(57)【要約】【課題】ＳＥＲＳ測定用試料を吸着するための金属粒子からなる安定な構造体を備える基板の提供及びその簡便な作成方法の提供を課題とした。【解決手段】基板２上に、高分子配向層３を形成する工程と、金属ナノ粒子からなる金属構造体を形成する工程と、をこの順で有することを特徴とするラマン分光用試料の吸着用基板の形成方法であって、高分子配向層３は、平滑な基板上に、高分子固体１を、所定の温度と圧力下で擦り付けて形成するラマン分光用試料の吸着用基板の形成方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、高分子配向層と金属構造体とをこの順に形成することを特徴とするラマン分光用試料の吸着用基板。
【請求項２】
基板上に、
高分子配向層を形成する工程と、
金属ナノ粒子からなる金属構造体を形成する工程と、をこの順で有することを特徴とするラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法。
【請求項３】
前記高分子配向層は、高分子固体を、所定の温度と圧力下で、平滑な基板に擦り付けて形成することを特徴とする請求項２に記載のラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法。
【請求項４】
前記高分子固体が、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項３に記載のラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法。
【請求項５】
前記金属構造体は、金属ナノ粒子の分散試薬を高分子配向層上に塗布して形成することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン分光分析に係わり、特には表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）測定のために、被測定試料を吸着させる基板の構造及び吸着基板の作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートル程度の極めて微小な金属の構造体に光を照射すると、金属内部の自由電子が入射光に共鳴して集団振動（プラズマ振動）を起こし、それによって増強された電磁場（局在表面プラズモン共鳴、ＬＳＰＲ：Localized  Surface  Plasmon  Resonanceによる光電場）が発現する。
【０００３】
このＬＳＰＲは、金属ナノ粒子の凝集体や、金属表面の微細な凹凸の間隙などで特に顕著に現れ、その間隙に分子が吸着すると、通常のラマン測定に比べ、非常に強いラマン散乱が検出される。この現象を利用したラマン散乱の測定法が表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface  Enhanced  Raman  Scattering）であり、高い感度や、吸着分子を選択的に増強するといった特徴から、超微量分析、薄膜の高感度検出など幅広い分野で応用が期待される手法である。
【０００４】
この測定を行うには、測定対象成分の分子を吸着させる金属構造体が必要であり、この構造体の形状や、測定時のサンプル調整方法、測定条件によっては、ラマンバンドの相対強度が時間的に変化したり、バンドがシフトしたりするほか、全体的なラマン散乱強度が強くなったり弱くなったりする“Ｂｌｉｎｋｉｎｇ（点滅）”のような現象が生じることがあり、それによって、期待される結果が得られないことも多い。
【０００５】
このような現象は、ＬＳＰＲの原理自体に関係していることも多く、ある程度は避けられないが、これらの不安定要素を軽減させ目的とする結果を得るには、そのためのノウハウが不可欠である。
【０００６】
電場増強効果を高め、かつ安定した結果を得るための方法については様々な検討がなされているが、装置以外、つまりサンプル側の要因についてまとめると、主に以下のようになる。
（１）金属構造体を組成する素材やその形状（ナノ粒子あるいは微細凹凸形状の径や間隔、配列など）などを、増強の対象物質に対し適切に選択する。
（２）金属構造体と測定対象成分の吸着状態を安定化させ、経時変化が起きにくくする。（３）素材や形状を適正化した金属構造体自体も変性の起きにくい堅固なものにし、レーザーの照射（偏光）方向と成分分子の配向を一致させる（非特許文献１参照）。
【０００７】
このうち（１）については、従来は適正な金属構造体の作成には様々な設備や試薬を必要とし、作業も煩雑であったが、近年、ナノ材料が様々な分野で広く用いられるようになってきたことで、粒子径や形状などが正確に制御された様々な素材の金属ナノ粒子が試薬として安価に入手可能となり、これらを用いることによって以前より選択の幅が広がりつつある。
【０００８】
また（２）も、たとえば手法の一つとして、カチオン性物質にＮａＣｌなどのイオン性物質を添加する、超音波をかけるなどして成分を選択的かつ安定して吸着させる方法が一般的にも行われている（非特許文献２参照）。
【０００９】
しかし、（３）の構造体の安定性は、前２項に比べ、実現させるには困難が多い。
