(57)【要約】【課題】たんぱく質を含有する溶液中に含まれる検体を効率良く検出できる光電場増強デバイスおよびその製造方法を得る。【解決手段】基板２と、基板２の表面に沿って並設された複数の金属微粒子３からなる金属微細構造とを有し、金属微細構造に照射された光により金属微細構造の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、複数の金属微粒子３の相互間に、増強された光電場を発生させる光電場増強デバイス１において、複数の金属微粒子３の相互の間以外の位置において、金属微粒子３の少なくとも一部の表面に、たんぱく質と結合する化合物、および／または、たんぱく質と結合する化合物が含まれる混合物からなる物質(a)を結合させておく。【選択図】図１
2016061704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の表面に沿って並設された複数の金属微粒子からなる金属微細構造とを有し、
前記金属微細構造に照射された光により該金属微細構造の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、複数の金属微粒子の相互間に、増強された光電場を発生させる光電場増強デバイスにおいて、
複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、金属微粒子の少なくとも一部の表面に、たんぱく質と結合する化合物、および／または、たんぱく質と結合する化合物が含まれる混合物からなる物質(a)が結合されていることを特徴とする光電場増強デバイス。
【請求項２】
複数の金属微粒子の相互の間において、金属微粒子の少なくとも一部の表面に、たんぱく質との結合を抑制する化合物、および／または、たんぱく質との結合を抑制する化合物が含まれる混合物からなる物質(b)が結合されている請求項１記載の光電場増強デバイス。
【請求項３】
前記物質(a)を構成する化合物の末端(A)がたんぱく質に結合する構造であり、
前記物質(b)を構成する化合物の末端(A)がたんぱく質の結合を抑制する構造であり、
前記物質(a)を構成する化合物および前記物質(b)を構成する化合物の前記末端(A)と反対側の末端(B)が、チオールまたはジスルフィドから選択されて、前記金属微粒子の表面に単分子膜を形成するものである請求項２記載の光電場増強デバイス。
【請求項４】
複数の前記金属微粒子の相互の間隔が１０ｎｍ以下である請求項１から３いずれか１項記載の光電場増強デバイス。
【請求項５】
前記基板と前記金属微細構造との間に、微細凹凸構造を有する請求項１から４いずれか１項記載の光電場増強デバイス。
【請求項６】
前記微細凹凸構造がベーマイトからなるものである請求項５記載の光電場増強デバイス。
【請求項７】
請求項１から６いずれか１項記載の光電場増強デバイスを製造する方法であって、
前記金属微粒子の表面に前記物質(b)を結合させる工程と、
複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、前記物質(b)をエッチングにより除去して金属微粒子の少なくとも一部の表面を露出させる工程と、
露出した前記金属微粒子の表面に前記物質(a)を結合させる工程とを有することを特徴とする光電場増強デバイスの製造方法。
【請求項８】
請求項１から６いずれか１項記載の光電場増強デバイスを製造する方法であって、
前記物質(a)を構成する化合物を溶かした溶媒(a)に前記金属微細構造を接触させて、前記物質(a)を構成する化合物を前記金属微粒子の表面に結合させる工程と、
前記物質(b)を構成する化合物を溶かした溶媒であって、前記溶媒(a)よりも表面張力が小さい溶媒(b)に前記金属微細構造を接触させて、前記物質(b)を構成する化合物を前記金属微粒子の表面に結合させる工程とを有することを特徴とする光電場増強デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記溶媒(a)および前記溶媒(b)の少なくとも一方について、該溶媒を構成する２種類以上の液体の混合比率および／または、該溶媒の温度を変えることにより、表面張力の大小を制御する請求項８記載の光電場増強デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局在プラズモンを誘起しうる微細な金属構造を備えた光電場増強デバイス、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属表面における局在プラズモン共鳴現象による電場増強効果を利用したセンサデバイスやラマン分光用デバイス等の電場増強デバイスが知られている。ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル（ラマンスペクトル）を得る方法であり、物質の同定等に利用されている。
【０００３】
