JP3766869B2 - Micro force measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛋白質分子などの微小の粒子と所定のベース物質との間に働く力学的な力を経時的に測定する微小力測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば、微小な粒子たるモータ蛋白質分子とベース物質たる蛋白質フィラメントなどが相互作用する際に発生する微小な力の大きさをpN(ピコニュートン)の精度で測定するための微小なガラスプローブや光ピンセットを用いる方法等が知られていた。これらは、微小なガラスプローブの先端や光ピンセットを微小なバネ秤のように利用して、前記微小なガラスプローブの先端や光ピンセットで捕捉した粒子にモータ蛋白質一分子を固定し、観察対象物面に蛋白質フィラメントを固定して両者を接近させると、これらの間に相互作用が働いたときにモータ蛋白質の移動に基づく微小なガラスプローブの先端や光ピンセットで捕捉した粒子の変位が観察され、この変位を測定することにより、モータ蛋白質分子と蛋白質フィラメントとの間に働いた力の強さの経時変化を測定することができるようになっている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。
【0003】
また、レーザの放射圧を利用して、観察対象物面に垂直な方向のプローブの位置をフィードバック制御することにより、観察対象物面との距離を一定に保ちながら観察対象物面に垂直な方向の引力および斥力の非接触計測を行う分子間力顕微鏡が知られている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
しかしながら、これらの方法では、プローブや粒子の熱揺らぎ及び外力に伴う変位を消失させて、水平な方向の力を測定する手段を考慮していなかったため、微小な粒子間の相対的な位置を数ナノメートルのオーダーで制御しながら水平方向の力を検出することができないという課題を残していた。
【0005】
そこで、本出願人は、モータ蛋白質及び蛋白質フィラメント等、微小な粒子とベース物質との水平な方向の相対位置を数ナノメートルのオーダーで制御することを可能にした装置として、微小な粒子を固定しているプローブと、前記微小な粒子の移動に伴って位置変化する前記プローブを光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構と、前記光圧用レーザのレーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段とを備えて構成したものを開発した。そして、前記プローブは、微小な粒子を固定する探針と、この探針に接続し前記光圧用レーザに照射される領域である光照射部及びこの光照射部を支持する支持部として機能するカンチレバーとを備えて構成してあり、光圧用レーザの反射率を向上させるために、前記カンチレバーを例えば金等の金属でコーティングしてある。(特許文献3参照)
【0006】
【特許文献1】
特開平9−43434号公報
【特許文献2】
特開平7−12825号公報
【特許文献3】
特願2001−308744号公報
【非特許文献1】
TREND in Biotechnology vol.19 no.6 June 2001 P211−P216
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の微小力測定装置のような金属を利用したカンチレバーによるプローブであると、測定時に光圧用レーザの照射に伴って熱を発生して変形し、光に起因するプローブの運動変化量に無視できない影響を及ぼす場合があるという課題を残していた。
【0008】
そこで、このような不具合を解決すべく、光圧用レーザの放射圧に対して安定であり正確な測定値を与え得るプローブを備えた微小力測定装置を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、微小な粒子と所定のベース物質との間に働く力学的な力を測定するためのものであり、前記微小な粒子を固定しているプローブと、前記微小な粒子の移動に伴って位置変化する前記プローブを光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構と、前記光圧用レーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段とを有してなる微小測定装置において、前記プローブの少なくとも前記光圧用レーザに照射される領域を、非金属の誘電体すなわち自由電子を持たないような素材によって構成していることを特徴とする微小力測定装置である。なお、非金属の誘電体としては、ガラス、石英ガラス、水晶、シリコン、ダイヤモンドなどが挙げられる。
【0010】
このようなものであれば、照射領域が光圧用レーザから光照射を受けた場合にも自由電子の振動に基づく発熱を生じないために、プローブが変形・劣化することなく高い精度で適正な測定値を得られるようになる。また、プローブの使用可能回数及び時間を増やし、部品の交換によるコスト増大を防止することも可能となる。
【0011】
また、プローブの好ましい具体的態様としては、微小な粒子を固定する探針とこの探針に接続し前記光圧用レーザが照射される領域たる光照射部とこの光照射部を支持する支持部とを備えて構成しているものが挙げられる。
【0012】
光照射部としては、板状ガラスによって構成したものや、プリズムによって構成したものが挙げられる。
【0013】
支持部の具体的な態様としては、ベース物質を観察対象物面に固定するようしておき、その観察対象物面に対して水平方向へ移動できるように構成したものが挙げられる。このようなものの場合、光照射部と支持部とを一体の板状体となるように形成し、これら一体の光照射部及び支持部を観察対象物面に対して垂直方向に設置するようにすれば、製造を簡単にすることが可能である。また、探針に固定した微小な粒子の観察対象物面に対して垂直方向な動きに対応させるためには、前記支持部を観察対象物面に対してさらに垂直方向への移動可能に構成するようにすればよい。
【0014】
また、装置の簡素化・簡略化のためには、光圧用レーザを対物レンズから照射することによりレーザ放射圧を与えるようにすればよい。
【0015】
