(57)【要約】【課題】  極微量分子の検出のための分析装置に利用可能な被分析物担体、およびその製造方法を提供する。【解決手段】  基板上に形成された、均一な径の管状の細孔を有するメソポーラス物質膜と、そのメソポーラス物質膜の細孔内に金属細線を有する構造体において、かつ金属細線が基板上で部分的に露出している被分析物担体とする。又、均一な径の管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜を基板上に形成する工程と、金属化合物を含む溶液をメソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程と、金属化合物を化学変化させて細孔内に金属細線を形成させる工程と、メソポーラス物質膜を選択的に除去する工程を有する被分析物担体の製造方法を採用する。【選択図】図１
2007108131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマン分光分析に用いる被分析物担体であって、
基板上に形成された、均一な径の管状の細孔を有するメソポーラス物質膜と、前記メソポーラス物質膜の細孔内に金属細線を有する構造体において、前記金属細線が基板上で部分的に露出していることを特徴とする被分析物担体。
【請求項２】
前記メソポーラス物質膜が一軸方向に配列した管状細孔からなることを特徴とする請求項１に記載の被分析物担体。
【請求項３】
前記金属細線が一軸配向を有していることを特徴とする請求項１又は、請求項２に記載の被分析物担体。
【請求項４】
前記金属がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の被分析物担体。
【請求項５】
前記メソポーラス物質膜の細孔壁を構成する物質が、二酸化ケイ素であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の被分析物担体。
【請求項６】
前記メソポーラス物質膜の細孔壁を構成する物質が、１以上の炭素原子を含有する有機基と、前記有機基と２箇所以上で結合する２以上のケイ素原子と、前記ケイ素原子と結合する１以上の酸素原子から構成される、有機シリカハイブリッド材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の被分析物担体。
【請求項７】
ラマン分光分析に用いる被分析物担体の製造方法であって、
均一な径の管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜を基板上に形成する工程と、金属化合物を含む溶液を前記メソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程と、前記金属化合物を化学変化させて金属細線を形成させる工程と、前記メソポーラス物質膜を選択的に除去する工程を有することを特徴とする被分析物担体の製造方法。
【請求項８】
前記金属化合物を含む溶液を前記メソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程が、
前記メソポーラス物質膜の細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する工程と、前記細孔内に金属の原子を含有するアニオンを導入する工程から構成されることを特徴とする請求項７に記載の被分析物担体の製造方法。
【請求項９】
前記メソポーラス物質膜の細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する工程が、カチオン部位を有するシランカップリング剤を用いて細孔表面を修飾する工程であることを特徴とする請求項７又は、請求項８に記載の被分析物担体の製造方法。
【請求項１０】
前記メソポーラス物質膜の細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する工程が、シリカより等電点の高い酸化物を形成し得る金属を含有する金属塩の水溶液を用いて細孔表面を修飾する工程であることを特徴とする請求項７又は、請求項８に記載の被分析物担体の製造方法。
【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用いられる被分析物担体とその製造方法に関するもので、より詳しくは、基板上に一軸方向に配向した金属細線を形成させることで、ラマン分光分析の際に発生する表面増強作用を高める被分析物担体、及び被分析物担体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いた単一分子分光が注目を集めている（非特許文献１参照）。これは金属電極、ゾル、結晶および蒸着膜、半導体などの表面上に吸着した物質のラマン散乱強度が、その物質が単独状態にあるときよりも著しく増強される現象を言い、通常のラマン散乱と比較して散乱強度が１０５〜１０６倍程度になる。ＳＥＲＳの特徴としては、１）局在プラズモンを発生しうる金属、例えば金、銀、銅、白金、ニッケルなどの金属において増強効果が現れ、特に金、銀においてその効果が顕著である、２）金属表面の粗さがＳＥＲＳの発現に関与しており、比表面積の高い金属を用いることで効果が高くなる、等があり、金属表面の表面プラズモンの励起が重要な役割を果たしていると考えられている。
【０００３】
このＳＥＲＳのメカニズムに関する最近の新しい考え方として、２個の銀ナノ粒子に挟まれた数個の分子が、銀ナノ粒子による増強電場により著しいＳＥＲＳ効果を示すというものがある（非特許文献２参照）。これはＳＥＲＳの条件と共鳴ラマン散乱の条件が重なることで生じる表面増強共鳴ラマン散乱の効果によるもので、そのラマン散乱強度は１０１１〜１０１４倍程度まで増大するというものである。
【０００４】
なお、このＳＥＲＳと共鳴ラマン散乱を用いたセンシングの例として、非特許文献３には、陽極化成して作製したポーラスアルミナを鋳型として作製した、一方向に配列した銀ナノワイヤを用いることで、偏光ＳＥＲＳ分光法による微量分子検出を可能とした例が報告されている。
【非特許文献１】現代化学  ２００３年９月  ｐ．２０−２７
