WO2017154936A1 - 誘電率顕微鏡及び有機物試料の観察方法 - Google Patents

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小椋　俊彦
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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Definitions

  • the present invention relates to a microscope for observing a sample made of an organic substance such as a biological sample and this observation method, and more particularly to a dielectric constant microscope for visualizing an organic substance sample by measuring a dielectric constant distribution and an observation method for the organic substance sample.
  • Patent Document 1 discloses a method of observing the internal structure of an organic sample by detecting the spatial distribution of electrons (tunnel electrons) that pass through the organic sample in a scanning electron microscope.
  • An organic sample is attached on the conductive thin film of the laminate of the insulating thin film / conductive thin film, and an electron beam from an electron gun is irradiated on the insulating thin film side.
  • secondary electrons generated in the insulating thin film form a large potential gradient in the stacked body and are emitted to the conductive thin film side by the tunnel effect.
  • Such electrons also tunnel through the organic sample, and if this is detected by a secondary electron detector, an image reflecting the internal structure of the organic sample can be obtained. Since the organic sample is not directly irradiated with the electron beam from the electron gun, and the damage caused by this is small, the preparation of the organic sample can be omitted.
  • Non-Patent Document 1 describes a method for observing an organic sample in an aqueous solution while confined in an aqueous solution.
  • a metal thin film is formed on an insulating thin film and irradiated with an electron beam, a local potential change occurs, and the decay state when this penetrates an organic sample in an aqueous solution can be observed as an image (fluctuating potential transmission observation method).
  • the relative permittivity of water is as high as about 80, so that it is not affected by the potential change, but it is permeated.
  • the organic sample is as low as about 2-3, so it is greatly affected by the potential change. This is used to attenuate this.
  • the organic sample is not directly irradiated with the electron beam from the electron gun, and it is not necessary to place the organic sample under vacuum, so that the preparation of the organic sample can be omitted.
  • Patent Document 2 similarly discloses a method for observing an organic sample held in an aqueous solution in a scanning electron microscope. Specifically, an organic sample is interposed with an aqueous solution between a pair of opposing insulating thin films, and the intensity of the electron beam is changed in a pulse shape to the conductive thin film provided on the outward surface of one insulating thin film. Scanning irradiation is performed to detect a potential change on the outward surface of the other insulating thin film. When the site where the electron beam is incident on the conductive thin film is negatively charged, the electric dipoles of water molecules in the aqueous solution are arranged along the potential gradient, but this disappears when the electron beam is shielded.
  • the potential change can be separated with high resolution. Further, it is said that an equivalent resolution of 1 nm can be obtained by narrowing the irradiation diameter of the electron beam to about 1 nm.
  • the shape of the organic sample For example, in a method of observing an organic sample held in an aqueous solution, a gap with a large dielectric constant is generated at the organic / aqueous solution interface. If the spatial arrangement of the gap can be electrically measured, the shape of the organic sample can be observed. Will be possible.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a dielectric constant microscope capable of observing the shape of a minute organic sample and an observation method thereof.
  • a dielectric constant microscope is a dielectric constant microscope for visualizing an organic sample in a solution, and the first and second insulating thin films disposed so as to sandwich the organic sample together with the solution,
  • the application-side conductive thin films P 1 to P n (where n is an integer greater than 1) provided on the outward surface side of the first insulating thin film regularly and spaced apart from each other, and the second insulating property Measurement-side conductive thin films p 1 to p m (where m> 1 is an integer) provided regularly and spaced apart from each other on the outward surface side of the thin film, and the application-side conductive thin films P 1 to Input signals S f1 to S fn having potential changes at different frequencies are applied to each of P n , and the potential change is measured for each of the measurement-side conductive thin films p 1 to p m , and this is made to correspond to the frequency.
  • the first and second insulating thin films obtained by separation Characterized in that to visualize the organic sample from the dielectric
  • the spatial change of the dielectric constant in the solution due to the insertion of the organic sample can be measured by a dielectric constant change measurement pair by a combination of a plurality of application side conductive thin films and measurement side conductive thin films.
  • the shape of the organic sample can be observed.
  • a plurality of dielectric constant change measurement pairs can be measured in a short time. For example, even if the sample changes in a short time, it can be clearly visualized.
  • At least one of the combination of the first insulating thin film and the application-side conductive thin film, or the combination of the second insulating thin film and the measurement-side conductive thin film is a transparent material.
  • the application-side conductive thin films P 1 to P n may each include a first through electrode that penetrates the first insulating thin film and is exposed to the opposing surface side.
  • each of the measurement-side conductive thin films p 1 to p m may include a second through electrode that penetrates the second insulating thin film and is exposed to the opposite surface side. According to this invention, the electromagnetic interaction between the application-side conductive thin film and / or the measurement-side conductive thin film and the solution can be increased, and the obtained image resolution can be improved.
  • an organic sample observation method is an observation method of a sample using a dielectric constant microscope for visualizing an organic sample in a solution, wherein the dielectric constant microscope includes first and second opposingly arranged microscopes.
  • the second insulating thin film and the application-side conductive thin films P 1 to P n provided on the outward face side of the first insulating thin film regularly and spaced apart from each other (where n> 1 is an integer)
  • the measurement-side conductive thin films p 1 to p m (where m> 1 is an integer) provided on the outward face side of the second insulating thin film regularly and spaced apart from each other,
  • the organic sample together with the solution is sandwiched between the first and second insulating thin films, and input signals S f1 to S fn having potential changes at different frequencies are applied to the application-side conductive thin films P 1 to P n , respectively.
  • the spatial change of the dielectric constant in the solution due to the insertion of the organic sample can be measured by a dielectric constant change measurement pair by a combination of a plurality of application side conductive thin films and measurement side conductive thin films.
