JP7067760B2 - Surface measurement method, ion conduction microscope and probe - Google Patents

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Description

本発明は、表面計測方法、イオン伝導顕微鏡およびプローブに関する。 The present invention relates to a surface measuring method, an ion conduction microscope and a probe.

走査型のイオン伝導顕微鏡（ＳＩＣＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、プローブを試料に対して走査し、イオン電流を計測することにより、凹凸などの試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得する顕微鏡である（例えば、特許文献１参照）。 A scanning ion conduction microscope (SIMM) scans a probe against a sample and measures the ion current to signal physical information on the surface of the sample such as unevenness or the chemical properties of the sample. It is a microscope to be acquired (see, for example, Patent Document 1).

特許文献１に記載のイオン伝導顕微鏡は、内部を電解液で満たしたガラスピペットをプローブとして、ガラスピペット外部の電解液中に配置した外部電極とピペット内に配置された内部電極の間に生じたイオン電流を信号として用いる。このイオン電流は、ガラスピペットの先端が試料に近接して遮蔽されることで変化する。イオン伝導顕微鏡は、当該イオン電流の変化を計測しながらガラスピペットまたは試料を水平方向（ＸＹ方向）と垂直方向（Ｚ方向）に走査し、試料表面の立体形状を画像化するものである。 The ion conduction microscope described in Patent Document 1 is generated between an external electrode placed in an electrolytic solution outside the glass pipette and an internal electrode placed inside the pipette, using a glass pipette whose inside is filled with an electrolytic solution as a probe. Ion current is used as a signal. This ion current changes when the tip of the glass pipette is shielded close to the sample. The ion conduction microscope scans a glass pipette or a sample in the horizontal direction (XY direction) and the vertical direction (Z direction) while measuring the change in the ion current, and images the three-dimensional shape of the sample surface.

特表２００９－５４５７３６号公報Special Table 2009-545736 Gazette

イオン伝導顕微鏡は、例えば柔らかい真核細胞などを電解液中で生きたまま立体観察するのに用いられる。したがって、イオン伝導顕微鏡は、真核細胞などの試料にダメージを与えることなく、高速かつ高い空間分解能で計測を行うことが求められる。 An ion conduction microscope is used for three-dimensional observation of soft eukaryotic cells, for example, alive in an electrolytic solution. Therefore, the ion conduction microscope is required to perform measurement at high speed and with high spatial resolution without damaging a sample such as eukaryotic cells.

上記課題に鑑み、本発明は、生理液中環境に置かれた生きた生物試料等にダメージを与えることなく、かつ、高速動作と高い空間分解能とを実現する表面計測方法、イオン伝導顕微鏡およびプローブを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention presents a surface measurement method, an ion conduction microscope and a probe that realize high-speed operation and high spatial resolution without damaging a living biological sample or the like placed in an environment in a physiological solution. The purpose is to provide.

上記の課題を解決するため、本発明にかかる表面計測方法は、イオン電流を利用して、長尺のプローブを走査しながら試料の表面形状および状態を計測する表面計測方法であって、前記プローブは、前記プローブの長尺方向と同一の方向に長尺な形状を有しかつ前記長尺方向の両端を貫通する貫通孔を有し、第１の電解液中に前記試料を配置する試料準備工程と、前記貫通孔内に、前記第１の電解液よりもイオン濃度が高い第２の電解液を充填する充填工程と、前記第１の電解液に少なくとも一部が浸された第１の電極と、前記第２の電解液に少なくとも一部が浸された第２の電極との間に、前記第１の電解液と前記第２の電解液とを介して流れるイオン電流を計測する電流計測工程と、計測された前記イオン電流に基づいて、前記プローブの高さを調整する高さ調整工程と、前記貫通孔内に前記第２の電解液が充填された前記プローブを、前記プローブの高さ方向と直交する方向に走査し、前記試料の表面形状および状態を計測する走査工程と、を含む。 In order to solve the above problems, the surface measurement method according to the present invention is a surface measurement method that measures the surface shape and state of a sample while scanning a long probe by using an ion current, and the probe. Has a long shape in the same direction as the long direction of the probe and has through holes penetrating both ends in the long direction, and prepares the sample for arranging the sample in the first electrolytic solution. A step, a filling step of filling the through hole with a second electrolytic solution having a higher ion concentration than the first electrolytic solution, and a first step of immersing at least a part of the first electrolytic solution. A current for measuring the ion current flowing between the electrode and the second electrode, which is at least partially immersed in the second electrolytic solution, through the first electrolytic solution and the second electrolytic solution. The measurement step, the height adjustment step of adjusting the height of the probe based on the measured ion current, and the probe in which the second electrolytic solution is filled in the through hole are referred to the probe. It includes a scanning step of scanning in a direction orthogonal to the height direction and measuring the surface shape and state of the sample.

これにより、電解液のイオン濃度が高い領域は、プローブの貫通孔の開口近傍にのみ存在するので、観測対象の試料の大部分は高いイオン濃度の影響を受けること無く、信号となるイオン電流変化を大きくできる。このため、高感度でイオン電流を検出し、プローブを高速で走査することができる。また、信号雑音比を向上し、高分解能で試料の表面状態を計測することができる。 As a result, since the region where the ion concentration of the electrolytic solution is high exists only in the vicinity of the opening of the through hole of the probe, most of the sample to be observed is not affected by the high ion concentration, and the ion current change that becomes a signal. Can be increased. Therefore, the ion current can be detected with high sensitivity and the probe can be scanned at high speed. In addition, the signal-to-noise ratio can be improved and the surface state of the sample can be measured with high resolution.

また、前記第２の電解液のイオン濃度は、４ｍｏｌ／ｌであり、前記第１の電解液のイオン濃度は、０．１５ｍｏｌ／ｌである。 The ion concentration of the second electrolytic solution is 4 mol / l , and the ion concentration of the first electrolytic solution is 0.15 mol / l .

これにより、第２の電解液としてイオン濃度が高い電解液を用いるので、より高速かつ高分解能で試料の表面状態を計測することができる。 As a result, since the electrolytic solution having a high ion concentration is used as the second electrolytic solution, the surface state of the sample can be measured at higher speed and with higher resolution.

また、前記プローブの前記試料に近接する側の前記貫通孔の口径は、５０ｎｍ以下であってもよい。 Further, the diameter of the through hole on the side of the probe close to the sample may be 50 nm or less.

これにより、貫通孔の口径を小さくすることにより、イオン濃度が高い領域をプローブの先端に集中させることができるので、試料が置かれた溶液の環境をほとんど変化させずに、より高分解で試料の表面状態を計測することができる。 As a result, by reducing the diameter of the through hole, the region with high ion concentration can be concentrated on the tip of the probe, so that the sample is more highly decomposed without changing the environment of the solution in which the sample is placed. The surface condition of can be measured.

また、上記の課題を解決するため、本発明にかかるイオン伝導顕微鏡は、イオン電流を利用して試料の表面形状および状態を計測するイオン伝導顕微鏡であって、前記試料を第１の電解液に浸された状態で保持するステージと、長尺な形状を有し、長尺方向の両端を貫通する貫通孔内に前記第１の電解液よりもイオン濃度が高い第２の電解液が充填されたプローブと、前記第１の電解液に少なくとも一部が浸された第１の電極と、前記第２の電解液に少なくとも一部が浸された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続され、前記第１の電解液と前記第２の電解液とを介して前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れるイオン電流を検出する検出部と、前記プローブを、少なくとも前記プローブの高さ方向に移動させる駆動部と、前記検出部で検出された前記イオン電流に基づいて前記駆動部を制御することにより、前記プローブの高さを調整する制御部とを備える。 Further, in order to solve the above problems, the ion conduction microscope according to the present invention is an ion conduction microscope that measures the surface shape and state of a sample by using an ion current, and the sample is used as a first electrolytic solution. A second electrolytic solution having a long shape and a through hole penetrating both ends in the long direction is filled with a second electrolytic solution having a higher ion concentration than the first electrolytic solution. The probe, the first electrode partially immersed in the first electrolytic solution, the second electrode partially immersed in the second electrolytic solution, and the first electrode. A detection unit connected to the second electrode and detecting an ionic current flowing between the first electrode and the second electrode via the first electrolytic solution and the second electrolytic solution. The height of the probe is adjusted by controlling the drive unit that moves the probe at least in the height direction of the probe and the drive unit based on the ion current detected by the detection unit. It is equipped with a control unit.