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００４、Ｖｏｌ．８３、ｐ．５５５７
【非特許文献３】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、２００４、Ｖｏｌ．１０８、ｐ．１２７２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の報告例にはいくつかの改良すべき点があった。
【０００６】
まず、非特許文献２に関しては、２個の銀ナノ粒子の表面が互いに向かい合う面が小さいため、粒子間の相互作用によって発生する電場の領域も狭くなり、そのため、結果として得られるラマン散乱強度も小さくなってしまうという問題点があった。一方、非特許文献３に関しては、ワイヤの作製時に鋳型として用いたポーラスアルミナをナノワイヤ作製後に溶解し、それによって得られたナノワイヤを溶媒に分散してから基板上に展開しているために、ワイヤの配向は部分的であり、また再現性に乏しいという問題点があった。さらに、この方法で得られるワイヤの末端は粒子状になり凝集してしまうという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上述の内容に鑑みなされたもので、実質的に均一な径を有する管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜を基板上に作製し、これを鋳型にすることでその細孔内に一軸配向を有する金属細線を形成させ、その後、鋳型であるメソポーラス物質膜の一部を選択的に除去することにより、基板上で部分的に金属細線を露出させることで得られる被分析物担体およびその製造方法を提供するものである。
【０００８】
すなわち本出願にかかる第一の発明は、ラマン分光分析に用いる被分析物担体であって、基板上に形成された、均一な径の管状の細孔を有するメソポーラス物質膜と、前記メソポーラス物質膜の細孔内に金属細線を有する構造体において、前記金属細線が基板上で部分的に露出していることを特徴とするものである。
【０００９】
また、特に、前記メソポーラス物質膜が一軸方向に配列した管状細孔からなることが好ましい。
【００１０】
特に、前記金属細線が一軸配向を有していることが好ましい。
【００１１】
特に、前記金属がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔのいずれかであることが好ましい。
【００１２】
また、特に、前記メソポーラス物質膜の細孔壁を構成する物質が、二酸化ケイ素、もしくは１以上の炭素原子を含有する有機基と、前記有機基と２箇所以上で結合する２以上のケイ素原子と、前記ケイ素原子と結合する１以上の酸素原子から構成される、有機シリカハイブリッド材料であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明は前記被分析物担体の製造方法を提供する。
【００１４】
すなわち本出願にかかる第二の発明は、ラマン分光分析に用いる被分析物担体の製造方法であって、均一な径の管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜を基板上に形成する工程と、金属化合物を含む溶液を前記メソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程と、前記金属化合物を化学変化させて金属細線を形成させる工程と、前記メソポーラス物質膜を選択的に除去する工程を有することを特徴とするものである。
【００１５】
特に、前記金属化合物を含む溶液を前記メソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程が、前記メソポーラス物質膜の細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する工程と、前記細孔内に金属の原子を含有するアニオンを導入する工程から構成されることを特徴とするものである。
【００１６】
また特に、前記メソポーラス物質膜の細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する工程が、カチオン部位を有するシランカップリング剤、もしくはシリカより等電点の高い酸化物を形成し得る金属を含有する金属塩の水溶液を用いて、細孔表面を修飾する工程であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ラマン分光分析により微量の分子を検出可能な被分析物担体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の被分析物担体の構成例を示すものである。図１において１１は基板、１２はメソポーラス物質膜、１３は細孔、１４は細孔壁、１５は金属細線である。
【００１９】
表面に構造の異方性を有する基板１１上に、ハニカム構造の管状細孔を有するメソポーラス物質膜１２が形成されている。メソポーラス物質膜中において、管状の細孔１３は、一方向に配列しているものが特に好ましい。メソポーラス物質膜１２を構成する細孔１３は、ＩＵＰＡＣにより定義された、直径２ｎｍから５０ｎｍのメソ領域の径を有する細孔を指し、また、ガス吸着法により得られる吸着等温線からＢｅｒｒｅｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａ（ＢＪＨ）法により評価される細孔径分布において、６０％以上の細孔が１０ｎｍの幅を持つ範囲に含まれることを特徴とする。１０ｎｍの幅を持つ範囲とは、例えば、５ｎｍから１５ｎｍのように、最小値と最大値の差が１０ｎｍである範囲を示す。
【００２０】
細孔１３を形成する細孔壁１４は、シリカもしくは１以上の炭素原子を含有する有機基と、その有機基と２箇所以上で結合する２以上のケイ素原子と、ケイ素原子と結合する１以上の酸素原子からなる有機シリカハイブリッド材料によって構成されている。有機シリカハイブリッド材料は、シリコン原子の結合手の内、有機基と結合していない少なくとも一つの結合手はシラノール基で終端されているため、細孔表面には多くのシラノール基が露出しており、アニオンを固定化する部位の形成に好ましい表面として使用できる。しかし本発明における細孔壁を構成する物質はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
