WO2006011348A1 - 分子計測装置および分子計測方法 - Google Patents

分子計測装置および分子計測方法 Download PDF

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WO2006011348A1
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Takaharu Okajima
Hiroshi Tokumoto
Original Assignee
National University Corporation Hokkaido University
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G01Q60/42—Functionalisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures

Definitions

  • the conventional single-molecule measurement method is a technique in which a single polymer is sandwiched between a probe and a substrate, and molecules are stretched in a uniaxial direction.
  • molecules are stretched using one of the three axes (x, y, z axes) of the fine displacement element with reference to, for example, an atomic force microscope.
  • As a control in the uniaxial direction based on the apparatus for example, there is a control method in which the stretching is performed with a constant uniaxial motion speed or a force acting in the uniaxial direction.
  • there are few methods such as controlling the stretching direction of molecules using multiple axes.
  • An object of the present invention is to provide a molecular measurement apparatus and a molecular measurement method for measuring molecules by controlling the stretching direction of molecules in a uniaxial direction.
  • the molecular measurement apparatus of the present invention includes a pulling means for pulling up one end of a molecule existing on the substrate, a portion where the molecule is in contact with the substrate, and a portion where the molecule is separated from the substrate by pulling up And a control means for controlling the position of the pulling means on the vertical line with respect to the substrate.
  • molecules can be measured by controlling the stretching direction of the molecules in a uniaxial direction. wear.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an operation for stretching a molecule in one embodiment of the present invention.
  • FIG.7 Diagram showing an example of the configuration of a molecular measurement device
  • Examples of the lifting unit include a means used in a measuring method for deforming molecules, such as a cantilever, glass-one dollar, light radiation pressure (optical pipette), and the like.
  • Glass-One dollar is a glass rod that is processed into a thin needle shape.
  • the lifting section has a tip (tip portion, for example, a forcech probe) for lifting one end of the molecule.
  • the “peeling point” is a boundary between a portion where the molecule is in contact with the substrate and a portion where the molecule is separated from the substrate by pulling up.
  • the term “by pulling up” means that the molecule is stretched or the molecule is pulled up by the pulling portion.
  • the measurement amounts in the molecular measurement are “a movement amount of the molecular measurement device (for example, an atomic force microscope device)” and “a force in a direction perpendicular to the substrate”.
  • “Movement amount of molecular measurement device” is the distance between the substrate and the tip of the lifting part (for example, the cantilever probe), and “force in the direction perpendicular to the substrate” is the deflection amount of the lifting part.
  • the “movement amount of the molecular measuring device” can be said to be the movement amount of the device or the experimenter. Therefore, in order to make the movement amount of the molecular measurement device coincide with the displacement amount of the molecule, uniaxial stretching measurement is desired.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an operation for stretching a molecule by non-uniaxial stretching.
  • Fig. 2 when the molecule 900 is pulled, the direction in which it was pulled (stretching direction) and the direction in which the material was deformed (displacement vector) should be the same axis.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of the flow of the uniaxial stretching operation.
  • the length b Assume an object with four panels.
  • the serial panel shown in Fig. 3 is a virtual material.
  • the actual molecular peeling unit is expected to be continuous (discontinuous at the atomic level), and the model in Fig. 3 differs from the actual molecular chain.
  • the linear distance, ⁇ is the angle formed by the z-axis and the cantilever 200 probe.
  • the scanner 500 installs the substrate 100 and moves the substrate 100 in the X-axis, y-axis, and z-axis directions.
  • the deflection amount storage unit 512 stores the measured deflection amount and position information where the deflection amount is measured. For the measured deflection amount, a predetermined number of deflection amounts, for example, the number of deflection amounts in a predetermined range for extracting the minimum value is stored.
  • the position information is information for specifying the position of the probe when the deflection amount is measured.
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of the molecular measurement operation.
  • the operation of the control unit 510 will be mainly described.
  • the measurement determination unit 511 acquires the amount of deflection after moving the probe and stores it in the deflection amount storage unit 512 (S 14).
  • the measurement determination unit 511 determines whether the deflection amount is measured for the plurality of measurement points (S15). If not all measurement points have been measured (NO in S15), repeat the process from S13. When all measurement points are measured (YES at S15), the measurement judgment unit 511 extracts the minimum value of the measured deflection amount force (S16) and moves the probe to the minimum value position via the probe control unit 514. Is moved (S 17).
  • the measurement determination unit 511 determines whether the amount of deflection at each measurement point is within a predetermined range (S18). The predetermined range is held by the measurement determination unit 511.
  • the probe position force of the molecule before the peeling is also removed.
  • the shape, the length of the peeled molecule (the length or amount of the part that should be peeled if the molecular weight is divided), and the behavior of the adsorption force and adsorption / desorption time change from the fluctuation of the starting point can be known (acquisition of position information necessary for molecular manipulation).