またラマン分光法の一つとして、表面増強ラマン散乱（SERS:Surface Enhanced Raman Scaterring）を利用する表面増強ラマン分光法が知られている（非特許文献１〜３参照）。この方法は、金属体、特に表面にナノメートルオーダーの微細凹凸を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による光電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるという原理を利用するものであり、微弱なラマン散乱光を検出する上で有利なものとなっている。
【０００４】
この表面増強ラマン分光法を実施する場合は、基板と、この基板の上に金属微細構造（金属微細凹凸構造）を備えてなる光電場増強デバイスが一般に用いられる。非特許文献１、２並びに特許文献１〜３には、その種の光電場増強デバイスの例が示されている。
【０００５】
また非特許文献１〜３には、金属微細構造が複数の金属微粒子を並べてなるものである場合、複数の金属微粒子の相互間の微小な間隙部分において、特に顕著な光電場増強作用が得られることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００６−５１４２８６号公報
【特許文献２】特許第４３４７８０１号公報
【特許文献３】特開２００６−１４５２３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Large-Area Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Imaging of Brain Ischemia by Gold NanoparticlesGrown on Random Nanoarrays of Transparent Boehmite, Yamazoe et al., ACS Nano,vol.8, No.6, 2014
【非特許文献２】Principle of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy ,ELSEVIER,2009,6.4
【非特許文献３】Enhancement factor distribution around a single surface-enhanced Ramanscattering hot spot and its relation to single molecule detection, E. C. Le Ru et al., THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, 125, 204701, 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の表面増強ラマン分光法等においては、水溶性の低分子化合物が検出の対象となることもある。そのような低分子の検体は、例えば血漿や血清といった生体由来サンプル、あるいは細胞懸濁液などのたんぱく質を含有する溶液中に含まれることも多い。ここで、上記「低分子」とは、分子量が１×１０３以下の分子を意味するものとする。また、そのような低分子検体の具体的例としては、生体由来サンプルや細胞懸濁液などの分析における各種代謝物(metabolite)が挙げられる。
【０００９】
従来の光電場増強デバイスにおいては、上述のようにたんぱく質を含有する溶液中に含まれる低分子検体を検出する場合、その検出効率が良くないという問題が認められている。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、たんぱく質を含有する溶液中に含まれる低分子検体を効率良く検出することができる光電場増強デバイスを提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、そのような光電場増強デバイスを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による光電場増強デバイスは、
基板と、基板の表面に沿って並設された複数の金属微粒子からなる金属微細構造とを有し、
金属微細構造に照射された光により金属微細構造の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、複数の金属微粒子の相互間に、増強された光電場を発生させる光電場増強デバイスにおいて、
複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、金属微粒子の少なくとも一部の表面に、たんぱく質と結合する化合物、および／または、たんぱく質と結合する化合物が含まれる混合物からなる物質(a)が結合されていることを特徴とするものである。
【００１３】
なお、上述の「基板の表面に沿って並設された」とは、基板表面の上に金属微粒子が直接並設されたことも、また、基板と金属微細構造との間に後述する微細凹凸構造が配置されていて、その微細凹凸構造の上に金属微粒子が並設されていることも意味するものである。
【００１４】
