(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に接近または当接する針状の突起から成る探針を含む原子間力顕微鏡（AFM）のカンチレバーであって、少なくとも前記探針の先端に、外部刺激に応じて膨潤・収縮する有機高分子ゲルが結合していることを特徴とするＡＦＭ用カンチレバー。
【請求項２】
有機高分子ゲルが、ｐHに応じて膨潤・収縮するアクリルアミド／アクリル酸共重合体のゲルから成ることを特徴とする請求項１のＡＦＭ用カンチレバー。
【請求項３】
請求項１のＡＦＭ用カンチレバーを調製する方法であって、（１）該カンチレバーを構成する材料と化学結合する官能基および所望の有機高分子ゲルを構成するモノマーと化学結合する官能基を有するカップリング剤で、前記カンチレバーの探針を被覆し、次いで（２）カップリング剤被覆後の探針を前記有機高分子ゲルを形成するためのモノマーを含有する重合溶液に浸漬して重合を行わせ、溶液中でゲルが形成する直前に探針を取り出すことにより該探針に有機高分子ゲルの薄層を形成させる工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２のＡＦＭ用カンチレバーを調製する方法であって、請求項３の方法において、カンチレバーが窒化ケイ素またはケイ素から構成され、カップリング剤がアルキル鎖の末端にビニル基を有するシランカップリング剤であり、シランカップリング剤被覆後の探針をアクリルアミドモノマー、アクリル酸モノマーおよび架橋剤を含有する共重合溶液に浸漬して重合を行わせ、探針表面にアクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルの薄層を形成させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子間力顕微鏡（atomic force microscopy : AFM）のカンチレバーに関し、特に、探針に機能性ゲルが結合された従来のものとは全く異なる新しいタイプのＡＦＭ用カンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
良く知られているように、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、カンチレバーと呼ばれるきわめて柔いバネの先端に針状の突起（探針）を設け、この探針を試料に近づけたときに試料表面と探針の間に発生する微弱な力（原子間力）をカンチレバーのひずみを介して測定できるようにしたものであり、試料の固体表面をナノメーターのスケールで観察することができる装置として利用されている。
【０００３】
ここで、従来からＡＦＭは、固体表面を可及的に高分解能で見ること（イメージング）を主目的に研究および開発が進められ、したがって、カンチレバーに関しても、その探針をできるだけ剛直で小さく先鋭にして表面の像が反映されるように工夫がなされてきた。しかしながら、有機化学やバイオ関連分野への応用においては、柔軟で壊れやすく弾性的な試料を被写体とすることも少なくなく、また、高分解能のイメージングを第一義的な目的としないことも多い。このような場合には、物質の移送を伴うことなく特定の環境条件下の測定に適するように専ら剛直化や先鋭化を指向した探針は必ずしも最適ではない。
【０００４】
柔らかい試料表面に対しても影響が少なく、試料の表面環境に応じて特性が変わったり、さらには、物質の移送が可能なＡＦＭ用カンチレバー探針を得ることができれば、単なるイメージングのみならず、試料表面の各種の情報を取得して、ＡＦＭの有用性をさらに高めるものと期待されるが、そのようなＡＦＭ用カンチレバー探針を具現化した技術は見当たらない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、試料の表面環境に応じて特性が変化したり物質の移送を可能にするようなＡＦＭ用カンチレバー探針を実現することにより、ＡＦＭに基づく新たな測定技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、外部刺激に応じて体積相転移（膨潤・収縮）することにより様々の機能を発現する有機高分子ゲルに注目し、このような機能性ゲルをＡＦＭ用カンチレバーの探針表面に結合し得る技術を確立して本発明を導き出したものである。
【０００７】
かくして、本発明は、先ず、原子間力顕微鏡（AFM）のカンチレバーの探針に有機高分子ゲルが結合していることを特徴とするＡＦＭ用カンチレバーを提供する。本発明のＡＦＭ用カンチレバーの好ましい態様の１つにおいては、有機高分子ゲルは、アクリルアミド／アクリル酸共重合体のゲルから成る。
【０００８】