  • This molecular space information becomes basic information in the molecular translation and rotation operation, and can be used for the production of molecular wiring.
  • the scanner 500 force or another scanner is installed, and the cantilever 200 is moved under the control of the computer 300.
  • the cantilever 200 is moved, and the relative position between the peeling point of the molecule 900 and the cantilever 200 is controlled by moving the substrate by controlling the scanner 500. Including.
  • FIG. 8 and FIG. 9 it can also be realized by a force electronic circuit or the like that describes an example of controlling the position of the probe using software.

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Abstract

　基板上に存在する分子を伸縮させる計測において、分子の延伸方向が常に一軸方向になるよう制御を行うことができる分子計測装置。本装置において、カンチレバー（２００）は、基板（１００）上に存在する分子（９００）の一端を引き上げ、分子計測装置に備えられる制御手段は、分子（９００）が基板（１００）に接している部分と引き上げにより分子（９００）が基板（１００）から離されている部分との境界である剥がれ点と、カンチレバー（２００）の位置とを、基板（１００）に対して垂直線上になるように制御する。  

Description

分子計測装置および分子計測方法
技術分野
[0001] 本発明は、分子計測装置および分子計測方法、特に、原子間力顕微鏡装置による 分子計測に関する。
背景技術
[0002] 1986年に開発された原子間力顕微鏡装置（Atomic Force Microscope,以下、「A FM」とも記す）（非特許文献 1)は、導体，半導体，絶縁体 (高分子，生体材料含む)の 表面形状を高分解能で観察することができる顕微鏡である。また、 AFMの一分子計 測法 (フォーススぺタトロスコピーとも呼ばれる）を用いることにより、一分子レベルの分 子間相互作用（分子間の結合力）（非特許文献 2、非特許文献 3)や分子内相互作用 (一分子のコンフオメーシヨン変化）（非特許文献 4、非特許文献 5)を調べることがで きる。
特 §午文献 1 : G. Binnig, C. F. Quate, andし h.Gerber, Atomic Force Microscope , Phys. Rev丄 ett. Vol. 56, 1986, p. 930
非特許文献 2 : Frisbie, C. D" Rozsnyai.L. F" Noy, A" Wrighton, M. S. and Lieber, C. M. "Functional Group Imaging by Chemical Force Microscopy , Science Vol.265, 1994, p. 2071
非特許文献 3 : Lee, G. U., Kidwell, D. A. and Colton, R. J. "Sensing Discrete Strept avidin— Biotin Interactions with Atomic Force Microscopy , Langmuir Vol. 10, 1994, p. 354-357
非特許文献 4 : K. Mitsui, M. Hara, A. Ikai, FEBS Lett. "Mechanical unfolding of alph a2-macroglobulin molecules with atomic force microscope", Vol. 385, 1996, p. 29 非特許文献 5 : M. Rief, M. Gautel, F. Oesterhelt, J. M. Fernandez, H. E. Gaub, "Re versible Unfolding of Individual Titin Immunoglobulin Domains by AFM", Science Vo 1. 276, 1997, p. 1109