これにより、電解液のイオン濃度が高い領域は、プローブの貫通孔の開口近傍にのみ存在するので、高いイオン濃度の電解液により、試料が置かれた溶液の環境をほとんど変化させずに、イオン電流を大きくすることができる。また、高感度でイオン電流を検出し、プローブを高速で走査することができる。また、信号雑音比を向上し、高分解能で試料の表面状態を計測することができる。 As a result, the region where the ion concentration of the electrolytic solution is high exists only in the vicinity of the opening of the through hole of the probe, so that the electrolytic solution having a high ion concentration hardly changes the environment of the solution in which the sample is placed. The current can be increased. In addition, the ion current can be detected with high sensitivity and the probe can be scanned at high speed. In addition, the signal-to-noise ratio can be improved and the surface state of the sample can be measured with high resolution.

また、上記の課題を解決するため、本発明にかかるプローブは、長尺な形状を有し、長尺方向の両端を貫通する貫通孔を有するピペットと、前記貫通孔内に充填された、前記ピペットの外側に配置される第１の電解液よりもイオン濃度が高い第２の電解液とを備える。 Further, in order to solve the above-mentioned problems, the probe according to the present invention has a long shape, a pipette having through holes penetrating both ends in the long direction, and a pipette filled in the through holes. It includes a second electrolyte having a higher ion concentration than the first electrolyte placed on the outside of the pipette.

これにより、当該プローブを用いることにより、イオン伝導顕微鏡において、試料が置かれた溶液の環境をほとんど変化させずに、かつ、高速動作と高い空間分解能とを実現することができる。 As a result, by using the probe, high-speed operation and high spatial resolution can be realized in an ion conduction microscope with almost no change in the environment of the solution in which the sample is placed.

また、少なくとも前記貫通孔の内壁の表面は、被覆層で覆われていてもよい。 Further, at least the surface of the inner wall of the through hole may be covered with a coating layer.

これにより、貫通孔の口径をより小さくすることができるので、イオン伝導顕微鏡において、高いイオン濃度の電解液が貫通孔内から試料が置かれた領域に拡散するのを抑制しすることができる。よって、試料が置かれた環境が変化するのをより抑制することができる。 As a result, the diameter of the through hole can be made smaller, so that it is possible to suppress the diffusion of the electrolytic solution having a high ion concentration from the inside of the through hole to the region where the sample is placed in the ion conduction microscope. Therefore, it is possible to further suppress changes in the environment in which the sample is placed.

本発明により、生きた生物試料等が置かれた溶液の環境をほとんど変化させずに、かつ、高速動作と高い空間分解能とを実現する表面計測方法、イオン伝導顕微鏡およびプローブを提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a surface measurement method, an ion conduction microscope and a probe that realize high-speed operation and high spatial resolution without changing the environment of a solution in which a living biological sample or the like is placed. ..

実施の形態にかかるイオン伝導顕微鏡の概略構成図Schematic block diagram of an ion conduction microscope according to an embodiment 実施の形態にかかるプローブの先端と試料との距離に対するイオン電流を示す模式図Schematic diagram showing the ion current with respect to the distance between the tip of the probe and the sample according to the embodiment. 実施の形態にかかるイオン伝導顕微鏡における計測手順を示すフローチャートA flowchart showing a measurement procedure in an ion conduction microscope according to an embodiment. 実施の形態にかかるプローブ内外の電解液のイオン濃度分布を示す図The figure which shows the ion concentration distribution of the electrolytic solution inside and outside the probe which concerns on embodiment. 実施の形態にかかるプローブ内外の電解液のイオン濃度に対する正規化伝導度を示す図The figure which shows the normalized conductivity with respect to the ion concentration of the electrolytic solution inside and outside the probe which concerns on embodiment. 実施の形態および比較例にかかるプローブの応答時間と感度とを示す図The figure which shows the response time and sensitivity of the probe which concerns on Embodiment and a comparative example. 実施の形態および比較例にかかるプローブの、試料からの高さに対するイオン電流との関係を示す図The figure which shows the relationship with the ion current with respect to the height from a sample of the probe which concerns on embodiment and a comparative example. 実施の形態および比較例にかかるプローブの、電源電圧に対する信号雑音比を示す図The figure which shows the signal-to-noise ratio with respect to the power supply voltage of the probe which concerns on embodiment and a comparative example.

以下、図面を用いて、本発明にかかる実施の形態について説明する。なお、図面において、同一の符号が付された構成要素は、同一または同種の構成要素を示す。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the components with the same reference numerals indicate the same or the same type of components.

また、以下で説明する実施の形態は、本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、接続形態、ステップおよびステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。 Moreover, the embodiment described below shows a preferable specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions of components, connection modes, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. Further, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention will be described as arbitrary components constituting the more desirable form.

（実施の形態）
走査型のイオン伝導顕微鏡は、内部を電解液で満たしたガラスピペットをプローブとして、ガラスピペットの外部の電解液中に配置された電極とガラスピペットの内部に配置された電極との間に生じるイオン電流を計測する顕微鏡である。このイオン電流は、ガラスピペットの先端が試料に近接して遮蔽されることで変化する。イオン伝導顕微鏡は、この現象を利用しながらガラスピペットを走査して、試料表面の立体形状を画像化するものである。計測対象である試料は、柔らかい生きた真核細胞などである。イオン伝導顕微鏡は、電解液中の真核細胞などを生きたまま立体観察することができる。 (Embodiment)
The scanning ion conduction microscope uses a glass pipette whose inside is filled with an electrolytic solution as a probe, and ions generated between an electrode placed in the electrolytic solution outside the glass pipette and an electrode placed inside the glass pipette. It is a microscope that measures current. This ion current changes when the tip of the glass pipette is shielded close to the sample. The ion conduction microscope uses this phenomenon to scan a glass pipette to image the three-dimensional shape of the sample surface. The sample to be measured is a soft living eukaryotic cell or the like. The ion conduction microscope can observe eukaryotic cells and the like in the electrolytic solution alive.

［１．イオン伝導顕微鏡の構成］
はじめに、本実施の形態に係るイオン伝導顕微鏡１の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかるイオン伝導顕微鏡１の概略構成図である。 [1. Configuration of ion conduction microscope]
First, the configuration of the ion conduction microscope 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ion conduction microscope 1 according to the present embodiment.

図１に示すように、本実施の形態にかかるイオン伝導顕微鏡１は、試料を保持するステージ１０と、プローブ１１と、駆動部１２と、検出部１３と、制御部１４と、表示部１５と、電源１６とを備えている。 As shown in FIG. 1, the ion conduction microscope 1 according to the present embodiment includes a stage 10 for holding a sample, a probe 11, a drive unit 12, a detection unit 13, a control unit 14, and a display unit 15. , The power supply 16 is provided.

ステージ１０は、底面と側面を有する箱状の形状を有している。ステージ１０の内部には、電解液２０が充填されている。本実施の形態において、電解液２０は第１の電解液である。電解液２０は、例えば、生理溶液成分である塩化ナトリウムまたは塩化カリウムである。電解液２０のイオン濃度は、例えば一般的な生理溶液の濃度である０．１５ｍｏｌ／ｌである。ステージ１０の内部の底面には、試料３０が電解液２０に浸された状態で保持されている。また、ステージ１０の内部には、電極１８が配置されている。本実施の形態において、電極１８は第１の電極である。電極１８は、少なくとも一部が電解液２０に浸された状態で配置されている。なお、電解液２０の種類および濃度は、上述したものに限らず変更してもよい。 The stage 10 has a box-like shape having a bottom surface and side surfaces. The inside of the stage 10 is filled with the electrolytic solution 20. In the present embodiment, the electrolytic solution 20 is the first electrolytic solution. The electrolytic solution 20 is, for example, sodium chloride or potassium chloride which is a component of a physiological solution. The ion concentration of the electrolytic solution 20 is, for example, 0.15 mol / l, which is the concentration of a general physiological solution. The sample 30 is held in a state of being immersed in the electrolytic solution 20 on the bottom surface inside the stage 10. Further, an electrode 18 is arranged inside the stage 10. In this embodiment, the electrode 18 is the first electrode. The electrode 18 is arranged in a state where at least a part thereof is immersed in the electrolytic solution 20. The type and concentration of the electrolytic solution 20 are not limited to those described above, and may be changed.

