(57)【要約】  表面増強ラマン散乱(SERS)を実施するための装置が開示され、該装置では容器の内側表面がSERS活性物質、例えば貴金属のナノ粒子でコートされている。該容器は部分的に封止された、光拡散キャビティであり得、その内側表面は内部に含まれる分析対象物のラマン散乱及び光学的積分を増強し、それによって光学的励起及び信号収集を向上するという二つの目的を達成する。該容器は外部環境からSERS活性物質を隔離するように構成され得る。容器は、円柱状管であってよく、SERS管と呼ばれ得る。容器の内側表面を、パルスレーザーアブレーションによってコートする、及びナノ粒子コロイドによってコートする２つの方法が開示される。
2014509744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側表面を有する容器を含み、該内側表面の少なくとも一部はSERS活性物質によってコートされている表面増強ラマン散乱(SERS)用の装置。
【請求項２】
前記SERS活性物質はナノ粒子を含み、該ナノ粒子は金、銀、銅又はそれらの合金を含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記SERS活性物質は、約5 nm〜約500 nmのサイズを有するナノ粒子を含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記サイズが約5 nm〜約200 nmである、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記容器は透明物質を含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記透明物質は、ガラス又は石英を含む、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記容器の少なくとも一の末端が封止されている、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記容器は約0.1 mm 〜約 10 mmの内径を有する、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記容器が、約0.1 mm〜約10 mmの、前記内側表面と外側表面との間の厚みを有する、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記容器の長さが、約1 mm 〜 約100 mmである、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記容器が、その内側に配された環状部分を含み、前記環状部分が前記環状部分の少なくとも内側表面上にコートされたSERS活性物質を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記容器が剛直もしくは可撓性の、概して円柱形状の管を含む、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記容器の少なくとも一部が対称もしくは非対称の多角形形状の断面を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
下記ステップを含む、容器の内側表面にナノ粒子をコートする方法：
前記容器内に標的を挿入するステップ、
パルスレーザービームを前記容器内、及び前記標的へと導くステップであって、前記ビームは前記容器の端面から入射される、ステップ、
前記パルスレーザービームを用いて前記標的物質を融除してナノ粒子を生成するステップ、及び
前記ナノ粒子を前記容器の内側表面上に堆積させて前記内側表面をコートするステップ。
【請求項１５】
前記パルスレーザーが約10 fs 〜100 nsのパルス幅を有するパルスを生成する、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記パルスが約0.1〜10 psのパルス幅を有する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記標的物質が金、銀、銅又はそれらの合金を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
下記ステップを含む、透明容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法：
前記容器内に標的を挿入するステップ、
前記パルスレーザービームを前記容器内の前記標的に当てるように、パルスレーザービームを前記透明容器の外側から、及び前記容器の少なくとも一の壁を通して導くステップ、
前記パルスレーザービームを用いて前記標的物質を融除してナノ粒子を生成するステップ、及び
前記ナノ粒子を前記容器の内側表面上に堆積させて前記内側表面をコートするステップ。
【請求項１９】
前記パルスレーザーが約10 fs 〜約100 nsのパルス幅を有するパルスを生成する、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記パルスが約0.1〜10 psのパルス幅を有する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記標的物質が金、銀、銅又はそれらの合金を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２２】
前記パルスレーザービームが、鏡を前記標的の表面に対して動かすことによって走査される、請求項１８記載の方法。
【請求項２３】
前記レーザーを導くステップの間に、前記容器をその軸に沿って併進させるステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２４】
前記方法が、前記レーザーを導くステップの間に、前記容器を前記容器の長さ方向に沿って併進させるステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２５】