  • the shape of the organic sample can be observed.
  • a plurality of dielectric constant change measurement pairs can be measured in a short time. For example, even if the sample changes in a short time, it can be clearly visualized.
  • the applied side conductive from the output voltage variations in each of the input signals S f1 ⁇ S the measuring side conductive corresponding to the input voltage change of the maximum voltage and the minimum voltage for each fn thin p 1 ⁇ p m it may be characterized to obtain a thin film P 1 ⁇ P n, and calculated the permittivity distribution dielectric constant ratio for each line segment connecting the measuring side electroconductive thin film p 1 ⁇ p m.
  • the inventor of the present application examined the visualization of the three-dimensional shape of a minute organic sample such as a bacterium or virus to obtain an image.
  • a sample (dielectric) having a dielectric constant different from that of the surrounding is inserted between a pair of opposed electrodes, an electromagnetic change corresponding to a change in the dielectric constant is measured between the electrodes. If a plurality of such electrode pairs are regularly arranged so as to sandwich the sample, a two-dimensional image of the object can be obtained. Furthermore, a three-dimensional image can be obtained like a stereo photograph by arranging a plurality of the dielectric constant change measurement pairs spatially in different directions (angles).
  • the dielectric constant microscope 1 is an apparatus that includes a stage 20 and an observation holder 10 that is detachably mounted thereon, and observes an organic sample 18 in the observation holder 10.
  • the organic sample 18 include biological samples such as bacteria and viruses, biological samples obtained by cutting out a part of living organisms, and the like.
  • the observation holder 10 includes an outer frame body 11 having windows on the upper and lower sides, and insulating thin films 12 a and 12 b that respectively close the upper and lower windows from the inside.
  • the insulating thin film 12a that closes the upper window holds the aqueous solution 18b containing the organic sample 18 from the upper side to the lower side surface, and has a plurality of application-side electrodes P 1 to P n made of a conductive thin film on the upper side surface. Laminated.
  • the electrodes P 1 to P n are regularly arranged on the insulating thin film 12a so as to be separated from each other. Note that n is an integer larger than 1 (2 or more).
  • the insulating thin film 12b that closes the lower window holds the aqueous solution 18b containing the organic sample 18 from the lower side to the upper side surface, and has a plurality of measurement-side electrodes p 1 to p made of a conductive thin film on the lower side surface.
  • p m are stacked.
  • the electrodes p 1 to p m are regularly arranged on the insulating thin film 12b so as to be separated from each other. Note that m is an integer greater than 1 (2 or more).
  • the insulating thin films 12a and 12b are opposed to each other so that the organic sample 18 is sandwiched with the aqueous solution 18b and are parallel to each other.
  • the thickness of the insulating thin films 12a and 12b is preferably set to 100 nm or less, for example.
  • the insulating thin films 12a and 12b are in contact with the inner surface of the observation holder 10 by means of an O-ring 17, packing (not shown), spacers, etc., respectively, and are kept at a predetermined dimension of 50 ⁇ m or less.
  • the electrodes P 1 to P n on the application side are preferably arranged so as to be arranged at equal intervals in the vertical and horizontal directions on the insulating thin film 12a.
  • the electrodes p 1 to p m on the measurement side are preferably arranged in the same manner as the electrodes on the application side. It is only necessary that the position of each electrode on the insulating thin film 12a or 12b is regularly determined.
  • the electrodes are densely arranged in the vicinity of the central portion, and the distance between the electrodes is widened in the vicinity. It may be a regular arrangement. Further, the arrangement of the electrodes on the application side and the measurement side may be different.
  • the spacing between the electrodes is set to several ⁇ m.
  • the following is preferable. For example, if the electrode dimensions and the gap dimensions are determined so that the electrodes are arranged at intervals of 100 nm, the organic sample 18 can be observed twice as much, that is, up to 200 nm. This is equivalent to the resolution by an optical microscope, and the electrode dimensions can be set to a resolution smaller than this.
  • a voltage control device 34 is connected to each of the application side electrodes P 1 to P n , and input signals S f1 to S fn whose potentials change at different frequencies f 1 to fn are individually received.
  • each of the electrodes p 1 ⁇ p m of the measuring side is connected amplifier 23, the application of side electrodes P 1 ⁇ P n input signals applied to the S f1 ⁇ based S fn measuring side electrode p 1 it can be amplified signals by respective potential change of the ⁇ p m.
  • the upper side is the application side and the lower side is the measurement side.
  • the arrangement of the insulating thin films 12a and 12b is interchanged so that the lower side is the application side and the upper side is the measurement side.
  • An electrode may be arranged.
  • the stage 20 includes a housing 21 and incorporates the amplifier 23 described above.
  • the amplifier 23 sends the amplified signal to the signal separation device 35.
  • the signal separator 35 receives a reference signal for potential change of the input signals S f1 to S fn applied by the voltage controller 34, and receives the signals received based on the frequencies f1 to fn on the application-side electrodes P 1 to P.
  • the signals are separated into signals corresponding to each of n and output to the shape analyzer 36.
  • the shape analyzer 36 measures the potential change of the electrode p 1 ⁇ p n of the measurement side, electrodes P 1 of the applied side and the electrode p 1 ⁇ p n of the measurement-side ⁇ P n each And an image of the organic sample 18 is generated based on this.
  • the stage 20 is connected to a power source 37 for operating the built-in amplifier 23 and the like.
  • the dielectric constant microscope 1 further includes an optical microscope 3 that can observe the organic sample 18.
  • the insulating thin film and the electrode (conductive thin film) on the optical microscope 3 side are made of a transparent conductive material.
  • the image of the organic sample 18 obtained by the dielectric constant microscope 1 can be compared with the image obtained by the optical microscope and used for the observation position alignment of the organic sample 18.
