(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノメートルサイズの空間内に液体を充填することを可能とする液体充填方法、SICM用プローブの製造方法、SICM用プローブ及びSICMを提供する。【解決手段】物体（ピペット20）の内部空間の両端のうち一方の端部21に液体10を充填するための液体充填方法において、両端のうち他方の端部側22から内部空間の一部に液体を挿入し、他方の端部側22から一方の端部側21に向かって温度が下がっていく温度勾配40を生じさせるステップと、液体10を気体11に相転移させるステップと、拡散により一方の端部21まで移動した気体を温度低下により液体に相転移させることで一方の端部21に液体10を充填するステップとを少なくとも備える。内部空間の一部に液体10を入れた状態で、一方の端部21側（先端側）に向かって温度が下がっていく温度勾配40を生じさせるだけで先端21側に液体を充填（輸送）することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の内部空間の両端のうち一方の端部に液体を充填するための液体充填方法において、
前記両端のうち他方の端部側から前記内部空間の一部に液体を挿入し、前記他方の端部側から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるステップと、
前記液体を気体に相転移させるステップと、
拡散により前記一方の端部まで移動した前記気体を温度低下により液体に相転移させることで前記一方の端部に液体を充填するステップとを少なくとも備えることを特徴とする液体充填方法。
【請求項２】
物体の内部空間の両端のうち一方の端部に液体を充填するための液体充填方法において、
前記両端のうち他方の端部側から前記内部空間の一部に液体を挿入し、前記液体が存在する位置から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるステップと、
前記液体を気体に相転移させるステップと、
拡散により前記一方の端部まで移動した前記気体を温度低下により液体に相転移させることで前記一方の端部に液体を充填するステップとを少なくとも備えることを特徴とする液体充填方法。
【請求項３】
前記一方の端部が開口していることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体充填方法。
【請求項４】
前記一方の端部の開口の最大長さが50ナノメートルであることを特徴とする請求項3に記載の液体充填方法。
【請求項５】
前記一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の液体充填方法。
【請求項６】
前記温度勾配の最高温度が前記液体の沸騰温度以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の液体充填方法。
【請求項７】
前記物体がSICM用プローブに用いるピペットであり、前記内部空間の前記両端が開口しており、且つ前記一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなることを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の液体充填方法。
【請求項８】
請求項1又は2に記載の液体充填方法を用いるSICM用プローブの製造方法であり、
前記物体がSICM用プローブに用いるピペットであり、前記内部空間の前記両端が開口しており、且つ前記一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなることを特徴とするSICM用プローブの製造方法。
【請求項９】
両端に開口を有すると共に一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなる筒状体のピペットと、前記ピペットの内部空間に充填される液体とを少なくとも備えるSICM用プローブにおいて、
前記他方の端部側から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせることで前記内部空間の一部に挿入した液体を気体に相転移させ、拡散により前記一方の端部まで移動した前記気体を温度低下により液体に相転移させることで前記一方の端部に液体を充填した前記ピペットを備えることを特徴とするSICM用プローブ。
【請求項１０】
両端に開口を有すると共に一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなる筒状体のピペットに対して、前記他方の端部側から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるための加温装置を備えることを特徴とするSICM。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノメートルサイズの空間内に液体を充填することを可能とする液体充填方法、SICM用プローブの製造方法、SICM用プローブ及びSICMに関する。
【背景技術】
【０００２】
液中ナノスケールの物性や構造を計測する走査プローブ顕微鏡（SPM）の一種である走査型イオン伝導顕微鏡（SICM：Scanning Ion Conductance Microscope）が知られている。