プローブ１１は、ピペット１１ａと、ピペット１１ａの内部に充填された電解液２２とを有している。プローブ１１の少なくとも一部は、試料３０の計測の際に、ステージ１０に収容された電解液２０の中に浸される。すなわち、ピペット１１ａの外側の少なくとも一部には、電解液２０が配置されることになる。また、ピペット１１ａの内部には、電解液２２に少なくとも一部が浸された電極１１ｂが配置されている。本実施の形態において、電極１１ｂは第２の電極である。 The probe 11 has a pipette 11a and an electrolytic solution 22 filled inside the pipette 11a. At least a part of the probe 11 is immersed in the electrolytic solution 20 contained in the stage 10 when measuring the sample 30. That is, the electrolytic solution 20 is arranged on at least a part of the outside of the pipette 11a. Further, inside the pipette 11a, an electrode 11b in which at least a part thereof is immersed in the electrolytic solution 22 is arranged. In this embodiment, the electrode 11b is a second electrode.

ピペット１１ａは、例えば長尺な形状を有するガラスで構成され、長尺方向の両端を貫通する貫通孔を有している。ピペット１１ａにおいて、試料３０に近接する一端側の端面における貫通孔の口径は、他端側における貫通孔の口径よりも小さくなっている。試料３０に近接する一端側の端面における貫通孔の口径は、例えば２０ｎｍである。なお、当該一端側の端面における貫通孔の口径は、２０ｎｍに限らず、例えば５０ｎｍ以下であればよい。 The pipette 11a is made of, for example, glass having an elongated shape, and has through holes penetrating both ends in the elongated direction. In the pipette 11a, the diameter of the through hole on the end surface on one end side close to the sample 30 is smaller than the diameter of the through hole on the other end side. The diameter of the through hole on the end face on one end side close to the sample 30 is, for example, 20 nm. The diameter of the through hole on the end surface on one end side is not limited to 20 nm, and may be, for example, 50 nm or less.

なお、ピペット１１ａの貫通孔の内壁の表面は、被覆層（図示せず）で覆われていてもよい。これにより、貫通孔の口径をより小さくすることができる。したがって、イオン伝導顕微鏡において、高いイオン濃度の電解液が貫通孔内から試料が置かれた領域に拡散するのを抑制し、試料が置かれた環境が変化するのをより抑制することができる。被覆層は、例えば、絶縁体であるアルミナで構成されている。なお、被覆層は、アルミナに限らず、計測試料、電解液および貫通孔の口径に応じて、有機物、無機物、それらの複合材料で構成されていても良い。また、被覆層金属、絶縁体、半導体など、どんな電気的特性を有していても良い。 The surface of the inner wall of the through hole of the pipette 11a may be covered with a coating layer (not shown). As a result, the diameter of the through hole can be made smaller. Therefore, in the ion conduction microscope, it is possible to suppress the diffusion of the electrolytic solution having a high ion concentration from the inside of the through hole to the region where the sample is placed, and further suppress the change in the environment in which the sample is placed. The coating layer is made of, for example, alumina which is an insulator. The coating layer is not limited to alumina, and may be composed of an organic substance, an inorganic substance, or a composite material thereof, depending on the measurement sample, the electrolytic solution, and the diameter of the through hole. Further, it may have any electrical characteristics such as a coating layer metal, an insulator, and a semiconductor.

電解液２２は、上述した電解液２０と同様、例えば、生理溶液成分である塩化ナトリウムまたは塩化カリウムである。本実施の形態において、電解液２２は第２の電解液である。電解液２２のイオン濃度は、電解液２０よりも高い。電解液２２のイオン濃度は、例えば電解液２２の室温付近における飽和濃度程度である４ｍｏｌ／ｌである。なお、電解液２２の種類および濃度は、上述したものに限らず変更してもよい。 The electrolytic solution 22 is, for example, sodium chloride or potassium chloride which is a physiological solution component, similar to the electrolytic solution 20 described above. In the present embodiment, the electrolytic solution 22 is a second electrolytic solution. The ion concentration of the electrolytic solution 22 is higher than that of the electrolytic solution 20. The ion concentration of the electrolytic solution 22 is, for example, 4 mol / l, which is about the saturation concentration of the electrolytic solution 22 near room temperature. The type and concentration of the electrolytic solution 22 are not limited to those described above, and may be changed.

電極１１ｂは、例えば銀／塩化銀電極等で構成されている。電極１１ｂは、ピペット１１ａの内部において、少なくとも一部が電解液２２に浸されるように配置されている。電極１１ｂは、後述する検出部１３、電源１６および電極１８と電気的に接続されている。これにより、ピペット１１ａの外部の電解液２０中に配置された電極１８とピペット１１ａの内部に配置された電極１１ｂとの間には、イオン電流が生じる。このイオン電流は、ピペット１１ａの先端が試料３０に近接することで変化する。 The electrode 11b is composed of, for example, a silver / silver chloride electrode or the like. The electrode 11b is arranged inside the pipette 11a so that at least a part thereof is immersed in the electrolytic solution 22. The electrode 11b is electrically connected to the detection unit 13, the power supply 16, and the electrode 18, which will be described later. As a result, an ionic current is generated between the electrode 18 arranged in the electrolytic solution 20 outside the pipette 11a and the electrode 11b arranged inside the pipette 11a. This ionic current changes as the tip of the pipette 11a approaches the sample 30.

プローブ１１をステージ１０に収容された電解液２０の中に配置した場合、プローブ１１の貫通孔の口径が小さければ、プローブ１１の先端では安定したイオン濃度勾配が形成され、時間に依存しない定常電流が得られる。そのため、ステージ１０に収容された電解液２０をマクロにみたときには、試料３０が配置された領域近傍の電解液２０のイオン濃度は変化していない。 When the probe 11 is placed in the electrolytic solution 20 housed in the stage 10, if the diameter of the through hole of the probe 11 is small, a stable ion concentration gradient is formed at the tip of the probe 11, and a steady-state current independent of time. Is obtained. Therefore, when the electrolytic solution 20 housed in the stage 10 is viewed macroscopically, the ion concentration of the electrolytic solution 20 in the vicinity of the region where the sample 30 is arranged does not change.

ここで、プローブ１１の貫通孔の内部に充填された電解液２２のイオン濃度が高いほど、電極１１ｂと電極１８との間の抵抗は減少するため、電解液２２のイオン濃度が低い場合と比べて、電極１１ｂと電極１８にある一定電圧を印加した際に、電極１１ｂと電極１８との間に流れるイオン電流は増加する。例えば、生理溶液成分である塩化カリウムを電解液２０および２２として用いた場合では、プローブ１１の貫通孔内に充填される電解液２２のイオン濃度を電解液２０と同等とした場合と比較して、最大で８倍程度のイオン電流の増加が生じる。したがって、電解液２２のイオン濃度を電解液２０のイオン濃度よりも高くすることにより、電極１１ｂと電極１８にある一定電圧を印加した際に、イオン電流を高い信号雑音比で得ることができる。 Here, as the ion concentration of the electrolytic solution 22 filled in the through hole of the probe 11 increases, the resistance between the electrode 11b and the electrode 18 decreases, so that the ion concentration of the electrolytic solution 22 decreases as compared with the case where the ion concentration of the electrolytic solution 22 is low. When a constant voltage is applied to the electrode 11b and the electrode 18, the ionic current flowing between the electrode 11b and the electrode 18 increases. For example, when potassium chloride, which is a component of a physiological solution, is used as the electrolytic solutions 20 and 22, the ion concentration of the electrolytic solution 22 filled in the through hole of the probe 11 is the same as that of the electrolytic solution 20. , The ion current increases up to about 8 times. Therefore, by making the ion concentration of the electrolytic solution 22 higher than the ion concentration of the electrolytic solution 20, when a constant voltage is applied to the electrodes 11b and 18, the ion current can be obtained with a high signal-to-noise ratio.