本発明は、さらに、上記のＡＦＭカンチレバーを調製する方法であって、（１）該カンチレバーを構成する材料と化学結合する官能基および所望の有機高分子ゲルを構成するモノマーと化学結合する官能基を有するカップリング剤で、前記カンチレバーの探針を被覆し、次いで（２）カップリング剤被覆後の探針を前記有機高分子ゲルを形成するためのモノマーを含有する重合溶液に浸漬して重合を行わせ、溶液中でゲルが形成する直前に探針を取り出すことにより該探針に有機高分子ゲルの薄層を形成させる工程を含むことを特徴とする方法を提供する。
【０００９】
ＡＦＭ用カンチレバーの好ましい態様として有機高分子ゲルがアクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルから成る場合は、本発明の方法において、カンチレバーは窒化ケイ素またはケイ素から構成され、カップリング剤はアルキル鎖の末端にビニル基を有するシランカップリング剤であり、シランカップリング剤被覆後の探針をアクリルアミドモノマー、アクリル酸モノマーおよび架橋剤を含有する共重合溶液に浸漬して重合を行わせ、探針表面にアクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルの薄層を形成させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のＡＦＭ用カンチレバーは、探針に有機高分子ゲルが結合しているという新規な構造から成る。ここで本明細書において用いている「探針」という語は、既述のＡＦＭに関する説明からも理解されるように、試料表面に接近または当接する針状の突起部を指し、また、カンチレバーとは、原子間力に応じて歪むバネ状部を指称し、探針を含むものとする。
【００１１】
但し、本発明のＡＦＭ用カンチレバーとは、ＡＦＭに一般的に用いられているような形状のみならず、ＡＦＭ以外の走査型プローブ顕微鏡（scanning probe microscopy : SPM）において用いられているプローブに類似するような形状を採用したものも指称するものとする。図１は、そのような本発明のＡＦＭ用カンチレバーの代表的形状を示すものである。
【００１２】
図１の（ａ）は、従来よりＡＦＭ用カンチレバーとして採用されている典型的形状であり、カンチレバーの探針（Ｔ）の外表面がゲル（Ｇ）で覆われている。他方、図１の（ｂ）は、内包型、すなわち探針（Ｔ）の内部にゲル（Ｇ）を満たし先端部が露出するようにした形状である。図から理解されるように、図１の（ｂ）に示す態様は近接場光顕微鏡で用いられるプローブに類似している（近接場光顕微鏡においてはゲルが満たされている内部に相当するところに光ファイバーが配設されている）。
【００１３】
図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、本発明のＡＦＭ用カンチレバーにおいては、少なくとも、試料に接近または当接する探針の先端に後述するような機能性有機ゲルが存在するように構成されていればよい。
【００１４】
このように、本発明に従いＡＦＭ用カンチレバーの探針の先端に取り付ける有機高分子ゲルは、特に限定されるものではなく、外部刺激、すなわち、ｐＨ変化、温度変化、光照射、電場、溶液中の組成やイオンの強度などにより体積相転移（膨潤・収縮）を起こすようなものであれば、いかなるゲルも基本的には適用できる。
【００１５】
そのような有機高分子ゲルとして代表的なものは、アクリルアミドゲル、アクリルアミド誘導体ゲル（例えば、イソプロピルアクリルアミドゲル、アクリロイルピペリジンゲル）、またはアクリルアミドもしくはその誘導体と、アクリル酸、ビニル酢酸もしくはアリル酢酸との共重合体ゲルである。特に好ましいゲルの１例は、アクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルであり、このゲルは、ｐＨ、温度、電場などに応じて体積相転移を起こすことが知られている。有機高分子ゲルとしては、上記のようなアクリル系のゲルの他、スチレン誘導体ゲルなどの合成高分子によるゲル、さらには、ゼラチンゲル、アガロースゲル、ＤＮＡゲルのような天然高分子由来のゲルも使用できる。
【００１６】
本発明は、上記のごとき機能性有機ゲルをＡＦＭ用カンチレバーに結合させるための方法も提供する。
すなわち、本発明の方法においては、先ず、カンチレバーをカップリング剤の溶液に浸漬することにより、該カップリング剤でカンチレバー探針を被覆する。ここで、カンチレバーが、図１の（ａ）に示すような形状の場合は、カンチレバーの探針のみをカップリング剤溶液に浸漬すればよいが、図１の（ｂ）に示すような形状の場合はカンチレバー全体をカップリング剤溶液に浸漬して内部の腔表面がカップリング剤で被覆されるようにする。
【００１７】
