JP4929106B2 - 近接場ファイバープローブ、及び近接場光学顕微鏡 - Google Patents
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Description
しかしながら、一般的な光学顕微鏡は、光の波長より小さなものは、観察することができず、その分解能には限界がある。
一方、電子顕微鏡等では、分解能は大きく向上させることができるものの、大気中、あるいは溶液中での動作は極めて困難であり、電子顕微鏡等の高分解能顕微鏡は、特に生体試料を扱う分野では、必ずしも満足のゆくものではなかった。
近接場光学顕微鏡は、光ファイバーの先端を先鋭化し、該光ファイバー先端に微小開口部を持つ近接場ファイバープローブを近接場光発生のため、あるいは試料からの近接場光集光のために用いている(例えば、特許文献1参照)。
また、近接場光学顕微鏡では、近接場ファイバープローブ先端と試料表面間の距離が一定となるように試料ステージを制御しており、その制御量から試料表面の凹凸情報を得ることができる。
また、従来は、試料からの光信号を観測することができない原因も不明であった。
したがって、この種の分野では、試料等に対する汎用性の向上が強く望まれていたが、従来は、試料からの光信号を観測することができない原因も不明であったため、汎用性の向上を図ることのできる適切な技術も存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、汎用性の向上を図ることのできる近接場ファイバープローブ及び近接場光学顕微鏡を提供することにある。
このような発見の結果、本発明者らは、従来、観測が困難であった試料からの光信号を観測するためには、光ファイバーの長さを短くすることにより、光ファイバーからのバックグラウンド信号の発生そのものを減らすことが極めて有効であるとの発見に至り、本発明を完成するに至った。
なお、本発明において、前記ショートプローブの長さは7mm以下が好ましい。
ここで、前記光出射手段は、前記近接場ファイバープローブ先端に近接場光を発生するための励起光を出射する。
また、前記近接場ファイバープローブは、光ファイバーの長さをショート化したショートプローブを用いたものとする。
前記対物レンズは、前記光出射手段からの励起光を前記近接場ファイバープローブ端面に集光し、該近接場ファイバープローブ内に入れるためのものとする。
前記ホルダは、前記対物レンズと試料間の光路に前記近接場ファイバープローブが配置されるように、該近接場ファイバープローブの側部を保持する。
前記分光検出手段は、前記近接場ファイバープローブ先端に発生した近接場光と試料表面との相互作用の結果の光信号を分光検出する。
前記距離制御手段は、前記試料表面と近接場ファイバープローブ先端間の距離が一定となるように、前記試料表面と近接場ファイバープローブ先端間の距離を制御する。
ここで、前記加振手段は、前記近接場ファイバープローブ側部に設けられ、該近接場ファイバープローブを該近接場ファイバープローブの共振周波数で加振する。
また、前記シアフォース検出手段は、前記近接場ファイバープローブ先端の振動振幅を検出する。
そして、前記距離制御手段により、前記シアフォース検出手段により検出された振動振幅が一定となるように、前記試料表面と近接場ファイバープローブ先端間の距離を制御する。
ここで、前記プローブ切替手段は、前記近接場測定の際は、前記試料と対物レンズ間の光路に前記近接場ファイバープローブが横方向から挿入され、顕微測定の際は、該試料と対物レンズ間の光路から該近接場ファイバープローブが横方向から退避するように、該近接場ファイバープローブの挿入又は退避を切り替える。
そして、前記距離制御手段により、前記近接場測定の際は、前記対物レンズの焦点が前記近接場ファイバープローブ端面に位置し、前記顕微測定の際は、該対物レンズの焦点が前記試料表面に位置するように、前記試料と前記対物レンズ間の距離を、前記近接場ファイバープローブの長さ分だけ、切り替える。
なお、本発明においては、試料として、前記ダイヤモンド以外に、従来、近接場測定が極めて困難であった試料、つまり励起波長に対して蛍光波長が近い試料の近接場測定を行うことができる。
この結果、本発明においては、近接場測定性能の向上を図ることができるので、試料に対する汎用性の向上を図ることができる。
また、本発明においては、ショートプローブの長さを7mm以下とすることにより、近接場測定性能の向上を確実に図ることができるので、試料に対する汎用性の更なる向上を図ることができる。
この結果、本発明においては、近接場測定性能の向上を図ることができるので、試料に対する汎用性の向上を図ることができる。
また、本発明においては、光ファイバーをショート化した近接場ファイバープローブを用いることにより、一台で顕微測定と近接場測定とを切り替えて行うことができるので、汎用性の更なる向上を図ることができる。