また、プローブ位置制御機構の具体的構成としては、プローブに対して光照射を行う位置検出用光照射手段と、分割光ダイオードに前記光照射による干渉像を映し出す投影手段と、前記干渉像によりプローブの位置を検出測定する検出手段とをプローブの位置検出手段として備え、さらに前記検出手段による検出結果よりプローブに照射する光圧用レーザの強度を調節する調節手段を有しているものが挙げられる。
【0016】
熱によるプローブの揺らぎの抑制に関しては、前記プローブ位置制御機構において、プローブの揺らぎを二乗平均で変位換算して0.6ナノメートル以下で保持していることを監視制御することで、熱揺らぎによるプローブの揺らぎを防止するようにすることが挙げられる。
【0017】
さらに、光圧用レーザの照射方向に対して微小な粒子が順方向或いは逆方向の移動する場合に関わらず、測定を可能にするためには、一定のバネ定数を有するプローブを固定器に接続し、該プローブに任意の強度の放射圧を負荷させ、動的な平衡が保持できるようオフセット機能を付加させるようすることが望ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【0019】
この微小力測定装置は、タンパク質等の微小な粒子をプローブ1に固定し、その微小な粒子と観察対象物面2aに固定したベース物質との間において作用する力学的な力を測定するように構成したものであり、図1に機器構成図、図2に機能構成図を示しているように、前記プローブ1と、前記微小な粒子の移動に伴って位置変化するプローブ1を、光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構Aと、光圧用レーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段Bとしての機能を有するものである。また、本実施形態の装置には、さらに前記微小な粒子一分子を観察するための全反射蛍光観察機構Cを備えている。
【0020】
より具体的に説明すると、まずプローブ1は、図3〜6に示すように、微小な粒子を固定する探針1aと、この探針に接続し前記光圧用レーザが照射される領域たる光照射部1b及びこの光照射部1bを支持する支持部1cとして機能する薄板状のカンチレバー1dとを備えて構成している。
【0021】
探針1aは、本実施形態においては、ZnOウイスカーによるものを採用し、この探針1aの先端部に蛋白質等の微小な粒子を固定するようにしている。なお、固定方法としては、金をこの探針1aに付け微小な粒子である蛋白質の一部をSH基で修飾して結合させる方法や、探針1aにニッケルを付けHisタグを蛋白質に融合して結合する方法や、アビジンとビオチンの相互作用により結合させる方法が挙げられる。
【0022】
また、カンチレバー1dは、例えば長さ200μm、幅20μm、厚さ100nmに成形し、探針1aを取り付けた自由端側を前記光照射部1bとして、また図示しない任意の固定器具に取り付けた基端側を前記支持部1cとしての機能を兼ねるようにしてある。また、バネ定数を約0.1pN/nmとなるように設定して観察対象物面2aに対して水平方向に移動できるように、かつ図5及び6に示しているように観察対象物面2aに対して垂直となるように前記固定器具に片持ち状に取り付けてある。なお、観察対象物面2aとは、探針1aに固定した微小な粒子が移動する場所であり、通常はスライドガラス2を用いる。そして、本実施形態においては、光照射部1b及び支持部1cとして機能するこのカンチレバー1dを、非金属の誘電体である板状ガラスによって構成している。
【0023】
プローブ位置制御機構Aは、光圧用レーザをプローブ1に照射する照射手段A1と、前記プローブ1に対して位置検出用の光照射を行う位置検出用照射手段A2と、分割光ダイオードに前記位置検出用照射手段A2の光照射による干渉像を映し出す投影手段A3と、前記干渉像によりプローブ1の位置を検出測定する検出手段A4と、前記検出手段A4による検出結果よりプローブ1に照射する光圧用レーザの強度を調整する調整手段A5とを備えて構成している。
【0024】
照射手段A1は、光圧用レーザ光源3の光線を、EMO(電気光学変調器)4によってその照射強度の調整を行い、光圧用レーザレンズ5を通過させて、光圧用レーザ反射鏡6で反射させ、請求項8記載の対物レンズに相当する第1対物レンズ7に入射し集光してプローブ1に照射するように構成している。なお、図示例のものには示していないが、EMO4から出力するレーザ光線を複数の集光レンズや反射鏡で反射させて第1対物レンズ7に入射するように構成してあってもよい。本実施形態においては、光圧用レーザとして、ガラスに吸収がほとんど見られない赤外線領域の波長のYAG(Yittrium Aluminium Garnet)レーザ(1064nm、500mW)を採用している。また、板状をなす光照射部1bの表面に対して斜め方向に照射するように設定しており、本実施形態においては、その入射角を約80°としている。これは、図7に示すように、P偏光及びS偏光において、その入射角とガラス製のカンチレバー1dに懸かる力との関係から最も大きな力が得られる角度を選択したものである。なお、図8に示すように、この光圧用レーザの有無で確実にプローブ1の位置が変化し再現性ある結果を示すことは確認できている。さらに、図9に示すように、光圧用レーザの強度とプローブ1に懸かる力とに比例関係が在ることも確認できている。なお、本実施形態の微小力測定装置は、図10に示しているように、プローブ1に任意の強度の光圧を負荷させたオフセット機能を与えて、プローブを動的平衡で所定目的位置に静止するようにしており、オフセットに要する力として、光圧用レーザの放射圧を、プローブ1に固定した微小な粒子が持つ力より十分大きいものに設定している。例えば、微小な粒子として蛋白質の運動を測定する場合には、この運動の力よりも大きな力でよいので8pNを超え好ましくは25pNの範囲で設定すればよい。
【0025】
位置検出用光照射手段A2は、位置検出用レーザ光源8の光線を、ビームエクスバンダ9で広げてから位置検出用レーザ反射鏡10で反射させ、図6に示しているように前記第1対物レンズ7に入射し集光してプローブ1にフォーカス(クロス)して照射するように構成している。位置検出用レーザは、プローブ1に対しては特段の作用を及ぼさないように構成する必要があるもので、本実施形態においては、YAGレーザ(532nm、100μW)を採用している。
【0026】
