(57)【要約】  【課題】  局在プラズモン共鳴を応用したセンサ等に用いられる金属微粒子層を、均一な厚みで作製する。  【解決手段】  陽極酸化により複数の微細孔12ａが形成されたポーラスアルミナからなる基体12を用い、この基体12の各微細孔12ａ内に金属コロイド粒子13を塗布により複数個充填させた後、金属コロイド粒子13を加熱して有機分子13ｂを揮発させるとともに金属微粒子13ａを溶解させる。さらにその後室温に下げることにより金属を再凝固させて各微細孔12ａの深さ方向の径ｈが均一な金属微粒子16を生成する。これにより、厚みｈの均一な金属微粒子層17を得る。【選択図】          図１
2005171306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極酸化により作製された複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体の該複数の微細孔の各々に、金属微粒子に有機分子を被覆してなる前記微細孔の径より小さい径を有する金属コロイド粒子を複数個充填し、
前記金属コロイド粒子を加熱して、前記有機分子を揮発させると共に、前記複数個の金属コロイド粒子内の各金属微粒子を溶解させて前記微細孔の各々の底部に前記微細孔の径と同径の金属微粒子を生成することを特徴とする金属微粒子層の作製方法。
【請求項２】
前記金属微粒子が金または銀であることを特徴とする請求項１記載の金属微粒子層の作製方法。
【請求項３】
前記微細孔の径が10〜200ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の金属微粒子層の作製方法。
【請求項４】
前記微細孔の径が30〜200ｎｍであり、
前記金属コロイド粒子の径が10〜30ｎｍであることを特徴とする請求項３記載の金属微粒子層の作製方法。
【請求項５】
前記加熱する際の温度が120〜600℃であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の金属微粒子層の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属微粒子層の作製方法に関し、特に、厚みの均一な金属微粒子層を作製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
200ｎｍ以下の大きさの金や銀などの金属微粒子は、局在プラズモン共鳴現象により、特定波長の光を吸収することが知られている。その吸収波長は、微粒子の大きさや微粒子の周囲の屈折率により変化することが知られており、この局在プラズモン共鳴現象のバイオセンサへの応用が考えられている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されているように、誘電体や半導体当の表面に金属微粒子が層状に固定されてなる微細構造体をセンサユニットとして用い、局在プラズモン共鳴を応用して試料の屈折率等を測定するセンサが知られている。
【０００４】
このセンサは基本的に、上記微細構造体の金属微粒子の部分に測定光を照射する手段と、この層状の金属微粒子を経た（つまりそこを透過、あるいはそこで反射した）測定光の強度を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
上記のセンサにおいて、層状の金属微粒子の部分に測定光を照射すると、ある特定の波長において局在プラズモン共鳴が生じ、それによって測定光の散乱や吸収が著しく増大する。そこで、層状の金属微粒子を経た測定光の強度を検出するようにしておけば、その検出光強度が急激に減衰することを観察して、局在プラズモン共鳴の発生を確認することができる。
【０００６】
このとき局在プラズモン共鳴が生じる光波長、ならびに測定光の散乱や吸収の程度は、金属微粒子の周囲に存在する媒質の屈折率に依存する。つまり、この屈折率が大であるほど共鳴ピーク波長は長波長側にシフトし、また測定光の散乱や吸収は増大する。したがって、層状の金属微粒子の周囲に試料を配した状態で該金属微粒子の部分に測定光を照射し、そのときこの部分を経た測定光の強度を検出することにより、試料の屈折率や、それに対応する試料の物性等を測定することができる。
【０００７】
従来、この局在プラズモン共鳴を応用したセンサに使用される微細構造体としては、例えば、前記特許文献１に示されているように、基体の表面部分に金属コロイド単層膜を形成してなるものが知られている。また、非特許文献１および２に示されるように、一表面に複数の微細孔が形成された陽極酸化ポーラスアルミナの微細孔に金属微粒子を充填して金属微粒子層を形成してなるものが知られている。なお、このような複数の微細孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナそのものについては、特許文献２および非特許文献３等にも記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３５６５８７号公報
