), and the center view of FIG. FIG. 8 shows the position of the tip of the cantilever 15 in a state where the position of the part is positioned on the left side of the tip of the tungsten probe 14 (measurement position (x, y, θ = −30 °)). The state (measurement position (x, y, θ = + 30 °)) positioned on the right side with respect to the position of the tip of the tungsten probe 14 is shown.

これらのプローブ間相対位置関係の下で測定を行い、当該測定を所定の観察領域内で実行(マッピング)すると、垂直画像、左傾斜画像、及び、右傾斜画像を得ることができる。そして、これらのマッピング像に基づいて、試料13の三次元構造が画像として再構成される。なお、三次元解析用PC25には、予め指定された範囲内で、第1及び第2のプローブの先端部間の複数の相対位置関係を自動的に変化させる機能をもたせることも可能である。   When measurement is performed under the relative positional relationship between these probes and the measurement is executed (mapped) in a predetermined observation region, a vertical image, a left tilt image, and a right tilt image can be obtained. Based on these mapping images, the three-dimensional structure of the sample 13 is reconstructed as an image. The PC 25 for three-dimensional analysis can also have a function of automatically changing a plurality of relative positional relationships between the tip portions of the first and second probes within a range designated in advance.

図9(A)〜(C)は、プローブ(14,15)と試料13の位置関係を横から示した図で、図9(A)はカンチレバー15の先端部位置をタングステンプローブ14の先端部位置に一致させた状態(θ=±0)、図9(B)はカンチレバー15の先端部位置をタングステンプローブ14の先端部位置に対して左側に位置させた状態(θ=−30°)、そして、図9(C)はカンチレバー15の先端部位置をタングステンプローブ14の先端部位置に対して右側に位置させた状態(θ=+30°)を示しており、それぞれ、図8の左図、中央図、及び、右図におけるプローブ配置に対応している。   9A to 9C are views showing the positional relationship between the probe 14 and 15 and the sample 13 from the side. FIG. 9A shows the position of the tip of the cantilever 15 and the tip of the tungsten probe 14. FIG. 9B shows a state where the tip of the cantilever 15 is positioned on the left side of the tip of the tungsten probe 14 (θ = −30 °). FIG. 9C shows a state where the tip position of the cantilever 15 is positioned on the right side with respect to the tip position of the tungsten probe 14 (θ = + 30 °). This corresponds to the probe arrangement in the central view and the right view.

なお、図8では、タングステンプローブ14の位置を固定し、カンチレバー15を、タングステンプローブ14に対して相対的に移動させた例を示したが、これとは逆に、カンチレバー15の位置を固定し、タングステンプローブ14を、カンチレバー15に対して相対的に移動させることとしてもよい。また、観察領域(測定範囲)及び取得すべき画像数を予め指定することとして、タングステンプローブ14やカンチレバー15の移動を自動的に決定することも可能である。   FIG. 8 shows an example in which the position of the tungsten probe 14 is fixed and the cantilever 15 is moved relative to the tungsten probe 14. On the contrary, the position of the cantilever 15 is fixed. The tungsten probe 14 may be moved relative to the cantilever 15. It is also possible to automatically determine the movement of the tungsten probe 14 and the cantilever 15 by specifying the observation region (measurement range) and the number of images to be acquired in advance.

図10(A)〜(F)は、観察試料であるバクテリアをカーボン薄膜上に付着させ、タングステンプローブの位置を変化させた場合の検出画像の変化を説明するための図である。   FIGS. 10A to 10F are diagrams for explaining changes in the detected image when bacteria as observation samples are attached to the carbon thin film and the position of the tungsten probe is changed.

図10(A)は、バクテリア試料観察時の走査電顕画像(SEM画像)で、このSEM画像中には、カーボン膜の上側に位置するタングステンプローブ(の先端部)が確認できる。なお、カンチレバーの先端部は、カーボン膜の下側において、タングステンプローブの先端部の直下(θ=±0°)に位置している。   FIG. 10A is a scanning electron microscope image (SEM image) at the time of observing a bacterial sample. In this SEM image, a tungsten probe (the front end portion) located above the carbon film can be confirmed. The tip of the cantilever is positioned directly below the tip of the tungsten probe (θ = ± 0 °) below the carbon film.