カップリング剤としては、カンチレバーを構成する材料（表面）と化学結合する官能基および所望の有機高分子ゲルを構成するモノマーと化学結合する官能基を有するものを用いる。このようなカップリング剤は、無機材料と有機高分子材料とを組み合わせる複合材料の性能向上のために従来より使用されているシラン系、チタネート系、クロム系など多くのカップリング剤から、カンチレバーを構成している材料および所望の機能性ゲルの種類に応じて選ぶことができる。
【００１８】
好ましいカップリング剤は、シランカップリング剤であり、カンチレバーの材質〔セラミック（ガラス、シリカを含む）、ケイ素、金属〕に応じて、それらと化学結合する反応基（例えば、ハロゲン基、アルコキシル基など。これらは加水分解されてシラノール基となり無機物質表面と反応する）、および所望の高分子ゲルを構成する化学結合する官能基（ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メルカプト基など）を有するものを用いる。例えば、最も一般的なケイ素（Ｓｉ）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成されたカンチレバーに、アクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルの薄層を結合させる場合には、アルキル鎖の末端にビニル基を有するシランカップリング剤（例えば、アリルトリクロロシラン、７−オクテニルトリクロロシラン）が好ましい。
【００１９】
本発明の方法においては、上記のようにカップリング剤で被覆されたカンチレバー（カンチレバー探針）を、次に、有機高分子ゲルを形成するためのモノマーを含有する重合溶液に浸漬して重合を行わせることにより、カンチレバー（カンチレバー探針）に有機高分子ゲルの薄層を形成させる。
【００２０】
このように本発明の方法に従い、カンチレバー上に機能性の有機高分子ゲルの薄層を確実に形成させるためには、以下に記すように、重合反応の反応物や反応条件の選定に注意すべき点が幾つかある。
【００２１】
第一に注意すべきことは、カンチレバーの表面を被覆（修飾）するカップリング剤において、有機高分子ゲルを構成するモノマーと反応して化学結合する官能基は、その反応性が比較的低いものにすることである。反応性の高い官能基を用いると、後の重合工程（ゲル形成工程）で、過度の架橋が形成されてゲルではなくなり硬化ポリマーとなってしまうからである。したがって、例えば、上述したようにアルキル鎖の末端にあり反応性の低いビニル基を有するシランカップリング剤を用いて、カンチレバー表面を修飾する。
【００２２】
次に、カップリング剤で修飾されたカンチレバーを、所望の有機高分子ゲルを形成するためのモノマーおよびその他の化合物（架橋剤、重合開始剤など）を含有する重合溶液に浸漬し、通常のゲルを合成する条件で重合を開始する。このとき、モノマーとして、カップリング剤で修飾されたカンチレバーの表面近傍では濃度が高くなるようなもの、すなわち、溶媒に比べてカンチレバー表面との相互作用（引力）が強いものや溶媒のエントロピーによりカンチレバー表面に吸着されるものを用いる。例えば、ビニル基で覆われたカンチレバー表面に対しては水中のアクリル基を有するモノマー（さらには架橋剤）を用いる。
【００２３】
このようにして、バルク（重合反応溶液）がゲル化点に到達する前にカンチレバーを反応溶液から取り出すと、該溶液はゲル化していないがカンチレバー表面ではモノマーの濃度がバルクにおけるよりも高いために、より早くゲル化が進行しており、有機高分子ゲルの薄層（膜）がグラフトされたカンチレバー（カンチレバー探針）を作成できる。有機高分子ゲルの膜の厚さは、一般に、数ナノメーターから数百ナノメーターの範囲にあり、この膜厚は、重合反応溶液からカンチレバーを取り出す時間がバルクのゲル化点に近ければ近いほど厚くなる。さらに、ゲルの膜厚は、このように反応時間を調整するだけでなく、モノマー濃度、架橋剤濃度、開始剤濃度を変化させても制御できる。
【００２４】
以上のようにして調製され、外部刺激に応答して体積相転移するゲルを結合した本発明のＡＦＭ用カンチレバーは、外部刺激、すなわち、試料の表面環境に応じて、その特性、例えば探針の硬さや大きさ（体積）が変化するので、そのような環境に応じたイメージングが可能となる。例えば、ＡＦＭ画像が得られない試料について、その試料表面のｐＨを変化させることによりイメージングができるようになる。
【００２５】
さらに、試料表面の特定の環境（例えば、ｐＨ、温度、組成など）に従ってＡＦＭ用カンチレバーが動くようにすることも可能であるので、それらの環境に関する試料表面上の情報を得ることができる。
【００２６】
