WO2006028135A1 - ゲル基板材料を用いた分子測定装置および分子測定方法 - Google Patents

ゲル基板材料を用いた分子測定装置および分子測定方法 Download PDF

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polymer
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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 present invention relates to a molecular measurement device and a molecular measurement method, and more particularly to a molecular measurement device and a molecular measurement method for measuring a single molecule (or a plurality of molecules) using an atomic force microscope V.
  • Atomic Force Microscope developed in 1986 (Non-Patent Document 1) observes the surface shape of conductors, semiconductors, and insulators (including polymers and biomaterials) with high resolution. It is a microscope that can do.
  • AFM Atomic Force Microscope
  • Non-Patent Document 3 molecular interactions between molecules (binding force between molecules)
  • Non-patent document 4 molecules Intramolecular interaction (conformational change of one molecule)
  • a single polymer is sandwiched between the probe and the solid substrate, and the molecules are stretched in the uniaxial direction.
  • Non-Patent Document 2 Frisbie, C. D., Rozsnyai, L. F., Noy, A., Wrighton, M. S. & Lieber, C. M. "Functional Group Imaging by Chemical Force Microscopy, Science Vol. 265, 1 994, p. 2071
  • Non-Patent Document 3 Lee, GU, Kidwell.DA & Colton, RJ "Sensing Discrete Streptavi din— Biotin Interactions with Atomic Force Microscopy", Langmuir Vol. 10, 1994, p. 354-357
  • Non-Patent Document 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
  • Non-Patent Document 5 M Rief, M. Gautel, F. Oesterhelt, JM Fernandez, HE Gaub, "Rev ersible Unfolding of Individual Titin Immunoglobulin Domains by AFM", science Vol. 276, 1997, p. 1109
  • Non-Patent Document 6 Yamamoto, Y. Tsujn, and T. Fukada, "Atomic Force Microscopic Study of Stretching a Single Polymer Chain in a Polymer Brush, Macromolecules 33, 20 00, p. 5995
  • An object of the present invention is a molecular measurement apparatus and a molecular measurement method capable of measuring an interaction between molecules, and in particular, a non-covalent interaction between polymer chains is measured at a molecular level. It is intended to provide a molecular measurement apparatus and a molecular measurement method capable of constructing an experimental system.
  • the molecular measurement apparatus of the present invention is a gel substrate material comprising a gel containing a solvent in a network structure and molecular chains, a pulling means for pulling up the molecular chains, and the pulling means when pulling up the molecular chains. And measuring means for measuring the force applied to the.
  • a molecular measuring apparatus capable of measuring an interaction between molecules and It is possible to provide a molecular measurement method, in particular, an experimental system for measuring a non-covalent interaction between polymer chains at the molecular level.
  • a molecular measurement method in particular, an experimental system for measuring a non-covalent interaction between polymer chains at the molecular level.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example in which a molecular chain is pulled up from a gel substrate material using a molecular measurement device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a force curve measured with a sample in which N-isopropylacrylamide monomer is embedded in a gel as an example of the present invention.
  • FIG. 6 A diagram showing an example of a force curve measured on a sample with a monomer embedded in a gel as a comparative example.
  • a case where an atomic force microscope is used as an example of a molecular measurement device will be described as an example.
  • the lifting means binds the molecular chain to the lifting part, and the gel substrate material force also lifts the molecular chain.
  • a cantilever will be described as an example of the lifting means.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example in which a molecular chain is pulled up from a gel substrate material using a molecular measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the cantilever 100 binds to the molecular chain 210 and pulls up the molecular chain 210.
  • the probe 110 is a part that binds to the molecular chain 210.
  • the gel substrate material 200 includes a molecular chain 210 and a gel 220 containing a solvent in a network structure.
  • the molecular chain 210 may be any molecular chain that can be embedded in the gel 220.
  • the molecular chain 210 and the material to be gel 220 are mixed, and the latter is gelled to produce the gel substrate material 200.
  • the gel substrate material 200 can be generated by mixing the molecular chain 210, a monomer as a gel material, and a cross-linking agent, and allowing the monomer to gel with the cross-linking agent.
