(57)【要約】【課題】サブナノ粒子、およびこれに結合した分子種に起因するスペクトル変化を測定可能とする方法を提供する。【解決手段】シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法であって、シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが１０〜５０ｎｍであり、シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出することを特徴としている。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法であって、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが１０〜５０ｎｍであり、
前記シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、前記サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出する方法。
【請求項２】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法であって、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する金平糖型ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが４５〜７５ｎｍであり、
前記シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、前記サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出する方法。
【請求項３】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法であって、
請求項１に記載の星状ナノ粒子をナノ粒子とする前記シェル被膜ナノ粒子Ａと、請求項２に記載の金平糖型ナノ粒子をナノ粒子とする前記シェル被膜ナノ粒子Ｂとが混在するシェル被膜ナノ粒子を用いて、
前記シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、前記サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出する方法。
【請求項４】
表面に酸化グラフェンの薄膜を有する基材を用いて、この基材の前記表面に前記サブナノ粒子を配置する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法に使用される、前記シェル被膜ナノ粒子である星状ナノ粒子の合成において、重量平均分子量１００００〜２００００ｇ／ｍｏｌのポリビニルピロリドンを用いる、シェル被膜ナノ粒子の製造方法。
【請求項６】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用するシステムであって、
シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含み、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが１０〜５０ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法によるシグナル検出システム。
【請求項７】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用するシステムであって、
シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含み、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する金平糖型ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが４５〜７５ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法によるシグナル検出システム。
【請求項８】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用するシステムであって、
シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含み、
前記シェル被膜ナノ粒子は、請求項６に記載の星状ナノ粒子をナノ粒子とする前記シェル被膜ナノ粒子Ａと、請求項７に記載の金平糖型ナノ粒子をナノ粒子とする前記シェル被膜ナノ粒子Ｂとが混在するものである、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法によるシグナル検出システム。
【請求項９】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用されるシェル被膜ナノ粒子であって、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、
平均サイズが１０〜５０ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子。
【請求項１０】
シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用されるシェル被膜ナノ粒子であって、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する金平糖型ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが４５〜７５ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法に関するものであり、特に、サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのラマン散乱光を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属ナノ粒子などの微小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を起こし、それによって増強電磁場（局在表面プラズモン共鳴：ＬＳＰＲ）が発現する。ＬＳＰＲは金属ナノ粒子凝集体の間隙などで特に強く増強される。その間隙に分子が吸着すると、吸着分子のラマン散乱断面積が通常のラマン散乱断面積に比べて１０１１〜１０１４倍に増強され、非常に強いラマン散乱が検出される。この手法は表面増強ラマン散乱（Surface Enhanced Raman Scattering：ＳＥＲＳ）と呼ばれる（非特許文献１、２）。ＳＥＲＳは高い感度、吸着分子を選択的に増強して測定できるなどの特徴から、基礎研究、応用研究の両面において非常に高い関心を持って研究が進められている。
【０００３】
外被層で絶縁されたナノ粒子で増強されたラマン分光である、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法（Shell-Isolated Nanoparticle Enhanced Raman spectroscopy：ＳＨＩＮＥＲＳ）は、高度な表面増強ラマン散乱のうちの一つであり、その多種多様な試料形状や成分に利用できる高い汎用性の面や、突出した増強度からみても、今後期待できる分析方法であると言える（非特許文献３）。
【０００４】
ＳＨＩＮＥＲＳに用いられるナノ粒子の材質としては、金、銀、銅が用いられている。外被層の材質としては、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、グラフェンなどが知られている。外被層による被覆によって、ＳＥＲＳと比較して、対象分子−増強素子間での特異的吸着、電子移動を防止することができ、対象分子のみの光学物性を検出することができる。
【０００５】
ＳＨＩＮＥＲＳでは、感度増強が得られる空間的特定領域（ホットスポット、ホットサイトとも称される。）での増幅が大きく、ホットスポット以外の増幅シグナルは無視できるレベルである。ホットスポットの数は、粒子サイズや形状により変化する。ラマン分光測定に使用されるシェル被膜金ナノ粒子の形状は、球状（ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ、ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ）、棒状（ｎａｎｏｒｏｄ）、星状（ｎａｎｏｓｔａｒ）などが知られている。各形状の金ナノ粒子の製造方法として、金のシード粒子を用いて、分散安定剤のクエン酸ナトリウムの存在下に水溶液中で金イオンを還元し、球状金ナノ粒子を成長させる方法、セチルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）の存在下に水溶液中で金イオンを還元し、金ナノロッドを成長させる方法、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）の存在下に水溶液中で金イオンを還元し、金ナノスターを成長させる方法が知られている（非特許文献４）。感度は形状により変化し、星状ナノ粒子では形状の突起が感度の向上に寄与することが理論的には示唆されている（非特許文献５〜７）。
【０００６】
一方、反応活性に優れた触媒として、マイクロ粒子やナノ粒子といった微粒子化された不均一系の触媒構成が注目され、様々な観点とアプローチからの検討が進められている。１０ｎｍ以下の微粒子では、微粒子化によって活性表面積が増加することで、バルクよりも高活性となることが期待できる。特に粒子径が１ｎｍ程度のサブナノ粒子は、わずか数十以下の原子から構成され、量子サイズ効果に基づいてバンドギャップが大きくかつ離散的となることや、元素固有の特異な幾何構造を形成することから、大きさや形といった単純な構造的特徴に基づいて議論されてきた従来のナノ粒子の考え方では捉えられない側面を有し、ナノ粒子以上の触媒活性や反応選択性を発現することが期待される。
【０００７】
このような触媒としても使用し得るサブナノスケールの微粒子の製造方法として、本発明者らによる独自の方法であるフェニルアゾメチンデンドリマーを鋳型として用いる方法が精力的に探索、開発されてきている。本発明者らにより開発され、その検討が続けられているフェニルアゾメチンデンドリマーは、骨格に高い配位性を示すイミン部位を多数有していることからルイス酸と錯形成が可能である。フェニルアゾメチンデンドリマーは、イミンからの電子供与が末端から中心に向けて増加することで、末端のイミンから中心に向かってイミンの電子密度が増加するという電子密度勾配を有している。この電子密度勾配によって、フェニルアゾメチンデンドリマーに金属塩が錯形成する際、最内層イミンから優先的に金属塩と錯形成していく段階的錯形成が起こる。フェニルアゾメチンデンドリマーの段階的錯形成能を利用することで、白金塩などの１種単独の一元系をはじめとして、各層にそれぞれ異なる金属種を集積する、２種以上の金属塩を用いた二元系以上の精密へテロ金属集積も可能となり、金属塩の個数および組成を規定したデンドリマー錯体を調製できる。この金属塩が配位したデンドリマー錯体を還元することで、粒径分布が極めて小さい精密に制御された金属サブナノクラスターの形成が可能となる（特許文献１〜３）。
【０００８】
金属サブナノクラスターは、今後、燃料電池、排気ガス浄化、メタンの化学変換などの触媒への応用に重要である。ナノ粒子からそれよりも大きいサイズの金属触媒では、粒径と触媒活性の関係はトレーサブルな傾向を示す。これに対して本発明者らは、サブナノ粒子では、原子数の相違が触媒作用に大きく影響することを報告している（非特許文献８、９）。すなわち、サブナノ粒子の触媒活性は、その電子的性質および表面の性質に基づき粒径に対して穏やかな依存性を示すが、エッジ、キンク、ステップ、高い面指数などによって性質が大きく変化する場合がある。このような欠陥を導入する観点では、金属サブナノクラスターによる小粒子化は、全ての欠陥を持つ構造として究極のアプローチである。よって触媒反応におけるサブナノ粒子の原子数の影響を測定、追跡し、その作用を解明できれば、更なる活性向上などの応用に資するものと期待される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Fleischmann, M., et al. (1974). Chemical Physics Letters 26(2): 163-166.