前記方法が、前記レーザーを導くステップの間に、前記容器を回転軸の周囲に回転させるステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２６】
下記ステップを含む、容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法：
金、銀、銅、又はこれらの合金のナノ粒子のコロイド溶液を前記容器内に注入するステップ、
前記コロイド溶液の溶媒を蒸発させて前記ナノ粒子を前記容器の前記内側表面上に堆積させるステップであって、前記ナノ粒子は前記蒸発させるステップの後に前記内側表面に残る、ステップ
【請求項２７】
前記ナノ粒子コロイドの溶媒が水を含む、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記ナノ粒子コロイドの溶媒が、アセトン、メタノール、イソプロパノール、エタノール、又は複数のアルコールを含む有機溶媒を含む、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
蒸発が、前記容器を前記溶媒の沸点付近で加熱することによって誘導される、請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
コロイド溶液の前記ナノ粒子が液体中の標的のパルスレーザーアブレーションによって生成される、請求項２６記載の方法。
【請求項３１】
下記を含む、表面増強ラマン散乱（SERS）を実施するための分光システム：
容器の配列であって、各容器は請求項１記載の装置を含む、容器の配列；及び
複数の光ファイバーであって、各ファイバーは前記容器の配列における各容器内へと挿入されており、励起信号を送り及びSERS信号を収集する、複数の光ファイバー。 
【請求項３２】
下記ステップを含む、容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法：
前記容器内に標的を挿入するステップ
前記容器内へとパルスレーザービームを導くステップであって、前記ビームは前記容器の端部から入射される、ステップ；
前記レーザーにより前記標的の一部を除去してナノ粒子を生成するステップ；及び
前記ナノ粒子を前記容器の内側表面上に堆積させるステップ。
【請求項３３】
下記ステップを含む、透明容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法：
前記容器内に標的を挿入するステップ；
パルスレーザービームを前記容器の外側から、及び前記透明容器の少なくとも一の表面を通って導いて、前記パルスレーザービームを前記透明容器内の前記標的に当てるステップ；及び
前記パルスレーザーにより前記標的の一部を除去してナノ粒子を生成するステップ；及び
前記ナノ粒子を前記容器の内側表面上に堆積させるステップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子、特に生体分子を検出するための表面増強ラマン散乱(SERS)に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面増強ラマン散乱(SERS)は、特定の分子を検出するための感度の良い分析技術である。SERS法では、通常のラマン散乱が金属、例えば金、銀及び銅の、粗くされた表面によって増強される。特に、数十分の一ナノメートルオーダーのナノメータースケールの粗さ（二乗平均粗さで10 nm 〜100 nm）が、最も顕著な増強効果を有する。この目的のために、ナノメータースケールの粗さを有する基材を調製する数多くの方法がある。最も広く使用されているナノメータースケール表面はコロイド状ナノ粒子の表面である。例えば、Martin Maskovits、「表面増強分光（ Surface-enhanced spectroscopy）」、 Rev. Mod. Phys. 1985年, 5巻, 3号, 783頁;  及び Kneipp ら、「ラマン分光による超高感度化学分析（Ultrasensitive chemical analysis by Raman spectroscopy）」、Chem. Rev. 1999年, 99巻, 2957頁を参照されたい。便利な方法は、5 nm 〜 200 nmサイズのコロイド状Au、 Ag 又は Cuのナノ粒子をガラス又はシリコン等の不活性基材上に堆積させることである。物理的気相蒸着法も、SERSに適する粗さを示す島状モルホロジーを備える薄い金属膜を堆積させるために使用することができる。例えば、Gupta ら、「表面プラズモン共鳴可変金及び銀膜の調製及び特性（Preparation and characterization of surface plasmon resonance tunable gold and silver films）」、J. Appl. Phys. 2002年, 92巻, 5264頁を参照されたい。これらのSERS活性表面は、近接して充填されたナノメートルスケールの形態（フィーチャー）、例えば場合によりホットスポットと呼ばれる効果である、ラマン散乱を強く増大する小さいギャップと孔によって特徴付けられる、ナノ粒子のフラクタル凝集体をしばしば含む。例えば、Tsai ら、「フラクタル金属コロイドクラスタのフォトン走査トンネル顕微鏡像（Photon scanning tunneling microscopy image of optical excitations of fractal metal colloid clusters）」、Phys. Rev. Lett. 1994年, 72巻, 4149頁、を参照されたい。或いは、不活性基材（例えばシリコン）の表面が、粗さ要件を満たすために、最初に粗くされ得る。その後、貴金属の薄い層が表面をSERS活性にするためにコートされる。例えば、シリコン表面を粗くするために、パルスレーザ融除（アブレーション）が利用されており、貴金属の薄い層をレーザーで粗くされたシリコン表面上へと蒸着させたSERS基板が作られている。