高速走査型プローブ顕微鏡
【課題】合成高分子の一本鎖の動態の観察が可能な高速走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 上部が開放され内部に有機溶媒を収容する溶液セルと、試料表面が下向きとなる状態で当該試料を前記有機溶媒に浸る位置で保持する試料ホルダと、前記溶液セルの内部において前記有機溶媒に浸る位置でかつ前記試料表面に対向する位置に配置される探針と、前記溶液セルを移動させずに前記試料ホルダを前記探針に対して移動させるアクチュエータとを備え、前記溶液セルと前記アクチュエータとが分離している。
【解決手段】 上部が開放され内部に有機溶媒を収容する溶液セルと、試料表面が下向きとなる状態で当該試料を前記有機溶媒に浸る位置で保持する試料ホルダと、前記溶液セルの内部において前記有機溶媒に浸る位置でかつ前記試料表面に対向する位置に配置される探針と、前記溶液セルを移動させずに前記試料ホルダを前記探針に対して移動させるアクチュエータとを備え、前記溶液セルと前記アクチュエータとが分離している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に合成高分子の一本鎖の動態の観測が可能な高速走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いてＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質、糖質等の生体高分子の機能発現の機構や動作原理が明らかにされつつある。
また、このような生体高分子の機能を持つ合成高分子の創製や、合成高分子鎖一本の構造と機能の解明、更には合成高分子を利用した分子デバイス等の開発に対する期待が高まっている。
走査型プローブ顕微鏡は探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る装置の総称であり、特に広く使用されている原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針をその自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、探針と試料とを相対的に走査するスキャナとを備えている。
そして、スキャナによって試料に対して探針を相対的にＸＹ方向（水平方向）に走査しながら、光学式変位センサーの出力を一定に保つように探針のＺ方向（垂直方向）の位置を制御し、これをマッピングすることによって、試料表面の画像を得る仕組みになっている。なお、通常の原子間力顕微鏡は１画像の取得に数分間を要するため、得られる画像は静止画像になる。
【０００３】
例えば、図２３に示す特許文献１に開示された原子間力顕微鏡は、試料を三次元的に走査するピエゾスキャナ６の上に試料７を載置し、カンチレバー１を固定しているカンチレバーホルダ２とピエゾスキャナ６の間をシール３によって密封することで溶液セル８とし、この溶液セル８の内部に溶液４を満たす構成になっている。
また、図２４に示す特許文献２に開示された原子間力顕微鏡は、溶液中で試料２を保持する液中セル１２をスキャナ１上に取付け、液中セル１２の上部に設けたガラス窓５の内面にカンチレバ台４を貼り付け、ガラス窓５と液中セル１２の間をゲルリング３でシールするとともに、ガラス窓５の外面周縁に圧電素子７を取付け、圧電素子７を駆動してガラス窓５ごとカンチレバ８を振動させる構成となっている。
特許文献１及び２に開示された原子間力顕微鏡によれば、溶液中で生体高分子の静態を観測することができる。
【０００４】
ところで、近年、１画像を１秒以下で取得できる高速の原子間力顕微鏡が市販されている。この高速原子間力顕微鏡によれば溶液中の試料の様子を動画で取得できるため、生体高分子の動態観察が可能になる。
本明細書においては１画像あたり１秒以下、換言するとフレームレートが１ｆｐｓ（Ｆｒａｍｅｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）以上で画像を取得できる走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡をそれぞれ「高速走査型プローブ顕微鏡」及び「高速原子間力顕微鏡」と表記し、１ｆｐｓ未満の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡をそれぞれ「通常の走査型プローブ顕微鏡」及び「通常の原子間力顕微鏡」と表記する。
【０００５】
ここで、上記特許文献１及び２に記載された原子間力顕微鏡では１ｆｐｓ以上の高速で画像を取得することは困難であった。
すなわち、高速原子間力顕微鏡においてはスキャナが高速に探針（または試料）を走査する必要があるが、一般的にスキャナの走査周波数はＸＹＺ各軸方向の共振周波数によって制限される。そして、共振周波数を高めるためにはスキャナの質量を可能な限り抑えることが重要である。
しかし、上記いずれの原子間力顕微鏡においても、溶液セル（液中セル）がスキャナと一体になって移動する構成であるため、溶液セルによってスキャナの質量が増加せざるを得ず、高速走査が困難である。
【０００６】
また、例えば図２５に示すような原子間力顕微鏡が知られている（特許文献３参照）。
この原子間力顕微鏡は、上部を開放した液中セル３２を用いており、試料ホルダ３４は、試料３３の観察表面が下向きとなって液体３１に浸されるように配置される。また、カンチレバー３５は探針３５ａを有し、探針３５ａが上向きとなって試料３３の観察表面と対向するように配置される。そして、光源３８及び光検出器３９は液中セル３２の下方に配置され、カンチレバー３５の撓みを検出する撓み検出光学系を構成する。液中セル３２は透明材料で形成されており、光源３８からの照射光は液中セルを透過し、カンチレバー３５で反射して、再度液中セルを透過して光検出器３９に至るようになっている。
この原子間力顕微鏡によれば液中セル３２はスキャナ（圧電アクチュエータ３７、断熱部材３６、試料ホルダ３４等）と分離しており、独立して駆動するため、上記特許文献１及び２に記載された原子間力顕微鏡と比較してより高速な走査が可能となる。
また、特許文献４〜６にも同様に、溶液と分離したスキャナが独立駆動する構成の原子間力顕微鏡が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１―１１８８１３号公報
【特許文献２】特開平９―２６９２２３号公報
【特許文献３】特開平９−５４０９８号公報
【特許文献４】特開２００５−１０６７９０号公報
【特許文献５】特開２００４−１５６９５９号公報
【特許文献６】特開２００６−１５３５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献３に記載された原子間力顕微鏡によれば以下のような問題がある。
すなわち、断熱部材３６が圧電アクチュエータ３７と試料ホルダ３４の間に位置し、これらが一体的に駆動する構成となっているため、断熱部材３６の質量の影響を受けて高速原子間力顕微鏡に必要な程度の高い共振周波数を得ることができないという問題がある。
また、高速原子間力顕微鏡ではカンチレバー側の共振周波数も高める必要があり、大気中におけるカンチレバーの共振周波数が５００ｋＨｚ以上、好ましくは１ＭＨｚ以上であることが望まれる。そして、カンチレバーの共振周波数を高めるためには通常の原子間力顕微鏡で使用するカンチレバーよりも小型化する必要がある。
【０００９】
上述の通り、原子間力顕微鏡では光学式変位センサーのレーザー光をカンチレバー自由端の背面（探針の反対側の面）に照射し、反射光を受光することでカンチレバーの変位を検出しているが、高速原子間力顕微鏡用の小型のカンチレバーを使用する場合、カンチレバー背面の面積が小さくなるため、レーザー光を正確に照射するには、図２に示すように対物レンズ等でスポット径を絞り小径化した上で更にレーザー光がカンチレバーの背面に対してほぼ垂直に入射するように設定する必要がある。レーザー光がカンチレバーの背面に対して斜めに入射すると、入射光と反射光を同一の対物レンズに通すことができなくなり、小型カンチレバーの変位を検出できなくなるためである。
なお、仮に高速原子間力顕微鏡において図２６（ａ）に示すようにカンチレバー１００の配置を試料ホルダ１０１と平行にした場合、高い共振周波数で駆動するカンチレバー１００と試料ホルダ１０１との間に存在する溶液から受ける抵抗が高まり、カンチレバー１００の駆動制御が困難になるため、図２６（ｂ）に示すようにカンチレバー１００の探針１００ａ側を試料ホルダ１０１に近づけて斜めに配置することでカンチレバー１００と試料ホルダ１０１をできるだけ離すと共にレーザー光Ａをカンチレバー１００に対してほぼ垂直に入射させるのが好ましい。
【００１０】
ところが、特許文献３に記載された原子間力顕微鏡は光源３８とカンチレバー３５の間に対物レンズ等のレーザー光を絞り込む工夫がなされておらず、また、レーザー光がカンチレバー背面に対して斜めに入射及び反射していることから、レーザー光を小型のカンチレバー背面に漏れなく正確に照射することは極めて困難である。また、対物レンズを導入したとしても斜め方向に進む反射光を光検出器で受光することも困難である。
これらを考慮すると、特許文献３に記載された原子間力顕微鏡は高速走査に対応しておらず、この構成をそのまま高速原子間力顕微鏡に適用した場合には上述した種々の問題が生じることは明らかである。
また、特許文献４〜６に記載された原子間力顕微鏡はいずれも透明板の上に溶液を載せることで、溶液の表面張力を利用して当該溶液を透明板上に保持するものである（特許文献４の［００５６］、特許文献５の［００３９］、特許文献６の［００２８］参照）。
ここで、特許文献４〜６では使用する溶液の種類について特定されていないが、試料として主に生体試料を想定している点を考慮すると（特許文献４の［００２４］、特許文献５の［請求項１］、特許文献６の［００２１］等参照）、少なくとも溶液として有機溶媒を使用することは困難である。
なぜなら、第一に有機溶媒は蛋白質等からなる生体試料を変質させてしまうという問題があり、第二に有機溶媒の表面張力は生体試料観測用として通常用いられる水等の溶液の表面張力と比較して小さいため、有機溶媒を特許文献４〜６のような透明板上に載せた場合には液滴が自立せず、透明板表面に拡がってしまい、観測不能となるからである。
一方、試料として生体試料ではなく合成高分子を用い、さらに合成高分子鎖一本一本を基板表面に分散させてその動態を観測するためには、溶液として有機溶媒を使用することが必須の条件であり、溶液を保持するための装置構成も有機溶媒に特化したものであることが好ましい。溶液として水等を使用した場合、何本もの合成高分子鎖が凝集してしまうからである。
【００１１】
本発明はこのような問題に鑑み、合成高分子の一本鎖の動態の観察が可能な高速走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の高速走査型プローブ顕微鏡は、上部が開放され内部に有機溶媒を収容する溶液セルと、試料表面が下向きとなる状態で当該試料を前記有機溶媒に浸る位置で保持する試料ホルダと、前記溶液セルの内部において前記有機溶媒に浸る位置でかつ前記試料表面に対向する位置に配置される探針と、前記溶液セルを移動させずに前記試料ホルダを前記探針に対して移動させるアクチュエータとを備え、前記溶液セルと前記アクチュエータとが分離していることを特徴とする。
また、前記溶液セルの内部において前記試料を挟む電極配置で電場を発生させる電場印加手段を備えることを特徴とする。
また、前記有機溶媒を加熱する加熱手段と、前記アクチュエータを冷却する冷却手段とを兼ね備えることを特徴とする。
また、前記有機溶媒の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段からの検出信号に基づいて、前記有機溶媒の温度が所望の温度となるように前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備えることを特徴とする。
また、前記探針を有するカンチレバーの振幅を検出する振幅検出用光学系手段を備え、前記振幅検出用光学系手段から前記カンチレバーに照射される照射光及び当該照射光による前記カンチレバーからの反射光が前記カンチレバーに対して垂直であり、前記試料ホルダの試料保持面が撓みがない状態の前記カンチレバーに対して非平行であることを特徴とする。
また、前記試料が合成高分子であることを特徴とする。
また、前記溶液セルの周囲を覆うことで有機溶媒の蒸発を防止する蒸発防止手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の高速走査型プローブ顕微鏡によれば、アクチュエータが探針に対して溶液セルを移動させずに試料ホルダを移動させる。つまり、溶液セルとアクチュエータとが分離しており、アクチュエータが重量物となる溶液セルを移動させないため、高い共振周波数を維持して走査することが可能となり、溶液セルを用いるタイプの走査型プローブ顕微鏡において高速化を実現できる。
そして、溶液セル内に有機溶媒を収容するので、試料として合成高分子を用いる場合には、有機溶媒に溶けた状態の合成高分子鎖を一本一本分散させた状態で試料ホルダに固定することで、合成高分子の一本鎖についてフレームレート１ｆｐｓ以上で画像を取得することが可能となり、ナノメートルのオーダーで合成高分子鎖一本の動態の観測が可能となる。
合成高分子として例えばポリエチレンなどのポリオレフィンの分岐構造とその分子運動性を解明できる。分岐構造は材料特性に直接関係するが、これまで、ポリオレフィンの分岐構造は厳密には理解されていなかった。なぜなら、それを解明する手段が無かったためである。ポリオレフィンは容量比での生産量が鉄鋼を超え、世界で最も生産されている材料といえる。本発明によるとこのポリオレフィンの材料特性を解明可能な手段を提供できる。
また、複数の有機溶媒を混合することで混合有機溶媒中での合成高分子鎖一本の動態の観測が可能となる。
なお、本明細書中において「走査型プローブ顕微鏡」とは探針と試料とを相対的に走査して試料の表面情報を得る装置を指し、少なくとも原子間力顕微鏡、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）を含むものとする。
【００１４】
また、電場印加手段によって試料の周囲に電場の勾配を生じさせた状態での観測が可能となり、合成高分子鎖一本の電場応答性の動態を測定することができる。
また、加熱手段によって有機溶媒を加熱することにより、各温度帯での試料の動態変化を観測することが可能となり、また温度変化に伴う試料の動態変化も観測することが可能となる。
また、冷却手段によってアクチュエータを冷却できるので、加熱手段による熱がアクチュエータに伝達し、アクチュエータの伸縮特性が変化することを防止できる。
アクチュエータとしてピエゾ素子を利用する場合には、ピエゾ素子の伸縮特性を一定に保つことにより、特に高い温度領域におけるピエゾ素子の伸び係数（nm/V）の変化によって計測値（nm）に誤差が生じてしまう事態を防止できる。
また、温度検出手段及び温度制御手段を備えることで、有機溶媒を所望の温度に調整することができる。