図２は、本実施の形態にかかるプローブ１１の先端と試料３０との距離に対するイオン電流を示す模式図である。なお、プローブ１１の先端とは、プローブ１１の、試料３０に近接する一端のことをいう。 FIG. 2 is a schematic diagram showing an ion current with respect to the distance between the tip of the probe 11 and the sample 30 according to the present embodiment. The tip of the probe 11 means one end of the probe 11 close to the sample 30.

図２に示すように、プローブ１１では、試料３０に近接する一端側の端面（先端）と試料３０との間の距離を大きくするにつれてイオン電流が変化し、所定の距離を超えると、イオン電流はほとんど変化しなくなる。そこで、このほとんど変化しなくなるイオン電流値からの所定の変化の値Ｉ１であるに場合におけるプローブ１１の先端と試料３０との距離Ｄ１をセットポイントとする。そして、セットポイントにおけるイオン電流変化の値Ｉ１以上のイオン電流が流れる場合を非接触状態、セットポイントにおけるイオン電流変化の値Ｉ１より小さいイオン電流が流れる場合を接触状態としている。ここで、セットポイントにおけるイオン電流の値Ｉ１とは、例えば、図２に示すように、飽和したイオン電流との差分Δが、飽和したイオン電流の大きさの１％小さい（－１％）イオン電流の値としてもよい。なお、プローブ１１の特徴の詳細については、後述する。 As shown in FIG. 2, in the probe 11, the ion current changes as the distance between the end face (tip) on one end side close to the sample 30 and the sample 30 increases, and when the distance exceeds a predetermined distance, the ion current changes. Is almost unchanged. Therefore, the distance D 1 between the tip of the probe 11 and the sample 30 in the case where the value I 1 of a predetermined change from the ion current value that hardly changes is set as a set point. The non-contact state is when an ion current of the ion current change value I 1 or more at the set point flows, and the contact state is when an ion current smaller than the ion current change value I 1 at the set point flows. Here, the value I 1 of the ion current at the set point is, for example, as shown in FIG. 2, the difference Δ from the saturated ion current is 1% smaller (-1%) than the magnitude of the saturated ion current. It may be the value of the ion current. The details of the features of the probe 11 will be described later.

駆動部１２は、プローブ１１をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる走査機構である。駆動部１２は、例えばピエゾアクチュエータで構成されている。駆動部１２は、制御部１４から印加される電圧信号に基づいて、プローブ１１をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる。なお、駆動部１２は、プローブ１１をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向にそれぞれ移動させる駆動部を別々に有していてもよい。また、駆動部１２は、プローブ１１のみに設けられた構成でなくてもよい。例えば、駆動部１２は、ステージ１０に設けられ、ステージ１０をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる構成であってもよい。また、例えばステージ１０にＸ方向およびＹ方向に移動させる駆動部を設け、プローブ１１にＺ方向に移動させる駆動部を設けるなど、複数の駆動部を設ける構成であってもよい。すなわち、駆動部１２は、プローブ１１とステージ１０とを相対的に走査させる構成であればよい。 The drive unit 12 is a scanning mechanism that moves the probe 11 in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The drive unit 12 is composed of, for example, a piezo actuator. The drive unit 12 moves the probe 11 in the X direction, the Y direction, and the Z direction based on the voltage signal applied from the control unit 14. The drive unit 12 may separately have a drive unit that moves the probe 11 in the X direction, the Y direction, and the Z direction, respectively. Further, the drive unit 12 does not have to be configured only in the probe 11. For example, the drive unit 12 may be provided on the stage 10 and may be configured to move the stage 10 in the X direction, the Y direction, and the Z direction. Further, a plurality of drive units may be provided, for example, the stage 10 may be provided with a drive unit for moving in the X and Y directions, and the probe 11 may be provided with a drive unit for moving in the Z direction. That is, the drive unit 12 may have a configuration in which the probe 11 and the stage 10 are relatively scanned.

検出部１３は、例えば電流計である。検出部１３、電源１６、電極１１ｂおよび電極１８は電解液２０および２２を介して電気的に接続されているため、電源１６により電圧が印加されると、電極１１ｂと電極１８との間には電解液２０および２２を介してイオン電流が流れる。検出部１３は、このイオン電流を検出する。 The detection unit 13 is, for example, an ammeter. Since the detection unit 13, the power supply 16, the electrode 11b and the electrode 18 are electrically connected via the electrolytic solutions 20 and 22, when a voltage is applied by the power supply 16, the electrode 11b and the electrode 18 are separated from each other. An ionic current flows through the electrolytes 20 and 22. The detection unit 13 detects this ion current.

制御部１４は、上述した駆動部１２に電圧信号を印加することにより、プローブ１１をステージ１０に対して相対的に走査させる。制御部１４は、検出部１３で計測されたイオン電流に基づいて、ステージ１０に保持された試料３０とプローブ１１との距離を調整する。具体的には、制御部１４は、駆動部１２を制御して、試料３０とプローブ１１とが所定の距離を維持するようにプローブ１１のＺ方向の高さを調整しながら、プローブ１１をＺ方向に直交するＸ方向およびＹ方向に移動させる。 The control unit 14 scans the probe 11 relative to the stage 10 by applying a voltage signal to the drive unit 12 described above. The control unit 14 adjusts the distance between the sample 30 held in the stage 10 and the probe 11 based on the ion current measured by the detection unit 13. Specifically, the control unit 14 controls the drive unit 12 to adjust the height of the probe 11 in the Z direction so that the sample 30 and the probe 11 maintain a predetermined distance, and Z the probe 11 Move in the X and Y directions orthogonal to the direction.

これにより、例えば、プローブ１１はＸ方向に１ピクセル移動し、当該ピクセルにおいて１０μｓｅｃ静止してイオン電流を検出し、当該イオン電流に基づいてプローブ１１の高さが調整される。そして、順次この動作が繰り返され、一画面分の走査が行われる。このとき、プローブ１１のＸ方向およびＹ方向の位置も、ＸＹＺ座標として検出される。なお、一画面とは、５０×５０ピクセルの画面としてもよい。５０×５０ピクセルの一画面分の計測に要する時間は、例えば１ｓｅｃである。なお、一画面は５０×５０ピクセルに限らず、１００×１００ピクセルとしてもよい。 As a result, for example, the probe 11 moves one pixel in the X direction, rests for 10 μsec at the pixel, detects an ion current, and adjusts the height of the probe 11 based on the ion current. Then, this operation is sequentially repeated, and scanning for one screen is performed. At this time, the positions of the probe 11 in the X direction and the Y direction are also detected as XYZ coordinates. In addition, one screen may be a screen of 50 × 50 pixels. The time required for the measurement of one screen of 50 × 50 pixels is, for example, 1 sec. The screen is not limited to 50 × 50 pixels, but may be 100 × 100 pixels.

また、制御部１４は、ステージ１０に対するプローブ１１のＸＹＺ方向の相対的な移動距離を表示部１５に表示させる制御を行う。具体的には、制御部１４は、後述する表示部１５に、ステージ１０に対するプローブ１１のＸＹＺ方向の相対的な移動距離またはＸＹＺ座標を伝達し、各座標におけるイオン電流を二次元または三次元的に表示させてもよい。 Further, the control unit 14 controls the display unit 15 to display the relative movement distance of the probe 11 in the XYZ direction with respect to the stage 10. Specifically, the control unit 14 transmits the relative movement distance or XYZ coordinates of the probe 11 in the XYZ direction with respect to the stage 10 to the display unit 15 described later, and causes the ion current at each coordinate to be two-dimensional or three-dimensional. It may be displayed in.

表示部１５は、制御部１４から伝達されたＸＹＺ座標に基づいて、試料３０の表面状態、形状および動きなどを表示するモニターである。 The display unit 15 is a monitor that displays the surface state, shape, movement, and the like of the sample 30 based on the XYZ coordinates transmitted from the control unit 14.