例えば、Dieboldら、 「表面増強ラマン散乱用のフェムト秒レーザーナノ構造基板（Femtosecond laser-nanostructured substrates for surface-enhanced Raman scattering）」、Langmuir, 2009年, 25巻, 1790頁を参照されたい。SERS基板を準備する他の技術は精密リソグラフィーで基材表面を加工することである。例えば、Yan ら、 「多スケールの信号増強により加工されたSERS 基板：ナノ粒子クラスターアレイ（Engineered SERS substrates with multiscale signal enhancement: nanoparticle cluster arrays）」, ACS Nano 2009年, 3巻, No. 5号, 1190頁を参照されたい。予め設計されたナノメータースケールの鋭利な凸部もしくはギャップがSERS測定の再現性を向上するために提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
とりわけ、SERS基材における実際上の困難性は、汚染に起因する。ほとんどのSERS基材は、使用前に長時間、空気に晒される。それらの非常に高い比表面積のせいで、基材表面は環境から炭化水素汚染物を効果的に捕捉し、有機物の分子状薄層が金属表面上に形成され、分析物について測定を行う際のSERS基材としての効果を減じる。
【０００４】
SERS信号の効率的収集は、SERS分野においてよく見られるもう一つの難しい点である。種々のナノメータースケール形状の強い増強があっても、SERS信号はしばしば弱い。単に励起エネルギーを増しても、試験下の多くの物質、特に生体物質、の低い破損閾値によって、限定された効果しかない。加えて、SERS信号はSERS散乱のランダム特性によって、ランダムな方向に放出される。十分な量のSERS信号を収集するために、高い開口数を有する顕微鏡対物レンズが必要であり、操作距離と試料体積の双方が限定される。事実、信号収集の低い効率は、ほとんどのラマン関連用途（誘導ラマン発光以外）における問題である。種々の光学的操作に基づいて、信号収集の効率を向上する多くの試みがなされてきた。例えば、標準的なラマン分光に、光学的閉じ込め手段が導入され、試料が、例えば光学的積分球のような反射性キャビティ内に置かれる。例えば、米国特許6,975,891号、 4,645,340号、4,127,329号 及び5,506,678号は総て標準的ラマン分光に光学的積分を適用する構成、例えば積分キャビティ、球、多重鏡、及び管を、夫々、教示する。しかし、これらのシステムは煩雑であるだけでなく、キャビティ表面は光学反射にしか役立たないのでSERSに適さない。
【０００５】
例として、下記の開示は標的表面から物質を除去するためにパルスレーザーの使用に関する。Singhら、「薄膜堆積のためのパルスレーザー蒸発法：物理及び理論モデル（Pulsed-laser evaporation technique for deposition of thin films: Physics and theoretical model）」, Physical Review B, 41巻, 13号, 5月1日、 1990年, 8843-8859頁; 「レーザー誘導破壊及びアブレーションの構成制御方法（Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation）」と題された米国特許 5,656,186号; 「パルスレーザー堆積法に基づく不定形及び結晶性ミクロ構造の薄膜を堆積する方法（Method of deposition of thin films of amorphous and crystalline microstructures based on pulsed laser deposition）」と題された米国特許 6,312,768号; 「バースト−超高速レーザー加工法（Burst-ultrafast laser machining method）」と題された米国特許 6,552,301号; 「薄膜製造方法（Method for fabricating thin films）」と題された米国特許公開. No. 2009/0246530号;及び「液中での高繰返し速度超高速パルスレーザーアブレーションを用いた金属及び合金ナノ粒子の製造方法（Production of metal and metal-alloy nanoparticles with high repetition rate ultrafast pulsed laser ablation in liquids）」と題された米国特許公開No. 2010/0196192号。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、SERS用途のための部分的に閉じられた容器であって、該容器の内側表面はSERS活性にされているものを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、容器の内側表面の少なくとも一部をSERS活性にする方法、より詳細には内側表面をSERS活性物質でコートする方法、を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、容器内に位置された標的（ターゲット）にエネルギーを、例えばパルスレーザーによって、施与し融除（アブレート）し、又はそうでなければ標的を修飾してナノ粒子を生成し、及び、内側表面をSERS活性にするように、該容器の内側表面上に該ナノ粒子をコートすることである。
【０００９】
少なくとも一の実施態様において、該容器は内側表面がSERS活性にされた円柱状の管を含む。本出願において該管がSERS管と呼ばれる場合があるが、特に断りの無い限り、円柱形状に限定されるものではない。該容器は、円柱の長さがその直径よりも長い、剛直な又は可撓性の円柱形状の部分を含んでよい。該容器は、不透明又は透明な外側表面のいずれか又は双方を含んでよい。該容器は、概して、内側表面の少なくとも一部分の上への効率的なSERS活性物質の配置に適するように構成される。いくつかの好ましい実施態様において、該管の内側表面上にナノ粒子をコートするためにパルスレーザー堆積が利用される。該目的にコロイド状ナノ粒子を使用することもできる。