また、「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」とは、２つの金属微粒子の各中心を結ぶ線に対してπ/３(ｒａｄ)なる角度をなして金属微粒子の中心を通る直線の集合が、金属微粒子表面と交わってなす円よりも外側の位置と定義する。図９は一つの例として、基板表面Ｓｓの上に真球状の金属微粒子３が並設される場合について、上記位置を説明するものである。この例においては、２つの金属微粒子３の各中心をＯとし、それらの中心Ｏを結ぶ線（なお、この線上で、金属微粒子３同士の表面間距離ｇが最小となる）に対して、中心Ｏを通る直線がなす角度をθで示してある。したがって、上記の円並びにそれよりも内側の領域は、２つの中心Ｏを結ぶ線を含む一つの断面で考えれば、図中、ハッチングを付して示す領域となる。そこでこの場合の「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」とは、θ＝π/３(ｒａｄ)としたときの、上記ハッチングを付して示す領域よりも外側の位置となる。
【００１５】
なお、以上は金属微粒子が真球であるとして説明したが、金属微粒子が完全な真球でなくても一般的に真球に近似できる形状の場合は、以上の記載と同様にして「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」を定義することとする。
【００１６】
また、図１０に示す例のように、基板表面Ｓｓの上に楕円球（回転楕円体）状の金属微粒子３が並設される場合に関しても、「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」の定義は以上説明の定義と同じとする。そしてこの場合も、金属微粒子が完全な楕円球でなくても一般的に楕円球に近似できる形状の場合は、以上の記載と同様にして「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」を定義することとする。なお、この図１０において、図９に示したものと同じ要素については同番号あるいは同符号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する（以下、同様）。
【００１７】
さらに、図１１に示す例のように、基板表面Ｓｓの上に半球状の金属微粒子３が並設される場合に関しても、「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」の定義は以上説明の定義と同じとする。ただしこの場合、２つの金属微粒子３の各中心Ｏを結ぶ線に対して角度θをなして金属微粒子３の中心Ｏを通る直線の集合が、金属微粒子表面と交わってなす円は半円となり、その半円よりも外側の位置を「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」と定義する。
【００１８】
ここで、複数の金属微粒子の相互の間において金属微粒子の少なくとも一部の表面には、たんぱく質との結合を抑制する化合物、および／または、たんぱく質との結合を抑制する化合物が含まれる混合物からなる物質(b)が結合されていることが望ましい。なお、上記の「結合を抑制する」とは、結合を阻害する作用が少しでも有ることを意味する。また、上記の「複数の金属微粒子の相互の間」とは、上に説明したように金属微粒子の表面に形成される円あるいは半円並びにそれよりも内側の領域を言うものとする。
【００１９】
また、本発明の光電場増強デバイスにおいては、
物質(a)を構成する化合物の末端(A)がたんぱく質に結合する構造であり、
物質(b)を構成する化合物の末端(A)がたんぱく質の結合を抑制する構造であり、
物質(a)を構成する化合物および物質(b)を構成する化合物の末端(A)と反対側の末端(B)が、チオールまたはジスルフィドから選択されて、金属微粒子の表面に単分子膜を形成するものであることが望ましい。
【００２０】
本発明における物質(a)を構成する化合物および物質(b)を構成する化合物は、固定基を有する末端(B)を有するものである。固定基とは、金属表面に化合物を固定するための基であって、化学的吸着、物理的吸着または親和力によって固定化するための基である。本発明における固定基は、チオール基またはジスルフィド基、もしくはチオール基またはジスルフィド基を有する他の物質であることが望ましい。チオール基やジスルフィド基に含まれる硫黄は、金属に対して高い吸着性と高配向性を有しているためである。物質(a)を構成する化合物および物質(b)を構成する化合物は、このような固定基を有する末端(B)と金属との化学的吸着により、金属微粒子の表面に単分子膜を形成するものであることが望ましい。
【００２１】
また、上記末端(B)の反対側の末端(A)は、物質(a)を構成する化合物においてはたんぱく質と結合する化合物、および／または、たんぱく質と結合する化合物が含まれる混合物からなる構造を有し、物質(b)を構成する化合物においてはたんぱく質との結合を抑制する化合物、および／または、たんぱく質との結合を抑制する化合物が含まれる混合物からなる構造を有する。
【００２２】