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0003] 従来の一分子計測法は、探針と基板との間に高分子一個を挟みこんで、分子を一 軸方向に延伸させる手法であり、装置 (基板を設置している装置であり、例えば、原 子間力顕微鏡装置)を基準にして微動変位素子の 3軸 (x、 y、 z軸)の一つの軸を用 いて分子を延伸している。装置を基準とした一軸方向の制御としては、例えば、一軸 運動の速度や一軸方向に働く力を一定にして延伸させるといった制御法がある。し 力しながら、多軸を用いて分子の延伸方向を制御する等の方法はほとんどない。
[0004] また、基板上の鎖状分子一個を自在に並進 *回転させる技術は、今後の分子エレク トロ-タス (一個一個の分子を電子素子とみなす)の分子配線の構築をはじめ、様々 なボトムアップナノテクノロジーに利用できると考えられる。しかしながら、基板上の鎖 状分子一個を自在に並進 ·回転する操作技術は確立されていない。例えば、 DNA( デォキシリボ核酸）は分子細線として期待されている物質で、これまでにも DNAの形 状を制御する多くの試みが報告されているが、室温や溶液中で単一の分子を任意の 空間位置に移動し、また任意の形状に変形するような手法はない。
[0005] 従来の一分子計測法は、正確な一軸方向の延伸技術とは 、えな 、。また、原子間 力顕微鏡装置に不可避に存在する位置ドリフトが発生するため、一個の分子を継続 的に延伸するということは困難である。さらに、従来の一分子計測法では、分子がど のように剥がれる力 (分子が基板力 剥がれるポイント)や、基板上の分子の形状、等 を計測することができない。
[0006] 本発明の目的は、分子の延伸方向を一軸方向に制御して分子を計測する分子計 測装置および分子計測方法を提供することである。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明の分子計測装置は、基板上に存在する分子の一端を引き上げる引き上げ 手段と、前記分子が前記基板に接している部分と引き上げにより前記分子が前記基 板力 離されている部分との境界である剥がれ点と、前記引き上げ手段の位置とを、 前記基板に対して垂直線上になるように制御する制御手段と、を備える構成を採る。 発明の効果
[0008] 本発明によれば、分子の延伸方向を一軸方向に制御して分子を計測することがで きる。特に、基板上に存在する分子を伸縮させる計測において、相互に垂直に交わ る三軸微動機構を用いて、基板力 剥がれた分子の延伸方向を制御することができ る。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]本発明の一実施の形態における、分子を延伸する操作の一例を示す図
[図 2]非一軸延伸で分子を延伸する操作の一例を示す図
[図 3]—軸延伸の操作の流れの一例を模式的に表す図
圆 4]分子の張力と延伸距離との関係の一例を示す図
[図 5]L =0.7Lにおける、 Θに対する Fの変化を示す図
0 Z
[図 6]L =0.01Lにおける、 Θに対する Fの変化を示す図
0 Z
[図 7]分子計測装置の構成の一例を示す図
[図 8]制御部の構成の一例を示す図
[図 9]分子計測の動作の一例を示すフロー図
発明を実施するための最良の形態
[0010] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、この 明細書内で用いる用語を説明する。
[0011] 「引き上げ部」は、基板上に存在する分子の一端を引き上げる引き上げ手段である
。引き上げ部としては、例えば、カンチレバー、ガラス-一ドル、光放射圧 (光ピペット )等、分子を変形させる計測法で用いられる手段がある。ガラス-一ドルは、ガラス棒 の先端を細く針の形状に加工したものである。この明細書では、引き上げ部の一例と して、カンチレバーを用いて説明する力 カンチレバー以外のものを排除するもので はない。引き上げ部は、分子の一端を引き上げるための先端 (先端部分、例えば、力 ンチレバーの探針)を有する。
[0012] 「カンチレバー」は、先端の尖った探針が柔らカ 、レバーの端 (端部）につ 、たもの である。カンチレバーは、探針の先端、サンプルを基板から引き上げる。この明細書 では、カンチレバーと記した場合は、特に明記しない限り、探針を含む。また、探針（ 例えば、カンチレバーの探針)と記した場合は、探針の機能を明確にしたい場合であ る。 [0013] 「たわみ量」は、引き上げ部に働ぐ装置に対して垂直方向（z軸)の力を指し、装置 によって測定される。ここでいう装置は、引き上げ部を制御する分子計測装置であり、 例えば、カンチレバーの場合は、原子間力顕微鏡装置である。なお、この明細書内 では、装置の平面 (装置が制御する xy軸より形成される平面）とサンプルが存在する 基板の平面 (基板の xy軸より形成される平面）とは、平行であることを前提として説明 する。現実的には、装置の平面と基板の平面とは平行でない場合もあるが、誤差の 範囲であり無視できる範囲であると考える。また、光ピンセット法の場合、分子に付着 させた粒子 (例えば、ラテックス）を光によりトラップさせる。トラップさせた粒子の変位 のずれが、たわみ量に相当する。
[0014] 「分子」は、この明細書内では、測定の対象となる物質 (サンプル)である。分子は、 高分子 (鎖状)を想定している。分子は、剥がれ点を中心とした同径方向 rの関数に 対して、垂直方向の力が単調に増加する分子であり、例えば、後述するウォームライ ク鎖 (WLC)のモデルにあてはまる分子が対象になる。