【００１０】
該容器は、SERS用途に複数の機能を有する。第一に、該容器の内側表面がSERS活性とされており、ラマン散乱を増強する。第二に、部分的に反射性の内側表面が、該容器の部分的に閉じられた幾何学形状と組み合わされて、励起及びSERS信号の双方を多重散乱によって光学的に閉じ込めるのを助け、従って、励起及びSERS信号収集の効率を向上する。第三に、該容器は保存の間、封をして環境からの汚染を予防することができる。第四に、続く測定での使用において、該容器は試験下の分析物を保持する。
【００１１】
本発明は、例えば貴金属のナノ粒子を含むSERS活性物質で表面をコートすることによって、容器の内側表面をSERS活性にする方法も提供する。少なくとも一の実施態様は、パルスレーザーアブレーションで、透明容器の内側壁を貴金属ナノ粒子でコートする方法である。他の金属ナノ粒子も、種々の用途に使用し得る。他の実施態様はコロイド状ナノ粒子でコートする方法である。
【００１２】
いくつかの実施態様は、SERS 管の配列が使用されて再現性及び信号処理のスループットを改良する、SERSにおける集合的信号処理も提供する。
【００１３】
本発明を要約する目的で、いくつかの側面、利点及び新規な特徴がここに記載される。しかし、該利点の総てが任意の実施態様に従い達成される必要は無いことが、理解されるべきである。従って、本発明は、ここで教示されもしくは示唆される他の目的又は利点を達成する必要なく、１又は２以上の目的又は利点を達成するように実現もしくは実施されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１はSERS装置の一例の概略図を示す。SERS管101は、SERS活性物質102でコートされた内側表面を含む。該管は試験下にある分析対象物103の容器としても働く。SERS分析のための光学的励起及び信号収集は、光学系104を用いて管の外側から、又は、光学系105を用いて管の一端から行うことができる。
【００１５】
【図２】図２はSERS管を端面から見た概略断面図であり、多重光学散乱を示す。
【００１６】
【図３】図３は一端が閉じられたSERS管内の多重光学散乱を示す概略図であり、該一端も内側がSERS活性物質でコートされている。
【００１７】
【図４】図４はSERS活性物質の下に追加の反射層104を有するSERS管を端面から見た概略断面図である。
【００１８】
【図５】図５は外側もSERS活性物質でコートされた追加のシリンダー105を含むSERS管を端面から見た概略断面図である。
【００１９】
【図６】図６は光学的励起及び信号収集のための平らな窓を有するSERS管を端面から見た概略断面図である。
【００２０】
【図７】図７は内側表面106がナノメータースケールまで粗くされ及びSERS 活性物質107でコートされたSERS管を端面から見た概略断面図である。
【００２１】
【図８】図８は管の内側表面をコートするように構成されたパルスレーザーアブレーションシステムの一部の概略図である。レーザービーム201がレンズ202を通して管内に挿入された標的203上にフォーカスされ、ナノ粒子204が該管の内壁上に堆積される。
【００２２】
【図９】図９は管の内側表面をSERS活性物質でコートするための、透明な管の外側に配置されたパルスレーザーアブレーションシステムの一部の概略図である。レーザービーム201は可動鏡205、例えばロッキングミラー、によって導かれ、レンズ202を通って標的203の表面上に集光される。鏡205はレーザービームの横方向の走査を行う。この例では、アブレーションの間、管がその軸を中心として回転する。
【００２３】
【図１０】図１０は図９の構成におけるアブレーション領域付近の部分を示す。
【００２４】
【図１０Ａ】図１０AはSERS活性物質でコートされた環状内側部分を有するSERS装置の他の構成を示す。
【００２５】
【図１１】図１１は管の内側壁のコロイド状ナノ粒子によるコーティングを示す。最初にコロイド状ナノ粒子溶液301が管に注入される。乾燥後、ナノ粒子302が該管の内側表面上に残る。
【００２６】
【図１２】図１２はその内側表面の一部がSERS活性とされたキャピラリ管401の概略図である。
【００２７】
【図１３】図１３は集合的信号処理のためのSERS管の配列（アレイ）を示す。
【００２８】
【図１４】図１４は光学的励起及びSERS信号双方のために光ファイバー501が使用されたSERS装置を示す。
【００２９】
【図１５】図１５はSERS測定のために光ファイバーの束502を利用した分光器システムの一部を示し、各ファイバーは各SERS管用に使用される。
【００３０】
【図１６】図１６は、10ppmのクリスタルバイオレット試験水溶液を含むSERS管を用いて測定されたクリスタルバイオレット分子のSERSスペクトルのプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明において貴金属は、限定的ではなく、複数の従来の定義に対応し及びそれを含む、一群の金属として理解される。貴金属は、非反応性特性を有し、耐腐食性及び耐酸化性を有する。例として、Ag、Au、及び Ptがその条件を満たす。しかし、例えば、Cuも、より低い耐腐食性及び耐酸化性にも拘わらず、本発明のいくつかの態様での使用に適し得る。
【００３２】
図１は、容器101の内側表面がSERS活性物質102でコートされたSERS装置を示す。該物質102は、好ましくは、SERS生成のための、表面プラズモン共鳴(SPR)又はその上の表面プラズモン励起を支持するAu, Ag, Cu等の貴金属、及びその合金、並びにより広く、金属もしくはその合金のナノ粒子を含む。そのようなSERS管（チューブ）は使用されると目的分析物103の容器として作用する。SERS活性内側表面はラマン散乱を増強する。光学励起及び／又はSERS信号収集は、管の外側から光学系104又は管の末端から光学系105によって、代替可能に実施することができる。
【００３３】
