原子間力顕微鏡

原子間力顕微鏡（AFM）とは

原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、AFM）は、走査型プローブ顕微鏡（SPM）の一種であり、試料表面と探針の間に働く原子間力を検出し、その力を基に試料表面の画像を生成する顕微鏡です。この原子間力は、あらゆる物質の間に働くため、絶縁体を含む様々な試料の観察が可能です。走査型トンネル顕微鏡（STM）のように導電性の制約を受けず、走査型電子顕微鏡（SEM）のような真空環境や前処理も不要なため、大気中、液体中、高温、低温など多様な環境下で生体試料などを自然に近い状態で測定できる利点があります。

AFMの空間分解能は、探針の先端半径に依存し、現在では原子レベルの分解能が実現されています。

測定原理

AFMは、カンチレバーと呼ばれる微小な梁の先端に取り付けられた鋭い探針を用いて、試料表面をなぞる、または一定の間隔を保ちながら走査します。その際に生じるカンチレバーの上下方向への変位を計測することで、試料表面の凹凸形状を評価します。AFMには複数の測定方法があり、それぞれ異なる原理と特徴を持っています。

コンタクトモード（Contact Mode）

カンチレバーの背面に当てたレーザーの反射光をフォトダイオードで測定します。探針が試料表面に近づくと、原子間力によってカンチレバーが変形し、反射光の角度が変化します。この変形を一定に保つようにカンチレバーまたは試料を上下させながらスキャンし、その制御信号から試料表面の状態を観察します。測定は容易ですが、接触による強い力や摩擦によって柔らかい試料を損傷する可能性があります。

ノンコンタクトモード（Non-contact Mode）

カンチレバーを振動させながら、試料表面のごく近傍まで近づけ、原子間相互作用による力を検出します。探針と試料の間の距離に応じて振動の振幅、位相、周波数が変化するため、これらが一定になるように制御しながら測定します。探針が試料に接触しないため損傷のリスクが少なく、高分解能での測定に適しています。特に、硬いプローブを用いることで、サブ原子レベルの観察も可能です。

タッピングモード（Tapping Mode）

ノンコンタクトモードと同様にカンチレバーを振動させますが、探針が試料表面を跳ねるように上下に動きます。このモードは、生体試料や表面に物質が弱く吸着しているようなデリケートな試料の測定に適しており、液中でも使用可能です。分解能も高く、精密な測定が必要な際に広く利用されています。

フォースモード（Force Mode）

探針を試料に接触させ、その際に生じるカンチレバーのしなりから、カンチレバーにかかる力を測定します。細胞膜タンパク質の検出や細胞の粘弾性力の測定に用いられます。また、生体分子を引っ張ることで分子構造を解析したり、試料に穴をあけて剛性を検査するなど、様々な応用が可能です。このモードでは、表面形状の分布は一般的に測定されません。

歴史

AFMは、1981年に走査型トンネル顕微鏡（STM）を開発したゲルト・ビーニッヒによって、1985年に開発されました。ビーニッヒは、STMにおける探針と試料間の原子間力に着目し、この力を利用して絶縁体も測定できる顕微鏡を考案しました。初期のAFMは高価で複雑でしたが、その後カンチレバーの材料や変位検出方法が改良され、現在では広く利用されるようになりました。

当初は表面形状の観察に限られていたAFMですが、現在では磁性や導電性を有するカンチレバーを用いることで、磁気力顕微鏡（MFM）や電気力顕微鏡（EFM）など、様々な機能を持つ装置も開発されています。さらに、蛍光顕微鏡やラマン分光法などと組み合わせたハイブリッドAFMも登場しています。

応用分野

AFMは、化学反応前後の分子構造の直接観察や、細胞の力学特性の測定、材料表面の評価など、幅広い分野で応用されています。特に、生物学分野では、生体試料を自然な状態で観察できるため、細胞や分子の動態を解析するのに不可欠なツールとなっています。

課題

AFMの課題の一つは、解像度や測定データがプローブのサイズや形状に左右されることです。特に、プローブ先端径に近いような生体分子や微粒子を測定する際には、測定データが実際の試料よりも大きく出力される場合があります。これを軽減するため、プローブ先端の改良が進められています。

また、測定時間の短縮も重要な課題です。従来のAFMでは、生体試料の観察に数分から数十分かかっていましたが、最近では0.1秒/画面という高速測定を実現する研究も報告されています。しかし、大気中や真空中の測定では、高速化が進んでいるものの、更なる改善が求められています。また、試料ステージの移動速度と正確性の両立も課題です。

AFMは、表面の形状は観察できるものの、原子や分子の種類を区別することができません。しかし、最近では、元素特有の力学的な特徴を利用して、原子の種類を同定する手法も研究されています。

まとめ

原子間力顕微鏡は、原子レベルの分解能で試料表面を観察できる強力なツールです。多種多様な測定モードと、多様な環境下での測定能力から、材料科学、生物学、医学など幅広い分野で活用されています。今後も、技術の発展に伴い、より高度な観察や分析への応用が期待されています。

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