[0015] 「剥がれ点」は、分子が基板に接している部分と、引き上げにより分子が基板力 離 されている部分との境界である。前記「引き上げにより」とは、分子を延伸することによ り、あるいは、引き上げ部により分子が引き上げられることによって、という意味である
[0016] 分子を操作する空間は、三軸、つまり xyz軸の各座標で特定できる座標空間で表さ れる。また、座標空間は、分子計測装置が決めることを前提とする。 x、 y軸は、装置あ るいは基板の平面を形成し、 z軸は、基板の平面に垂直であることを前提とする。
[0017] 原子間力顕微鏡装置と AFMとは同じ意味で用いる。原子間力顕微鏡装置は、分 子計測装置の一例である。
[0018] 「一軸延伸」とは、分子計測装置 (例えば、原子間力顕微鏡装置のカンチレバーの 探針)あるいは実験者が、ある物質 (サンプル)を引っ張ったとき、引っ張った方向 (延 伸方向）と物質が変形した方向（変位ベクトル)とが常に同じ軸になっていることを指 す。延伸測定では、探針で固定されている一端と基板に固定されている剥がれ点と を結ぶベクトルが常に同じ軸上 (z軸と平行）にあることを意味する。
[0019] 「非一軸延伸」とは、一軸延伸になっていないことを指す。 [0020] 「弾性測定」とは、ある物体 (サンプル）に働く張力と変位との関係を調べることであ る。分子の一軸延伸では、装置あるいは実験者が分子の両端を移動させた距離と、 分子の末端間の距離の変化量とがー致することになる。従って、装置あるいは実験 者の測定量 (力と移動量)から、分子の弾性を正確に測定できる。しかし、一軸延伸 ではない場合、実験者が移動させた量と分子の変位量とは一致しないので、弾性を 正確に評価できない。ただし、延伸中の分子の形状が分かれば評価できる。また、一 軸延伸でないと、装置あるいは実験者の力と分子に働く張力とは一致しない。
[0021] 分子計測における測定量は、「分子計測装置 (例えば、原子間力顕微鏡装置)の 移動量」と「基板に垂直な方向の力」である。「分子計測装置の移動量」は、基板と引 き上げ部の先端 (例えば、カンチレバーの探針)との距離であり、「基板に垂直な方向 の力」は、引き上げ部のたわみ量である。また、「分子計測装置の移動量」は、装置あ るいは実験者の移動量と言うことができる。従って、分子計測装置の移動量と分子の 変位量とを一致させるために、一軸延伸測定が望まれる。
[0022] 「引き上げ部（引き上げ部の位置)を制御する (移動する)」、という場合、（1)引き上 げ部自体を移動すること、（2)引き上げ部は固定されており、装置自体 (基板を設置 したスキャナ）を移動すること、これにより、基板に存在する分子を移動して、引き上げ 部と分子との位置関係を制御すること、あるいは、（3)引き上げ部と装置との両方を 移動すること、とを含む。（1)〜（3)により、引き上げ部と分子 (剥がれ点）との位置関 係が、一軸延伸になるように制御できればよい。具体的には、引き上げ部と分子 (剥 がれ点）との位置関係力 基板に対して垂直線上になるように制御する。
[0023] (実施の形態）
図 1は、本発明の一実施の形態における、一軸延伸で分子を延伸する操作の一例 を示す図である。本実施の形態では、分子計測装置の一例として、原子間力顕微鏡 を用いて説明する。図 1上段のように、まず、基板 100上に存在するランダムな分子（ 長鎖分子） 900の一端をカンチレバー 200で物理吸着 (物理的吸着)や共有結合等 によってつまみ上げる。次に、図 1下段のように、基板 100面 (xy面）に垂直な方向（z 軸方向）へカンチレバー 200に働く力が小さくなるよう、分子 900が基板 100から剥が れる位置 (剥がれ点）とカンチレバー 200の探針の位置と (剥がれ点と探針の位置の 間の相対位置）を制御する。
[0024] この制御は、分子 900の一端を引き上げた状態のカンチレバー 200と、分子 900が 基板 100から離されている剥がれ点とが、基板 100に対して垂直線上になるように制 御することであり、また、カンチレバー 200と基板 100との距離 (最短距離、 z軸と平行 し、カンチレバー 200と剥がれ点を結ぶ線の長さ）を一定に維持しながら、カンチレバ 一 200と剥がれ点との位置を制御する。探針は、分子 900を引き上げた z軸の座標点 と交差する、基板 100と平行な面上を移動し、たわみ量が最小となる点をさがす。模 式図 910は、分子 900を延伸中のカンチレバー 200を平面内（xy面）に移動したとき の、垂直方向（z軸方向）の力の大きさを表した投稿線の模式図の一例である。模式 図 910の極小点が分子の剥がれ点に対応することになる。
[0025] 図 2は、非一軸延伸で分子を延伸する操作の一例を示す図である。図 2では、分子 900を引っ張ったとき、引っ張った方向 (延伸方向）と物質が変形した方向（変位べク トル）とが同じ軸になって ヽな 、。