さらに、物質(a)を構成する化合物のたんぱく質と結合する末端(A)の構造は、アルキル基、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド(PIPAAm；３２℃以上で疎水性)、カルボキシル基、アミノ基であることが好ましい。なお、物質(a)を構成する化合物の末端(B)にPIPAAmなどの温度応答性ポリマーを用いた場合は、温度を変えることにより細胞の剥離が容易となるため、デバイス上の細胞の特性を低分子の検出により評価した後に、温度調整してデバイスから細胞を剥離することも可能になる。
【００２３】
一方、物質(b)を構成する化合物の、たんぱく質との結合を抑制する末端(A)の構造は、ヒドロキシル基、ポリエチレングリコールであることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の光電場増強デバイスにおいて、複数の金属微粒子の相互の間隔は１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２５】
また、本発明の光電場増強デバイスは、溶液との接触により金属微細構造が崩れることを防ぐために、基板と金属微細構造との間に、微細凹凸構造を有していることが望ましい。
【００２６】
上記の微細凹凸構造は、デバイスの裏側、つまり基板側から励起・測定を行うために、例えばベーマイトのような透明材料からなるものであることが望ましい。そのためには、当然基板も、ガラスや樹脂等の透明材料から形成されることが望ましい。
【００２７】
また、金属微細構造を構成する金属微粒子は、金、銀、銅、プラチナまたはアルミニウムからなるものであることが望ましい。
【００２８】
他方、本発明による第１の光電場増強デバイスの製造方法は、上述した通りの本発明による光電場増強デバイスを製造する方法であって、
金属微粒子の表面に物質(b)を結合させる工程と、
複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、物質(b)をエッチングにより除去して金属微粒子の少なくとも一部の表面を露出させる工程と、
露出した金属微粒子の表面に物質(a)を結合させる工程とを有することを特徴とするものである。
【００２９】
また、本発明による第２の光電場増強デバイスの製造方法は、上述した通りの本発明による光電場増強デバイスを製造する方法であって、
物質(a)を構成する化合物を溶かした溶媒(a)に金属微細構造を接触させて、物質(a)を構成する化合物を金属微粒子の表面に結合させる工程と、
物質(b)を構成する化合物を溶かした溶媒であって、溶媒(a)よりも表面張力が小さい溶媒(b)に金属微細構造を接触させて、物質(b)を構成する化合物を金属微粒子の表面に結合させる工程とを有することを特徴とするものである。
【００３０】
上記溶媒(a)および溶媒(b)はジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、メタノール、クロロホルム、エタノール、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、エチルアセテート、アセトニトリル、メチルエチルケトン、トルエン、オクタン、キシレン、水から選択される単一の液体または混合液であることが好ましい。
【００３１】
なお、上記第２の光電場増強デバイスの製造方法においては、溶媒(a)および溶媒(b)の少なくとも一方について、溶媒を構成する２種類以上の液体の混合比率および／または、溶媒の温度を変えることにより、表面張力の大小を制御することが望ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明者の研究によると、従来技術における前述の問題つまり、たんぱく質を含有する溶液中に含まれる低分子検体の検出効率が良くないという問題は、以下のことに起因するものであることが分かった。すなわち先に説明した通り、本来、複数の金属微粒子の相互の間では特に高い電場増強効果が得られるので、複数の金属微粒子の相互の間に入り込んだ低分子検体は、高効率で検出することができる。しかしながら、溶液中のたんぱく質のような高分子が複数の金属微粒子相互の間で金属微粒子表面に結合すると、金属微粒子の相互の間はたんぱく質で塞がれてしまい、低分子検体が入り込むことができなくなる。その結果、低分子検体の検出効率が損なわれるのである。
【００３３】
本発明の光電場増強デバイスは、上記の新しい知見に基づいて、複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、金属微粒子の少なくとも一部の表面に、たんぱく質と結合する化合物、および／または、たんぱく質と結合する化合物が含まれる混合物からなる物質(a)が結合された構成としたので、たんぱく質はその物質(a)と結合しやすくなって、複数の金属微粒子の相互の間の金属微粒子表面には結合し難くなる。それにより、複数の金属微粒子の相互の間の電場増強効果がたんぱく質によって阻害されることが防止され、その結果、高い電場増強効果が保たれて低分子検体を高効率で検出可能となる。
【００３４】