  • the gel substrate material 200 is generated by mixing two types of polymers (one with molecular chain 210 and the other with gel 220) and crosslinking only one type (using radiation, etc.) It is also possible to do. Furthermore, other adjustment methods may be used.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of the gel substrate material 200, which is different from the actual embodiment.
  • the cantilever 100 pulls up the molecular chain 210 by covalent bond or physical adsorption (physical adsorption).
  • the probe 110 is chemically modified and covalently bonded to the molecular chain 210. In this way, the cantilever 100 pulls up the molecular chain 210 bound to the probe 110.
  • FIG. 2 is a diagram showing a state where the cantilever 100 pulls up the molecular chain 210.
  • the cantilever 100 is farther from the gel substrate material 200 than in the position of FIG. Further, the molecular chain 210 is drawn from the gel 220.
  • FIG. 3 is an example of a diagram showing a measurement state, and the AFM apparatus is omitted.
  • the polymer network constituting the gel 220 is omitted, and the outline of the gel substrate material 200 and the molecular chain 210 are shown.
  • FIG. 3 shows a state where the gel substrate material 200 is contained in the solvent 400.
  • the solvent 400 water or another solvent is used. The solvent 400 is dropped on the gel substrate material 200 and encloses the gel substrate material 200 and the cantilever 100.
  • the gel substrate material 200 is disposed on the solid substrate 300.
  • the film thickness of the gel substrate material 200 is sufficiently larger than the molecular chain 210 and is so thick that the probe 110 is not affected by the solid substrate 300 when the probe 110 contacts the gel substrate material 200.
  • the solid substrate 300 is a substrate made of a solid such as glass or metal.
  • the gel substrate The material 200 (in particular, the gel 220 contained in the gel substrate material 200) will also serve as a buffer between the solid substrate 300. That is, the presence of the gel substrate material 200 prevents the probe 110 from coming into contact with the solid substrate 300 when the probe 110 is bonded to the molecular chain 210. For this reason, it is possible to prevent the probe 110 from being damaged and to maintain the chemical modification state of the probe 110.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a concept of a standard single molecule stretching measurement method (force petatroscopy).
  • FIG. 4 is a diagram shown for comparison with FIGS.
  • FIG. 4 shows a state in which one molecular chain 500 is sandwiched between the surface of the solid substrate 300 and the probe 110 and then stretched.
  • the solid substrate 300 is a substrate made of a solid such as glass or metal.
  • the probe 110 of the cantilever 100 comes into contact with the solid substrate 300 and binds to the molecular chain 500.
  • the force applied to the cantilever 100 includes the tension for pulling up the molecular chain 500 and the adsorption force when the molecular chain 500 is peeled off by the solid substrate 300. become.
  • the interaction between the polymer chains that is, the molecular chain It is possible to measure the interaction between 210 and the polymer network constituting the gel 220.
  • the interaction associated with the relative motion between the molecular chain and the polymer chain of the gel network is measured.
  • the pathway through which the molecular chain is drawn is related to the network structure constituting the gel, it is expected that knowledge on the network structure can be obtained from the measurement of the molecular chain stretch.
  • the gel may be a synthetic gel obtained by gelling a polymer monomer or a natural (biological) gel (not prepared by polymerizing a monomer).
  • Natural gels include, for example, collagen (gelatin) and agar.
  • the molecular chain 210 and the gel 220 may be in the case where one of the physical properties is known or the case where both of the physical properties are unknown.
  • a comparison is made between each of the known ones and a plurality of unknown ones, or a plurality of unknown ones. No It is also possible to detect the characteristics of a plurality of unknown substances.
  • the interaction between polymers can be predicted by accumulating the results of various measurements.
  • the interaction between polymers can be predicted by referring to the results measured in the past.
  • the force described using the cantilever 100 of the atomic force microscope as an example of the lifting means is not limited to this.
  • it can be applied to optical tweezers (light radiation pressure) used in the optical tweezer method or glass-one dollar.
  • a protein can be used as the molecular chain 210.
  • one end of the protein may be fixed to the gel 220 and the other end may be combined with the probe 110 and pulled up for measurement.
  • Example 1 N-isopropylacrylamide monomer (NIPA monomer) is used as the polymer (molecular chain 210 in FIG. 1), and acrylic amide monomer is used as the gel (gel 220 in FIG. 1).