  • the optical microscope 3 is installed downward on the upper side of the observation holder 10, but may be installed upward in the housing 21, that is, on the lower side of the observation holder 10.
  • the organic sample 18 is held on the observation holder 10 together with the aqueous solution 18 b and set on the stage 20.
  • input signals S f1 to S fn whose potentials change at different frequencies f1 to fn are individually applied to the electrodes P 1 to P n on the application side.
  • input signals of n different frequencies that are changed so as to increase the frequency from 100 kHz every 10 kHz are applied.
  • electrodes on the application side are arranged below and electrodes on the measurement side are arranged above.
  • the measurement-side electrode p 1 has a potential according to the dielectric constants of the organic sample 18 and the aqueous solution 18b interposed between them by input signals S f2 to S fn applied to the application-side electrodes P 2 to P n.
  • a potential change is generated by superimposing these potential changes.
  • the potential change of the measurement-side electrode p 1 is amplified as a signal by the amplifier 23 built in the stage 20 and sent to the signal separation device 35.
  • the signal separation device 35 frequency-separates the received signal due to the potential change of the measurement-side electrode p 1 . That is, based on the reference signal from the voltage control device 34, the received signal due to the potential change on the measurement side is appropriately passed through a band-pass filter or the like, so that n types of the above-mentioned n types of frequencies f1 to fn are used. Separate the signal. That is, the potential change of the measurement-side electrode p 1 based on the dielectric constant between the application-side electrodes P 1 to P n can be obtained separately. The potential changes separated into the frequencies f1 to fn are output to the shape analyzer 36. The same applies to the other electrodes p 2 to p m on the measurement side.
  • each of the electrodes p 1 ⁇ p m of each measurement side line
  • the dielectric constant on the minute can be calculated. That is, the signal corresponding to the electrode P 1 applied side electrode p 1 of the separated measurement side, a signal of a frequency f1, by the input signal S f1 applied to the application of side electrodes P 1 of the electrode P 1 Based on the voltage variation of the maximum voltage and the minimum voltage, the voltage varies in proportion to the dielectric constant between these electrodes.
  • the dielectric constant between the corresponding application side electrode P 1 can be calculated from the voltage fluctuation of the potential change separated from the measurement side electrode p 1 .
  • the dielectric constant can be obtained by the dielectric constant ratio with respect to the dielectric constant when only the aqueous solution 18b is interposed.
  • the distribution of the dielectric constant viewed from the measurement-side electrode p 1 can be obtained as a two-dimensional image.
  • This two-dimensional image is an inclined image in which images in the directions of the electrodes P 1 to P n on the application side viewed from the measurement-side electrode p 1 , that is, the directions of the respective line segments having different inclination angles, are continued. .
  • the organic material sample 18 such as a biological sample has an extremely small dielectric constant as compared with the aqueous solution 18b
  • the dielectric constant greatly varies depending on the distance occupied by the organic material sample 18 in the line segment between the electrodes. That is, in the tilted image, the two-dimensional shape of the organic sample 18 is imaged based on the dielectric constant distribution.
  • the shape analysis device 36 reconstructs these tilt images according to the position and angle of each line segment, and samples the organic matter. Eighteen three-dimensional shapes can be obtained.
  • the position of the organic sample 18 having a different dielectric constant on a certain line segment is determined from the dielectric constants of other intersecting line segments, and a three-dimensional image is obtained.
  • This is the same principle as obtaining a three-dimensional image by synthesizing two-dimensional images from different directions such as a stereo photograph.
  • the organic sample 18 can be stereoscopically visualized from the dielectric constant distribution between the insulating thin films 12a and 12b.
  • the three-dimensional shape can be easily observed without subjecting the organic sample 18 in the aqueous solution 18b to a staining process or an immobilization process.
  • the organic sample 18 only undergoes a change in potential, and for example, it can be observed alive as a biological sample.
  • measurement can be performed in a short time, for example, even if the sample changes in a short time, it can be clearly visualized.
  • observation under atmospheric pressure is possible without using a large-scale device such as an electron gun or a vacuum device in an electron microscope.
  • the input signals S f1 ′ to S fn ′ to be applied to the application-side electrodes P 1 to P n are increased in frequency from 100 kHz to 10 kHz in the same manner as described above. It is also possible to superimpose potential changes of n different frequencies and potential changes of frequencies obtained by adding 900 kHz to these frequencies. That is, for example, the input signal S f1 ′ is applied to the application-side electrode P 1 due to a potential change in which a potential change of 100 kHz and a potential change of 1,000 kHz (1 MHz) are superimposed.
  • a signal due to a potential change of the electrode on the measurement side can be separated in accordance with, for example, frequencies of 100 kHz and 1 MHz. That is, in the shape analysis device 36 (see FIG. 1), an inclination image based on two frequencies, high and low, can be obtained for each combination of electrodes on the measurement side and the application side. It is also possible to obtain three-dimensional shapes based on two high and low frequencies, respectively, and to image them. By obtaining such a tilt image and a three-dimensional image from a plurality of types of frequencies, the three-dimensional shape of the organic sample 18 can be obtained, and the three-dimensional structure of the organic sample 18 and the composition of the substance can be analyzed.
  • the input signals S applied to the application-side electrodes P 1 to P n can all be the same.
  • a potential change consisting of so-called white noise which has the same intensity at all frequencies when a frequency spectrum is obtained by Fourier transform, is applied to each electrode sequentially, that is, at different times, as an input signal S. It is.
  • each received signal is separated in accordance with the application time to the application-side electrode, so that it can be distinguished from any of the application-side electrodes P 1 to P n . Further, the signal separation device 35 obtains an intensity change for each frequency of the signal received by the FFT analyzer.