このプローブ位置関係で取得したマッピング像が図10(B)であり、図10(C)は図10(B)のマッピング像を模式的に示したものである。図10(C)から、2本の棒状のバクテリアがV字型に並んでいる様子が確認できる。   FIG. 10B shows a mapping image acquired with this probe position relationship, and FIG. 10C schematically shows the mapping image of FIG. 10B. From FIG. 10C, it can be seen that two rod-shaped bacteria are arranged in a V shape.

図10(D)は、カンチレバーの位置を固定したまま、タングステンプローブを、カンチレバーに対して相対的に移動(3μm)させたプローブ配置とした状態でのSEM画像である。なお、図10(D)中の白丸は、図10(A)のタングステンプローブ先端部の位置を示したものである。   FIG. 10D is an SEM image in a state where the tungsten probe is moved relative to the cantilever (3 μm) while the position of the cantilever is fixed. Note that the white circle in FIG. 10D indicates the position of the tip of the tungsten probe in FIG.

このプローブ位置関係で取得したマッピング像が図10(E)であり、図10(F)は図10(E)のマッピング像を模式的に示したものである。   FIG. 10E shows a mapping image acquired based on the probe positional relationship, and FIG. 10F schematically shows the mapping image of FIG. 10E.

図10(A)に示したプローブ位置関係で得られた画像に比較すると、下側のバクテリアの像は少し短くなっており、上側のバクテリアの太さが増している様子を読み取ることができる。   Compared to the image obtained with the probe positional relationship shown in FIG. 10A, the image of the lower bacteria is slightly shorter, and it can be read that the thickness of the upper bacteria is increased.

このような違いは、プローブの相対的位置関係の変化に対応している。つまり、プローブの相対的位置関係を変化させることで計測角度が変わり、得られる画像も変化する。このように、様々なプローブの相対的位置関係の下で画像を取得することで、3次元構造を再構成することが可能となる。   Such a difference corresponds to a change in the relative positional relationship of the probes. That is, by changing the relative positional relationship of the probes, the measurement angle changes and the obtained image also changes. As described above, it is possible to reconstruct the three-dimensional structure by acquiring images under the relative positional relationship of various probes.

なお、図7においても、非接触型走査プローブ顕微鏡のプローブ(およびマニピュレータと試料ステージ)がSEM内に設けられ、試料をSEM観察しながらマニピュレータを操作して、プローブとカンチレバーを試料内の目的の位置へと移動可能な態様を図示したが、SEMの代わりに光学顕微鏡を用いることも可能である。   In FIG. 7 as well, the probe (and manipulator and sample stage) of the non-contact scanning probe microscope is provided in the SEM, and the manipulator is operated while observing the sample with the SEM. Although the mode of movement to the position is illustrated, an optical microscope can be used instead of the SEM.

また、プローブ間の距離や試料とプローブ間の距離をセンサにより計測するようにして、自動的に位置決定するような態様とすることもできる。   Further, it is possible to adopt a mode in which the position is automatically determined by measuring the distance between the probes and the distance between the sample and the probe with a sensor.

以上、本発明の顕微鏡を具体的に説明したが、本発明は上述した態様の顕微鏡に限定されるものではない。例えば、三次元解析用PCには、得られる複数のマッピング像内に基準点を定め、該基準点からマッピング像相互間の位置ずれを補正して三次元構造を画像化する機能をもたせることもできる。また、プローブ間信号はクーロン力に起因するもの以外にも、磁気力に起因するものであってもよく、或は、プローブ間に流れるトンネル電流をプローブ間信号として利用することも可能である。さらに、プローブの先端にカーボンナノチューブ等を設けて電界放出電流をローブ間信号として利用する等の態様も在り得る。   Although the microscope of the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described microscope. For example, the PC for three-dimensional analysis may have a function of defining a reference point in a plurality of obtained mapping images and correcting a positional deviation between the mapping images from the reference point to image a three-dimensional structure. it can. Further, the interprobe signal may be due to a magnetic force in addition to the coulomb force, or a tunnel current flowing between the probes can be used as the interprobe signal. Furthermore, there may be a mode in which a carbon nanotube or the like is provided at the tip of the probe and the field emission current is used as an interlobe signal.