【特許文献２】特開平１１−２０００９０号公報
【非特許文献１】ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Journal of Applied Physics）、1978年、第49巻、第5号、p.2929
【非特許文献２】ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Journal of Applied Physics）、1980年、第51巻、第1号、p.754
【非特許文献３】益田秀樹、「陽極酸化アルミナにもとづく高規則性メタルナノホールアレー」、固体物理、1996年、第31巻、第5号、p.493
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の局在表面プラズモンを利用したセンサにおける吸収波長は、金属粒子の粒径によって変化する。したがって、センシング時に入射光に照射される複数の微粒子が不均一な粒径であると、それぞれの粒径で吸収が生じるため全体としてはブロードな吸収スペクトルになってしまい、センシング時の吸収スペクトル移動量の検出能が低下する、すなわちセンシング精度が低下するという問題が生じる。そこで、局在表面プラズモンを利用したセンサにおいて、吸収波長の先鋭化を図り高感度な検出を行うために、金属粒子の粒径の均一化が求められている。
【０００９】
特許文献１に記載されている、基体の表面部分に金属コロイド単層膜を形成してなる微細構造体は、金属微粒子を凝縮せずに互いに隔離した状態の単層膜としては好適に形成できるが、金属コロイドの粒径ばらつきが10％程度あるために、サイズを均一に作製することが困難であった。
【００１０】
一方、陽極酸化ポーラスアルミナの微細孔は、孔径ばらつきを３％以下にすることができるため、金属コロイド粒径ばらつき10％に較べて小さく、均一な粒径を持つデバイスを作製するのに適している。
【００１１】
しかしながら、従来、ポーラスアルミナの微細孔に金属微粒子を充填する場合には、主にメッキ法や蒸着法が用いられているが、数ｃｍ角以上の大面積において各微細孔に均一な深さまで充填を行うことは非常に困難である。すなわち、均一な厚みの金属微粒子層を得ることが困難であった。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて、均一な厚みの金属微粒子層を容易に製造することができる金属微粒子層の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の金属微粒子層の作製方法は、陽極酸化により作製された複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体の該複数の微細孔の各々に、金属微粒子に有機分子を被覆してなる前記微細孔の径より小さい径を有する金属コロイド粒子を複数個充填し、
前記金属コロイド粒子を加熱して、前記有機分子を揮発させると共に、前記複数個の金属コロイド粒子内の各金属微粒子を溶解させて前記微細孔の各々の底部に前記微細孔の径と同径の金属微粒子を生成することを特徴とするものである。
【００１４】
金属微粒子としては、金または銀が特に好ましい。
【００１５】
前記微細孔の径は、10〜200ｎｍであることが望ましい。
【００１６】
また、前記微細孔の径が30〜200ｎｍのとき、前記金属コロイド粒子の径が10〜30ｎｍであることが望ましい。
【００１７】
さらに、前記金属コロイド粒子を加熱する際の温度は、120〜600℃であることが望ましい。
【００１８】
なお、「陽極酸化により作製された複数の微細孔を有するポーラスアルミナ」は、アルミニウムを酸性電解液中で陽極酸化することにより、該アルミニウムの表面に多孔性酸化被膜として形成されるものである。このポーラスアルミナは、直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の極めて微細な孔が、互いに独立してその表面に対して略垂直な方向に延びる状態に形成され、またそれらの微細孔は略等間隔に形成されるという特徴を有するものである。そしてその微細孔の径や深さや間隔は、陽極酸化の条件を制御することにより、比較的自由に設定可能となっている（前記非特許文献３参照）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の金属微粒子層の製造方法によれば、ポーラスアルミナからなる基体の複数の微細孔の各々に金属コロイド粒子を充填し、金属コロイド粒子を加熱して、前記有機分子を揮発させると共に、前記複数個の金属コロイド粒子内の各金属微粒子を溶解させて前記微細孔の各々の底部に前記微細孔の径と同径の金属微粒子を生成するので、微細孔の径方向の粒径および微細孔の深さ方向の粒径が揃った複数の金属微粒子からなる、規則的な配列がなされかつ厚みの揃った金属微粒子層を容易に作製することができる。
