(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、この基体上に形成されたセンサ膜と、このセンサ膜中の微粒子とを有してなり、前記微粒子は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ及びＷから選択される金属化合物が、センサ膜中においてラマン分光分析に用いる励起光によって、還元によって生成されてなり、この微粒子が発生する局在プラズモンによるラマン光増幅を利用して、ラマン分光分析を行う分子センサ。
【請求項２】
前記金属化合物が金属酸化物または金属ハロゲン化物である請求項１の分子センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラマン分光分析によって分子のセンシングを行う分子センサと、ラマン分光分析法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属薄膜表面で発生するプラズモンによって、ラマン光を増幅できることが知られている。
【０００３】
例えば、J.Appl.Phys.,Vol.88,No.11,p.6187-6191,1 December 2000には、表面プラズモン・ポラリトンによる増強を利用してラマン分光分析を行うことが記載されている。この論文では、ガラス基板上に形成したＡｇ薄膜の表面プラズモン共鳴を利用して、Ａｇ薄膜上に存在するＴｉＯ2薄膜のラマン分光分析を行っている。
【０００４】
この論文のFIG.4には、ラマン分光分析の際の光学的配置として、Configuration A、Configuration BおよびConfiguration Cが記載されている。Configuration Aでは、ガラス基板の下側にプリズムを配置し、プリズムを通してレーザー光を入射させてＡｇ薄膜下面で全反射させ、ラマン光はＴｉＯ2薄膜の上側において検出している。Configuration Bでは、ガラス基板の下側にプリズムを配置する点ではConfiguration Aと同じであるが、レーザー光はＴｉＯ2薄膜の上側からＡｇ薄膜に入射させている。Configuration Cでは、レーザー光をＴｉＯ2薄膜の上側からＡｇ薄膜に入射させる点ではConfiguration Bと同じであるが、プリズムを取り去っている。これら３種の光学系配置において、ラマン光の強度が最も高いのはConfiguration Aである。一方、プリズムを使わないConfiguration Cでは、ラマン・スペクトルは検出されていない。
【０００５】
上記論文の記載から、表面プラズモン共鳴によってラマン光を増幅するためには、全反射プリズムを用いることが必要であることがわかる。しかし、全反射プリズムを設けると装置が大型化してしまい、また、レーザー光の入射角を固定する必要があるため、装置の形状設計の自由度が低くなってしまう。
【０００６】
一方、特開２０００−３５６５８７号公報には、局在プラズモン共鳴センサが記載されている。このセンサは、基板と、この基板の表面に膜状に固定された直径１０〜２０nmの金属微粒子とを有する。同公報では、金属微粒子表面付近に発生する局在プラズモンを利用することにより、全反射プリズムを使用しないですむことを利点として挙げている。このセンサにおいて膜状に固定された金属微粒子は、ガラス基板を３−アミノプロピルトリメトキシシランの１０％メタノール溶液に１０分間浸けた後、洗浄し、さらに金コロイド溶液に２時間浸けることにより形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開２０００−３５６５８７号公報記載のセンサは、金属微粒子を透過した光の吸光度を測定することにより金属微粒子近傍の媒質の屈折率を検出し、これによって金属微粒子に対する物質の吸着の有無を判定するアフィニティ・センサである。すなわち、分子種の判定が可能なラマン分光分析を行うセンサではない。
【０００８】
本発明者らの研究によれば、上記特開２０００−３５６５８７号公報のセンサを用いてラマン分光分析を行うと、実用的な感度が得られないことがわかった。この原因は、金コロイドをガラス基板表面に固定することにより形成した金微粒子単層膜では、金微粒子の配列間隔が広くなりすぎる結果、局在プラズモンの発生が少なくなり、ラマン光の増幅が不十分になったためと考えられる。しかも、金コロイドの固定により形成された金微粒子単層膜は、同公報の図５（走査型電子顕微鏡像）に示されるように金微粒子の配列間隔が比較的広く、しかも配列密度の均一性が比較的低い。このことも、ラマン光の増幅が不十分となった理由と考えられる。
