原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、液中でナノスケールの構造を観察できるというユニークな特長を持つために、生物分野での研究に幅広く利用されてきた。しかしながら、従来の液中ＡＦＭの分解能は、真空中で得られる分解能に比べてはるかに劣っていた。原子操作、原子識別、サブ原子分解能観察などの、真空型AFMに関する最近の進展は、すべて周波数変調ＡＦＭ（ＦＭ−ＡＦＭ）により達成されてきた。しかしながら、このようなＦＭ−ＡＦＭによる原子レベルの実験は、液中ではこれまで不可能であった。近年、我々は、超低ノイズカンチレバー変位計を開発することで、この制約を打開し、ＦＭ−ＡＦＭによる液中原子分解能観察を世界で初めて可能とした。この技術革新により、生体分子のサブナノスケール構造（例：アミロイド線維のβ鎖やチューブリン分子のαヘリックスなど）を液中で直接可視化することが可能となった。さらに、最近では、ＦＭ−ＡＦＭの持つ高い力感度と精確な探針位置制御能力によって、固液界面における水分子の３次元分布をも可視化することが可能となってきた。

進行中の研究：　現在、我々は、液中ＦＭ−ＡＦＭのさらなる性能改善に取り組むとともに、その生物学的応用の可能性について精力的に研究を行っている。装置開発では、動作速度の改善や液中電位分布計測の実現を目指している。一方、応用研究では、微小管や脂質膜のサブナノスケール研究に取り組んでいる。また、様々な研究分野において液中ＦＭ−ＡＦＭが利用可能となるように、国内外のＳＰＭメーカとの共同研究も積極的に推進している。

Selected Publications

N. Kobayashi, H. Asakawa, T. Fukuma, “Nanoscale potential measurements in liquid by frequency modulation atomic force microscopy”, Rev. Sci. Instrum. 81: 123705 (2010) (Abstract)

T. Fukuma, “Water distribution at solid/liquid interfaces visualized by frequency modulation atomic force microscopy”, Sci. Technol. Adv. Mater. 11: 033003 (2010) (Abstract)

T. Fukuma, Y. Ueda, S. Yoshioka, H. Asakawa, “Atomic-Scale Distribution of Water Molecules at the Mica-Water Interface Visualized by Three-Dimensional Scanning Force Microscopy”, Phys. Rev. Lett. 104: 016101 (2010) (Abstract)

H. Asakawa and T. Fukuma, “Spurious-free cantilever excitation in liquid by piezoactuator with flexure drive mechanism”, Rev. Sci. Instrum. 80: 103703 (2009) (Abstract)

H. Yamada, K. Kobayashi, T. Fukuma, Y. Hirata, T. Kajita and K. Matsushige, “Molecular Resolution Imaging of Protein Molecules in Liquid Using Frequency Modulation Atomic Force Microscopy”, Appl. Phys. Express 2:  095007 (2009) (Abstract)

Y. Mitani, M. Kubo, K. Muramoto, and T. Fukuma, “Wideband digital frequency detector with subtraction-based phase comparator for frequency modulation atomic force microscopy”, Rev. Sci. Instrum. 80: 083705 (2009) (Abstract)

T. Fukuma, “Subnanometer-Resolution Frequency Modulation Atomic Force Microscopy in Liquid for Biological Applications”, Jpn. J. Appl. Phys. 48: 08JA01 (2009) (Abstract)

H. Asakawa, T. Fukuma, “The molecular-scale arrangement and mechanical strength of phospholipid/cholesterol mixed bilayers investigated by frequency modulation atomic force microscopy in liquid”, Nanotechnology 20: 264008 (2009) (Abstract)

T. Fukuma, “Wideband low-noise optical beam deflection sensor with photothermal excitation for liquid-environment atomic force microscopy”, Rev. Sci. Instrum. 80: 023707 (2009) (Abstract)

T. Fukuma, “Instrumentation and Biological Applications of High-Resolution Frequency Modulation Atomic Force Microscopy in Liquid”, J. Nano Res. 4: 1-10 (2008) (Abstract)

T. Ando, T. Uchihashi, T. Fukuma, “High-speed atomic force microscopy for nano-visualization of dynamic biomolecular processes”, Prog. Surf. Sci. 83: 337-437 (2008) (Abstract)

T. Fukuma, A. S. Mostaert, L. C. Serpell, S. P. Jarvis, “Revealing molecular-level surface structure of amyloid fibrils in liquid by means of frequency modulation atomic force microscopy”, Nanotechnology 19: 384010 (2008) (Abstract)

T. Fukuma, Y. Okazaki, N. Kodera, T.Uchihashi, T.Ando,  “High resonance frequency force microscope scanner using inertia balance support”, Appl. Phys. Lett. 92: 243119 (2008) (Abstract)

T. Fukuma, M. J. Higgins, S. P. Jarvis, “Direct imaging of lipid-ion network formation under physiological conditions by frequency modulation atomic force microscopy”, Phys. Rev. Lett. 98: 106101 (2007) (Abstract)

T. Fukuma, M. J. Higgins, S. P. Jarvis, “Direct Imaging of Individual Intrinsic Hydration Layers on Lipid Bilayers at Angstrom Resolution”, Biophys. J. 92: 3603-3609 (2007) (Abstract)

T. Fukuma, J. Kilpatrick, S. P. Jarvis, “Phase modulation atomic force microscope with true atomic resolution”, Rev. Sci. Instrum. 77: 123703(2006) (Abstract)

A. S. Mostaert, M. J. Higgins, T. Fukuma, F. Rindi, S. P. Jarvis, “Nanoscale Mechanical Characterization of Amyloid Fibrils Discovered in a Natural Adhesive”, J. Biol. Phys. 32: 393-401(2006) (Abstract)

M. J. Higgins, M. Polcik, T. Fukuma, J. E. Sader, Y. Nakayama and S. P. Jarvis, “Structured Water Layers Adjacent to Biological Membranes”, Biophys. J. 91: 2532-2542 (2006) (Abstract)

T. Fukuma, A. S. Mostaert and S. P. Jarvis, “Explanation for the mechanical strength of amyloid fibrils”, Tribology Lett. 22: 233-237 (2006) (Abstract)

T. Fukuma and S. P. Jarvis, “Development of Liquid Environment Frequency Modulation Atomic Force Microscope with Low Noise Deflection Sensor for Cantilevers of Various Dimensions”, Rev. Sci. Instrum. 77:  043701 (2006) (Abstract)

T. Fukuma, M. Kimura, K. Kobayashi, K. Matsushige and H. Yamada, “Development of Low Noise Cantilever Deflection Sensor for Multienvironment Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy”, Rev. Sci. Instrum. 76: 053704 (2005) (Abstract)

T. Fukuma, K. Kobayashi, K. Matsushige and H. Yamada, “True Atomic Resolution in Liquid by Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy”, Appl. Phys. Lett. 87: 034101 (2005) (Abstract)

T. Fukuma, K. Kobayashi, K. Matsushige and H. Yamada, “True Molecular Resolution in Liquid by Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy”, Appl. Phys. Lett. 86: 193108 (2005) (Abstract)

T. Fukuma, T. Ichii, K. Kobayashi, H. Yamada and K. Matsushige, “True-Molecular Resolution Imaging by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy in Various Environments”, Appl. Phys. Lett. 86: 034103 (2005) (Abstract)