走査型イオン伝導顕微鏡
走査型イオン伝導顕微鏡の図。

走査型イオン伝導顕微鏡（SICM）は、電極をプローブ先端として用いる走査型プローブ顕微鏡技術である。 [ 1 ] SICMは、導電性電解質を含む水溶液中のマイクロメートル、さらにはナノメートル領域[ 2 ]の構造の表面形状を測定することができる。試料は硬質または軟質で、一般的に非導電性であり、非破壊測定であるため、生体組織や細胞、そして一般的な生物学的試料の観察が可能となる。

この技術はサンプル中の急激な形状変化を検出することができ[ 3 ]、生細胞の硬さを詳細な地形図と連動してマッピングしたり[ 4 ]、細胞の移動性を調べたりするのに使用することができる。[ 5 ]

動作原理

走査型イオン伝導顕微鏡法は、電解質を含む水性媒体中において、マイクロピペットが導電性の低い表面に近づくとアクセス抵抗が増加する現象を利用する手法です。この手法は、マイクロ/ナノピペットに出入りするイオン電流をモニタリングします。先端が試料表面に非常に近い場合、イオンが流れる隙間が狭まるため、イオン電流の流入と流出は妨げられます。

SICMの一般的なセットアップは以下のとおりです。2つのAg/AgCl電極間に電圧を印加します。一方の電極はガラスマイクロピペット内に、もう一方の電極はバルク溶液内にあります。この電圧によって2つの電極間にイオン電流が発生し、マイクロピペットに出入りします。2つの電極間のコンダクタンスを測定します。このコンダクタンスはイオンのフラックスに依存します。

ピペットの動きは圧電素子によって制御されます。

マイクロピペットをサンプルに近づけていくと、イオン流束が制限され始めます。すると、システムのコンダクタンスが低下し（抵抗が増加します）、抵抗が一定の閾値に達するとチップが停止し、その位置が記録されます。その後、チップを（使用するモードに応じて異なる方法で、下記参照）移動させ、別の場所で再度測定を行います。最終的に、すべての測定位置を比較することで、サンプルの詳細な高さプロファイルが得られます。

注目すべき点は、先端がサンプルに接触する前に停止するため、観察対象の表面が曲がったり損傷したりしないことです。これは SICM の大きな利点の 1 つです。

等価回路

SICM装置の等価電気回路。[ 6 ]

装置全体の抵抗（Rtot）は、3つの抵抗（Rb、Rm、Rt）の合計です。Rbは、マイクロピペットの先端と溶液内部の電極間の電解液の抵抗です。Rmは、マイクロピペット内の電極と先端間の電解液の抵抗です。Rtは、先端を流れる電流の抵抗です。

RbとRmは電解質の導電率、Ag/AgCl電極の位置と形状に依存します。Rtは開口部のサイズと形状、および先端とサンプル間の距離に依存します。

先端とサンプル間の距離を除くすべてのパラメータは、特定の SICM セットアップ内では一定であるため、サンプルの地形を決定するために使用されるのは、サンプルまでの距離による Rt の変化です。

通常の近似は次のとおりです。1) Ag/AgCl 電極の表面での電圧降下は無視され、先端での電圧降下と比較して無視でき、一定であると想定されます。2) バルク抵抗は d の関数であるという事実は、バルク内の先端と電極間の距離に依存するため無視されます。

他の走査プローブ顕微鏡技術との比較

SICMの分解能は、通常0.1 nm程度の分解能に達するAFMやSTMよりも劣ります。SICM測定の分解能は、理論上は探針開口部の直径の1.5倍に制限されます[ 7 ]が、13 nmの開口部直径で測定を行った場合、約3～6 nmの分解能が得られました[ 2 ] 。

SICMは導電性の悪い表面や非導電性の表面を画像化するのに使用できますが[ 6 ] 、これはSTMでは不可能です。

SICM測定では、マイクロピペットの先端がサンプルの表面に触れないため、柔らかいサンプル（細胞、生物学的サンプル、細胞絨毛）[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]を変形することなく画像化することができます。