ここで、「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」を、先に説明した角度π/３(ｒａｄ)に基づいて定義することの意味について説明する。前述した非特許文献３には、２つの金属微粒子のギャップ間隔ｇ＝２ｎｍのとき、θ＝π/３の位置で（ｇおよびθについては図９〜１１参照）、局在プラズモンによる信号の増強度が最小となることが記載されている。また、非特許文献２のp.360等には、２つの金属微粒子のギャップ間隔ｇ＝１ｎｍ、２ｎｍ、１０ｎｍの場合と、Single Sphere（ギャップ間隔が２つの金属微粒子が影響し合わない距離となったもの）の場合の計４条件下における、角度θに対する増強度の依存性が示されている。なお、この増強度依存性は、（各θのときの増強度)/（θ＝０°のときの増強度）で定めるものである。ここで、θ＝π/３である微粒子表面位置での増強度に注目すると、上記４条件下の全てにおいて増強度が、θ＝０°のときの値の２０％以下となっている。特に、信号増強度が大きくて利用価値が高いｇ＜１０ｎｍの場合の結果に注目すると、θ＝０°のときの０％（ほとんど増強されない）という結果となっている。本発明では以上の点に鑑みて、「複数の金属微粒子の相互の間以外の位置」を、角度π/３(ｒａｄ)に基づいて前述の通りに定義している。
【００３５】
また上記物質(a)が、複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、金属微粒子の少なくとも一部の表面に結合していることにより、この物質(a)を介して細胞を金属微細構造に接着させることも可能になる。そこで本発明の光電場増強デバイスは、細胞から放出される代謝物等の低分子検体を金属微細構造の付近に留めて、それを検出するような分析にも適用できるものとなる。その場合は、低分子検体を含む溶液を採取して、そこから低分子検体を検出する場合のように低分子検体が希釈されることがなくなるので、その点からも検体の検出効率が高いものとなる。さらに、細胞を金属微細構造に接着させることができれば、細胞を含む領域に関してイメージング測定を行うことが可能になるので、例えば、細胞から代謝物が放出される場所を特定するような分析も可能になる。
【００３６】
他方、本発明による第１の光電場増強デバイスの製造方法は、前述した通り、
金属微粒子の表面に物質(b)を結合させる工程と、
複数の金属微粒子の相互の間以外の位置において、物質(b)をエッチングにより除去して金属微粒子の少なくとも一部の表面を露出させる工程と、
露出した金属微粒子の表面に物質(a)を結合させる工程とを有するので、上記構成を有する本発明の光電場増強デバイスを製造できるものとなる。
【００３７】
また、本発明による第２の光電場増強デバイスの製造方法も、前述した通り、
物質(a)を構成する化合物を溶かした溶媒(a)に金属微細構造を接触させて、物質(a)を構成する化合物を金属微粒子の表面に結合させる工程と、
物質(b)を構成する化合物を溶かした溶媒であって、溶媒(a)よりも表面張力が小さい溶媒(b)に金属微細構造を接触させて、物質(b)を構成する化合物を金属微粒子の表面に結合させる工程とを有するので、上記構成を有する本発明の光電場増強デバイスを製造できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による光電場増強デバイスを示す概略側面図
【図２】図１の光電場増強デバイスの使用状態の例を示す概略側面図
【図３】本発明の一実施形態による光電場増強デバイスの製造方法における一工程を説明する図
【図４】図３の工程に続く別の工程を説明する図
【図５】図４の工程に続く別の工程を説明する図
【図６】本発明の別の実施形態による光電場増強デバイスの製造方法における一工程を説明する図
【図７】図６の工程に続く別の工程を説明する図
【図８】本発明の別の実施形態による光電場増強デバイスを示す概略側面図
【図９】物質(a)が結合される金属微粒子上の領域の一例を説明する図
【図１０】物質(a)が結合される金属微粒子上の領域の別の例を説明する図
【図１１】物質(a)が結合される金属微粒子上の領域のさらに別の例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して本発明による光電場増強デバイスおよびその製造方法の実施形態について説明する。なお、以下で説明する図１〜８は全て、光電場増強デバイスを模式的に示すものであり、各要素の寸法比は実際のものとは異なっている。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態による光電場増強デバイス１の概略側面形状を示している。図示の通りこの光電場増強デバイス１は、透明基板２と、その上に形成された微細凹凸構造１０と、この微細凹凸構造１０の上に並べて形成された複数の金属微粒子３とを有している。なお、上述のように並べて形成された複数の金属微粒子３は、いわゆる金属微細構造を構成している。
【００４１】
