JPH051911A - 試料固定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被観察試料を変化、破壊させることなくスキ
ャニングプローブ顕微鏡直下に固定することが可能な試
料固定装置を得る。 【構成】 壁面の少なくとも一部がメンブレンによって
構成された第１チャンバーの外部で第２チャンバーが前
記メンブレンを気密に覆い、第１，第２チャンバーに圧
力差を持たせることによって第１チャンバー内に置かれ
た被観察試料の表面一部を前記メンブレンに設けられた
アパーチャ押圧固定する圧力調整手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば、被観察試料に対
して探針（以下、プローブと記す）を走査させることで
試料を観察するスキャニングプローブ顕微鏡（以下、Ｓ
ＸＭと記す）で生体膜、有機膜、細胞膜等の試料を観察
する際に用いる試料固定装置に関するものである。ま
た、試料として以上のような膜に限定されるものではな
い。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＳＸＭの一種である原子間力顕微
鏡（以下、ＡＦＭと記す）や走査型トンネル顕微鏡（以
下ＳＴＭと記す）等を用いて種々の膜の観察が行われて
いる。

【０００３】図４に、ＡＦＭによる試料観察の際の従来
の試料固定状態を示す。グラファイト，マイカ，金等の
結晶により形成された基板６１上に被観察試料６０が張
付けられた状態で固定されている。試料６０は周囲を液
体６３で覆われており、この液体６３はＯリング６２と
ガラス板６５により密閉されている。試料として細胞膜
を観察する場合、細胞膜の一部を破壊、切除分離して基
板６１上に固定し、プローブ６４で試料６０の膜表面を
走査して観察していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、生体膜をなる
べく生体内に近い状態に保つためには、生体内に適合化
された液体中または液上に浮遊させることが常識であ
り、またこのような液上に浮遊させた状態で観察するこ
とは、種々の高分子膜の場合にもあてはまるものであ
る。

【０００５】従来のＡＦＭやＳＴＭ等のＳＸＭによる膜
観察では、観察の際にプローブによって試料に力が加わ
る。このため、試料膜を液上に浮遊させたような条件で
観察を行うと前記プローブの力によって試料が移動して
しまい走査は困難で観察できない。従って、従来は前述
したように結晶基板上に試料の膜を張付けるという固定
方法が用いられていた。

【０００６】しかしながらこのような従来の固定方法で
は、膜そのものの変化や破壊はすでに観察前の結晶基板
上に固定されるまでの間に生じるだけでなく、観察中に
おいても、例え試料膜表面側のみ液に浸すことができた
としても避けることはできない。従って、本来の試料膜
の状態とは異なる情報しかは得ることはできないという
問題がある。

【０００７】また、例えば細胞膜の観察において細胞膜
としての活動情報を得たい場合も、従来法では細胞膜が
その一部を破壊分離して生体内と掛け離れた条件下で試
料として提供されるため、決して生きた生体膜としての
状態を観察することは不可能である。本発明は、上記問
題点を解消し、被観察試料の変化、破壊等を避け得るよ
うな試料固定装置を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る試料固定装置では、壁
面の一部が開口部を有するメンブレンによって構成され
た第１チャンバーと、該第１チャンバーの外部で前記メ
ンブレン上を気密に覆う第２チャンバーと、前記第１チ
ャンバー内に置かれた試料が、その表面の一部を前記第
２チャンバー内に露呈するよう前記メンブレンの開口部
に押圧固定されるように前記第１チャンバー内と前記第
２チャンバー内とに圧力差をもたせる圧力調整手段と、
前記第２チャンバー内に配置された試料を走査するため
の探針に対する前記メンブレンの開口部の位置を相対変
位させる位置調整手段とを備えている。

【０００９】また請求項２に記載の発明に係る試料固定
装置では、前記請求項１に記載の試料固定装置におい
て、前記第１チャンバーと第２チャンバーとに各々流体
を満たすための流体供給装置を備え、前記圧力調整手段
によって前記流体供給装置から供給される流体の圧力を
調整するものである。

【００１０】また請求項３に記載の発明に係る試料固定
装置では、前記請求項１に記載の試料固定装置におい
て、前記位置調整手段が第１チャンバーと第２チャンバ
ーとを相対変位させるものとして構成されている。