また、振幅検出用光学系手段からカンチレバーに照射される照射光及び反射光をカンチレバーに対して垂直にし、撓みがない状態のカンチレバーに対して試料保持面を非平行とすることで高速走査に適した構成を得られる。
なお、上述の通り、高速原子間力顕微鏡においては対物レンズでレーザー光のスポット径を絞った上でカンチレバーに照射するのが一般的である。従って、カンチレバーへの入射光及びカンチレバーからの反射光が同一の対物レンズを通過する構成になっている場合には、これら入射光及び反射光はカンチレバーに対して垂直であるものとする。
また、仮に対物レンズが存在しない場合であっても、カンチレバーに入射する直前に配置されている光学系手段の光軸がカンチレバーに対して垂直になるように設計されている場合にも、入射光及び反射光はカンチレバーに対して垂直であるものとする。
また、試料として合成高分子を用いることにより合成高分子鎖一本の動態の観測が可能となる。
また、蒸発防止手段によって、低沸点の有機溶媒を使用する場合でも有機溶媒の蒸発を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高速原子間力顕微鏡の外観の一部を示す斜視図である。
【図２】高速原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図３】溶液セルの構成を示す斜視図である。
【図４】第二の実施の形態における溶液セルの構成を示す斜視図である。
【図５】第二の実施の形態における高速原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図６】第三の実施の形態における高速原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図７】第三の実施の形態における溶液セルの構成を示す斜視図である。
【図８】第四の実施の形態における溶液セルの構成を示す図面である。
【図９】図３の溶液セルの変形例を示す斜視図である。
【図１０】図４の溶液セルの変形例を示す斜視図である。
【図１１】図７の溶液セルの変形例を示す斜視図である。
【図１２】実施例１における合成高分子の構造を示す図面である。
【図１３】実施例１における合成高分子鎖一本の動態を示す図面（ａ）〜（ｃ）である。
【図１４】実施例２における合成高分子の構造を示す図面である。
【図１５】実施例２における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図１６】実施例２における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図１７】実施例３における合成高分子の構造を示す図面である。
【図１８】実施例３における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図１９】実施例４における合成高分子の構造を示す図面である。
【図２０】実施例４における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図２１】実施例５における合成高分子の構造を示す図面Ａ、高分子鎖の分子モデルを示す図Ｂ、合成高分子鎖一本の動態を示す図Ｃ、フレーム１の線１‐２のラインプロファイルを示す図Ｄである。
【図２２】実施例５における合成高分子鎖一本の光分解反応の動態を示す図面Ａ、全観測時間での分子像の面積の時間変化を示す図面Ｂである。
【図２３】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図２４】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図２５】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図２６】試料ホルダとカンチレバーの位置関係を示す図面（ａ）及び（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[第一の実施の形態]
本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第一の実施の形態として高速原子間力顕微鏡について説明する。
図１〜図３に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０は有機溶媒Ｓを収容する溶液セル２０、試料ＳＡを保持する試料ホルダ３０、アクチュエータ４０、探針５１を有するカンチレバー５０、振幅検出用光学系手段６０、アクチュエータ４０の駆動を制御するフィードバックコントローラ７０及びデータ収録・制御手段７１、コンピュータとしての処理手段７２及び表示手段７３等から概略構成されている。
【００１７】
溶液セル２０は上部が開放された平面視四角形の箱状の部材であり、底面の中央部に開口２０ａを有している。そして、底面の下側は光反射率の低いガラス等の透明部材２０ｂで覆われている。
溶液セル２０はベース１１（図８参照）に脱着自在に取り付けられている。そして、溶液セル２０の内部に有機溶媒Ｓを収容するようになっている。
溶液セル２０の側面及び底面はステンレス鋼（例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０３）などの金属材料やＰＥＥＫ（登録商標 ポリエーテルエーテルケトン）等の耐熱性、耐有機溶媒性、高加工性を有する材料で構成するのが好ましい。
有機溶媒の種類は試料ＳＡとして使用する合成高分子の種類に応じて適宜変更可能であるが、例えばキシレン、オルトジクロロベンゼン、メタジブロモベンゼン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、トルエン、ヘキサン、テトラヒドロフラン、ノルマルオクチルベンゼン、デカメチルテトラシロキサン等を用いることができる。また、有機溶媒中の有機化合物の濃度も適宜調節可能である。
【００１８】
試料ホルダ３０は試料ＳＡの表面が下向きとなる状態で当該試料ＳＡを有機溶媒Ｓに浸る位置で保持するためのものである。本実施の形態においては試料ホルダ３０は円柱状に形成されている。試料ホルダ３０はガラスや金属等の耐有機溶媒性を有する材料で構成するのが好ましい。
試料ホルダ３０の底面には試料保持面３１が形成されており、この試料保持面３１においてマイカ、シリコン、グラファイト等の周知の基板材料を利用して有機溶媒Ｓに溶けた合成高分子鎖一本一本を基板表面に分散させて固定するようになっている。また、マイカ等を基材とし表面を金で蒸着してAu(111)面を調製した基板も使用できる。
また、詳しい説明は後述するが、試料保持面３１は撓みがない状態のカンチレバー５０に対して非平行となるように設定されている。
【００１９】
試料ＳＡとしては合成高分子全般が挙げられるが、例えばポリオレフィン系樹脂として、ポリエチレン、ＬＬＤＰＥ（直鎖状低密度ポリエチレン）、ＨＤＰＥ（直鎖状高密度ポリエチレン）、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体および分岐ポリオレフィンが挙げられ、またエステル系樹脂として、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリシクロヘキサンテレフタレート樹脂、ポリエステルエラストマー等の芳香族ポリエステル樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリカプロラクトン樹脂等の脂肪族ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート／サクシネート樹脂等の脂肪族芳香族ポリエステル樹脂が挙げられ、またスチレン系樹脂として、ポリスチレン、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエン共重合体）、ＳＢＳ（スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体）、水添ＳＢＳ（水添スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＳＥＰＳ（水添スチレン・イソプレン・スチレン共重合体）、ＨＩＰＳ（耐衝撃性ポリスチレン）、ＡＳ樹脂（アクリロニトリル・スチレン共重合体）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＭＢＳ樹脂（メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＭＡＢＳ樹脂（メチルメタクリレート・アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＡＡＳ樹脂（アクリロニトリル・アクリルゴム・スチレン共重合体）、ＡＥＳ樹脂（アクリロニトリル・エチレンプロピレン系ゴム・スチレン共重合体）等が挙げられ、更にアクリル系樹脂として、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸プロピル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、メタクリル酸メチル−アクリル酸メチル共重合体、メタクリル酸メチル−メタクリル酸エチル共重合体、メタクリル酸メチル−メタクリル酸ブチル共重合体、メタクリル酸メチル−アクリル酸エチル共重合体等が挙げられる。また共役系高分子として、ポリ置換アセチレン、ポリアリーレンエチニレン、ポリチオフェンなどのパイ共役系およびポリシラン類などのシグマ共役系が挙げられる。
【００２０】
アクチュエータ４０は試料ホルダ３０に連結し、溶液セル２０を移動させずに試料ホルダ３０を探針５１に対して移動させるものである。アクチュエータ４０は高速原子間力顕微鏡１０の筐体１２に取り付けられている。
アクチュエータ４０としては電気の入力エネルギーを変位・力に変換する圧電セラミクスであるピエゾ素子を利用した圧電アクチュエータを使用している。
アクチュエータ４０の下部に試料ホルダ３０が接合されており、フィードバックコントローラ７０及びデータ収録・制御手段７１からの制御信号により、試料ホルダ３０及び試料ＳＡをＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるようになっている。ＸＹ方向への移動はＸＹアクチュエータ４１、Ｚ方向への移動はＸＹアクチュエータ４１の下部に接合するＺアクチュエータ４２を駆動することにより行う。
また、試料ホルダ３０を上下に長い構造とすることで、アクチュエータ４０が溶液セル２０中の有機溶媒Ｓに浸らないようになっている。
なお、図２中に矢印で示す通り、本明細書中においてＸ方向とは試料ホルダ３０の試料保持面３１を含む平面内の任意の一方向を指し、Ｙ方向とは当該平面内でＸ方向に直交する方向を指し、Ｚ方向とは当該平面に直交する方向を指すものとする。
【００２１】
カンチレバー５０はその先端部に探針５１を有する可撓性のある部材である。
溶液セル２０の内側面にはカンチレバー保持部２１が設けられている。カンチレバー保持部２１は溶液セル２０と同じ材料で構成するのが好ましい。
カンチレバー保持部２１と溶液セル２０の底部との間に形成されるスリット２２の間隔はねじ２３により調節可能になっており、開いた状態のスリット２２にカンチレバー５０の後端部を挿入した状態でねじ２３を締めることによりスリット２２の間隔が狭まり、カンチレバー５０をいわゆる片持ち梁の状態で保持している。
本実施の形態のカンチレバー５０は高速走査を可能とすべく、共振周波数を高めるために窒化シリコンを素材とし、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍ程度に形成されており、通常の原子間力顕微鏡で使用するカンチレバーと比較して小型になっている。このカンチレバー５０はバネ定数が０．１Ｎ／ｍ、溶液中での共振周波数が８００ｋＨｚ前後となり、高速原子間力顕微鏡１０に適したバネ定数と共振周波数を確保している。
探針５１は溶液セル２０の内部において有機溶媒Ｓに浸る位置でかつ試料ＳＡの表面に対向する位置に配置されている。
なお、図示は省略するが、溶液セル２０の直下であってカンチレバー保持部２１の近傍にカンチレバー５０を励振させるためのピエゾ素子をベース１１（図８参照）に配置しており、このピエゾ素子の振動が溶液セル２０及びカンチレバー保持部２１を介してカンチレバー５０に伝達される構成になっている。
【００２２】
振幅検出用光学系手段６０は光てこ法によりカンチレバー５０の振動振幅を検出するためのものであり、光源６１と光検出器６２を備える。
光源６１としてはレーザー光源を用いることができ、光検出器６２としては例えば２分割フォトダイオードを用いることができる。
光源６１及び光検出器６２は溶液セル２０の近傍に配置されている。光源６１から照射されたレーザー光Ａは、偏光ビームスプリッター６３を通過して対物レンズ６４によってその光径が絞られた後、溶液セル２０の透明部材２０ｂ及び開口２０ａを通過し、カンチレバー５０の探針５１が設けられている側（表面）と反対側の面（背面）に至る。カンチレバー５０背面からの反射光は再度開口２０ａ、透明部材２０ｂ及び対物レンズ６４を通過し、偏光ビームスプリッター６３で進路が変更され、光検出器６２で受光されることで走査時のカンチレバー５０の振幅を検出するようになっている。なお、レーザー光Ａが光源６１からカンチレバー５０を経て光検出器６２に至るまでの光路中、実際には上記対物レンズ６４及び偏光ビームスプリッター６３以外の複数の光学部材を通過することになるが、これら光学部材の図示及び詳細な説明は省略する。
【００２３】
光源６１の光軸Ｌはカンチレバー５０に対してほぼ垂直となるように設定されているため、カンチレバー５０への照射光及びカンチレバー５０からの反射光は共にカンチレバー５０に対してほぼ垂直となる。
一方、試料ホルダ３０の試料保持面３１は撓みがない状態のカンチレバー５０に対して非平行となるように設定されている。本実施の形態においては撓みのない状態のカンチレバー５０は水平状態となるように設定されており、光源６１の光軸Ｌは水平面に直交するように設定されており、試料保持面３１は水平面に対して約１０度傾斜するように設定されている。
これにより、小型のカンチレバー５０の背面に対して小径のレーザー光Ａを正確に照射することが可能となり、原子間力顕微鏡の高速化に寄与している。
【００２４】
次に、高速原子間力顕微鏡１０の動作について説明する。
まず、固体状態の合成高分子を有機溶媒で溶かすことにより希薄溶液を調製し、合成高分子鎖一本一本を有機溶媒中に分散させる。そして、この溶液を試料保持面３１に滴下することで高分子鎖を一本一本が分散した状態で固定する。
次に観測に用いる有機溶媒Ｓで満たした状態の溶液セル２０に対し試料ホルダ３０を試料ＳＡの表面が下向きとなる状態で有機溶媒Ｓに浸る位置でセットする。
