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原子間力顕微


原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope; AFM)は、走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope; SPM)の一種である。


原子間力顕微鏡の原理 中央の円筒が試料を載せた台。その上に斜めに描かれているのがカンチレバーである。台をX-Y軸方向に移動しながらカンチレバーにレーザー光をあて、反射光の変移に応じて左側のフィードバック用回路を用いて台をZ軸方向に上下させる。このX-Y-Z方向の動きが観察像となる（右下の矢印）




目次

  • 1 原理
  • 2 特徴
  • 3 測定方法
    • 3.1 コンタクトモード(Contact Mode)
    • 3.2 ACモード
      • 3.2.1 ノンコンタクトモード(Non-contact)
      • 3.2.2 タッピングモード(Tapping Mode)
      • 3.2.3 フォースモード(Force Mode)
  • 4 歴史
  • 5 応用分野
  • 6 課題
  • 7 関連記事

原理

コンタクトモードを例にとって説明する。 カンチレバー（片持ち梁）に探針を装着し、そのカンチレバーの先端にレーザ光を当てて、反射光の変位を4ないし2分割フォトダイオード等を用いて測定する(光てこ方式)。探針が試料表面に近づくと、探針と試料表面原子との原子間力によりカンチレバー(探針)が変位する。それを反射光で測定して、探針の変位が一定になるようにカンチレバーもしくは試料を上下する(零位法)。そのときの制御信号が試料の表面状態（凹凸の様子）として観察される。カンチレバーおよび試料の位置変更は圧電セラミック(piezoelectric ceramic)の膨張・収縮を利用して制御している。(観察対象物のサイズが可視光線の波長より小さい場合、数ピコメートル～数10ナノメートルの移動距離を制御する必要があるため)

特徴

  • 走査型トンネル顕微鏡(STM)と違い、絶縁性の物質も測定できる。
  • 装置が比較的小型である(机一つぶんくらい)。
  • 測定の際、真空に引かなくても空気中で測定できる。また液体中でも測定することができる。
  • 生体試料などの場合、固定(fixation)の必要がなく、走査電子顕微鏡用試料のように金属コーティングの必要性もない。このため、試料を自然に近い状態で操作することができる。

測定方法

AFMには、いくつかの測定モードがある。

コンタクトモード(Contact Mode)

針を試料表面に接触させ、なぞるように動かして測定を行う。分解能は高いが、特に破壊されやすい試料の場合に表面を傷つけてしまう欠点がある。

ACモード

カンチレバーを圧電素子によって共振させ、その状態で試料表面に近づけたときに起こるカンチレバーの振動振幅、振動位相、振動周波数の変化から表面状態を測定する。ACモードは、ノンコンタクトモードとタッピングモードの二つに分類される。

ノンコンタクトモード(Non-contact)

その名の通り、試料表面に探針を接触(コンタクト)をしない(ノン)で測定する。

タッピングモード(Tapping Mode)

インターミッテントコンタクトモード、あるいはDFM (dynamic force microscope) とも呼ばれる。TappingModeは米国Veeco社の登録商標である。

探針は試料表面を跳ねるように上下に動き、表面状態を測定する。生体試料や、表面に物質が弱く吸着されている場合などの破壊されやすい試料に対しても使え、分解能も高く、精密な測定が必要な際によく使われる手法である。液中でも使用できる。一般的に液中と空気中におけるタッピングモードでは使用されるプローブの材質が異なる。

フォースモード(Force Mode)

プローブを試料に接触させ、その際に生じるカンチレバーのしなりをモニターし、カンチレバーにかかる力を測定する。細胞の粘弾性力の測定などに用いられている。また、生体分子などを引っ張ることにより発生する力の変化から分子内構造（ドメイン）などの解析や、試料にプローブ先端で穴をあけ（インデンテーション）、剛性などを検査することも可能である。このモードでは一般的に画像は出力できない。

歴史

AFMは、1985年、IBMのチューリッヒ研究所で開発された。同研究所は、走査型トンネル顕微鏡（STM）も1982年に開発した。

当初は原子間力を利用した表面像のみを取得するものであったが、現在では先端のカンチレバーのみの交換で、磁力を利用したMFM(磁気力顕微鏡)や電気力（電気勾配力）を観察するEFM（電気力顕微鏡）という装置もある。最近では、AFMと蛍光顕微鏡、共焦点レーザー顕微鏡(Confocal Laser Scanning Microscope)、全反射(Total Internal Reflection: TIRF)蛍光顕微鏡、ラマン分光法を組み合わせたハイブリッドAFMも使用されている。

応用分野

課題

AFMを含むプローブ顕微鏡における問題は、解像度ならびに出力される構造データがプローブのサイズと形状に左右されることであり、測定者はこの事実とそのメカニズムを理解しておかなければならない。この問題は、対象となる試料がプローブの先端径に近いような生体分子や、微粒子などの測定時に顕著となる。このような場合、測定データは実際の試料より大きく出力される。この問題を軽減するため、これまでカーボンナノチューブなどをプローブ先端に取り付るような試みもなされてきており、成功を収めている。

このほかAFM測定で解決されなければならない課題は、測定（観察）時間の短縮である。光学顕微鏡や電子顕微鏡では観察できない液体中に浸した生物試料をナノメータオーダで高分解能観察できる装置として期待があるが、この用途のAFMでは、 従来のAFMでは数分から数１０分／画面かかった生体試料の観察を0.1秒／画面で実現したという研究報告がある。分子生物研究分野では蛍光染色せずに画像化できる点が早い測定速度や高解像力とならんで評価されている。一方、大気中、真空中の測定では早い装置で１０秒／画面程度まで測定時間が短縮されたが、更なる改良が望まれている。

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