投影手段A3は、光照射部1bを通過した位置検出用レーザ光線を第2対物レンズ12に入射させ、第2位置検出用レーザ反射鏡11で反射させて分割光ダイオードたるニ分割フォトダイオード13内でプローブ干渉像を得るように構成している。
【0027】
検出手段A4は、前記ニ分割フォトダイオード13に接続したI−V変換器14及び差動増幅器15を有する位置検出用増幅器16によって、前記干渉像を位置信号として電気信号に変換し、さらにA−D変換器17でデジタル信号に変換して、その出力信号をデータ収録用のコンピュータ18に集積記録してモニターできるように構成している。
【0028】
調整手段A5は、前記位置信号をフィードバック回路19によってフィードバック信号に変換させ、EMO4にその信号を送信して光圧用レーザの強度を調整して、プローブ1を静止固定させるように構成している。このとき、図3に示しているようにフィードバック制御により微小な粒子が作用した力と反対向きに光圧用レーザの放射圧を作用させ、見た目の上でプローブ1が静止させるようにしてある。ここで、プローブ1に固定した微小な粒子の運動及びバックグラウンドとして熱による揺らぎがプローブ1に生じるが、位置信号をフィードバック回路19へ入力し目標値信号へ追従させることにより、プローブ1の揺らぎを二乗平均変位に換算して0.6ナノメートル以下に抑えるように設定している。なお、プローブ1の位置が変位することにより、この干渉縞が変化するが、この変化量はプローブ1の位置変化と一定の相関関係を持って変化することがわかっているので、定量的にプローブ位置の測定が可能である。
【0029】
測定手段Bは、前記光圧用レーザ光源3或いはEMO4に接続した前記コンピュータ18或いは図示しない専用の制御装置等によって放射出力を経時的に測定し、間接的にプローブ1に懸かる力学的な負荷を測定できるようにしたものである。
【0030】
全反射蛍光観察機構Cは、微小な粒子に標識した特定の蛍光物質(色素)を励起させる波長のレーザ光線を、観察対象物面2aに対して全反射するように設定した入射角度で照射し、観察対象物面2aから約100nmの範囲のエバネッセント場において励起される前記蛍光物質を観察するように構成している。具体的には、図示例のものでは、前記励起光としてブルーレーザ(473nm、500μW)を採用しており、励起用レーザ光源20の光線をビームエスクパンダ21、集光レンズ22に通し、励起光用レーザ反射鏡23で反射させて第1対物レンズ7を通じて観察対象物面2aを下方側から照射し、照射領域を例えばCCD24によって撮像して、図示しないモニターに画像として表示するようにしている。
【0031】
以上のように構成した微小力測定装置によって、図11に示したように微小な粒子たるモータ蛋白質(キネシン)25とベース物質たるフィラメント蛋白質(微小管)26との間に作用する力を測定する場合の動作等について説明する。
【0032】
まず、モータ蛋白質25に所定の蛍光物質(色素)で標識しておき、探針1aにモータ蛋白質25を固定する。この際、観察対象物面2aに励起光用レーザを照射し、その励起光による蛍光の状態がCCDカメラ24で撮像した画像をモニターで観察することで、探針1aにモータ蛋白質25一分子が固定したかどうかを確認できる。そのモータ蛋白質25をスライドガラス2上の観察対象物面2aに固定しておいたフィラメント蛋白質26に接近させる。
【0033】
そして、光圧用レーザ光源3から、光圧用レーザ光線をカンチレバー1dの光照射部1bの表面に対して第1対物レンズ7を通じて入射角80°で直径約20μmの範囲に照射する。この際、ガラスからなる光照射部1bに対して、光圧用レーザが照射される(図中F1で示している)と、図3及び4に示したように、入射角に依存した割合で一部が反射し(図中F2で示している)、一部が屈折し(図中F3で示している)、透過して出射する(図中F4で示している)ことになる。
【0034】
一方、位置検出用レーザ光源8から出力されたレーザ光線は、ビームエクスバンダ9で広げられ、第1位置検出用レーザ反射鏡10に反射され、第1対物レンズ7に入射し集光され、プローブ1の位置を検出する。プローブ1を通過した位置検出用レーザは、第2対物レンズ12に入射し、第2位置検出用レーザ反射鏡11に反射される。そして、プローブ1の位置を反映して、ニ分割フォトダイオード13内でプローブ干渉像が得られる。ここで、プローブ1は、熱揺らぎによるランダムに変位するが、これは干渉像の動きとして検出される(図12、13)。この干渉像が、位置検出用増幅器16によって位置信号として電気信号に変換され、さらにA−D変換器17でデジタル化され、コンピュータ18に入力される。コンピュータ18では、熱揺らぎ等によるバックグラウンドを二乗平均変位に変換計算する。また、前記位置信号がフィードバック回路19に入り、フィードバック信号に変換される。このフィードバック信号が、EMO4に移行し、そのフィードバック信号に応じて光圧用レーザ光源3の照射強度が調整される。
【0035】
そして、フィードバック信号により調整された光圧用レーザの放射圧によって探針1aに固定したモータ蛋白質25による力の発生にかかわらず、プローブ1は、見た目上、静止固定される。この際、図12に示しているフィードバックをかけなかったときの熱揺らぎによるプローブの変位が、図13に示しているように、フィードバック制御によって約0.6ナノメートルの精度で制御して固定できたのと同様に制御できる。なお、本実施形態ではオフセット機能を付加させているので、図10に示しているように、プローブ1に固定されたモータ蛋白質25が光圧用レーザ照射方向に逆らう向きに移動する場合には、放射圧に懸かる強度は、オフセットに懸かる力と前記モータ蛋白質25の移動に伴う力が加算された力に相当することになる。一方、前記モータ蛋白質25が光圧用レーザ照射方向と同じ向きに移動する場合には、光圧用レーザの放射圧は、オフセットに懸かる力からモータ蛋白質25の移動に伴う力を減じた力に相当することになる。
【0036】
そして、カンチレバー1dのバネ定数を用い、フィードバック信号とプローブ1に対する光圧用レーザの放射圧との関係を求め、フィードバック信号を解析することにより、モータ蛋白質25とフィラメント蛋白25との間に作用する力を得ることができる。
【0037】
以上のように説明した本実施形態の微小力測定装置は、光圧用レーザの光照射部1bとしての機能を有するカンチレバー1dをガラスによって構成しているため、従来の金属でコーティングしたカンチレバーと比較して、熱の発生に基づく変形を防止して、正確なデータを得ることができる。また、その結果、長期間プローブ1を使用することが可能となり、コストの低減も期待できる。また、非金属の誘電体としてガラスを採用しているので手に入れやすくまた加工も簡単である。