ここで、固体状態の高分子を溶解する有機溶媒と観測で使用する有機溶媒は必ずしも同じである必要はない。固体状態の高分子を溶解する有機溶媒には良溶媒を使用しなければならないという制限がある。一方で、観測で使用する有機溶媒には特に制限はなく、高分子鎖一本が良く見える溶媒であれば良い。一例として、固体状態のπ共役高分子を溶解する有機溶媒としてテトラヒドロフランを使い、観測で使用する有機溶媒としてノルマルオクチルベンゼンを使うことがある。ここで、テトラヒドロフランは良溶媒であり、ノルマルオクチルベンゼンは固体状態の高分子を溶解しにくい溶媒であるが、この方が高分子鎖の運動性を抑えられて、高速原子間力顕微鏡で綺麗にイメージングできるという効果を得られる。勿論、溶解させる溶媒も観測で使用する溶媒も同じ良溶媒を使用することもある。高分子鎖一本の動態が高品質にイメージング出来ることを条件にして適宜選択すればよい。
そして、光源６１及び光検出器６２を駆動させると共に探針５１と試料ＳＡの表面との間に原子間力が作用する程度に試料ＳＡを探針５１に接近させる。フィードバックコントローラ７０は光検出器６２からの出力信号と予め規定されている目標値との差分を算出し、この差分がゼロとなるようＺアクチュエータ４２の駆動をフィードバック制御し、カンチレバー５０の振幅値が一定となるように試料ホルダ３０をＺ方向に移動させる。このＺ方向の移動量はその時点でのＸＹ座標における高さに相当し、フィードバックコントローラ７０はこのＺ方向の移動量をデータ収録・制御手段７１に出力する。データ収録・制御手段７１は当該出力信号をデータとして収録する。
また、データ収録・制御手段７１は処理手段７２からの出力信号に基づき探針５１が試料ＳＡの表面を相対的に走査するようにＸＹアクチュエータ４１を駆動制御し、試料ホルダ３０をＸＹ方向に移動させる。
そして、データ収録・制御手段７１はこのＸＹ方向の移動量及び上記Ｚ方向の移動量を処理手段７２に出力する。この出力信号は試料ＳＡ表面に対する探針５１のＸ，Ｙ，Ｚ方向の相対位置、つまり試料ＳＡの表面形状を示すことになる。したがって、処理手段７２においてデータ収録・制御手段７１からの出力信号をマッピングすることで、表示手段７３には試料ＳＡの高分子鎖一本一本の表面形状が画像として表示される。
高速原子間力顕微鏡１０におけるフレームレートは１ｆｐｓ以上であるため、合成高分子鎖一本一本の構造変化や機能を直接的に動画像として観測することができる。
【００２５】
[第二の実施の形態]
次に、本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第二の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成となる箇所については同一符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１３は、上記第一の実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０に電場印加手段８０を付加したものである。
電場印加手段８０は溶液セル２０の内部において試料ＳＡの周囲に電場を発生させるものであり、対向する一対の電極８１と電源８２とを備える。電場とは電荷が分布することにより形成される電気力の働く空間をいい、電界ともいう。
一対の電極８１は溶液セル２０の内部において、有機溶媒Ｓに浸る位置であって試料ＳＡを左右から挟むように配置されている。一対の電極８１は可能な限り試料ＳＡの近傍に配置するのが好ましい。これにより試料ＳＡの周囲に生じる電場の勾配を大きくすることができるからである。
【００２６】
電極８１としては、例えば有機溶媒中で金属イオン化し難く、かつ導電性を有するプラチナ及びイリジウム、あるいは酸化物系セラミックス（例えば、ＩＴＯ、ＡＴＯ、酸化アンチモン）をコーティングした材料を使用できる。また、電極８１としては均一な電場が得られる点で平板電極が好ましい。また、電極８１は、一対の電極８１間の距離を調節できるように可動式にしてもよく、これにより最適な電界強度を設定しやすくなる。
なお、電源８２によって電極８１に印加する電圧は直流電圧であってもよいし交流電圧であってもよい。
このように、第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０に電場印加手段８０を付加することによって、試料ＳＡの周囲に電場の勾配を生じさせた状態での観測が可能となり、合成高分子鎖一本の電場応答性の動態を測定することができる。
なお、図５に示すように、一対の電極８１を試料ホルダ３０側（アクチュエータ４０側）に取り付けてもよい。この場合、各電極８１が有機溶媒Ｓに浸った状態で試料ホルダ３０に接触しない位置であってかつ可能な限り試料ＳＡに近接するように試料保持面３１の左右に取り付けるのが好ましい。仮に各電極８１を試料ホルダ３０に接触させるものとすると、アクチュエータ４０側の重量増加につながり、高速走査に支障をきたすためである。
【００２７】
[第三の実施の形態]
次に、本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第三の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成となる箇所については同一符号を付して説明を省略する。
図６及び図７に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１４は、上記第一の実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０に加熱手段８３、冷却手段８４、温度検出手段８５、温度制御手段８６を付加したものである。
加熱手段８３は溶液セル２０中の有機溶媒Ｓを加熱するためのものであり、本実施の形態においてはニクロム線８３ａを用いている。
ニクロム線８３ａはその周囲をガラス等の絶縁性物質で被覆されており、溶液セル２０の内側面に固定されている。ニクロム線８３ａを溶液セル２０の内側面に取り付けることで溶液セル２０の外側面に取り付ける場合と比較して急速加熱が可能となる。
【００２８】
冷却手段８４はアクチュエータ４０を冷却するためのものであり、本実施の形態においてはアクチュエータ４０の周囲に冷却水を通すための管８４ａを設置している。
温度検出手段８５は溶液セル２０中の有機溶媒Ｓの温度を検出するためのものであり、本実施の形態においては温度センサー（熱電対）８５ａを溶液セル２０の内部に設置している。
温度制御手段８６は温度検出手段８５からの検出信号に基づいて有機溶媒Ｓの温度が所望の温度となるように加熱手段８３の駆動を制御すると共に冷却手段８４の駆動を制御するためのものである。
【００２９】
本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１４では、試料ＳＡの測定中に加熱手段８３によって有機溶媒Ｓを加熱することができる。加熱範囲の上限としては有機溶媒Ｓの沸点のマイナス３０℃程度にとどめておくことが好ましい。沸点近傍まで温度を上昇させてしまうと有機溶媒Ｓから気泡が発生する可能性があり、特に加熱手段８３の近傍で気泡が発生すると試料ＳＡを安定して観測することが困難になるためである。例えば有機溶媒Ｓとしてキシレン（沸点１３９℃）を使用する場合、室温から１１０℃程度までの範囲で有機溶媒Ｓの温度を調整することができ、オルトジクロロベンゼン（沸点１８０℃）を使用する場合、室温から１５０℃程度までの範囲で調整することができる。
なお、溶液セル２０の材料としてＰＥＥＫを使用する場合には耐熱温度を考慮して、有機溶媒Ｓの温度を上限１４０℃程度にとどめておくのが好ましく、１４０℃を超える場合にはステンレス鋼を使用することが好ましい。
【００３０】
このように、加熱手段８３によって有機溶媒Ｓを加熱することができるので、各温度帯での合成高分子鎖一本の動態を観測することが可能となり、また温度変化に伴う動態変化も観測することが可能となる。
また、アクチュエータ４０としてピエゾ素子を利用した圧電アクチュエータを使用する場合には、高温になると伸縮特性が変化するというピエゾ素子の特性を考慮して冷却手段８４によって冷却水を循環させることでアクチュエータ４０を冷却することができる。有機溶媒Ｓの温度を８５℃以上にする場合には、有機溶媒Ｓの熱が試料ホルダ３０を介してアクチュエータ４０にまで伝達されるので冷却手段８４を使用することが好ましい。この際、循環する冷却水によってアクチュエータ４０による走査に悪影響が出るほどの振動が発生しないように流速を低速で制御する。
なお、有機溶媒Ｓの温度調整を厳密に行う必要がない場合には温度検出手段８５及び温度制御手段８６を取り除いてもよく、また、有機溶媒Ｓの温度を例えば８５℃以下の範囲にとどめる場合には冷却手段８４を取り除いてもよい。
また、加熱手段８３を溶液セル２０の内部に取り付けるものとしたが、これに限らず溶液セル２０の周囲を覆うように取り付けてもよい。この場合ニクロム線８３ａの周囲を絶縁性物質で被覆する必要はない。
また、加熱手段８３はベース１１に埋め込んで取り付けてもよい。
また、加熱手段８３としては上記ニクロム線８３ａ以外に例えば周知のガラスヒーターを透明部材２０ｂとして利用し、溶液セル２０の底面全体から加熱する構成としてもよい。これによりニクロム線８３ａよりも均一かつ急速に有機溶媒Ｓを所望の温度に加熱できる。
また、加熱手段８３として例えばアルミナ基板に高温耐熱性を持つ白金系抵抗体を取りつけアルミナシートで絶縁等したいわゆるマイクロセラミックヒーターを用いても良い。
また、温度検出手段８５と温度制御手段８６を周知のサーミスタが兼用する構成としても良い。
また、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１４に上記第二の実施の形態で示した電場印加手段８０を付加してもよい。この場合、合成高分子鎖一本の温度変化に伴う電場応答性を観測することが可能になる。
【００３１】
[第四の実施の形態]
次に、本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第四の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成となる箇所については同一符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１５は、上記第一の実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０に蒸発防止手段８７を付加したものである。
蒸発防止手段８７は溶液セル２０の周囲を覆うことで有機溶媒Ｓの蒸発を防止するためのものであり、本実施の形態においては筒状でかつ側面に耐有機溶媒性の柔軟な蛇腹構造を持つ部材（例えば、ポリテトラフルオロエチレン製）を溶液セル２０が取りつけられているベース１１とアクチュエータ４０が取りつけられている筐体１２（図８においては図示省略）との間に架設している。これにより溶液セル２０の周囲がほぼ気密状態になり、低沸点の有機溶媒Ｓ（例えばテトラヒドロフラン）を使用する場合であっても有機溶媒Ｓが蒸発して溶液セル２０内の溶媒量が減少することを防止できる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態で説明した高速原子間力顕微鏡の測定方法としては、カンチレバー５０を振動させながら試料ＳＡに近づけ、カンチレバー５０の振幅が一定になるように測定する間欠接触法が好ましい。
また、図示は省略するが、上記各実施の形態における高速原子間力顕微鏡において、溶液セル２０の内部又は外部に電磁コイル等の周知の磁場発生装置を取り付けることで合成高分子鎖一本の磁場応答性も測定できる構成にしてもよい。
また、マイクロシリンジを用いて溶液セル２０内に各種溶液を注入することで、合成高分子鎖一本の当該溶液に対する反応性を測定できる構成にしてもよい。
また、対物レンズ６４を通して各種波長の光を試料ＳＡに照射することで、合成高分子鎖一本の当該波長の光に対する反応性を測定できる構成にしてもよい。（下記、実施例５参照）。この場合、カンチレバー５０の振幅検出用として使用しているレーザー光（通常は赤色レーザー光）以外の波長の光を使用するのが好ましい。
また、上記各実施の形態では、基板表面に分散させて固定した合成高分子鎖一本一本を観測するものとしたが、これに限らず、例えば材料として利用されている高分子フィルムなどの表面の高分子鎖一本を観測することも可能である。つまり、合成高分子鎖一本一本を分散させずにそのまま観測することもできるので、機能性高分子フィルム等の材料特性を直接観測・評価することが可能となる。
また、上記各実施の形態では溶液セル２０の有機溶媒Ｓを収容する部分の形状を平面視四角形状としたが（図３、４及び７参照）、これに限らず、例えば図９〜１１に示すように有機溶媒収容部２４の形状を半円形状にしてもよい。特に、図１１に示すように有機溶媒収容部２４の内側面に加熱手段８３を取り付ける場合には、平面視四角形状の場合と比較して有機溶媒Ｓをより均一に加熱でき、加熱効率の点で優れる。
また、溶液セル２０を平面視した場合に、カンチレバー励振用のピエゾ素子が存在する位置付近の面積（図９〜１１中の符号２５で示す範囲）をできるだけ大きくすることが好ましい。上述の通り、カンチレバー励振用のピエゾ素子を溶液セル２０の直下であってカンチレバー保持部２１の近傍に配置しているため、符号２５で示す範囲の面積を大きくすることで、ピエゾ素子の振動を確実にカンチレバー５０まで伝達することができ、振動伝達効率の点で優れるからである。
【実施例１】
【００３３】
次に、上記第二の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１３の実施例について説明する。
合成高分子としてペンダント基にかさ高い光学活性なメンチル基を有する置換フェニルアセチレンポリマー[(-)-poly(MtOCAPA);Mw=1.0x106,Mw/Mn＝3.3、図１２参照]を使用し、マイカ基板表面に高分子鎖一本一本を分散して吸着させ、有機溶媒としてノルマルオクチルベンゼンを使用し、室温下でイメージングした。カンチレバーは市販品(BL-AC10EGS, Olympus)または試作品(BL-AC7EGS,Olympus)を用いた。
今回、試料保持面の両側から電場印加手段として二つのPt/Ir電極を有機溶媒中に入れ、電場(30kV/m)を印加してイメージングしたところ、電場の印加開始から数秒後より徐々に高分子鎖一本のミクロブラウン運動の速度が増加し、その後、マイカ基板表面から脱着する現象を発見した(図１３（ａ）〜（ｃ）参照)。
これは、電圧印加によってマイカ表面の電荷密度が高まることで生じた、基板表面と高分子鎖の相互作用の低下に基づく現象と考察した。これにより、合成高分子鎖一本の運動性を電場で制御できる可能性が見出された。
以上の通り、キラルらせんπ共役高分子鎖一本の電場応答性の動態をイメージングすることができた。
【実施例２】
【００３４】
次に、上記第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０の実施例について説明する。
［キラルらせんπ共役高分子］
合成高分子としてかさ高い光学活性なコレステリル基をパラ位に有する置換フェニルアセチレンポリマー[(+)-poly(ChOCAPA)、図１４参照]を使用し、THF溶液からマイカ基板表面に高分子鎖を分散した状態で吸着させ、有機溶媒としてオルトジクロロベンゼン/ノルマルオクチルベンゼン混合溶媒中室温下でイメージングした（図１５のフレーム１〜１３参照）。