  • NIPA monomer N-isopropylacrylamide monomer
  • acrylic amide monomer is used as the gel (gel 220 in FIG. 1).
  • ⁇ , ⁇ '-methylenebisacrylamide was used as the agent.
  • Both the polymer and gel embedded in the gel were prepared by radical polymerization.
  • the polymer to be embedded in the gel is prepared by dissolving ⁇ monomer (700 mM) and ammonium sulfate (400 mgZL) in pure water, ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetramethylethylenediamine (2.4 mLZL) Then, radical polymerization was started at room temperature. After reacting for 24 hours, dialysis was performed and finally freeze-drying was performed.
  • the gel and the lyophilized polymer were dissolved in pure water.
  • Acrylamide monomer was 700 mM, and the amount of polymer freeze-dried was 10-50 mM.
  • ⁇ , ⁇ '-methylenebisacrylamide (8.6mM) and sulfuric acid After dissolving moum (400 mgZL), ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetramethylethylenediamine (2.4 mL / L) was added thereto.
  • This solution was immediately inserted between two glass substrates having a gap of about 50 m (only one glass substrate was treated with Bind-Silane (registered trademark)) to be gelled. After reacting for 24 hours, the glass substrate not treated with bound silane was peeled off from the gel.
  • the generated gel substrate material was washed in a large amount of pure water for several days.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a force curve measured with a sample in which a monomer of N-isopropylacrylamide is embedded in a gel.
  • the horizontal axis indicates the distance between the probe 110 and the substrate (gel substrate material 200), and the vertical axis indicates the relative value of the displacement amount of the cantilever 100.
  • the displacement of the cantilever indicated by the dotted line is an example of a force curve when the cantilever 100 is moved closer to the gel substrate material 200.
  • the displacement of the cantilever indicated by the solid line is the displacement when the cantilever 100 is separated from the gel substrate material 200. It is an example of a force curve.
  • the right side force is also directed toward the left side, and the probe 110 is moved closer to the gel substrate material 200.
  • the left side force is also directed toward the right side and the probe 110 is moved. It is necessary to move the gel away from the gel substrate material 200.
  • the dotted and solid arrows indicate the direction of time passage.
  • a large downward peak with a solid line indicates that, after the probe 110 is pushed into the gel substrate material 200, the probe 110 and the gel substrate material 200 are adsorbed. It shows the place that has moved to a distant state. It can be seen that after this adsorption, the film is stretched with a constant force of about 1 m (interaction area in the figure). This can be judged from the fact that there is a difference in the displacement value so that it is parallel between the solid line and the dotted line. Since tension does not depend on distance, this force is not the tension due to the polymer itself being stretched, but rather the mutual motion due to the relative motion (including friction) when the polymer is pulled out of the gel force. This is considered to be an action (non-binding intermolecular interaction). Thus, by using the gel substrate material 200, it is possible to measure the mechanical interaction between the polymers. [0031] (Comparative Example 1)
  • Example 1 a gel substrate material was created (or prepared) using only the gel without embedding the polymer in the gel as in Example 1.
  • the gel substrate material preparation method and AFM measurement are the same as in Example 1.
  • Figure 6 shows the measurement results.
  • Example 1 and Comparative Example 1 are the power of whether or not the polymer composed of the NIPA monomer is contained in acrylamide, that is, the acrylamide solution (solution before gelation). The only difference is in the ability to gel with a small amount of NIPA polymer.
  • the effect of adding a small amount of NIPA polymer on the structure of the completed acrylamide gel can be ignored.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a force curve measured on a sample with a monomer embedded in the gel!
  • the horizontal and vertical axes are the same as in FIG. 5, and the dotted line and the solid line also indicate the same operation as in FIG. In FIG. 6, compared to FIG. 5, the interaction region is not detected.
  • the probe 110 is not bonded to the polymer and the polymer is not pulled up, the force curve similar to that in FIG. It is possible to draw the power by experiment.
  • a gel substrate material 200 which is a combination of a molecular chain and a gel other than those described above, can be prepared.
  • the shape of the force curve shown in FIG. Is also different.
  • the force curve differs depending on the interaction between the strand 210 and the gel 220.
  • the force curve may be different depending on the concentration or measurement environment (for example, temperature or pressure). Is done.