本発明は、生体物質や有機物質など極めて脆弱な試料の内部構造を、ダメージなく、高分解能で計測し、さらに、個々タンパク質を明確に解析できるレベルのコントラストとSN比が得られる非接触型走査プローブ顕微鏡を提供する。   The present invention measures the internal structure of extremely fragile samples such as biological materials and organic materials with high resolution without damage, and further provides non-contact scanning that provides a level of contrast and SN ratio that can clearly analyze individual proteins. A probe microscope is provided.

本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡の構成例を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the structural example of the non-contact-type scanning probe microscope of this invention. プローブと試料の近傍領域を拡大して示した図である。It is the figure which expanded and showed the vicinity area | region of the probe and the sample. 実施例で用いたFM検出モジュールからプローブまでの詳細な回路構成を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the detailed circuit structure from the FM detection module used in the Example to a probe. 本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡により、カーボン膜メッシュを測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the carbon film mesh with the non-contact type scanning probe microscope of this invention. 本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡により、金コロイドの付着部位を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the adhesion site | part of the gold colloid by the non-contact type scanning probe microscope of this invention. 本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡により、T4ファージをカーボン薄膜に付着させた試料を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the sample which adhered T4 phage to the carbon thin film with the non-contact-type scanning probe microscope of this invention. 本発明の非接触型走査プローブ顕微鏡の他の構成例を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the other structural example of the non-contact-type scanning probe microscope of this invention. 試料の三次元構造を画像化する手順を概念的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating notionally the procedure which images the three-dimensional structure of a sample. プローブと試料の位置関係を横から示した図である。It is the figure which showed the positional relationship of a probe and a sample from the side. 観察試料であるバクテリアをカーボン薄膜上に付着させ、タングステンプローブの位置を変化させた場合の検出画像の変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of a detection image when the bacteria which are observation samples are made to adhere on a carbon thin film, and the position of a tungsten probe is changed.

符号の説明Explanation of symbols

11 試料ステージ(XYステージ)
12 支持膜
13 試料
14 第1のプローブ
15 第2のプローブ
16、17 マニピュレータ
18 FM検出モジュール
19 DC電圧源
20 コントロールPC
21 高電圧アンプモジュール
22、23 OPアンプ
24 マニピュレータ制御装置
25 三次元解析用PC
11 Sample stage (XY stage)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Support film 13 Sample 14 1st probe 15 2nd probe 16, 17 Manipulator 18 FM detection module 19 DC voltage source 20 Control PC
21 High voltage amplifier module 22, 23 OP amplifier 24 Manipulator control device 25 PC for 3D analysis

Claims (10)