その結果、紐状構造体が観測され、そのサイズから高分子鎖一本であることが確認された。さらに、らせん粗密構造が確認され、フレーム毎にその微細構造が変化する動態が観測された。この構造動態は、らせんピッチの変化に基づくものと考察した。また、他の観測領域では、高分子鎖が糸鞠状に絡まって形成されるグロビュールとそれに相互作用する高分子鎖一本の動態が観測された（図１６のフレーム１〜３０参照）。その結果、分子運動性が高い高分子鎖の末端が分子間相互作用し易い部位であることが判明した。
【実施例３】
【００３５】
次に、上記第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０の他の実施例について説明する。
［ポリオレフィン］
合成高分子としてエチレン‐プロピレン共重合体(Mw=1.78x105,Mw/Mn＝11.7,プロピレン含有率：53wt%、図１７参照)をキシレン溶液から基板上に分散した状態で吸着させ、デカメチルテトラシロキサン中室温下でイメージングした（図１８参照）。
その結果、170nm程度の長さの紐状構造体が観測され、その動態から高分子鎖一本であると考察された。解析の結果、その高さは、ランダムコイル部位と考察されるグロビュールの箇所で約2nmであった。また、細い紐状に観測された箇所では高さは0.5nm以下であり、分子モデルに基づき、この部位は比較的伸びた状態の一本鎖であると考察された。興味深いことに、高分子鎖の両端に各々存在するグロビュール（図１８のフレーム１中の黒色矢印参照）の間で、新たにランダムコイルが形成される過程が観測され（図１８のフレーム１〜３中の白色矢印参照）、さらに、これが高分子鎖一本の内部で伝播する現象（図１８のフレーム５〜１６中の白色矢印参照）が発見された。
図１８はポリオレフィンの１分子構造の動態イメージングを達成したものであり、現時点で世界初の成果である。
【実施例４】
【００３６】
次に、上記第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０の他の実施例について説明する。
合成高分子としてかさ高い光学活性なコレステリル基をパラ位に有する置換フェニルアセチレンポリマー[(-)-poly(ChOCPA)、図１９参照]を使用し、THF溶液を3-アミノプロピルトリエトキシシラン(APS)で化学修飾したマイカ基板表面に高分子鎖が分散した状態で吸着させ、有機溶媒としてノルマルオクチルベンゼン中室温下でイメージングした（図２０参照）。
【００３７】
その結果、紐状構造体が観測され、そのサイズから高分子鎖一本であることが確認された。そして、キラルらせん高分子鎖一本に吸着した分子（図２０のフレーム１〜１３中の矢印参照）が高分子鎖に沿って輸送される分子モーター動態をイメージング（フレームレート：5.0fps）することに成功した。この分子輸送は100nm以上の長距離に渡り、かつ4分間以上の長時間観測された。輸送される物質の瞬間速度は、100nm/sに到達した。特に、図２０のフレーム３から６にかけて、高分子鎖が屈曲している領域においても、分子が脱着することなく高分子鎖に沿って輸送された。
図２０は合成高分子鎖一本に乗った物質がモノレール輸送されるという分子モーター機能をイメージングしたものであり、現時点で世界初の成果である。
【実施例５】
【００３８】
次に、対物レンズを通して特定波長の光を試料に照射することで、合成高分子鎖一本の当該波長の光に対する反応性を測定した実施例について説明する。
図２１Ａに、本実施例に用いたπ共役キラルらせん高分子(-)-poly(MtOCAPA)の化学構造を示す。以前、この高分子鎖が二本絡み合って右巻きの二重らせんを形成する高次構造をSTMイメージングで確認している。さらに、この高分子鎖には構造多様性が確認され、特に高分子鎖一本中にらせん粗密構造が存在することをAFMイメージングで明らかにしている。
図２１Ｂに、(-)-poly(MtOCAPA)の高分子鎖の分子モデルを示す。これは、分子軌道計算（PM5）で構造最適化された繰り返しユニット構造を結合二面角+140度でhead-to-tail結合させて作成した初期構造を分子力場計算（拡張MM3, SCIGRESS software, Fujitsu, Japan）で最適化した高分子鎖一本のモデルである。このモデルから、高分子鎖１本の幅は2.4nmであり、ペンダント基間のピッチは1.9nmである。
【００３９】
室温におけるノルマルオクチルベンゼン中マイカ基板上の高分子鎖の高速AFM像を図２１Ｃに示す。フレーム１で示した線１-２のラインプロファイル（図２１Ｄ）から分かるとおり、この高さは2nmであり、高分子鎖一本の分子モデル（図２１Ｂ）の幅の2.4nmにほぼ一致していることから、この紐状の構造体は高分子鎖一本であることが確認される。高分子鎖の直接観測によって、高分子鎖の多様な構造と柔軟な分子運動が確認出来た。この分子運動は、室温におけるノルマルオクチルベンゼン中でマイカ基板表面に部分的に吸着した高分子鎖の固液界面におけるミクロブラウン運動である。一方、高分子鎖一本の中で、殆ど動かない部分が確認されるが、これらは基板と強く物理吸着している部位であると考察される。
【００４０】
フレーム１から２０までは、405nmレーザー照射なしでイメージングした。高分子鎖は切断されることなく、ミクロブラウン運動している。このことから、短針接触が高分子鎖の動態に与える影響は無視出来ることが分かる。
次いで、フレーム２１から405nmレーザー（0.2mW,CW,円偏光）の照射を開始した。ここで、フレーム２１の上方に確認される像の乱れは、レーザー光の照射開始によって生じたものである。レーザーを照射して直ちに高分子鎖が切断され始め、時間の経過と共に高分子鎖の切断が進行している。
【００４１】
ここで、Percecらが既に、cis-Poly(phenylacetylene)の光分解について反応機構を提案している。そこで我々は、実験結果を踏まえて、このπ共役高分子鎖の光分解は、以下の五段階の機構で生じる反応と考察した。
第一段階）光励起：π共役主鎖中のπ電子が波長405nmの光子を吸収して（ε405=1,822/M/cm(inTHF),モノマー単位換算）励起一重項状態に遷移する。
第二段階）系間交差：π共役高分子鎖一本中の励起一重項のπ電子が系間交差によって励起三重項に遷移する。
第三段階）光増感：ノルマルオクチルベンゼン中に溶存する酸素分子O2の内、π共役高分子鎖中の三重項励起子と相互作用した基底三重項酸素分子O2(3Σg-)のπ*電子へ、高分子鎖中の三重項エネルギーが移動し、励起一重項酸素分子O2(1Δg)が生成する。
第四段階）付加環化：一重項酸素分子（寿命10-3s）が近傍の高分子鎖の二重結合へ[2+2]付加環化反応する。
第五段階）分子鎖切断：引き続いて生じるrearrangementで高分子鎖が切断される。生成した鎖末端の構造はケトンとアルデヒドである。
この反応機構は、高分子鎖の光分解反応前後の赤外吸収スペクトルを比較して、反応後のC=O吸収ピーク強度が反応前に比べて相対的に増加したこと、レーザー光を照射しないと反応は生じないこと、そして照射レーザー光出力を上げると反応速度が高くなったことから支持される。また光分解反応は、上記第一段階の光励起が生じなくなるまで続く。この時点で、多くは三量体程度にまで断片化されているものと分子軌道計算の結果から推測される。また、この光分解反応が蛍光観測におけるクエンチングの原因である。
【００４２】
高分子鎖一本の光分解反応の動態を解明するために、図２２Ａに示したとおり、孤立した高分子鎖一本をイメージングした。そしてついに、高分子鎖一本中の化学反応が生じる場所と時間、およびその過程を直接観測することに成功した。観測時間0sから2sまでは、405nmレーザー光を照射していない。観測されている紐状体の高さは2nmであり、分子モデルのサイズ（図２１Ｂ）とほぼ一致することから、高分子鎖一本であると考察した。加えて、観測領域内にある高分子鎖の長さは200nmであるが、これは平均重合度から算出した平均鎖長（210nm）とほぼ同じであるので、高分子鎖一本の反応を議論する観測対象として適している。そして、観測時間2.1sから、405nmレーザー光の照射を開始したところ、先ず、像の左端にある高さ3nmのグロビュールのサイズが小さくなる現象が確認され、これが光分解反応であると考察した。
【００４３】
ここで、光分解反応の進行に伴って観測される分子像が小さくなる理由は、以下のとおりと考えている。先ず、グロビュールを形成している高分子鎖が切断によって断片化する。次いで、この断片が溶媒のノルマルオクチルベンゼン分子の分子衝突によって基板表面から脱着して、溶媒中に拡散するためである。その後の光分解反応によって、高分子鎖の切断が確認された箇所とその順番を図２２Ａの上部に矢印で示してある。これらは、高分子鎖が屈曲しているまたは運動性が高い箇所である。特に、矢印３で示した箇所では、観測時間5.0sから6.0sにおいて、高分子鎖が切断されると、その分子鎖末端で連続して分解反応が生じて分子鎖が短くなって行くことが分かる。この高分子鎖長の分解速度を計測した結果、klength=16.7nm/sで短くなっていることが分かった。この速度と分子モデル(L=5.05units/nm,二面角:+140度)を元に、ポリマーの繰返し単位での分解速度を算出すると、krepeating-unit=84.3units/sであった。図２２Ｂに、全観測時間での分子像の面積の時間変化を示した。これは、観測領域におけるπ共役高分子鎖一本の平均反応速度の時間変化である。このグラフから分かる様に、レーザー光照射によって直ちに分解反応が進行している。特に重要なことは、光分解反応が段階的に進行しており、量子現象として化学反応が観測されていることである。また、この実験条件における高分子鎖一本の励起頻度は、χ=4.49x104photons/s/moleculeと計算された。つまり、高分子一本鎖のπ電子系は、レーザー光照射を開始した初期状態において、分子鎖中の励起される場所までは特定できないものの、１秒間に平均44,900回光励起されていることが算出された。
【００４４】
しかしながら、AFMで観測された光分解反応の速度は、上述のとおり、分解反応速度を計測した領域（図２２Ａ矢印３の場所。時間は5.0s-6.0s）で、繰り返し単位毎に鎖末端で順次分解反応が生じたとしても、84.3単位毎秒である。これらの値から導かれる反応量子収率は、φ=0.188%である（但し、この反応量子収率は反応初期状態の値である。励起頻度は、光分解反応の進行と共に低下する）。この反応量子収率の低さは、上述の反応機構の第二段階の三重項励起子の生成確率が低いことが主な原因と考察した。すなわち、光励起された高分子鎖のπ電子からのエネルギー移動による一重項酸素分子（1Δg状態）の生成効率が低いために、結果として、光分解反応速度が低かったと考察した。また、光励起されたπ電子の多くは、放射過程（主に蛍光）と無放射過程を経て基底状態に遷移する。
【００４５】
興味深いことに、この領域において光分解反応が生じると（矢印３）、連続して右一方向に反応が進んだ。この現象は、以下の様に考察された。分解反応で生成した鎖末端と基板の吸着力が低かったため、鎖末端の運動性が高かった。分子の運動性が高まれば一重項酸素分子との衝突確率が上がるので、結果として、この領域での反応速度が高くなり連続して反応が観測されたものと考察した。一方、反応速度に異方性（つまりhead-to-tailで反応するかtail-to-headで反応するかで反応速度が異なること）はあるのであろうか？このらせん高分子には、図２１Ｂに示すとおり、らせん主鎖に対するペンダント基の配向に構造異方性がある。この構造異方性が反応の方向性に偏りを与える可能性は考えられるが、現在のところ詳細は不明である。これについては、今後の研究で明らかになるであろう。
本実施例によって、初めてポリマー1分子の化学反応をリアルタイムで直接イメージングすることに成功した。この手法を広く活用することで、今後、ビニルポリマーを含む多くの高分子材料の表面における劣化過程を1分子レベルで動態イメージングし、高分子材料の耐久性向上に向けた機構解明に資することが出来るものと期待される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は合成高分子の一本鎖の動態の観察が可能な高速走査型プローブ顕微鏡である。合成高分子として例えばポリオレフィンの材料特性を解明可能な手段であり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４７】
Ｌ 光軸
Ｓ 有機溶媒
ＳＡ 試料
１０ 高速原子間力顕微鏡
１３ 高速原子間力顕微鏡
１４ 高速原子間力顕微鏡
１５ 高速原子間力顕微鏡
２０ 溶液セル
３０ 試料ホルダ
３１ 試料保持面
４０ アクチュエータ
５０ カンチレバー
５１ 探針
６０ 振幅検出用光学系手段
６１ 光源
６２ 光検出器
７０ フィードバックコントローラ
７１ データ収録・制御手段
７２ 処理手段
７３ 表示手段
８０ 電場印加手段
８１ 電極
８２ 電源
８３ 加熱手段
８４ 冷却手段
８５ 温度検出手段
８６ 温度制御手段
８７ 蒸発防止手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に合成高分子の一本鎖の動態の観測が可能な高速走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いてＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質、糖質等の生体高分子の機能発現の機構や動作原理が明らかにされつつある。
また、このような生体高分子の機能を持つ合成高分子の創製や、合成高分子鎖一本の構造と機能の解明、更には合成高分子を利用した分子デバイス等の開発に対する期待が高まっている。
走査型プローブ顕微鏡は探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る装置の総称であり、特に広く使用されている原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針をその自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、探針と試料とを相対的に走査するスキャナとを備えている。
そして、スキャナによって試料に対して探針を相対的にＸＹ方向（水平方向）に走査しながら、光学式変位センサーの出力を一定に保つように探針のＺ方向（垂直方向）の位置を制御し、これをマッピングすることによって、試料表面の画像を得る仕組みになっている。なお、通常の原子間力顕微鏡は１画像の取得に数分間を要するため、得られる画像は静止画像になる。
【０００３】
例えば、図２３に示す特許文献１に開示された原子間力顕微鏡は、試料を三次元的に走査するピエゾスキャナ６の上に試料７を載置し、カンチレバー１を固定しているカンチレバーホルダ２とピエゾスキャナ６の間をシール３によって密封することで溶液セル８とし、この溶液セル８の内部に溶液４を満たす構成になっている。
また、図２４に示す特許文献２に開示された原子間力顕微鏡は、溶液中で試料２を保持する液中セル１２をスキャナ１上に取付け、液中セル１２の上部に設けたガラス窓５の内面にカンチレバ台４を貼り付け、ガラス窓５と液中セル１２の間をゲルリング３でシールするとともに、ガラス窓５の外面周縁に圧電素子７を取付け、圧電素子７を駆動してガラス窓５ごとカンチレバ８を振動させる構成となっている。