透明基板２としては、一例としてコーニング社のガラス基板EagleXG（登録商標）が用いられている。また微細凹凸構造１０は、透明基板２の上にアルミニウムを膜厚５０ｎｍに成膜し、煮沸処理を１５分間行うことにより形成されたベーマイトからなるものである。さらにこの微細凹凸構造１０の上に、金をＥＢ（電子ビーム）蒸着することにより、粒径１００ｎｍの微小な粒状の金属微粒子（金微粒子）３が複数並んでなる金属微細構造が形成されている。
【００４２】
なお上記の粒径は、粒子の最大長で定義するものとする。具体的な粒径は、金属微細構造として励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じ得る形状を維持することができる程度の大きさであれば特に制限はないが、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００４３】
以上述べた各要素により、光電場増強デバイスとしての基本的構造が形成されている。すなわち、上記金属微細構造に光を照射すると該金属微細構造の表面に局在プラズモンが誘起され、その光電場増強効果により複数の金属微粒子３の相互間に、増強された光電場が発生する。それによりこの光電場増強デバイス１は、前述した表面増強ラマン散乱を利用するラマン分光法等に適用可能なものとなっている。
【００４４】
なお光電場増強効果は、複数の金属微粒子３の相互間のみならず、複数の金属微粒子３の表面に沿って広く得られるが、特に金属微粒子３の相互間の距離が短い場合は、後に詳しく説明するように、金属微粒子３の相互間において著しく高い光電場増強効果が得られる。その場合、金属微粒子３の相互間は「ホットスポット」と称されることもあるが、以下ではこの金属微粒子３の相互間を、光電場増強部４ということにする。
【００４５】
本実施形態の光電場増強デバイス１はさらに、複数の金属微粒子３の相互の間以外の位置において、金属微粒子３の一部の表面に結合された化合物(a)５と、複数の金属微粒子３の相互の間において金属微粒子３の表面に結合された化合物(b)６とを有している。本実施形態においては、先に説明した物質(a)として化合物が用いられているので、この化合物を上述の通り化合物(a)と称し、また物質(b)として化合物が用いられているので、この化合物を上述の通り化合物(b)と称することとする。化合物(a)５は、たんぱく質と結合する化合物であり、本実施形態では一例としてデカンチオールが適用されている。また化合物(b)６は、たんぱく質との結合を抑制する化合物であり、本実施形態では一例として6-ヒドロキシ-1-ヘキサンチオールが適用されている。
【００４６】
前述した表面増強ラマン散乱を利用するラマン分光法等において、分析に供される例えばたんぱく質含有溶液７は、図１に示すように透明基板２の上に担持される。このたんぱく質含有溶液７は、水溶性の低分子検体８を含む、一例としてたんぱく質含有量が６％の細胞培養液等である。ここに溶け込んでいるたんぱく質９は、複数の金属微粒子３の相互間にある光電場増強部４には存在し得ず、そしてこの光電場増強部４以外の部分に有る化合物(a)５と結合する。そこで、水溶性の低分子検体８は、たんぱく質９に阻害されることなく光電場増強部４に到達できるようになる。このことによって光電場増強デバイス１が奏する効果については、後に詳しく説明する。
【００４７】
以下、金属微粒子３の相互間の距離と光電場増強効果との関係について詳しく説明する。前述した特許文献１（Large-Area Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Imaging of Brain Ischemia by Gold NanoparticlesGrown on Random Nanoarrays of Transparent Boehmite, Yamazoe et al., ACS Nano,vol.8, No.6, 2014）には、直径１００ｎｍの金の微粒子を間隔５ｎｍで並べてなる金属微細構造において、微粒子上面（Top）ではラマン増強度が０．０４であるのに対し、微粒子間（Gap）ではラマン増強度が５．７×１０5であることが記載されている。つまり金属微粒子の相互間においては、金属微粒子の上面と比べて１０7倍もの信号強度でラマン散乱光が検出されることが示されている。これより、金属微粒子の相互間に入った検体のみが、電場増強の恩恵を受けて支配的に検出され得ることが分かる。
【００４８】
また、前述した特許文献２（Principle of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,ELSEVIER,2009,6.4）には、金属微粒子の相互の間隔が１０ｎｍ以下の場合、SERS増強度が著しく大きくなることが示されている。すなわち、直径２５ｎｍの金微粒子を並べてなる金属微細構造において、金微粒子の相互の間隔が２０ｎｍの場合はSERS増強度が１０4倍であるのに対し、間隔が１０ｎｍ、５ｎｍ、１ｎｍの場合は、SERS増強度がそれぞれ１０5倍、１０7倍、１０11倍になることが示されている。
【００４９】
ここで分子のサイズについて考えると、光電場増強デバイスによる検出の対象となる低分子化合物のサイズは一般に数百ｐｍ〜数ｎｍであるのに対し、光電場増強部４への付着を防止したいたんぱく質のサイズは一般に数ｎｍ〜数百ｎｍである。
