(57)【要約】【課題】滅菌作業が不要でありながら細菌の増殖を最小限に抑えれる原子間力顕微鏡を提供する。【解決手段】ＡＦＭヘッド１００は、試料Ｓの微細形状を探索するカンチレバー１０１と、カンチレバー１０１を保持するレバーホルダー１０２と、測定光ビームを発するレーザーダイオード１０３と、レーザーダイオード１０３からの測定光ビームをカンチレバー１０１上に集光する集光レンズ１０４と、カンチレバー１０１で反射された測定光ビームの方向を検出する検出素子１０６と、これらの部品を保持している金属製の防水ヘッド１１０と、防水ヘッド１１０を三次元に走査するチューブスキャナー１０８と、検出素子１０６からの信号に基づいてチューブスキャナー１０８を制御する電装部１０９とを有しており、防水ヘッド１１０にはフッ素コート等に代表される抗菌コート１２０が被覆されている。【選択図】　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーと、カンチレバーを試料の高さ方向に走査して、カンチレバーの自由端と試料との間の作用力による自由端の変位を検出し、試料とカンチレバーとは液中に配置され、カンチレバーを保持する保持体の部分は液に接するように配置され、さらに、保持体は液に接する部分より広い範囲が抗菌コートで覆われていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項２】
カンチレバーと、カンチレバーを試料の高さ方向に走査して、カンチレバーの自由端と試料との間の作用力による自由端の変位を検出し、試料とカンチレバーとは液中に配置され、カンチレバーを保持する保持体の部分は液に接するように配置され、さらに、保持体は液に接する部分より広い範囲がはっ水性コートで覆われていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項３】
カンチレバーをさらに試料の表面に沿って走査する請求項１または請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、培養液や生理食塩水などの液中で被検物の表面形状や機能解析を行なう原子間力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、位相差観察法が可能な光学顕微鏡と組合せた原子間力顕微鏡が挙げられる。その一例を図４に示す。図４に示すように、倒立型光学顕微鏡は位相差観察法による観察を可能にする照明系３１０を有しており、照明系３１０は、光源３１１とコレクタレンズ３１２とスライダ３１３とコンデンサレンズ３１４とを含み、ベース３０１に立てられた支柱３０２の上端に設けられたアーム３０３によって支持されている。スライダ３１３は、位相差観察用のリング開口３１５ａと光を透過する透光部３１５ｂを持ち、光路を横切って移動可能であり、必要に応じてリング開口３１５ａが光路中に配置される。
【０００３】
支柱３０２にはＺステージ３２０が設けられている。Ｚステージ３２０は、支柱３０２に固定された固定部３２０ａと、固定部３２０ａに対して移動可能に支持された移動部３２０ｂとを有しており、移動部３２０ｂに固定されたアーム３２１には円筒型圧電アクチュエーター３２２の上端部が固定されている。円筒型圧電アクチュエーター３２２の下端にはヘッド３３０が固定されている。ヘッド３３０の下側にはカンチレバーチップ３４０が取り付けられる。カンチレバーチップ３４０は、支持部から延びた梁部を有し、その先端の下側には突起部が形成されている。
【０００４】
ヘッド３３０は、取り付けられたカンチレバーチップ３４０の梁部の変位を検出する変位検出系を内部に備えている。この変位検出系は、レーザーダイオード３３１とフォーカスレンズ３３２と全反射ミラー（もしくはダイクロイックミラー）３３３と複数の受光領域を持つフォトダイオード３３４とで構成されており、カンチレバーチップ３４０の梁部の変位は、フォトダイオード３３４に入射する梁部からの反射光ビームの位置に基づいて求められる。
【０００５】
試料を載せたスライドガラス３０４は、支柱３０２に固定された試料台３０５の上に置かれる。試料台３０５の下には位相差観察用の対物レンズ３０６が配置され、対物レンズ３０６はベース３０１に立てた保持部材３０７に固定されている。対物レンズ３０６の下方には反射ミラー３０８が配置されており、その反射光路上には顕微鏡像観察用のＣＣＤカメラ３０９が配置されている。試料はスライドガラス３０４上に載置される代わりに、培養液で満たされたシャーレ（図示せず）に入れられてもよい。