特許文献１及び２に開示された原子間力顕微鏡によれば、溶液中で生体高分子の静態を観測することができる。
【０００４】
ところで、近年、１画像を１秒以下で取得できる高速の原子間力顕微鏡が市販されている。この高速原子間力顕微鏡によれば溶液中の試料の様子を動画で取得できるため、生体高分子の動態観察が可能になる。
本明細書においては１画像あたり１秒以下、換言するとフレームレートが１ｆｐｓ（Ｆｒａｍｅｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）以上で画像を取得できる走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡をそれぞれ「高速走査型プローブ顕微鏡」及び「高速原子間力顕微鏡」と表記し、１ｆｐｓ未満の走査型プローブ顕微鏡及び原子間力顕微鏡をそれぞれ「通常の走査型プローブ顕微鏡」及び「通常の原子間力顕微鏡」と表記する。
【０００５】
ここで、上記特許文献１及び２に記載された原子間力顕微鏡では１ｆｐｓ以上の高速で画像を取得することは困難であった。
すなわち、高速原子間力顕微鏡においてはスキャナが高速に探針（または試料）を走査する必要があるが、一般的にスキャナの走査周波数はＸＹＺ各軸方向の共振周波数によって制限される。そして、共振周波数を高めるためにはスキャナの質量を可能な限り抑えることが重要である。
しかし、上記いずれの原子間力顕微鏡においても、溶液セル（液中セル）がスキャナと一体になって移動する構成であるため、溶液セルによってスキャナの質量が増加せざるを得ず、高速走査が困難である。
【０００６】
また、例えば図２５に示すような原子間力顕微鏡が知られている（特許文献３参照）。
この原子間力顕微鏡は、上部を開放した液中セル３２を用いており、試料ホルダ３４は、試料３３の観察表面が下向きとなって液体３１に浸されるように配置される。また、カンチレバー３５は探針３５ａを有し、探針３５ａが上向きとなって試料３３の観察表面と対向するように配置される。そして、光源３８及び光検出器３９は液中セル３２の下方に配置され、カンチレバー３５の撓みを検出する撓み検出光学系を構成する。液中セル３２は透明材料で形成されており、光源３８からの照射光は液中セルを透過し、カンチレバー３５で反射して、再度液中セルを透過して光検出器３９に至るようになっている。
この原子間力顕微鏡によれば液中セル３２はスキャナ（圧電アクチュエータ３７、断熱部材３６、試料ホルダ３４等）と分離しており、独立して駆動するため、上記特許文献１及び２に記載された原子間力顕微鏡と比較してより高速な走査が可能となる。
また、特許文献４〜６にも同様に、溶液と分離したスキャナが独立駆動する構成の原子間力顕微鏡が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１―１１８８１３号公報
【特許文献２】特開平９―２６９２２３号公報
【特許文献３】特開平９−５４０９８号公報
【特許文献４】特開２００５−１０６７９０号公報
【特許文献５】特開２００４−１５６９５９号公報
【特許文献６】特開２００６−１５３５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献３に記載された原子間力顕微鏡によれば以下のような問題がある。
すなわち、断熱部材３６が圧電アクチュエータ３７と試料ホルダ３４の間に位置し、これらが一体的に駆動する構成となっているため、断熱部材３６の質量の影響を受けて高速原子間力顕微鏡に必要な程度の高い共振周波数を得ることができないという問題がある。
また、高速原子間力顕微鏡ではカンチレバー側の共振周波数も高める必要があり、大気中におけるカンチレバーの共振周波数が５００ｋＨｚ以上、好ましくは１ＭＨｚ以上であることが望まれる。そして、カンチレバーの共振周波数を高めるためには通常の原子間力顕微鏡で使用するカンチレバーよりも小型化する必要がある。
【０００９】
上述の通り、原子間力顕微鏡では光学式変位センサーのレーザー光をカンチレバー自由端の背面（探針の反対側の面）に照射し、反射光を受光することでカンチレバーの変位を検出しているが、高速原子間力顕微鏡用の小型のカンチレバーを使用する場合、カンチレバー背面の面積が小さくなるため、レーザー光を正確に照射するには、図２に示すように対物レンズ等でスポット径を絞り小径化した上で更にレーザー光がカンチレバーの背面に対してほぼ垂直に入射するように設定する必要がある。レーザー光がカンチレバーの背面に対して斜めに入射すると、入射光と反射光を同一の対物レンズに通すことができなくなり、小型カンチレバーの変位を検出できなくなるためである。
なお、仮に高速原子間力顕微鏡において図２６（ａ）に示すようにカンチレバー１００の配置を試料ホルダ１０１と平行にした場合、高い共振周波数で駆動するカンチレバー１００と試料ホルダ１０１との間に存在する溶液から受ける抵抗が高まり、カンチレバー１００の駆動制御が困難になるため、図２６（ｂ）に示すようにカンチレバー１００の探針１００ａ側を試料ホルダ１０１に近づけて斜めに配置することでカンチレバー１００と試料ホルダ１０１をできるだけ離すと共にレーザー光Ａをカンチレバー１００に対してほぼ垂直に入射させるのが好ましい。
【００１０】
ところが、特許文献３に記載された原子間力顕微鏡は光源３８とカンチレバー３５の間に対物レンズ等のレーザー光を絞り込む工夫がなされておらず、また、レーザー光がカンチレバー背面に対して斜めに入射及び反射していることから、レーザー光を小型のカンチレバー背面に漏れなく正確に照射することは極めて困難である。また、対物レンズを導入したとしても斜め方向に進む反射光を光検出器で受光することも困難である。
これらを考慮すると、特許文献３に記載された原子間力顕微鏡は高速走査に対応しておらず、この構成をそのまま高速原子間力顕微鏡に適用した場合には上述した種々の問題が生じることは明らかである。
また、特許文献４〜６に記載された原子間力顕微鏡はいずれも透明板の上に溶液を載せることで、溶液の表面張力を利用して当該溶液を透明板上に保持するものである（特許文献４の［００５６］、特許文献５の［００３９］、特許文献６の［００２８］参照）。
ここで、特許文献４〜６では使用する溶液の種類について特定されていないが、試料として主に生体試料を想定している点を考慮すると（特許文献４の［００２４］、特許文献５の［請求項１］、特許文献６の［００２１］等参照）、少なくとも溶液として有機溶媒を使用することは困難である。
なぜなら、第一に有機溶媒は蛋白質等からなる生体試料を変質させてしまうという問題があり、第二に有機溶媒の表面張力は生体試料観測用として通常用いられる水等の溶液の表面張力と比較して小さいため、有機溶媒を特許文献４〜６のような透明板上に載せた場合には液滴が自立せず、透明板表面に拡がってしまい、観測不能となるからである。
一方、試料として生体試料ではなく合成高分子を用い、さらに合成高分子鎖一本一本を基板表面に分散させてその動態を観測するためには、溶液として有機溶媒を使用することが必須の条件であり、溶液を保持するための装置構成も有機溶媒に特化したものであることが好ましい。溶液として水等を使用した場合、何本もの合成高分子鎖が凝集してしまうからである。
【００１１】
本発明はこのような問題に鑑み、合成高分子の一本鎖の動態の観察が可能な高速走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の高速走査型プローブ顕微鏡は、上部が開放され内部に有機溶媒を収容する溶液セルと、試料表面が下向きとなる状態で当該試料を前記有機溶媒に浸る位置で保持する試料ホルダと、前記溶液セルの内部において前記有機溶媒に浸る位置でかつ前記試料表面に対向する位置に配置される探針と、前記溶液セルを移動させずに前記試料ホルダを前記探針に対して移動させるアクチュエータとを備え、前記溶液セルと前記アクチュエータとが分離していることを特徴とする。
また、前記溶液セルの内部において前記試料を挟む電極配置で電場を発生させる電場印加手段を備えることを特徴とする。
また、前記有機溶媒を加熱する加熱手段と、前記アクチュエータを冷却する冷却手段とを兼ね備えることを特徴とする。
また、前記有機溶媒の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段からの検出信号に基づいて、前記有機溶媒の温度が所望の温度となるように前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備えることを特徴とする。
また、前記探針を有するカンチレバーの振幅を検出する振幅検出用光学系手段を備え、前記振幅検出用光学系手段から前記カンチレバーに照射される照射光及び当該照射光による前記カンチレバーからの反射光が前記カンチレバーに対して垂直であり、前記試料ホルダの試料保持面が撓みがない状態の前記カンチレバーに対して非平行であることを特徴とする。
また、前記試料が合成高分子であることを特徴とする。
また、前記溶液セルの周囲を覆うことで有機溶媒の蒸発を防止する蒸発防止手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の高速走査型プローブ顕微鏡によれば、アクチュエータが探針に対して溶液セルを移動させずに試料ホルダを移動させる。つまり、溶液セルとアクチュエータとが分離しており、アクチュエータが重量物となる溶液セルを移動させないため、高い共振周波数を維持して走査することが可能となり、溶液セルを用いるタイプの走査型プローブ顕微鏡において高速化を実現できる。
そして、溶液セル内に有機溶媒を収容するので、試料として合成高分子を用いる場合には、有機溶媒に溶けた状態の合成高分子鎖を一本一本分散させた状態で試料ホルダに固定することで、合成高分子の一本鎖についてフレームレート１ｆｐｓ以上で画像を取得することが可能となり、ナノメートルのオーダーで合成高分子鎖一本の動態の観測が可能となる。
合成高分子として例えばポリエチレンなどのポリオレフィンの分岐構造とその分子運動性を解明できる。分岐構造は材料特性に直接関係するが、これまで、ポリオレフィンの分岐構造は厳密には理解されていなかった。なぜなら、それを解明する手段が無かったためである。ポリオレフィンは容量比での生産量が鉄鋼を超え、世界で最も生産されている材料といえる。本発明によるとこのポリオレフィンの材料特性を解明可能な手段を提供できる。
また、複数の有機溶媒を混合することで混合有機溶媒中での合成高分子鎖一本の動態の観測が可能となる。
なお、本明細書中において「走査型プローブ顕微鏡」とは探針と試料とを相対的に走査して試料の表面情報を得る装置を指し、少なくとも原子間力顕微鏡、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）を含むものとする。
【００１４】
また、電場印加手段によって試料の周囲に電場の勾配を生じさせた状態での観測が可能となり、合成高分子鎖一本の電場応答性の動態を測定することができる。
また、加熱手段によって有機溶媒を加熱することにより、各温度帯での試料の動態変化を観測することが可能となり、また温度変化に伴う試料の動態変化も観測することが可能となる。
また、冷却手段によってアクチュエータを冷却できるので、加熱手段による熱がアクチュエータに伝達し、アクチュエータの伸縮特性が変化することを防止できる。
アクチュエータとしてピエゾ素子を利用する場合には、ピエゾ素子の伸縮特性を一定に保つことにより、特に高い温度領域におけるピエゾ素子の伸び係数（nm/V）の変化によって計測値（nm）に誤差が生じてしまう事態を防止できる。
また、温度検出手段及び温度制御手段を備えることで、有機溶媒を所望の温度に調整することができる。
また、振幅検出用光学系手段からカンチレバーに照射される照射光及び反射光をカンチレバーに対して垂直にし、撓みがない状態のカンチレバーに対して試料保持面を非平行とすることで高速走査に適した構成を得られる。
なお、上述の通り、高速原子間力顕微鏡においては対物レンズでレーザー光のスポット径を絞った上でカンチレバーに照射するのが一般的である。従って、カンチレバーへの入射光及びカンチレバーからの反射光が同一の対物レンズを通過する構成になっている場合には、これら入射光及び反射光はカンチレバーに対して垂直であるものとする。
また、仮に対物レンズが存在しない場合であっても、カンチレバーに入射する直前に配置されている光学系手段の光軸がカンチレバーに対して垂直になるように設計されている場合にも、入射光及び反射光はカンチレバーに対して垂直であるものとする。
また、試料として合成高分子を用いることにより合成高分子鎖一本の動態の観測が可能となる。
また、蒸発防止手段によって、低沸点の有機溶媒を使用する場合でも有機溶媒の蒸発を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高速原子間力顕微鏡の外観の一部を示す斜視図である。
【図２】高速原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図３】溶液セルの構成を示す斜視図である。
【図４】第二の実施の形態における溶液セルの構成を示す斜視図である。
【図５】第二の実施の形態における高速原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図６】第三の実施の形態における高速原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図７】第三の実施の形態における溶液セルの構成を示す斜視図である。
【図８】第四の実施の形態における溶液セルの構成を示す図面である。
【図９】図３の溶液セルの変形例を示す斜視図である。
【図１０】図４の溶液セルの変形例を示す斜視図である。
【図１１】図７の溶液セルの変形例を示す斜視図である。
【図１２】実施例１における合成高分子の構造を示す図面である。
【図１３】実施例１における合成高分子鎖一本の動態を示す図面（ａ）〜（ｃ）である。
【図１４】実施例２における合成高分子の構造を示す図面である。
【図１５】実施例２における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図１６】実施例２における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図１７】実施例３における合成高分子の構造を示す図面である。
【図１８】実施例３における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図１９】実施例４における合成高分子の構造を示す図面である。
【図２０】実施例４における合成高分子鎖一本の動態を示す図面である。
【図２１】実施例５における合成高分子の構造を示す図面Ａ、高分子鎖の分子モデルを示す図Ｂ、合成高分子鎖一本の動態を示す図Ｃ、フレーム１の線１‐２のラインプロファイルを示す図Ｄである。
【図２２】実施例５における合成高分子鎖一本の光分解反応の動態を示す図面Ａ、全観測時間での分子像の面積の時間変化を示す図面Ｂである。