  • measurements that change the withdrawal speed (speed dependence) are also expected to draw different force curves.
  • the molecular measurement apparatus and the molecular measurement method according to the present invention are capable of investigating the interaction between molecular chains, and are used in an experimental system for measuring the interaction between a polymer and a polymer. Is preferred.
  • the physical properties of the gel-like substrate can be examined using the extracted molecule as a probe. It is also expected to be useful as an experimental system for measuring molecules whose properties are likely to change on a solid surface.
  • the probe can be prevented from being destroyed and the state of chemical modification can be maintained.

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Abstract

　分子間の相互作用を測定することができる、特に、高分子鎖間の非共有結合的相互作用を分子レベルで測定するための実験系を構築することができる分子測定装置。本装置において、ゲル基板材料（２００）は、網目構造に溶媒を含んだゲル（２２０）と分子鎖（２１０）とからなる。カンチレバー（１００）は、分子鎖（２１０）と共有結合または物理的結合によって結合し、この結合によって分子鎖（２１０）を引き上げる。そして、カンチレバー（１００）が分子鎖（２１０）を引き上げるときにかかる力を測定し、ゲル（２２０）と分子鎖（２１０）との間に働く高分子鎖間相互作用を検出する。

Description

明 細 書
ゲル基板材料を用いた分子測定装置および分子測定方法
技術分野
[0001] 本発明は、分子測定装置および分子測定方法に関し、特に、原子間力顕微鏡を用 V、て単一分子 (または複数個の分子)を測定する分子測定装置および分子測定方法 に関する。
背景技術
[0002] 1986年に開発された原子間力顕微鏡 (Atomic Force Microscope:AFM) (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。従来の一分子計 測法では、探針と固体基板との間に 1個の高分子を挟み込んで、分子を一軸方向に 延伸させる手法がとられている。
[0003] 高分子工業において、バルタ材料の粘性 (高分子間相互作用、高分子'溶媒間相 互作用）および弾性的性質 (高分子内および高分子間相互作用）を理解することは 基本的に重要である。そして、今後の材料の微小化けノサイズ化）に伴い、複数個 の分子または 1個の分子の「高分子間」相互作用を測定したいという要求はさらに高 まってくると考えられる。
特干文献 1 : G. Binnig, し. F. Quate, ana Ch.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. & Lieber, C. M. "Functional Group Imaging by Chemical Force Microscopy , Science Vol.265, 1 994, p. 2071
非特許文献 3 : Lee, G. U., Kidwell.D. A. & Colton, R. J. "Sensing Discrete Streptavi din— 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, "Rev ersible Unfolding of Individual Titin Immunoglobulin Domains by AFM", science Vol. 276, 1997, p. 1109