以上の構成により、イオン伝導顕微鏡１において、試料３０を載置したステージ１０とプローブ１１とを相対的にＸＹＺ方向に走査することにより、試料３０の表面状態、形状および動作などの情報を得ることができる。このとき、検出したイオン電流に基づいてプローブ１１と試料３０との距離を制御することにより、イオン伝導顕微鏡１を安定して高速に走査することができるので、計測データを安定して高速に取得することができる。 With the above configuration, in the ion conduction microscope 1, information such as the surface state, shape, and operation of the sample 30 can be obtained by scanning the stage 10 on which the sample 30 is placed and the probe 11 relatively in the XYZ directions. Can be done. At this time, by controlling the distance between the probe 11 and the sample 30 based on the detected ion current, the ion conduction microscope 1 can be stably scanned at high speed, so that the measurement data can be acquired stably at high speed. can do.

ここで、イオン伝導顕微鏡１による試料の計測の手順について説明する。図３は、実施の形態にかかるイオン伝導顕微鏡１における計測手順を示すフローチャートである。 Here, the procedure for measuring the sample with the ion conduction microscope 1 will be described. FIG. 3 is a flowchart showing a measurement procedure in the ion conduction microscope 1 according to the embodiment.

図３に示すように、はじめに、電解液２０が収容されたステージ１０の内部の底面に試料３０を配置する（試料準備工程）（ステップＳ１１）。試料３０は、電解液２０に浸された状態である。なお、電解液２０は、試料３０をステージ１０の内部の底面に配置した後にステージ１０の内部に収容されてもよいし、あらかじめステージ１０の内部に収容されていてもよい。 As shown in FIG. 3, first, the sample 30 is placed on the bottom surface inside the stage 10 in which the electrolytic solution 20 is housed (sample preparation step) (step S11). The sample 30 is in a state of being immersed in the electrolytic solution 20. The electrolytic solution 20 may be housed inside the stage 10 after the sample 30 is placed on the bottom surface inside the stage 10, or may be housed inside the stage 10 in advance.

次に、プローブ１１の貫通孔の内部に、電解液２２を充填する（充填工程）（ステップＳ１２）。電解液２２は、例えば試料３０に近接する先端と反対側、すなわち、貫通孔の口径の大きい側から貫通孔の内部に充填してもよい。また、電解液２２を充填した後、プローブ１１の貫通孔の内部に、少なくとも一部が電解液２２に浸されるように電極１１ｂを配置する。 Next, the inside of the through hole of the probe 11 is filled with the electrolytic solution 22 (filling step) (step S12). The electrolytic solution 22 may be filled inside the through hole from, for example, the side opposite to the tip close to the sample 30, that is, the side having a large diameter of the through hole. Further, after filling the electrolytic solution 22, the electrode 11b is arranged inside the through hole of the probe 11 so that at least a part of the electrode 11b is immersed in the electrolytic solution 22.

なお、試料３０をステージ１０に配置する試料準備工程と、プローブ１１の貫通孔内に電解液２２を充填する充填工程とは、いずれを先に行ってもよいし、同時に行ってもよい。 The sample preparation step of arranging the sample 30 on the stage 10 and the filling step of filling the through hole of the probe 11 with the electrolytic solution 22 may be performed first or simultaneously.

次に、電極１１ｂと電極１８との間に生じるイオン電流を検出部１３により検出する（電流計測工程）。そして、検出されたイオン電流の大きさに基づいて、試料３０に対するプローブ１１の高さを調整する（高さ調整工程）（ステップＳ１３）。さらに、試料３０とプローブ１１との距離を所定の距離に維持するように制御を行いながら、プローブ１１をＸ方向およびＹ方向に走査する（走査工程）。そして、ピクセルごと（または、所定時間ごと）のＸＹＺ座標を計測する（ステップＳ１４）。さらに、計測したＸＹＺ座標を表示部１５に表示させる（ステップＳ１５）。このときの表示は、プローブ１１の走査を行いながら順次行ってもよい。このようにして、イオン伝導顕微鏡１により、試料３０の表面状態を計測することができる。 Next, the detection unit 13 detects the ionic current generated between the electrode 11b and the electrode 18 (current measurement step). Then, the height of the probe 11 with respect to the sample 30 is adjusted based on the magnitude of the detected ion current (height adjustment step) (step S13). Further, the probe 11 is scanned in the X direction and the Y direction while controlling the distance between the sample 30 and the probe 11 to be maintained at a predetermined distance (scanning step). Then, the XYZ coordinates are measured for each pixel (or every predetermined time) (step S14). Further, the measured XYZ coordinates are displayed on the display unit 15 (step S15). The display at this time may be sequentially performed while scanning the probe 11. In this way, the surface state of the sample 30 can be measured by the ion conduction microscope 1.

［２．プローブの構成］
ここで、プローブの構成について詳細に説明する。図４は、実施の形態にかかるプローブ１１の内外の電解液２０および２２のイオン濃度分布を示す図である。図４において、（ａ）はプローブ１１の先端における貫通孔の開口からの正規化距離と、電解液２０および２２のイオン濃度およびイオン濃度の微分値を一次元的に示している。また、図４において、（ｂ）はプローブ１１の先端における貫通孔の開口の中心からの正規化距離と、電解液２０および２２のイオン濃度を二次元的に示している。図４の（ａ）は、図４の（ｂ）に示す、貫通孔の開口の中心をプローブ１１の長尺方向に通る矢印の位置における電解液２２のイオン濃度を示している。また、図４の（ａ）に示す破線はイオン濃度、実線はイオン濃度の微分値を示している。なお、正規化距離とは、プローブ１１の先端における貫通孔の口径を１としたときの距離である。 [2. Probe configuration]
Here, the configuration of the probe will be described in detail. FIG. 4 is a diagram showing the ion concentration distributions of the electrolytic solutions 20 and 22 inside and outside the probe 11 according to the embodiment. In FIG. 4, (a) shows one-dimensionally the normalized distance from the opening of the through hole at the tip of the probe 11, the ion concentration of the electrolytic solutions 20 and 22, and the differential value of the ion concentration. Further, in FIG. 4, (b) two-dimensionally shows the normalized distance from the center of the opening of the through hole at the tip of the probe 11 and the ion concentration of the electrolytic solutions 20 and 22. FIG. 4A shows the ion concentration of the electrolytic solution 22 at the position of the arrow passing through the center of the opening of the through hole in the longitudinal direction of the probe 11 as shown in FIG. 4B. Further, the broken line shown in FIG. 4A shows the ion concentration, and the solid line shows the differential value of the ion concentration. The normalized distance is a distance when the diameter of the through hole at the tip of the probe 11 is 1.

図４の（ａ）に破線で示すように、プローブ１１の外には電解液２０が配置されているため、電解液のイオン濃度は０．１５ｍｏｌ／ｌが示されている。一方、プローブ１１の貫通孔の内部には電解液２２が充填されているため、電解液のイオン濃度は貫通孔の開口から貫通孔の内部に行くにつれて４ｍｏｌ／ｌに近づくように高くなっている。また、図４の（ａ）に実線で示すように、イオン濃度の微分値を見ると、プローブ１１の外側では、貫通孔の開口に近づくにつれてイオン濃度の変化量が大きくなり、プローブ１１の貫通孔の内部では、貫通孔の開口から離れるにつれてイオン濃度の変化量は小さくなっている。つまり、プローブ１１の貫通孔の開口付近、特に、プローブ１１の外側において貫通孔の開口付近にイオン濃度の高い領域が存在していることがわかる。ここで、例えば、貫通孔の中心からプローブ１１の外側に正規化距離が５離れた位置（図４の（ａ）に示す正規化距離が－５の位置）では、電解液のイオン濃度は０．１５ｍｏｌ／ｌを示している。したがって、生細胞等の生物試料の計測において、貫通孔の開口の中心から少なくとも正規化距離が５離れた位置では、イオン濃度が高い電解液により試料３０がダメージを受けることを抑制することができる。 As shown by the broken line in FIG. 4A, since the electrolytic solution 20 is arranged outside the probe 11, the ion concentration of the electrolytic solution is shown to be 0.15 mol / l. On the other hand, since the electrolytic solution 22 is filled in the through hole of the probe 11, the ion concentration of the electrolytic solution increases so as to approach 4 mol / l from the opening of the through hole to the inside of the through hole. .. Further, as shown by the solid line in FIG. 4A, when looking at the differential value of the ion concentration, the amount of change in the ion concentration increases as the vicinity of the opening of the through hole increases outside the probe 11, and the probe 11 penetrates. Inside the hole, the amount of change in ion concentration decreases as the distance from the opening of the through hole increases. That is, it can be seen that a region having a high ion concentration exists in the vicinity of the opening of the through hole of the probe 11, particularly in the vicinity of the opening of the through hole on the outside of the probe 11. Here, for example, at a position where the normalization distance is 5 away from the center of the through hole to the outside of the probe 11 (the position where the normalization distance is −5 shown in FIG. 4A), the ion concentration of the electrolytic solution is 0. It shows .15 mol / l. Therefore, in the measurement of a biological sample such as a living cell, it is possible to prevent the sample 30 from being damaged by the electrolytic solution having a high ion concentration at a position where the normalization distance is at least 5 away from the center of the opening of the through hole. ..