【0038】
また、本実施形態では、光圧用レーザは、上述したように、EMO4で強度調整をし、光圧用レーザレンズ5、光圧用レーザ反射鏡6、第1対物レンズ7を介してプローブ1に到達するようにしている。位置検出用レーザは、位置検出用レーザ光源8からの光線を、ビームエクスバンダ9、位置検出用レーザ反射鏡10、第1対物レンズ7を介してプローブ1に到達させるようにしている。さらに、励起用レーザも、励起用レーザ光源20の光線を、ビームエクスバンダ21、集光レンズ22、励起用レーザ反射鏡23、第1対物レンズ7を介して観察対象物面2aに到達させるようにしている。すなわち、これらのように比較的簡単で且つ柔軟に扱うことのできる光学系を採用しているので、波長など異なる複数の光源を容易に接続することができる。くわえて、光圧用レーザ、位置調整用レーザ及び励起用レーザすべてを、第1対物レンズ7を通過するように設定したので装置の構成を簡素化し、嵩張るのを防ぐことができる。
【0039】
また、プローブ1にオフセット機能を付加させているので、プローブ1に固定した微小な粒子が、観察対象物面2aに対して左右何れの方向に移動しても測定できる。
【0040】
また、本実施形態の微小力測定装置では、プローブ1に光圧用レーザを照射する照射手段A1を500mWのYAGレーザとEMO4とを備えて構成したので、最大30pNの力を利用して、フィードバック制御が0.6nm rmsで行えることも実験で明らかとなった。すなわち、非常に高い精度での制御が行えるため、微小な粒子の力をより正確に測定することが可能である。
【0041】
また、本実施形態特有の効果としては、全反射蛍光観察機構Cを組み込んだので、微小な粒子たるモータ蛋白質(キネシン)25一分子のみを探針1aに固定できたかを観察して確認することができ、より正確な滑り力の測定が実現できる。なお、さらにベース物質たるフィラメント蛋白質(微小管)にも蛍光物質による標識を行い、モータ蛋白質25に照射する波長とは異なる波長の励起光を照射するレーザを搭載してモータ蛋白質25及びフィラメント蛋白質26両方を観察できるようにしてもよい。
【0042】
本発明は、上記実施形態に限られない。
【0043】
例えば、プローブの照射される領域のみをガラスによって構成したようなものであってもよいし、探針を含めたプローブ全体をガラスで構成したようなものであってもよい。
【0044】
また、光照射部を構成する素材としては、非金属の誘電体であれば、ガラスに限らず、例えば石英ガラス、水晶、シリコン、ダイヤモンドのようなものであってもよい。
【0045】
また、プローブが、光照射部と支持部とを別体に形成したようなものであってもよい。
【0046】
さらに、図14に示したように、探針100aと、プリズムによって構成した光照射部100bと、この光照射部100bとは別体の円柱状乃至角柱状の支持体100cとを備えたプローブ100を有するようなものであってもよい。この支持部100cは、光照射部100bよりもその径を小さく設定し、観察対象物面2aに対して水平方向に移動可能であり、なお且つ垂直方向への移動可能となるようにしている。なお、上記実施形態と同様の構成には同符号を付して示している。
【0047】
このようなプローブ100であっても、光圧用レーザの照射に基づく熱の発生を抑えて正確な測定値を与えることが可能である。また、図中入射光をF1、反射光をF2で示しているように、プリズムであれば光圧用レーザの全反射が可能であるので、測定に必要な光圧用レーザの照射強度を抑えることも可能である。加えて、このようなプローブ100であれば微小な粒子が移動する際の観察対象物面2aに対して垂直方向への力が生じた場合に、その力をこの支持部100cの動きにより吸収することができるので、探針1aに固定した微小な粒子をつぶすことなく測定を行うことができる。
【0048】
また、微小な粒子としては、蛋白質に限らず、例えばDNAやRNAなど他の微小粒子、細胞などであってもよい。
【0049】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【0050】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0051】
すなわち、本発明の微小力測定装置によれば、プローブの照射領域が光圧用レーザから光照射を受けた場合にも自由電子の振動に基づく発熱を生じないために、プローブの変形・劣化を防ぎ、高い精度で適正な測定値を得ることが可能である。また、プローブの使用可能回数及び時間を増やし、部品の交換によるコスト増大を防止することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す機器構成図。
【図2】同実施形態を示す機能構成図。
【図3】同実施形態における光圧用レーザがプローブに照射された様子を示す説明図。
【図4】同実施形態における光圧用レーザが観察対象物面を通してプローブに照射された様子を示す説明図。
【図5】同実施形態におけるプローブと観察対象物面との様子を示す部分斜視図。
【図6】同実施形態における位置検出用レーザがプローブに照射される様子を示す説明図。
【図7】同実施形態において、プローブに対する光圧用レーザの入射角と、プローブに作用する力との関係を示すグラフ。
【図8】同実施形態において、光圧用レーザの放射によるプローブの位置変化の影響を、光圧用レーザの強度を変化させた場合での結果を示すグラフ。
【図9】同実施形態において、光圧用レーザの強度とプローブに懸かる放射圧との関係を示すグラフ。
【図10】同実施形態におけるオフセット機能を示す説明図。
【図11】同実施形態において、モータ蛋白質とフィラメント蛋白質との間に作用する力を測定する場合を示す図。
【図12】同実施形態において、フィードバック制御をかけなかった場合のプローブの熱揺らぎによる変位の経時的変化を示すグラフ。
【図13】同実施形態において、フィードバック制御をかけた場合のプローブの熱揺らぎによる変位の経時的変化を示すグラフ。
【図14】本発明の別の実施形態の要部示す斜視図。
【符号の説明】
1・・・プローブ
1a・・・探針
1b・・・光照射部
1c・・・支持部
2a・・・観察対象物面
7・・・対物レンズ(第1対物レンズ)
13・・・分割光ダイオード(ニ分割フォトダイオード)