【００１０】
ラマン光源レーザーは偏光を持ち、金属構造体がナノ微粒子から構成されている場合は、この偏光が、微粒子２つの結合軸方向、微細凹凸形状の場合は、隣接する凹凸部の配列方向と一致したとき、つまりＳＥＲＳが生じる局所的な光電場の方向と入射光電場の偏光方向が一致したときに、この部分におけるプラズモンの電場増強効果が特に大きくなる。更にこの効果は、たとえば微粒子の場合、列のようにその並ぶ数が多くなると増大するという報告もなされている。
【００１１】
他方、レーザー偏光方向が局所的な光電場と垂直な場合は、このような相互作用が起こらないため、増強効果は単独のナノ粒子あるいは構造体と同程度に留まることが報告されている（非特許文献１参照）。
【００１２】
加えて金属ナノ粒子を使用して試料調整を行なう場合は、これらが凝集して塊状になると、金属粒子同士、および金属粒子と対象物質間の距離のばらつきが大きくなり、また固定する基板に対する粒子の固定強度にも差が生じるなど、安定した結果が得られにくくなる。
【００１３】
これらのことから、高感度で安定的な散乱増強効果が得られる金属構造体の形状とは、ナノ粒子の場合は粒子径、微細凹凸形状の場合は凹凸部の間隔が５〜１００ｎｍの場合、その相互間距離を数〜数十ｎｍ程度にし、更にナノ粒子の場合は出来るだけ凝集塊が少なく単粒子層に近い状態で、高配向に整列した筋状に配置されたもの、ということになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開  ＷＯ２０１０‐１０１２０９
【特許文献２】特開平６−２５６０８９号公報
【特許文献３】特開平８−２７８４１１号公報
【特許文献４】特開平９−２６９４１２号公報
【特許文献５】特開２００５−２８３９０２号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】尾崎幸洋，ＨＯＲＩＢＡ技術情報誌「Ｒｅａｄｏｕｔ」，Ｎｏ.３２，Ｐ３２‐３７（２００６）．
【非特許文献２】Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄｔ  Ｐ，ａｎｄ  Ｍ．Ｓｔｏｃｋｂｕｒｇｅｒ，Ｊ.Ｐｈｙｓ.Ｃｈｅｍ.,８８(２４),Ｐ５９３５‐５９４４（１９８４）．
【非特許文献３】Ｗｉｔｔｍａｎｎ  Ｊ  Ｃ，Ｓｍｉｔｈ  Ｐ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３５２，Ｎｏ．６３３４，Ｐ４１４‐４１７（１９９１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ＳＥＲＳ測定に好適な金属構造体を作成する方法の一つとして、金属ナノ粒子をその電極電位と大きく異なる電極電位を有する金属基板上に凝集させることで、局所的にスペクトル増強部位を形成させる手法が考案されているが、この方法では粒子の配列の間隔などを適切に制御することは難しい（特許文献１参照）。
【００１７】
また蒸着や、近赤外レーザービームによる光捕捉法（光トラップ：Optical  Tweezers
）などの操作によって目的とする形状の金属構造体を得る方法、あるいは、金属の微細なレリーフパターンを、エッチングを利用して基板上に形成する方法なども考えられるが、いずれも特殊な装置や煩雑な前処理が必要で、簡便な方法とは言い難い上、金属構造体を構成する素材や形状を安易に変更させることが出来ない。
【００１８】
以上のように、ＳＥＲＳ測定に用いる金属構造体を作成する方法として、現状では形状や配列などの適切な制御と、簡便さを両立させた手法は、未だ確立されていない。
そこで、本発明は、ＳＥＲＳ測定用試料を吸着するための金属粒子からなる安定な構造体を備える基板の提供及びその簡便な作成方法の提供を課題とした。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を達成するための請求項１に記載の発明は、基板上に、高分子配向層と金属構造体とをこの順に形成することを特徴とするラマン分光用試料の吸着用基板としたものである。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、基板上に、高分子配向層を形成する工程と、金属ナノ粒子からなる金属構造体を形成する工程と、をこの順で有することを特徴とするラマン分光用試料の吸着基板の作成方法としたものである。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記高分子配向層を、高分子固体を平滑な基板に任意の温度と圧力を加えた状態で、一定方向に動かしながら擦り付けて形成することを特徴とする請求項２に記載のラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法としたものである。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記高分子固体が、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項３に記載のラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法としたものである。