【００１１】

【作用】本発明の試料固定装置では、第１チャンバーと
第２チャンバーとでメンブレンによって仕切られた一対
の密閉室を形成し、第１チャンバー内には被観察試料が
置かれ第２チャンバー内にはスキャニングプローブ顕微
鏡のプローブが配置される。両チャンバー内は例えば試
料に対する所望の条件に合うように調整された流体で満
たされる。

【００１２】さらに圧力調整手段により第１、第２チャ
ンバー内に圧力差を生じさせることによって、第１チャ
ンバー内の被観察試料が第１、第２チャンバーの境界に
設けられた開口（アパーチャ）部に押圧固定される。従
って、試料は破壊されることなく所望の流体内で固定さ
れたままアパーチャ部から第２チャンバー内に露呈した
試料表面部のプローブによる走査観察が可能となる。

【００１３】この場合、両チャンバー内が流体で満たさ
れているため、前記圧力調整手段による圧力差によって
試料は容易にアパーチャに引き寄せられ、試料の位置が
確定すると共にプローブの視野範囲に入れる走査が簡単
になる。

【００１４】本発明の試料固定装置では、例えば両チャ
ンバー内の流体の成分を変えて試料の化学的および生化
学的変化を誘発させ、またチャンバー内の圧力差を変化
させることで試料に機械的変化を与えることができ、そ
のような変化をプローブによって観察することも可能で
ある。

【００１５】

【実施例】以下に図１〜３を用いて本発明の一実施例を
説明する。図１は本発明の一実施例に係る試料固定装置
を用いてＡＦＭによる膜の観察を行う場合の説明図であ
る。第１チャンバー４は、シリコン等の基板２ａ上に張
設されたメンブレン２を備え、その下部に第１チャンバ
ー本体１６によって密閉された状態で形成されている。

【００１６】第２チャンバー５は、メンブレン２上にパ
ッキン３を介して第２チャンバー本体１７によって密閉
状に形成され、上面にレーザ透過用の密閉窓９を有して
いる。メンブレン２には、窓９に対して略直下の位置に
アパーチャ１が設けられ、このアパーチャ１から第１チ
ャンバー４内の試料膜１５の一部が第２チャンバー５内
に露呈できるようになっている。

【００１７】第１チャンバー４内と第２チャンバー５内
には流体が満たされ、両チャンバーの内圧に圧力調整装
置６で圧力差を生じさせる（例えば、第２チャンバー５
の内圧を第１チャンバー４の内圧より低くする）ことに
よって試料１５の一部がアパーチャ部１に押圧固定され
るようになっている。

【００１８】第２チャンバー５内にはＡＦＭプローブ１
２がアパーチャ部１に露呈した試料表面を走査可能なよ
うに配置され、この場合、このプローブ１２はＡＦＭカ
ンチレバー１１とそれを保持するレバーホルダー１０と
を備えている。

【００１９】第１チャンバー４と第２チャンバー５はパ
ッキン３を介して位置調整装置８により相対変位可能に
なっている。これはプローブ１２による走査時に、第１
チャンバー４を任意の方向に粗動および微動させてプロ
ーブ１２と試料との間の位置調整を行う。このときパッ
キン３は第１チャンバー４の可動範囲にわたってチャン
バー内からの流体もれを防止する。

【００２０】実際の観察においては、試料表面に沿って
プローブを走査させ、カンチレバー１１上下の変動を検
出することによって試料表面の力の２次元的情報を、ま
たはレバー曲がりを一定にするよう試料位置を制御しな
がら走査することによって表面の微視的形状を得る。

【００２１】カンチレバー１１の曲がりを検出する方法
としてレーザ１３等を用いるが、このためのレーザ光１
３は第２チャンバー５の上部に設けられた使用レーザ波
長の透過可能な窓９を介して供給される。この窓９は光
学顕微鏡を用いて大体のプローブと試料１５の位置合せ
ができるよう可視光に対しても透過可能な部材であるこ
とが望ましい。

【００２２】なお、アパーチャ１はシリコン等の基板２
ａ上に厚さ１μｍ程度のメンブレン２を張設した後、エ
ッチング等の方法で形成したものであるが、その大きさ
は自由振動を極めて小さく押えることができるように予
め選定することが望ましい。なお、ＡＦＭ等のプローブ
の場合はアパーチャの径は１００μｍ以下とすることが
望ましい。

