(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題は、液中観察において液温を下げた場合、液面を覆うガラス板が結露することにより、測定が不安定になることである。【解決手段】探針と試料との間に作用する物理量を光を用いて検出する走査形プローブ顕微鏡において、探針及び試料を液中に収容するセルと、前記セルの液面に接し、前記光を透過する透過手段と、前記試料及び液を冷却する試料冷却手段と、前記透過手段の前記光が透過する面に接するガスを置換するガス置換手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図１
2005241281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と試料との間に作用する物理量を光を用いて検出する走査形プローブ顕微鏡において、
探針及び試料を液中に収容するセルと、
前記セルの液面に接し、前記光を透過する透過手段と、
前記試料及び前記液を冷却する試料冷却手段と、
前記透過手段の前記光が透過する面に接するガスを置換するガス置換手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡。
【請求項２】
セルを収容する気密観察室を備えた請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記ガス置換手段が前記気密観察室に乾燥したガスを導入するガス導入手段及び前記気密観察室からガスを排出するガス排出手段である走査形プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記セルの開放部を密閉する密閉手段を備えた請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記ガス置換手段が前記密閉手段に乾燥したガスを導入するガス導入手段及び前記密閉手段からガスを排出するガス排出手段である走査形プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記セルが密閉型液中セルであり、前記透過手段が前記セルを密閉する蓋である請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記透過手段を覆う気密容器を備え、
前記ガス置換手段が前記気密容器に乾燥したガスを導入するガス導入手段及び前記気密容器からガスを排出するガス排出手段である走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、トンネル顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。この探針に働く物理量を測定する方法には、探針を有するカンチレバーの背面にレーザ光を照射し、反射したレーザ光をフォトディテクタで受光し、その位置の変位又は周波数変位を測定する方法がとられる。
【０００３】
生体試料などの観察は、細胞を生かしたまま観察するために、しばしば液中での観察がなされる。また、大気中での測定においては試料表面に付着した水の表面張力による影響があるため、液中での観察が行われる場合がある。液中で観察を行う場合は、液中に入射する前述したレーザ光を安定させるために、液面をガラス板で覆う。
【０００４】
しかし、液温制御を行い室温より下に液温を下げた場合、ガラス板上面に大気中の水分が付着し結露する。このため、レーザ光の強度が下がったり、散乱が起こって測定ができなくなることがあった。
【０００５】
従来技術としては、液中観察を行う走査形プローブ顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００３−１２１３３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする問題は、液中観察において液温を下げた場合、液面を覆うガラス板が結露することにより、測定が不安定になることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、探針と試料との間に作用する物理量を光を用いて検出する走査形プローブ顕微鏡において、探針及び試料を液中に収容するセルと、前記セルの液面に接し、前記光を透過する透過手段と、前記試料及び前記液を冷却する試料冷却手段と、前記透過手段の前記光が透過する面に接するガスを置換するガス置換手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡である。
【０００９】
請求項２の発明は、セルを収容する気密観察室を備えた請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記ガス置換手段が前記気密観察室に乾燥したガスを導入するガス導入手段及び前記気密観察室からガスを排出するガス排出手段である走査形プローブ顕微鏡である。
【００１０】
請求項３の発明は、前記セルの開放部を密閉する密閉手段を備えた請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記ガス置換手段が前記密閉手段に乾燥したガスを導入するガス導入手段及び前記密閉手段からガスを排出するガス排出手段である走査形プローブ顕微鏡である。
【００１１】