【０００６】
また、別の従来技術として、特開平８−１９１８４２号公報が挙げられる。これは、マイクロサージャリーに使用される手術用顕微鏡に関しており、図５に示すような対物レンズ４０１と接眼レンズ４０２を備えた鏡体４０３全体を覆うことができる滅菌可能なゴム材料等で作られた部材を用意することにより、鏡体全体を容易に滅菌状態にするといったものである。
【０００７】
さらに、別の従来技術として、特開平９−１４６００５号公報も挙げられる。これは、図６に示すように顕微鏡を代表とする光学機器において使用時に手指で接触する部分である接眼レンズの視度補正環５０１、対物レンズのレボルバ５０２、ステージの前後又は左右動ハンドル５０３、焦点合わせ用ハンドル５０４等に抗菌性を持たせることにより、医療現場や食品工場等で使用する場合に手指を介して菌が付着し、繁殖することで不衛生になることを防止するといったものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１９１８４２号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平９−１４６００５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の原子間力顕微鏡は、生体標本の表面形状の算出や機能解析を行なう際には、被検物に悪影響を与える細菌等の付着を抑制するために、滅菌作業が必要である。滅菌作業としては、装置を高温下に長時間放置することが一般的である。この場合、レーザーダイオード等を測定光源に使用している装置や制御用等の電装部を内蔵している装置であれば、上記のような滅菌作業により搭載している電気部品等の保管温度を超えたり、繰り返し作業により故障する可能性が高くなったりするいう問題点を抱えている。また、タイムラプス等の長時間観察もしくは測定を行なう際には、培養液中で細菌が繁殖する可能性が懸念される。細菌は主に培養液が大気と接触することが原因で発生するため、例えば無菌箱のようなものを装置にかぶせ細菌の繁殖を最小限に抑える工夫を講じている場合があるが、装置の滅菌が完全でないときには、それらの効果も薄れてしまう。
【００１１】
さらに、特開平９−１４６００５号公報では、操作時に手指で触れる部分にのみ抗菌材を利用したものであるが、原子間力顕微鏡を使用する際には、被検物や培養液に接触する部分に手指で触れることは基本的にない。そのため、作業者の手指が接触する部分にのみ抗菌材を利用したものでは装置として不完全である。
【００１２】
また、特開平８−１９１８４２号公報の欠点は、装置とは別の滅菌用部材を装置自体にのみ被せることにある。なぜなら、原子間力顕微鏡はカンチレバーと被検物の極小の間隔を一定に保ちながら走査を行なうことでサブマイクロメートルからサブナノメートルオーダーの分解能を得ていることから、必然的に被検物と装置とのクリアランスも非常に狭い。そのため、滅菌部材を装置にのみ被せることは物理的に不可能である。
【００１３】
本発明は、このような事情を鑑みて成なされたものであり、その目的は、滅菌作業の必要がなく、しかも細菌の増殖を最小限に抑えれる原子間力顕微鏡を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の原子間力顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーを試料の高さ方向に走査して、カンチレバーの自由端と試料との間の作用力による自由端の変位を検出し、試料とカンチレバーとは液中に配置され、カンチレバーを保持する保持体の部分は液に接するように配置され、さらに、保持体は液に接する部分より広い範囲が抗菌コートで覆われていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の別の原子間力顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーを試料の高さ方向に走査して、カンチレバーの自由端と試料との間の作用力による自由端の変位を検出し、試料とカンチレバーとは液中に配置され、カンチレバーを保持する保持体の部分は液に接するように配置され、さらに、保持体は液に接する部分より広い範囲がはっ水性コートで覆われていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