【非特許文献２】Sun, B., et al. (2009). Materials Letters 63(29): 2570-2573.
【非特許文献３】Li, J. F., et al. (2010). Nature 464(7287): 392-395.
【非特許文献４】Frens, G. Nature241.105 (1973): 20-22.
【非特許文献５】Li.Ming.,et al.(2012).Nanotechnology 23(11):115501
【非特許文献６】Barbosa, S. et al. Langmuir. 2010 Sep 21;26(18):14943-50.
【非特許文献７】Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 193(2018) 1-7.
【非特許文献８】Haruta, M. (1997). Catalysis Today 36(1): 153-166.
【非特許文献９】Imaoka, T., et al. (2015 Angew. Chem. Int. Ed 54(34): 9810-9815.
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１８６１０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１５９５８８号公報
【特許文献３】特開２００７−２３１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、これまでＳＥＲＳやＳＨＩＮＥＲＳでも最小２ｎｍ程度の粒子しか測定されていない。粒子サイズが小さくなる程高感度化が必要であるが、原子数単位での相違を検出できる感度が得られていなかった。
【００１２】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、サブナノ粒子に特有の条件に起因するスペクトル変化を測定可能とする方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するものとして、本発明の方法は、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子、またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法であって、シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが１０〜５０ｎｍであり、シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出することを特徴としている。
【００１４】
また本発明の方法は、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法であって、シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する金平糖型ナノ粒子であり、シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが４５〜７５ｎｍであり、シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空間的条件を考慮すると、観測対象物質のサイズが小さいため、ナノ粒子はサイズが小さい程ホットスポットに入りやすいので感度増強が得られる。また球状に対比して、星状や金平糖型はホットスポットの発生箇所が多い効果により感度増強を発揮し易い。レーザ光が星状ナノ粒子や金平糖型ナノ粒子の吸収帯に合致したときの波長条件および空間的条件の相乗作用によって感度が向上し、それによってサブナノ粒子に特有の条件に起因する非結晶な原子構造や特異的な電子状態などで、ラマンスペクトル変化を測定可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は、異なる量のシード溶液を用いて合成された金ナノスターのＳＥＭ像、（ｂ）は、金ナノスターのサイズとシード溶液量の関係を示すプロット（上）および異なるシード溶液量での紫外可視吸収スペクトル（下）である。
【図２】（ａ）は、最適化された金ナノスター（左）とそのシェル被膜（右）のＴＥＭ像、（ｂ）は、この金ナノスターにおけるサイズ分布である。
【図３】（ａ）は、ＤＰＡ−ＴＰＭ−Ｇ４を用いたＳＨＩＮＥＲスペクトルにおける、増強度合い(ＳＨＩＮＥＲＳの入っていない系を1とする)とシード溶液量および金ナノスターのサイズの関係を示すプロット、（ｂ）は異なるサイズの金ナノスターでの紫外可視吸収スペクトルである。
【図４】最適化された金ナノ球状粒子および金ナノスターのＴＥＭ像（左）と、これらを用いて測定したＡｕ（１１１）基板上の単分子膜のラマンスペクトル（右）である。
【図５】金ナノスターのＳＨＩＮＥＲスペクトルにおける、増強度合いと、加熱下でシリカシェルを生成する反応時間の関係を示すプロットである。
【図６】異なるＰＶＰ分子量で合成した金ナノスターの紫外可視吸収スペクトルである。
【図７】異なるＰＶＰ分子量で合成した金ナノスターのＳＥＭ像とサイズ分布である。
【図８】（ａ）は、異なるＰＶＰ分子量で合成した金ナノスターによって増強されたＡｕ（１１１）基板上の単分子膜のラマンスペクトル、（ｂ）は、増強度合いと金ナノスターのサイズの関係を示すプロットである。
【図９】（ａ）は、異なるパルス数（７０Ｖ、３６０μＦ）を用いてＡＰＤにより調製されたＰｔナノプレートのＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像、（ｂ）は、パルス数と、サイズ（■のプロット）およびＰｔナノプレートレットの表面被覆率（●のプロット）の相関を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は、ＡＰＤ Ｐｔナノプレートレット上のピリジンのＳＨＩＮＥＲＳ測定の概略図、（ｂ）は、サイズの異なるＰｔナノプレートレット上に吸着したピリジンのＳＨＩＮＥＲスペクトルである。
【図１１】ＰＶＰのＤＭＦ溶液にＨＡｕＣｌ４のみを添加し撹拌して調製したサンプルの時間安定性を示す写真である。
【図１２】ＰＶＰのＤＭＦ溶液にＰＶＰ保護金シードのみを添加し撹拌して調製したサンプルの時間安定性を示す写真である。
【図１３】金シード添加量を変化させて合成した金ナノスターの紫外可視吸収スペクトルである。
【図１４】合成した金ナノスターのＳＥＭ像である。
【図１５】合成したシリカ被膜金ナノスターのＴＥＭ像である。
【図１６】シリカ被膜を形成する加熱時間を変化させて測定した、ＴＰＭ−Ｇ４を用いたＳＨＩＮＥＲスペクトルである。
【図１７】図１６の信号増強度を、シリカ被膜を形成する加熱時間に対してプロットしたグラフである。
【図１８】（ａ）は、金平糖型金ナノ粒子のシードとなる金ナノ粒子のＳＥＭ像、（ｂ）はサイズ分布である。
【図１９】（ａ）は、金平糖型金ナノ粒子のＳＥＭ像とサイズ分布、（ｂ）は、ＰＶＰ保護ＡｕＮＰ３０シード添加量を変化させて測定した紫外可視吸収スペクトルである。
【図２０】（ａ）は、金平糖型金ナノ粒子（ＮＣ）による増強を示す、サンプルがＭＢＡ−ＳＡＭのラマン分光観察の結果、（ｂ）は星状金ナノ粒子（ＮＳ）との増強の比較結果を示すグラフである。
【図２１】（ａ）は、金平糖型金ナノ粒子のみ（ＮＣ）と、星状金ナノ粒子（ＮＳ）と金平糖型金ナノ粒子を混合した場合(Mixture)の各々のラマン分光観察の結果、（ｂ）はこれらの増強を比較した結果を示すグラフである。
【図２２】（ａ）は、酸化グラフェンで被覆したＡｇ基板を用いて、酸化グラフェン膜上の白金サブナノ粒子に吸着したピリジンを測定したＳＨＩＮＥＲスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
