金沢大,光感受性物質向けAFMカンチレバー開発

金沢大学の研究グループは,光感受性物質の高感度原子間力顕微鏡(AFM)解析を可能にする広帯域カンチレバー磁気励振システムを開発することに成功した(ニュースリリース)。

液中AFMは,生物学や電気化学分野などにおいて,生体分子,電極,光触媒材料などの表面をナノスケール解析できるツール。液中で正確かつ安定な計測を実現するためには,カンチレバーの励振方法が非常に重要となる。近年では,カンチレバーの小型化,高周波化が進んでおり,液中AFMにおける力感度,速度の向上に貢献している。

現状では,高周波小型カンチレバーの安定かつ正確な励振制御には,光熱励振法が必要とされるが,光照射による熱膨張によりカンチレバーを励振させる光熱励振法では,照射する光が試料に対して影響を及ぼしてしまうため,光感受性のある材料への応用の大きな妨げとなっていた。

そのため,光感受性のある物質に対しては,通常,カンチレバーを磁性層や磁気ビーズで修飾し,コイルから発生する交流磁界によって励振する,磁気励振法が主に用いられてきた。

従来,磁気励振法では,コイルに一定の電流を流すために必要なフィードバック回路で構成された電圧―電流(VI)変換回路が用いられる。しかし,この閉ループ回路方式によるデザインは,高周波小型カンチレバーへ応用した際に,その安定性や帯域幅などが問題となり,メガヘルツオーダーの高周波カンチレバーへの応用には至っていなかった。

今回,研究グループでは,メガヘルツオーダーの共振周波数を持つ小型カンチレバーの励振を,光を全く使わずに行なうことのできる,4MHzの帯域幅を持つ磁気励振システムを開発した。この磁気励振システムでは,サンプルホルダーに埋め込まれた励振用コイルに交流電流を流し,それによって生成された交流磁界とカンチレバーに接着された磁気ビーズとの間に働く磁気力によりカンチレバーを励振する。

また,このシステムのコイル駆動回路において,従来のフィードバック回路が必要な閉ループ回路方式とは異なり,微分回路を用いることでフィードバック回路を不要とした開ループ回路方式のデザインを新たに提案した。

さらに,異なる動作周波数範囲を有する複数の微分回路を切り替えて用いることで,さまざまな共振周波数を持つカンチレバーに対して,周波数に依存しない一定電流でのコイル駆動を実現した。これらの工夫により,液中におけるメガヘルツオーダーの高共振小型カンチレバーの正確かつ安定な励振を可能とした。

これにより,高周波小型カンチレバーを用いた光感受性材料の高感度液中AFM解析の実現につながるとしている。

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