【００２０】
なお、金属コロイド粒子を用いているため、120〜600℃程度の金属本来の融点よりも低い加熱温度で金属微粒子を溶解させることができるという効果がある。
【００２１】
本発明の金属微粒子層の製造方法により作製された金属微粒子層は各金属粒子の粒径が均一であり、したがって金属微粒子層の厚みが均一であるため、局在プラズモンを利用したセンサ等に用いることにより、該センサにおいて従来より感度の高い測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態による金属微粒子層の製造方法の工程を概略的に示すものである。まず同図（１）に示すように、陽極酸化により作製された複数の微細孔を有するポーラスアルミナ12（以下、陽極酸化アルミナ12という）の皮膜が表面に形成されたアルミニウム基板11を用意し、この陽極酸化アルミナ12に対して、微細孔12ａが形成されている一表面側から塗布により、微細孔12ａの径ｄ（直径）より小さい径の金属コロイド粒子13を微細孔12ａ内に充填する。陽極酸化アルミナ12の径ｄは例えば10〜200ｎｍ程度である。金属コロイド粒子13は、金属微粒子13ａを有機分子13ｂにより被覆してなるものであり、陽極酸化アルミナ12の径ｄが30〜200ｎｍ程度の場合、平均粒径が10〜30ｎｍ程度のものを用いればよい。金属コロイド粒子13の充填個数は、微細孔の口径、容積、金属コロイド粒子13の粒径等により定まるため各微細孔12ａには略同量程度の金属コロイド粒子13が充填される。
【００２４】
次に、ベーク炉などの加熱器にアルミニウム基板11ごと入れて120〜600℃に加熱することにより、金属コロイド粒子のうち金属微粒子を被覆する有機分子13ｂを揮発させるとともに、金属微粒子13ａを溶解し、その後、室温に下げて凝固させる。なお、加熱方法として図１（２）においては、レーザ光15を照射することにより金属コロイド粒子13を加熱する例を挙げている。
【００２５】
これにより、図１（３）に示すように複数の金属コロイド粒子13から微細孔12ａの口径と略同径の１つの金属微粒子16が形成される。この金属微粒子16の厚みｈは各微細孔12ａでほぼ同等のものなり、厚みｈの揃った金属微粒子層17が形成される。
【００２６】
本発明の製造方法についてさらに具体的な実施例を説明する。作製工程は図１で示したものと同様であり、図１を参照して説明する。
【００２７】
規則配列した微細孔をもつ陽極酸化アルミナ12上に金コロイド粒子13（日本ペイント（株）社製ファインスウェアゴールド）を滴下し、スピンナーで塗布した。これにより、微細孔12ａへ金コロイド粒子13が充填された。
【００２８】
このときの微細孔12ａの径ｄは50ｎｍ、深さは70ｎｍ、金コロイド微粒子13の径は10ｎｍ程度のものを用いた。このとき、平均して１つの微細孔12ａには約125個の金コロイド微粒子13が充填された。
【００２９】
その後、アルミニウム基板11ごと加熱器に入れて500℃程度に加熱した。なお、金コロイド微粒子13に対してレーザ照射を行って金コロイド微粒子13を溶解してもよい。その場合には、500℃程度のエネルギーを金コロイド微粒子13に与えることができ、有機物を分解し、金を溶解できるレーザ照射条件とする。
【００３０】
加熱により金コロイド微粒子13の有機分子13ｂが揮発するとともに、金粒子13ａは溶解した。その後、温度を下げることにより、複数個の金コロイド微粒子13から１つの微粒子16が生成された。金微粒子16の径は微細孔の口径と略同等であり、また、その厚み（微細孔深さ方向の径）ｈは、50ｎｍ程度で各微細孔中に生成された金微粒子の深さ方向の径はばらつき10％未満であった。このようにして、厚みｈの均一な金微粒子層17を得ることができた。
【００３１】