本発明の方法において用いられるシェル被膜ナノ粒子は、特定波長のレーザ光に対して、星状ナノ粒子や金平糖型ナノ粒子の吸収波長を合致させることで感度が向上する。理論的には、レーザ光の波長に対して、ナノ粒子の吸収波長を合致させることで感度が向上することが示唆されている。しかし、実際にレーザ光の波長に合わせた星状ナノ粒子を合成して報告している例は極めて少ない。
【００１９】
加えて、空間的条件を考慮すると、観測対象物質のサイズが小さいため、ナノ粒子のサイズが小さい程、観測対象物質がホットスポットに入りやすいので感度増強が得られる。また球状に対比して、星状や金平糖型はホットスポットの発生箇所が多い効果により感度増強を発揮し易い。これらの波長条件および空間的条件の相乗作用によって感度が向上し、それによってサブナノ粒子に特有の条件、すなわち非結晶な原子構造や特異的な電子状態などナノ粒子にはない条件に起因するスペクトル変化を測定可能とし、ナノ粒子にない原子レベルでの構成原子数変化に起因する構造変化から誘起される微小な変化を測定可能とした。
【００２０】
ここで非結晶な原子構造とは、ナノ粒子の場合、中は結晶となっているが、表面は非結晶である。一方サブナノ粒子はサイズが小さいので非結晶な構造となることである。特異的な電子状態とは、バルクと比較してナノ粒子は特異的な電子状態になるが、サブナノ粒子はサブナノ粒子内部で電子密度分布の偏りが発現し、粒子内分極が起きるなどの特異的な電子状態になることである。
【００２１】
本発明の方法が対象としているサブナノ粒子は、原子数４〜１４７、好ましくは原子数５〜６０である。
【００２２】
ここで、原子数を粒子サイズに換算すると、０．６〜１．７ｎｍである。一例として金粒子の場合、原子数４個で０．６ｎｍ、１４７個（マジックナンバー）で１．７ｎｍと推測できる。
【００２３】
原子数４〜１４７のうち、原子数４は本発明者らによって合成が確認され、特に原子数５以上は安定である。原子数１４７はマジックナンバーで構造的に安定であり、気相合成の先行技術も知られている。原子数６０以下ののサブナノ粒子は、本発明者らによって合成が確認され、安定であることが確認されている。
【００２４】
従来、単純な濃度制御や担体の添加などの条件下で、還元法により白金化合物から合成した白金ナノ粒子としては、粒径２〜５ｎｍ、白金元素数に換算すると１０００以上のものが知られている。これに対してフェニルアゾメチンデンドリマーを鋳型として精密に合成した元素数１２、２８、６０の白金サブナノ粒子（Ｐｔ１２、Ｐｔ２８、Ｐｔ６０）は、それぞれサイズ分布の少ない粒径０．９、１．０、１．２ｎｍのクラスターとなることが確認されている。
【００２５】
サブナノ粒子としては、例えば、その構成元素の金属塩が集積されたデンドリマーの還元物や、第１０族元素チオラート環状多核錯体を担体に担持し、この担持体を水素ガス雰囲気下で焼成した還元物が本発明者らによって報告されている。その他、例えば、アークプラズマ堆積（ＡＰＤ）、気相合成などにより合成されたものが挙げられる。
【００２６】
これらのうち、デンドリマーの還元物としては、フェニルアゾメチンを樹状分岐構造の構成単位とするフェニルアゾメチンデンドリマー、カルバゾールを樹状分岐構造の構成単位とするカルバゾールデンドリマー、フェニルアゾメチンとカルバゾールを組み合わせた構造であるカルバゾール・フェニルアゾメチンデンドリマーなどを用いた方法が本発明者らによって報告されている。これらは、π共役による剛直な構造であるため非常に硬いことを特徴とし、分子の内部には十分な広さの空間が確保され、金属塩と錯体を形成する配位サイトを多数有していることから、多数の金属塩を内層から外層へ各段階の錯形成部位に精密集積するのに適している。
【００２７】
１方向の電子密度勾配型デンドリマーでは、コアから末端にかけて塩基性勾配が生じているため、コアやそれに最も近い１世代目の錯形成部位の錯形成定数が最も高く、外側に向かって段階的に錯形成定数が減少していく。この錯形成定数の差が駆動力となって、金属塩は段階的に中心に近い１世代目から２世代目、３世代目と集積されていく。各層までが充填される数は、コアの分岐数が４の場合、４、１２、２８、６０となり、コアの分岐数が３の場合、３、９、２１、４５となり、コアの分岐数が２の場合、２、６、１４、３０となる。コアに１つの配位サイトを追加したピリジルトリフェニルメタンコアのデンドリマーでは、１、２、５、７、１３となる。
【００２８】
このデンドリマーの金属塩集積体は、例えば、金属塩に対して還元作用を有し、これを０価の状態まで還元することができる水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を用いて還元することによって、その金属元素のサブナノ粒子を製造することができる。
【００２９】
このようにしてデンドリマーの金属塩集積体を還元することで、集積させた金属塩の数に相当する大きさのサブナノ金属粒子を、デンドリマーに包含されたものとして調製することができる。
【００３０】
デンドリマーに集積させる金属塩における金属元素としては、特に限定されない。このような金属元素は、例えば、触媒としての使用のような、金属元素の使用目的に応じて適宜選択される。金属元素としては、例えば、チタン、バナジウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、錫、アンチモン、ハフニウム、タンタル、タングステン、オスミウム、イリジウム、白金、金、ビスマスなどが挙げられる。
【００３１】
本発明の方法においては、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法が用いられる。ラマン分光装置としては、例えば、励起光源のレーザ、フィルタ、分光器、検出器を備えたものを用いることができる。
【００３２】
本発明の方法において用いられる星状のシェル被膜ナノ粒子のサイズは、その吸収極大波長が励起光源のレーザの励起波長との共鳴効果が期待できる１０〜５０ｎｍが好ましく、１０〜３０ｎｍがより好ましい。このような励起波長を持つレーザとして、具体的には、気体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、固体レーザなどが挙げられる。気体レーザとその波長としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６１０〜６９５ｎｍ）Ａｒレーザ（３８０〜５１５ｎｍ）、エキシマレーザ（１９０〜３８０ｎｍ）、ＣＯ２レーザ（１０６００ｎｍ）などが挙げられる。半導体レーザの波長としては、５２３ｎｍ、５３２ｎｍ、６３３ｎｍ、７８５ｎｍなどが挙げられる。
【００３３】
励起光源からのレーザ光は、例えば、シェル被膜ナノ粒子と、サブナノ粒子を含む観測対象物質が表面に固定された基材へ導かれ、観測対象物質を照射し散乱される。これにより発生した散乱光は、フィルタを通してレイリー散乱光を除去しラマン散乱光だけを分光器に導入し、検出器でスペクトルを記録する。分光器は、グレーティングを用いることで、ラマン散乱光を、測定波長、グレーティングの刻線数、焦点距離、スリット幅と回折光の次数で決まる波数分解能で波数毎に分解する。検出器は、微弱な電荷信号を増幅させ光信号を高感度で検出する、ＣＣＤ検出器などが用いられる。
【００３４】
本発明の方法においては、シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子である（本明細書において、ナノスターともいう）。あるいは金平糖型ナノ粒子である。
【００３５】
星状ナノ粒子は、中心部分のコアを有し、突起はコアから外方に突出する。より具体的には、複数の突起がコアから放射状に延びた星型形状を有する。
【００３６】
星状ナノ粒子の材料は、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を発生させることが可能な材料であれば特に限定されないが、金属やそれらの合金が好ましく、金属としては、例えば、金、銀、銅などが挙げられる。