SICMは先端が縮径した筒状のピペットの内部に溶液を充填したものをプローブとして用いることが多い。プローブの内部と、試料を浸した電解液中に電極を配置する。両電極に電圧を印加した状態でプローブを電解液に浸し、試料との距離を変えながらイオン電流の変化を測定することで試料表面の立体形状を画像化する。
SICMではイオン電流の値をピペット先端の極微小径の穴（ナノポア）を通じて測定するため、ピペット内の電極とピペット先端付近の溶液とが十分に低い抵抗値で結合されている必要がある。つまり、溶液がピペット先端まで確実に充填されている必要がある。
【０００３】
従来、ピペット内への溶液の充填方法として、ピペット後方（背面）の開口から溶液を注入し、後方から圧力を加えて前方（先端）まで溶液を押し出して輸送する方法（方法1）が知られている。
例えば非特許文献1には背面印加圧力と、ピペット先端のポアの直径（ポア径）と、圧力印加時の溶液の移動速度との関係が定量的に明らかにされている。2気圧程度の圧力をピペット背面から印加することで、ポア径がマイクロメートルサイズであれば容易に溶液をピペット先端まで輸送できる。
他の充填方法として、ピペットの先端から内部にのびる芯付きピペットを用いる方法（方法2）も知られている。
この方法によればピペット内面と芯に生じる毛細管現象を利用して、背面から充填した溶液をピペット先端まで高速且つ簡便に輸送できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】SALANCON Evelyne, TINLAND Bernard, Measuring liquid meniscus velocity to determine size of nanopipette aperture, Journal of colloid and interface science, 2013, 392: 465-469.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記方法1及び方法2では次のような問題がある。
SICMの空間解像度はポアの直径程度であるため、高い空間解像度を得るにはポア径をできるだけ小さくするのが好ましい。
方法1の場合はポア径がマイクロメートルサイズであれば有効であるが、ポア径を50ナノメートル以下程度まで小さくすると、何らかの原因でピペット内部の気相の圧力が下がりにくくなり、現実的な印加圧力の範囲内ではピペット先端まで溶液を輸送できない場合がある。このように方法1ではプローブ作製の歩留まりが非常に悪く、また、ピペット背面に何らかの圧力印加機構が必要になるため、プローブを一括で大量に作成することが難しいという問題がある。
方法2の場合は芯がピペット先端のポアから外側に僅かに突出することがあり、突出部分の長さに対してポア径が大きい場合は問題にならないが、ポア径をナノメートルサイズまで小さくすると、突出部分の長さとポア径の大きさの関係が逆転してしまい、プローブとして機能しなくなってしまう。更に、芯の先端以外の部分はピペット内面に固定されていない片持ち梁の状態になっているため、物理的な振動に対して脆弱であり、ピペット先端が壊れやすいという問題がある。
このように、ポア径がナノメートルサイズの高い空間解像度を有するSICM用のプローブの作成方法として方法1及び方法2は有効ではない。
また、直径がナノメートルサイズの空間内に液体を充填する技術は、上述したSICM用のプローブだけでなく他の種々の分野で求められている。
【０００６】
本発明は、このような問題を考慮して、ナノメートルサイズの空間内に液体を充填することを可能とする液体充填方法、SICM用プローブの製造方法、SICM用プローブ及びSICMを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液体充填方法は、物体の内部空間の両端のうち一方の端部に液体を充填するための液体充填方法において、前記両端のうち他方の端部側から前記内部空間の一部に液体を挿入し、前記他方の端部側から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるステップと、前記液体を気体に相転移させるステップと、拡散により前記一方の端部まで移動した前記気体を温度低下により液体に相転移させることで前記一方の端部に液体を充填するステップとを少なくとも備えることを特徴とする。
本発明の液体充填方法は、物体の内部空間の両端のうち一方の端部に液体を充填するための液体充填方法において、前記両端のうち他方の端部側から前記内部空間の一部に液体を挿入し、前記液体が存在する位置から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるステップと、前記液体を気体に相転移させるステップと、拡散により前記一方の端部まで移動した前記気体を温度低下により液体に相転移させることで前記一方の端部に液体を充填するステップとを少なくとも備えることを特徴とする。
また、前記一方の端部が開口していることを特徴とする。
また、前記一方の端部の開口の最大長さが50ナノメートルであることを特徴とする。
また、前記一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなることを特徴とする。
また、前記温度勾配の最高温度が前記液体の沸騰温度以下であることを特徴とする。
また、前記物体がSICM用プローブに用いるピペットであり、前記内部空間の前記両端が開口しており、且つ前記一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなることを特徴とする。
【０００８】