【００５０】
以上のことに鑑みれば、たんぱく質を検出せずに、低分子化合物を検出する上で適切な金属微粒子間隔は、通常、１０ｎｍ以下であると言える。
【００５１】
次に、本実施形態の光電場増強デバイス１が奏する効果について説明する。上に述べた通り、このような光電場増強デバイス１を用いて低分子検体（低分子化合物）８を検出するためには、低分子検体８が複数の金属微粒子３の相互間に入るようにする必要がある。そして、特にたんぱく質９を含むたんぱく質含有溶液７に溶けた低分子検体８が複数の金属微粒子３の相互間に入るようにするためには、金属微粒子３の間の空間が、たんぱく質９で覆われてしまわないようにする必要がある。しかし、アルブミンのように反応性の高いたんぱく質９は、金属微粒子３の表面に結合しやすくなっている。
【００５２】
そこで、複数の金属微粒子３の相互間に位置する金属微粒子３の表面を、末端(A)にヒドロキシ基のようにたんぱく質９との結合を抑制する構造のある化合物(b)６で修飾しておくと、該表面にたんぱく質９が結合できなくなる。そこで、複数の金属微粒子３の相互間がたんぱく質９で覆われることがなくなり、低分子検体８が金属微粒子３の相互間に到達可能となる。
【００５３】
しかしながら、金属微粒子３の全体を上記ヒドロキシ基等で覆ってしまうと、金属微粒子３の上に細胞を接着させることができない。そこで複数の金属微粒子３の相互間以外の位置において金属微粒子３の表面を、末端(A)にアルキル基のようにたんぱく質と結合する構造を有する化合物(a)５で修飾しておくと、そこに細胞が接着可能となる。これにより、金属微細構造に細胞を接着させつつ、低分子検体８の検出が可能になるので、細胞から放出された低分子検体８を効率良く検出することができ、また、細胞が接着していることによりイメージング測定を行うことも可能となる。
【００５４】
なお、化合物(a)５および化合物(b)６の末端(A)と反対側の末端(B)は、チオールまたはジスルフィドから選択されて、金属微粒子３の表面に単分子膜を形成するものであることが望ましい。
【００５５】
以下、上述したように光電場増強デバイス１の上に細胞を接着させることについて、図２を参照して詳しく説明する。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００５６】
例えば、光電場増強デバイス１の上に接着性の細胞１１を播種し、室温３７℃、湿度１００％、空気組成が酸素２０％、二酸化炭素５％、窒素７５％のインキュベーター内で３日間培養すると、インテグリン（細胞接着分子）１２が化合物(a)５との相互作用によって該化合物(a)５に結合し、細胞１１が光電場増強デバイス１に接着する。
【００５７】
この場合も、たんぱく質含有溶液７に溶け込んでいるたんぱく質９は、複数の金属微粒子３の相互間にある光電場増強部４には存在し得ず、そしてこの光電場増強部４以外の部分に有る化合物(a)５と結合する。そこで、水溶性の低分子検体８は、たんぱく質９に阻害されることなく光電場増強部４に到達できるようになる。
【００５８】
次に図３〜５を参照して、本発明による光電場増強デバイスの製造方法の一実施形態を説明する。この方法で製造される光電場増強デバイス１は、図１に示したものと基本的に同じものである。そして、透明基板２の上に金属微細構造を形成するまでの工程も、既述の通りのものである。すなわち、透明基板２としてコーニング社のガラス基板EagleXG（登録商標）を用い、この透明基板２の上にアルミニウムを膜厚５０ｎｍに成膜し、煮沸処理を１５分間行うことにより、ベーマイトからなる微細凹凸構造１０を形成する。さらにこの微細凹凸構造１０の上に、金をＥＢ（電子ビーム）蒸着することにより、粒径１００ｎｍの複数の金属微粒子（金微粒子）３からなる金属微細構造を形成する。
【００５９】
次に図３に示すように、複数の金属微粒子３からなる金属微細構造が形成された透明基板２を、化合物(b)６を溶かした溶液１３に２４時間浸漬させる。化合物(b)６には、6-ヒドロキシ-1-ヘキサンチオールを使用し、溶液(b)１３の溶媒にはエタノールを使用し、化合物(b)６の濃度を例えば１ｍＭ（ミリモーラー＝ｍｏｌ／ｍ3）になるように調整する。そして浸漬後の透明基板２に、純エタノール中で５分間の搖動洗浄を３回施した後、該基板２を窒素風で乾燥させる。以上の工程により、複数の金属微粒子３の各々の表面の一部に、化合物(b)６が結合する。この化合物(b)６が結合する箇所は主に、複数の金属微粒子３の相互の間と、それよりも上側（透明基板２と反対側）の微粒子表面となる。
【００６０】
次に図４に示すように、Ａｒイオンビーム１５を基板水平方向に対して８０度傾けた方向から照射することにより、金属微粒子３の表面の上部、つまり複数の金属微粒子３の相互の間よりも上側の部分に結合している化合物(b)６を、エッチングして除去する。
【００６１】