なお、図４の（ｂ）に示すように、イオン濃度が高い領域は、プローブ１１の高さ方向だけでなく、高さ方向と直交する方向にも、高さ方向と同様に分布していることがわかる。 As shown in FIG. 4B, the regions having a high ion concentration are distributed not only in the height direction of the probe 11 but also in the direction orthogonal to the height direction in the same manner as in the height direction. You can see that.

また、図５は、実施の形態にかかるプローブ１１内外の電解液２０および２２のイオン濃度に対する正規化伝導度を示す図である。正規化伝導度とは、イオン濃度が０．１５ｍｏｌ／ｌのときの伝導度を１としたときの伝導度である。 Further, FIG. 5 is a diagram showing the normalized conductivity with respect to the ionic concentrations of the electrolytic solutions 20 and 22 inside and outside the probe 11 according to the embodiment. The normalized conductivity is the conductivity when the conductivity when the ion concentration is 0.15 mol / l is 1.

図５に示すように、正規化伝導度は、電解液のイオン濃度が高くなるにつれて急激に増加する。つまり、電解液のイオン濃度が高くなるほどイオン電流が流れやすくなる。例えば、図５では、イオン濃度が４ｍｏｌ／ｌの場合の正規化伝導度は、実験による平均値が７．５、シミュレーションによる値が７程度という結果が得られている。 As shown in FIG. 5, the normalized conductivity increases sharply as the ion concentration of the electrolytic solution increases. That is, the higher the ion concentration of the electrolytic solution, the easier it is for the ion current to flow. For example, in FIG. 5, when the ion concentration is 4 mol / l, the result is obtained that the average value by the experiment is 7.5 and the value by the simulation is about 7.

したがって、電解液のイオン濃度が高い領域は、プローブ１１の貫通孔の開口近傍にのみ存在するので、プローブ１１の貫通孔から離れた位置に配置された試料は、イオン濃度が高い電解液に接触することがなく、生物試料等の計測において、高いイオン濃度の電解液により試料がダメージを受けるのを抑制しつつ、イオン電流を大きくすることができる。これにより、試料にダメージを与えることなく、高感度でイオン電流を検出し、試料３０に対するプローブ１１の高さを素早く調整することができる。したがって、イオン伝導顕微鏡１において、プローブ１１を高速に走査することができる。 Therefore, since the region where the ion concentration of the electrolytic solution is high exists only in the vicinity of the opening of the through hole of the probe 11, the sample arranged at a position away from the through hole of the probe 11 comes into contact with the electrolytic solution having a high ion concentration. In the measurement of biological samples and the like, the ionic current can be increased while suppressing damage to the sample due to the electrolytic solution having a high ionic concentration. As a result, the ion current can be detected with high sensitivity without damaging the sample, and the height of the probe 11 with respect to the sample 30 can be quickly adjusted. Therefore, the probe 11 can be scanned at high speed in the ion conduction microscope 1.

［３．プローブの特性］
以下、上述したプローブの特性を、比較例にかかるプローブの特性と比較しながら説明する。比較例に係るプローブとは、プローブの貫通孔の内部に０．１５ｍｏｌ／ｌの電解液を充填した場合である。 [3. Probe characteristics]
Hereinafter, the characteristics of the above-mentioned probe will be described while comparing with the characteristics of the probe according to the comparative example. The probe according to the comparative example is a case where the inside of the through hole of the probe is filled with an electrolytic solution of 0.15 mol / l.

図６は、実施の形態および比較例にかかるプローブ１１の応答時間と感度とを示す図である。図６において、（ａ）はガラス基板４０からのプローブ１１の高さを示す模式図、（ｂ）はイオン電流、（ｃ）は駆動部１２の移動高さを示している。また、図６の（ｂ）では、本実施の形態に係るプローブ１１の結果を実施例として実線で示し、比較例に係るプローブ１１の結果を破線で示している。 FIG. 6 is a diagram showing the response time and sensitivity of the probe 11 according to the embodiment and the comparative example. In FIG. 6, (a) is a schematic view showing the height of the probe 11 from the glass substrate 40, (b) is an ion current, and (c) is the moving height of the drive unit 12. Further, in FIG. 6B, the result of the probe 11 according to the present embodiment is shown by a solid line as an example, and the result of the probe 11 according to a comparative example is shown by a broken line.

図６の（ｂ）および（ｃ）では、プローブ１１がガラス基板４０に対して所定の高さで移動するときの、検出部１３で検出されたイオン電流と、駆動部１２によりプローブ１１を調整した高さとを示している。図６の（ｂ）および（ｃ）では、プローブ１１の高さを２０μｓｅｃで１０ｎｍ上昇させ、１５０μｓｅｃその高さを維持した後、２０μｓｅｃで１０ｎｍ下降させた場合を示している。 In FIGS. 6B and 6C, the probe 11 is adjusted by the drive unit 12 and the ion current detected by the detection unit 13 when the probe 11 moves at a predetermined height with respect to the glass substrate 40. It shows the height of the glass. 6 (b) and 6 (c) show the case where the height of the probe 11 is increased by 10 nm at 20 μsec, maintained at the height of 150 μsec, and then decreased by 10 nm at 20 μsec.

図６の（ａ）および（ｃ）に示すように、本実施の形態に係るプローブ１１を移動させるときに、駆動部１２によりプローブ１１の高さを１０ｎｍ上昇させると、それに伴い、図６の（ｂ）に示すように、イオン電流は１ｎＡ程度増加している。これに対し、比較例に係るプローブ１１では、プローブの高さを１０ｎｍ変化させても、図６の（ｂ）に示すように、イオン電流に変化は見られない。これは、比較例に係るプローブ１１の高さ変化に伴うイオン電流変化がイオン電流検出装置のノイズレベルよりも小さいことを意味している。 As shown in FIGS. 6A and 6C, when the probe 11 according to the present embodiment is moved, the height of the probe 11 is increased by 10 nm by the driving unit 12, and the height of the probe 11 is increased by 10 nm accordingly. As shown in (b), the ion current has increased by about 1 nA. On the other hand, in the probe 11 according to the comparative example, even if the height of the probe is changed by 10 nm, no change is observed in the ion current as shown in FIG. 6 (b). This means that the change in ion current accompanying the change in height of the probe 11 according to the comparative example is smaller than the noise level of the ion current detection device.

また、図６の（ｂ）と（ｃ）とを比較すると、本実施の形態に係るプローブ１１では、プローブ１１の高さを上昇させるとほぼ同時に、イオン電流も増加し、プローブ１１の高さを下降させるとほぼ同時に、イオン電流も減少している。したがって、本実施の形態に係るプローブ１１では、イオン電流に応じてプローブ１１の高さを高速にかつ精度よく調整することで、表面形状を高速に計測することが可能である。 Further, comparing (b) and (c) of FIG. 6, in the probe 11 according to the present embodiment, the ion current also increases almost at the same time as the height of the probe 11 is increased, and the height of the probe 11 is increased. Almost at the same time as the decrease is made, the ion current is also decreasing. Therefore, in the probe 11 according to the present embodiment, the surface shape can be measured at high speed by adjusting the height of the probe 11 at high speed and with high accuracy according to the ion current.

