JP2022033486A - 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
SICMは、プローブとしてナノピペットの内部に電極を挿入し、電解質液で満たしたものを用い、試料を保持した電解質側に設けた電極との間に電圧を加えることで生じるイオン電流を測定することで、ナノピペットと試料との距離を制御し、その際の位置情報から表面情報を得ることができる。
これにより、細胞のように柔らかい生物試料であっても測定可能であり、ナノスケールで可視化できることから、ウイルス等の取り込み等も連続的に可視化できることが期待されている。
この場合に、従来のSICMでは、連続走査における時間分解能が不充分であることが技術的課題となっている。
同公報に開示する2つの圧電アクチュエータのうち1つは、プローブの先端部を試料の表面に対して反復サイクル(ホッピング動作)させるためのものであり、もう1つは上記のアクチュエータの応答の遅れによるプローブと試料の表面の衝突を回避するためのものと記載されている。
ホッピングモードにて試料表面を走査する場合に、プローブの先端部を試料表面に対して接近及び退避するホッピング動作がイメージングの高速化のボトルネックとなっている。
同公報に開示する退避するためのもう1つの圧電アクチュエータを用いると、アクチュエータの応答の遅れによるプローブと試料の表面の衝突を回避可能となったが、細胞の凹凸は約10μmほどあり、接近及び退避の反復サイクルを行うアクチュエータは、この細胞の凹凸にあわせて駆動範囲の長いものを使用しなければならず、応答速度と関連する共振周波数が低いため、走査計測の高速化を困難にする要因の1つになっていた。
引用文献1に記載されている反復サイクルのアクチュエータでは、凹凸が約10μmもある細胞等の表面をイメージングするには、上記に説明したように高速化が不十分であった。
そこで、本発明は、上記引用文献1に記載されている反復サイクルのアクチュエータを細胞等の試料表面の大きな凹凸形状に沿って全体をトレースするためのトレースアクチュエータと、試料表面に対して接近と退避を繰り返すためのホッピングモードアクチュエータに分けた。
これにより、ホッピングモードアクチュエータの駆動範囲が引用文献1より短くて済み、高速化を図ることが出来る。
従って、退避モードアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より小さく、前記トレースアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より大きいことが好ましい。
また、退避モードアクチュエータの応答性が前記ホッピングモードアクチュエータの応答性よりも速いことが好ましい。
プローブの先端部を試料の表面に近づけると、プローブの内部に設けた電極と、試料側の電極との間のイオン電流が変化する。
このイオン電流の変化に基づいて、試料表面の高さ情報や各種試料表面情報を取得することができる。
ホッピングモードの場合に、プローブの先端部を試料表面に近づけていくとイオン電流が減少し、所定の閾値まで減少するとプローブ先端部が試料表面から退避するようにホッピングする。
例えば、ホッピング時のプローブの先端部の移動範囲は、0.001~5μmレベルである。
この近接と退避の高速化を実現するには、高速で動くピエゾ素子等のアクチュエータを利用する必要があるが、細胞の凹凸が10μmほどであるため、細胞の全体像を捉えることが可能な比較的長いアクチュエータを使用するとなると、その分だけ時間分解能が低下する。
そこで本発明は、ホッピング動作を行うアクチュエータと、細胞表面をトレースするアクチュエータに関して、別々のものを用いた点に特徴がある。
これにより、ホッピング動作を高速に行うこと、凹凸のある細胞のイメージングを両立することが可能となる。
図1に示すように、除振台11の上面に水平方向のXY方向に移動制御可能なXYステージ22を設けてある。
本実施例では、このXYステージ22に試料を保持するための試料ステージ23が設けられ、図示を省略したが電極が取り付けられている。
X軸方向及びY軸方向は、ピエゾ素子にて制御されている。
Z軸方向は、除振台11から立設した支持部12を介して上下方向に移動制御可能なステッピングモータ13を有している。
本実施例では、プローブ24をZ軸方向に制御するためのアクチュエータと、イオン電流を計測するための小型の計測器20をステッピングモータ(顕微鏡本体)から取り外し可能な構造になっているが、アクチュエータ機構をステッピングモータに直接的に取り付けてもよい。
取付具15の下側にトレースアクチュエータ16,ホッピングモードアクチュエータ17及び退避モードアクチュエータ18をこの順に取り付けてあり、最下端の退避モードアクチュエータ18にはプローブ保持手段19を連結してある。
上記3つのアクチュエータは、それぞれピエゾ素子からなる。
プローブ保持手段には、固定ネジ19aを用いて脱着自在にプローブ24が取り付けられている。
プローブ24は、例えばガラスナノピットからなり、その内部に電極を挿入し、電解質で満たしてある。
本実施例では、プローブ24側の電極と試料側の電極との間に電圧を印加し、両電極間に流れるイオン電流の微小電流を計測するための計測器20を取付具15から垂下した計測器保持部21を介して、このアクチュエータと一体的に設けてある。
図2(b)には、試料1として細胞を模式的に示してある。
試料1の表面にプローブ24の先端部を近づける。
プローブ24の先端部が試料表面の近傍に位置すると、ホッピングモードアクチュエータ17が作動し、イオン電流値を計測しながら、さらに試料表面に向けて下降する。
イオン電流が減少し所定の閾値まで下がると、退避モードアクチュエータ18が作動し、プローブ24の先端部を速やかに僅かな距離だけ退避させた後に、ホッピングモードアクチュエータ17の作動により、図2(b)に矢印で示すようにホッピング2する。
このホッピング動作の間に、X軸方向又は/及びY軸方向に相対的に移動することで、細胞の表面形状がトレース3される。
図3には、矢印でプローブの動きを示す。
従来は、図3左側に示すようにX軸方向への移動時にステップ状に動かしていたため、所定の待ち時間を設けてホッピング動作する必要があったが、本発明では、この待ち時間を設けることなく連続的に等速で移動させながら計測を行うことが可能になった。
2 ホッピング
3 トレース
11 除振台
12 支持部
13 ステッピングモータ
14a 固定部
14b 固定部
15 取付具
16 トレースアクチュエータ
17 ホッピングモードアクチュエータ
18 退避モードアクチュエータ
19 プローブ保持手段
20 計測器
21 計測器保持部
22 XYステージ
23 試料ステージ
24 プローブ
Claims (3)
- 試料を保持する試料ステージと、
プローブを保持するプローブ保持手段とを備え、
前記試料の表面と前記プローブの先端部との相対的な水平方向の位置を制御するXY方向制御手段と、
前記試料の表面と前記プローブの先端部との垂直方向の距離を制御するZ方向制御手段とを有し、
前記Z方向制御手段はプローブの先端部を試料表面に対して退避制御するための退避モードアクチュエータと、
プローブの先端部を試料表面に対してホッピング動作するためのホッピングモードアクチュエータと、
プローブの先端部を試料表面に対してトレース動作するためのトレースアクチュエータとを有することを特徴とする走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。 - 前記退避モードアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より小さく、
前記トレースアクチュエータの移動範囲は前記ホッピングモードアクチュエータの移動範囲より大きいことを特徴とする請求項1記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。 - 前記退避モードアクチュエータの応答性が前記ホッピングモードアクチュエータの応答性よりも速いことを特徴とする請求項2記載の走査型イオンコンダクタンス顕微鏡。
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