  • the received signal is subjected to frequency decomposition by fast Fourier transform to obtain a frequency spectrum.
  • the shape analyzer 36 (see FIG. 1), an inclined image or a three-dimensional image at an arbitrary frequency can be obtained, and in addition to obtaining a three-dimensional shape of the organic sample 18, the three-dimensional structure of the organic sample 18 A more detailed analysis of the composition of the substance can be made.
  • each of the electrodes P 1 to P n on the application side is connected to the through electrode 5 that penetrates the insulating thin film 12a and is exposed on the surface holding the organic sample 18. Good.
  • each of the electrodes P 1 ⁇ P n is, close to the electrode p 1 ⁇ p m of the measuring side can improve the resolution of the resulting image.
  • the penetrating electrode 5 has a tip sharpened toward the surface on the side holding the organic sample 18. Thereby, the electromagnetic interaction with the solution of the electrodes P 1 to P n on the application side can be enhanced, and the obtained image resolution can be improved.
  • the through electrode 6 penetrating the insulating thin film 12b and exposed on the surface holding the organic sample 18 may be connected. Furthermore, it is preferable that the penetrating electrode 6 has a pointed tip toward the surface on the side holding the organic sample 18. Also by these, the resolution of the image obtained similarly to the above can be improved.

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Abstract

微小な有機物試料の形状を観察できる顕微鏡及び観察方法の提供。　溶液とともに有機物試料を挟み込むように対向配置された第１及び第２の絶縁性薄膜と、第１の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn(但し、ｎ＞１の整数)と、第２の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた計測側導電性薄膜ｐ1～ｐm(但し、ｍ＞１の整数)と、を含む。印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnのそれぞれに、互いに異なる周波数の電位変化を有する入力信号Ｓf1～Ｓfnを与え、計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれについて電位変化を測定しこれを前記周波数に対応させて分離して得られる第１及び第２の絶縁性薄膜間の誘電率分布から有機物試料を可視化する。

Description

誘電率顕微鏡及び有機物試料の観察方法
　本発明は、生物試料等の有機物からなる試料を観察する顕微鏡及びこの観察方法に関し、特に、誘電率分布を計測することによって有機物試料を可視化する誘電率顕微鏡及び有機物試料の観察方法に関する。
　バクテリアやウイルスなどの生物試料や、生物の一部から切り出した生体組織を含む微小な有機物試料の観察においても走査電子顕微鏡を用いたいとの要求がある。しかしながら、走査電子顕微鏡では試料を一定以上の真空下に維持しなければ電子線を照射できず、また、照射する電子線によって試料がダメージを受けやすいなど、有機物試料を観察する上でのいくつかの問題点が指摘されている。かかる問題点に対して、一般的には、有機物試料をパラホルムアルデヒド等で固定化し、その表面に金やプラチナ、カーボン等の導電材料をコーティングして試料表面を保護しながら観察する方法や、重金属によって試料に染色を施しておく観察方法などが採用されている。一方で、このような試料の下処理を施さずとも、電子線を用いて有機物試料の高コントラストの画像を得ようとする観察方法も提案されている。
　例えば、特許文献１では、走査電子顕微鏡内において、有機物試料を透過する電子(トンネル電子)の空間的分布を検知して、有機物試料の内部構造を観察する方法が開示されている。絶縁性薄膜／導電性薄膜の積層体のうちの導電性薄膜の上に有機物試料を付着させ、絶縁性薄膜側に電子銃からの電子線を照射する。このとき絶縁性薄膜内で発生する二次電子は、積層体内に大きな電位勾配を形成してトンネル効果によって導電性薄膜側へと放出される。かかる電子は、有機物試料をもトンネル透過し、これを二次電子検出器によって検出すれば有機物試料の内部構造を反映した画像を得られるのである。有機物試料に電子銃からの電子線を直接照射せず、これによるダメージが少ないから有機物試料の下処理を省略できる。
　更に、非特許文献１では、有機物試料を水溶液中に閉じ込めたまま、走査電子顕微鏡内で観察する方法について述べている。絶縁薄膜の上に金属薄膜を形成し、これに電子線を照射すると局所的な電位変化が生じ、これが水溶液中の有機物試料を透過するときの減衰状態を画像として観察できる(変動電位透過観察法)。かかる方法では、水の比誘電率が約８０と高いために電位変化の影響を受けずに、これを透過させる一方、有機物試料のそれは２～３程度と低いために電位変化の影響を大きく受けて、これを減衰させることを利用している。有機物試料に電子銃からの電子線を直接照射せず、また、有機物試料を真空下に配置する必要もなく、有機物試料の下処理を省略できるのである。