【００３７】
星状ナノ粒子は、例えば、コアとしてシード粒子を成長させる工程と、シード粒子から外方に突起を成長させる工程によって合成することができる。
【００３８】
シード粒子を成長させる工程は、金属コロイドを成長させる方法、例えば、還元剤を使用した溶液中の金属イオンを還元する方法を用いることができる。金を用いる場合の例としては、テトラクロリド金（III）酸の水溶液にクエン酸ナトリウムを加え、水素化ホウ素ナトリウムで還元し、その後ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を加えることでシード粒子となるＰＶＰ被覆球状ナノ粒子の溶液を得ることができる。
【００３９】
シード粒子から外方に突起を成長させる工程は、ＰＶＰ、突起の原料となる金属化合物、およびシード粒子の存在下に金属イオンを還元する方法を用いることができる。金を用いる場合の例としては、テトラクロリド金（III）酸の水溶液をシード粒子となるＰＶＰ被覆球状ナノ粒子の溶液と混合し、これをテトラクロリド金（III）酸の水溶液と混合するか、あるいはテトラクロリド金（III）酸の水溶液をＰＶＰのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液と混合し、これをシード粒子となるＰＶＰ被覆球状ナノ粒子の溶液と混合し、還元反応することで星状ナノ粒子の溶液を得ることができる。この方法では、星状ナノ粒子のサイズはシード溶液の量に反比例する。
【００４０】
シード粒子から外方に突起を成長させる工程は、テトラクロリド金（III）酸の水溶液をシード粒子となるＰＶＰ被覆球状ナノ粒子の溶液と混合し、これをテトラクロリド金（III）酸の水溶液と混合し、還元反応することが好ましい。この手順によれば、テトラクロリド金（III）酸の水溶液をＰＶＰのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液と混合した後の安定性の低下や変色を抑制し、かつ得られる星状ナノ粒子の再現性を高めることができる。
【００４１】
シード粒子から外方に突起を成長させる工程において、ＰＶＰの重量平均分子量は、５０００〜１３００００ｇ／ｍｏｌが好ましい。波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザもしくはその近傍の励起波長を持つレーザを用いた場合、このような波長範囲に吸収極大を持ち、かつサイズが小さく突起も大きいものが得られる点から、１００００〜４００００ｇ／ｍｏｌがより好ましく、１００００〜２００００ｇ／ｍｏｌが更に好ましい。
【００４２】
ＰＶＰは、直鎖状のＮ−ビニル−２−ピロリドンからなる水溶性ポリマーで分子量によって粘度が異なり、一般に１０から１２０までのＫ値（粘性特性値）で分類される。ＰＶＰの重量平均分子量は、例えば、標準ポリスチレンの検量線を用いてゲルパーミエーションクロマトグラフィー法（ＧＰＣ）により下記の条件で測定できる。
【００４３】
ＧＰＣは、高速液体クロマトグラフィー（島津、ＬＣ−１０ＡＰ）にＴＳＫ−ＧＥＬ ＣＭＨＸＬ カラム（東ソー）を接続して４０℃で行った。溶媒はテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を使用し流速は１ｍｌ／ｍｉｎであった。検出器は粘度、光散乱、屈折率の３元検出器（Ｖｉｓｋｏｔｅｃ社、ＴｒｉＳＥＣ ｍｏｄｅｌ ３０２）を使用した。測定に際してはサンプルの約５ｍｇ／ｍｌの溶液を準備し、１００μｌをインジェクトした。
【００４４】
星状ナノ粒子は、シェル被膜によって覆われる。これにより、観測対象との特異的吸着、電子移動を防止することができ、観測対象のみの光学物性を検出することができる。
【００４５】
シェル被膜としては、例えば、金属、半金属、非金属、酸化物、硫化物、炭化物、窒化物などを挙げることができ、具体的には、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、グラフェンなどが挙げられる。シェル被膜がシリカである場合は、例えば、アルコキシドを含むシリカ前駆体から合成することができる。
【００４６】
シェル被膜の平均厚さは、２〜３ｎｍが好ましい。ここでシェル被膜の平均厚さは、ＴＥＭ観察より求める。具体的には、ＴＥＭ像において任意の１０箇所におけるシェル被膜の厚さを測定し、これらの平均値として算出することができる。
【００４７】
本発明の方法においては、星状ナノ粒子によるシェル被膜ナノ粒子の平均サイズが１０〜５０ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍである。ここでシェル被膜ナノ粒子の平均サイズは、ＴＥＭ観察より求める。具体的には、個々のシェル被膜ナノ粒子のサイズは、少なくとも２つ以上でかつ可能な限り多くの突起が接するようにシェル被膜ナノ粒子を内包する円を描き、その円の直径として定義する。そして７０個の任意のシェル被膜ナノ粒子を抽出し、これらの直径の総和を個数で除した値を平均値として算出することができる。
【００４８】
金平糖型ナノ粒子は、中心部分のコアを有し、突起はコアから外方に突出する。より具体的には、複数の突起がコアから放射状に延びた金平糖型状を有する。星状ナノ粒子と比べて特徴的な点は、コアが突起に比べて大きいことで、突起同士は離間しそれらの間からコア表面が露出している。強い増強が得られる、６００ｎｍ付近に吸収ピークを持つナノ粒子の調整が容易である。
【００４９】
金平糖型ナノ粒子は、例えば、コアとしてシード粒子を成長させる工程と、シード粒子から外方に突起を成長させる工程によって合成することができる。これらの工程は星状ナノ粒子と同様である。
【００５０】
金平糖型ナノ粒子は、シード粒子の平均サイズが１５〜３０ｎｍ、好ましくは２１〜２５ｎｍである。金平糖型ナノ粒子によるシェル被膜ナノ粒子の平均サイズは、４５〜７５ｎｍ、好ましくは５５〜６５ｎｍである。ここでシード粒子やシェル被膜ナノ粒子の平均サイズは、ＴＥＭ観察より求める。具体的には、星状ナノ粒子によるシェル被膜ナノ粒子の平均サイズにおいて上記した方法が参照される。
【００５１】
金平糖型ナノ粒子の材料は、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を発生させることが可能な材料であれば特に限定されないが、金属やそれらの合金が好ましく、金属としては、例えば、金、銀、銅などが挙げられる。
【００５２】
金平糖型ナノ粒子は、シェル被膜によって覆われる。これにより、観測対象との特異的吸着、電子移動を防止することができ、観測対象のみの光学物性を検出することができる。シェル被膜は星状ナノ粒子において上記した方法と同様にして形成することができる。
【００５３】
本発明の方法においては、シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、サブナノ粒子または標的分子からのシグナルとしてラマン散乱光を検出する。
【００５４】
本発明の方法においては、サブナノ粒子からのシグナルを直接検出する態様、サブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する態様のいずれであってもよい。基板などの基材表面に、シェル被膜ナノ粒子と、観測対象であるサブナノ粒子もしくは分子種が結合したサブナノ粒子を固定し、この基材に対してレーザ光を照射することで、サブナノ粒子または分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出することができる。
【００５５】