第一実施形態
本発明の第一実施形態による原子間力顕微鏡を図１に示す。図１に示されるように、生体標本である試料Ｓは生理食塩水等の培養液１が満たされたシャーレ２の中に収容されている。シャーレ２は、透過観察が可能な倒立型顕微鏡のステージ１３に載置される。倒立型顕微鏡は、一般的な光学顕微鏡であり、複数本の対物レンズ２１、複数本の対物レンズ２１を容易に切り替えるためのレボルバ２２、光路切り返しミラー２３ａと結像レンズ２３ｂを内蔵した鏡基２３、対物レンズ２１と結像レンズ２３ｂにより作られた試料Ｓの像を拡大観察するための接眼レンズ２４、ハーフミラーやダイクロイックミラー等に代表される光路分割素子２５ａを内蔵した中間鏡筒２５、中間鏡筒２５に接続され試料Ｓを照明するための落射光源２６、透過照明光を供給するための透過光源２７、透過光源２７をステージ１３上方に配置するための支柱２８とから構成されている。
【００１８】
ステージ１３の上方には、ＡＦＭヘッド１００が配置されている。ＡＦＭヘッド１００は、焦準ステージ１４によって上下動可能に支持されている。
【００１９】
ＡＦＭヘッド１００の詳しい構成を図２に示す。図２に示されるように、ＡＦＭヘッド１００は、試料Ｓに接触して試料Ｓの微細形状を探索するためのカンチレバー１０１と、カンチレバー１０１を保持するためのレバーホルダー１０２と、測定光ビームを発するための測定光源であるレーザーダイオード１０３と、レーザーダイオード１０３から発せられた測定光ビームをカンチレバー１０１上に集光するための集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４からの測定光ビームをカンチレバー１０１に方向付けるための偏向素子１０５と、カンチレバー１０１で反射された測定光ビームの方向を検出するための複数の受光エリア１０６ａと１０６ｂを持つ検出素子１０６と、検出素子１０６を任意の方向に移動させるための調整機構１０７とを有している。
【００２０】
ＡＦＭヘッド１００は更に、培養液中での観察や測定を可能とするためにこれらの部品を保持している金属製の防水ヘッド１１０と、防水ヘッド１１０を三次元に走査するためのチューブスキャナー１０８と、検出素子１０６の受光エリア１０６ａと１０６ｂからの信号に基づいてチューブスキャナー１０８を制御するための電装部１０９とを有している。
【００２１】
チューブスキャナー１０８は、円筒形状をしており、透過光源２７からの透過照明光を遮ぎらずに通過させる。また、偏向素子１０５は、透過光源２７からの透過照明光を透過する。
【００２２】
防水ヘッド１１０にはフッ素コートやフッ素樹脂塗装等に代表される抗菌コート１２０が被覆されている。防水ヘッド１１０は決して試料Ｓに直接接触することがないように、チューブスキャナー１０８と電装部１０９とによってその位置が制御される。
【００２３】
本実施形態の原子間力顕微鏡において、レーザーダイオード１０３から発せらた測定光ビームは、集光レンズ１０４によってカンチレバー１０１上に集光される。カンチレバー１０１上に集光された測定光ビームはカンチレバー１０１の表面で反射され、検出素子１０６で受光される。このとき、検出素子１０６の受光エリア１０６ａと１０６ｂからの信号ＳＩＧａとＳＩＧｂがＳＩＧａ＝ＳＩＧｂとなるように、調整機構１０７により検出素子１０６の位置を調整する。
【００２４】
次に、ＡＦＭヘッド１００も下方へ移動させるために焦準ステージ１４を下方へ移動させる。ＡＦＭヘッド１００が下方に移動することで、カンチレバー１０１の先端はシャーレ２内の試料Ｓに接触しカンチレバー１０１がたわむ。カンチレバー１０１のたわみによってカンチレバー１０１の表面で反射された測定光ビームの方向が変わり、検出素子１０６の受光エリア１０６ａと１０６ｂが受ける光量が変化する。このとき、ＳＩＧａ≠ＳＩＧｂとなることで、電装部１０９は試料Ｓとカンチレバー１０１の接触を感知する。
【００２５】
電装部１０９は、その状態のまま、チューブスキャナー１０８をＸＹ方向に駆動してカンチレバー１０１をＸＹ走査させる。ＸＹ走査の間、差分信号△Ｚ（＝ＳＩＧａ−ＳＩＧｂ）は試料Ｓの表面形状に応じて変化する。電装部１０９は、この差分信号が（測定開始時に設定された）一定値を維持するように、チューブスキャナー１０８をＺ方向に駆動してカンチレバー１０１のＺ位置を制御する。電装部１０９は、さらに、ＸＹ走査の信号（位置情報）とＺ制御の信号（高さ情報）とに基づいて試料Ｓの表面情報を取得し画像化する。