非特許文献 6 :Yamamoto, Y. Tsujn, and T.Fukada, "Atomic Force Microscopic Stud y of Stretching a Single Polymer Chain in a Polymer Brush , Macromolecules 33, 20 00, p. 5995
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] しかしながら、これまでの 1分子レベルの分子間相互作用の研究は、主に生体試料 を用いた特異的相互作用の測定に限られており、高分子鎖間の非結合的な相互作 用を一分子レベルで計測する手法は確立していない。また、高分子間相互作用を測 定できる可能性として、固体基板上に高分子鎖をグラフトさせる系を考えることもでき るが (非特許文献 6)、このような系においても、高分子鎖間相互作用の計測は容易 ではな!/、と考えられて 、る。
[0005] 本発明の目的は、分子間の相互作用を測定することができる分子測定装置および 分子測定方法であって、特に、高分子鎖間の非共有結合的相互作用を分子レベル で測定するための実験系を構築することができる分子測定装置および分子測定方法 を提供することである。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明の分子測定装置は、網目構造に溶媒を含んだゲルと分子鎖とからなるゲル 基板材料と、前記分子鎖を引き上げる引き上げ手段と、前記引き上げ手段が前記分 子鎖を引き上げるときにかかる力を測定する測定手段と、を備える構成を採る。
発明の効果
[0007] 本発明によれば、分子間の相互作用を測定することができる分子測定装置および 分子測定方法、特に、高分子鎖間の非共有結合的相互作用を分子レベルで測定す るための実験系を提供することができる。分子鎖をゲル内から延伸することにより、ゲ ルの網目構造を構成する高分子鎖とゲルに埋め込まれた分子鎖 (高分子鎖)との間 の相互作用を安定に測定することができる。また、引き抜く高分子鎖をプローブとして 、網目構造に関する情報を分子レベルで計測することも可能となる。
図面の簡単な説明
[0008] [図 1]本発明の一実施の形態に係る分子測定装置を用いて、ゲル基板材料から分子 鎖を引き上げる例を示す図
[図 2]カンチレバーが分子鎖を引き上げている状態を示す図
[図 3]測定状態を示す図
[図 4]一分子延伸測定法 (フォーススぺタトロスコピー）の概念の一例を示す図
[図 5]本発明の実施例としてゲル中に N—イソプロピルアクリルアミドのモノマーを埋 め込んだ試料で測定されたフォースカーブの一例を示す図
[図 6]比較例としてゲル中にモノマーを埋め込んで ヽな 、試料で測定されたフォース カーブの一例を示す図
発明を実施するための最良の形態
[0009] (実施の形態）
本実施の形態では、分子測定装置の一例として原子間力顕微鏡を用いる場合を 一例として説明する。引き上げ手段は、分子鎖を引き上げ部に結合して、ゲル基板 材料力も分子鎖を引き上げる。以下の説明では、引き上げ手段の一例として、カンチ レバーを用いて説明する。
[0010] 図 1は、本発明の一実施の形態に係る分子測定装置を用いて、ゲル基板材料から 分子鎖を引き上げる例を示す図である。
[0011] カンチレバー 100は、分子鎖 210と結合して、分子鎖 210を引き上げる。探針 110 は、分子鎖 210と結合する部分である。
[0012] ゲル基板材料 200は、分子鎖 210と、網目構造に溶媒を含んだゲル 220とからなる
。分子鎖 210は、ゲル 220に埋め込むことができる分子鎖であればよい。分子鎖 210 とゲル 220にする材料とを混ぜて、後者をゲル化させてゲル基板材料 200を生成す る。例えば、分子鎖 210と、ゲルにする材料としてのモノマーと、架橋剤とを混ぜて、 モノマーを架橋剤によってゲルィ匕させて、ゲル基板材料 200を生成することができる 。また、二種類の高分子（一方が分子鎖 210となり他方がゲル 220となるもの）を混ぜ 、片方の種類だけを (放射線などを用いて)架橋するという方法によって、ゲル基板材 料 200を生成することも可能である。更に、その他の調整方法を用いてもよい。
[0013] 図 1では、分子鎖 210とゲル 220とを区別するために、便宜的に線の太さを変えて 表し、ゲル 220を架橋させた部分を黒で塗りつぶした丸印で示している。また、分子 鎖 210またはゲル 220を示す線力 他の分子鎖 210またはゲル 220の線の両側で切 れている部分は、前者の分子鎖 210またはゲル 220が、後者の分子鎖 210またはゲ ル 220の下側をくぐっている様子を表している。図 1は、ゲル基板材料 200の構成を 示すために模式的に表したものであり、実際の態様とは異なる。また、後述する図 2、 図 3にお 、ても同様に模式的に表して!/ヽる。