特に、サブナノ粒子に特有の条件、すなわち非結晶な原子構造や特異的な電子状態などナノ粒子にはない条件に起因するスペクトル変化を測定可能とし、ナノ粒子にない原子レベルでの構成原子数変化に起因する構造変化から誘起される微小な変化を測定可能とする。従って本発明の方法は、例えば、燃料電池、排気ガス浄化、メタンの化学変換などの触媒反応におけるサブナノ粒子の原子数の影響の測定、追跡などへの応用が期待される。
【００５６】
サブナノ粒子に結合した分子種からのラマン散乱光を検出する場合、分子種としては、ラマン散乱光を検出することができるものであれば特に限定されない。例えば、有機分子やそのラジカル、イオンなどを挙げることができ、サブナノ粒子への結合態様は、特に限定されず、各種の化学結合や、物理吸着などであってよい。また、触媒反応における原料、中間体、生成物などであってもよい。
【００５７】
シェル被膜ナノ粒子と、観測対象であるサブナノ粒子などを固定する基材は、これらを固定する平面を持つ基板が好ましく、基材の材料としては、特に限定されず、金属、半金属、非金属、酸化物、硫化物、炭化物、窒化物など各種のものを用いることができる。
【００５８】
特に金や銀などを基材に用いた場合、サブナノ粒子との合金化や電子移動が生じて感度の低下を生じる要因となる。このような場合、表面に酸化グラフェンの薄膜を有する基材を用いて、この基材の表面にサブナノ粒子を配置することで、サブナノ粒子と基材との相互作用を抑え、感度を向上させることができる。酸化グラフェンの薄膜は、例えば３層以下程度のLangmuir-Blodgett膜を基材表面に吸着させたものを用いることができる。酸化グラフェンの薄膜は、カルボニル基の親水性と炭素の疎水性による両親媒性の性質を持ち、穏和な条件では高い安定性を持つことから、金や銀などを基材に適用して感度を上げるのに好適である。
【００５９】
以上に説明した他、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナルを検出する方法の好ましい例としては、星状ナノ粒子をナノ粒子とするシェル被膜ナノ粒子Ａと、金平糖型ナノ粒子をナノ粒子とするシェル被膜ナノ粒子Ｂとが混在するシェル被膜ナノ粒子を用いて、シェル被膜ナノ粒子にレーザ光を照射し、サブナノ粒子またはこれに結合した分子種からのシグナルとしてラマン散乱光を検出する。この方法によれば、比較的サイズの小さい星状ナノ粒子をナノ粒子とするシェル被膜ナノ粒子Ａと、比較的サイズの大きい金平糖型ナノ粒子をナノ粒子とするシェル被膜ナノ粒子Ｂとが混合されることで、増強素子の密度が高くなり、またホットスポットの発生箇所が多くなる効果により、シェル被膜ナノ粒子Ａ、Ｂのいずれかの単体を用いた場合に比べて感度増強を発揮し易い。
【００６０】
本発明の方法と同様に、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用されるものとして、次のシグナル検出システムおよびシェル被膜ナノ粒子も本願は開示する。なおシグナル検出システムとは、シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含むものであるが、図１０（ａ）のように基板表面にこれらが互いに混合しかつ接触部位を持つように配置された構造体が典型的なものとして含まれる。
（１）シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用するシステムであって、
シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含み、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが１０〜５０ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法によるシグナル検出システム。
（２）シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用するシステムであって、
シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含み、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する金平糖型ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが４５〜７５ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法によるシグナル検出システム。
（３）シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用するシステムであって、
シェル被膜ナノ粒子と、シグナルの検出対象である、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種を含み、
前記シェル被膜ナノ粒子は、上記（１）の星状ナノ粒子をナノ粒子とする前記シェル被膜ナノ粒子Ａと、上記（２）の金平糖型ナノ粒子をナノ粒子とする前記シェル被膜ナノ粒子Ｂとが混在するものである、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法によるシグナル検出システム。
（４）シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用されるシェル被膜ナノ粒子であって、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する星状ナノ粒子であり、
平均サイズが１０〜５０ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子。
（５）シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による、原子数４〜１４７のサブナノ粒子またはこのサブナノ粒子に結合した分子種からのシグナル検出に使用されるシェル被膜ナノ粒子であって、
前記シェル被膜ナノ粒子におけるナノ粒子が、外方に突出する突起を有する金平糖型ナノ粒子であり、
前記シェル被膜ナノ粒子の平均サイズが４５〜７５ｎｍである、シェル被膜ナノ粒子。
【実施例】
【００６１】
以下に、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
ナノスターの合成
本例で用いられた金ナノスターの合成方法は、球状ナノ粒子やナノロッドなどと同じくシードを媒介した方法でもあるが、クエン酸塩やＣＴＡＢの代わりにポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）が分散安定剤（界面活性剤）として使用されている。
【００６２】
まずＨＡｕＣｌ４（テトラクロリド金（III）酸）水溶液にクエン酸ナトリウムを加え、毎回新たに調製されたＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）で還元し、その後ＰＶＰを加えることでシード（種）となるＰＶＰ被覆球状ナノ粒子溶液を得た。続いてシード粒子に突起を生やすために、ＨＡｕＣｌ４およびＰＶＰのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液をシード粒子溶液に混ぜ、３５℃で１２時間攪拌した。
【００６３】
具体的には、Ａｕシード溶液は、ＨＡｕＣｌ４溶液（９０ｍＬ、０．０１重量％）、クエン酸ナトリウム溶液（２ｍＬ、１重量％）およびＮａＢＨ４溶液（１ｍＬ、０．０７５重量％）を混合することにより調製した。次に、得られたＡｕシード溶液５０ｍＬを、室温で２４時間、ＰＶＰ５ｇ（２．５ｍＭとされる）と２４時間混合しＰＶＰ被覆Ａｕシード溶液を得た。
【００６４】