【００２３】また、圧力調整装置６と、さらに流体供給
装置を備えることによって第１および第２チャンバー内
の気体または液体を任意に交換、または圧力を変化さ
せ、それによる試料の化学的、生化学的、または機械的
変化を観察することが可能である。

【００２４】図２は、本発明の一実施例に係る試料固定
装置をＳＴＭによる膜観察に用いた場合の説明図であ
る。これは、試料３１の表面とＳＴＭプローブ３０の先
端との間に局在して流れるトンネル電流を検出すること
によって試料の極微細形状を観察するものである。な
お、プローブ３０部にワックスを塗布する等の手段を用
いれば、液中での試料表面の走査も可能である。

【００２５】図２において、第１チャンバー２４は、シ
リコン基板２２ａ上に張設されたメンブレン２２を備
え、その下部を第１チャンバー本体２６によって密閉さ
れて形成さえている。第２チャンバー２５は、メンブレ
ン２２上にパッキン２３を介して設けられた第２チャン
バー本体２７によって密閉された状態で形成されてい
る。メンブレン２２には、第１チャンバー２４内の試料
３１の一部が第２チャンバー２５内に露呈できるようア
パーチャ２１が設けられている。

【００２６】第１，第２チャンバー内には流体供給装置
３７によって流体が満たされ、圧力調整装置３６によっ
て流体供給装置３７の出口部分における流体圧力が調整
されるよう、例えば差圧伝達器およびサーボ弁等によっ
て構成（共に図示せず）されている。そして両チャンバ
ーの内圧に圧力差を生じさせることによって試料３１の
一部がアパーチャ３１に押圧圧固定される。

【００２７】第１チャンバー２５上部には、ＳＴＭプロ
ーブ３０の略直下にアパーチャ２１が位置するようＳＴ
Ｍ走査装置２９が設置されている。試料膜３１の押圧固
定状態を維持しつつ位置調整装置２８によって第１、第
２チャンバーを相対変位させることによって、アパーチ
ャ３１部から露呈している試料３１表面がプローブ３０
で走査される。

【００２８】本発明における試料固定装置を用いれば、
以上の実施例に説明したような膜の固定だけでなく細胞
そのものを過大な変形又は破壊なしに固定し、その表面
を観察することも可能である。図３は第１チャンバー内
に試料室４５を設けて細胞そのものを確実に固定できる
ようにした試料固定装置を用いてＡＦＭによる細胞膜の
観察を行なう場合を示すものである。

【００２９】図３において、第１チャンバー４４は、シ
リコン基板４２ａ上に張設されＡＦＭプローブ５２の略
直下位置にアパーチャ４１が設けられたメンブレン４２
を備え、その下部を第１チャンバー本体５７によって密
閉状態で形成されている。また、第１チャンバー４４内
には隔壁穴４７ａを有する隔壁４７が設置され、チャン
バー本体５６とメンブレン４２とで試料室４５が形成さ
れている。

【００３０】第２チャンバー４６はメンブレン４２上に
パッキン４３を介して設けられた第２チャンバー本体５
７によって密閉された状態で形成されている。第１チャ
ンバー４４、試料室４５、第２チャンバー４６内には各
々流体供給装置４９によって流体が満たされ、圧力調整
装置４８によってその流体圧が調整されるが、第１チャ
ンバー４４・試料室４５と第２チャンバー４６との内圧
に圧力差を生じさせることによって試料室４５内の試料
５１がアパーチャ４１に押圧固定される。

【００３１】さらに、隔壁移動装置５８によって隔壁４
７は上下方向に移動可能であり、メンブレン４２と隔壁
４７との間隔が調整できるようになっている。そこで、
隔壁移動装置５８により隔壁４７を試料方向に移動さ
せ、試料５１を上下から挟む状態にすれば試料５１の固
定が確実になる。

【００３２】このように試料５１の押圧固定状態を維持
しながら試料室４５と第２チャンバー４６を位置調整装
置５０によって相対変位させることによって、アパーチ
ャ４１から第２チャンバー内に露呈している試料５１の
表面がプローブ５２で走査される。なお、試料室４５を
形成する隔壁４７をメンブレン４２と同様なメンブレン
で形成すれば、その上下メンブレン間でよりソフトな固
定が可能となる。