【００２６】
本実施形態の原子間力顕微鏡では、カンチレバー１０１が試料Ｓに接触した際には、カンチレバー１０１の他にもレバーホルダー１０２や防水ヘッド１１０もシャーレ２中の培養液１に接触するが、防水ヘッド１１０には抗菌コート１２０が覆われているため、使用前に防水ヘッド１１０の表面に大気中から細菌の付着していても細菌が繁殖することはない。従って、使用前に装置を高温下に長時間放置するといった滅菌作業の必要はない。
【００２７】
本実施形態では抗菌手法として、素材自身は溶出することなく菌との接触により菌を死滅させる方法と、菌が付着し難くすることで菌の増殖を予防する方法を用いており、試料Ｓに有害な物質が培養液中に溶出することはない。
【００２８】
本実施形態の原子間力顕微鏡は、高温下に長時間放置するといった滅菌作業の必要がないため、レーザーダイオード１０３や電装部１０９の故障が発生し難いという利点を有している。
【００２９】
なお、防水ヘッド１１０は、必ずしも金属製である必要はなく、アクリル樹脂やシリコン樹脂等の抗菌材料で作られてもよい。この場合、抗菌コート１２０が必要なくなり製造が容易になる。また、ＡＦＭヘッド１００を軽量化でき、より高速な走査が可能となり、装置性能が向上される。
【００３０】
また、防水ヘッド１１０を被覆する抗菌コート１２０の材料は、フッ素コートに限定されるものではなく、他の適当な材料であってもよく、光触媒反応を示す素材、例えば酸化チタンであってもよい。この場合、ＡＦＭ観察もしくは測定と同時に顕微鏡観察を行なうことで光が当てられた酸化チタンは表面に付着した様々なもの（油、ヤニ、細菌類）を分解する性質を持っているため、タイムラプス等の長時間観察もしくは測定等に使用しても測定中に装置表面で細菌が増殖することを防止できる。
【００３１】
なお、酸化チタンは対象物が表面に接触しないとその効果が発揮されることはないことから、培養液を介在して試料Ｓと防水ヘッド１１０が接触している限り、試料Ｓにダメージを与えることもない。
【００３２】
第二実施形態
本発明の第二実施形態は、第一実施形態のＡＦＭヘッド１００と代替可能な別のＡＦＭヘッドに向けられている。第二実施形態によるＡＦＭヘッドを図３に示す。
【００３３】
図３に示されるように、ＡＦＭヘッド２００は、試料Ｓの微細形状を探索するためのカンチレバー２０１と、カンチレバー２０１を保持するためのレバーホルダー２０２と、測定光ビームを発するためのレーザーダイオード２０３と、レーザーダイオード２０３から発せられた測定光ビームをカンチレバー２０１上に集光するための集光レンズ２０４と、集光レンズ１０４からの測定光ビームをカンチレバー２０１に方向付けるための偏向素子２０５と、カンチレバー２０１で反射された測定光ビームの方向を検出するための検出素子２０６と、検出素子２０６を任意の方向に移動させるための調整機構２０７とを有している。
【００３４】
ＡＦＭヘッド２００は更に、培養液中での観察や測定を可能とするためにこれらの部品を保持している防水ヘッド２１０と、防水ヘッド２１０を三次元に走査するためのチューブスキャナー２０８と、検出素子２０６からの信号に基づいてチューブスキャナー２０８を制御するための電装部２０９とを有している。
【００３５】
防水ヘッド２１０は、部品保持部２１１と断熱材２１２と発熱部２１３と防水部２１４から構成されている。部品保持部２１１は、レーザーダイオード２０３と集光レンズ２０４と偏向素子２０５と検出素子２０６と調整機構２０７とを収容し保持しており、チューブスキャナー２０８の下端に固定されている。部品保持部２１１の下側には断熱材２１２を介して発熱部２１３が固定されている。発熱部２１３は熱を発生させるための電熱線を内部に含んでおり、電熱線は発熱回路２１５に電気的に接続されている。発熱部２１３の下側には防水部２１４が固定されており、防水部２１４の下側にはレバーホルダー２０２が固定されている。
【００３６】
本実施形態のＡＦＭヘッド２００では、測定に先立ち、発熱回路２１５が動作される。発熱回路２１５は発熱部２１３の電熱線に通電して熱を発生させる。発熱部２１３で発生した熱は防水部２１４に伝達して防水部２１４の温度を上昇させる。防水部２１４の温度の上昇は、防水部２１４の表面に付着している細菌を死滅させる。つまり、防水部２１４は発熱部２１３によって加熱されて高温滅菌される。