また細孔１３の中には、金属細線１５が形成されている。金属細線１５は銀、金、白金などから構成されている。また、金属細線は管状細孔を鋳型として形成されるため、得られる金属細線の径は鋳型となるメソポーラス物質の細孔径を変化させることで調整することが可能となる。
【００２２】
また、図１に示す被分析物担体では、メソポーラス物質を選択的に除去することで、金属細線の一部を基板上に露出させることが可能となり、これにより被分析物が金属細線に付着しやすい構造となっている。また、金属細線の両末端はメソポーラス物質膜で支持されており、そのため金属細線同士の間隔はメソポーラス物質の細孔壁の厚みと同じになり、金属細線同士の凝集を防ぐことも可能となる。
【００２３】
図２は本発明における被分析物担体の製造方法を示す工程図である。図２において、工程Ａは均一な径を有する管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜を基板上に形成させる工程、工程Ｂは金属化合物を含む溶液を前記メソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程、工程Ｃは金属化合物を化学変化させて金属細線を形成させる工程、工程Ｄはメソポーラス物質膜を選択的に除去し、金属細線を基板上に露出させる工程、を示す。
【００２４】
本発明の被分析物担体およびその製造法について以下に説明する。
（工程Ａ：均一な径を有する管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜を基板上に形成させる工程）
メソポーラス物質膜の作製法に関しては種々の報告があり、溶媒蒸発法とよばれる方法と、基板上への不均一核発生−核成長に基づく方法の２つに大別されるが、本発明において、一軸方向に配列した細孔構造を有するメソポーラス物質膜を作製できる限りにおいては、これらの方法に限定されるものではない。
【００２５】
図１に示した構成において、１１は表面に構造の異方性を有する基板である。
【００２６】
基板の表面に形成される構造異方性を有する材料としては、高分子化合物のラングミュア−ブロジェット膜、ラビング処理を施した高分子化合物膜等が良好に用いられる。この様な、異方性を有する高分子化合物の膜を用いたメソポーラス物質膜の細孔の配向制御は、特開２００１−５８８１２に記載がなされている。但し、本発明に用いられる表面に異方性を有する高分子化合物を形成する方法は、この２つの方法に限定されず、異方性を誘起し得る方法であれば、どんなものでも適用可能である。例えば、偏光照射による異方性の付与等が挙げられる。また、本発明に適用可能な表面に異方性を有する基板はこれらに限定されず、目的の構造が作製可能な限りにおいて、例えばシリコン単結晶の（１１０）面のような、表面に異方性を有する結晶性基板を使用することも可能である。この場合には、基板上への高分子化合物膜の形成工程は不要となる。
【００２７】
始めに、基板の作製方法に関して説明を行う。本発明では、基板の表面にラビング処理を施した高分子化合物膜を形成させる場合について説明する。高分子膜を形成する基板は、後述するメソポーラス物質膜の作製プロセスに耐えられるものであれば任意の材質のものを用いることができる。例示すると、石英ガラス、シリコン基板等が良好に適用可能である。
【００２８】
ラビング処理とは、スピンコート等の手法により基板上にポリマーのコーティングを施し、これを布等で一方向に擦る処理のことである。ラビング布はローラーに巻き付けられており、回転するローラーを基板表面に接触させ、基板を固定したステージをローラーに対して一方向に移動させることによってラビングを行う。
【００２９】
ラビング処理を施す高分子化合物は、後述するメソポーラス物質膜の形成プロセスに耐え得るもので、かつメソポーラス物質膜中の細孔の一軸配向制御が可能なものであれば基本的に材質には限定はなく、ポリイミド等が好ましく用いられる。
【００３０】
次に、前述した、表面に構造の異方性を有する基板上に、不均一核発生−核成長に基づく方法を用いて、メソポーラス物質膜を作製する方法について説明する。
【００３１】
シリカメソ構造体膜は、両親媒性分子である界面活性剤とシリカ源であるシリコンアルコキシドと加水分解触媒として働く酸とを含む水溶液中に上記基板を保持することによって形成可能である。基板上で両親媒性分子の集合体である界面活性剤ミセルとシリカの前駆体である加水分解されたアルコキシドの前駆体が、自己集合により規則的に配列したシリカメソ構造体膜が形成される。
【００３２】
この方法によるシリカメソ構造体膜の形成に用いる反応容器は、反応に影響を及ぼさないものであれば特に限定はなく、ポリプロピレンやテフロン（登録商標）のようなものを用いることができる。反応容器は、反応中に圧力がかかっても破壊されないように、さらにステンレスのような剛性の高い材質の密閉容器に入れることもある。反応容器内には、基板ホルダーが置かれており、基板はこれを用いて保持される。
【００３３】
反応溶液は、界面活性剤水溶液に酸等を添加して目的の細孔壁を構成する成分の形成に適したｐＨに調整し、ケイ酸エチルや１、４−ビス（トリメトキシシリル）エチレンの様な目的とする細孔壁の材料の原料になる物質を添加したものである。アルコキシドを用いる場合には、加水分解の結果生成するアルコールが水に可溶であるようなものが好ましく用いられる。
【００３４】
使用する界面活性剤は、親水基がアンモニウムのようなカチオン性界面活性剤や、ポリエチレンオキシドを親水基として有する非イオン性界面活性剤等が好ましい。但し、使用可能な界面活性剤は、これらに限定されるものではない。また、使用する界面活性剤分子の疎水基の長さ、及び親水基の大きさは、目的のメソ構造体の細孔径に応じて決められる。
【００３５】