[0014] カンチレバー 100は、分子鎖 210を共有結合や物理吸着 (物理的吸着)などによつ て引き上げる。例えば、探針 110をィ匕学修飾し分子鎖 210と共有結合させる。このよ うにして、カンチレバー 100は、探針 110に結合した分子鎖 210を引き上げる。
[0015] 図 2は、カンチレバー 100が分子鎖 210を引き上げている状態を示す図である。図 2では、カンチレバー 100は、図 1の位置に比べてゲル基板材料 200から離れている 。また、分子鎖 210は、ゲル 220から引き出された状態となっている。
[0016] 図 3は、測定状態を示す図の一例であり、 AFM装置は除いて示している。図 3では 、ゲル 220を構成する高分子網目は省略し、ゲル基板材料 200のアウトラインと分子 鎖 210とを示している。一方、図 1、図 2では示していなかつたが、図 3は、ゲル基板 材料 200が溶媒 400の中に入っている様子を示している。溶媒 400としては、水、そ の他の溶媒を用いる。溶媒 400は、ゲル基板材料 200の上カゝら滴下され、ゲル基板 材料 200とカンチレバー 100を包み込むことになる。
[0017] ゲル基板材料 200は、固体基板 300上に配置 (ィ匕学的に固定)される。ゲル基板材 料 200の膜厚は、分子鎖 210よりも十分大きぐかつ、ゲル基板材料 200に探針 110 が接触したときに、探針 110が固体基板 300の影響を受けないほど厚い。固体基板 300は、ガラスや金属などの固体でできた基板である。図 3に示すように、ゲル基板 材料 200 (特に、ゲル基板材料 200に含まれるゲル 220)は、固体基板 300との間の 緩衝剤の役割も果たすことになる。すなわち、ゲル基板材料 200の存在により、探針 110が分子鎖 210と結合する際に、探針 110が固体基板 300と接触しなくなる。この ため、探針 110の破損を防止し、もって探針 110の化学修飾状態を保持することが 可能となる。
[0018] 図 4は、標準の一分子延伸測定法 (フォーススぺタトロスコピー）の概念の一例を示 す図である。図 4は、図 1〜図 3との比較のために示した図である。図 4は、固体基板 300表面と探針 110との間に 1個の分子鎖 500を挟み込んだ後、延伸させた状態を 示している。固体基板 300は、ガラスや金属などの固体でできた基板である。図 4で は、カンチレバー 100の探針 110は、固体基板 300に接触して分子鎖 500と結合す ることになる。また、分子鎖 500は、固体基板 300に吸着しているため、カンチレバー 100にかかる力には、分子鎖 500を引き上げる張力や、分子鎖 500が固体基板 300 力 剥がれる時の吸着力が含まれることになる。
[0019] 図 1〜図 3に示す分子測定方法によれば、カンチレバー 100にかかるたわみ量（引 き上げ手段にかかる力）を測定することにより、高分子鎖間の相互作用、すなわち、 分子鎖 210とゲル 220を構成する高分子網目との間の相互作用を測定することが可 能となる。ゲル網目に埋め込まれた分子鎖を延伸することにより、分子鎖とゲル網目 の高分子鎖との間の相対運動に伴う相互作用が測定される。また、分子鎖が引き抜 かれる経路は、ゲルを構成する網目構造に関係するため、分子鎖の延伸測定から、 網目構造に関する知見が得られると予想される。
[0020] なお、ゲルは、高分子モノマーをゲルイ匕させた合成ゲルや、天然（生体)ゲル (モノ マーを重合して作成しないもの）でもよい。天然ゲルには、例えば、コラーゲン (ゼラ チン)や寒天などが含まれる。
[0021] また、分子鎖 210とゲル 220は、いずれか一方の物性が既知である場合であっても 、または、両方の物性が未知である場合であってもよい。例えば、一方について物性 が既知であるものを用いて、他方の物性を測定することも可能である。また、物性が 既知であるものを用いて、物性が未知の複数のものを測定する場合には、既知のも のと、複数の未知のもののそれぞれとを比較することにより、または、複数の未知のも の同士を比較することにより、複数の未知の物質の特性を検出することも可能となる。 また、様々なものを測定した結果を蓄積することにより、高分子間相互作用を予測す ることが可能になることも考えられる。さらに、未知のもの同士を用いて測定した結果 についても、過去に測定した結果を参照することにより、高分子間相互作用を予測す ることが可會 こなることも考えられる。