　更に、特許文献２では、同様に、走査電子顕微鏡内で水溶液中に保持された有機物試料を観察する方法を開示している。詳細には、一対の対向する絶縁性薄膜の間に水溶液とともに有機物試料を介在させ、一方の絶縁性薄膜の外向面上に与えられた導電性薄膜に電子線をその強度をパルス状に変化させつつ走査照射し、他方の絶縁性薄膜の外向面上の電位変化を検知する。導電性薄膜の電子線の入射した部位がマイナスに帯電すると、水溶液中の水分子の電気双極子は電位勾配に添って配列するが、これは電子線を遮蔽すると解消する。ここで電子線のＯＮ／ＯＦＦを１ｋＨｚ以上の周波数で繰り返し、同様の周波数成分の信号を検知側で抽出すれば、電位変化を高い分解能で分離できるのである。また、電子線の照射径を１ｎｍ程度にまで絞り込むことで、同等程度の１ｎｍの分解能を得られるとしている。
特開２０１３－１３４９５２号公報 特開２０１４－２０３７３３号公報
　更に、有機物試料の形状を観察することが望まれている。例えば、水溶液中に保持された有機物試料を観察する方法において、有機物／水溶液の界面では誘電率の大きなギャップを生じるから、かかるギャップの空間的な配置を電気的に計測できれば有機物試料の形状の観察が可能となるであろう。
　本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、微小な有機物試料の形状を観察できる誘電率顕微鏡及びその観察方法を提供することにある。
　本発明による誘電率顕微鏡は、溶液中の有機物試料を可視化するための誘電率顕微鏡であって、前記溶液とともに前記有機物試料を挟み込むように対向配置された第１及び第２の絶縁性薄膜と、前記第１の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn(但し、ｎ＞１の整数)と、前記第２の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた計測側導電性薄膜ｐ1～ｐm(但し、ｍ＞１の整数)と、を含み、前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnのそれぞれに、互いに異なる周波数の電位変化を有する入力信号Ｓf1～Ｓfnを与え、前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれについて電位変化を測定しこれを前記周波数に対応させて分離して得られる前記第１及び第２の絶縁性薄膜間の誘電率分布から前記有機物試料を可視化することを特徴とする。
　かかる発明によれば、有機物試料を挿入することによる溶液中の誘電率の空間的な変化を、複数の印加側導電性薄膜及び計測側導電性薄膜の組み合わせによる誘電率変化計測対によって計測できるから、該有機物試料の形状を観察できる。また、複数の誘電率変化計測対の計測を短時間で行い得て、例えば、試料が短時間で変化してしまうようなものであっても、明瞭に可視化できるのである。
　上記した発明において、前記第１の絶縁性薄膜及び前記印加側導電性薄膜の組み合わせ、又は、前記第２の絶縁性薄膜及び前記計測側導電性薄膜の組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせが透明材料からなり、前記一方の側から前記有機物試料を観察できる光学顕微鏡を備えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、有機物試料を光学顕微鏡で併せて観察できて、試料位置の確認などを容易に与えることが出来るのである。
　上記した発明において前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn、及び前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれを結ぶ線分毎に対応させて前記誘電率分布を求めることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、印加側導電性薄膜及び計測側導電性薄膜のそれぞれを結ぶ線分毎の誘電率変化から絶縁性薄膜同士の間で有機物試料の形状に対応する誘電率分布を得ることができるのである。
　上記した発明において、印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnはそれぞれ前記第１絶縁性薄膜を貫通して対向面側に露出する第１の貫通電極を有することを特徴としてもよい。また、上記した発明において、計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmはそれぞれ前記第２絶縁性薄膜を貫通して対向面側に露出する第２の貫通電極を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、印加側導電性薄膜及び／又は計測側導電性薄膜と溶液との電磁気的相互作用を高めることができて、得られる画像分解能を向上させ得るのである。
　さらに、本発明による有機物試料の観察方法は、溶液中の有機物試料を可視化するための誘電率顕微鏡を用いた該試料の観察方法であって、前記誘電率顕微鏡は、対向配置された第１及び第２の絶縁性薄膜と、前記第１の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn(但し、ｎ＞１の整数)と、前記第２の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた計測側導電性薄膜ｐ1～ｐm(但し、ｍ＞１の整数)と、を含み、前記溶液とともに前記有機物試料を前記第１及び第２の絶縁性薄膜に挟み込み、前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnのそれぞれに、互いに異なる周波数の電位変化を有する入力信号Ｓf1～Ｓfnを与え、前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれについて電位変化を測定し、これを前記周波数に対応させて分離して得られる前記第１及び第２の絶縁性薄膜間の誘電率分布から前記有機物試料を可視化することを特徴とする。
　かかる発明によれば、有機物試料を挿入することによる溶液中の誘電率の空間的な変化を、複数の印加側導電性薄膜及び計測側導電性薄膜の組み合わせによる誘電率変化計測対によって計測できるから、該有機物試料の形状を観察できる。また、複数の誘電率変化計測対の計測を短時間で行い得て、例えば、試料が短時間で変化してしまうようなものであっても、明瞭に可視化できるのである。