続いて、１６０μＬの１ｗｔ％ＨＡｕＣｌ４溶液を３ｇのＰＶＰ（重量平均分子量４００００ｇ／ｍｏｌ  Ｋ−３０）とＤＭＦ中で混合し、異なる量のＰＶＰ被覆シード溶液（４０〜２６０μＬ）を加え、次いで３５℃で１２時間撹拌した。調製したナノスター溶液を８０００ｒｐｍで３０分間遠心分離し、次いでＭｉｌｌｉ−Ｑ水とメタノール（１：１）の混合物で上清を交換して有機溶媒および界面活性剤を除去した。このプロセスを、Ａｕナノスター試料を清浄するために５回繰り返した。
【００６５】
ナノスターのサイズはシード溶液の量に比例する。上記洗浄後、調製された金ナノスターを、ＡＰＴＭＳ（３−アミノプロピルトリメトキシシラン）、またはＡＰＴＥＳ（３−アミノプロピルトリエトキシシラン）とケイ酸ナトリウム溶液とに混ぜ、室温で攪拌し、その後、湯浴中で暖める（９０〜９５℃）ことで、シリカシェルによって被覆した。
【００６６】
様々なシード溶液（４０〜２６０μＬ）を含む合成されたナノスターの紫外−可視吸収スペクトルは、そのサイズに応じて、７８０〜５８０ｎｍの範囲で青色シフトした表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）ピーク位置を示した（図１（ｂ）下）。この結果は、Ａｕナノスターの場合、特にＳＨＩＮＥＲＳ最適化目的のために、シードと成長溶液の混合比によってＳＰＲ特性を容易に制御できることを示した。
【００６７】
本例で用いるレーザ波長６３３ｎｍに対し、６１０〜６０５ｎｍ程度のＳＰＲ吸収波長を持つナノスターが、ラマンシグナルの最大増強に適している。ＳＰＲ吸収波長は紫外−可視吸収スペクトルで確認できる。シード溶液１８０μＬのときが最適であった（図３（ａ）)。
【００６８】
サイズについては、加熱時間１５〜２０分でシリカ被膜の厚みは２〜３ｎｍとなり、結果として金ナノスターの平均サイズは２８ｎｍが最適であった。ＳＨＩＮのＴＥＭ画像は平均サイズ２７．６±２．４ｎｍを示した（図２（ａ）、（ｂ））。大きな倍率のＴＥＭ像では、シェルの厚さが２〜３ｎｍの表面層が見られた（図２（ａ）右）。
【００６９】
Ａｕナノスターの平均サイズは、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ画像によって観察され、シード溶液の量が増加するにつれてサイズの減少を示した（図１（ａ）、（ｂ））。金ナノスターのＳＥＭ／ＳＴＥＭ像は、（１）Ａｕナノスターが複数の突起構造を有すること、（２）シード溶液の量が増加すると頂点の曲率半径が減少すること、（３）シード溶液の量が増加すると平均サイズが減少することを示した。後者は、シードあたりの成長溶液中のＡｕ原子の濃度が高シード濃度溶液（例えば、２６０μＬ）中で相対的に低くなるため、溶液中に十分なＡｕ原子がなく、鋭い突起を成長させることができないことが考えられる。実験的かつ理論的には、高いミラー指数を有する微小表面結晶で支配的に頂点成長が起こり、低シード濃度溶液の場合にはＡｕ原子の連続供給があれば時間の経過とともに鋭い突起の形成を誘導する（例えば、４０μＬ）。
【００７０】
ＤＰＡ−ＴＰＭ−Ｇ４を用いたラマン分光測定によるナノスターの最適化
Ａｕナノスターを用いたＳＨＩＮＥＲＳの最適化に向けて、ＤＰＡ−ＴＰＭ−Ｇ４（トリフェニルメタンをコアとする第４世代のフェニルアゾメチンデンドリマー）を標準サンプルとしたラマンスペクトルを、異なるサイズのＡｕナノスターのＳＨＩＮと比較した（図３）。ＤＰＡ−ＴＰＭ−Ｇ４とＡｕナノスターを固定する基板には、シリカ基板を用いた。１８０μＬのシード溶液で合成された、約２７．６±２．４ｎｍの平均サイズを有するＡｕナノスターＳＨＩＮが最も高い増強効果を示した。
【００７１】
Ａｕ球状ナノ粒子においては、同様の検討によって１２０ｎｍの平均サイズを有する場合に、６０５〜６１０ｎｍにＳＰＲピークトップを有し、最も高い増強効果を示すことを確認している。Ａｕ球状ナノ粒子とＡｕナノスターとの感度比較をすると、Ａｕナノスターでは１．４倍ラマン増強している。これは、サイズ効果と分枝構造効果の両方に起因すると考えられ、球状ナノ粒子の場合にはホットスポットが１つしかないのに対し、ナノスターでは粒子間ギャップにおいて複数の場所でより強いホットスポットが誘導されるためと推測される。既知文献で、ナノスターの感度の実証をしているものはなく、本例が初めてである（既知文献では、ナノスターの金表面に直接ターゲットを固定し、その上にシリカ被膜をコ−ティングしているので、本例で使用しているナノスターとは構成が異なる。）。
【００７２】
金（１１１）基板上での検討
ガラス上に堆積したＡｕ薄膜（Ａｒｒａｎｄｅｅ、Ｇｅｒｍａｎｙから購入）をメタノールおよびＭｉｌｌｉＱ水で最初にすすぎ、次いでブタンバーナーによる軽い火炎焼き鈍しを数分間行ってＡｕ（１１１）のような表面を形成した。次いでこれをＡｒ雰囲気中で室温まで冷却した。その後のＡｕ（１１１）表面を４−メルカプト安息香酸（ＭＢＡ）エタノール溶液（１ｍＭ）に室温で一晩浸漬して自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成した。
【００７３】
新たに調製したＳＨＩＮ溶液を、ＳＨＩＮＥＲ測定の直前にＳＡＭ改質表面上でキャストし、乾燥させた。ＡｕナノスターＳＨＩＮには、最も感度の高い前記の平均サイズ２８ｎｍのＡｕナノスターと平均サイズ１２０ｎｍのＡｕ球状ナノ粒子を用いた。
【００７４】
ＳＨＩＮＥＲスペクトル（図４）の比較から、ナノスターが球状ナノ粒子よりも５．３倍と非常に高いラマン増強を示した。これは、Ａｕ基板の存在下では球状ナノ粒子よりもナノスターにおいてより高い感度向上効果が生じることを示している。これは、金ナノスターの方が単位面積当たりのホットスポットの数が多く、前記のシリカ基板と比較してＡｕ基板では、ＡｕナノスターとＡｕ基板間のホットスポットの数が増えた分感度が加算されたためと考えられる。
【００７５】
＜実施例１＞
Ａｕナノスターを合成するためのＰＶＰの分子量として、重量平均分子量１００００ｇ／ｍｏｌ、２９０００ｇ／ｍｏｌ、４００００ｇ／ｍｏｌ、および５５０００ｇ／ｍｏｌを使用し、ＰＶＰの分子量の最適化を検討した。ナノスターの製造方法は、ナノスターの合成に記載した方法で行った。
【００７６】
シード溶液の各濃度における紫外−可視吸収スペクトルを測定したところ、ＰＶＰ分子量によらず６１０ｎｍにＳＰＲピークを示した（図６）。ガラス上に堆積したＡｕ薄膜をメタノールおよびＭｉｌｌｉＱ水で最初にすすぎ、次いでブタンバーナーによる軽い火炎焼き鈍しを数分間行ってＡｕ（１１１）のような表面を形成した。次いでこれをＡｒ雰囲気中で室温まで冷却した。その後のＡｕ（１１１）表面を４−メルカプト安息香酸（ＭＢＡ）エタノール溶液（１ｍＭ）に室温で一晩浸漬して自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成した。
【００７７】
新たに調製した各ＰＶＰ分子量によるＳＨＩＮ溶液を、ＳＨＩＮＥＲ測定の直前にＳＡＭ改質表面上でキャストし乾燥させた。各ＰＶＰ分子量によるＡｕナノスターをＳＥＭで観察した（図７）。分子量の増大に従い粒子径は増大する傾向を示した。
【００７８】
ＳＨＩＮＥＲスペクトルを比較した。ＰＶＰ分子量が小さくサイズが小さい程、ラマン増強は大きい傾向にあり、ＰＶＰ分子量が１００００ｇ／ｍｏｌのＡｕナノスターは、ＰＶＰ分子量が４００００ｇ／ｍｏｌと比較して、ラマン増強は２．５倍であった（図８）。
【００７９】
ＰＶＰの分子量１００００ｇ／ｍｏｌの場合、４００００ｇ／ｍｏｌよりもサイズは小さく、チップ（突起）も小さく、曲率半径の大きな突起部位が多いことがＳＴＥＭで観察された。よって高いラマン増幅は、限られた空間内により多くのホットスポットが発生するためと考えられる。
【００８０】
シェル被膜については、図５のグラフに示すように、ＳＨＩＮｓは、１５分の加熱時間で作製したシリカシェルの場合が最も高いラマン増幅を示した。そのシェルの厚さはＴＥＭ測定で３ｎｍ程度であった。ナノスター表面のシリカコーティングは、室温で行い初期段階のシリカ形成反応をモニタリングした。
【００８１】
＜実施例２＞