[0022] なお、本実施の形態では、引き上げ手段の一例として原子間力顕微鏡のカンチレ バー 100を用いて説明した力 本発明はこれに限られるわけではない。例えば、光ピ ンセット法で用いる光ピンセット（光放射圧）、または、ガラス-一ドルに適用することも 可能である。
[0023] また、分子鎖 210として、タンパク質を用いることも可能である。この場合、ゲル 220 にタンパク質の一端を固定して、他端を探針 110と結合させて引き上げて測定しても よい。
実施例
[0024] 次に、具体的に測定した実施例について説明する。し力しながら、本発明は以下に 説明する実施例に限定されるわけではない。
[0025] (実施例 1)
実施例 1では、一例として、ポリマー（図 1の分子鎖 210)として、 N—イソプロピルァ クリルアミドモノマー（NIPAモノマー）を用い、ゲル（図 1のゲル 220)として、アクリル アミドモノマーを用い、架橋剤として、 Ν,Ν'—メチレンビスアクリルアミドを用いた。
[0026] まず、ゲルに埋め込むポリマーの調製方法について説明する。ゲルに埋め込むポ リマーおよびゲルは、共にラジカル重合により作製した。ゲルに埋め込むポリマーは 、純水中に、 ΝΙΡΑモノマー（700mM)と硫酸アンモ-ゥム（400mgZL)を溶解させ て、 Ν,Ν,Ν',Ν'—テトラメチルエチレンジァミン（2.4mLZL)を添カ卩してラジカル重 合を室温で開始した。 24時間反応させた後、透析を行い、最終的に凍結乾燥を行つ た。
[0027] 次に、ゲル基板材料の調製方法につ!、て説明する。ゲルと凍結乾燥させたポリマ 一とを純水中で溶解させた。アクリルアミドモノマーを 700mM、凍結乾燥させたポリ マー量を 10〜50mMとした。 Ν,Ν'—メチレンビスアクリルアミド（8.6mM)と硫酸アン モ -ゥム（400mgZL)を溶解させた後、 Ν,Ν,Ν',Ν'—テトラメチルエチレンジァミン（ 2.4mL/L)を添カロした。この溶液を、 50 m程度のすき間をもつ 2枚のガラス基板（ 1枚のガラス基板のみバインドシラン (Bind-Silane) (登録商標）で処理）の間に直ちに 挿入し、ゲル化させた。 24時間反応させた後、バインドシランで処理していないガラ ス基板をゲルカゝら剥がした。生成したゲル基板材料を大量の純水中で数日洗浄した
[0028] 次に、原子間力顕微鏡による測定 (AFM測定）について説明する。十分洗浄した ゲル基板材料を AFMステージに載せて、純水中でフォースカーブの測定を行った。 測定結果を図 5に示す。
[0029] 図 5は、ゲル中に N—イソプロピルアクリルアミドのモノマーを埋め込んだ試料で測 定されたフォースカーブの一例を示す図である。横軸は、探針 110と基板 (ゲル基板 材料 200)との間の距離を示し、縦軸は、カンチレバー 100の変位量の相対値を示し ている。点線で示すカンチレバーの変位量は、カンチレバー 100をゲル基板材料 20 0に近づけて行く時のフォースカーブの一例であり、実線で示すカンチレバーの変位 量は、カンチレバー 100をゲル基板材料 200から離す時のフォースカーブの一例で ある。図中の点線では、右側力も左側へ向力つて、探針 110をゲル基板材料 200に 近づける動作を行っていることになり、図中の実線では、左側力も右側へ向力つて、 探針 110をゲル基板材料 200から離す動作を行って ヽること〖こなる。点線と実線の 矢印は、時間の経過の方向を示している。
[0030] 実線の大きな下向きのピークは、探針 110をゲル基板材料 200に押し込んだ後、 探針 110とゲル基板材料 200との間が吸着した状態から、探針 110がゲル基板材料 200から離れた状態に移行したところを示している。この吸着の後に、 1 m程度、一 定の力で延伸されていることが分かる（図中の相互作用領域)。これは、実線と点線と の間に平行するように変位量の値に差が生じていることから判断できる。張力は距離 に依存しないため、この力は、ポリマー自身が引き延ばされたことによる張力ではなく 、ポリマーが、ゲル力 引っ張り出されたときの相対運動 (摩擦も含まれる）に起因す る相互作用（非結合的な分子間相互作用）であると考えられる。このように、ゲル基板 材料 200を用いることで、高分子間の力学的相互作用を測定することが可能となる。 [0031] (比較例 1)