該容器は、透明及び不透明物質の任意の適切な組み合わせから作ることができる。ガラス及び石英が、広い波長域に亘る、その高い光学透明性及び化学的不活性によって好ましい。多孔性吸収性表面を有するセラミック管も、使用することができる。半導体及び貴金属も使用し得るが、より高価である。いくつかの実施態様において、該容器は一般に、外径よりも長さが長い円柱形状である。たとえば、該容器は図１に示すような円柱管である。該円柱は、その長さに沿う主軸によって特徴付けられ得る。しかし、該容器の形状は円柱形状に限定されない。例えば、好適な容器の少なくとも一部は、対象もしくは非対称多角形の形状の断面によって特徴付けられ得る。さらに、SERS装置は、曲線を為す、又は他の非線形経路を規定する可撓性及び／又は剛性の部分を有する容器を含み得る。少なくとも一の好ましい態様において、SERS 管は部分的に閉じられている。一般に、SERS容器は、励起及び収集ビームに適するように、及びSERS物質の少なくとも一の内側表面上への効率的な堆積に適するように、構成される。種々の実施態様において、SERS 管は封止され、さもなければ外側環境から隔離され得る。
【００３４】
そのように部分的に閉じられた形態のSERS容器にはいくつかの利点がある。第１に、金属ナノ粒子がランダムな方向への多重光学散乱を生じ、図２に示すように、該容器の内側壁を光学的に散乱性とする。管状容器については、該管の底も封じられ及びSERS活性物質でコートされて、ほとんど閉じられたキャビティを形成することができる。そのような粗く、光学的散乱性の内側表面を備えるキャビティは、閉じられた空間内に電磁波を均一に分布することができる。このようにして、該配置は効果的に光学的インテグレーターとして機能することができ、励起光源及び信号収集器の位置に関係なく、励起及び信号収集の双方を向上する。
【００３５】
種々の実施態様において、光学的閉じ込めは、キャビティの内側表面（即ち、内側壁）の散乱反射率に依存する。高い反射率を得るために、SERS物質をコートする前に、図４に示すように内側壁表面上に反射性コーティング104を施与することができる。該反射性コーティング104は、例えばAu又は Agのような貴金属層を含むことができる。いくつかの実施態様において、励起及びSERS信号波長をカバーする反射スペクトルバンドを有するCu、Al、又は誘電体コーティングも使用し得る。いくつかの実施態様において、高い耐腐食性及び耐酸化性を有する非貴金属を使用し得る。
【００３６】
SERS 容器のサイズを減じることなく、SERS活性表面と分析物体積との間の比を増やすために、SERS 容器に第二SERS活性表面を導入することができる。例えば、図５に示すように、管状容器については、その外側円柱形状表面がSERS活性物質でコートされたシリンダー105が挿入されてよい。
【００３７】
図６に管状容器について示すように、SERS 容器の外側からの励起及び信号収集のために、容器の一部を平らな窓として作ることができ、光学的歪み及び／又は収差を最小化する。     
【００３８】
他の利点は、形成された後にSERS管の両端を封止し、実際に使用するまで清浄なままとし、それによって、雰囲気への長期暴露及び汚染物質の蓄積を回避することができる。
【００３９】
種々の実施態様において、該管状容器の内径(ID)は、約0.1 mm 〜 10 mmであることができ、壁の厚みは約0.1 mm 〜 約10 mmであることができる。管の長さは、約1 mm 〜 100 mmであることができる。
【００４０】
下記実施例において、我々は管状容器の内側表面をSERS活性にするいくつかの方法を紹介する。
【００４１】
図７に示す方法では、最初に内側壁106上にナノスケールの粗さを導入し、次いで、該内側壁をSERS活性物質107でコートする。ガラス又は石英管については、化学的エッチング及び物理的エッチングの双方が効果的である。化学的エッチングはエッチング速度が速いが、フッ酸(HF)のように腐食性の酸を使用する。物理的エッチング、例えばガス放電プラズマを用いるもの、は特別な注意を必要とせず、一般に環境フレンドリーである。従って、物理的エッチングが化学的エッチングより好ましい。平均粗さ（即ち、二乗平均粗さ）は、好ましくは約10 nm 〜200 nmであり、エッチング時間によって調整可能である。表面活性物質107は、Au、Ag又はCu等の化学的にコートされた層であることができる。ガラス製品上に銀鏡をコートするための周知のTollen試薬は、この目的のために便利である。
【００４２】
他の実施態様は、金属ナノ粒子を管状容器の内側壁上にコートすることを包含する。該方法は、パルスレーザーアブレーションを包含し得る。図８はパルスレーザーアブレーションによって金属ナノ粒子を管状容器の内側壁上にコートする配置を示す。レーザービーム201がレンズ202によって、該管内に反対側の端部から導入された円柱状標的203の一端上に集光される。集光されたビームの開口数(NA)は、該管の受光角に適合するようにされて、その内部の試料に適切に照射される。例えば、内径d=3 mm及び管長L=10 mmの管については、ビームの開口数は好ましくはd/2L=0.15未満である。標的物質は最も広くSERS用途に使用されている物質、例えばAu、Ag、Cu、又はこれらの合金であることができる。集光されたレーザービームは標的チップを融除し、そして蒸気が管の内側壁上に堆積されて、金属ナノ粒子204を形成する。
【００４３】
図９に、透明管の内側壁上にナノ粒子をコートするためのパルスレーザーアブレーションの他の配置が示される。この例において、集光されたレーザービームは該管の透明壁を通して入射され、及び該管内の円柱状標的の表面を融除する。該管は、ガラスまたは石英のような透明材料から作ることができる。
【００４４】
図１０は、図９におけるアブレーション部位の近辺をより詳細に示す。最初にレーザーが透明管壁を通過し、標的表面上に集光される。該レーザーは標的物質の一部を融除し、生成される蒸気206 (例えば プルーム)は、管壁と標的の間に広がり、管壁で冷却されて、その上にナノ粒子を形成する。
【００４５】