25・・・微小な粒子(モータ蛋白質)
26・・・ベース物質(フィラメント蛋白質)
100・・・プローブ
100a・・・探針
100b・・・光照射部
100c・・・支持部
A・・・プローブ位置制御機構
A2・・・位置検出用照射手段
A3・・・投影手段
A4・・・検出手段
A5・・・調整手段
B・・・測定手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro force measuring apparatus that measures, over time, a mechanical force acting between micro particles such as protein molecules and a predetermined base substance.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a minute glass probe for measuring the magnitude of a minute force generated when a motor protein molecule as a minute particle interacts with a protein filament as a base substance with an accuracy of pN (piconeuton) A method using optical tweezers has been known. These use a small glass probe tip or optical tweezers as a small spring balance to fix a single motor protein molecule on the particles captured by the micro glass probe tip or optical tweezers. When the protein filament is fixed on the surface and the two are brought close to each other, when the interaction works between them, the displacement of the particles captured by the tip of a small glass probe or optical tweezers based on the movement of the motor protein is observed, By measuring this displacement, it is possible to measure the change over time in the strength of the force acting between the motor protein molecule and the protein filament (see, for example,
[0003]
Also, by using the laser radiation pressure, feedback control of the position of the probe in the direction perpendicular to the surface of the object to be observed allows the direction perpendicular to the surface of the object to be observed while maintaining a constant distance from the surface of the object to be observed. An intermolecular force microscope that performs non-contact measurement of the attractive force and repulsive force is known (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
However, these methods do not consider means for measuring the force in the horizontal direction by eliminating the displacement caused by thermal fluctuations and external forces of the probe and particles, and therefore, the relative positions between the minute particles are not counted. The problem remains that the horizontal force cannot be detected while controlling in nanometer order.
[0005]
Therefore, the present applicant fixed minute particles as a device that made it possible to control the relative position of minute particles such as motor proteins and protein filaments and the base material in the horizontal direction on the order of several nanometers. A probe position control mechanism that performs feedback control so that the probe whose position changes with the movement of the minute particles is stationaryly fixed to a predetermined target position using the radiation pressure of the laser for light