[0026] 次に、原子間力顕微鏡装置 (AFM)を用いて分子を延伸する場合の問題点につ いて説明する。 AFMには、ナノメートル精度で空間的な位置制御が可能な、 xyz軸 の三軸のスキャナが取り付けられている。空間座標（xyz軸）は、 AFMが決めている ため、装置 (AFM自身）が基準であるといえる。分子を延伸する場合、例えば xy平面 上に基板 100をおいて、探針と基板 100との距離 (z軸)を変化させる。装置からみれ ば、一軸（z軸）上を移動しているので、「装置を基準にして一軸方向に延伸している」 いうことができる。このような測定は、バルタ表面（表面上に一様に広がっている物体） の弾性測定では問題にならない。しかし、図 1、図 2で示したように、表面上に存在し て 、る鎖状高分子を基準にして考えた場合、一軸延伸されて 、るとは 、えな 、。
[0027] 正確な一軸延伸とは、分子を、延伸する軸 (z軸）と常に平行に、 xy平面と垂直に延 伸する、を意味する。つまり、従来の一分子延伸法では、図 2のようにカンチレバー 2 00を一軸的に移動（分子が剥がれ始めた点力 垂直方向に移動）して 、るので、分 子が一軸延伸されていな力つた。
[0028] 次に、鎖状分子を模式的に表したサンプルを用いて、一軸延伸について説明する 。図 3は、一軸延伸の操作の流れの一例を模式的に表す図である。図 3では、長さ b のパネが四つ繋がった物体を想定する。なお、図 3に示す直列パネは、仮想上の物 質である。実際の分子の剥がれる単位は連続的であることが予想され (原子レベルで は不連続であるが）、図 3のモデルと実際の分子鎖とは異なる。
[0029] X軸は、基板 100上の一方向であり、 y軸と共に、基板 100の平面を形成する。 x軸 は、物体の一端 (x=0)からの距離を示す。 z軸は、基板 100に対して垂直方向であ り、延伸方向と同じ方向である。図 3Aに示すように、パネの他端力 =4bの位置で、 z軸方向の力を 0から大きくしていって力 F1になったとき、直列につながった最も右側 のパネが剥がれたとする。パネの他端 (剥がれ点）は、 x= 3bに移動し、剥がれたバ ネをー軸延伸するためには、引っ張つていた位置を x=4bから x= 3b (剥がれ点）に 移動する必要がある（図 3B)。同様にして、力をさらに大きくしていき、力が F2になつ たときに、吸着しているパネがもう 1個剥がれたとする（図 3C)。この場合、剥がれ点は x= 3bから x= 2bに移動するので、カンチレバー 200の探針の位置も同様に移動す ることになる。
[0030] このように、カンチレバー 200の探針の xy平面（基板 100上）の延伸位置を可変さ せることで、ひも状の分子 (剥がれた部分)を一軸延伸させることが可能になる。カン チレバー 200の探針位置を剥がれ点に移動させることにより、カンチレバー 200の探 針の移動経路は、分子 900の吸着形状に一致することになる。従って、分子 900の 形状をイメージングせずに測定できることになり得る。図 3では、複数のパネのモデル を用 ヽて説明したが、図 3に示すように個々のパネが独立して 、る物質に限られる訳 ではなぐ連続している物質、個々の部分に分離できない (分離しにくい)物質を排除 するものではない。カンチレバー 200の探針力 分子 900の一端を引っ張りあげたと きに、分子 900のある一点（剥がれ点）が基板 100に接する状況が生じる場合であれ ば図 3を用いた技術を適用できる。
[0031] 次に、どのようにして分子の一端を引き上げているカンチレバー 200の探針を、剥 がれ点へ移動させるかについて説明する。
[0032] 多くの高分子の張力の振る舞いは、ウォームライク鎖 (WLC)のモデル式 (以下、「 WLCモデル」とも記す)で極めて良く近似されることが知られている。なお、分子 900 は、垂直 (z軸)方向の力を F、剥がれ点を中心とする同径方向を rとすると、 d ¥ / 3 r>0を満たす分子が対象となり、 WLCモデルはその一例である。図 4は、分子 90 0の張力と延伸距離との関係の一例を示す図である。 L (図示せず）は、分子 900の 全長、 Lは、探針の先端と基板 100との距離、 Rは、分子 900の一端と剥がれ点との
0
直線距離、 Θは、 z軸とカンチレバー 200の探針とによって形成される角度である。 F
Z
は、カンチレバー 200にかかる力（たわみ量:基板 100に対して垂直方向に働く力） である。図 4のように、全長力 の長鎖の分子 900の一端は、カンチレバー 200の探 針を用いて、基板 100から高さ Lの位置まで、角度 Θで引っ張られ、剥がれ点は、基
0
板 100に接している状態を考える。探針から、分子 900が基板 100から剥がれ点へ 力かる力 f (R)は、探針に力かる張力である。図 4において、 f (R)は、図面のスペース の関係で、探針力 離れた位置に記載してある。 WLCモデルにおける張力 f (R)は、 (式 1)で表される。
[0033] [数 1]
Figure imgf000010_0001
[0034] ここで、 kはボルツマン定数、 Tは温度、 さはクーン長である。従って、カンチレバ
B
一 200に働く垂直方向の力 F (L , 0 ) (観測可能な力）は、（式 2)によって表される