SICMは電解質を含む溶液中で使用されるため、生理学的媒体中で使用でき、生きた細胞や組織を画像化し、生物学的プロセスをその発生中に監視することができる。[ 10 ]

ホッピングモードでは、急勾配や溝のあるプロファイルを正確に判別できます。

撮影モード

SICM には、定常 Z モード、直流 (定距離) モード、交流モード、ホッピング/バックステップ/スタンディング アプローチ モードの 4 つの主な画像化モードがあります。

定常Zモード

定常 Z モードにおける SICM プローブの軌跡。

定Zモードでは、マイクロピペットを横方向に移動させながら一定のZ（高さ）に維持し、抵抗をモニタリングすることで、その変化からサンプルのトポグラフィーを再構成することができます。このモードは高速ですが、非常に平坦なサンプルにしか機能しないため、ほとんど使用されていません。サンプルの表面が凹凸になっている場合、ピペットはサンプルに衝突するか、サンプルの大部分をイメージングするには遠すぎます。

直流モード

DCモードでのSICMプローブの軌道

直流（DC）モード（定距離モード）では、マイクロピペットをサンプルに向かって下げ、あらかじめ設定された抵抗値に達するまで移動させます。その後、ピペットは横方向に移動し、フィードバックループによってサンプルとの距離が（抵抗値を通じて）維持されます。ピペットのZ位置によってサンプルのトポグラフィーが決まります。このモードではサンプルの急勾配は検出されず、急勾配の場合はサンプルに接触する可能性があり、電極ドリフトが発生しやすくなります。

交流モード

ACモードでのSICMプローブの軌道

交流（AC）モードでは、マイクロピペットは通常の動きに加えて垂直方向に振動します。ピペットが表面からまだ離れている間はイオン電流が流れ、抵抗は一定なので、ピペットは下降します。抵抗が振動を始めると、その振幅はフィードバックとして機能し、所定の振幅に達するまで位置を調整します。[ 8 ] [ 9 ]

AC コンポーネントの応答は DC よりもはるかに急激に増加するため、より複雑なサンプルの記録が可能になります。

ホッピングモード

ホッピング モードでの SICM プローブの軌道。

ホッピング（バックステップ／スタンディングアプローチ）モードでは、マイクロピペットをサンプルに下げ、所定の抵抗に達するまで下げ、その高さを記録します。その後、ピペットを引き戻し、横方向に移動させて再度測定を行い、このプロセスを繰り返します。これにより、サンプルの地形を再構成することができます。

ホッピングモードは他のモードよりも遅いですが、サンプル表面を歪ませることなく、複雑な地形や細胞全体を画像化することができます。[ 11 ] [ 12 ]

他の技術との組み合わせ、代替用途

SICMは、ラットの脳から生きた神経細胞の画像化、[ 5 ]、微絨毛のライフサイクルの決定、[ 8 ]、精子中のタンパク質複合体の動きの観察に使用されました。[ 2 ]

SICMは蛍光顕微鏡法[ 2 ]やフェルスター共鳴エネルギー移動法[ 13 ]と組み合わせられている。

SICMは「スマートパッチクランプ」技術に使用されており、ピペットを吸引して細胞表面に固定し、細胞膜内のナトリウムチャネルの活動をモニタリングします。[ 14 ]

AFMとSICMを組み合わせることで、イオン溶液中の合成膜の高解像度画像を取得することができました。[ 15 ]

走査型近接場光学顕微鏡（SICM）は、SICM測定に用いられてきました。SICM測定では、ピペットの先端を試料表面に非常に近づけることが可能です。マイクロピペット内部から放出される蛍光粒子がSNOMの光源となり、継続的に更新されるため、光退色を防ぐことができます。[ 16 ] [ 17 ]

FSICM [ 18 ]（高速SICM）は、ホッピングモードの速度を大幅に向上させたものが最近開発されました。

参考文献

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