細孔壁を構成する材料としては、シリカまたは１以上の炭素原子を含有する有機基と、有機基と２箇所以上で結合する２以上のケイ素原子と、ケイ素原子と結合する１以上の酸素原子から構成される、有機シリカハイブリッド材料が好ましい。シリカは、表面にシラノール基を有するため、細孔表面にアニオンを固定化する部位を好適に作製できる。また、有機シリカハイブリッド材料は、シリコン原子の結合手の内、有機基と結合していない少なくとも一つの結合手はシラノール基で終端されているため、細孔表面には多くのシラノール基が露出しており、アニオンを固定化する部位の形成に好ましい表面として使用できる。
【００３６】
本発明においては、表面に構造の異方性を有する前記基板を、以上説明したような前駆体溶液中に入れ、目的の細孔壁を構成する化合物に対して最適化された温度で１日〜１０日程度保持することによって、基板上に、管状細孔の方向が制御されたシリカメソ構造体の膜を作製することができる。
【００３７】
面外Ｘ線回折法により、作製したシリカメソ構造体膜の細孔構造を評価することができる。また、この膜の構造を面内Ｘ線回折分析により、さらに詳細に分析することで、面外Ｘ線回折法では観測できない、基板に対して水平でない格子面に関する情報を得ることができる。
【００３８】
以上のようにして作製したシリカメソ構造体から、界面活性剤を除去し、メソポーラスシリカ膜とする。なお、界面活性剤を除去し、多孔質化する方法としては、種々の方法があるが、細孔構造を破壊せずに有機成分を除去できる方法であればどのような方法でも使用することが可能である。最も一般的に用いられる方法は、酸素を含んだ雰囲気中で焼成する方法である。例えば、形成した構造体を４５０度において空気中で４時間焼成することによって、細孔構造を保持したままで完全に有機成分を除去することが可能である。また、後に、細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成させる際、シランカップリング剤を用いる方法があるが、その時点で、細孔表面にシラノール基が存在していることが重要となる。前記焼成処理では、焼成前後でシラノール基の量が減少することが知られている。そこで、シリカ表面のシラノール基の量を減少させず、界面活性剤を除去することが可能な、マイクロ波により分解する方法、及び溶剤により抽出する方法も用いることが可能である。ただし、これらの方法は、焼成による方法と比較して、細孔内から界面活性剤を完全には除去することはできない。なお、シリカ表面のシラノール基の量を減少させず、界面活性剤を除去することが可能な方法であれば、これらに限定されず使用することが可能である。
【００３９】
上記のような基板上での不均一核発生−核成長に基づく方法の他にも、溶媒蒸発法に基づく方法がメソポーラス物質膜の作製には良好に用いられる。この作製方法について、以下に説明する。この方法は、広い材質のメソポーラス物質膜作製に適用可能な、簡便な方法で、界面活性剤と細孔壁の原料とを含む前駆体溶液を、表面に構造の異方性を有する基板上に塗布、もしくは基板上の任意の位置に配置した後、溶媒蒸発、加水分解、縮合等の反応を行う方法である。
【００４０】
この方法で用いられる前駆体溶液は、界面活性剤の溶液に細孔壁を構成する材料の原料を添加したものである。溶媒にはエタノールやイソプロパノール等のアルコールが良好に用いられるが、これらに限定されるわけではなく、目的の細孔壁材料によっては、例えばアルコールと水の混合溶媒、水等が使用可能である。また、反応触媒として酸を加えても良い。
【００４１】
以上のような構成の前駆体溶液を、前記表面に構造の異方性を有する基板に塗布もしくは基板上の任意の位置に配置する。塗布する方法には、ディップコーティング、スピンコーティング、ミストコーティング等、種々の方法を使用することができる。これら以外にも、均一な塗布が可能な方法であれば、適用することができる。スピンコートやディップコートを行うための装置は、一般的なものを用いることができ、特に制約はない。
【００４２】
以上のようにして作製したメソ構造体膜から、界面活性剤を除去し、メソポーラス物質膜とする。なお、界面活性剤を除去し、多孔質化する方法としては、種々の方法があるが、細孔構造を破壊せずに有機成分を除去できる方法であればどのような方法でも使用することが可能である。
【００４３】
（工程Ｂ：金属化合物を含む溶液を前記メソポーラス物質膜の細孔内に導入する工程）
均一な径の管状の細孔が一軸方向に配列した構造を有するメソポーラス物質膜の細孔内に金属細線を形成させるためには、金属化合物を含む溶液にメソポーラス物質膜を浸漬して細孔内に金属を含有するイオンを導入し、導入後、金属原子含有イオンを化学変化させることにより金属細線を形成させる方法がある。本発明において、金属細線を構成する金属元素としては金、銀または白金が好ましい。ただし、目的の金属細線を形成し、更に表面プラズモンあるいは局在プラズモンを発生し得るものであれば、これらに限定されるわけではない。また、前記金属化合物を溶解させる溶媒としては、金属化合物が溶解するものであれば良く、より具体的には、水、エタノール等が挙げられる。
【００４４】
金や白金などの金属細線を作製する際には、金属の原子を含有するアニオンを用いることが好ましい。特に、ＡｕＣｌ４−、ＰｔＣｌ６２−などが好ましい。通常、シリカの等電点は２程度であるため、金属原子を含有するアニオンを細孔内に数多く導入することは困難である。よって、細孔内により多くの金属原子含有アニオンを導入するために、細孔内にアニオンを固定化する部位を形成することが好ましい。
【００４５】
細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する方法としては、カチオン部位を有するシランカップリング剤で細孔表面を修飾する方法と、シリカより等電点の高い酸化物を形成し得る金属を含有する金属塩の水溶液を用いて細孔表面を修飾する方法が好適に用いられる。
【００４６】
先ず、カチオン部位を有するシランカップリング剤で細孔表面を修飾する方法について説明する。シランカップリング剤は、細孔表面のシラノール基に結合し、アニオン交換サイトを形成する。カチオン部位を有するシランカップリング剤としては、アンモニウム基を含むもの、すなわち正に帯電した窒素を有するものが適当である。例えば、Ｎ−トリメトキシシリルプロピル−Ｎ、Ｎ、Ｎ−トリメチルアンモニウムクロライド（ＴＰＴＣＡ）のようなアンモニウム塩酸塩、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン等を使用することが可能である。このようなシランカップリング剤のカチオン部位に由来する正電荷に対して、金属原子を含有するアニオンが固定化される。