pressure, and the light We have developed a pressure measuring laser comprising measuring means for measuring and recording the laser radiation output over time. The probe is a probe that fixes fine particles, a light irradiation unit that is connected to the probe and irradiated to the laser for light pressure, and a cantilever that functions as a support unit that supports the light irradiation unit. The cantilever is coated with a metal such as gold in order to improve the reflectance of the laser for light pressure. (See Patent Document 3)
[0006]
[Patent Document 1]
JP 9-43434 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-12825
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application No. 2001-308744
[Non-Patent Document 1]
TREND in Biotechnology vol.19 no.6 June 2001 P211-P216
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the probe is a cantilever using a metal such as the above micro force measuring device, heat is generated and deformed by the irradiation of the laser for light pressure at the time of measurement, and the amount of movement of the probe caused by light is changed. It left the problem that it could have an impact that could not be ignored.
[0008]
Therefore, in order to solve such a problem, a micro force measuring device including a probe that is stable with respect to the radiation pressure of the laser for optical pressure and can give an accurate measurement value is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is for measuring a mechanical force acting between a minute particle and a predetermined base substance, and includes a probe that fixes the minute particle, and the movement of the minute particle. A probe position control mechanism that feedback-controls the probe whose position changes with the stationary pressure to a predetermined target position by using the radiation pressure of the light pressure laser, and measures and records the radiation output of the light pressure laser over time. In the micro-measuring device having the measuring means, at least the region irradiated to the laser for light pressure of the probe is made of a non-metallic dielectric material, that is, a material having no free electrons. It is a micro force measuring device. Note that examples of the nonmetallic dielectric include glass, quartz glass, quartz, silicon, and diamond.
[0010]
If this is the case, even if the irradiation area is irradiated with light from a laser for light pressure, heat generation due to free electron vibration does not occur, so that the probe can be measured accurately with high accuracy without deformation or deterioration of the probe. The value can be obtained. It is also possible to increase the number of times the probe can be used and the time to prevent an increase in cost due to replacement of parts.