図９のレーザーアブレーションの配置において、ロッキング（振動）ミラー205又は他の適切な走査機構を用いて、リニアビームスキャンニングが実装され得る。該ミラーは、レーザービームの焦点（foci）が標的表面上で直線を形成するようなテレセントリックスキャンニングするために、好ましくは集光レンズ202の後方焦点に置かれる。アブレーションの間、該管はその主軸の周囲に回転され続け、内側壁上に均一にコーティングが広がる。
【００４６】
多くの代替可能性が存在する。例えば、容器101は単一体（ピース）である必要は無く、複数の部分から組み立てられてもよい。該容器は、複数の内側表面を含み得る。例えば、図10ａに示すように、可撓性シート1022がSERS活性物質によってコートされ、又は最初の製造工程において、リソグラフィー又はナノインプリンティングによってSERS活性になるように表面加工されてよい。該シートは、次いで、管101よりも小さい外径を有する環形状（例えばリング）に（例えば巻かれて）形作られ得る。環状部分は、次いで、例えばスライドされて、該容器内に挿入され、その後、該容器の内側部分に固定される。このようにして、該容器の最も内側の表がSERS活性物質によってコートされ、及び、試験されるべき物質、化学成分もしくは他の試料の分析又は測定に利用され得る。
【００４７】
ナノ秒(1-100 ns)、ピコ秒(1-1000 ps)、又はフェムト秒(1-1000 fs)幅のパルスレーザーを種々の実施態様において使用することができる。好ましくは、10-500 fsパルス幅のフェムト秒レーザーが、融除に使用され得る。融除におけるフェムト秒レーザーの周知の利点には、低い融除閾値及び融除の間のより少ない熱の発生、それによる管内壁の損傷を減じることがある。
【００４８】
2009年3月9日に出願され、「パルスレーザーマイクロ堆積形成（Pulsed laser micro-deposition formation）」と題された米国特許出願第12/400,438 号(米国特許出願公開. No. 2010/0227133)  は、その全体が引用により本出願に包含される。‘438 出願は、とりわけ、透明媒体上に物質をコートする方法を開示し、高繰り返し速度のパルスレーザーが使用される。繰り返し速度は、約0.1〜100 MHzであり、パルス幅は約10 fs 〜 100 nsである。該パルスレーザーシステムは、種々の実施態様において、ナノ粒子を管の内壁上に堆積させて該管をコートし、及び表面をSERS活性にするために使用され得る。
【００４９】
パルスレーザーアブレーションにより直接的な堆積に加え、或いは代替として、容器の内壁を金属ナノ粒子でコートするために湿式化学方法も使用し得る。図１１は、管状容器のためのそのようなプロセスを示す。該管が、最初にコロイド状溶液301で満たされる。加熱すると、溶媒が蒸発し、該管の内壁上にナノ粒子が堆積される。
【００５０】
ナノ粒子コロイドを生成する多くの方法がある。最も広く使用されているのは、溶媒中で金属塩を還元する化学合成法である。該化学的方法は約5〜500 nmのサイズのナノ粒子を作ることができる。溶媒中でのパルスレーザーアブレーションも、約5〜500 nmのサイズの金属ナノ粒子コロイドを作る確立された方法である。2009年1月30日に出願され、「液体中での高繰返し速度超高速パルスレーザーアブレーションを用いた金属及び合金ナノ粒子の製造（Production of metal and metal-alloy nanoparticles with high repetition rate ultrafast pulsed laser ablation in liquids）」と題された米国特許出願第12/320,617号 (公開番号 2010/0196192)は、引用によりその全体が本発明に包含される。‘617出願は、とりわけ、種々の溶媒中でのレーザーアブレーションによるナノ粒子コロイドの製造方法を開示する。
【００５１】
揮発性溶媒、例えばメタノール、アセトン、イソプロパノール及び複数のアルコールが、蒸発が速い点から、好ましい。溶媒の気化は、管の一部を外側から溶媒の沸点近傍で加熱することによって誘導することができる。
【００５２】
容器の内側表面の少なくとも一部をSERS活性にするための湿式コーティング法を、キャピラリ管に適用することができる。例えば、図12に示すように、キャピラリ管401の僅かな部分をSERS活性物質でコートすることができる。これは、SERSを他の分析手法、例えば流動性分析物402の動的研究のための電気泳動法、と組み合わせることを可能とする。
【００５３】
SERS用途においてしばしば遭遇する問題の一つは、測定再現性の悪さである。これには、低い信号強度及びそれに対応する低い信号／雑音比を含むいくつかの理由がある。特に、SERSは、ナノ粒子の凝集体（例えばペア、鎖、クラスタ）等の緊密に詰まったナノスケール形態の所謂「ホットスポット」に大いに依存する。これらの緊密に詰められたランダムな形態は、分散された単一のナノ粒子よりも高い増強因子を有するが、内在するランダムさ及び統計的非定常性挙動が、制御及び予測性を損なう。単一のSERS基材での複数回測定の平均は、再現性を向上しない。複数基材についての測定が必要であり、それは測定の高いコスト及び低いスループットを来す。
【００５４】
図１３は、SERS測定の集合的信号処理のためのSERS管の配列を示す。図１４に示すように、この例において、光学的励起及び信号収集は光ファイバーによって行うことができる。光ファイバー501は、励起レーザーを伝送すると共にSERS信号を収集するために使用される。該ファイバーの開口（NA）は、高い信号／雑音比が得られるように、管からの放出される輻射のかなりの部分を収集するのに十分に大きくなければならない。管から離れた所では、図１５に示すように、励起レーザー503を受け取り、及び、SERS信号を分光器504に供与するために、ファイバーを束502にすることができる。このようにして、上述のような欠点を克服できる。図１３に示すような効果的な並行処理は、測定再現性、処理速度、及び全体的スループットを向上する。
【００５５】
＜実施例＞
