原子間力顕微鏡(AFM)のアサイラム リサーチ

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 AFMと組み合わせた光学テクニック                                 
 


このアプリケーションノートでは、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡の基礎について簡単に触れ、これら2つの際立ったイメージング手法の融合についての技術的課題を議論します。その設計と融合への異なるアプローチの利点と欠点についても議論します。最後に、これらの融合イメージング手法における成功アプリケーションの事例をいくつか紹介します。

はじめに
1986年、Binnig、Quate、Gerberらに発明されて以来、原子間力顕微鏡(AFM)は、物理、材料、そして生体科学における研究・調査にとって欠かせないツールとなりました。AFMはサブオングストローム(Z軸)、ナノメータ(XY軸)の分解能で、大気中または溶液中のいずれにおいても表面の形状マップをキャプチャーできるために、それらの分野で急速に受け入れられてきました。さらにピコニュートンの精度で各種のフォースを測定できることから、単一分子や分子間/内のフォース測定にもまたたく間に利用されるようになりました。従来の装置によるナノインデンテーション手法では、通常あまりにも軟らかすぎて精密に測定できないような、生きた細胞や高分子サンプルの弾性測定にも、フォース測定は広く利用されています。他の超顕微手法と比べると、AFMベースの技術の成功に不可欠であったものは、ほとんどのサンプル調整が、比較的単純で、ラベルフリーであったことです。

今日、広範囲のイメージング手法が、走査型プローブ顕微鏡(SPM)の傘下で、AFMに盛り込まれてきました。SPMは形状イメージングに加えて、幅広いサンプルにわたる、磁場、摩擦勾配、電位、キャパシタンス、電流フロー、ピエゾ応答、そして温度などを測定するために使用されてきました。ユーザーフレンドリーな装置が幅広く世に出てきたことにより、AFMがより多くの研究者たちの手元にも入ってきて、それにより、特定分野のアプリケーションの境界を押し広げただけでなく、境界領域にサイエンティストたちを集めもしました。

AFMの、ワクワクするような将来性のある成長領域は、光学顕微鏡との融合の中にありました。過去数年において開発されてきた新規の光学的手法が、従来の限界を押し広げはしましたが、光学顕微鏡の水平軸の分解能は通常光の回折限界だけでなく、顕微鏡の光学素子によって制限されています。しかしながら、多種類のラベル接合マーカーを使って化学的特異性(Chemical Specificity)を持つあるサンプルの全体イメージをとることができることから、研究者たちはダイナミックなイベント中での特定構造あるいは分子の同定ができます。サンプルの高分解能形状イメージや、フォースと弾性の両方またはそのいずれかを測定できる、AFMの性能と組み合わせた融合AFM/光学システムによって、構造と機能の関係のより完全で明確な理解を得ることができます。2つのイメージング手法が10年以上にわたって研究で使用されてきましたが、2つのデータセットから直接の相関関係を示すのには顕著な課題が存在しました。それは主に2つのデータセット間のスケールの差異によるものでした。ソフトウエアの最近の開発により、今では2つのデータセット間で直接重ね合わせたり、比較したりするためのユーザーフレンドリーで直感的なルーチンが可能になりました。更に、各種の光学手法が利用され、AFM測定と協調して、興味のあるサンプルをモディファイしたり、刺激を与えたり、またはその逆の使い方もされています。実際に、AFMを利用している研究者たちは、気付くと、AFMと光学顕微鏡を組み合わせることによりずっと強力になった、幅広く多面的な融合顕微鏡の世界に身をおいていたといった具合です。

初期の光学顕微鏡(A)はかなり単純なデバイスで、ボールレンズとサンプルを蜜蝋で固定していました。〜250倍以上が可能で、現代のAFMカンチレバー(B、スケールバー=100μm)は容易に見える十分な分解能がありました。倒立型光学顕微鏡を走査型プローブ顕微鏡に融合させることができ、光学分解能を制限しないで、トップダウン光学アクセスが可能です(C)。(Cの模式図: アサイラム社のMFP-3D-BIO AFMで、倒立型光学顕微鏡と統合されています。)





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