【００４７】
次に、シリカより等電点の高い酸化物を形成し得る金属を含有する金属塩の水溶液を用いて細孔表面を修飾する方法について説明する。シリカより等電点の高い酸化物を形成し得る金属としては、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、スズが好ましい。ただし、細孔表面の修飾により、アニオンを固定化する部位を形成することができる金属塩の水溶液であれば、金属塩を構成する金属は、これらに限定されない。この方法においては、細孔表面にシリカより等電点の高い金属と酸素の結合を有する物質が、細孔表面に形成されるため、正電荷密度が増大し、金属原子を含有するアニオンの吸着量が増大する。
【００４８】
次に、形成したアニオンを固定化する部位に、目的とする金属細線の原料となる、金属原子を含有するアニオンを導入する。細孔内に金属原子を含有するアニオンを導入する方法としては、金属細線の前駆物質としての金属化合物の溶液に、細孔表面にアニオンを固定化する部位を有するメソポーラス物質膜を浸漬する方法が好ましい。金属化合物の溶液に、メソポーラス物質膜を浸漬する工程を繰り返し行うことで、細孔内により多くの金属細線の前駆物質を導入することが可能となる。これにより、管状細孔の長さに対応した金属細線を得ることができる。
【００４９】
また、金属細線の前駆物質としての金属化合物としては、例えば、前記金属の塩または錯塩を用いることができる。
（工程Ｃ：金属化合物を化学変化させて金属細線を形成させる工程）
細孔内に導入した金属化合物を金属細線に転換する方法としては、主に加熱処理による方法が用いられる。また、金属原子を含有するアニオンを金属細線に転換する方法としては、水素雰囲気下において加熱還元する方法、水素化ホウ素ナトリウム水溶液により還元する方法、光照射により還元する方法が好ましく、例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ第１２３巻３３７３頁に記載されているように、Ｈ２ＰｔＣｌ６を白金化合物として白金細線を作製する場合には、２０Ｔｏｒｒの水蒸気と１００Ｔｏｒｒのメタノール蒸気にそれぞれ２時間暴露した後、高圧水銀ランプ（１００Ｗ、２５０−６００ｎｍ）を用いて２４時間光照射し、さらに真空下で１２時間乾燥することにより、金属細線を得ることが可能となる。しかし、本発明で用いられる金属細線への転換方法は、これらに限られるものではない。
（工程Ｄ：メソポーラス物質膜を選択的に除去し、金属細線を基板上に露出させる工程）
次に、メソポーラス物質膜を選択的に除去し、金属細線を基板上に露出させる工程Ｄを施す。
【００５０】
メソポーラス物質を選択的に除去することで、図１に示すような金属細線の両末端のみをメソポーラス物質が支持する構造体を作製することが可能となる。また金属細線同士の間隔はメソポーラス物質の細孔壁の厚みと同じになるため、金属細線同士の凝集を防ぐことも可能となる。
【００５１】
メソポーラス物質膜を選択的に除去する方法としては、ウェットエッチングによる方法が好適に用いられる。ウェットエッチングとは、硫酸、硝酸、燐酸、フッ酸などの薬液で溶解を行う方法である。
【００５２】
ウェットエッチングについて説明する。まず、金属細線を細孔内に有したメソポーラスシリカ膜の表面に感光剤をスピンコート法により塗布する。表面に塗布する感光剤としては、膜上に成膜できるものであれば良く、ポジ型の感光剤が好ましく用いられる。
【００５３】
成膜後、フォトマスクを介して露光処理を行った後、現像液を用いて現像処理を行う。このようにしてパターニングした膜をフッ酸／フッ化アンモニウム混合溶液に浸漬することで、感光剤に覆われていないメソポーラスシリカ膜を選択的にエッチングすることが可能となる。
【００５４】
次に、感光剤を剥離させる。感光剤を剥離させる方法は、イソプロパノール等のアルコールで洗浄する方法等があるが、感光剤をメソポーラス物質膜から剥離できる方法であれば、これらに限定されない。
【００５５】
以上の工程を行うことで、基板上に、メソポーラス物質膜が選択的に除去され、一軸配向を有する金属細線が露出している被分析物担体を作製することが可能となる。
【００５６】
上記の構成の被分析物担体を用いて行う分析方法の一例として、図３に示すような構成が挙げられる。図３においてはメソポーラス物質膜３２の膜面よりレーザー発生器３５から発生したレーザー光３７を入射し、レーザー光により励起された金属細線３３と被検出分子３４が増強作用を起こし、増強されたラマン散乱光３８を放出する。このラマン散乱光３８を光検出器３６で検出する。その際、金属細線間に発生する電場領域は非常に大きく、また異方性を有しているために、金属細線の配向方向に平行な方向と垂直な方向にそれぞれ偏光を照射することで得られるラマン散乱にも異方性が生じる。金属細線の配向方向に垂直な方向の偏光を入射したときに、より大きな強度のスペクトルを得ることが可能となり、微量分子の検出に非常に有効な手段となり得る。
【００５７】
以下、実施例を用いてさらに詳しく本発明を説明するが、本発明は実施例に記述されたものに限定されるわけではない。
【実施例１】
【００５８】
本実施例は、基板表面における不均一核生成−核成長に基づく方法により作製された、実質的に均一な径の管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有するメソポーラスシリカ膜を利用して、金細線を作製した後、メソポーラスシリカを選択的に除去して金細線を基板上に露出させ、被分析物担体を作製した例である。細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する方法としては、シランカップリング剤により修飾する方法を用いた。
【００５９】