[0035] [数 2]
Figure imgf000010_0002
[0036] 図 5と図 6は、異なる Lにおける、 Θに対する Fの変化を示す図の一例である。縦
0 Z
軸は、 f (R) ξ cos Θ /k Τである。 f (R) cos Θは、 z軸方向に働く力を示す。縦軸は、
B
F ( 6 /k T)として規格ィ匕している。 ξ Zk Tは、定数として考えてもよい。図 5は、
Ζ Β Β
一例として、 L =0.7L、図 6は、 L =0.01Lの場合を示している。図 5に示すように大
0 0
きく延伸させた場合 (全長 Lの 70%垂直方向に延伸）、傾斜角度を大きくしていくと、
0
垂直方向の力が単調に増加することが分かる。また、図 6に示すように小さい延伸の 場合 (全長 Lの 1%垂直方向に延伸）においても、 Fが Θの単調増加関数であること
0 Z
がわカゝる。 [0037] 以上の結果から、 WLCモデルで記述される分子等 (分子に限られずサンプルにな る物体も含まれる）の場合、垂直方向の力が最小になるように制御することにより、剥 がれ点をカンチレバー 200探針の位置力も決定することが可能となる。また、ランダム な高分子 (WLCモデルの高分子）の場合には、 z軸方向の力を計測することによって 、分子 900が傾斜しているかどうかを判定できることを示している。分子 900の剥がれ 点とカンチレバー 200の探針によって延伸している点 (位置）とを結ぶ直線が、基板 1 00に対して垂直になるように制御することは、分子計測装置の z軸方向に働く力（力 ンチレバーのたわみ量）を用いて制御することである。
[0038] 次に、分子計測装置において、どのようにカンチレバー 200の探針を制御するか（ 移動するか）について説明する。
[0039] まず、分子計測装置の構成について説明する。図 7は、分子計測装置の構成の一 例を示す図である。図 7の分子計測装置は、原子間力顕微鏡装置を想定している。
[0040] 基板 100は、サンプルを配置する。サンプルは、溶媒の中に配置される場合もある 。基板 100は、 xy軸で特定される平面とする。
[0041] カンチレバー 200の探針は、サンプルを引き上げる。カンチレバー 200は、先端の 尖った探針を有し、探針の先端部分がサンプルの一端と接する接点となる。また、図 7では、カンチレバー 200は、固定されている例を示している。
[0042] コンピュータ 300は、スキャナ 500を制御すると共に、フォトディテクタ 700が測定し た情報を入力し、入力した情報力 たわみ量を読み取り、たわみ量に基づいてスキヤ ナ 500へフィードバックをかける。
[0043] モニタ 400は、コンピュータ 300から送られるデータをグラフ表示する。
[0044] スキャナ 500は、基板 100を設置し、基板 100を X軸、 y軸、 z軸方向へ移動させる。
スキャナ 500は、コンピュータ 300によって制御され、基板 100を移動させる。
[0045] レーザ装置 600は、カンチレバー 200へレーザ光を照射し、フォトディテクタ 700は 、カンチレバー 200背面で反射されたレーザ光を受け取り、受け取ったレーザ光から 取得する情報をコンピュータ 300へ出力する。図 7では、レーザ光は、点線で表して いる。
[0046] 次に、カンチレバー 200の探針と基板 100との間の相対位置を制御する制御部（制 御装置、制御手段）の一例について説明する。図 8は、制御部 510の構成の一例を 示す図である。ここでは、制御部 510は、コンピュータ 300上で動作するソフトウェア である場合を一例として説明する。制御部 510は、測定判定部 511、たわみ量記憶 部 512、測定点記憶部 513、および探針制御部 514を備える。
[0047] 測定判定部 511は、フォトディテクタ 700が測定した情報力も読み取ったカンチレ バー 200のたわみ量を取得し、取得したたわみ量を過去に測定したたわみ量と比較 し、最小値を検出し、探針を移動させてたわみ量を計測するかを判定する。
[0048] たわみ量記憶部 512は、測定したたわみ量と、前記たわみ量を測定した位置情報 とを記憶する。測定したたわみ量について、所定の数のたわみ量、例えば、最小値を 抽出するための所定の範囲のたわみ量の数を記憶する。位置情報は、たわみ量を 測定したときの、探針の位置を特定する情報である。
[0049] 測定点記憶部 513は、探針のある位置力も探針を移動させてたわみ量を測定する 測定点 (測定範囲、ある位置からの相対位置を特定する情報)を記憶する。分子計測 装置のユーザは、測定点を予め測定点記憶部 513へ記憶させておく。例えば、ある 位置力 探針を移動させてたわみ量を測定させる複数の測定点を複数記憶させてお く。測定点は、所定の円内や矩形の範囲内となることが想定される。
[0050] 探針制御部 514は、カンチレバー 200を移動させることをスキャナ 500へ指示し、 探針の位置を制御する。
[0051] 次に、分子計測の動作について、図 9を用いて説明する。図 9は、分子計測の動作 の一例を示すフロー図である。図 9では、制御部 510の動作を中心に説明する。