次に、アルミニウム基板11に層状の陽極酸化アルミナ12を形成する方法について説明する。そのような方法としてはいくつかの方法が挙げられるが、基本的には、アルミニウム基板11を酸性電解液中で陽極酸化処理する際に、酸化被膜の生成と、生成された酸化被膜の溶解とを同時に進行させる方法が適用される。この方法によれば、陽極酸化の開始初期にアルミニウム基板11の上に形成された酸化被膜の表面に、酸による溶解作用で、微小なピット（小孔）がランダムに発生する。そして、陽極酸化の進行とともに、この中のいくつかのピットが優先的に成長して、略等間隔に配列するようになる。酸化被膜において一旦ピットが形成された部分では、他の部分と比較してより高い電場が加わるので、その部分の溶解がより促進される。その結果、層状の陽極酸化アルミナ12においては、その成長とともに選択的に溶解されて微細孔12ａが形成される一方、溶解されないで微細孔12ａを取り囲むように残る部分が形成される。
【００３２】
以上のようにして得られる陽極酸化アルミナ12においては、多数の微細孔12ａが規則的に配列して形成される。これらの微細孔12ａは、陽極酸化アルミナ12の表面に対して略垂直方向に延び、そして互いに略同一の断面形状で、底部が閉じられた円柱状空間となる。
【００３３】
なお、特開2001−9800号公報並びに特開2001−138300号公報には、上記微細孔の形成位置を制御する方法が開示されている。これらの方法では、例えばアルミニウムに集束イオンビームを照射する等により、所望の位置に溶解開始点を形成する。この処理の後に前述のような陽極酸化処理を行うことにより、所望の位置に微細孔12ａを形成することができる。また、上記集束イオンビームを照射する際に、その照射量、ビーム径、照射エネルギー等の条件を制御することにより、溶解開始点の凹み形状や組成を変えることができるので、最終的に形成される微細孔12ａの直径も自在に制御可能となる。
【００３４】
また、微細孔12ａの配列を特に高密度化させる方法として、例えばシュウ酸を用いる方法がある。すなわち、陽極酸化用の電解液としてシュウ酸を用い、40Ｖ程度の定電圧下で陽極酸化処理を行うことにより、微細孔12ａが規則的に配列して高密度に形成されるようになる。この微細孔12ａの配列の規則化は、陽極酸化時間の経過に伴って進行するので、長時間陽極酸化処理することにより、高度に規則化して高密度に配置された微細孔12ａを形成することができる。
【００３５】
以上のようにして微細孔12ａの直径、間隔、深さを比較的自由に制御できるので、金属微粒子16を任意の均一サイズに形成でき、またそれらを規則的に配置可能となる。その結果、陽極酸化アルミナ12に形成された金属微粒子層17を後述のセンサに適用した際には、その感度を高め、またその感度を安定化することができる。
【００３６】
次に、本発明による金属微粒子層の製造方法により製造された金属微粒子層17を用いたセンサの実施の形態について説明する。なお、本実施形態においては、図１（３）に示される、金属微粒子層17が形成された陽極酸化アルミナ12を表面に備えたアルミニウム基板11全体を微細構造体10と称する。なお、センサに用いる場合、金属微粒子層17を構成する金属としては、金、銀が特に好ましい。金は、耐食性が高いため後述するセンサとして利用する際に安定したセンサの特性を得られ、また、センサの製造時および使用時の取扱いが容易となり、また、銀を用いた場合には、センサチップをセンサに用いた場合の感度をより高めることができる。
【００３７】
図２は、微細構造体10を用いたセンサの一実施の形態を示す側面図である。図示の通りこのセンサは、微細構造体10を底部に固定して上面には透明窓22が形成された容器20と、この容器20内の微細構造体10に向けて測定光23を斜め照射する白色光源24と、微細構造体10で反射した測定光23を分光検出する分光検出器25とから構成されたものである。
【００３８】
なお容器20内において微細構造体10は、金属微粒子16が充填された陽極酸化アルミナ12の部分が上側を向く状態に配置されている。またこの容器20内には、上記陽極酸化アルミナ12に接触するようにして、測定対象の液体試料21が供給される。
【００３９】
微細構造体10に対して透明窓22越しに白色光である測定光23を照射すると、該測定光23は金属微粒子16（図１参照）において反射し、この反射した測定光23が、分光検出器25によって分光検出される。またこの場合、測定光23は金属微粒子16が存在する陽極酸化アルミナ12の部分を透過し、アルミニウム基板11において上向きに反射する。ここで反射した測定光23も、分光検出器25によって分光検出される。
【００４０】
こうして検出される反射光の分光強度特性は、基本的に図３に実線で示すようなものとなる。つまり、陽極酸化アルミナ12の金属微粒子16の部分に測定光23が照射されたとき、ある特定の波長λLPの光に関しては局在プラズモン共鳴によって測定光の散乱や吸収が特異的に増大する。そこで、この波長λLPの光については、反射光強度が著しく低くなる。
【００４１】
