Biophysics · 05.05

原子間力顕微鏡の分解能

Resolving power of the atomic force microscope

🧠 AFMの分解能は波長回折ではなく、探針形状tip geometry探針形状（tip geometry）tip geometry（探針形状）、探針–試料相互作用（tip–sample interaction）、フィードバック、雑音によって決まる。

AFM分解能を制限する因子

垂直分解能vertical resolution垂直分解能（vertical resolution）vertical resolution（垂直分解能）は非常に高い一方、横方向分解能lateral resolution横方向分解能（lateral resolution）lateral resolution（横方向分解能）は探針先端半径tip radius探針先端半径（tip radius）tip radius（探針先端半径）との畳み込み（convolution）で悪化しやすい。尖った探針でも試料形状との幾何学的重畳を避けられない。

flowchart TD
  A["有限半径探針で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='scanning'>走査</span>"]
  B["試料形状と畳み込み"]
  C["拡大された見かけの構造を記録"]
  A --> B
  B --> C

横方向と高さ方向の分解能

w_{\mathrm{measured}}\simeq w_{\mathrm{true}}+w_{\mathrm{tip\ broadening}}

高さ測定は比較的正確でも、狭い溝や急峻steep (dose gradient)急峻（steep (dose gradient)）steep (dose gradient)（急峻）な側面は探針が届かず形が歪む。

探針形状による像の畳み込み

AFMでは探針走査scanning走査（scanning）scanning（走査）とフィードバックが高さを再構成する。光学顕微鏡light microscopy, LM光学顕微鏡（light microscopy, LM）light microscopy, LM（光学顕微鏡）の回折限界とは異なり、主な制限は探針半径と信号雑音である。

探針先端半径tip radius探針先端半径（tip radius）tip radius（探針先端半径）が小さいほど横方向分解能lateral resolution横方向分解能（lateral resolution）lateral resolution（横方向分解能）向上。
熱振動thermal vibration熱振動（thermal vibration）thermal vibration（熱振動）と機械的雑音mechanical noise機械的雑音（mechanical noise）mechanical noise（機械的雑音）が力検出感度force sensitivity力検出感度（force sensitivity）force sensitivity（力検出感度）を制限。
同じ構造を異なる探針で再現確認することが重要。

医学・測定への応用

細胞表面の粗さや分子集合体の寸法評価では探針アーチファクトartifactアーチファクト（artifact）artifact（アーチファクト）を考慮する。

まとめ

AFMの分解能は波長回折ではなく、探針形状tip geometry探針形状（tip geometry）tip geometry（探針形状）、探針–試料相互作用、フィードバック、雑音によって決まる。
探針先端半径tip radius探針先端半径（tip radius）tip radius（探針先端半径）が小さいほど横方向分解能lateral resolution横方向分解能（lateral resolution）lateral resolution（横方向分解能）向上。
細胞表面の粗さや分子集合体の寸法評価では探針アーチファクトartifactアーチファクト（artifact）artifact（アーチファクト）を考慮する。