アセトン、イソプロピルアルコール、及び純水で洗浄した後、オゾン発生装置中で表面をクリーニングした石英ガラス基板に、スピンコート法によりポリアミック酸ＡのＮＭＰ溶液を塗布し、２００℃で１時間焼成して、以下の構造を有するポリイミドＡ膜を形成した。
【００６０】
【化１】
2007108131.tif 000003
【００６１】
これに対して、表１に示したような条件でラビング処理を施し、基板として用いた。この基板を以降ラビング処理基板と呼ぶことにする。
【００６２】
【表１】
2007108131.tif 000004
【００６３】
このようなラビング処理を施した基板を用いることにより、実質的に均一な径の管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有するシリカメソ構造体膜を作製できることは、特開２００１−０５８８１２に記載されている。
【００６４】
この基板上に、前記シリカメソ構造体膜を形成する。反応溶液として、６．０１ｇの非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレン１０セチルエーテル（Ｃ１６ＥＯ１０）を１２８ｍｌの純水に溶解し、さらに２０．６ｍｌ の３６ｗｔ．％濃塩酸を添加した。この水溶液に、２．２０ｍｌのテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を添加し、３分間撹拌したものを前駆溶液とした。最終的な前駆溶液の組成（モル比）は、ＴＥＯＳ：Ｈ２Ｏ：ＨＣｌ：Ｃ１６ＥＯ１０ = ０．１２５：１００：３：０．１１となるようにした。
【００６５】
この前駆溶液に前記ラビング処理基板を、ポリイミドＡ膜が形成されている面を下向きにして浸漬し、８０℃で５日間反応させた。所定の反応時間を経過した後、前駆溶液中に浸漬させた基板を引き上げ、純水で十分に洗浄し、室温で乾燥させた。
【００６６】
作製された膜を面外Ｘ線回折法により評価した結果、面間隔４．８ｎｍのヘキサゴナル構造の（１００）面に帰属される強い回折ピークが確認され、この膜は管状のメソ細孔がヘキサゴナル配列した細孔構造を有することが確かめられた。また、面内Ｘ線回折法により評価したところ、１８０°周期の強い回折ピークが確認され、前記管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有していることが確かめられた。
【００６７】
作製された膜から、マイクロ波処理により界面活性剤を分解・除去し、多孔質化した。１５Ｍの硝酸と９．３Ｍ過酸化水素水の体積比が１５：１となるように調製した混合溶液に前記膜を浸漬し、周波数２４５０ＭＨｚ、電圧２２０Ｖのマイクロ波を５分間照射した。界面活性剤除去後の膜には、界面活性剤に由来する有機成分は存在していないこと及びシラノール基が十分に残存していることが、赤外分光光度法等により確認された。
【００６８】
次に、シランカップリング剤処理により、細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成させた。前記膜を５０ｗｔ．％ のＮ−トリメトキシシリルプロピル−Ｎ、Ｎ、Ｎ−トリメチルアンモニウムクロライド（ＴＰＴＣＡ）のメタノール溶液中に浸漬し、室温で１２時間保持した後、純水で十分に洗浄し、室温で乾燥した。処理後の膜を、赤外分光光度法により評価したところ、ＴＰＴＣＡのシリカ表面への結合が確認された。また、処理後の膜をＸ線回折法により分析の結果、面外及び面内の規則性共に維持されていることが確認された。
【００６９】
このようにして得られた、前記メソ細孔の表面にアニオンを固定化する部位を有するメソポーラスシリカ膜を利用し、四塩化金酸四水和物（ＨＡｕＣｌ４・４Ｈ２Ｏ）を前駆物質として、金細線を作製した。前記膜を１０ｗｔ．％のＨＡｕＣｌ４・４Ｈ２Ｏ水溶液に浸漬し、室温で２４時間保持した後、エタノールで十分に洗浄し、室温で乾燥させた。この操作を１０回繰り返すことで、金属細線を形成させ得るのに十分な量のＡｕＣｌ４−をメソ細孔内に導入した。この細孔中にＡｕＣｌ４−を十分に含有したメソポーラスシリカ薄膜を、０．１Ｍ水素化ホウ素ナトリウム水溶液中に浸漬し、ＡｕＣｌ４−を還元し、金細線を作製した。
【００７０】
次に、金細線を細孔内に有するメソポーラスシリカ膜から選択的に鋳型であるシリカを取り除いた。始めに、金細線を細孔内に有したメソポーラスシリカ膜の表面にポジ型感光剤であるＡＺ１５００（クラリアント社製）をスピンコート法により塗布した。成膜後、フォトマスクを介して１０秒の露光処理を行った後、現像液ＭＩＦ３１２を用いて現像処理を行った。このようにしてパターニングした膜をフッ酸／フッ化アンモニウム混合溶液（１：５）に浸漬することで、感光剤に覆われていないメソポーラスシリカ膜を選択的にエッチングした。
【００７１】
次に、イソプロパノールで洗浄することにより、感光剤を剥離させた。以上の工程を行うことにより、基板上に、メソポーラス物質膜が選択的に除去され、金細線が露出している被分析物担体を作製することが可能であった。作製された金細線においては、透過型電子顕微鏡観察により、高い直線性、均一な直径、及び長い細線長を有する金細線が形成されていることが確認された。
【００７２】
この被分析物担体上に濃度１００μｍｏｌ／ｌのローダミン６Ｇ色素分子溶液を滴下し、波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザーを被分析物担体表面から偏光子を介して照射し、同じく被分析物担体表面側に設置された検出器でラマン散乱光を検出した。
【００７３】
金細線の長軸方向に対して平行方向に偏光を照射した際には、ラマン散乱はほとんど確認できなかったが、金細線の長軸方向に対して垂直方向に偏光を照射した際には、非常に大きな表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）が発生していることを確認できた。また、そのラマンスペクトルのピーク強度は１０倍以上強くなっていることが確認された。
【００７４】