請求項４の発明は、前記セルが密閉型液中セルであり、前記透過手段が前記セルを密閉する蓋である請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記透過手段を覆う気密容器を備え、前記ガス置換手段が前記気密容器に乾燥したガスを導入するガス導入手段及び前記気密容器からガスを排出するガス排出手段である走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ガラス板表面は乾燥したガスで覆われているため、液温を下げた場合でも結露することがなく、測定を安定に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の構成を図１を用いて説明する。気密に設けられた気密容器１２には液中セル４ユニットが収容されている。気密容器１２中は大気圧である。気密容器１２にはガス導入口１４及びガス排出口１３が設置されている。ガス導入口１４には乾燥した不活性ガス等を収容したガスボンベ１９が接続されており、ガス排出口１３にはバルブ１８が接続されている。気密容器１２中にはチューブ型ピエゾ素子から成り、自由端が３次元方向に変位自在なスキャナ１０が設置されている。スキャナ１０の自由端には電子冷却器１１が設置されている。電子冷却器１１は、ビスマスとテルルの化合物などの半導体で作られたＰＮ接合を有し、これに直流電流を流すとペルチェ効果により温度が低下する。電流の向きを変えることにより冷却を加熱に変えられる特徴がある。
【００１５】
電子冷却器１１にはカップ状のセル４が設置されており、セル４内部には試料３が着脱自在に置載されている。また、セル４内部は溶液５で満たされている。溶液には純水、生理食塩水、電解溶液等が試料３に応じて用いられる。溶液５の液面にはガラス板６が保持されており、ガラス板６には自由端に探針１を有するカンチレバー２が設置されている。カンチレバー２は図示しないピエゾ素子を有し、電圧を加えることにより固有振動数で振動する。ガラス板６は、図示しないカンチレバーホルダを介して、図示しない装置ベースに動かないように固定されている。ガラス板６は全部が光学的に透明でもよく、一部が透明でもよい。
【００１６】
カンチレバー２上方にはレーザ光源７が設置されており、レーザ光源７から放出されたレーザ光９がカンチレバー２から反射する光路上にフォトディテクタ８が設置されている。
【００１７】
以上、図１を構成する各部について説明したが、次に動作について説明する。カンチレバー２はその長さや厚さによって数十kHzから数百kHzの固有振動数を有しており、圧電振動子にこの固有振動周波数を加えると、探針１が構成されている自由端が固有振動周波数で数nm程度上下動する。このときの状態を定常状態として探針１を試料３に接近させた場合、最下点で探針１−試料３間に原子間引力が作用する。探針１が原子間引力を受けると、カンチレバー２のバネ定数が見かけ上変化したことになり、定常状態の振動周波数ｆ０に比べて周波数が低く（振動周期が長く）なる。カンチレバー２の先端にレーザ光源７からのレーザ光９が照射されており、カンチレバー２から反射されたレーザ光９は分割されたフォトディテクタ８で検出している。カンチレバー２が変位するとフォトディテクタ８に入射するレーザ光９のスポットがシフトする。これに合わせてフォトディテクタ８の出力が変化し、カンチレバー２の変位を検出することができる。この光てこ方式において、カンチレバー２から反射されたレーザ光９に含まれる周波数成分の内から、引力の作用による周波数変化Δf、振幅変化ΔA、位相変化のいずれかをフィードバック信号として、スキャナ１０をＺ方向に変位させることにより探針１−試料３間の距離を一定に保つようにしている。この時のスキャナ１０に入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。フィードバック信号の検出方法は、スロープ検出及びＦＭ検出法ある。カンチレバーが設置されているガラス板６は固定されているため、スキャナの自由端を走査させることにより、探針と試料間で相対的に走査が行われる。制御ブロック図を図６に示す。
【００１８】
また、液面はガラス板６で覆われているため、レーザ光９が安定して液中に入射して、その反射光が安定して放出される。気密容器１２にはガス導入口１４を通って予圧されたガスボンベ１９から乾燥した不活性ガス等のガス１５が導入され、バルブ１８を開けることによりガス排出口１３から気密容器１２内のガス１５が自然排出され、気密容器１２内のガス１５が置換される。このため、溶液５が蒸発しても、気密容器１２内は乾いたガス１５が充満している。
【００１９】
試料３を冷却して観察したい場合は、電子冷却器１１を用いてセル全体を冷却し、溶液５を介して試料３に熱を伝達する。電子冷却器１１による試料３・溶液１５の冷却の影響でガラス板６の温度が下がっても、カラス板６の表面は乾燥したガス１５で覆われているため、ガラス板６上面にガス１５中の水分子が付着せず、結露が起こらない。このため、レーザ光９はガラス板６を透過して安定に入射し、放出される。つまり、ガラス板６が結露しないためレーザ光９の強度が下り、また散乱が起こって測定が不能になることがない。
【００２０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、電子冷却器３は液中に設置されてもよい。また、気密容器１２は１部又は全部が透明のガラスで構成されてもよい。ガス導入口には乾燥剤を通過する空気送気装置が接続されていてもよく、ガス排出口にはガス排出ポンプが接続され強制排気を行ってもよい。