請求項５に記載の発明は、前記高分子配向層上形成後に、金属ナノ粒子の分散試薬を塗布して金属構造体を形成することを特徴とする、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のラマン分光用試料の吸着用基板の作成方法としたものである。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１と請求項２に記載の発明は、ラマン活性を持つ試料のＳＥＲＳラマン分光分析において、表面プラズモンによる電場増強効果を適切に発現するための金属構造体の構造とその作成方法を提供する。金属構造体は、金、銀、白金等のナノ粒子を、高度に配向した下層の高分子高配向層の配向力を利用して得るものである。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、高分子固体を基板表面に擦りつけて、その時の摩擦によって基板表面に前記高分子固体からなる高配向膜を基板に定着させるものである。方法は初等的で測定用試料の調整に好適であるが、得られる構造は摩擦した領域程度で均一、かつ非常に高度な配向性を示すという効果がある。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、ポリテトラフルオエチレンは、結晶性の高い高分子固体を容易に得ることが可能で、所定の条件下で摩擦すると配向性の高い皮膜を得ることができる。高分子固体自体は多様な選択が可能で、基板に擦り付ける際の温度、圧力、押し付けた状態での移動速度を替えることで容易に膜厚や配向状態を変え、目的に沿った高配向薄膜の調製を可能にするという効果がある。
【００２６】
金属ナノ粒子分散液を塗布するという簡便な手段で金属構造体を容易に調整できる。使用する金属ナノ試薬を替えることで容易に金属素材、粒径あるいは形状を変え、目的に沿った金属構造体の調製を可能にするという効果がある。
【００２７】
総じて、本発明により、ラマン活性を持つ微量、または微小な試料のラマン分光分析において、ＳＥＲＳを用いた方法について、簡便でありながら応用範囲が広く、かつ安定的に、高感度なラマン分光測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）吸着用基板に高度に配向した高分子薄膜を作成する方法を説明する斜視概念図と、（ｂ）吸着用基板の構造を説明するための断面視図（左図）および平面図（右図）である。
【図２】図１で示す方法で得られた高配向ポリテトラフルオロエチレン薄膜の外観を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図３】金ナノ粒子構造体を形成する際の、高配向ポリテトラフルオロエチレン薄膜の下地の有無による構造体の形状の違いを示した走査電子顕微鏡写真である。（ａ）下地なし、（ｂ）下地あり（膜厚の高低の少ない部分）、（ｃ）下地あり（膜厚の高低の大きい部分）。
【図４】本発明の効果を示すＳＥＲＳ測定結果の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、図１に示すようにプラズモンを生じる金属側の素材に径が数十ナノメートルオーダーの金属ナノ粒子４を採用し、金属ナノ粒子４の分布に規則性を付与するのに、高度に配向した高分子層３を採用したものである。最終的には、周期的に並んだナノ粒子４同士の間に被測定対象である化合物が入り込み、この状態で、ＳＥＲＳ測定を実施するようにするものである。
【００３０】
本実施例は、ポリテトラフルオロエチレンなどの高分子固体３を、一定方向に動かしながら平滑な基板２に擦り付け、その際の基板温度、擦り付ける圧力等を変えることで、膜厚などを制御しつつ高度に配向した薄膜３が得られることに着目し、これを利用したものである。市販の金属ナノ試薬から適切な粒径あるいは形状を持つ素材を選択して、上記高配向薄膜３を下地とし、高分子の配向を「型」のように用いることで、配向に沿って金属構造体４を形成させた。
【００３１】
本発明の測定用吸着用基板の作成に用いる金属ナノ試薬は、市販の製品でよく特に限定されるものではない。メーカー、製法、グレード等は目的に応じた試料作成が可能であるならばいずれでもよい。また試薬に分散されている金属ナノ粒子の大きさ、形状、材質なども、測定に適した試料を作成することを可能とする限りにおいて自由であるが、レーザー光照射でプラズモンを生じることが不可欠で、好ましくは、金、銀、白金等貴金属が好ましい。
【００３２】
これを支持する基板や、下地となる薄膜を形成する高分子固体も、目的に応じた試料作成が可能である限りにおいて、自由に選択出来る。
さらに測定を行う被測定対象化合物も、ラマン活性を持ち、ＳＥＲＳを用いることによって何らかの効果、具体的には感度の増強や共鳴効果などが得られ、かつレーザー照射や、金属ナノ試薬との接触による変質等が起こらない安定なものであればよい。
【００３３】