また、このとき、比較のために、一軸配向を有していないメソポーラスシリカ膜を鋳型として作製した金細線を用いて同様の実験を行い、今回作製した一軸配向を有する金細線を用いた被分析物担体との比較を行った。その結果、一軸配向を有していない金細線を用いた被分析物担体においては、ＳＥＲＳの発生は確認されたが、その強度は偏光に依存せず、また、その値も偏光を用いた時に比べて小さいものであった。
【００７５】
上記のようにメソポーラスシリカ膜を鋳型として作製した一軸配向を有する金細線を被分析物担体として用いてラマン散乱測定を行うと、偏光方向に依存したＳＥＲＳが発生し、その結果、分子の検出感度も著しく向上し、微量の分子を検出することが可能となる。また、上記のような色素分子以外にもアデニン、グアニン等の生体分子やＤＮＡ等の微量検出も可能である。
【実施例２】
【００７６】
本実施例は、溶媒蒸発法に基づき、ディップコート法により作製された、実質的に均一な径の管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有するメソポーラス有機シリカハイブリッド膜を利用して、白金細線を作製した後、シリカを選択的に除去して白金細線を基板上に露出させ、被分析物担体を作製した例である。細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成する方法としては、オキシ硝酸ジルコニウムにより修飾する方法を用いた。
【００７７】
あらかじめ調製された所定量のｎ−ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロマイド（Ｃ１６ＴＡＢ）を含むエタノール溶液に、出発物質として１、４−ビス（トリメトキシシリル）エチレン（ＢＴＭＥ）を添加し、３０分間撹拌した。ＢＴＭＥを加水分解させるため、この溶液に塩酸と水を添加し、８時間撹拌することにより前駆溶液を得た。前駆溶液の組成（モル比）は、ＢＴＭＥ：ＥｔＯＨ：Ｈ２Ｏ：ＨＣｌ：Ｃ１６ＴＡＢ = ０．５：２２：５：０．００４：０．３０１４となるようにした。この前駆溶液を上記ラビング処理基板にディップコート法により、引き上げ速度２ｍｍ／ｓで塗布し、２５℃、相対湿度５０％の環境試験器中で２４時間乾燥させた。
【００７８】
作製された膜を面外Ｘ線回折法により評価したところ、面間隔３．８ｎｍのヘキサゴナル構造の（１００）面に帰属される強い回折ピークが確認され、この膜は管状のメソ細孔がヘキサゴナル配列した細孔構造を有することが確かめられた。また、この膜を面内Ｘ線回折法により評価したところ、１８０°周期の強い回折ピークが確認され、前記管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有していることが確かめられた。
【００７９】
作製された膜から、溶剤により界面活性剤を抽出・除去し、多孔質化した。３６ｗｔ．％の塩酸とエタノールの体積比が１５：５００となるように調製された混合溶液に前記膜を浸漬し、７０℃で１２時間保持した後、純水で十分に洗浄し、室温で乾燥させた。界面活性剤除去後のメソポーラス有機シリカハイブリッド膜には、界面活性剤に由来する有機成分は存在していないこと、エチレン基が残存していること、及びシラノール基が十分に残存していることが、赤外分光光度法により確認された。また、核磁気共鳴分光法により、界面活性剤除去後もケイ素原子と炭素原子との結合は維持され、エチレン基は細孔壁中に均一に分散していることが確認された。
【００８０】
次に、オキシ硝酸ジルコニウム水溶液処理により、細孔表面にアニオンを固定化する部位を形成した。オキシ硝酸ジルコニウム水溶液処理によって、アニオン固定化部位を細孔内に導入する場合、細孔壁内に有機基を有する前記膜はメソポーラスシリカ膜よりも容易に修飾が可能であるという利点がある。前記膜を１０wt．％のオキシ硝酸ジルコニウム水溶液に浸漬し、１２時間保持した後、純水で十分に洗浄し、１００℃で１時間乾燥させた。処理後の膜をＸ線回折法により分析した結果、面外及び面内の規則性共に維持されていることが確認された。
【００８１】
このようにして得られた、前記メソ細孔の表面にアニオンを固定化する部位を有するメソポーラス有機シリカハイブリッド膜を利用し、六塩化白金酸六水和物（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ）を前駆物質として、白金細線を作製した。前記膜を１０ｗｔ．％のＨ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ水溶液に浸漬し、室温で２４時間保持した後、エタノールで十分に洗浄し、室温で乾燥させた。この操作を１０回繰り返すことで、金属細線を形成させ得るのに十分な量のＰｔＣｌ６２−をメソ細孔内に導入した。このメソ細孔中にＰｔＣｌ６２−を十分に含有したメソポーラス有機シリカハイブリッド膜を、水素雰囲気下において５００℃に加熱することにより還元し、白金細線を得た。
【００８２】
メソ細孔中に白金細線を含有する膜から、実施例１と同様の方法により、シリカを選択的に除去することで白金細線が基板上に露出している被分析物担体を作製することが可能であった。作製された白金細線においては、透過型電子顕微鏡観察により、高い直線性、均一な直径、及び長い細線長を有する白金細線が形成されていることが確認された。
【００８３】
この被分析物担体上に濃度１００μｍｏｌ／ｌのローダミン６Ｇ色素分子溶液を滴下し、波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザーを被分析物担体表面から偏光子を介して照射し、同じく被分析物担体表面側に設置された検出器でラマン散乱光を検出した。
【００８４】
白金細線の長軸方向に対して平行方向に偏光を照射した際には、ラマン散乱はほとんど確認できなかったが、白金細線の長軸方向に対して垂直方向に偏光を照射した際には、非常に大きな表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）が発生していることを確認できた。また、そのラマンスペクトルのピーク強度は１０倍以上強くなっていることが確認された。
【００８５】