そして、局在プラズモン共鳴が生じる光波長（共鳴ピーク波長）λLP、並びに測定光23の散乱や吸収の程度は、金属微粒子16の周囲に存在する液体試料21の屈折率に依存する。つまり、この屈折率が大であるほど共鳴ピーク波長λLPは長波長側にシフトし、また測定光23の散乱や吸収は増大する。したがって、図２に示すように容器20内に液体試料21を貯えた状態で陽極酸化アルミナ12の部分に測定光23を照射し、そのときの例えば共鳴ピーク波長λＬＰを検出することにより、液体試料21の屈折率や、その屈折率に対応する液体試料21の物性等を測定することができる。
【００４２】
また、このセンサにおいて用いられている微細構造体10の金属微粒子層17は均一性が高いため、測定光23の吸収、散乱スペクトル特性が鋭敏に変化するようになる。これにより、このセンサを用いれば、液体試料21の屈折率や、その屈折率に対応する液体試料21の物性等を極めて精度良く測定可能となる。
【００４３】
なお図３に示すような特性は、予め経験あるいは実験に基づいて求めておくことができる。
【００４４】
ここで上記実施の形態では、反射した白色光である測定光23を分光検出して共鳴ピーク波長λＬＰを検出するようにしているが、測定光として単色光を用い、上記共鳴ピーク波長λＬＰのシフトや、測定光23の散乱、吸収の変化に伴う光強度の変化を検出しても、液体試料21の屈折率や物性等を測定可能である。
【００４５】
また、さらに金属微粒子層をバイオセンサに用いる場合について説明する。そのバイオセンサの概略構成図を図４に示す。
【００４６】
図４に示すバイオセンサは、図２に示したものと比べると、微細構造体10の金属微粒子16表面には、図５に示すように、例えば抗体31が付着されている点のみが異なり、その他の構成は基本的に同様である。このバイオセンサにおいて、容器20内には微細構造体10の陽極酸化アルミナ12に接触するようにして、測定対象の検体溶液32が供給される。このとき検体溶液32内に、上記抗体31と特異的に結合する特定の抗原33が含まれていると、図５に示すようにその抗原33が、微細構造体10の抗体31と結合する。
【００４７】
こうして抗体31に抗原33が結合すると、微細構造体10の金属微粒子16の周囲部分の屈折率が変化するので、分光検出器25によって検出される測定光23の吸収、散乱スペクトル特性が変化する。例えばこの変化は、抗体31と抗原33との結合前は図６に破線で示すように共鳴ピーク波長がλLP1であったものが、結合後は同図に実線で示す通り共鳴ピーク波長がλLP2に変わるように、共鳴ピーク波長のシフトとして現れる。そこで、分光検出器25によって共鳴ピーク波長の変化を検出することにより、抗体31と抗原33との結合の有無、つまり検体溶液32の中に抗原33が存在するか否かを調べることができる。
【００４８】
また本実施の形態においても、均一な厚みの金属微粒子層を用いているため、測定光23の吸収、散乱スペクトル特性が十分鋭敏に変化するようになり、抗体31と抗原33との微かな結合を精度良く検出可能となる。
【００４９】
なお、本発明の製造方法により作製した金属微粒子層17は、上述のセンサに用いられる他、層の厚みが均一であり、微粒子の大きさを変えることにより吸収波長を容易に制御することができることから、特定の波長を吸収するフィルタ等としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】金属微粒子層を作製する方法を説明する概略図
【図２】本発明の実施の形態により作製された金属微粒子層を用いるセンサを示す概略側面図
【図３】図２のセンサにおいて検出される測定光の分光強度特性を示すグラフ
【図４】本発明の実施の形態により作製された金属微粒子層を用いる別のセンサを示す概略側面図
【図５】図４の微細構造体の試料分析時の状態を示す概略側面図
【図６】図４のセンサにおいて検出される測定光の分光強度特性の変化を説明するグラフ
【符号の説明】
【００５１】
10    微細構造体
11    アルミニウム基板
12    陽極酸化アルミナ
12ａ    陽極酸化アルミナの微細孔
13    金属コロイド粒子
13ａ    金属微粒子
13ｂ    有機分子
16    金属微粒子
17    金属微粒子層
20    容器
21    液体試料
22    透明窓
23    測定光
24    白色光源
25    分光検出器
31    抗体
32    検体溶液
33    抗原
【図１】
2005171306.tif 000003
【図２】
2005171306.tif 000004
【図３】
2005171306.tif 000005
【図４】
2005171306.tif 000006
【図５】
2005171306.tif 000007
【図６】
2005171306.tif 000008