　上記した発明において、前記入力信号Ｓf1～Ｓfn毎の最大電圧及び最小電圧の入力電圧変動に対応する前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれにおける出力電圧変動から前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn、及び前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmを結ぶ線分毎の誘電率比を算出し前記誘電率分布を得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、印加側導電性薄膜及び計測側導電性薄膜のそれぞれを結ぶ線分毎の誘電率変化から絶縁性薄膜同士の間で有機物試料の形状に対応する誘電率分布を得ることができるのである。
本発明による誘電率顕微鏡のブロック図である。 本発明による誘電率顕微鏡の要部の断面図である。 本発明による誘電率顕微鏡の要部の上面図である。 本発明による観察方法の例を示す誘電率顕微鏡の要部の断面図である。 本発明による観察方法の他の例を示す誘電率顕微鏡の要部の断面図である。 本発明による観察方法の他の例を示す誘電率顕微鏡の要部の断面図である。 誘電率顕微鏡の他の実施例を示す要部の断面図である。
　本願発明者は、バクテリアやウイルスなどの微小な有機物試料について、その立体形状を可視化し画像を得ることについて検討した。一対の対向する電極間に周囲と誘電率の異なる試料(誘電体)を挿入すると、電極間には誘電率の変化に対応した電磁気的変化が計測される。試料を挟むようにして、かかる電極対を規則的に複数並べると物体の二次元画像が得られるのである。更に、この誘電率変化計測対を空間的にその方向(角度)を変えて複数配置させることでステレオ写真の如く三次元画像を得られる。
　以下に、本発明による誘電率顕微鏡の１つの実施例について、図１乃至図４を用いて説明する。
　図１に示すように、誘電率顕微鏡１は、ステージ２０と、その上に脱着可能に設置された観察ホルダ１０とを含み、観察ホルダ１０内の有機物試料１８について観察を行う装置である。有機物試料１８としては、バクテリアやウイルスなどの生物試料や生物の一部を切り出した生体試料などを含む。
　図２を併せて参照すると、観察ホルダ１０は、上下に窓を有する外枠体１１と、かかる上下の窓を内部からそれぞれ閉塞する絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂを含む。上側の窓を閉塞する絶縁性薄膜１２ａは、有機物試料１８を含む水溶液１８ｂを上側からその下側面で保持し、その上側面に導電性薄膜からなる印加側の複数の電極Ｐ1～Ｐnを積層される。電極Ｐ1～Ｐnは、絶縁性薄膜１２ａ上で規則的且つそれぞれ互いに離間するように配列されている。なお、ｎは１よりも大きい(２以上の)整数である。
　また、下の窓を閉塞する絶縁性薄膜１２ｂは、有機物試料１８を含む水溶液１８ｂを下側からその上側面で保持し、その下側面に導電性薄膜からなる計測側の複数の電極ｐ1～ｐmを積層される。電極ｐ1～ｐmは、絶縁性薄膜１２ｂ上で、規則的且つそれぞれ互いに離間するように配列されている。なお、ｍは１よりも大きい(２以上の)整数である。
　すなわち、絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂは有機物試料１８を水溶液１８ｂとともに挟み込んで互いに平行となるよう対向配置されている。ここで、絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂの厚さは、例えば１００ｎｍ以下とすることが好ましい。絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂは、それぞれＯリング１７や図示しないパッキン、スペーサ等によって観察ホルダ１０の内面に接し、互いの間隔を、５０μｍ以下の所定の寸法に保持される。
　図３を併せて参照すると、例えば、印加側の電極Ｐ1～Ｐnは絶縁性薄膜１２ａ上で縦及び横にそれぞれ等間隔で並ぶように配置させることが好ましい。計測側の電極ｐ1～ｐmについても、印加側の電極と同様に配列させることが好ましい。なお、それぞれの電極の絶縁性薄膜１２ａ又は１２ｂ上での位置が規則的に定まっていればよく、例えば、中央部近傍において電極を密集させて、周囲において電極の間隔を広くするなど、他の規則的な配置としてもよい。また、印加側と計測側との電極の配列を異なるものとすることもできる。
　ところで、絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂの主面に沿った方向の各電極の寸法及びその間隙寸法は小さいほど得られる画像の分解能を向上させることができるため、各電極の配列される間隔を数μｍ以下とすることが好ましい。例えば、各電極が１００ｎｍ間隔で並ぶように電極寸法とその間隙寸法を定めると、有機物試料１８においてその２倍、すなわち２００ｎｍまでの形状を観察できる。これは、光学顕微鏡による分解能と同等であり、これより小さな分解能とするよう電極寸法を設定することもできる。
　図４を併せて参照すると、印加側の電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれには、電圧制御装置３４が接続され、互いに異なる周波数ｆ１～ｆｎで電位変化する入力信号Ｓf1～Ｓfnを個別に印加される。また、計測側の電極ｐ1～ｐmのそれぞれには、アンプ２３が接続され、印加側の電極Ｐ1～Ｐnに印加された入力信号Ｓf1～Ｓfnに基づく計測側の電極ｐ1～ｐmの個別の電位変化による信号を増幅させることができる。なお、図２では上側を印加側、下側を計測側としたが、図４に示すように、絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂの互いの配置を入れ換え、下側を印加側、上側を計測側の電極を配置させてもよい。
　ステージ２０は筐体２１を備え、上記したアンプ２３を内蔵する。アンプ２３は増幅した信号を信号分離装置３５に送出する。信号分離装置３５は、電圧制御装置３４の印加した入力信号Ｓf1～Ｓfnの電位変化についてのリファレンス信号を入力され、周波数ｆ１～ｆｎに基づいて受信した信号を印加側の電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれに対応する信号に分離し、形状解析装置３６に出力する。詳細については後述するが、形状解析装置３６は、計測側の電極ｐ1～ｐnの電位変化を測定し、計測側の電極ｐ1～ｐnと印加側の電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれとの間の誘電率を算出し、これに基づき有機物試料１８についての画像を生成する。また、ステージ２０には内蔵するアンプ２３等の動作のための電源３７が接続される。