また、このとき、比較のために、一軸配向を有していないメソポーラスシリカ膜を鋳型として作製した白金細線を用いて同様の実験を行い、今回作製した一軸配向を有する白金細線を用いた被分析物担体との比較を行った。その結果、一軸配向を有していない白金細線を用いた被分析物担体においては、ＳＥＲＳの発生は確認されたが、その強度は偏光に依存せず、また、その値も偏光を用いた時に比べて小さいものであった。
【００８６】
上記のようにメソポーラスシリカ膜を鋳型として作製した一軸配向を有する白金細線を被分析物担体として用いてラマン散乱測定を行うと、偏光方向に依存したＳＥＲＳが発生し、その結果、分子の検出感度も著しく向上し、微量の分子を検出することが可能となる。また、上記のような色素分子以外にもアデニン、グアニン等の生体分子やＤＮＡ等の微量検出も可能である。
【実施例３】
【００８７】
本実施例は、溶媒蒸発法に基づき、ディップコート法により作製された、実質的に均一な径の管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有するメソポーラスシリカ膜を利用して、銀細線を作製した後、シリカを選択的に除去して銀細線を基板上に露出させ、被分析物担体を作製した例である。
【００８８】
あらかじめ調製された所定量のポリオキシエチレン１０セチルエーテル（Ｃ１６ＥＯ１０）を含むエタノール溶液に、出発物質としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を添加し、３０分間撹拌した。ＴＥＯＳを加水分解させるため、この溶液に塩酸と水を添加し、２時間撹拌することにより前駆溶液を得た。前駆溶液の組成（モル比）は、ＴＥＯＳ：ＥｔＯＨ：Ｈ２Ｏ：ＨＣｌ：Ｃ１６ＴＡＢ = １：２２：５：０．００４：０．０８となるようにした。
【００８９】
この前駆溶液を前記ラビング処理基板にディップコート法により、引き上げ速度２ｍｍ／ｓで塗布し、２５℃、相対湿度５０％の環境試験器中で２４時間乾燥させた。
【００９０】
作製された膜を面外Ｘ線回折法により評価したところ、面間隔４．１ｎｍのヘキサゴナル構造の（１００）面に帰属される強い回折ピークが確認され、この膜は管状のメソ細孔がヘキサゴナル配列した細孔構造を有することが確かめられた。また、この膜を面内Ｘ線回折法により評価したところ、１８０°周期の強い回折ピークが確認され、前記管状のメソ細孔が一軸方向に配列した細孔構造を有していることが確かめられた。
【００９１】
作製された膜を４００度で４時間焼成処理を行うことにより、界面活性剤を分解・除去し、多孔質化した。界面活性剤除去後の膜には、界面活性剤に由来する有機成分は存在していないことが、赤外分光光度法等により確認された。
【００９２】
このようにして得られたメソポーラスシリカ膜を利用し、硝酸銀溶液（重量比；エタノール：水＝１：１）を前駆物質として、銀細線を作製した。前記膜を０．２Ｍの硝酸銀溶液に浸漬し、室温で２４時間保持した後、エタノールと精製水で十分に洗浄し、室温で乾燥させた。この操作を１０回繰り返すことで、金属細線を形成させ得るのに十分な量のＡｇ＋をメソ細孔内に導入した。このメソ細孔中にＡｇ＋を十分に含有したメソポーラスシリカ膜を、大気中、３００度で２時間に加熱することにより還元処理を行い、銀細線を得た。
【００９３】
次に、メソ細孔中に銀細線を含有する膜から、実施例１と同様の方法により、シリカを選択的に除去することで銀細線が基板上に露出している被分析物担体を作製することが可能であった。作製された銀細線においては、透過型電子顕微鏡観察により、高い直線性、均一な直径、及び長い細線長を有する銀細線が形成されていることが確認された。
【００９４】
この被分析物担体上に濃度１００μｍｏｌ／ｌのローダミン６Ｇ色素分子溶液を滴下し、波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザーを被分析物担体表面から偏光子を介して照射し、同じく被分析物担体表面側に設置された検出器でラマン散乱光を検出した。
【００９５】
銀細線の長軸方向に対して平行方向に偏光を照射した際には、ラマン散乱はほとんど確認できなかったが、銀細線の長軸方向に対して垂直方向に偏光を照射した際には、非常に大きな表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）が発生していることを確認できた。また、そのラマンスペクトルのピーク強度は１０倍以上強くなっていることが確認された。
【００９６】
また、このとき、比較のために、一軸配向を有していないメソポーラスシリカ膜を鋳型として作製した銀細線を用いて同様の実験を行い、今回作製した一軸配向を有する銀細線を用いた被分析物担体との比較を行った。その結果、一軸配向を有していない銀細線を用いた被分析物担体においては、ＳＥＲＳの発生は確認されたが、その強度は偏光に依存せず、また、その値も偏光を用いた時に比べて小さいものであった。
【００９７】
上記のようにメソポーラスシリカ膜を鋳型として作製した一軸配向を有する銀細線を被分析物担体として用いてラマン散乱測定を行うと、偏光方向に依存したＳＥＲＳが発生し、その結果、分子の検出感度も著しく向上し、微量の分子を検出することが可能となる。また、上記のような色素分子以外にもアデニン、グアニン等の生体分子やＤＮＡ等の微量検出も可能である。
【００９８】
［産業上の利用可能性］
本発明の被分析物担体およびその製造方法は、極微量分子の検出のための分析装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の被分析物担体の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の被分析物担体の製造方法における工程の一例を示す工程図である。
【図３】本発明の被分析物担体を用いた分析方法の一例である。
【符号の説明】
【０１００】
１１  基板
１２  メソポーラス物質膜
１３  細孔
１４  細孔壁
１５  金属細線
３１  基板
３２  メソポーラス物質膜
３３  金属細線
３４  被検出分子
３５  レーザー発生器
３６  光検出器
３７  レーザー光
３８  ラマン散乱光
【図１】
2007108131.tif 000005
【図２】
2007108131.tif 000006
【図３】
2007108131.tif 000007