[0052] まず、カンチレバー 200の探針は、基板 100に配置された分子 900を吸着し (ある いは結合させ）、分子を基板 100から引き上げる（Sl l)。図 1の上段、図 2の上段は、 探針が分子 900を吸着した段階を示し、図 2の下段は、分子 900を基板 100から引き 上げた段階を示している。分子計測装置は、カンチレバー 200のたわみ量を測定す る。この段階での測定は、探針と基板 100との吸着の際に発生する負荷 (初期負荷） がたわみ量に反映されるため、所定の延伸距離を越えた後のたわみ量を測定値とす る。計測したたわみ量は、測定した位置情報とともに制御部 510の測定判定部 511 へ入力される（S 12)。 [0053] 測定判定部 511は、たわみ量記憶部 512へたわみ量と位置情報とを記憶する。次 に、測定判定部 511は、測定点記憶部 513に記憶された測定点へ探針を移動させ る指示を探針制御部 514へ出力し、探針制御部 514は、前記指示に基づいてスキヤ ナ 500を制御する（S13)。測定点記憶部 513には、複数の測定点が記憶されている 力 複数の測定点をどの順番で移動させるかは、予め決めておく。
[0054] 次に、測定判定部 511は、探針を移動した後のたわみ量を取得し、たわみ量記憶 部 512へ記憶する（S 14)。測定判定部 511は、前記複数の測定点についてたわみ 量を測定したかを判定する（S 15)。全測定点を測定していない場合 (S 15で NO)、 S 13からの処理を繰り返す。全測定点を測定している場合 (S 15で YES)、測定判定 部 511は、測定したたわみ量力 最小値を抽出し (S16)、探針制御部 514を介して 最小値の位置へ探針を移動させる（S 17)。測定判定部 511は、各測定点のたわみ 量が所定の範囲内であるかを判定する（S18)。前記所定の範囲は、測定判定部 51 1が保持している。所定の範囲内でない場合（S18で NO)、 S13からの処理を繰り返 す。所定の範囲内である場合 (S18で YES)、所定の時間経過後、あるいは、ィベン ト発生するまで待ち状態となる（S 19)。 S19に到達した結果を表しているの力 図 1 の下段の図ということになる。
[0055] S19は、分子計測装置に生じるドリフトの影響を定期的に除去する、あるいは、ィべ ントの発生 (例えば、衝撃を受けた場合など）による分子計測装置への影響を除去す ることになる。また、所定の時間を極短くして、常時探針の位置を制御することもでき る。また、 S19の処理を設けなくてもよい。また、イベントの発生には、カンチレバー 2 00を一軸延伸した結果、分子 900が基板 100から一部分剥がれた場合も含まれる。 この場合は、新たに、分子が剥がれた位置に探針を移動させるため、 S 14からの処 理を実施することになる。このように、分子 900の剥がれた位置へ探針を移動させ、 分子を一軸延伸する、という動作を繰り返すことにより、探針が移動した軌跡が、分子 の形状を示すことにつながる。
[0056] 図 9の動作の流れを探針の動きとしてみると、図 1あるいは図 2の上段の状態から図 2の下段の状態になり、さらに、図 1の下段の状態に移行する。また、図 3を用いて、 図 9の動作を当てはめると、図 3Aは、図 9の S11の前段階で、探針が分子 900を吸 着した状態であり、探針は、 x=4bの位置、図 3Bは、 S 11から S 18の処理を実施し、 探針を、分子 900の剥がれた点 x= 3bへ移動した状態、図 3Cは、さらに、 x= 3bを 基点として一軸延伸した結果、分子 900が更に剥がれ、 S14から S18の処理を実行 した結果、探針を x= 2bの位置へ移動した状態に相当する。また、 S14から S18の処 理において、カンチレバー 200は、図 4の z軸と垂直に交わる半径 rの平面上を移動さ せることが望ましい。従って、一度、 z軸のある座標点に引き上げた時、 z軸の座標を 変化させないで、 xy軸を変化させてたわみ量力 、さくなる位置を検出する。
[0057] このように、カンチレバー 200のたわみ量の最小値を検出し、分子 900が基板 100 力も剥がれる点へ探針を移動させることができる。結果として、ひも状 (鎖状)の物質 の形状を観察しなくても、 z軸方向の力（カンチレバーのたわみ量)から、物質の一軸 延伸を行い、物質の形状を把握する手法、装置を提供することができる。
[0058] また、本実施の形態の精度の高い分子計測装置ならびに方法により、以下の事項 について、改善されることが想定される。
[0059] まず、基板と探針に対して分子を常に一軸延伸を行うことが可能であるため、一分 子計測法の測定精度が向上する (一分子計測の精度向上)。
[0060] 次に、探針の位置は、分子が基板から剥がれる始点 (始めは、探針が分子と接触し た点となる）に常に一致するため、探針位置力も剥がされる前の分子の形状、剥がさ れた分子の長さ（分子量が分力つて ヽれば剥がされて ヽな 、部分の長さあるいは量） 、そして、始点の揺らぎから吸着力や吸着 ·脱着の時間変化の振る舞いを知ることが できる (分子操作に必要な位置情報取得)。これらの分子空間情報は、分子並進'回 転操作における基礎情報となり、分子配線の製作等に利用できる。
