JP7282370B2 - マニピュレータ機能付き原子間力顕微鏡 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 １．「マニピュレーター付き高速ＡＦＭスキャナーの開発」，生物物理Ｖｏｌ．５８ ＳＵＰＰＬＥＭＥＮＴ１－２，第５６回年会予稿集，Ｓ２４１ページ，１Ｄ１５１２，発行者 一般社団法人 日本生物物理学会，発行日 平成３０年８月２０日 ２．「マニピュレーター付き高速ＡＦＭスキャナーの開発」，集会名 第５６回日本生物物理学会年会（２０１８年度），開催日 平成３０年９月１５日（会期：９月１５日～９月１７日），開催場所 国立大学法人岡山大学 津島キャンパス ３．「マニピュレーター機能付き高速ＡＦＭスキャナーの開発」，平成３０年度中部支部講演会講演要旨集，３０ページ，ポスター発表リスト Ｐ２８，発行者 日本生物物理学会，発行日 平成３１年３月１４日 ４．「マニピュレーター機能付き高速ＡＦＭスキャナーの開発」，集会名 平成３０年度 生物物理学会中部支部 講演会，開催日 平成３１年３月２６日，開催場所 岡崎コンファレンスセンター（ＯＣＣ）２階小会議室

本発明は原子間力顕微鏡に関し、特に試料に外力を加えることができる高速原子間力顕微鏡に係る。

高速原子間力顕微鏡は、自由端に探針を有するカンチレバーと、このカンチレバーの変位を検出する変位センサーと、上記探針と試料とを相対的に走査する走査機構を有している（特許文献１）。
このような高速原子間力顕微鏡にあっては、ナノメートルオーダーの高い解像度で試料の観察が可能である。
タンパク質や核酸などの生体分子にあっては、張力や圧縮力等の外力を加えることで、機能発現や反応速度の変調が生じることが知られている。
例えば、線維状のアクチンは引かれるとミオシンがより結合するようになり、コフィリンが結合しなくなると言われている。
一方、コフィリンは引かれていないアクチンに結合すると言われている。
しかし、従来の高速原子間力顕微鏡は、生体分子の形態等の観察が可能であっても、生体分子にいろいろな外力を加えることはできなかった。

国際公開ＷＯ２００８／０２９５６２号公報

本発明は、試料に外部から力を加えることができるマニピュレータ機能付きの原子間力顕微鏡の提供を目的とする。

本発明に係るマニピュレータ機能付き原子間力顕微鏡は、探針を有するカンチレバーと、前記探針と試料の表面との間の原子間力によって生ずる相互作用量に基づいて、前記試料に関する情報を取得する原子間力顕微鏡であって、前記探針と試料表面との相対的位置を制御するスキャンステージと、前記試料に外力を加えるマニピュレータステージとを有することを特徴とする。

カンチレバーの自由端には探針を有し、この探針と試料の表面との間の原子間力によって生ずる相互作用にて、このカンチレバーに変位が生じる。
例えば、相互作用量が一定になるように試料の表面を相対的に走査すると、カンチレバーの変位量に基づく試料表面の情報が得られる。
この変位量は、光学式の変位センサー等を用いて検出される。

本発明は、スキンステージにより試料を走査する際に、マニピュレータステージにて、この試料に外力を加えることができるようにした点に特徴がある。
例えば、前記スキャンステージは、スキャンＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の位置制御手段を有し、前記マニピュレータステージは、マニピュレータＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動制御手段を有し、前記スキャンＸ軸と前記マニピュレータＸ軸とが対向配置する形態例が挙げられる。
ここで、スキャンＸ軸とスキャンＹ軸とは、試料の表面に沿ったＸ－Ｙ面を表現し、この面に対して直交する方向をスキャンＺ軸と表現する。
マニピュレータステージは、スキャンＸ軸に対向配置されたマニピュレータＸ軸を有し、スキャンＹ軸と同じ方向に配置したマニピュレータＹ軸とスキャンＺ軸と同じ方向に配置したマニピュレータＺ軸を設けることができる。