例として、図１６は単一SERS管を用いて測定されたクリスタルバイオレット（これはSERS活性を示すために広く使用されている染料である）のSERSスペクトルを示す。分析対象物は、10ppm クリスタルバイオレット水溶液として調製された。SERS管を作るに当たり、液体溶媒中のAu のフェムト秒レーザーアブレーションによって、Auナノ粒子のコロイド溶液が最初に調製された。標的はAu金属シートであり、その高い揮発性からアセトンが溶媒として選択された。アブレーションの間、該標的がアセトン中に浸漬され、コロイドが直接アセトン中に形成された。レーザーはパルスエネルギー10マイクロジュール、パルス幅500フェムト秒、及び繰り返し速度10 MHzであった。注目すべきは、米国特許出願No. 12/320,617で既に発見し及び開示したように、安定剤を添加することなく、コロイドは数か月間安定な懸濁液のままであることができる。該コロイドが、直径2ｍｍ及び肉厚0.5ｍｍのガラス管内に注入された。該管が約60℃超に加熱されてアセトン溶媒を蒸発させた。乾燥後、該管の内側壁上にAuナノ粒子層が残り、該内側表面をSERS活性とした。30 μLの分析対象物を、１ｃｍ長さの該SERS管に注入した。532 nmのレーザーをSERS管の側壁を通して光学的励起を起こさせ、図１に示すように送信及び受信の双方に同じレンズ及び光学系104を用いて、SERS信号を後方収集（retrocollect）した。結果が図１６に示されており、高い信号／雑音比が示され、SERSの実行を大変容易にする点について、ここに開示されたSERS管の能力を確認した。
【００５６】
SERS基材に関する種々の側面が、2010年11月22日に出願された「分子検出用基板を作成する方法及び装置（Method and apparatus to prepare a substrate for molecular detection）」と題された米国特許出願第12/951,524号、においてさらに論じられており、引用によってその全内容が本発明に包含される。例えば、SERS活性表面をラマン分光用の基材上に形成する方法及び該方法により形成されたものが開示されている。該方法は、比較的平らな表面を有する基材又は支持物質を提供するステップ、及び、該表面に、超短パルスレーザー堆積、裏面導入超短パルスレーザー堆積、又はスパッタリングを含む方法によって、ナノ構造の金属層を単一工程で施与するステップを含み、それによって、ラマン分光用の基材を形成する。得られる製品は、表面増強ラマン分光(SERS)、表面増強共鳴ラマン分光(SERRS)、表面増強ハイパーラマン分光(SEHRS)、表面増強コヒーレントアンチストークスラマン分光(SECARS)、及び表面増強赤外分光(SEIRA)に使用することができる。該方法は速く、安価であり、再現性が高く及び使用される活性金属又は検出される物質に基づき検出最適化のために調整可能である。該方法は、基材に施与されるべき表面活性物質層の厚み勾配を可能とし、信号強度と該勾配における位置とを関係づけることによって対象化合物を検出するのに最適な厚みを容易に決定できる。該方法は、活性金属表面を施与する前に活性金属層からのラマン信号を増強するために基材表面を他の物質で予備コートすることも可能とする。’524出願において開示された実施態様において、SERS活性物質は基材表面に直接的には結合されていない。
【００５７】
このとおり、本発明のいくつかの実施態様を記載してきた。該実施態様は相互排他的なものではなく、一の実施態様に関連して記載された要素は、所望の設計目的を達成するために他の実施態様と合わせられ、又は他の実施態様から取り除かれ得る。
【００５８】
少なくとも一の実施態様は、表面増強ラマン散乱(SERS)のための装置を包含する。該装置は、内側表面を有する容器を含み、該内側表面の少なくとも一部はSERS活性物質でコートされている。
【００５９】
任意の又は総ての実施態様において、SERS活性物質はナノ粒子を含み、該ナノ粒子は金、銀、銅又はそれらの合金を含む。
【００６０】
任意の又は総ての実施態様において、SERS活性物質は約5 nm〜約500 nmのサイズを有するナノ粒子を含む。
【００６１】
任意の又は総ての実施態様において、ナノ粒子のサイズは約5 nm〜約200 nmである。
【００６２】
任意の又は総ての実施態様において、容器は透明物質を含み得る。
【００６３】
任意の又は総ての実施態様において、透明物質はガラス又は石英を含み得る。
【００６４】
任意の又は総ての実施態様において、容器の少なくとも一の末端が封止されていてよい。
【００６５】
任意の又は総ての実施態様において、容器は約0.1 mm 〜約 10 mmの内径を有し得る。
【００６６】
任意の又は総ての実施態様において、容器が、約0.1 mm〜約10 mmの、内側表面と外側表面との間の厚みを有し得る。
【００６７】
任意の又は総ての実施態様において、容器の長さが、約1 mm 〜 約100 mmであり得る。
【００６８】
任意の又は総ての実施態様において、容器が、その内側に配された環状部分を含み、該環状部分が該環状部分の少なくとも内側表面上にコートされたSERS活性物質を有し得る。
【００６９】
任意の又は総ての実施態様において、容器が剛直もしくは可撓性の、概して円柱形状の管を含み得る。
【００７０】
任意の又は総ての実施態様において、容器の少なくとも一部が対称もしくは非対称の多角形形状の断面を有する。
【００７１】
少なくとも一の実施態様は、容器の内側表面にナノ粒子をコートする方法を包含する。該方法は、該容器内に標的を挿入するステップ、パルスレーザービームを前記容器内、及び前記標的へと導くステップを含む。該ビームは該容器の端面から入射される。該方法は、パルスレーザービームを用いて標的物質を融除してナノ粒子を生成するステップ、及び該ナノ粒子を該容器の内側表面上に堆積させて該内側表面をコートするステップを含む。
【００７２】
任意の又は総ての実施態様において、パルスレーザーが約10 fs 〜100 nsのパルス幅を有するパルスを生成する。
【００７３】
任意の又は総ての実施態様において、パルスが約0.1〜10 psのパルス幅を有する。