なお、図７は、実施の形態および比較例にかかるプローブ１１の、試料３０からの高さに対する正規化イオン電流の関係を示す図である。ここでは、この曲線をアプローチカーブと称する。正規化イオン電流とは、試料３０とプローブ１１の先端とが十分に遠離れ、イオン電流がプローブと表面距離に依らない位置で得られるイオン電流を１としたときのイオン電流である。また、図７では、本実施の形態に係るプローブ１１の結果を実施例として実線で示し、比較例に係るプローブ１１の結果を破線で示している。図７において、実施例は比較例に対して、同様のバイアス電圧において、計測されるイオン電流の値が７倍程度大きい。 Note that FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the normalized ion current and the height of the probe 11 according to the embodiment and the comparative example with respect to the height from the sample 30. Here, this curve is referred to as an approach curve. The normalized ion current is an ion current when the ion current obtained at a position where the sample 30 and the tip of the probe 11 are sufficiently far apart and the ion current does not depend on the surface distance from the probe is 1. Further, in FIG. 7, the result of the probe 11 according to the present embodiment is shown by a solid line as an example, and the result of the probe 11 according to a comparative example is shown by a broken line. In FIG. 7, in the example, the value of the measured ion current is about 7 times larger than that in the comparative example at the same bias voltage.

図７に示すように、同一形状のプローブ１１を用いて、正規化イオン電流値を計測することにより得られるアプローチカーブは、実施例と比較例において殆ど差が見られない。つまり、本実施の形態に係るプローブ１１では、プローブ１１が試料３０に近接しているか否かを判断するセットポイントの値は、正規化イオン電流値を用いれば、比較例に係るプローブ１１の場合とほぼ同等であることがわかる。したがって、本実施の形態に係るプローブ１１を用いても、プローブ１１の先端と試料３０との間の距離を適切に検出することができる。 As shown in FIG. 7, the approach curves obtained by measuring the normalized ion current values using the probes 11 having the same shape show almost no difference between the examples and the comparative examples. That is, in the probe 11 according to the present embodiment, the value of the set point for determining whether or not the probe 11 is close to the sample 30 is the case of the probe 11 according to the comparative example if the normalized ion current value is used. It can be seen that it is almost equivalent to. Therefore, even if the probe 11 according to the present embodiment is used, the distance between the tip of the probe 11 and the sample 30 can be appropriately detected.

また、図８は、実施の形態および比較例に係るプローブ１１の、電源１６により印加した電圧Ｖｂに対する信号雑音比を示す図である。図８では、本実施の形態に係るプローブ１１の結果を実施例として実線および黒四角で示し、比較例に係るプローブ１１の結果を破線および黒丸で示している。 Further, FIG. 8 is a diagram showing a signal-to-noise ratio of the probe 11 according to the embodiment and the comparative example to the voltage V b applied by the power supply 16. In FIG. 8, the result of the probe 11 according to the present embodiment is shown by a solid line and a black square as an example, and the result of the probe 11 according to a comparative example is shown by a broken line and a black circle.

図８に示すように、本実施の形態に係るプローブ１１では、比較例に係るプローブ１１と比べて、電源１６から電極１１ｂおよび１８を介して電解液２０および２２に印加される電圧Ｖｂを増加させたときの信号雑音比が大きく向上している。つまり、本実施の形態に係るプローブ１１では、電圧Ｖｂを増加させたときの信号の値が大きく増加している。したがって、本実施の形態に係るプローブ１１では、電源１６の電圧Ｖｂの大きさに応じてイオン電流の値を大きくし、プローブ１１の高さを精度よく調整することができる。したがって、イオン伝導顕微鏡１において、高速動作と高い空間分解能とを実現することができる。 As shown in FIG . 8, in the probe 11 according to the present embodiment, the voltage Vb applied to the electrolytic solutions 20 and 22 from the power supply 16 via the electrodes 11b and 18 is higher than that of the probe 11 according to the comparative example. The signal-to-noise ratio when increased is greatly improved. That is, in the probe 11 according to the present embodiment, the value of the signal when the voltage V b is increased is greatly increased. Therefore, in the probe 11 according to the present embodiment, the value of the ion current can be increased according to the magnitude of the voltage V b of the power supply 16, and the height of the probe 11 can be adjusted accurately. Therefore, in the ion conduction microscope 1, high-speed operation and high spatial resolution can be realized.

［４．効果等］
以上、本実施の形態にかかるイオン伝導顕微鏡１および表面計測方法によると、電解液のイオン濃度が高い領域は、プローブ１１の貫通孔の開口近傍にのみ存在するので、プローブ１１の貫通孔から離れた位置に配置された試料は、イオン濃度が高い電解液に接触することがなく、高いイオン濃度の電解液により、生物試料等の計測において、試料がダメージを受けるのを抑制しつつ、イオン電流を大きくすることができる。これにより、試料にダメージを与えることなく、高感度でイオン電流を検出し、試料３０に対するプローブ１１の高さを素早く調整することができる。したがって、イオン伝導顕微鏡１において、プローブ１１を高速で走査することができる。 [4. Effect, etc.]
As described above, according to the ion conduction microscope 1 and the surface measurement method according to the present embodiment, the region where the ion concentration of the electrolytic solution is high exists only in the vicinity of the opening of the through hole of the probe 11, so that the region is separated from the through hole of the probe 11. The sample placed in the above position does not come into contact with the electrolytic solution having a high ion concentration, and the electrolytic solution having a high ion concentration suppresses the damage of the sample in the measurement of a biological sample or the like, while suppressing the ion current. Can be increased. As a result, the ion current can be detected with high sensitivity without damaging the sample, and the height of the probe 11 with respect to the sample 30 can be quickly adjusted. Therefore, the probe 11 can be scanned at high speed in the ion conduction microscope 1.

また、本実施の形態に係るプローブ１１では、電源１６から電極１１ｂおよび１８を介して電解液２０および２２に印加される電圧Ｖｂを増加させたときの信号雑音比が大きく向上するため、高分解能で試料３０の表面状態を計測することができる。 Further, in the probe 11 according to the present embodiment, the signal-to-noise ratio when the voltage Vb applied to the electrolytic solutions 20 and 22 from the power supply 16 via the electrodes 11b and 18 is increased is greatly improved, so that the probe 11 is high. The surface state of the sample 30 can be measured with a resolution.

（その他の実施の形態）
以上、本発明にかかるイオン伝導顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。 (Other embodiments)
Although the ion conduction microscope according to the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments. The present invention also includes a form obtained by subjecting an embodiment to a modification that a person skilled in the art can think of, and another form realized by arbitrarily combining components in a plurality of embodiments.

例えば、上述した実施の形態では、イオン伝導顕微鏡においてプローブをＸＹＺ方向に移動する構成を示したが、この構成に限らず、例えば、ステージをＸＹ方向、プローブをＺ方向に移動する構成としてもよい。また、ステージがＺ方向に移動する構成であってもよい。 For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the probe is moved in the XYZ direction is shown in the ion conduction microscope, but the configuration is not limited to this, and for example, the stage may be moved in the XY direction and the probe may be moved in the Z direction. .. Further, the stage may be configured to move in the Z direction.

また、プローブの試料に近接する一端側の端面における貫通孔の口径は、上述した２０ｎｍに限らず、適宜変更してもよい。 Further, the diameter of the through hole on the end surface on one end side close to the sample of the probe is not limited to the above-mentioned 20 nm, and may be appropriately changed.