[0011]
Further, as a preferred specific embodiment of the probe, a probe for fixing fine particles, a light irradiation unit connected to the probe and irradiated with the laser for light pressure, and a support unit for supporting the light irradiation unit, The thing which comprises and is mentioned.
[0012]
As a light irradiation part, what was comprised with plate glass and what was comprised with the prism are mentioned.
[0013]
As a specific aspect of the support portion, a base material may be fixed to the observation object surface and configured to be movable in the horizontal direction with respect to the observation object surface. In such a case, the light irradiation part and the support part are formed so as to be an integrated plate-like body, and the integrated light irradiation part and the support part are installed in a direction perpendicular to the observation target surface. In this way, the manufacturing can be simplified. Further, in order to correspond to the movement of the minute particles fixed to the probe in a direction perpendicular to the observation target surface, the support portion is configured to be movable in the vertical direction with respect to the observation target surface. What should I do?
[0014]
In order to simplify and simplify the apparatus, the laser radiation pressure may be applied by irradiating the optical pressure laser from the objective lens.
[0015]
Further, as a specific configuration of the probe position control mechanism, a position detecting light irradiating means for irradiating light to the probe, a projecting means for projecting an interference image by the light irradiation on a split photodiode, and a probe based on the interference image And a detecting means for detecting and measuring the position of the probe as a probe position detecting means, and further comprising an adjusting means for adjusting the intensity of the light pressure laser irradiated to the probe from the detection result of the detecting means.
[0016]
Regarding the suppression of probe fluctuation due to heat, in the probe position control mechanism, the fluctuation of the probe is converted to a mean square displacement and is monitored and controlled to be held at 0.6 nanometers or less. It is possible to prevent the probe from fluctuating.
[0017]
In addition, a probe with a constant spring constant is connected to the fixture to enable measurement regardless of whether fine particles move in the forward or reverse direction relative to the irradiation direction of the laser for light pressure. It is desirable to load the probe with a radiation pressure of an arbitrary intensity and add an offset function so that dynamic equilibrium can be maintained.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
This minute force measuring device fixes minute particles such as proteins to the
[0020]
More specifically, as shown in FIGS. 3 to 6, the
[0021]
In this embodiment, the probe 1a employs a ZnO whisker, and fine particles such as protein are fixed to the tip of the probe 1a. As a fixing method, gold is attached to the probe 1a and a part of a protein, which is a fine particle, is modified with an SH group, and nickel is attached to the probe 1a and a His tag is fused to the protein. And a method of binding by the interaction of avidin and biotin.
[0022]
Further, the
[0023]
The probe position control mechanism A includes an irradiation unit A1 for irradiating the
[0024]
The irradiation means A1 adjusts the irradiation intensity of the light beam from the light pressure
[0025]
The position detection light irradiating means A2 spreads the light beam of the position detection laser light source 8 by the beam expander 9, and then reflects it by the position detection
[0026]
The projection means A3 causes the position detection laser beam that has passed through the
[0027]
The detection means A4 converts the interference image into an electric signal as a position signal by a
[0028]
The adjusting means A5 is configured to convert the position signal into a feedback signal by the
[0029]
The measuring means B measures the radiation output with time by the
[0030]
The total reflection fluorescence observation mechanism C irradiates a laser beam having a wavelength for exciting a specific fluorescent substance (dye) labeled on a minute particle at an incident angle set so as to totally reflect the observation target surface 2a. The fluorescent material excited in an evanescent field in the range of about 100 nm from the observation object surface 2a is observed. Specifically, in the example shown in the figure, a blue laser (473 nm, 500 μW) is used as the excitation light, and the light beam of the excitation
[0031]
As shown in FIG. 11, the force acting between the motor protein (kinesin) 25, which is a minute particle, and the filament protein (microtubule) 26, which is a base substance, is measured by the minute force measuring apparatus configured as described above. The operation of the case will be described.
[0032]
First, the
[0033]
The light pressure
[0034]
On the other hand, the laser beam output from the position detection laser light source 8 is spread by the beam expander 9, reflected by the first position detection
[0035]
Then, regardless of the generation of force by the
[0036]
Then, the force acting between the
[0037]
The micro force measuring device according to the present embodiment described above has a
[0038]
In the present embodiment, as described above, the light pressure laser is adjusted in intensity by the EMO 4 and reaches the
[0039]
In addition, since the offset function is added to the
[0040]
Further, in the micro force measuring apparatus of the present embodiment, the irradiation means A1 for irradiating the
[0041]
Further, as an effect peculiar to the present embodiment, since the total reflection fluorescence observation mechanism C is incorporated, it is confirmed by observing whether only one molecule of the motor protein (kinesin) 25, which is a fine particle, can be fixed to the probe 1a. And more accurate sliding force measurement can be realized. Further, the filament protein (microtubule) as a base material is also labeled with a fluorescent substance, and a laser that irradiates excitation light having a wavelength different from the wavelength irradiated to the
[0042]
The present invention is not limited to the above embodiment.