【００３３】例えば、試料が入れられるチャンバー（本
実施例における第１チャンバー）が大型化した場合に
は、試料が圧力差によってアパーチャに固定されるまで
にかかる時間が増大し、これを防ぐためにはチャンバー
内の試料数を増やす等の手段をとらなければならないと
いう問題がある。

【００３４】しかしながら本実施例では、試料室４５を
設けその内部に試料を入れることによって第１チャンバ
ー４４に対する試料の密度を上げることができるため、
試料数を増やすことなく、試料が固定されるまでにかか
る時間の増大を防ぐことが可能となる。

【００３５】なお、圧力差によらないで試料を上下から
エンブレン等の２枚の薄膜で挟むことによって固定する
方法も考えられるが、この場合、試料がアパーチャ部に
固定されるとは限らない。また、複数の試料が前記薄膜
間に含まれている時、アパーチャ部以外で複数の試料が
固まって固定されてしまうと、該アパーチャ部において
試料が十分露出せずプローブで走査できない恐れがあ
り、精度上および走査上非常に困難な点が多い。このよ
うに、試料の固定には、本実施例に示した圧力差による
アパーチャ部ヘの押圧固定が有効であることは明らかで
ある。

【００３６】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、圧力差に
よって被観察試料をアパーチャ部に押圧固定するもので
あり、そのアパーチャ部より露呈した試料表面をＳＸＭ
のプローブによって走査観察することができる。したが
って試料に変化、破壊が生じることを回避することがで
き、試料の本来の状態を観察することが可能となる。

【００３７】また、本装置の構造から、チャンバー内に
任意の流体を満たすことができるため、試料をより生体
内に近い状態で観察することが可能となるだけでなく、
例えば通常運動していて高分解能観察が不可能であった
細胞等の観察も生きたままの状態で可能となる。

【００３８】さらに、両チャンバー内の液，気体の成分
を変えて試料の化学的および生化学的変化を誘発し観察
することもでき、またチャンバー内の圧力差を変化させ
ることで試料に機械的変化を与えその変化を観察するこ
とも可能である。このように本発明を用いることによっ
て、これまで得ることが不可能であった種々の膜の様々
な状態における情報を入手することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る試料固定装置を説明す
る概略断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係る試料固定装置を説明す
る概略断面図である。

【図３】本発明の一実施例に係る試料固定装置を説明す
る概略断面図である。

【図４】従来のＳＸＭによる試料観察時の試料固定状態
を示す概略図である。

【符号の説明】

１，２１，４１：アパーチャ ２，２２，４２：メンブレン ３，２３，４３：パッキン ４，２４，４４：第１チャンバー ５，２５，４６：第２チャンバー ６，２６，４８：圧力調整装置 ２７，４９：流体供給装置 ８，２８，５０：位置調整装置 ９：窓 １０：レバーホルダー １１：ＡＦＭカンチレバー １２：ＡＦＭプローブ １３：レーザ光 １４：ポジションセンサ ２９：ＳＴＭ走査装置 ３０：ＳＴＭプローブ ４５：試料室 ４７：隔壁 ４７ａ：穴 １５，３１，５１：試料 １６，３６，５６：第１チャンバー本体 １７，３７，５７：第２チャンバー本体 ５８：隔壁移動

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 壁面の一部が開口部を有するメンブレン
   によって構成された第１チャンバーと、該第１チャンバ
   ーの外部で前記メンブレン上を気密に覆う第２チャンバ
   ーと、前記第１チャンバー内に置かれた試料が、その表
   面の一部を前記メンブレンの開口部より前記第２チャン
   バー内に露呈するよう開口部に押圧固定されるように前
   記第１チャンバー内と前記第２チャンバー内とに圧力差
   をもたせる圧力調整手段と、前記第２チャンバー内に配
   置された試料を走査するための探針に対する前記メンブ
   レンの開口部の位置を相対変位させる位置調整手段とを
   備えたことを特徴とする試料固定装置。
2. 【請求項２】 前記第１チャンバーと第２チャンバーと
   に流体を満たすための流体供給装置を備え、前記圧力調
   整手段によって前記流体供給装置から供給される流体の
   圧力を調整することを特徴とする前記請求項１に記載の
   試料固定装置。
3. 【請求項３】 前記位置調整手段が第１チャンバーと第
   ２チャンバーとを相対変位させるものであることを特徴
   とする前記請求項１に記載の試料固定装置。