【００３７】
発熱回路２１５は測定開始前に停止され、測定中も停止したままに維持される。その結果、測定中、発熱部２１３の発熱すなわち防水部２１４の温度上昇は生じない。
【００３８】
本実施形態のＡＦＭヘッド２００を備えた原子間力顕微鏡によれば、抗菌コートや抗菌材料の使用に比べて確実かつ短時間で滅菌することができる。また、コートのハゲや抗菌作用の劣化が生じないため、メンテナンスの必要がない。
【００３９】
発熱部２１３は、必ずしも電熱線を有している必要はなく、電熱線の代わりに例えばペルチェ素子を有していてもよい。この場合、防水部２１４側が高温になるように電圧を印可することにより、必然的に反対側（部品保持部２１１側）が冷却されるため、断熱材２１２を設ける必要なくなるので、装置のコンパクト化に好適である。
【００４０】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００４１】
本明細書は以下の各項に列記する発明を開示している。
【００４２】
１．　カンチレバーと、カンチレバーを試料の高さ方向に走査して、カンチレバーの自由端と試料との間の作用力による自由端の変位を検出し、試料とカンチレバーとは液中に配置され、カンチレバーを保持する保持体の部分は液に接するように配置され、さらに、保持体は液に接する部分より広い範囲が抗菌コートで覆われていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【００４３】
２．　抗菌コートは光触媒活性を有することを特徴とする第１項に記載の原子間力顕微鏡。
【００４４】
３．　抗菌コート材は光触媒活性を有するアバタイトであることを特徴とする第１項に記載の原子間力顕微鏡。
【００４５】
４．　抗菌コート材は光触媒活性を有する酸化チタンであることを特徴とする第１項に記載の原子間力顕微鏡。
【００４６】
５．　カンチレバーと、カンチレバーを試料の高さ方向に走査して、カンチレバーの自由端と試料との間の作用力による自由端の変位を検出し、試料とカンチレバーとは液中に配置され、カンチレバーを保持する保持体の部分は液に接するように配置され、さらに、保持体は液に接する部分より広い範囲がはっ水性コートで覆われていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【００４７】
６．　はっ水性コートはフッ素樹脂コートであることを特徴とする第５項に記載の原子間力顕微鏡。
【００４８】
７．　はっ水性コートはフッ素樹脂塗装であることを特徴とする第５項に記載の原子間力顕微鏡。
【００４９】
８．　カンチレバーをさらに試料の表面に沿って走査する第１項ないし第７項のいずれかひとつに記載の原子間力顕微鏡。
【００５０】
【発明の効果】
本発明による原子間力顕微鏡によれば、培養液に接触する部分に細菌の繁殖を防止する手段を講じたことにより、滅菌処理を施すために装置全体を高温下に長時間放置するといった作業が必要なくなり、これにより測定光源としてのレーザーダイオードや制御用の電装部が故障し難くなる。さらに、例えばタイムラプス等の長時間観察もしくは測定等に使用する場合に、被検物に悪影響を与える細菌の増殖が最小限に抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による原子間力顕微鏡を示している。
【図２】図１に示されたＡＦＭヘッドの詳しい構成を示している。
【図３】本発明の第二実施形態によるＡＦＭヘッドを示している。
【図４】本発明に関連する従来例を示している。
【図５】本発明に関連する別の従来例を示している。
【図６】本発明に関連する別の従来例を示している。
【符号の説明】
１００　ＡＦＭヘッド
１０１　カンチレバー
１０２　レバーホルダー
１０３　レーザーダイオード
１０４　集光レンズ
１０５　偏向素子
１０６　検出素子
１０７　調整機構
１０８　チューブスキャナー
１０９　電装部
１１０　防水ヘッド
１２０　抗菌コート
【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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