【００７４】
任意の又は総ての実施態様において、標的物質が金、銀、銅又はそれらの合金を含む。
【００７５】
少なくとも一の実施態様は、透明容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法を包含する。該方法は、容器内に標的を挿入するステップ、及びパルスレーザービームを該透明容器の外側から、該容器の少なくとも一の壁を通して導くステップを含む。パルスレーザーは、パルスレーザービームを該容器内の標的に当てるように、導かれる。該方法は、パルスレーザービームを用いて該標的物質を融除してナノ粒子を生成するステップ及びナノ粒子を該容器の内側表面上に堆積させて内側表面をコートするステップを含む。
【００７６】
任意の又は総ての実施態様において、パルスレーザーは約10 fs 〜100 nsのパルス幅を有するパルスを生成する。
【００７７】
任意の又は総ての実施態様において、パルスが約0.1〜10 psのパルス幅を有する。
【００７８】
任意の又は総ての実施態様において、標的物質が金、銀、銅又はそれらの合金を含む。
【００７９】
任意の又は総ての実施態様において、パルスレーザービームが、鏡を該標的の表面に対して動かすことによって、走査される。
【００８０】
任意の又は総ての実施態様において、レーザーを容器の外側から標的に当てるように導くステップの間に、容器が容器軸に沿って併進させられ得る。
【００８１】
任意の又は総ての実施態様において、レーザーを導くステップの間、容器が容器軸の長さ方向に沿って併進させられ得る。
【００８２】
任意の又は総ての実施態様において、レーザーを容器の外側から標的に当てるように導くステップの間に、容器が回転軸の周囲に回転させられ得る。
【００８３】
少なくとも一の実施態様は、容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法を含む。該方法は、金、銀、銅、又はこれらの合金のナノ粒子のコロイド溶液を該容器内に注入するステップを含む。該方法はコロイド溶液の溶媒を蒸発させてナノ粒子を該容器の内側表面上に堆積させるステップをさらに含む。ナノ粒子は蒸発させるステップの後に内側表面に残る。
【００８４】
任意の又は総ての実施態様において、ナノ粒子コロイドの溶媒は水を含み得る。
【００８５】
任意の又は総ての実施態様において、ナノ粒子コロイドの溶媒が、アセトン、メタノール、イソプロパノール、エタノール、又は複数のアルコールを含む有機溶媒を含み得る。
【００８６】
任意の又は総ての実施態様において、蒸発が、容器を該溶媒の沸点付近で加熱することによって誘導され得る。
【００８７】
任意の又は総ての実施態様において、コロイド溶液のナノ粒子が液体中の標的のパルスレーザーアブレーションによって生成され得る。
【００８８】
少なくとも一の実施態様は、表面増強ラマン散乱（SERS）を実施するための分光システムを包含する。該システムは、各容器が表面増強ラマン散乱(SERS)用の装置を含む容器の配列を含む。表面増強ラマン散乱(SERS)用の装置は、内側表面を有する容器であって、該内側表面の少なくとも一部がSERS活性物質でコートされた容器を含む。該システムは、各ファイバーが該容器の配列における各容器内へと挿入されて励起信号を送り及びSERS信号を収集する、複数の光ファイバーをさらに含む。
【００８９】
少なくとも一の態様は、容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法を包含する。該方法は、容器内に標的を挿入するステップおよび容器内へとパルスレーザービームを導くステップであって、該ビームは前記容器の端部からの入射ビームである、ステップを含む。該方法は、レーザーにより標的の一部を除去してナノ粒子を生成するステップ；及び該ナノ粒子を該容器の内側表面上に堆積させるステップを含む。
【００９０】
少なくとも一の実施態様は透明容器の内側表面上にナノ粒子をコートする方法を含む。該方法は、容器内に標的を挿入するステップ及びパルスレーザービームを容器の外側から該透明容器の少なくとも一の壁を通って導いて、該パルスレーザービームを該透明容器内の前記標的に当てるステップを含む。該方法は、パルスレーザーにより該標的の一部を除去してナノ粒子を生成するステップ及び該ナノ粒子を前記容器の内側表面上に堆積させるステップを含む。
【００９１】
ここにはいくつかの実施態様しか記載していないが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、それらについて数多くの変更が可能であることは明らかである。発明の１又は２以上の目的を達成することが本発明の到達点であるが、それらの目的のうちの任意のものを完全に達成することなく実施され得る。さらに、頭字語は明細書及びクレームの読み易さを高めるためにのみ使用されている。該頭字語は、用語の一般性を減じることを意図したものではなく、クレームの範囲をここに記載された実施態様に限定すると見做されるべきではない。
【図１】
2014509744.tif 000003
【図２】
2014509744.tif 000004
【図３】
2014509744.tif 000005
【図４】
2014509744.tif 000006
【図５】
2014509744.tif 000007
【図６】
2014509744.tif 000008
【図７】
2014509744.tif 000009
【図８】
2014509744.tif 000010
【図９】
2014509744.tif 000011
【図１０】
2014509744.tif 000012
【図１０Ａ】
2014509744.tif 000013
【図１１】
2014509744.tif 000014
【図１２】
2014509744.tif 000015
【図１３】
2014509744.tif 000016
【図１４】
2014509744.tif 000017
【図１５】
2014509744.tif 000018
【図１６】
2014509744.tif 000019
【国際調査報告】
2014509744.tif 000020