【図２３】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図２４】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図２５】従来の原子間力顕微鏡の構成を示す図面である。
【図２６】試料ホルダとカンチレバーの位置関係を示す図面（ａ）及び（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[第一の実施の形態]
本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第一の実施の形態として高速原子間力顕微鏡について説明する。
図１〜図３に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０は有機溶媒Ｓを収容する溶液セル２０、試料ＳＡを保持する試料ホルダ３０、アクチュエータ４０、探針５１を有するカンチレバー５０、振幅検出用光学系手段６０、アクチュエータ４０の駆動を制御するフィードバックコントローラ７０及びデータ収録・制御手段７１、コンピュータとしての処理手段７２及び表示手段７３等から概略構成されている。
【００１７】
溶液セル２０は上部が開放された平面視四角形の箱状の部材であり、底面の中央部に開口２０ａを有している。そして、底面の下側は光反射率の低いガラス等の透明部材２０ｂで覆われている。
溶液セル２０はベース１１（図８参照）に脱着自在に取り付けられている。そして、溶液セル２０の内部に有機溶媒Ｓを収容するようになっている。
溶液セル２０の側面及び底面はステンレス鋼（例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０３）などの金属材料やＰＥＥＫ（登録商標 ポリエーテルエーテルケトン）等の耐熱性、耐有機溶媒性、高加工性を有する材料で構成するのが好ましい。
有機溶媒の種類は試料ＳＡとして使用する合成高分子の種類に応じて適宜変更可能であるが、例えばキシレン、オルトジクロロベンゼン、メタジブロモベンゼン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、トルエン、ヘキサン、テトラヒドロフラン、ノルマルオクチルベンゼン、デカメチルテトラシロキサン等を用いることができる。また、有機溶媒中の有機化合物の濃度も適宜調節可能である。
【００１８】
試料ホルダ３０は試料ＳＡの表面が下向きとなる状態で当該試料ＳＡを有機溶媒Ｓに浸る位置で保持するためのものである。本実施の形態においては試料ホルダ３０は円柱状に形成されている。試料ホルダ３０はガラスや金属等の耐有機溶媒性を有する材料で構成するのが好ましい。
試料ホルダ３０の底面には試料保持面３１が形成されており、この試料保持面３１においてマイカ、シリコン、グラファイト等の周知の基板材料を利用して有機溶媒Ｓに溶けた合成高分子鎖一本一本を基板表面に分散させて固定するようになっている。また、マイカ等を基材とし表面を金で蒸着してAu(111)面を調製した基板も使用できる。
また、詳しい説明は後述するが、試料保持面３１は撓みがない状態のカンチレバー５０に対して非平行となるように設定されている。
【００１９】
試料ＳＡとしては合成高分子全般が挙げられるが、例えばポリオレフィン系樹脂として、ポリエチレン、ＬＬＤＰＥ（直鎖状低密度ポリエチレン）、ＨＤＰＥ（直鎖状高密度ポリエチレン）、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体および分岐ポリオレフィンが挙げられ、またエステル系樹脂として、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリシクロヘキサンテレフタレート樹脂、ポリエステルエラストマー等の芳香族ポリエステル樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリカプロラクトン樹脂等の脂肪族ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート／サクシネート樹脂等の脂肪族芳香族ポリエステル樹脂が挙げられ、またスチレン系樹脂として、ポリスチレン、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエン共重合体）、ＳＢＳ（スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体）、水添ＳＢＳ（水添スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＳＥＰＳ（水添スチレン・イソプレン・スチレン共重合体）、ＨＩＰＳ（耐衝撃性ポリスチレン）、ＡＳ樹脂（アクリロニトリル・スチレン共重合体）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＭＢＳ樹脂（メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＭＡＢＳ樹脂（メチルメタクリレート・アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＡＡＳ樹脂（アクリロニトリル・アクリルゴム・スチレン共重合体）、ＡＥＳ樹脂（アクリロニトリル・エチレンプロピレン系ゴム・スチレン共重合体）等が挙げられ、更にアクリル系樹脂として、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸プロピル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、メタクリル酸メチル−アクリル酸メチル共重合体、メタクリル酸メチル−メタクリル酸エチル共重合体、メタクリル酸メチル−メタクリル酸ブチル共重合体、メタクリル酸メチル−アクリル酸エチル共重合体等が挙げられる。また共役系高分子として、ポリ置換アセチレン、ポリアリーレンエチニレン、ポリチオフェンなどのパイ共役系およびポリシラン類などのシグマ共役系が挙げられる。
【００２０】
アクチュエータ４０は試料ホルダ３０に連結し、溶液セル２０を移動させずに試料ホルダ３０を探針５１に対して移動させるものである。アクチュエータ４０は高速原子間力顕微鏡１０の筐体１２に取り付けられている。
アクチュエータ４０としては電気の入力エネルギーを変位・力に変換する圧電セラミクスであるピエゾ素子を利用した圧電アクチュエータを使用している。
アクチュエータ４０の下部に試料ホルダ３０が接合されており、フィードバックコントローラ７０及びデータ収録・制御手段７１からの制御信号により、試料ホルダ３０及び試料ＳＡをＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるようになっている。ＸＹ方向への移動はＸＹアクチュエータ４１、Ｚ方向への移動はＸＹアクチュエータ４１の下部に接合するＺアクチュエータ４２を駆動することにより行う。
また、試料ホルダ３０を上下に長い構造とすることで、アクチュエータ４０が溶液セル２０中の有機溶媒Ｓに浸らないようになっている。
なお、図２中に矢印で示す通り、本明細書中においてＸ方向とは試料ホルダ３０の試料保持面３１を含む平面内の任意の一方向を指し、Ｙ方向とは当該平面内でＸ方向に直交する方向を指し、Ｚ方向とは当該平面に直交する方向を指すものとする。
【００２１】
カンチレバー５０はその先端部に探針５１を有する可撓性のある部材である。
溶液セル２０の内側面にはカンチレバー保持部２１が設けられている。カンチレバー保持部２１は溶液セル２０と同じ材料で構成するのが好ましい。
カンチレバー保持部２１と溶液セル２０の底部との間に形成されるスリット２２の間隔はねじ２３により調節可能になっており、開いた状態のスリット２２にカンチレバー５０の後端部を挿入した状態でねじ２３を締めることによりスリット２２の間隔が狭まり、カンチレバー５０をいわゆる片持ち梁の状態で保持している。
本実施の形態のカンチレバー５０は高速走査を可能とすべく、共振周波数を高めるために窒化シリコンを素材とし、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍ程度に形成されており、通常の原子間力顕微鏡で使用するカンチレバーと比較して小型になっている。このカンチレバー５０はバネ定数が０．１Ｎ／ｍ、溶液中での共振周波数が８００ｋＨｚ前後となり、高速原子間力顕微鏡１０に適したバネ定数と共振周波数を確保している。
探針５１は溶液セル２０の内部において有機溶媒Ｓに浸る位置でかつ試料ＳＡの表面に対向する位置に配置されている。
なお、図示は省略するが、溶液セル２０の直下であってカンチレバー保持部２１の近傍にカンチレバー５０を励振させるためのピエゾ素子をベース１１（図８参照）に配置しており、このピエゾ素子の振動が溶液セル２０及びカンチレバー保持部２１を介してカンチレバー５０に伝達される構成になっている。
【００２２】
振幅検出用光学系手段６０は光てこ法によりカンチレバー５０の振動振幅を検出するためのものであり、光源６１と光検出器６２を備える。
光源６１としてはレーザー光源を用いることができ、光検出器６２としては例えば２分割フォトダイオードを用いることができる。
光源６１及び光検出器６２は溶液セル２０の近傍に配置されている。光源６１から照射されたレーザー光Ａは、偏光ビームスプリッター６３を通過して対物レンズ６４によってその光径が絞られた後、溶液セル２０の透明部材２０ｂ及び開口２０ａを通過し、カンチレバー５０の探針５１が設けられている側（表面）と反対側の面（背面）に至る。カンチレバー５０背面からの反射光は再度開口２０ａ、透明部材２０ｂ及び対物レンズ６４を通過し、偏光ビームスプリッター６３で進路が変更され、光検出器６２で受光されることで走査時のカンチレバー５０の振幅を検出するようになっている。なお、レーザー光Ａが光源６１からカンチレバー５０を経て光検出器６２に至るまでの光路中、実際には上記対物レンズ６４及び偏光ビームスプリッター６３以外の複数の光学部材を通過することになるが、これら光学部材の図示及び詳細な説明は省略する。
【００２３】
光源６１の光軸Ｌはカンチレバー５０に対してほぼ垂直となるように設定されているため、カンチレバー５０への照射光及びカンチレバー５０からの反射光は共にカンチレバー５０に対してほぼ垂直となる。
一方、試料ホルダ３０の試料保持面３１は撓みがない状態のカンチレバー５０に対して非平行となるように設定されている。本実施の形態においては撓みのない状態のカンチレバー５０は水平状態となるように設定されており、光源６１の光軸Ｌは水平面に直交するように設定されており、試料保持面３１は水平面に対して約１０度傾斜するように設定されている。
これにより、小型のカンチレバー５０の背面に対して小径のレーザー光Ａを正確に照射することが可能となり、原子間力顕微鏡の高速化に寄与している。
【００２４】
次に、高速原子間力顕微鏡１０の動作について説明する。
まず、固体状態の合成高分子を有機溶媒で溶かすことにより希薄溶液を調製し、合成高分子鎖一本一本を有機溶媒中に分散させる。そして、この溶液を試料保持面３１に滴下することで高分子鎖を一本一本が分散した状態で固定する。
次に観測に用いる有機溶媒Ｓで満たした状態の溶液セル２０に対し試料ホルダ３０を試料ＳＡの表面が下向きとなる状態で有機溶媒Ｓに浸る位置でセットする。
ここで、固体状態の高分子を溶解する有機溶媒と観測で使用する有機溶媒は必ずしも同じである必要はない。固体状態の高分子を溶解する有機溶媒には良溶媒を使用しなければならないという制限がある。一方で、観測で使用する有機溶媒には特に制限はなく、高分子鎖一本が良く見える溶媒であれば良い。一例として、固体状態のπ共役高分子を溶解する有機溶媒としてテトラヒドロフランを使い、観測で使用する有機溶媒としてノルマルオクチルベンゼンを使うことがある。ここで、テトラヒドロフランは良溶媒であり、ノルマルオクチルベンゼンは固体状態の高分子を溶解しにくい溶媒であるが、この方が高分子鎖の運動性を抑えられて、高速原子間力顕微鏡で綺麗にイメージングできるという効果を得られる。勿論、溶解させる溶媒も観測で使用する溶媒も同じ良溶媒を使用することもある。高分子鎖一本の動態が高品質にイメージング出来ることを条件にして適宜選択すればよい。
そして、光源６１及び光検出器６２を駆動させると共に探針５１と試料ＳＡの表面との間に原子間力が作用する程度に試料ＳＡを探針５１に接近させる。フィードバックコントローラ７０は光検出器６２からの出力信号と予め規定されている目標値との差分を算出し、この差分がゼロとなるようＺアクチュエータ４２の駆動をフィードバック制御し、カンチレバー５０の振幅値が一定となるように試料ホルダ３０をＺ方向に移動させる。このＺ方向の移動量はその時点でのＸＹ座標における高さに相当し、フィードバックコントローラ７０はこのＺ方向の移動量をデータ収録・制御手段７１に出力する。データ収録・制御手段７１は当該出力信号をデータとして収録する。
また、データ収録・制御手段７１は処理手段７２からの出力信号に基づき探針５１が試料ＳＡの表面を相対的に走査するようにＸＹアクチュエータ４１を駆動制御し、試料ホルダ３０をＸＹ方向に移動させる。
そして、データ収録・制御手段７１はこのＸＹ方向の移動量及び上記Ｚ方向の移動量を処理手段７２に出力する。この出力信号は試料ＳＡ表面に対する探針５１のＸ，Ｙ，Ｚ方向の相対位置、つまり試料ＳＡの表面形状を示すことになる。したがって、処理手段７２においてデータ収録・制御手段７１からの出力信号をマッピングすることで、表示手段７３には試料ＳＡの高分子鎖一本一本の表面形状が画像として表示される。
高速原子間力顕微鏡１０におけるフレームレートは１ｆｐｓ以上であるため、合成高分子鎖一本一本の構造変化や機能を直接的に動画像として観測することができる。
【００２５】
[第二の実施の形態]
次に、本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第二の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成となる箇所については同一符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１３は、上記第一の実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０に電場印加手段８０を付加したものである。
電場印加手段８０は溶液セル２０の内部において試料ＳＡの周囲に電場を発生させるものであり、対向する一対の電極８１と電源８２とを備える。電場とは電荷が分布することにより形成される電気力の働く空間をいい、電界ともいう。
一対の電極８１は溶液セル２０の内部において、有機溶媒Ｓに浸る位置であって試料ＳＡを左右から挟むように配置されている。一対の電極８１は可能な限り試料ＳＡの近傍に配置するのが好ましい。これにより試料ＳＡの周囲に生じる電場の勾配を大きくすることができるからである。
【００２６】
電極８１としては、例えば有機溶媒中で金属イオン化し難く、かつ導電性を有するプラチナ及びイリジウム、あるいは酸化物系セラミックス（例えば、ＩＴＯ、ＡＴＯ、酸化アンチモン）をコーティングした材料を使用できる。また、電極８１としては均一な電場が得られる点で平板電極が好ましい。また、電極８１は、一対の電極８１間の距離を調節できるように可動式にしてもよく、これにより最適な電界強度を設定しやすくなる。