図1には本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微鏡の概略構成が示されている。
なお、本実施形態では、ショートプローブの採用により、一台の近接場光学顕微鏡で顕微測定と近接場測定とを切り替えて行う例について説明する。
同図に示す近接場光学顕微鏡10は、レーザ(光出射手段)12と、近接場ファイバープローブ14と、対物レンズ16と、ホルダ18と、分光検出手段20と、加振手段22と、シアフォース検出手段24と、距離制御手段26と、コンピュータ28とを備える。
ここで、レーザ12は、近接場ファイバープローブ14の先端に、近接場光(励起光)を発生するためレーザ光30を出射する。
対物レンズ16は、レーザ12からのレーザ光30を近接場ファイバープローブ14の端面に集光し、近接場ファイバープローブ14内に入れるためのものとする。
ホルダ18は、対物レンズ16と試料32間の光路に、近接場ファイバープローブ14が配置されるように、近接場ファイバープローブ14の側部を保持する。
また、シアフォース検出手段24は、近接場ファイバープローブ14先端の振動振幅を検出する。
距離制御手段26は、シアフォース検出手段24により検出された振動振幅が一定となるように、試料ステージ36の上下動を制御している。
レーザ12からのレーザ光30は、対物レンズ16により、近接場ファイバープローブ14の端面に集光し、近接場ファイバープローブ14の内部に入り、近接場ファイバープローブ14の先端に近接場光を発生する。近接場ファイバープローブ14の先端に発生した近接場光を、試料32表面に近づけると、試料32表面では近接場光による発光(光信号34)が起こる。この光信号34を近接場ファイバープローブ14の先端から集光する。この集光された光信号34は近接場ファイバープローブ14の元の方向へと進み、対物レンズ16を介して、分光検出手段20に至り、分光検出される。この結果、コンピュータ28は、近接場光励起による、試料32のラマン発光等のスペクトル情報を得ることができる。
また、コンピュータ28は、前記近接場分光と同時に、試料32表面と近接場ファイバープローブ14先端間の距離が一定となるように、試料ステージ36の上下動を制御しており、その制御量から試料32表面の凹凸情報を得ることもできる。
ここで、本実施形態においては、従来の近接場ファイバープローブの長さに比較し、近接場ファイバープローブの長さを極端に短くしている。例えば、従来の近接場ファイバープローブは全長が約1mであった、これに対し、本実施形態においては、図2に示されるように近接場ファイバープローブ14の全長を7mmとしている。
この結果、本実施形態においては、従来の近接場ファイバープローブに比較し、近接場ファイバープローブ14自身からのバックグランド光の発生を大幅に抑制することができるので、従来、観測が困難であった、試料よりの光信号を確実に観測することができる。したがって、本実施形態においては、試料に対する汎用性の向上を図ることができる。
しかしながら、従来の近接場ファイバープローブでは、分光測定をする場合などにファイバー自身からの発光がバックグラウンド信号となり、試料からの信号に大きな影響をもたらしているのも事実であった。これは光をカップリングした際にファイバー自身が試料と化してしまうためであり、長さに比例して発光強度が増加してしまう。
このような発見に基づき、本実施形態においては、従来の近接場ファイバープローブの長さに比較し、近接場ファイバープローブの長さを極端に短くしている。
また、従来、近接場測定に必要なプレ測定を行うためには、プレ測定専用の装置を近接場光学顕微鏡とは別に用意していた。そして、これらの装置の間で、試料を移動して、プレ測定と近接場測定とを行っていた。
これに対し、本実施形態においては、ショート化した近接場ファイバープローブの採用により、一台で、顕微測定と近接場測定とを切り替えて行うことができるので、汎用性の向上を図ることができる。
プローブ切替手段42は、例えばスライドレール式であり、近接場測定の際、試料32と対物レンズ16間の光路に近接場ファイバープローブ14が横方向から挿入され、顕微測定の際、試料32と対物レンズ16間の光路から近接場ファイバープローブ14が横方向から退避するように、近接場ファイバープローブ14の挿入又は退避を切り替える。
そして、距離制御手段26、XYZ粗動ステージ38により、近接場測定の際、対物レンズ16の焦点が近接場ファイバープローブ14端面に位置し、顕微測定の際、対物レンズ16の焦点が試料32表面に位置するように、試料32と対物レンズ16間の高さ方向距離を、近接場ファイバープローブ14の長さ分だけ、切り替える。
したがって、本実施形態においては、ショート化した近接場ファイバープローブ14の採用により、顕微測定から近接場測定に切り替えることができるので、ミクロン領域からナノ領域までの測定を、一台の近接場光学顕微鏡10で実行することができる。