本発明のSICM用プローブの製造方法は、請求項1又は2に記載の液体充填方法を用いるSICM用プローブの製造方法であり、前記物体がSICM用プローブに用いるピペットであり、前記内部空間の前記両端が開口しており、且つ前記一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなることを特徴とする。
本発明のSICM用プローブは、両端に開口を有すると共に一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなる筒状体のピペットと、前記ピペットの内部空間に充填される液体とを少なくとも備えるSICM用プローブにおいて、前記他方の端部側から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせることで前記内部空間の一部に挿入した液体を気体に相転移させ、拡散により前記一方の端部まで移動した前記気体を温度低下により液体に相転移させることで前記一方の端部に液体を充填した前記ピペットを備えることを特徴とする。
本発明のSICMは、両端に開口を有すると共に一方の端部の断面積が先端に向かって小さくなる筒状体のピペットに対して、前記他方の端部側から前記一方の端部側に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるための加温装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の液体充填方法によると、内部空間の一部に液体を入れた状態で、一方の端部側（先端側）に向かって温度が下がっていく温度勾配を生じさせるだけで拡散現象を利用して先端側に液体を充填（輸送）することができる。
また、大量の物体に対して一斉に上記温度勾配を生じさせることで、液体が先端側まで充填された大量の物体を従来手法と比較して安全、高速且つ容易に大量生産することができる。
温度勾配は必ずしも物体の他方の端部（後端側）から先端側まで生じさせる必要はなく、少なくとも液体が存在する位置から先端側まで生じさせればよい。
物体の先端側は開口していてもよく、閉じていてもよい。
物体の先端側の開口の最大長さが50ナノメートル程度のナノメートルサイズであっても当該先端まで液体を充填することができる。物体の先端側の開口の最大長さがナノメートルサイズであれば、当該物体をピペットとして利用して高い空間解像度を有するSICM用のプローブを得られる。
物体の先端の断面積は先端に向かって小さくなっていてもよく、或いは断面積が物体の全長に亘って一定のままであってもよい。
温度勾配を生じさせる際の最高温度は液体の沸騰温度以下にするのが好ましい。沸騰温度以上にすると内部空間に充填された液体が外部に飛び出すおそれがある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】加温装置の上にピペットを載せた状態を示す斜視図(a)及びピペットの先端側に液体が充填されていく様子を模式的に表した図(b)
【図２】実施の形態の温度勾配の例を示す図(a)及び温度勾配の他の例を示す図(b)
【図３】実施の形態のピペットの先端側の形状の変形例を示す図(a)及び(b)
【図４】物体の一例としての多孔質媒体を示す斜視図(a)及び縦断面図(b)
【図５】SICMの概略図
【図６】実施例における温度勾配下のピペットの光学顕微鏡像
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の液体充填方法は物体の内部空間の両端のうち一方の端部に液体を充填するための方法である。
液体充填方法について図面を用いて説明する。
図1及び図2(a)に示すように、液体10を充填するための物体としてピペット20を用いる。
ピペット20は長手方向にほぼ同一径でのびる円筒形状である。ピペット20の両端のうち一方の端部21（先端側）の断面積は先端に向かって小さくなって（縮径して）おり、最先端部が開口している。ピペット20の他方の端部22（後端側）も開口している。ピペット20の材質は特に限定されず、ガラスや樹脂が挙げられる。最先端部の開口の形状は円形に限らず、楕円形や多角形であってもよい。最先端部の開口の直径（ポア径）は特に限定されないが、ナノメートルサイズ（例えば50ナノメートル程度）であってもよい。
【００１２】
液体10の種類は用途に応じて種々選択可能であり、例えば水等の溶媒中に溶質を含んで成る溶液であってもよく、あるいは溶質を含まない単一種類の液体のみから成るものであってもよい。
ピペット20の後端側22の開口から液体10を挿入することでピペット20の内部空間の一部に液体10が充填された状態、換言するとピペット20の先端側21に液体10が充填されていない状態になる。これは上述したとおりピペット20の先端側21のポア径がナノメートルサイズの場合は液体10を先端側21まで輸送することが困難なためである。
【００１３】
ピペット20は加温装置30の上に載せられる。加温装置30はピペット20の後端側22から先端側21に向かって温度が下がっていく温度勾配40を生じさせるために用いる。
本実施の形態では電熱線を格納したヒートプレート31を利用する。ヒートプレート31の上にアルミニウム合金の板32（アルミプレート）を載せて、その上に複数のピペット20を載せる。その際に各ピペット20の後端側22をアルミプレート32に載せ、各ピペット20の先端側21はアルミプレート32に直接接触しないように外側に位置させる。ピペット20の後端側22の液体10はヒートプレート31の熱を直接受けて温度が上昇していくが、ヒートプレート31から外側に位置する液体10にはヒートプレート31の熱が直接伝達されない。したがって、図1に示すように、ピペット20内の液体10には後端側22から先端側21に向かって温度が下がっていくような温度勾配40が生じる。本発明では温度勾配40を生じせしめることが必須であり、アルミプレート32は必ずしも必要ではない。