なお、電源８２によって電極８１に印加する電圧は直流電圧であってもよいし交流電圧であってもよい。
このように、第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０に電場印加手段８０を付加することによって、試料ＳＡの周囲に電場の勾配を生じさせた状態での観測が可能となり、合成高分子鎖一本の電場応答性の動態を測定することができる。
なお、図５に示すように、一対の電極８１を試料ホルダ３０側（アクチュエータ４０側）に取り付けてもよい。この場合、各電極８１が有機溶媒Ｓに浸った状態で試料ホルダ３０に接触しない位置であってかつ可能な限り試料ＳＡに近接するように試料保持面３１の左右に取り付けるのが好ましい。仮に各電極８１を試料ホルダ３０に接触させるものとすると、アクチュエータ４０側の重量増加につながり、高速走査に支障をきたすためである。
【００２７】
[第三の実施の形態]
次に、本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第三の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成となる箇所については同一符号を付して説明を省略する。
図６及び図７に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１４は、上記第一の実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０に加熱手段８３、冷却手段８４、温度検出手段８５、温度制御手段８６を付加したものである。
加熱手段８３は溶液セル２０中の有機溶媒Ｓを加熱するためのものであり、本実施の形態においてはニクロム線８３ａを用いている。
ニクロム線８３ａはその周囲をガラス等の絶縁性物質で被覆されており、溶液セル２０の内側面に固定されている。ニクロム線８３ａを溶液セル２０の内側面に取り付けることで溶液セル２０の外側面に取り付ける場合と比較して急速加熱が可能となる。
【００２８】
冷却手段８４はアクチュエータ４０を冷却するためのものであり、本実施の形態においてはアクチュエータ４０の周囲に冷却水を通すための管８４ａを設置している。
温度検出手段８５は溶液セル２０中の有機溶媒Ｓの温度を検出するためのものであり、本実施の形態においては温度センサー（熱電対）８５ａを溶液セル２０の内部に設置している。
温度制御手段８６は温度検出手段８５からの検出信号に基づいて有機溶媒Ｓの温度が所望の温度となるように加熱手段８３の駆動を制御すると共に冷却手段８４の駆動を制御するためのものである。
【００２９】
本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１４では、試料ＳＡの測定中に加熱手段８３によって有機溶媒Ｓを加熱することができる。加熱範囲の上限としては有機溶媒Ｓの沸点のマイナス３０℃程度にとどめておくことが好ましい。沸点近傍まで温度を上昇させてしまうと有機溶媒Ｓから気泡が発生する可能性があり、特に加熱手段８３の近傍で気泡が発生すると試料ＳＡを安定して観測することが困難になるためである。例えば有機溶媒Ｓとしてキシレン（沸点１３９℃）を使用する場合、室温から１１０℃程度までの範囲で有機溶媒Ｓの温度を調整することができ、オルトジクロロベンゼン（沸点１８０℃）を使用する場合、室温から１５０℃程度までの範囲で調整することができる。
なお、溶液セル２０の材料としてＰＥＥＫを使用する場合には耐熱温度を考慮して、有機溶媒Ｓの温度を上限１４０℃程度にとどめておくのが好ましく、１４０℃を超える場合にはステンレス鋼を使用することが好ましい。
【００３０】
このように、加熱手段８３によって有機溶媒Ｓを加熱することができるので、各温度帯での合成高分子鎖一本の動態を観測することが可能となり、また温度変化に伴う動態変化も観測することが可能となる。
また、アクチュエータ４０としてピエゾ素子を利用した圧電アクチュエータを使用する場合には、高温になると伸縮特性が変化するというピエゾ素子の特性を考慮して冷却手段８４によって冷却水を循環させることでアクチュエータ４０を冷却することができる。有機溶媒Ｓの温度を８５℃以上にする場合には、有機溶媒Ｓの熱が試料ホルダ３０を介してアクチュエータ４０にまで伝達されるので冷却手段８４を使用することが好ましい。この際、循環する冷却水によってアクチュエータ４０による走査に悪影響が出るほどの振動が発生しないように流速を低速で制御する。
なお、有機溶媒Ｓの温度調整を厳密に行う必要がない場合には温度検出手段８５及び温度制御手段８６を取り除いてもよく、また、有機溶媒Ｓの温度を例えば８５℃以下の範囲にとどめる場合には冷却手段８４を取り除いてもよい。
また、加熱手段８３を溶液セル２０の内部に取り付けるものとしたが、これに限らず溶液セル２０の周囲を覆うように取り付けてもよい。この場合ニクロム線８３ａの周囲を絶縁性物質で被覆する必要はない。
また、加熱手段８３はベース１１に埋め込んで取り付けてもよい。
また、加熱手段８３としては上記ニクロム線８３ａ以外に例えば周知のガラスヒーターを透明部材２０ｂとして利用し、溶液セル２０の底面全体から加熱する構成としてもよい。これによりニクロム線８３ａよりも均一かつ急速に有機溶媒Ｓを所望の温度に加熱できる。
また、加熱手段８３として例えばアルミナ基板に高温耐熱性を持つ白金系抵抗体を取りつけアルミナシートで絶縁等したいわゆるマイクロセラミックヒーターを用いても良い。
また、温度検出手段８５と温度制御手段８６を周知のサーミスタが兼用する構成としても良い。
また、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１４に上記第二の実施の形態で示した電場印加手段８０を付加してもよい。この場合、合成高分子鎖一本の温度変化に伴う電場応答性を観測することが可能になる。
【００３１】
[第四の実施の形態]
次に、本発明の高速走査型プローブ顕微鏡の第四の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成となる箇所については同一符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、本実施の形態の高速原子間力顕微鏡１５は、上記第一の実施の形態の高速原子間力顕微鏡１０に蒸発防止手段８７を付加したものである。
蒸発防止手段８７は溶液セル２０の周囲を覆うことで有機溶媒Ｓの蒸発を防止するためのものであり、本実施の形態においては筒状でかつ側面に耐有機溶媒性の柔軟な蛇腹構造を持つ部材（例えば、ポリテトラフルオロエチレン製）を溶液セル２０が取りつけられているベース１１とアクチュエータ４０が取りつけられている筐体１２（図８においては図示省略）との間に架設している。これにより溶液セル２０の周囲がほぼ気密状態になり、低沸点の有機溶媒Ｓ（例えばテトラヒドロフラン）を使用する場合であっても有機溶媒Ｓが蒸発して溶液セル２０内の溶媒量が減少することを防止できる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態で説明した高速原子間力顕微鏡の測定方法としては、カンチレバー５０を振動させながら試料ＳＡに近づけ、カンチレバー５０の振幅が一定になるように測定する間欠接触法が好ましい。
また、図示は省略するが、上記各実施の形態における高速原子間力顕微鏡において、溶液セル２０の内部又は外部に電磁コイル等の周知の磁場発生装置を取り付けることで合成高分子鎖一本の磁場応答性も測定できる構成にしてもよい。
また、マイクロシリンジを用いて溶液セル２０内に各種溶液を注入することで、合成高分子鎖一本の当該溶液に対する反応性を測定できる構成にしてもよい。
また、対物レンズ６４を通して各種波長の光を試料ＳＡに照射することで、合成高分子鎖一本の当該波長の光に対する反応性を測定できる構成にしてもよい。（下記、実施例５参照）。この場合、カンチレバー５０の振幅検出用として使用しているレーザー光（通常は赤色レーザー光）以外の波長の光を使用するのが好ましい。
また、上記各実施の形態では、基板表面に分散させて固定した合成高分子鎖一本一本を観測するものとしたが、これに限らず、例えば材料として利用されている高分子フィルムなどの表面の高分子鎖一本を観測することも可能である。つまり、合成高分子鎖一本一本を分散させずにそのまま観測することもできるので、機能性高分子フィルム等の材料特性を直接観測・評価することが可能となる。
また、上記各実施の形態では溶液セル２０の有機溶媒Ｓを収容する部分の形状を平面視四角形状としたが（図３、４及び７参照）、これに限らず、例えば図９〜１１に示すように有機溶媒収容部２４の形状を半円形状にしてもよい。特に、図１１に示すように有機溶媒収容部２４の内側面に加熱手段８３を取り付ける場合には、平面視四角形状の場合と比較して有機溶媒Ｓをより均一に加熱でき、加熱効率の点で優れる。
また、溶液セル２０を平面視した場合に、カンチレバー励振用のピエゾ素子が存在する位置付近の面積（図９〜１１中の符号２５で示す範囲）をできるだけ大きくすることが好ましい。上述の通り、カンチレバー励振用のピエゾ素子を溶液セル２０の直下であってカンチレバー保持部２１の近傍に配置しているため、符号２５で示す範囲の面積を大きくすることで、ピエゾ素子の振動を確実にカンチレバー５０まで伝達することができ、振動伝達効率の点で優れるからである。
【実施例１】
【００３３】
次に、上記第二の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１３の実施例について説明する。
合成高分子としてペンダント基にかさ高い光学活性なメンチル基を有する置換フェニルアセチレンポリマー[(-)-poly(MtOCAPA);Mw=1.0x106,Mw/Mn＝3.3、図１２参照]を使用し、マイカ基板表面に高分子鎖一本一本を分散して吸着させ、有機溶媒としてノルマルオクチルベンゼンを使用し、室温下でイメージングした。カンチレバーは市販品(BL-AC10EGS, Olympus)または試作品(BL-AC7EGS,Olympus)を用いた。
今回、試料保持面の両側から電場印加手段として二つのPt/Ir電極を有機溶媒中に入れ、電場(30kV/m)を印加してイメージングしたところ、電場の印加開始から数秒後より徐々に高分子鎖一本のミクロブラウン運動の速度が増加し、その後、マイカ基板表面から脱着する現象を発見した(図１３（ａ）〜（ｃ）参照)。
これは、電圧印加によってマイカ表面の電荷密度が高まることで生じた、基板表面と高分子鎖の相互作用の低下に基づく現象と考察した。これにより、合成高分子鎖一本の運動性を電場で制御できる可能性が見出された。
以上の通り、キラルらせんπ共役高分子鎖一本の電場応答性の動態をイメージングすることができた。
【実施例２】
【００３４】
次に、上記第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０の実施例について説明する。
［キラルらせんπ共役高分子］
合成高分子としてかさ高い光学活性なコレステリル基をパラ位に有する置換フェニルアセチレンポリマー[(+)-poly(ChOCAPA)、図１４参照]を使用し、THF溶液からマイカ基板表面に高分子鎖を分散した状態で吸着させ、有機溶媒としてオルトジクロロベンゼン/ノルマルオクチルベンゼン混合溶媒中室温下でイメージングした（図１５のフレーム１〜１３参照）。
その結果、紐状構造体が観測され、そのサイズから高分子鎖一本であることが確認された。さらに、らせん粗密構造が確認され、フレーム毎にその微細構造が変化する動態が観測された。この構造動態は、らせんピッチの変化に基づくものと考察した。また、他の観測領域では、高分子鎖が糸鞠状に絡まって形成されるグロビュールとそれに相互作用する高分子鎖一本の動態が観測された（図１６のフレーム１〜３０参照）。その結果、分子運動性が高い高分子鎖の末端が分子間相互作用し易い部位であることが判明した。
【実施例３】
【００３５】
次に、上記第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０の他の実施例について説明する。
［ポリオレフィン］
合成高分子としてエチレン‐プロピレン共重合体(Mw=1.78x105,Mw/Mn＝11.7,プロピレン含有率：53wt%、図１７参照)をキシレン溶液から基板上に分散した状態で吸着させ、デカメチルテトラシロキサン中室温下でイメージングした（図１８参照）。
その結果、170nm程度の長さの紐状構造体が観測され、その動態から高分子鎖一本であると考察された。解析の結果、その高さは、ランダムコイル部位と考察されるグロビュールの箇所で約2nmであった。また、細い紐状に観測された箇所では高さは0.5nm以下であり、分子モデルに基づき、この部位は比較的伸びた状態の一本鎖であると考察された。興味深いことに、高分子鎖の両端に各々存在するグロビュール（図１８のフレーム１中の黒色矢印参照）の間で、新たにランダムコイルが形成される過程が観測され（図１８のフレーム１〜３中の白色矢印参照）、さらに、これが高分子鎖一本の内部で伝播する現象（図１８のフレーム５〜１６中の白色矢印参照）が発見された。
図１８はポリオレフィンの１分子構造の動態イメージングを達成したものであり、現時点で世界初の成果である。
【実施例４】
【００３６】
次に、上記第一の実施の形態で示した高速原子間力顕微鏡１０の他の実施例について説明する。
合成高分子としてかさ高い光学活性なコレステリル基をパラ位に有する置換フェニルアセチレンポリマー[(-)-poly(ChOCPA)、図１９参照]を使用し、THF溶液を3-アミノプロピルトリエトキシシラン(APS)で化学修飾したマイカ基板表面に高分子鎖が分散した状態で吸着させ、有機溶媒としてノルマルオクチルベンゼン中室温下でイメージングした（図２０参照）。
【００３７】
その結果、紐状構造体が観測され、そのサイズから高分子鎖一本であることが確認された。そして、キラルらせん高分子鎖一本に吸着した分子（図２０のフレーム１〜１３中の矢印参照）が高分子鎖に沿って輸送される分子モーター動態をイメージング（フレームレート：5.0fps）することに成功した。この分子輸送は100nm以上の長距離に渡り、かつ4分間以上の長時間観測された。輸送される物質の瞬間速度は、100nm/sに到達した。特に、図２０のフレーム３から６にかけて、高分子鎖が屈曲している領域においても、分子が脱着することなく高分子鎖に沿って輸送された。
図２０は合成高分子鎖一本に乗った物質がモノレール輸送されるという分子モーター機能をイメージングしたものであり、現時点で世界初の成果である。
【実施例５】
【００３８】
次に、対物レンズを通して特定波長の光を試料に照射することで、合成高分子鎖一本の当該波長の光に対する反応性を測定した実施例について説明する。
図２１Ａに、本実施例に用いたπ共役キラルらせん高分子(-)-poly(MtOCAPA)の化学構造を示す。以前、この高分子鎖が二本絡み合って右巻きの二重らせんを形成する高次構造をSTMイメージングで確認している。さらに、この高分子鎖には構造多様性が確認され、特に高分子鎖一本中にらせん粗密構造が存在することをAFMイメージングで明らかにしている。