すなわち、試料とプローブ間距離の一定制御には、種々の制御方法があるが、シアフォース制御が代表的なものであり、シアフォース制御を考慮して、近接場測定のための構成を考える必要がある。
シアフォース制御ではプローブに加振手段を設け、プローブをプローブの共振周波数で加振している。このため、通常は、プローブ端面も振動しており、振動しているプローブ端面のコアに、対物レンズからの光を集光して入れるのは非常に困難であり、十分な光量が得られないので、近接場測定を行うため、本発明のようなショートプローブ、対物レンズの組合せは避けるのが技術常識である。
このような発見の結果、近接場測定のための対物レンズとショートプローブとの組合せの採用に至った。
これに対し、本実施形態においては、従来、振動していると考えられていた近接場ファイバープローブの端面が、実質的には振動していないことを突き止めた結果に基づき、対物レンズよりの光を近接場ファイバープローブ端面に集光して、近接場ファイバープローブ内部に入れており、カンチレバーとは光の照射の意味が違う。
(1)バックグラウンドの比較結果
図4には本実施形態にかかる近接場ファイバープローブ(7mm)を用いた場合と、従来の近接場ファイバープローブ(1m)を用いた場合とのバックグラウンドスペクトルの比較結果が示されている。
この結果、本実施形態を示す同図Iは、従来例を示す同図IIに比較し、バックグランド信号はおよそ1/100に低減した。これは、本実施形態にかかる近接場ファイバープローブにより、従来の近接場ファイバープローブではバックグラウンド信号によって試料からの信号が観測できなかったアプリケーションに対して観測できる可能性を示した。
従来、ダイヤモンドの近接場ラマンスペクトルの観測は困難であったが、図5には実際に本実施形態にかかる近接場ファイバープローブを通して観測されたダイヤモンドの近接場ラマンスペクトルが示されている。なお、同図Iは露光時間10秒の場合のダイヤモンド信号、同図IIは露光時間60秒の場合のダイヤモンド信号である。
同図より明らかなように、露光時間10秒を示す同図Iに比較し、露光時間60秒の場合を示す同図IIのように、露光時間を長くすると、ダイヤモンド信号の強度も上がった。
図6には従来の近接場ファイバープローブを用いた場合のバックグランド信号と、顕微測定で得られたダイヤモンドのラマンスペクトル信号とが示されている。
同図より明らかなように、従来の近接場ファイバープローブを用いた場合、バックグランド信号(同図I)の方が、ダイヤモンド信号(同図II)より大きいため、近接場測定ではいくら露光時間を長くしても、同図IIに示すダイヤモンド信号を観測することができない。これは、露光時間を長くすると、同図Iに示すバックグランド信号も一緒に増加してしまうためと考えられる。
図7には、本実施形態にかかる近接場ファイバープローブ及び従来の近接場ファイバープローブを用いた場合の、バックグランド信号と、顕微測定で得られたダイヤモンドのラマンスペクトル信号とが示されている。
同図より明らかなように、本実施形態でのバックグラウンド信号を示す同図Iは、従来でのバックグラウンド信号を示す同図IIに比較し、同図IIIに示すダイヤモンド信号に対して、ほぼゼロに位置している。このため、本実施形態では、露光(時間)を長くしても、バックグラウンド信号は増加しないため、前記図5に示したダイヤモンド信号を観測することができる。
(1)距離制御
なお、前記構成では、試料と近接場ファイバープローブ間の距離制御に、シアフォース制御を用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、他の距離制御、例えば近接場ファイバープローブを加振することなく、近接場光と試料表面との相互作用の結果の光の強度が一定となるように、試料と近接場ファイバープローブ間の距離を制御することもできる。
また、前記構成では、プローブ切替手段42として、スライドレール式のものを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば図8に示されるような取付機構を用いることも好ましい。なお、同図(A)は近接場ファイバープローブ14を退避する際の説明図、同図(B)は近接場ファイバープローブ14を挿入する際の説明図である。
同図に示すプローブ切替手段42は、取付機構50を含む。取付機構50は、溝部52が設けられている。取付機構50の溝部52は、磁石により、近接場ファイバープローブ14付きホルダ18の着脱を行うためのものとする。
また、同図(B)に示されるように、近接場測定の際は、取付機構50の溝部52にプローブ14付きホルダ18を、磁石によるワンタッチで、差し込むことで、レンズと試料間の光路に、近接場ファイバープローブ14を挿入することができる。
この結果、本実施形態においては、近接場ファイバープローブ14の取付時のストレス、準備時間が大幅に減少される。