　誘電率顕微鏡１は、さらに有機物試料１８を観察できる光学顕微鏡３を備えることが好ましい。この場合、光学顕微鏡３側の絶縁性薄膜及び電極(導電性薄膜)を透明な導電性材料によって作製する。これにより、誘電率顕微鏡１によって得られる有機物試料１８の画像を光学顕微鏡による像と比較し、有機物試料１８の観察位置合わせに用いることも可能である。なお、本実施例においては、光学顕微鏡３は観察ホルダ１０の上側において下に向けて設置しているが、筐体２１内すなわち観察ホルダ１０の下側において上向きに設置してもよい。
　次に、誘電率顕微鏡１によって有機物試料１８を観察する方法について図１、図２及び図４を用いて説明する。
　まず、図２に示すように、有機物試料１８を水溶液１８ｂとともに観察ホルダ１０に保持させて、ステージ２０にセットする。
　次いで、図４に示すように、印加側の電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれに、互いに異なる周波数ｆ１～ｆｎで電位変化する入力信号Ｓf1～Ｓfnを個別に印加する。ここでは、１００ｋＨｚから１０ｋＨｚおきに周波数を増加させるように変化させたｎ種類の異なる周波数の入力信号を印加している。なお、この図においては、下に印加側、上に計測側の電極がそれぞれ配置されている。
　ここで、例えば印加側の電極Ｐ1に入力信号Ｓf1を印加すると、計測側の電極ｐ1にはこれらの間に介在する有機物試料１８及び水溶液１８ｂの誘電率に従った電位変化が与えられる。計測側の電極ｐ1は同様に印加側の電極Ｐ2～Ｐnに印加される入力信号Ｓf2～Ｓfnにより、互いの間に介在する有機物試料１８及び水溶液１８ｂの誘電率に従った電位変化を与えられ、結果としてこれらの電位変化を重畳させた電位変化を生じる。
　図１を併せて参照すると、計測側の電極ｐ1の電位変化は信号としてステージ２０に内蔵したアンプ２３で増幅されて、信号分離装置３５に送出される。信号分離装置３５では、受信した計測側の電極ｐ1の電位変化による信号を周波数分離する。すなわち、電圧制御装置３４からのリファレンス信号に基づき、受信した計測側の電位変化による信号について、適宜、バンドパスフィルタを通すなどして、上記したｎ種類の周波数ｆ１～ｆｎのそれぞれによるｎ種類の信号に分離処理する。つまり、印加側の電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれとの間の誘電率に基づく、計測側の電極ｐ１の電位変化を分離して得ることができる。そして、各周波数ｆ１～ｆｎに分離された電位変化は形状解析装置３６に出力される。他の計測側の電極ｐ2～ｐmについても同様である。
　形状解析装置３６では、計測側の電極ｐ1～ｐmの電位変化による信号から、各印加側の電極Ｐ1～Ｐnと、各計測側の電極ｐ1～ｐmとのそれぞれを結ぶ線分上の誘電率を算出することができる。すなわち、分離された計測側の電極ｐ1の印加側の電極Ｐ１に対応する信号は、周波数ｆ１の信号であり、印加側の電極Ｐ1に印加された入力信号Ｓf1による電極Ｐ1の最大電圧及び最小電圧の電圧変動に基づき、これらの電極間の誘電率に比例して電圧変動する。つまり、計測側の電極ｐ1の分離された電位変化の電圧変動から対応する印加側電極Ｐ1との間の誘電率を算出できる。ここで誘電率は、水溶液１８ｂのみを介在させたときの誘電率に対する誘電率比で得ることができる。
　これにより、例えば、計測側の電極ｐ1から見た誘電率についての分布を二次元画像として得ることができる。この二次元画像は、計測側電極ｐ1から見た各印加側の電極Ｐ1～Ｐnの方向、つまり傾斜角の異なるそれぞれの線分の方向を向いた画像を連続させた傾斜画像である。他の計測側電極ｐ2～ｐmについても同様であり、また、各印加側の電極Ｐ1～Ｐnについて、同様の傾斜画像を得てもよい。
　ここで、生物試料などの有機物試料１８は、水溶液１８ｂに比べて誘電率が極めて小さいため、各電極間の線分において有機物試料１８の占める距離によって誘電率が大きく異なる。つまり、傾斜画像では有機物試料１８の二次元形状が誘電率分布に基づいて画像化されている。また、傾斜画像は電極同士を結んで互いに交差する線分それぞれの誘電率によって得ているので、形状解析装置３６ではこれらの傾斜画像を各線分の位置と角度とに従って再構成して、有機物試料１８の三次元形状を得ることができる。つまり、交差する他の線分の誘電率からある線分上での誘電率の異なる有機物試料１８の位置を決定し、三次元画像を得るのである。これは、例えば、ステレオ写真のように異なる方向からの二次元画像の合成によって三次元の像を得ることと同じ原理である。
　以上のように、本実施例によれば、絶縁性薄膜１２ａ及び１２ｂ間の誘電率分布から有機物試料１８を立体可視化することができる。特に、水溶液１８ｂ中の有機物試料１８に染色処理や固定化処理を施すことなく簡便にその三次元形状を観察することが可能になる。更に、有機物試料１８は、電位の変化を受けるだけであり、例えばこれを生物試料としても生きたまま観察できる。また、計測を短時間で行い得るため、例えば、試料が短時間で変化してしまうようなものであっても、明瞭に可視化できるのである。さらに、例えば電子顕微鏡における電子銃や真空装置などの大がかりな装置を用いることもなく、大気圧下での観察が可能である。
　なお、印加側の電極Ｐ1～Ｐnに印加させる入力信号Ｓf1～Ｓfnについては、計測側の電極ｐ1～ｐmの個々の電位変化による信号を入力信号Ｓf1～Ｓfnのそれぞれに対応させて分離できればよい。すなわち、上記したように各々の電極に１つの周波数の電位変化を印加するだけではなく、１つの電極に複数の周波数を重畳させた電位変化の入力信号を印加することもできる。これについて、図５及び図６を用いて説明する。
　例えば、図５に示すように、印加側の電極Ｐ1～Ｐnに印加させる入力信号Ｓf1’～Ｓfn’を、各電極に対して、上記と同じく１００ｋＨｚから１０ｋＨｚおきに周波数を増加させたｎ種類の周波数の電位変化と、これらの周波数にそれぞれ９００ｋＨｚを加えた周波数の電位変化とを重畳したものとすることもできる。つまり、例えば、印加側の電極Ｐ1には、１００ｋＨｚの電位変化及び１,０００ｋＨｚ(１ＭＨｚ)の電位変化を重畳した電位変化による入力信号Ｓf1’が印加される。信号分離装置３５では、計測側の電極の電位変化による信号を、例えば、１００ｋＨｚ及び１ＭＨｚの周波数のそれぞれに対応させて分離できる。すなわち、形状解析装置３６では(図１参照)、計測側及び印加側のそれぞれ１つずつの電極の組み合わせに対して、高低２つの周波数に基づく傾斜画像を得ることができる。また、高低２つの周波数に基づく三次元形状をそれぞれ得て、これらをそれぞれ画像化することもできる。このような傾斜画像や三次元画像を複数種類の周波数から得ることで、有機物試料１８の三次元形状を得る他、有機物試料１８の三次元構造や物質の組成について解析し得る。