次に図５に示すように、化合物(a)５を溶かした溶液(a)１４に、透明基板２を金属微細構造ごと２４時間浸漬させる。化合物(a)にはデカンチオール、溶液(a)の溶媒にはエタノールを使用し、化合物(a)の濃度を例えば１ｍＭ（ミリモーラー＝ｍｏｌ／ｍ3）になるように調整する。そして浸漬後の透明基板２に、純エタノール中で５分間の搖動洗浄を３回施した後、該基板２を窒素風で乾燥させる。以上の工程により、複数の金属微粒子３の各々の表面において、化合物(b)６がエッチング除去された跡の部分、つまり複数の金属微粒子３の相互の間以外の一部分では化合物(a)５が結合すると共に、複数の金属微粒子３の相互の間の部分では化合物(b)６が結合した、図１の光電場増強デバイス１が得られる。
【００６２】
次に図６および７を参照して、本発明による光電場増強デバイスの製造方法の別の実施形態を説明する。この方法で製造される光電場増強デバイス１も、図１に示したものと基本的に同じものである。そして、透明基板２の上に金属微細構造を形成するまでの工程も、既述の通りのものである。すなわち、透明基板２としてコーニング社のガラス基板EagleXG（登録商標）を用い、この透明基板２の上にアルミニウムを膜厚５０ｎｍに成膜し、煮沸処理を１５分間行うことにより、ベーマイトからなる微細凹凸構造１０を形成する。さらにこの微細凹凸構造１０の上に、金をＥＢ（電子ビーム）蒸着することにより、粒径１００ｎｍの複数の金属微粒子（金微粒子）３からなる金属微細構造を形成する。
【００６３】
次に図６に示すように、溶媒(a)１６に化合物(a)５を溶かした溶液に、透明基板２を金属微細構造ごと２４時間浸漬させる。ここで溶媒(a)１６には２０℃の水を使用し、化合物(a)には2-アミノエタンチオールを使用し、化合物(a)５の濃度を例えば１ｍＭ（ミリモーラー＝ｍｏｌ／ｍ3）になるように調整する。そして浸漬後の透明基板２に、純エタノール中で５分間の搖動洗浄を３回施した後、該基板２を窒素風で乾燥させる。以上の工程により、複数の金属微粒子３の相互の間以外の一部分において、該金属微粒子３の表面に化合物(a)５が結合する。
【００６４】
次に図７に示すように、溶媒(b)１７に化合物(b)６を溶かした溶液に、透明基板２を金属微細構造ごと２４時間浸漬させる。ここで溶媒(b)１７には２０℃のエタノールを使用し、化合物(b)６には6-ヒドロキシ-1-ヘキサンチオールを使用し、化合物(b)の濃度を例えば１ｍＭ（ミリモーラー＝ｍｏｌ／ｍ3）になるように調整する。そして浸漬後の透明基板２に、純エタノール中で５分間の搖動洗浄を３回施した後、該基板２を窒素風で乾燥させる。
【００６５】
上記の溶媒(a)および溶媒(b)の表面張力は、例えば前者では７２．８Ｎ／ｍ、後者では例えば２２．５５Ｎ／ｍであり、前者の表面張力より後者の表面張力が小さくなっている。そこで、この表面張力差により水とエタノールの接触角差が生じる効果と、金属微細構造上においては、接触角が９０°よりも大きいとき、蓮の葉効果（ロータス効果）によって液滴と基板との接触角がより大きくなる効果とによって、金属微粒子３の表面において化合物(a)で修飾される領域と、化合物(b)で修飾される領域とを分けることができる。つまり、複数の金属微粒子３の相互の間の微粒子表面は、そこまで進入した化合物(b)で修飾され、複数の金属微粒子３の相互の間以外の一部である微粒子表面（上面）は化合物(a)で修飾されるようになる。
【００６６】
それにより、金属微粒子３の表面において、複数の金属微粒子３の相互の間では化合物(b)６が結合すると共に、複数の金属微粒子３の相互の間以外の一部分では化合物(a)５が結合した、図１の光電場増強デバイス１が得られる。
【００６７】
なお溶媒(a)および溶媒(b)の表面張力の大小を制御するためには、それらの少なくとも一方について、溶媒を構成する２種類以上の液体の混合比率を変える手法や、溶媒の温度を変える手法を、単独で、あるいは併せて適用することができる。
【００６８】
以上、本発明による光電場増強デバイスおよびその製造方法の実施形態について説明したが、本発明は適宜、上に述べた以外の実施形態を取り得るものである。例えば図８に示す光電場増強デバイス２１のように、図１に示した化合物(b)６は結合させないで、複数の金属微粒子３の相互の間以外の一部分に化合物(a)５を結合させただけの構成も取り得るものである。このような構成においても、化合物(a)５とタンパク質９とが結合する力が特に大きければ、それだけで、複数の金属微粒子３の相互の間にタンパク質９が存在することを抑制できるので、水溶性の低分子検体８が、たんぱく質９に阻害されることなく光電場増強部４に到達可能となる。
【符号の説明】
【００６９】
１、２１  光電場増強デバイス
２    透明基板
３  金属微粒子
４  光電場増強部
５  化合物(a)
６  化合物(b)
７  たんぱく質含有溶液
８  低分子検体
９  たんぱく質
１０  微細凹凸構造
１１  細胞
１２  インテグリン
１３  溶液(b)
１４  溶液(a)
１５  イオンビーム
１６  溶媒(a)
１７  溶媒(b) 
【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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