[0043]
For example, only the region irradiated with the probe may be configured by glass, or the entire probe including the probe may be configured by glass.
[0044]
Moreover, as a material which comprises a light irradiation part, if it is a nonmetallic dielectric material, it will not be restricted to glass, For example, things like quartz glass, quartz, silicon, diamond may be used.
[0045]
Further, the probe may be such that the light irradiation part and the support part are formed separately.
[0046]
Further, as shown in FIG. 14, a
[0047]
Even with such a
[0048]
The fine particles are not limited to proteins, and may be other fine particles such as DNA and RNA, cells, and the like.
[0049]
In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0050]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
[0051]
That is, according to the micro force measuring device of the present invention, even when the irradiation region of the probe is irradiated with light from the laser for light pressure, heat generation due to free electron vibration does not occur, thereby preventing deformation and deterioration of the probe. It is possible to obtain appropriate measurement values with high accuracy. It is also possible to increase the number of times the probe can be used and the time to prevent an increase in cost due to the replacement of parts.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a device configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a functional configuration diagram showing the embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the probe is irradiated with a light pressure laser in the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory view showing a state in which the probe for light pressure in the embodiment is irradiated to the probe through the surface of the observation object.
FIG. 5 is a partial perspective view showing a state of a probe and an observation object surface in the same embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a state in which the probe is irradiated with a position detection laser in the embodiment.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle of the optical pressure laser to the probe and the force acting on the probe in the same embodiment;
FIG. 8 is a graph showing a result of changing the position of the probe due to the radiation of the light pressure laser when the intensity of the light pressure laser is changed in the embodiment.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the light pressure laser intensity and the radiation pressure applied to the probe in the same embodiment;
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an offset function in the embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a case where a force acting between a motor protein and a filament protein is measured in the same embodiment.
FIG. 12 is a graph showing a change with time of displacement due to thermal fluctuation of the probe when feedback control is not performed in the embodiment.
FIG. 13 is a graph showing a change with time of displacement due to thermal fluctuation of the probe when feedback control is applied in the embodiment.
FIG. 14 is a perspective view showing the main part of another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Probe
1a ... Probe
1b: Light irradiation part
1c ... support part
2a: Object surface to be observed
7 ... Objective lens (first objective lens)
13: Split photodiode (dual photodiode)
25 ... fine particles (motor protein)
26 ... Base material (filament protein)
100: Probe
100a ... tip
100b ... Light irradiation part
100c ... support part
A: Probe position control mechanism
A2 ... Irradiation means for position detection
A3 ... Projection means
A4 ... Detection means
A5 ... Adjustment means
B ... Measurement means
Claims (12)
前記微小な粒子を固定しているプローブと、
前記微小な粒子の移動に伴って位置変化する前記プローブを、光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構と、
前記光圧用レーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段とを有してなる微小測定装置において、
前記プローブの少なくとも前記光圧用レーザに照射される領域を、非金属の誘電体によって構成してあり、
前記光圧用レーザの一部が、前記プローブの前記光圧用レーザに照射される領域を透過することを特徴とする微小力測定装置。It is for measuring the mechanical force acting between a minute particle and a given base material,
A probe fixing the fine particles;
A probe position control mechanism that performs feedback control so that the probe whose position changes with the movement of the minute particles is stationary and fixed to a predetermined target position using a radiation pressure of a laser for light pressure;
In a micro-measuring device having measuring means for measuring and recording the radiation output of the laser for light pressure over time,
A region irradiated with at least the light pressure laser of the probe is formed of a non-metallic dielectric ,
A part of the laser for light pressure transmits a region irradiated to the laser for light pressure of the probe .
前記プローブに対して光照射を行う位置検出用光照射手段と、
分割光ダイオードに前記光照射による干渉像を映し出す投影手段と、
前記干渉像によりプローブの位置を検出測定する検出手段と、
前記検出手段による検出結果よりプローブに照射する光圧用レーザの強度を調節する調節手段とを備えている請求項1乃至9何れかに記載の微小力測定装置。The probe position control mechanism is
A position detecting light irradiating means for irradiating the probe with light;
A projecting means for projecting the interference image by the light irradiation onto the split photodiode;
Detection means for detecting and measuring the position of the probe from the interference image;
Minute force measuring device according to any one of claims 1 to 9 or and a means for adjusting the intensity of the photon pressure laser irradiating from the probe detection result by the detecting means.
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