　また、図６に示すように、印加側の電極Ｐ1～Ｐnに印加させる入力信号Ｓを全て同じものとすることもできる。例えば、フーリエ変換により周波数スペクトルを求めたときに全ての周波数で同じ強度となるような、いわゆるホワイトノイズからなる電位変化を入力信号Ｓとして各電極に対して、順次、すなわちそれぞれ異なる時刻に印加させるのである。信号分離装置３５では、受信した信号をそれぞれ印加側の電極への印加時刻に対応させて分離することで、印加側の電極Ｐ1～Ｐnのいずれに対応するものか区別できる。さらに、信号分離装置３５では、ＦＦＴアナライザにより受信した信号の周波数毎の強度変化を得る。すなわち、受信した信号を高速フーリエ変換により周波数分解して周波数スペクトルを得るのである。これにより、形状解析装置３６では(図１参照)、任意の周波数での傾斜画像や三次元画像を得ることができ、有機物試料１８の三次元形状を得る他、有機物試料１８の三次元構造や物質の組成についてより詳細に解析し得る。
　電極の構造の変形例について図７を用いて説明する。
　図７に示すように、印加側の電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれには、絶縁性薄膜１２ａを貫通して、有機物試料１８を保持する側の面に露出する貫通電極５を接続してもよい。これにより、電極Ｐ1～Ｐnのそれぞれが、計測側の電極ｐ1～ｐmに対して近接し、得られる画像の解像度を向上させ得る。また、貫通電極５は、有機物試料１８を保持する側の面に向けて先端を尖らせていることが好ましい。これによって、印加側の電極Ｐ1～Ｐnの溶液との電磁気的相互作用を高めることができて、得られる画像分解能を向上させ得るのである。
　同様に、計測側の電極ｐ1～ｐmのそれぞれにおいても、絶縁性薄膜１２ｂを貫通して、有機物試料１８を保持する側の面に露出する貫通電極６を接続してもよい。さらに、貫通電極６は、有機物試料１８を保持する側の面に向けて先端を尖らせていることが好ましい。これらによっても、上記同様に得られる画像の解像度を向上させ得る。
　以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
　１　　誘電率顕微鏡
　３　　光学顕微鏡
１０　　観察ホルダ
１２ａ　絶縁性薄膜
１２ｂ　絶縁性薄膜
１８　　有機物試料
１８ｂ　水溶液
Ｐ1～Ｐn　電極(印加側)
ｐ1～ｐm　電極(計測側)

 

Claims (7)

  1. 　溶液中の有機物試料を可視化するための誘電率顕微鏡であって、
    　前記溶液とともに前記有機物試料を挟み込むように対向配置された第１及び第２の絶縁性薄膜と、
    　前記第１の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn(但し、ｎ＞１の整数)と、
    　前記第２の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた計測側導電性薄膜ｐ1～ｐm(但し、ｍ＞１の整数)と、を含み、
    　前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnのそれぞれに、互いに異なる周波数の電位変化を有する入力信号Ｓf1～Ｓfnを与え、前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれについて電位変化を測定しこれを前記周波数に対応させて分離して得られる前記第１及び第２の絶縁性薄膜間の誘電率分布から前記有機物試料を可視化することを特徴とする誘電率顕微鏡。
  2. 　前記第１の絶縁性薄膜及び前記印加側導電性薄膜の組み合わせ、又は、前記第２の絶縁性薄膜及び前記計測側導電性薄膜の組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせが透明材料からなり、
    　前記一方の側から前記有機物試料を観察できる光学顕微鏡を備えることを特徴とする請求項１記載の誘電率顕微鏡。
  3. 　前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn、及び前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれを結ぶ線分毎に対応させて前記誘電率分布を求めることを特徴とする請求項２記載の誘電率顕微鏡。
  4. 　印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnはそれぞれ前記第１絶縁性薄膜を貫通して対向面側に露出する第１の貫通電極を有することを特徴とする請求項１記載の誘電率顕微鏡。
  5. 　計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmはそれぞれ前記第２絶縁性薄膜を貫通して対向面側に露出する第２の貫通電極を有することを特徴とする請求項１記載の誘電率顕微鏡。
  6. 　溶液中の有機物試料を可視化するための誘電率顕微鏡を用いた該試料の観察方法であって、
    　前記誘電率顕微鏡は、
    　　対向配置された第１及び第２の絶縁性薄膜と、
    　　前記第１の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn(但し、ｎ＞１の整数)と、
    　　前記第２の絶縁性薄膜の外向面側に規則的且つ互いに離間するように設けられた計測側導電性薄膜ｐ1～ｐm(但し、ｍ＞１の整数)と、を含み、
    　前記溶液とともに前記有機物試料を前記第１及び第２の絶縁性薄膜に挟み込み、
    　前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐnのそれぞれに、互いに異なる周波数の電位変化を有する入力信号Ｓf1～Ｓfnを与え、前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれについて電位変化を測定しこれを前記周波数に対応させて分離して得られる前記第１及び第２の絶縁性薄膜間の誘電率分布から前記有機物試料を可視化することを特徴とする有機物試料の観察方法。
  7. 　前記入力信号Ｓf1～Ｓfn毎の最大電圧及び最小電圧の入力電圧変動に対応する前記計測側導電性薄膜ｐ1～ｐmのそれぞれにおける出力電圧変動から前記印加側導電性薄膜Ｐ1～Ｐn、及び前記計測側導電性薄膜ｐ１～ｐｍを結ぶ線分毎の誘電率比を算出し前記誘電率分布を得ることを特徴とする請求項６記載の有機物試料の観察方法。

     
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