前記構成では、試料として、ダイヤモンドを測定した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、従来、近接場測定が極めて困難であった試料、つまり励起波長に対して近い発光波長を持つ試料の近接場測定を行うことができる。
すなわち、従来、蛍光ビーズは、吸収波長領域と蛍光波長領域が非常に近いため、測定が困難であった。この場合、励起波長に対して蛍光波長が近いというのは、ファイバーのコアから発生するラマン信号(特にバックグランド光)の領域に試料の信号が重なることを意味する。さらに、蛍光試料は測定中に退色(フォトブリーティング)してしまうため、強励起にする事もできなかった。したがって、吸収波長領域と蛍光波長領域が非常に近い試料に関しては、励起強度を抑えた測定の中で、しかもバックグランド光の大きい領域で測定をしなければならず、余計、その測定を難しくしていた。
図9〜10には、弱励起にした上で、本実施形態のショート化近接場ファイバープローブを用いて、蛍光ビーズからの信号を捕らえた結果が示されている。
なお、図9(A)は蛍光ビーズを顕微測定して得られたポト像の結果であり、同図(B)は同図(A)に示した試料部位を近接場測定して得られた蛍光像の結果である。
また、図10(A)はシアフォース制御(SFON)時のバックグランド信号(BG)及び前記図9に示した試料部位からの信号の結果、及びシアフォース非制御(SFOFF)時のバックグランド信号の結果であり、同図(B)は、これらの差スペクトル信号である。蛍光ビーズとしては、540nm(吸収帯)/560nm(蛍光帯)を持つものを用いた。蛍光測定としては、532nm励起で560nmの蛍光スペクトルを取得した。
これらの図より明らかなように、本実施形態においては、ショート化された近接場ファイバープローブの採用により、微弱な蛍光ビーズからの信号が確実に捕らえられている。これは、近接場ファイバープローブによるバックグラウンド光がショート化のため劇的に低減したためである。
12 レーザ(光出射手段)
14 近接場ファイバープローブ
16 対物レンズ
18 ホルダ
20 分光検出手段
22 加振手段
24 シアフォース検出手段
26 距離制御手段
36 試料ステージ
38 位置補正PZT
40 粗動XYZステージ
42 プローブ切替手段
Claims (4)
- 近接場ファイバープローブ先端に発生した近接場光と試料表面との相互作用の結果の光信号を検出する近接場光学顕微鏡において、
前記近接場ファイバープローブ先端に近接場光を発生するための励起光を出射する光出射手段と、
光ファイバーの長さをショート化したショートプローブを用いた近接場ファイバープローブと、
前記光出射手段からの励起光を前記近接場ファイバープローブ端面に集光し、該近接場ファイバープローブ内に入れるための対物レンズと、
前記対物レンズと試料間の光路に前記近接場ファイバープローブが配置されるように、該近接場ファイバープローブの側部を保持するホルダと、
前記近接場ファイバープローブ先端に発生した近接場光と試料表面との相互作用の結果の光信号を分光検出する分光検出手段と、
前記試料表面と近接場ファイバープローブ先端間の距離が一定となるように、前記試料表面と近接場ファイバープローブ先端間の距離を制御する距離制御手段と、
前記近接場測定の際は、前記試料と対物レンズ間の光路に前記近接場ファイバープローブが横方向から挿入され、顕微測定の際は、該試料と対物レンズ間の光路から該近接場ファイバープローブが横方向から退避するように、該近接場ファイバープローブの挿入又は退避を切り替えるプローブ切替手段を備え、
前記距離制御手段により、前記近接場測定の際は、前記対物レンズの焦点が前記近接場ファイバープローブ端面に位置し、前記顕微測定の際は、該対物レンズの焦点が前記試料表面に位置するように、前記試料と前記対物レンズ間の距離を、前記近接場ファイバープローブの長さ分だけ、切り替えることを特徴とする近接場光学顕微鏡。 - 請求項1記載の近接場光学顕微鏡において、
前記ショートプローブの長さを7mm以下としたことを特徴とする近接場ファイバープローブ。 - 請求項1記載の近接場光学顕微鏡において、
前記近接場ファイバープローブ側部に設けられ、該近接場ファイバープローブを該近接場ファイバープローブの共振周波数で加振する加振手段と、
前記近接場ファイバープローブ先端の振動振幅を検出するシアフォース検出手段と、
を備え、前記距離制御手段は、前記シアフォース検出手段により検出された振動振幅が一定となるように、前記試料表面と近接場ファイバープローブ先端間の距離を制御することを特徴とする近接場光学顕微鏡。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の近接場光学顕微鏡において、
前記試料としてダイヤモンドを近接場測定することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
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