【実施例２】
【００２１】
本発明の構成を図２を用いて説明する。実施例１と同一の構成要素には同一番号を付し、説明を省略する。
【００２２】
実施例２の特徴はレーザ光源７及びフォトディテクタ８が気密容器１２の外側に設置されている点にある。このため、レーザ光源７から放射されたレーザ光９は、気密容器１２に設置されたガラス窓１７を透過して、カンチレバー２に照射され、その反射光がガラス窓１７を透過してフォトディテクタ８で検出される。その他は実施例１と同様であり、ガラス板６が冷却されても乾燥したガス１５が表面を覆っているため結露が起こらず、安定した測定が行える。
【実施例３】
【００２３】
本発明の構成を図３を用いて説明する。３次元方向に変位自在なスキャナ１０の自由端には電子冷却器１１が設置されており、電子冷却器１１にはカップ状のセル４が設置されている。セル４内部には試料３が着脱自在に置載されている。また、セル４内部は溶液５で満たされている。溶液５の液面にはガラス板６が保持されており、ガラス板６には自由端に探針１を有するカンチレバー２が設置されている。カンチレバー２は図示しないピエゾ素子を有し、電圧を加えることにより固有振動数で振動する。ガラス板６は全部が光学的に透明でもよく、一部が透明でもよい。
【００２４】
セル４は気密容器１２で蓋をされており、セル４と気密容器１２の間にはＯリング１６があり、気密を保持している。気密容器１２には乾燥したガス１５を導入するガス導入口１４及び気密容器１２内のガス１５を排出するガス排出口１３が設置されている。また、気密容器１２上面には光学的に透明なガラス窓１７が設置されており、気密容器１２上方に設置されているレーザ光源７よりのレーザ光９を入射して、カンチレバー２から反射光を放出する。放出されたレーザ光９はフォトディテクタ８で検出される。気密容器１２は全体が光学的に透明でもよい。
【００２５】
以上、図３を構成する各部について説明したが、動作は実施例１と同様である。つまり、本発明おいて、セル４と気密容器１２で形成された空間は乾燥したガス１５で満たされており、ガラス板６が冷却されても乾燥したガス１５が表面を覆っているため結露が起こらず、安定した測定が行える。
【実施例４】
【００２６】
本発明の構成を図４を用いて説明する。本発明の特徴は密閉型液中セルを用いることである。３次元方向に変位自在なスキャナ１０の自由端には電子冷却器１１が設置されており、電子冷却器１１にはカップ状のセル４が設置されている。セル４内部には試料３が着脱自在に置載されている。セル４はガラス板６で蓋をされており、セル４とガラス板６の間にはゴム等のＯリング１６で気密を保持している。ガラス板６は図示しないベースで固定されているため、スキャナ１０が変位しても探針１側は変位せず、試料３側のみが変位し、探針１と試料３の相対的な走査が可能である。セル４内部は溶液５で満たされている。ガラス板６には自由端に探針１を有するカンチレバー２が設置されている。カンチレバー２には図示しないピエゾ素子を有し、電圧を加えることにより固有振動数で振動する。ガラス板６は全部が光学的に透明でもよく、一部が透明でもよい。
【００２７】
ガラス板６上面は気密容器１２で蓋をされており、気密容器１２には乾燥したガス１５を導入するガス導入口１４及び気密容器１２内のガス１５を排出するガス排出口１３が設置されている。また、気密容器１２上面にはガラス窓１７が設置されており、気密容器１２上方に設置されているレーザ光源７よりのレーザ光９を入射して、カンチレバー２から反射光を放出する。放出されたレーザ光９はフォトディテクタ８で検出される。
【００２８】
以上、図４を構成する各部について説明したが、動作は実施例１と同様である。つまり、本発明おいて、ガラス板６と気密容器１２で形成された空間は乾燥したガス１５で満たされており、ガラス板６が冷却されても乾燥したガス１５が表面を覆っているため結露が起こらず、安定した測定が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による液中セル及び光学検出系を気密容器中に収容した実施例である。
【図２】本発明による液中セルを気密容器中に収容し、光学検出系を気密容器外に設置した実施例である。
【図３】本発明による液中セルを気密容器で蓋をした実施例である。
【図４】本発明による密閉型液中セルを用いた実施例である。
【図５】従来技術における開放型液中セルを示す図である。
【図６】本発明による制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  探針
２  カンチレバー
３  試料
４  セル
５  溶液
６  ガラス板
７  レーザ光源
８  フォトディテクタ
９  レーザ光
１０  スキャナ
１１  電子冷却器
１２  気密容器
１３  ガス排出口
１４  ガス導入口
１５  ガス
１６  Ｏリング
１７  ガラス窓
１８  バルブ
１９  ガスボンベ
【図１】
2005241281.tif 000003
【図２】
2005241281.tif 000004
【図３】
2005241281.tif 000005
【図４】
2005241281.tif 000006
【図５】
2005241281.tif 000007
【図６】
2005241281.tif 000008