[0061] さらに、 AFM装置には機械的なドリフトが存在し、カンチレバー側と基板側との間 の位置が定常的に変化する。従って、通常の一分子計測法では、一個の分子を長 時間測定することは事実上不可能であった。しかし、本発明により、分子の位置を確 認することが可能になるため、ドリフトに追従させて、探針位置も変化させることが可 能となるため、これまでの問題が改善される (装置ドリフトの影響の除去)。また、ドリフ ト成分と分子に関する成分とを計測値力 分離できるため、計測値の信頼性が向上 する。さらに、ドリフトの精密測定が可能となる。 [0062] なお、上記説明では、分子計測装置の一例として、原子間力顕微鏡装置を用いて 説明したが、これに限られるわけではない。 （1)カンチレバー 200のような、先端の尖 つた探針が端部についた、レバー（レバー自体は柔らかい素材で形成され、柔軟性 を有する)を備え、（2)前記探針の先端が、サンプルと吸着 (接触、結合)して基板か らサンプルを引っ張りあげることが可能であり、（3)前記レバーにかかる力を計測可能 であり、（4)前記レバーの位置を微調整可能である、という構成を備えることにより分 子の測定が可能となる。また、単一分子延伸法として、光ピンセット法やガラスニード ルを用いた方法のような、分子を一軸的に延伸する装置に対しても、基本的に利用 可能である。
[0063] また、図 7から図 9の説明では、スキャナ 500を xyz軸方向へ制御して移動すること により基板 100を xyz軸方向へ移動させる例を説明した力 カンチレバー 200の位置 を微調整する xyz軸ともに移動させる構成を排除するものではない。基板 100を設置 するスキャナ 500によって、カンチレバー 200が分子 900の剥がれる位置の上になる ように微調整することも可能である。また、スキャナ 500は、 x、 y軸方向の移動を制御 し、カンチレバー 200を z軸方向へ移動させるようにすることも可能である。カンチレバ 一 200を移動させる場合は、スキャナ 500力 、あるいは、別のスキャナを設置し、コ ンピュータ 300からの制御により、カンチレバー 200を移動させる。また、カンチレバ 一 200を移動させる、とした場合も、カンチレバー 200を移動させる場合と、スキャナ 500を制御して基板を動かすことによって、分子 900の剥がれ点とカンチレバー 200 との相対位置を制御する場合とを含む。
[0064] 図 8、図 9では、ソフトウェアを用いて、探針の位置を制御する例を説明した力 電子 回路等によって実現することも可能である。
[0065] また、図 9の S13から S18の処理は、プログラムによって実現 (制御処理部分の制御 の実行）することができる。プログラムは、コンピュータ 300へロードされ、中央処理演 算装置 (CPU)の制御のもと、記憶領域を使用して実行される。また、前記プログラム は、記録媒体へ格納することが可能である。
[0066] 本明細書は、 2004年 7月 30日出願の特願 2004— 224573に基づく。この内容は すべてここに含めておく。 産業上の利用可能性
本発明に係る分子計測装置並びに方法は、精度が高いことより、高分子材料のナ ノ計測装置の精密計測法、分子を操作する場合の基礎技術、装置のナノレベルのド リフト計測、長鎖高分子を一分子レベルで長時間測定するために必要な技術などへ 用いるのに好適である。

Claims

請求の範囲
[1] 基板上に存在する分子の一端を引き上げる引き上げ手段と、
前記分子が前記基板に接している部分と引き上げにより前記分子が前記基板から 離されている部分との境界である剥がれ点と、前記引き上げ手段の位置とを、前記基 板に対して垂直線上になるように制御する制御手段と、
を備える分子計測装置。
[2] 前記制御手段は、前記分子の一端を引き上げた状態の引き上げ手段と前記基板と の距離を一定に維持しながら、前記引き上げ手段の位置を制御する、請求項 1記載 の分子計測装置。
[3] 前記制御手段は、前記引き上げ手段のたわみ量が小さくなる位置を検知し、検知 した位置へ前記引き上げ手段を移動する、請求項 1記載の分子計測装置。
[4] 前記制御手段は、たわみ量が小さくなる位置を検知することを繰り返し、たわみ量 が最小となる位置に前記引き上げ手段を移動する、請求項 3記載の分子計測装置。
[5] 前記引き上げ手段は、カンチレバーである、請求項 1記載の分子計測装置。
[6] 前記引き上げ手段は、光ピンセット (光放射圧)である、請求項 1記載の分子計測装 置。
[7] 前記引き上げ手段は、ガラスニードルである、請求項 1記載の分子計測装置。
[8] 引き上げ手段を用いて、基板上に存在する分子の一端を引き上げる工程と、
前記分子が前記基板に接している部分と引き上げにより前記分子が前記基板から 離されている部分との境界である剥がれ点と、前記引き上げ手段の位置とを、前記基 板に対して垂直線上になるように制御する工程と、
を備える分子計測方法。
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