このようにすると、スキャンＸ，Ｙ，Ｚ軸とマニピュレータＸ，Ｙ，Ｚ軸を同期制御（Ｘ軸は相互に反対方向）することで、試料に外力を加えない状態で試料の表面をスキャンでき、スキャンＸ，Ｙ，Ｚ軸とマニピュレータＸ，Ｙ，Ｚ軸とをオフセット制御することで、試料に外力を加えながら試料の表面をスキャンできる。
よって、本発明はこの同期制御とオフセット制御が切り替え可能になっている。

本発明において、試料が生体分子等の微細なものである場合には、前記マニピュレータステージは、前記試料に外力を加えるためのナノニードルを有し、前記ナノニードルの先端径は直径で１００ｎｍ以下であるのが好ましい。
また、試料に外力を加える上記ナノニードルは１つに限定する必要はなく、観察する試料の性質によっては、複数のナノニードルであっても良い。
ナノニードルの構造は極細の線材でも良く、例えば、ナノピペット構造にしても良い。
ナノピペット構造にするとその内側の細孔を利用して、吸引や払い出し等の外力を加えることもできる。

本発明に係る原子間力顕微鏡は、試料に外力を加えながら試料の形態や動態を観察することができる。
ここで外力とは、圧縮方向，引張り方向等の力のみならず、ターゲットとなる対象物を押したり，吸ったり，出したり，引き延ばしたり等の動作も含まれる。

本発明に係る原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）におけるスキャンステージとマニピュレータステージの構成例を示す。 （ａ）は部分拡大斜視図、（ｂ）はＡ－Ａ線断面図、（ｃ）は部分拡大断面図を示す。 （ａ）～（ｃ）は、位置制御の例を示す。 スキャンステージとマニピュレータステージのオフセット制御の例を示す。 スキャンステージとマニピュレータステージの制御例を示す。 直径約３５０ｎｍのビーズを用いた観察例を示す。 線維状アクチンの観察例を示す。 ナノニードルの応用例を（ａ）～（ｄ）に示す。 ナノニードルの取付例を示す。

本発明に係るマニピュレータ機能付原子間力顕微鏡は、従来の原子間力顕微鏡や高速原子間力顕微鏡のスキャン機能にマニピュレータ機能を付加した点に特徴があり、この部分について図を用いて説明する。

図１に斜視図、図２にその拡大図及びＡ－Ａ線断面図を示す。
スキャンステージ１１とマニピュレータステージ１２とが、セットとして配置されている。
スキャンステージ１１は、試料Ｓを載置する基材１１ａを有し、この基材１１ａの位置をＸ軸方向に制御するＸピエゾ素子（圧電素子）１１_Ｘと、これと直交するＹ軸方向に制御するＹピエゾ素子（圧電素子）１１_Ｙと、Ｘ－Ｙ面に直交する方向に制御するＺピエゾ素子（圧電素子）１１_Ｚを有する。
これらを本明細書では、スキャンＸ，Ｙ，Ｚ軸と表現する。
試料の表面との相互作用量を検出するのに探針１３ａを自由端にするカンチレバー１３を有する。
図示を省略したが、このカンチレバー１３の背面に反射面等を形成することで、この変位量を光学式に検出するセンサーを有する。

マニピュレータステージ１２は、スキャンステージ１１の基材１１ａの近傍にナノニードル１４を取り付けた基部１２ａを有し、この基部１２ａを移動制御するためであって、スキャンＸ軸（１１_Ｘ）と対向配置したＸピエゾ素子１２_Ｘと、スキャンＹ軸と同一方向のＹピエゾ素子１２_Ｙ、スキャンＺ軸と同一方向のＺピエゾ素子１２_Ｚを有する。
本明細書では、これらとスキャンステージＸ，Ｙ，Ｚ軸と区別するために、マニピュレータＸ，Ｙ，Ｚ軸と表現する。
なお、図１に示すようにスキャンステージ１１及びマニピュレータステージ１２は、左右対称に一体的に形成され、Ｘピエゾ素子１１ｘ，１２ｘは弾性片１０ｃにて復帰方向に付勢力を有し、Ｙピエゾ素子１１_Ｙ，１２_Ｙも同様に弾性片１０ａ，１０ｂにて復帰方向の付勢力が作用している。
Ｚピエゾ素子も同様に復帰方向の付勢力が作用している。