試料の表裏の一方に対向して非接触で配置された第1のプローブと、
前記試料の表裏の他方に対向して非接触で配置された第2のプローブであって、該プローブの先端部が前記第1のプローブの先端部の近傍に配置された第2のプローブと、
前記第1のプローブの先端部から入力され前記試料により変調された後に前記第2のプローブの先端部により検出された信号の振幅変化情報または周波数変化情報の少なくとも一方の情報に基づいてマッピング像を形成する信号処理部と、を備えていることを特徴とする非接触型走査プローブ顕微鏡。
A first probe disposed in a non-contact manner opposite one of the front and back of the sample;
A second probe disposed in a non-contact manner opposite to the other of the front and back of the sample, wherein the tip of the probe is disposed in the vicinity of the tip of the first probe;
A mapping image is input based on at least one of amplitude change information and frequency change information of a signal input from the tip of the first probe and modulated by the sample and detected by the tip of the second probe. A non-contact type scanning probe microscope, comprising: a signal processing unit to be formed.
前記第2のプローブはカンチレバーであり、前記第2のプローブの先端部により検出される信号が該カンチレバーの振幅変化または共振周波数の変化であることを特徴とする請求項1に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   2. The non-contact type according to claim 1, wherein the second probe is a cantilever, and a signal detected by a tip portion of the second probe is a change in amplitude or resonance frequency of the cantilever. Scanning probe microscope. 前記第1のプローブの先端部から前記カンチレバーの機械的共振周波数と同じ周波数の交流信号が入力されることを特徴とする請求項2に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   3. The non-contact scanning probe microscope according to claim 2, wherein an AC signal having the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever is input from the tip of the first probe. 前記第2のプローブの先端部により検出される信号は下式により与えられるクーロン力であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。
ここで、Q1:第1のプローブの先端部の電荷、Q2:第2のプローブの先端部の電荷、d:第1および第2のプローブ先端間の距離、ε(x,y):試料の測定位置(x、y)における比誘電率、ε0:測定環境の誘電率である。
4. The non-contact scanning probe microscope according to claim 1, wherein the signal detected by the tip of the second probe is a Coulomb force given by the following equation.
Here, Q 1 : charge at the tip of the first probe, Q 2 : charge at the tip of the second probe, d: distance between the first and second probe tips, ε (x, y): The relative dielectric constant at the measurement position (x, y) of the sample, ε 0 : the dielectric constant of the measurement environment.
前記第1のプローブはタングステンプローブであり、前記第2のプローブは自己検知型のカンチレバーであって、該第1および第2のプローブの先端部は何れも10nm以下の曲率半径となるように先鋭化されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   The first probe is a tungsten probe, the second probe is a self-sensing cantilever, and the tip of each of the first and second probes is sharp so that the radius of curvature is 10 nm or less. The non-contact scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein the non-contact scanning probe microscope is formed. 前記信号処理部は、
前記第1のプローブの先端部のXY平面内での位置(x1,y1)と前記第2のプローブの先端部のXY平面内での位置(x2,y2)を独立に制御可能なプローブ位置制御手段と、
前記第1及び第2のプローブの先端部間の複数の相対位置関係の下で得られた複数のマッピング像に基づいて前記試料の三次元構造を画像化するための画像処理手段を備えている、
請求項1乃至5の何れかに記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。
The signal processing unit
The position (x 1 , y 1 ) of the tip of the first probe in the XY plane and the position (x 2 , y 2 ) of the tip of the second probe in the XY plane can be controlled independently. Probe position control means,
Image processing means for imaging the three-dimensional structure of the sample based on a plurality of mapping images obtained under a plurality of relative positional relationships between the tip portions of the first and second probes. ,
The non-contact scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 5.
前記信号処理部は、前記第1及び第2のプローブの先端部間の複数の相対位置関係を、予め指定された範囲内で自動的に変化させる手段を備えている請求項6に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   7. The non-transitory device according to claim 6, wherein the signal processing unit includes means for automatically changing a plurality of relative positional relationships between the tip portions of the first and second probes within a predetermined range. Contact scanning probe microscope. 前記画像処理手段は、前記複数のマッピング像内に基準点を定め、該基準点からマッピング像相互間の位置ずれを補正して三次元構造を画像化する請求項6又は7に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   The non-contact according to claim 6 or 7, wherein the image processing means defines a reference point in the plurality of mapping images, and corrects a positional shift between the mapping images from the reference point to image a three-dimensional structure. Scanning probe microscope. 前記第1および第2のプローブは、該プローブの先端部と試料との位置関係を視認可能な装置内に設けられていることを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   The said 1st and 2nd probe is provided in the apparatus which can visually recognize the positional relationship of the front-end | tip part of this probe and a sample, The any one of Claim 1 thru | or 8 characterized by the above-mentioned. Non-contact scanning probe microscope. 前記装置は、走査型電子顕微鏡である請求項9に記載の非接触型走査プローブ顕微鏡。   The non-contact scanning probe microscope according to claim 9, wherein the device is a scanning electron microscope.
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