本発明の分析方法に用いるラマン分光分析装置は特に限定されるものではなく、顕微レーザーラマン分光法による測定が可能で、試料を設置する試料室のほか、分光器および集光光学系、検出器、データ処理装置などから構成される一般的なものであれば、いずれでもよい。またレーザー光源や分光器、検出器の種類、測定条件は、測定に最適な効果を上げられるよう、測定対象に応じて適切に設定する必要がある。
【実施例１】
【００３４】
以下に本発明を用いたＳＥＲＳ測定の実施例を示す。
高配向の高分子薄膜を形成する基板として光学顕微鏡観察用のスライドグラスを使用した。スライドグラスを超音波洗浄用洗剤液に浸して超音波洗浄し、水道水でゆすいだ後、再度蒸留水で洗浄、乾燥させた。その後、図1に示すように、ポリテトラフルオロエチレンロッド１の先端を、圧力をかけて一定方向に滑らせ、基板２上に高度に配向したポリテトラフルオロエチレンの薄膜３を作成した。薄膜の電子顕微鏡写真を図２に示す。ポリテトラフルオロエチレンが擦った方向に伸びる縞状模様が観察されており、十分に配向した高分子層が得られている様子が確認出来た。
【００３５】
この上に、Ｓｉｇｍａ‐Ａｌｄｒｉｃｈ製金ナノ粒子分散液（平均粒径４０ｎｍ、安定剤としてクエン酸ナトリウムを含む水性緩衝液の０．０２ｍｇ／ｍｌ±５質量％溶液、以下、金ナノ粒子分散液と記載する。）を滴下してから基板を傾け、余分な液を濾紙で吸い取って乾燥させ、基板上にごく薄い金ナノ粒子による構造体を形成した。
【００３６】
このようにして作成した金ナノ粒子構造体を有するスライドグラスに、赤色油性染料であるローダミン６Ｇのアセトン希釈液（以下、試料液と記載。）を滴下して傾け、余分な試料液を濾紙で吸い取って乾燥させた測定用サンプルを、ラマン分光装置の試料台にレーザー偏光と金ナノ粒子の配向方向が一致するような向きに固定し、その金ナノ粒子構造体部分にレーザーを照射して、ラマンスペクトルを測定した。
【００３７】
また、比較例として、実施例１と同様に洗浄したスライドグラスに高配向ポリテトラフルオロエチレン薄膜を形成せず、基板上に金ナノ粒子分散液を直接滴下して金ナノ粒子皮膜を形成させたのち、同様に試料液を滴下して作成した測定用サンプルを装置の試料台に固定し、その金ナノ粒子構造体部分にレーザーを照射して、ラマンスペクトルを測定した。
【００３８】
測定には、サーモエレクトロン製の顕微レーザーラマン分光装置「Aｌｍｅｇａ」を用いた。また光源として、ここでは５３２ｎｍ励起Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー（最大出力約１５０ｍＷ）を用い、×１００の対物レンズで測定試料の表面に集光させて測定した。露光時間は各々１．０秒、露光回数は４回、出力レベルは１％とした。
【００３９】
得られた高配向ポリテトラフルオロエチレン薄膜の形状を示した走査電子顕微鏡写真が図２である。またこの上に金ナノ粒子分散液を滴下して形成した金ナノ粒子構造体と、高配向ポリテトラフルオロエチレン薄膜を形成させることなく基板上に直接金ナノ粒子分散液を滴下して形成した金ナノ粒子構造体の違いを示した走査電子顕微鏡写真が図３である。
図３（ａ）は下地として高配向ポリテトラフルオロエチレン薄膜を備えていないので、金ナノ粒子は、自己凝集したナノ粒子が見られるだけで分布に規則性は見出されない。
同図（ｂ）は、高配向の下地を有する場合、且つ下地の凹凸が少ない場合である。ナノ粒子が配向方向に単層で直線状に並んでいるのが観察されたが、その粒子の「列」の長さは数個程度と短い。同図（ｃ）は、（ｂ）より下地の凹凸の落差が大きくなった場合で、ナノ粒子配列の規則性が（ｂ）より高く、「列」の長さも長くなっている様子が観察された。ローダミン６Ｇのような化合物は、ナノ粒子間の隙間に均一に収容されるのが好ましい。
【００４０】
また図３で示されたそれぞれのナノ粒子構造体に試料液を滴下して得られた測定用試料に対して実施したＳＥＲＳ測定の結果を図４に示したが、双方には明確な違いがあり、この方法によってより高感度なＳＥＲＳ測定が可能であることが確認出来た。金属構造体がない場合は、蛍光による妨害のためラマンバンドが観測されない（図４（ａ））。一方、金属構造体が散在する場合は、明確にスペクトルが発現している（図４（ｂ））。この状態においても解析、同定が可能な強度でラマンバンドが得られているが、更に列状に金属構造体がある場合は（ｂ）を大きく上回る非常に強いラマンバンドが発現した（図４（ｃ））。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、ＳＥＲＳ法を用いたラマン分光分析に際し、ラマン活性を持つ微量、または微小な試料の分析において、煩雑な前処理を行う必要なしに、簡便でありながら応用範囲が広く、かつ安定的に、高感度な結果が得られるＳＥＲＳ測定を行うことが可能となり、得られる成分情報の向上および測定における操作の簡便化、効率化を通じ、品質向上に寄与することが出来る。
【符号の説明】
【００４２】
１…高配向薄膜材料樹脂
２…基板
３…高配向薄膜（あるいは、高分子固体それ自体）
４…金属ナノ粒子（金属構造体） 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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