また、第１の電解液のイオン濃度は、上述した０．１５ｍｏｌ／ｌに限らず、試料に応じて適宜変更してもよい。また、第２の電解液のイオン濃度は、第１の電解液のイオン濃度よりも高い濃度であればよく、上述した４ｍｏｌ／ｌに限らず適宜変更してもよい。 Further, the ion concentration of the first electrolytic solution is not limited to 0.15 mol / l described above, and may be appropriately changed depending on the sample. The ion concentration of the second electrolytic solution may be higher than the ion concentration of the first electrolytic solution, and is not limited to 4 mol / l described above and may be appropriately changed.

また、試料をステージに配置する試料準備工程と、プローブの貫通孔内に第２の電解液を充填する充填工程とは、いずれを先に行ってもよいし、同時に行ってもよい。 Further, the sample preparation step of arranging the sample on the stage and the filling step of filling the through hole of the probe with the second electrolytic solution may be performed first or simultaneously.

また、駆動部は、上述したようにピエゾアクチュエータに限らず、モータ式の駆動部等他の駆動部であってもよい。 Further, the drive unit is not limited to the piezo actuator as described above, and may be another drive unit such as a motor type drive unit.

また、イオン伝導顕微鏡の構成は、上記したものに限らず、適宜変更してもよい。また、上述したプローブは、イオン伝導顕微鏡に限らず、他の顕微鏡のプローブとして用いられてもよい。 Further, the configuration of the ion conduction microscope is not limited to the above-mentioned one, and may be appropriately changed. Further, the above-mentioned probe is not limited to the ion conduction microscope, and may be used as a probe of another microscope.

本発明にかかる表面計測方法は、プローブを試料に対して走査することにより、試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得する走査型のイオン伝導顕微鏡等に有用である。 The surface measurement method according to the present invention is useful for a scanning ion conduction microscope or the like that acquires physical information on the surface of a sample or chemical properties of a sample as a signal by scanning the probe with respect to the sample.

１ イオン伝導顕微鏡
１０ ステージ
１１ プローブ
１１ａ ピペット
１１ｂ 電極（第２の電極）
１８ 電極（第１の電極）
１２ 駆動部
１３ 検出部
１４ 制御部
１５ 表示部
１６ 電源
２０ 電解液（第１の電解液）
２２ 電解液（第２の電解液）
３０ 試料
４０ ガラス基板 1 Ion conduction microscope 10 Stage 11 Probe 11a Pipette 11b Electrode (second electrode)
18 Electrode (1st electrode)
12 Drive unit 13 Detection unit 14 Control unit 15 Display unit 16 Power supply 20 Electrolyte solution (first electrolytic solution)
22 Electrolyte (second electrolyte)
30 Sample 40 Glass substrate

Claims (4)

イオン電流を利用して、長尺のプローブを走査しながら試料の表面形状および状態を計測する表面計測方法であって、
前記プローブは、前記プローブの長尺方向と同一の方向に長尺な形状を有しかつ前記長尺方向の両端を貫通する貫通孔を有し、
第１の電解液中に前記試料を配置する試料準備工程と、
前記貫通孔内に、前記第１の電解液よりもイオン濃度が高い第２の電解液を充填する充填工程と、
前記第１の電解液に少なくとも一部が浸された第１の電極と、前記第２の電解液に少なくとも一部が浸された第２の電極との間に、前記第１の電解液と前記第２の電解液とを介して流れるイオン電流を計測する電流計測工程と、
計測された前記イオン電流に基づいて、前記プローブの高さを調整する高さ調整工程と、
前記貫通孔内に前記第２の電解液が充填された前記プローブを、前記プローブの高さ方向と直交する方向に走査し、前記試料の表面形状および状態を計測する走査工程と、
を含み、
前記第２の電解液のイオン濃度は、４ｍｏｌ／ｌであり、
前記第１の電解液のイオン濃度は、０．１５ｍｏｌ／ｌであり、
少なくとも前記貫通孔の内壁の表面は、被覆層で覆われている
表面計測方法。 It is a surface measurement method that measures the surface shape and state of a sample while scanning a long probe using an ion current.
The probe has a long shape in the same direction as the long direction of the probe and has through holes penetrating both ends in the long direction.
A sample preparation step of arranging the sample in the first electrolytic solution, and
A filling step of filling the through hole with a second electrolytic solution having a higher ion concentration than the first electrolytic solution.
The first electrolytic solution is placed between the first electrode, which is at least partially immersed in the first electrolytic solution, and the second electrode, which is at least partially immersed in the second electrolytic solution. A current measurement step of measuring the ionic current flowing through the second electrolytic solution, and
A height adjustment step that adjusts the height of the probe based on the measured ion current, and
A scanning step of scanning the probe filled with the second electrolytic solution in the through hole in a direction orthogonal to the height direction of the probe to measure the surface shape and state of the sample.
Including
The ion concentration of the second electrolytic solution is 4 mol / l , and the ion concentration is 4 mol / l.
The ion concentration of the first electrolytic solution is 0.15 mol / l.
At least the surface of the inner wall of the through hole is covered with a coating layer.
Surface measurement method. 前記プローブの前記試料に近接する側の前記貫通孔の口径は、５０ｎｍ以下である
請求項１に記載の表面計測方法。 The surface measurement method according to claim 1, wherein the diameter of the through hole on the side of the probe close to the sample is 50 nm or less. イオン電流を利用して試料の表面形状および状態を計測するイオン伝導顕微鏡であって、
前記試料を第１の電解液に浸された状態で保持するステージと、
長尺な形状を有し、長尺方向の両端を貫通する貫通孔内に前記第１の電解液よりもイオン濃度が高い第２の電解液が充填されたプローブと、
前記第１の電解液に少なくとも一部が浸された第１の電極と、
前記第２の電解液に少なくとも一部が浸された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極とに接続され、前記第１の電解液と前記第２の電解液とを介して前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れるイオン電流を検出する検出部と、
前記プローブを、少なくとも前記プローブの高さ方向に移動させる駆動部と、
前記検出部で検出された前記イオン電流に基づいて前記駆動部を制御することにより、前記プローブの高さを調整する制御部とを備え、
前記第２の電解液のイオン濃度は、４ｍｏｌ／ｌであり、
前記第１の電解液のイオン濃度は、０．１５ｍｏｌ／ｌであり、
少なくとも前記貫通孔の内壁の表面は、被覆層で覆われている
イオン伝導顕微鏡。 An ionic conduction microscope that measures the surface shape and state of a sample using ionic current.
A stage for holding the sample in a state of being immersed in the first electrolytic solution, and
A probe having a long shape and having a through hole penetrating both ends in the long direction filled with a second electrolytic solution having a higher ion concentration than the first electrolytic solution.
The first electrode, which is at least partially immersed in the first electrolytic solution, and
With the second electrode, which is at least partially immersed in the second electrolytic solution,
Ions that are connected to the first electrode and the second electrode and flow between the first electrode and the second electrode via the first electrolytic solution and the second electrolytic solution. A detector that detects current and
A drive unit that moves the probe at least in the height direction of the probe.
A control unit for adjusting the height of the probe by controlling the drive unit based on the ion current detected by the detection unit is provided.
The ion concentration of the second electrolytic solution is 4 mol / l , and the ion concentration is 4 mol / l.
The ion concentration of the first electrolytic solution is 0.15 mol / l.
At least the surface of the inner wall of the through hole is covered with a coating layer.
Ion conduction microscope. 長尺な形状を有し、長尺方向の両端を貫通する貫通孔を有するピペットと、
前記貫通孔内に充填された、前記ピペットの外側に配置される第１の電解液よりもイオン濃度が高い第２の電解液とを備え、
前記第２の電解液のイオン濃度は、４ｍｏｌ／ｌであり、
前記第１の電解液のイオン濃度は、０．１５ｍｏｌ／ｌであり、
少なくとも前記貫通孔の内壁の表面は、被覆層で覆われている
プローブ。 A pipette with a long shape and through holes that penetrate both ends in the long direction,
It is provided with a second electrolytic solution filled in the through hole and having a higher ion concentration than the first electrolytic solution arranged outside the pipette.
The ion concentration of the second electrolytic solution is 4 mol / l , and the ion concentration is 4 mol / l.
The ion concentration of the first electrolytic solution is 0.15 mol / l.
At least the surface of the inner wall of the through hole is covered with a coating layer.
probe.
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