加温装置30としては上記ヒートプレート31に限定されず、他には例えば、電熱線、半田ごてなど、何らかの熱源があり、その付近にピペット20が保持される状況が実現できる装置であれば何でも良い。
【００１４】
加温装置30によってピペット20の後端側22から先端側21に向かって温度が下がっていく温度勾配40を生じさせると、図1(b)の[T1]に示すように先端側21の液相界面の液体10が次第に気体11へと相転移（蒸発）する。
この気体11は拡散によりピペット20の先端側21まで移動していくが、ピペット20の先端側21は温度が低いため、図1(b)の[T2]に示すようにピペット20の最先端部で再び液体10に相転移する。これによりピペット20の最先端部（開口部）に液体10が充填される。その後、図1(b)の[T3]に示すように気体11から液体10への相転移が進むにつれて液相は次第に先端側21から後端側22に移動していく。
ピペット20内にもともと存在していた液体10と先端側21の液体10とに挟まれた気相12（バブル）は、液面メニスカスに起因したラプラス圧差の力と、温度勾配40に起因した液相成長が常に同じ方向に働くので、一方向に融合しつつピペット20内を後端側22に移動することになる。最終的にはピペット20の先端側21から後端側22までがほぼ液体10で満たされた状態になる。
このように、加温装置30の上に大量のピペット20を載せた状態で一斉に温度勾配40を生じさせることができるので、液体10が先端側21まで充填されたピペット20を従来手法と比較して安全、高速且つ容易に大量生産することができる。
【００１５】
温度勾配40を生じさせる際の液体10の最高温度は液体10の沸騰温度以下であって室温以上にするのが好ましい。液体10を沸騰温度以上に加熱すると液体10がピペット20の外部に全て飛び出すおそれがあり、また、液体10は室温以下に保つことが難しいためである。
なお、図2(a)は本実施の形態で説明した「ピペット20の後端側22から先端側21に向かって温度が下がっていく温度勾配40」を生じさせた状態を示しているが、図2(b)に示すように「液体10が存在する位置から先端側21に向かって温度が下がっていく温度勾配40」を生じさせた場合にも同様に液体10をピペット20の先端側21に充填させることが出来る。
また、本実施の形態ではピペット20の先端側21の断面積が縮径しているものとしたが、これに限らず、図3(a)に示すように先端側21が同一径のままであってもよく、或いは図3(b)に示すように先端側21が閉じていてもよい。
また、本実施の形態では内部空間を有する物体としてピペット20を例にして説明したが、例えば図4に示すようにスポンジ状等の多孔質媒体50であってもよく、本発明の液体充填方法を使用すれば多孔質媒体50の各孔51の中に液体10を充填することができる。
【００１６】
本実施の形態で示したピペット20をSICM用プローブ100として用いる場合、図5に示すようにピペット20内の電極60が浸る位置まで液体10を充填する必要がある。図5中の符号61は試料、符号62は電解液、符号63は電極を指している。
図1（b）の[T3]中の丸で囲んだ箇所のようにピペット20内にもともと存在していた液体10と先端側21の液体10とがピペット20の内壁面で繋がった状態になると、ピペット20内の電極60と先端側21の液体が低い抵抗値で結合されることになり、SICM用プローブ100として使用できる状態になる。したがって、気相12を必ずしもピペット20の後端側22まで移動させる必要はない。
また、既存のSICMを構成する機構の一つとして上記加温装置30を組み込むことにすれば、SICM自体にプローブ作成機能を持たせることができる。
【実施例１】
【００１７】
次に、本発明の液体充填方法の実施例について説明する。
図6は3mol/Lの塩化カリウム溶液を注入したピペットを、適当な温度勾配下に15分間静置した後の光学顕微鏡像である。温度勾配は図1のような配置において、ホットプレートをそれぞれ摂氏90度、50度に温度調整することによって生じせしめた。
50度にホットプレートを温度調整したものは、いくつか気泡がピペット内部に残っているが、90度のものはピペット20内に気泡は無く、ピペットの先端まで液体を充填できたことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は、ナノメートルサイズの空間内に液体を充填することを可能とする液体充填方法、SICM用プローブの製造方法、SICM用プローブ、SICM及び可溶性物質の捕捉方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００１９】
10 液体
11 気体
12 気相
20 ピペット
21 一方の端部（先端側）
22 他方の端部（後端側）
30 加温装置
31 ヒートプレート
32 アルミプレート
40 温度勾配
50 多孔質媒体
51 孔
60 電極
61 試料
62 電解液
63 電極
100 SICM用プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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