アークプラズマ堆積（ＡＰＤ）によって製造されたＰｔナノ粒子は、ナノスケールとサブナノスケールとの間の「スケール間」でサイズ効果を探索する最初のモデルサンプルである。異なるサイズのＰｔナノ粒子を得るために、ＡＰＤの操作条件（パルス数、バイアス電圧）を変化させ、準備したサンプルのサイズ分布を観察するためにＳＴＥＭを用いた。
【００８２】
ＡＰＤでは、パルス数を１０〜１００回（パルス周波数２Ｈｚ）に変化させてバイアス電圧を７０Ｖに設定することにより、高配向熱分解グラファイトＨＯＰＧ基板上にサイズの異なるＰｔナノ粒子を堆積させた。清浄なＨＯＰＧ表面は、各堆積プロセスの直前にスコッチテープで剥離することによって調製した。作製したままのＰｔナノ粒子の構造をＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭで調べた。
【００８３】
ＳＴＥＭ観察からは、ナノプレートレットのようないくつかの原子層を有する平坦な島の形成を示している。Ｐｔナノプレートレットの平均サイズは、０．７９ｎｍから１．９５ｎｍの範囲でパルスの増加と共に増加した（図９）。ＳＴＥＭ画像におけるＰｔの被覆面積から計算した表面被覆率も同様の傾向を示した。これらの結果は、ＡＰＤによってサイズが制御可能なＰｔナノプレートレットが生成されたことを実証し、サイズ効果のさらなる調査のためのモデルナノ／サブナノ材料として使用することができる。
【００８４】
アノードとカソードとの間のバイアス電圧は、ＡＰＤナノプレートレットのサイズに影響を及ぼし得る別の重要な実験条件である。ここでは、バイアス電圧を１０回のパルスで７０〜１２０Ｖまで変化させて、粒径に対するバイアス電圧の影響を見いだした。すなわち、バイアス電圧が７０から１２０Ｖに増加すると、サイズは０．７９から１．１７ｎｍに増加した。バイアス電圧が高い場合には、サイズ分布が狭くなった。したがって、できるだけ高いバイアス電圧でＰｔナノ粒子を製造することが推奨される。
【００８５】
ナノサイズとサブナノサイズのスケール間のサイズ効果を調べるための理想的なモデルサンプルであるＡＰＤ法により、異なるサイズのＰｔナノプレートレットとその分布が合成された。この中間スケール範囲でのサイズ効果の解釈は、実用的なサブノスケール材料に焦点を当てる前に特に重要である。
【００８６】
純粋な金属粒子のみではラマン活性を発現しないので、観測指標としてピリジンを用いてＰｔナノプレートレットの分光学的サイズ効果を調べた。ピリジン（Ｐｙ）は、歴史的にラマン分光法のための観測指標として使用されてきた。
【００８７】
ＨＯＰＧ基板上にＡＰＤパルス数を調整することにより、０．８、１．０、１．５ｎｍの平均サイズを示す異なるサイズのＡＰＤ Ｐｔナノプレートレットを作製した。ＡＰＤの後にＨＯＰＧ基質上に２〜３ｎｍのシリカシェルを有する５μＬのＡｕナノスターＳＨＩＮをキャストし、自然乾燥させた。その後、１０μＬのＰｙ溶液（１０ｍＭ）に１時間したサンプル基板をＭｉｌｌｉ−Ｑ水ですすぎ、余分な物理吸着Ｐｙを除去した後、常温アルゴン雰囲気下で乾燥させた。ＳＨＩＮＥＲＳ測定では、６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを励起光源として用いた。
【００８８】
ラマンスペクトルは、リングビリーシング振動モデル（ν１）とリングデフォーメーション振動モデル（ν１２）としてそれぞれ９９９ｃｍ−１および１０２７〜１０３０ｃｍ−１に同定されたＰｙからの２つのピークを示した（図１０）。注目すべきことに、ν１２シグナルは、一般的なラマン分光法では観測することは困難である。ν１２のピーク位置は、Ｐｔサイズが減少することで１０３０から１０２７ｃｍ−1への赤方偏移を示し、さらに、レイリー散乱ピークの半値全幅(ＦＷＨＭ)も減少した。
【００８９】
この赤方偏移は、配位数効果と分子間横方向相互作用という２つの側面から、それぞれ説明することができる。
【００９０】
ＡＰＤ Ｐｔナノプレートレットは、平坦な頂部を有する島構造を有する。平面におけるテラスとエッジを比較すると、テラスは高い配位数（９）を有するＰｔ原子から構成されている。一方、エッジサイトは、より低い配位数を有するＰｔ原子を常に含み、より高い吸着エネルギーを有する。したがって、エッジサイトは一般的に、吸着関与反応に対してテラスサイトより高活性を示す。
【００９１】
ナノ粒子表面におけるエッジサイズとテラスサイズを比較すると、より小さい粒子は大きな粒子よりエッジの比率が高いことが分かる。したがって、より小さいサイズのナノプレートレットは、高い吸着エネルギーを示す。Ｐｔ上に吸着されたＰｙについては、より高い吸着エネルギーはより強いＰｙ−Ｐｔ相互作用をもたらし、より特異的で強いＮ−Ｐｔ結合をもたらす。この状況下で、小さなＰｔ粒子に吸着されたＰｙのｖ１２モードは弱くなり、低波数領域にシフトする。
【００９２】
考慮すべきもう一つの理由は、吸着されたＰｙ分子間の横方向の相互作用である。Ｐｔ表面上に吸着したＰｙ単分子膜のテラス部分では、隣接するＰｙ分子との距離が短いため、エッジサイトよりも強い分子間横方向相互作用が起こる。より強い横方向相互作用は、Ｐｙの振動を制限するため、より多くの励起エネルギーを必要とする。したがって、振動ピークが高波数領域へシフトする。つまりより小さいＰｔナノプレートレットでは、エッジサイトが支配的になるので、Ｐｙ分子間横方向相互作用が相対的に弱くなり、励起エネルギーが低波数シフトする。
【００９３】
注目すべき点は、配位数と横方向の相互作用による影響は、エッジサイトの含有量が支配的である場合、換言すれば、Ｐｔナノ粒子がそのサブナノスケールで１ｎｍ（４原子の距離）未満である場合にのみ有効であることである。
【００９４】
この２つのメカニズムを組み合わせることにより、より小さいサイズのＰｔナノプレートレットは、吸着エネルギーがより強くなり、吸着されたＰｙ分子のより弱い横方向相互作用をもたらすエッジ表面の比が高くなり、この２つの理由の両方が、白金ナノプレートレットのサイズの減少とともにｖ１２ピークの赤方偏移を引き起こすと考察される。
【００９５】
＜実施例３＞
星状ナノ粒子の合成方法
上記の例ではシェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法（ＳＨＩＮＥＲＳ法）の増強素子として直径３０ｎｍ程の星状の金ナノ粒子（ＡｕＮＳ）を導入することで、サブナノ粒子の検出に成功した。しかし、実験の再現性の低さが課題となっていた。そこで星状増強素子ＳＨＩＮＥＲＳ法の高再現性、定量的評価を可能にすることを目的とし、シリカ皮膜金ナノ粒子の合成条件の問題点を精査・最適化を行った。
i) シードの合成とＰＶＰ保護
ＡｕＮＳ合成法として、金の球状小粒子（シード）を合成し、これを核として星状金ナノ粒子（ＡｕＮＳ）に成長させる段階的核−成長合成法を用いた。
【００９６】
まず核となる金シードについて、９０ｍＬの０．０１ｗｔ% ＨＡｕＣｌ４を１ｍＬ ０．０７５ｗｔ% ＮａＢＨ４で室温還元し、２ｍＬの１ｗｔ% Ｎａ３−ｃｉｔｒａｔｅで保護、アルミ箔で遮光し１日室温で撹拌することで合成した。続いて金シード溶液５０ｍＬにＰＶＰ (Ａｌｄｒｉｃｈ, 平均分子量１０，０００ｇ／ｍｏｌ)を５ｇ添加、遮光し半日室温で撹拌することでＰＶＰ保護シードを合成した。合成した金シードについて、ＳＥＭ観察から平均長軸長５．７ｎｍの粒子の生成を確認した。
【００９７】
ii) ＡｕＮＳ合成法の予備検討
先行実施例でのＡｕＮＳ合成手順では１５ｍＬ ＤＭＦにＰＶＰ ３ｇ，１ｗｔ％ ＨＡｕＣｌ４ １９０μＬを加えて調製した成長液にＰＶＰ保護金シードを滴下した。しかし、金シードを加える前での成長液の変色が見られ、かつ得られるＡｕＮＳの再現性が著しく低いことが課題として判明した。そこで予備実験としてＰＶＰのＤＭＦ溶液にそれぞれＨＡｕＣｌ４のみ、ＰＶＰ保護金シードのみを添加し撹拌したものを調製し、両者の時間安定性を比較した。
【００９８】