比較例 1では、実施例 1のようにポリマーをゲルに埋め込むことなぐゲルのみを用 いてゲル基板材料を作成 (または調製)した。ゲル基板材料の調製方法、 AFM測定 については、実施例 1と同様である。測定結果を図 6に示す。なお、ゲル基板材料の 調製方法について、実施例 1と比較例 1とは、 NIPAモノマーからなるポリマーがァク リルアミドの中に入っているか否力、つまり、アクリルアミド溶液 (ゲルになる前の溶液） に NIPAポリマーを少量入れてゲル化させる力、全く入れな!/、でゲル化させるかの点 でのみ違っている。ここで、 NIPAポリマーを少量添加することによる、出来上がった アクリルアミドゲルの構造への影響は、無視することができる。
[0032] 図 6は、ゲル中にモノマーを埋め込んで!/ヽな 、試料で測定されたフォースカーブの 一例を示す図である。横軸および縦軸は図 5と同様であり、点線および実線も図 5と 同様の動作を示している。図 6では、図 5と比較して、相互作用領域は検出されてい ない。また、図示しないが、ゲルにポリマーを埋め込んだゲル基板材料 200を用いた 場合であっても、探針 110がポリマーと結合せずに、ポリマーを引き上げない場合は 、図 6と同様のフォースカーブを描くことが実験により分力つて 、る。
[0033] 図 5および図 6から、ゲルのみの場合 (比較例 1)は、図 6に示すように、吸着力のみ となり（力の大きさは毎回異なる）、長距離の相互作用は見られない。ゲル中に僅か に単一高分子を含む系でも、図 6に示すような結果が多くの場合得られる。稀に、図 5に示すような長距離相互作用を示す結果が得られる。図 5に示すフォースカーブの 相互作用領域を検討すると、延伸距離に対して一定の力であるため、このことは、単 一分子内の延伸による張力ではなぐゲル中から単一高分子鎖を引き抜くときの相互 作用（高分子 ·高分子間相互作用）を測定できていることを示している。また、稀に、 延伸距離に対して非線形に張力が増加する延伸曲線が得られる場合もあるが、これ は、ポリマーがゲル中にトラップされ、ポリマーの延伸による張力に相当すると考えら れる。
[0034] なお、本実施例は単なる一例であり、上記以外の分子鎖とゲルとの組み合わせで あるゲル基板材料 200は調製可能であり、ゲル基板材料 200によって、図 5に示すフ オースカーブの形状も異なる。また、分子鎖 210が途中で切れる場合や、その他分 子鎖 210とゲル 220との相互作用によっても、フォースカーブは異なってくることはい うまでもない。また、分子鎖 210とゲル 220との組み合わせが同じ場合であっても、そ れぞれの濃度、または、測定環境 (例えば、温度や圧力など）によって、フォースカー ブが異なってくることも予想される。さらに、引き抜きの速度を変える測定 (速度依存 性)も、異なるフォースカーブを描くことが予想される。
[0035] 本明細書は、 2004年 9月 9日出願の特願 2004— 262227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
[0036] 本発明に係る分子測定装置および分子測定方法は、分子鎖間の相互作用を調べ ることが可能となり、高分子と高分子との間の相互作用を測定する実験系に用いるの に好適である。特に、引き抜く分子をプローブとして、ゲル様基板側の物性を調べる ことができる。また、固体表面上では性質が変化しやすい分子を測定する実験系とし て有用であると予想される。さらに、固体基板に比べて、探針の破壊を防ぎ、化学修 飾の状態を保持することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 網目構造に溶媒を含んだゲルと分子鎖とからなるゲル基板材料と、
前記分子鎖を引き上げる引き上げ手段と、
前記引き上げ手段が前記分子鎖を引き上げるときにかかる力を測定する測定手段 と、
を備える、ゲル基板材料を用いた分子測定装置。
[2] 前記引き上げ手段は、前記分子鎖との共有結合によって、前記分子鎖を前記ゲル 基板材料から引き上げる、請求項 1記載の分子測定装置。
[3] 前記引き上げ手段は、前記分子鎖との物理的結合によって、前記分子鎖を前記ゲ ル基板材料から引き上げる、請求項 1記載の分子測定装置。
[4] 前記引き上げ手段は、カンチレバー、光ピンセット、およびガラス-一ドルのいずれ かである、請求項 1記載の分子測定装置。
[5] 網目構造に溶媒を含んだゲルと分子鎖とからなるゲル基板材料を生成する工程と 前記分子鎖を引き上げ手段によって引き上げる工程と、
前記引き上げ手段が前記分子鎖を引き上げるときにかかる力を測定する工程と、 を備える、ゲル基板材料を用いた分子測定方法。
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