そして、探針の先端に機能性ゲルの膜（薄層）を結合させ、その体積相転移（膨潤・収縮）を介して上記のごとき操作を行う本発明のＡＦＭ用カンチレバーは、ゲルの膜内に水などの溶媒や溶質分子を保持するとともに、ナノスケールでそれらの水や他の分子の探針への（もしくは探針からの）物質移送、表面上の一点から異なる場所への物質移送、さらには外部から試料表面への物質移送を実現する。したがって、本発明のカンチレバーを用いれば、単なるイメージングにとどまらず、環境の変化に応じた物質移送も考慮した表面状態の観察や表面物性の解析などが可能な新たなＡＦＭ測定技術が期待される。ＡＦＭカンチレバー探針の外部表面を化学修飾して、特定の化学部位を表面に露出する膜で探針を覆うことは従来も行われていたが、これらは、架橋されていない、低分子からなる膜であり、ゲルではない。したがって、これらの膜内に溶媒や溶質分子を保持できず、外部との物質交換はできない。
【００２７】
なお、本発明のカンチレバー（カンチレバー探針）を用いるＡＦＭ測定には、ＡＦＭを含むＳＰＭの分野において従来から使用されているようなハードウェアおよびソフトウェアをそのまま利用できる。
【００２８】
【実施例】
以下に本発明の特徴をさらに明かにするため実施例を示すが、本発明はこの実施例によって制限されるものではない。
実施例１：ＡＦＭ用ｐＨ応答型ゲル探針の特性試験
図１の（ａ）に示すような窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）製のＡＦＭ用カンチレバー探針を反応性の低いビニル基を有するシランカップリング剤で修飾（被覆）した。すなわち、窒素雰囲気下に該探針を、アリルトリクロロシランまたは７−オクテニルトリクロロシランの無水トルエン溶液（１ｍＭ）に３０分間浸漬した。
【００２９】
次に、シランカップリング剤で表面修飾したこのカンチレバーをアクリルアミド（0.185Ｍ）、アクリル酸（0.185Ｍ）、ビスアクリルアミド（2.28ｍＭ：架橋剤）、およびアンモニウム・ペルサルフェート／ＴＥＭＥＤ（14.7／44.7ｍＭ：開始剤）から成る共重合溶液に浸漬し、アクリルアミド／アクリル酸共重合体のゲルを生成させた。６０分間、重合溶液に浸漬を行ったところ、バルク（重合溶液本体）は未だゲル化点に到達していなかったが、カンチレバーを溶液から取り出し、洗浄後、直ちにＡＦＭ実験を行った。なお、この重合条件で生成するアクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルの乾燥時の膜厚は約６ｎｍであることがＡＦＭにより確認されている。
【００３０】
ＡＦＭ実験は、室温下、水中（約１０ｍＭのＮａ＋を含有）のガラス表面（疎水性表面）でｐＨを変えながら実施した。ＡＦＭカンチレバーのバネ定数は0.032Ｎ／ｍとし、また、カンチレバー探針の昇降速度は500ｎｍ／秒とした。
【００３１】
図２は、探針の位置を固定してｐＨ値を変えた場合において、水中での探針と疎水性ガラス表面との間に生じる力／距離の関係を示すものである。ｐＨ７においては、距離が接近すると反撥力は徐々に大きくなっているが、吸引力は広い範囲にわたって距離とは無関係であり、探針上のゲルは膨潤状態にあり親水性であることを示している〔図２の（ａ）〕。他方、ｐＨが２に低下すると、反撥力の存する範囲が少なくなるのに対して、一定の距離において強い吸引力が認められ、ゲル層が収縮し疎水性になることを示している〔図２の（ｂ）〕。事実、バルクのアクリルアミド／アクリル酸共重合体ゲルも、ｐＨ２以下で収縮し、３以上で膨潤することが認められている。
【００３２】
図３は、ｐＨを変えてガラス表面のイメージングを試みた結果を示すものである。ｐＨ６では、厚く膨潤して試料表面に付着し、画像が得られないゲル探針でも（図３のＡ）、ｐＨを２以下に下げると数十ナノメーターの分解能で再現性よくイメージングできた（図３のＢ）。このように、アクリルアミド／アクリル酸共重合体の高分子ゲル層が結合されることにより、ｐＨ応答型のＡＦＭ用カンチレバー探針として機能することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡＦＭ用カンチレバーの代表的形状を示すものであり、（ａ）はＡＭＦで一般的に用いられているカンチレバー探針の表面をゲルで被覆する形式のものであり、また、（ｂ）は探針の内部腔にゲルを満たし、先端部にゲルを露出させる形式のものである。
【図２】有機高分子ゲルが結合した本発明のＡＦＭ用カンチレバーを用いてＡＦＭ測定を行った場合の力曲線の１例を示す。
【図３】有機高分子ゲルが結合した本発明のカンチレバーを有するＡＦＭでイメージングを実施した場合のセラミック材料（ガラス）の組織を示す顕微鏡写真である。なお、図中のスケールバーは２００ｎｍである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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