ＨＡｕＣｌ４のみを１９０μＬ添加したサンプルではわずか３分で黄色から紫へと変色した（図１１）。一方ＰＶＰ保護金シード１０００μＬを加えたものでは４０分経っても色の変化が見られなかった（図１２）。これよりＰＶＰのＤＭＦ溶液中ではＨＡｕＣｌ４に比べ、ＰＶＰ保護金シードの方が安定であると考えられる。
【００９９】
iii)ＡｕＮＳの合成
ＰＶＰ ３ｇを１５ｍＬのＤＭＦに溶解させ、ＰＶＰ保護金シードを１４００〜２０００μＬ、１ｗｔ％ ＨＡｕＣｌ４ １９０μＬを順番に速やかに加え、遮光して室温撹拌（３０分）することでＡｕＮＳを合成した。
【０１００】
金シード添加量を増加させたところ、ＳＰＲピークは低波長シフトし（図１３）、ＳＥＭ像から星型の粒子の合成を確認した（図１４）。本結果からは、波長が６００ｎｍにピ−クがあるＰＶＰ保護金シード１６００μＬを、ＰＶＰ含有ＤＭＦ溶液に添加し、１ｗｔ％ ＨＡｕＣｌ４を１９０μＬ添加後、３０分反応させたＡｕＮＳが最も強い増強を持つことが示唆された。
【０１０１】
iv) シェル被膜星状金ナノ粒子ＳＨＩＮｓ（ＡｕＮＳ）の合成
合成したＡｕＮＳ全量を超純水で２０ｍＬに希釈し、１ｍＭ ＭＰＴＥＳ １ｍＬ、０．０５４ｗｔ％ Ｎａ３−ｓｉｌｉｃａｔｅ(ｉｎ ２Ｍ ＨＣｌａｑ.)２ｍＬを加え、９５℃のウォーターバスで加熱・撹拌することでシリカ被膜金ナノスター(ＳＨＩＮｓ(ＡｕＮＳ))を合成した。ＴＥＭ像から３０分加熱したものにおいて１．８ｎｍ程度シリカ被膜された星状粒子が生成していることを確認した（図１５）。
【０１０２】
v) ＳＨＩＮｓ（ＡｕＮＳ）によるシェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法観察
シリコン基板に３μＬのＳＨＩＮｓ（ＡｕＮＳ）を滴下、乾燥した後、第４世代フェニルアゾメチンデンドリマーＴＰＭ−Ｇ４を滴下し、シェル被膜ナノ粒子増強ラマン分光法による増強度比較観察を行い、ＳＨＩＮｓ （ＡｕＮＳ）によるＴＰＭ−Ｇ４由来のラマン信号の増強を確認し（図１６）。信号増強度をシリカ膜厚に直接比例する加熱時間に対してプロットしたところ（図１７）、１０分間の加熱によりシリカ被膜を行った場合に増強度が最大７．２倍を示し、これまでと同程度の結果を得た。
【０１０３】
＜実施例４＞
金平糖型金ナノ粒子増強素子の合成とラマン分光法観察
i) ＰＶＰ保護直径約３０ｎｍの金ナノ粒子の合成
０．０１ｗｔ％金酸水溶液を還流中、クエン酸還元することで直径約３０ｎｍの金ナノ粒子を合成した（図１８）。これに１０ｗｔ％のＰＶＰ（分子量１００００）を加え、室温で１日撹拌することでＰＶＰ保護ＡｕＮＰ３０シードとした。
【０１０４】
ii) 金平糖型金ナノ粒子（ＡｕＮＣ）の合成
上記のシードを用いて、星状金ナノ粒子（ＡｕＮＳ）と同様の手順により金平糖型金ナノ粒子（ＡｕＮＣ）の合成を行った。ＰＶＰのＤＭＦ溶液にＰＶＰ保護ＡｕＮＰ３０シード、金酸を順番に加え、遮光下、１２５℃で３０分撹拌し、ＡｕＮＣを合成した。ＰＶＰ保護ＡｕＮＰ３０シード添加量を調整することで、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）波長の位置を最適化した。６００ｎｍ付近に吸収を持つ金平糖型金ナノ粒子を再現性良く合成した。ＳＥＭ測定から長軸長が５５±７ｎｍの粒子の合成を確認した（図１９）。
【０１０５】
iii) シリカ被膜（ＡｕＮＣ）の合成
得られたＡｕＮＣ（５５ｎｍ）にシリカ被膜を行い、シリカ被膜形成によるＳＰＲピークのブルーシフトを確認した。これはＡｕＮＳへのシリカ被膜と同じ挙動であり、数ｎｍのシリカ被膜形成が示唆された。
【０１０６】
下記にＡｕＮＣの合成スキームをＡｕＮＳと対比して示す。
【０１０７】
【化１】
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iv) ラマン分光観察
サンプルがＭＢＡ−ＳＡＭのラマン分光観察から、星状金ナノ粒子（ＮＳ）と金平糖型金ナノ粒子（ＮＣ）の増強を確認した（図２０）。金平糖型金ナノ粒子ＮＣは、星状金ナノ粒子ＮＳより約１．８倍高い増強を示した。
【０１０８】
次にサンプルがＭＢＡ−ＳＡＭのラマン分光観察から、金平糖型金ナノ粒子のみ（ＮＣ）と、星状金ナノ粒子(ＮＳ)と金平糖型金ナノ粒子を混合した場合(Mixture)の増強を比較した。下記に（ａ）星状金ナノ粒子、（ｂ）金平糖型金ナノ粒子のみ、（ｃ）これらを混合した場合(Mixture)を概念的に示す。
【０１０９】
【化２】
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その結果、単体（ＮＣ）より混合したMixtureの方が１．９倍強い増強が得られた（図２１）。
＜実施例５＞
Ａｇ基板を被覆するＧＯの作製
純Ａｇ基板（０．１ｍｍ）を１０ｍｍ×１０ｍｍのシートに切断した。これらのＡｇシートをオゾンクリーナーで２００秒間処理して表面を親水性にした。Langmuir-Blodgettを用いてＡｇ基板をＧＯフィルムで覆った。ＧＯを約３０分間の超音波処理により１ｍｇ／ｍＬの水／メタノール（１：５）溶液に分散させた。５ｍＬの調製したままのＧＯ溶液を次に細い針でＭｉｌｌｉＱ水面上に注意深く滴下した。表面積は、表面圧力が２０ｍＮ／ｍ２になるまで、移動バーによってわずかに減少した。その後、Ａｇ基板を液面に浸し、２ｍｍ／分の速度でゆっくり引き上げた。シートをエアガンで乾燥して余分な液体を除去した。Ａｇシート上のＧＯ膜の平均厚さは、偏光解析法の結果から推定される約２．５ｎｍである。
【０１１０】
白金サブナノ粒子の作製
ＴＰＭ−ＤＰＡ Ｇ４を最初に１μＭのＣＨＣｌ３／ＣＨ３ＣＮ（１：１）溶液に溶解し、次いで１２または６０当量を加えた。ＰｔＢｒ４（３ｍＭ、ＣＨ３ＣＮ）、グローブボックス中で撹拌し続ける。２時間撹拌した後、混合物を氷浴中で冷却し、次いで６０当量に冷却した。ＮａＢＨ４ＭｅＯＨ溶液（２０ｍｇ／ｍＬ）をＤＰＡ−Ｐｔ錯体溶液に加えた。色が黄色から透明に変わったら、すぐに溶液をＧＯ／Ａｇシートにキャストした。
【０１１１】
ラマン分析
全てのラマンスペクトルは、Ｈｅ-Ｎｅレーザー（波長６３２．８ｎｍ）によって取得した。１０μＬのピリジン溶液（１０ｍＭ）を調製したままのシート上にキャストし、１時間保持し、余分な溶液を除去し、さらに３回水洗して遊離ピリジン分子を完全に除去した。５μＬのシェル単離されたＡｕＮＳをシート上にキャストし、風乾した。１００秒（０．１％）のレーザ照射下で、Ｐｔに吸着したピリジンのラマンスペクトルを得た（図２２）。下記は測定の際における状態を概念的に示している。
【０１１２】
【化３】
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ラマンスペクトルは、ピリジンの２つの異なる振動モード、それぞれリングビリーシング振動モデル（ν１）とリングデフォーメーション振動モデル（ν１２）である。ν１２モードのピーク位置はＰｔ１２上の１０２４ｃｍ−１からＰｔ６０上の１０２７ｃｍ−１にシフトするが、ν１モードは粒子サイズに影響されない。この結果は、Ｐｔサブナノ粒子に吸着したピリジンのラマン挙動がＰｔバルク（Li J F, Ding S Y, Yang Z L, et al. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(40): 15922-15925.）のそれとは異なることを示している。
【０１１３】
サイズの違いはわずか０．３ｎｍであるが、ラマン信号にはまだ３ｃｍ−１のラマンシフト差があり、この方法の高感度を示している。同時に、Ａｇからの信号はなく、このことは、ＧＯ膜がＰｔサブナノ粒子をＡｇ基板から分離することができることを意味する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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