図２１Ｂに、(-)-poly(MtOCAPA)の高分子鎖の分子モデルを示す。これは、分子軌道計算（PM5）で構造最適化された繰り返しユニット構造を結合二面角+140度でhead-to-tail結合させて作成した初期構造を分子力場計算（拡張MM3, SCIGRESS software, Fujitsu, Japan）で最適化した高分子鎖一本のモデルである。このモデルから、高分子鎖１本の幅は2.4nmであり、ペンダント基間のピッチは1.9nmである。
【００３９】
室温におけるノルマルオクチルベンゼン中マイカ基板上の高分子鎖の高速AFM像を図２１Ｃに示す。フレーム１で示した線１-２のラインプロファイル（図２１Ｄ）から分かるとおり、この高さは2nmであり、高分子鎖一本の分子モデル（図２１Ｂ）の幅の2.4nmにほぼ一致していることから、この紐状の構造体は高分子鎖一本であることが確認される。高分子鎖の直接観測によって、高分子鎖の多様な構造と柔軟な分子運動が確認出来た。この分子運動は、室温におけるノルマルオクチルベンゼン中でマイカ基板表面に部分的に吸着した高分子鎖の固液界面におけるミクロブラウン運動である。一方、高分子鎖一本の中で、殆ど動かない部分が確認されるが、これらは基板と強く物理吸着している部位であると考察される。
【００４０】
フレーム１から２０までは、405nmレーザー照射なしでイメージングした。高分子鎖は切断されることなく、ミクロブラウン運動している。このことから、短針接触が高分子鎖の動態に与える影響は無視出来ることが分かる。
次いで、フレーム２１から405nmレーザー（0.2mW,CW,円偏光）の照射を開始した。ここで、フレーム２１の上方に確認される像の乱れは、レーザー光の照射開始によって生じたものである。レーザーを照射して直ちに高分子鎖が切断され始め、時間の経過と共に高分子鎖の切断が進行している。
【００４１】
ここで、Percecらが既に、cis-Poly(phenylacetylene)の光分解について反応機構を提案している。そこで我々は、実験結果を踏まえて、このπ共役高分子鎖の光分解は、以下の五段階の機構で生じる反応と考察した。
第一段階）光励起：π共役主鎖中のπ電子が波長405nmの光子を吸収して（ε405=1,822/M/cm(inTHF),モノマー単位換算）励起一重項状態に遷移する。
第二段階）系間交差：π共役高分子鎖一本中の励起一重項のπ電子が系間交差によって励起三重項に遷移する。
第三段階）光増感：ノルマルオクチルベンゼン中に溶存する酸素分子O2の内、π共役高分子鎖中の三重項励起子と相互作用した基底三重項酸素分子O2(3Σg-)のπ*電子へ、高分子鎖中の三重項エネルギーが移動し、励起一重項酸素分子O2(1Δg)が生成する。
第四段階）付加環化：一重項酸素分子（寿命10-3s）が近傍の高分子鎖の二重結合へ[2+2]付加環化反応する。
第五段階）分子鎖切断：引き続いて生じるrearrangementで高分子鎖が切断される。生成した鎖末端の構造はケトンとアルデヒドである。
この反応機構は、高分子鎖の光分解反応前後の赤外吸収スペクトルを比較して、反応後のC=O吸収ピーク強度が反応前に比べて相対的に増加したこと、レーザー光を照射しないと反応は生じないこと、そして照射レーザー光出力を上げると反応速度が高くなったことから支持される。また光分解反応は、上記第一段階の光励起が生じなくなるまで続く。この時点で、多くは三量体程度にまで断片化されているものと分子軌道計算の結果から推測される。また、この光分解反応が蛍光観測におけるクエンチングの原因である。
【００４２】
高分子鎖一本の光分解反応の動態を解明するために、図２２Ａに示したとおり、孤立した高分子鎖一本をイメージングした。そしてついに、高分子鎖一本中の化学反応が生じる場所と時間、およびその過程を直接観測することに成功した。観測時間0sから2sまでは、405nmレーザー光を照射していない。観測されている紐状体の高さは2nmであり、分子モデルのサイズ（図２１Ｂ）とほぼ一致することから、高分子鎖一本であると考察した。加えて、観測領域内にある高分子鎖の長さは200nmであるが、これは平均重合度から算出した平均鎖長（210nm）とほぼ同じであるので、高分子鎖一本の反応を議論する観測対象として適している。そして、観測時間2.1sから、405nmレーザー光の照射を開始したところ、先ず、像の左端にある高さ3nmのグロビュールのサイズが小さくなる現象が確認され、これが光分解反応であると考察した。
【００４３】
ここで、光分解反応の進行に伴って観測される分子像が小さくなる理由は、以下のとおりと考えている。先ず、グロビュールを形成している高分子鎖が切断によって断片化する。次いで、この断片が溶媒のノルマルオクチルベンゼン分子の分子衝突によって基板表面から脱着して、溶媒中に拡散するためである。その後の光分解反応によって、高分子鎖の切断が確認された箇所とその順番を図２２Ａの上部に矢印で示してある。これらは、高分子鎖が屈曲しているまたは運動性が高い箇所である。特に、矢印３で示した箇所では、観測時間5.0sから6.0sにおいて、高分子鎖が切断されると、その分子鎖末端で連続して分解反応が生じて分子鎖が短くなって行くことが分かる。この高分子鎖長の分解速度を計測した結果、klength=16.7nm/sで短くなっていることが分かった。この速度と分子モデル(L=5.05units/nm,二面角:+140度)を元に、ポリマーの繰返し単位での分解速度を算出すると、krepeating-unit=84.3units/sであった。図２２Ｂに、全観測時間での分子像の面積の時間変化を示した。これは、観測領域におけるπ共役高分子鎖一本の平均反応速度の時間変化である。このグラフから分かる様に、レーザー光照射によって直ちに分解反応が進行している。特に重要なことは、光分解反応が段階的に進行しており、量子現象として化学反応が観測されていることである。また、この実験条件における高分子鎖一本の励起頻度は、χ=4.49x104photons/s/moleculeと計算された。つまり、高分子一本鎖のπ電子系は、レーザー光照射を開始した初期状態において、分子鎖中の励起される場所までは特定できないものの、１秒間に平均44,900回光励起されていることが算出された。
【００４４】
しかしながら、AFMで観測された光分解反応の速度は、上述のとおり、分解反応速度を計測した領域（図２２Ａ矢印３の場所。時間は5.0s-6.0s）で、繰り返し単位毎に鎖末端で順次分解反応が生じたとしても、84.3単位毎秒である。これらの値から導かれる反応量子収率は、φ=0.188%である（但し、この反応量子収率は反応初期状態の値である。励起頻度は、光分解反応の進行と共に低下する）。この反応量子収率の低さは、上述の反応機構の第二段階の三重項励起子の生成確率が低いことが主な原因と考察した。すなわち、光励起された高分子鎖のπ電子からのエネルギー移動による一重項酸素分子（1Δg状態）の生成効率が低いために、結果として、光分解反応速度が低かったと考察した。また、光励起されたπ電子の多くは、放射過程（主に蛍光）と無放射過程を経て基底状態に遷移する。
【００４５】
興味深いことに、この領域において光分解反応が生じると（矢印３）、連続して右一方向に反応が進んだ。この現象は、以下の様に考察された。分解反応で生成した鎖末端と基板の吸着力が低かったため、鎖末端の運動性が高かった。分子の運動性が高まれば一重項酸素分子との衝突確率が上がるので、結果として、この領域での反応速度が高くなり連続して反応が観測されたものと考察した。一方、反応速度に異方性（つまりhead-to-tailで反応するかtail-to-headで反応するかで反応速度が異なること）はあるのであろうか？このらせん高分子には、図２１Ｂに示すとおり、らせん主鎖に対するペンダント基の配向に構造異方性がある。この構造異方性が反応の方向性に偏りを与える可能性は考えられるが、現在のところ詳細は不明である。これについては、今後の研究で明らかになるであろう。
本実施例によって、初めてポリマー1分子の化学反応をリアルタイムで直接イメージングすることに成功した。この手法を広く活用することで、今後、ビニルポリマーを含む多くの高分子材料の表面における劣化過程を1分子レベルで動態イメージングし、高分子材料の耐久性向上に向けた機構解明に資することが出来るものと期待される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は合成高分子の一本鎖の動態の観察が可能な高速走査型プローブ顕微鏡である。合成高分子として例えばポリオレフィンの材料特性を解明可能な手段であり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４７】
Ｌ 光軸
Ｓ 有機溶媒
ＳＡ 試料
１０ 高速原子間力顕微鏡
１３ 高速原子間力顕微鏡
１４ 高速原子間力顕微鏡
１５ 高速原子間力顕微鏡
２０ 溶液セル
３０ 試料ホルダ
３１ 試料保持面
４０ アクチュエータ
５０ カンチレバー
５１ 探針
６０ 振幅検出用光学系手段
６１ 光源
６２ 光検出器
７０ フィードバックコントローラ
７１ データ収録・制御手段
７２ 処理手段
７３ 表示手段
８０ 電場印加手段
８１ 電極
８２ 電源
８３ 加熱手段
８４ 冷却手段
８５ 温度検出手段
８６ 温度制御手段
８７ 蒸発防止手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部が開放され内部に有機溶媒を収容する溶液セルと、
試料表面が下向きとなる状態で当該試料を前記有機溶媒に浸る位置で保持する試料ホルダと、
前記溶液セルの内部において前記有機溶媒に浸る位置でかつ前記試料表面に対向する位置に配置される探針と、
前記溶液セルを移動させずに前記試料ホルダを前記探針に対して移動させるアクチュエータとを備え、前記溶液セルと前記アクチュエータとが分離していることを特徴とする高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記溶液セルの内部において前記試料を挟む電極配置で電場を発生させる電場印加手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記有機溶媒を加熱する加熱手段と、前記アクチュエータを冷却する冷却手段とを兼ね備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記有機溶媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段からの検出信号に基づいて、前記有機溶媒の温度が所望の温度となるように前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記探針を有するカンチレバーの振幅を検出する振幅検出用光学系手段を備え、
前記振幅検出用光学系手段から前記カンチレバーに照射される照射光及び当該照射光による前記カンチレバーからの反射光が前記カンチレバーに対して垂直であり、
前記試料ホルダの試料保持面が撓みがない状態の前記カンチレバーに対して非平行であ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高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記試料が合成高分子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高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記溶液セルの周囲を覆うことで有機溶媒の蒸発を防止する蒸発防止手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１】
上部が開放され内部に有機溶媒を収容する溶液セルと、
試料表面が下向きとなる状態で当該試料を前記有機溶媒に浸る位置で保持する試料ホルダと、
前記溶液セルの内部において前記有機溶媒に浸る位置でかつ前記試料表面に対向する位置に配置される探針と、
前記溶液セルを移動させずに前記試料ホルダを前記探針に対して移動させるアクチュエータとを備え、前記溶液セルと前記アクチュエータとが分離していることを特徴とする高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記溶液セルの内部において前記試料を挟む電極配置で電場を発生させる電場印加手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記有機溶媒を加熱する加熱手段と、前記アクチュエータを冷却する冷却手段とを兼ね備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記有機溶媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段からの検出信号に基づいて、前記有機溶媒の温度が所望の温度となるように前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記探針を有するカンチレバーの振幅を検出する振幅検出用光学系手段を備え、
前記振幅検出用光学系手段から前記カンチレバーに照射される照射光及び当該照射光による前記カンチレバーからの反射光が前記カンチレバーに対して垂直であり、
前記試料ホルダの試料保持面が撓みがない状態の前記カンチレバーに対して非平行であ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高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記試料が合成高分子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高速走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記溶液セルの周囲を覆うことで有機溶媒の蒸発を防止する蒸発防止手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の高速走査型プローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−３２３８９（Ｐ２０１２−３２３８９Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９６１５（Ｐ２０１１−１４９６１５）
【出願日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【出願人】（３０４０２４４３０）国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 (169)
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【出願人】（３０４０２４４３０）国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 (169)
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