本実施例においてナノニードル１４は、ベース片１２ｂを介して接着部１５にて接着した例になっているが、基部１２ａにナノニードルを取り付ける構造に制限はない。
ナノニードル１４の先端部１４ａの直径は、生体分子の観察に対応できるように１００ｎｍ以下になっていて、好ましくは１０～６０ｎｍである。
また、ナノニードル１４の接着部１５から先端部１４ａまでの長さは、マニピュレータＹ軸方向の移動の際の撓みを小さくするために１ｍｍ以下が好ましく、さらに短くする例として、図９に示すようにベース片１２ｂに第２ベース片１２ｃを接着部１５にて接着し、この第２ベース片１２ｃに接着部１５ａを介して、ナノニードル１４を取り付けることもできる。
このようにすると、接着部１５ａから先端部１４ａまでの長さを２００μｍ以下にすることができた。

本発明は、スキャンステージ１１とマニピュレータステージ１２とを組み合せたことにより、図３に示すようにナノニードル１４の先端部１４ａを試料Ｓに対して、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向にそれぞれ単独又は組み合せて移動制御できる。
この場合に、図５を用いてスキャンステージ１１のＸ_Ｉ軸，Ｙ_Ｉ軸，Ｚ_Ｉ軸及びマニピュレータステージ１２のＸ_Ｍ軸，Ｙ_Ｍ軸，Ｚ_Ｍ軸の動きを説明する。
試料（ターゲット）Ｓに外力を加えない通常のイメージング時は、Ｘ_Ｉ，Ｘ_Ｍを同一方向に同期して動かし、Ｙ_Ｉ，Ｙ_Ｍ及びＺ_Ｉ，Ｚ_Ｍも同期動作させる。
これに対して、例えば図４に矢印の長さで示すように、スキャンＸ軸とマニピュレータＸ軸とでピエゾ素子に印加する電圧に逆方向以外の差を設けて制御することで、オフセット力による外力が試料Ｓに加わる。

図６は、直径約３５０ｎｍのビースにナノニードルの先端による外力を加えた観察例を示す。
また、図７はアクチンを切る前後やアクチンが移動する態様を観察した例を示す。

本発明に係るＡＦＭは、図８（ａ），（ｂ）に示すようにナノニードル１４をナノピペット状にすると、ターゲットを吸ったり出したりすることができる。
また、（ｃ），（ｄ）に示すように例えば、脂質膜に生体内に近い凹凸をつけることもできる。

１１ スキャンステージ
１１ａ 基材
１２ マニピュレータステージ
１２ａ 基部
１３ カンチレバー
１３ａ 探針
１４ ナノニードル
１５ 接着部

Claims (3)

1. 探針を有するカンチレバーと、前記探針と生体分子からなる試料の表面との間の原子間力によって生ずる相互作用量に基づいて、前記試料に関する情報を取得する原子間力顕微鏡であって、
   前記探針と試料表面との相対的位置を制御するスキャンステージと、
   前記試料に外力を加えるマニピュレータステージとを有し、
   前記マニピュレータステージは先端径の直径が１００ｎｍ以下のナノニードルを有し、前記ナノニードルにて生体分子からなる試料に外力を加えることで、前記生体分子の機能発現や反応速度の変調を観察することができることを特徴とするマニピュレータ機能付き原子間力顕微鏡。
2. 前記スキャンステージは、スキャンＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の位置制御手段を有し、
   前記マニピュレータステージは、マニピュレータＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動制御手段を有し、前記スキャンＸ軸と前記マニピュレータＸ軸とが対向配置されていることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ機能付き原子間力顕微鏡。
3. 前記スキャンＸ，Ｙ，Ｚ軸とマニピュレータＸ，Ｙ，Ｚ軸とは、同期制御とオフセット制御の切り替え可能になっていることを特徴とする請求項２記載のマニピュレータ機能付き原子間力顕微鏡。

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