【０００９】
本発明は、プラズモンによるラマン光の増幅を利用してラマン分光分析を行う分子センサにおいて、センサを小型化し、しかも高感度を実現することを目的とし、また、高感度のラマン分光分析法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記（１）〜（８）のいずれかの構成により達成される。
（１）  金属化合物を含有するセンサ膜中において前記金属化合物の還元によって生成された微粒子が発生する局在プラズモンによるラマン光増幅を利用して、ラマン分光分析を行う分子センサ。
（２）  前記センサ膜が物理蒸着法により形成されたものである上記（１）の分子センサ。
（３）  電磁波照射により前記金属化合物が還元される上記（１）または（２）の分子センサ。
（４）  ラマン分光分析に用いる励起光によって前記金属化合物が還元される上記（１）〜（３）のいずれかの分子センサ。
（５）  前記金属化合物が金属酸化物または金属ハロゲン化物である上記（１）〜（４）のいずれかの分子センサ。
（６）  前記金属化合物がＡｇを含有する上記（１）〜（５）のいずれかの分子センサ。
（７）  実質的に金属から構成される微粒子が発生する局在プラズモンによるラマン光増幅を利用するラマン分光分析法。
（８）  前記微粒子が、金属化合物の還元によって生成されたものである上記（７）のラマン分光分析法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、金属化合物を含有するセンサ膜中において前記金属化合物を還元することにより、微粒子を生成する。そして、この微粒子の表面付近に発生する局在プラズモンによるラマン光の増幅を利用して、ラマン分光分析を行う。
【００１２】
センサ膜としては、還元によって実質的に金属からなる微粒子が生成するものであれば特に限定されないが、好ましくは、金属酸化物または金属ハロゲン化物から実質的に構成される薄膜が好ましい。
【００１３】
前記金属化合物中の金属としては、局在プラズモンを発生しうる金属、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＴｉおよびＷから選択すればよく、これらのうち局在プラズモン発生量の多い金属、例えばＡｇ、ＡｕおよびＣｕから選択することが好ましく、特にＡｇが好ましい。
【００１４】
センサ膜中の金属化合物は、化学量論組成であってもよく、これから偏倚していてもよく、ラマン光の増幅度が高くなるように、金属種に応じて実験的に適宜決定すればよい。例えば、Ａｇ酸化物では、Ａｇ2Ｏを中心とした組成が好ましく、具体的にはＡｇＯxにおけるｘが０．２〜０．９５、特に０．３〜０．７であるものが好ましい。
【００１５】
センサ膜は、物理蒸着法により形成することが好ましい。物理蒸着法としては、スパッタ法または真空蒸着法が好ましく、特にスパッタ法が好ましい。スパッタ法では、金属化合物をターゲットとして用いてもよく、酸素等の反応性ガス中において金属ターゲットを用いて反応性スパッタを行ってもよい。反応性スパッタ法は、反応性ガスの流量を制御することにより、センサ膜の組成を容易に制御することができる。例えば、金属化合物としてＡｇ酸化物を用いる場合、反応性スパッタ時のプラズマガス（例えばＡｒ）流量と反応性ガス（Ｏ2）流量とは、Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）が０．１〜０．８、特に０．２〜０．５となるように設定することが好ましい。
【００１６】
センサ膜が形成される基体は特に限定されず、例えば、ガラス、樹脂、半導体、セラミックス等からなる比較的剛性の高い基体であってもよく、可撓性の樹脂フィルムであってもよい。基体として長尺の樹脂フィルムを用いれば、大面積の基体に連続的にセンサ膜を形成することができる。また、ラマン分光分析を行う際に、センサ膜を形成した長尺の基体を巻回して用いれば、必要な長さだけ基体を切り取って使用することができる。基体表面は平滑である必要はなく、例えば、検体となる液滴を入れるためのウェルを基体表面に多数形成しておいてもよい。
【００１７】
センサ膜の厚さは、好ましくは１〜５００nm、より好ましくは３〜１００nmである。センサ膜が薄いほどセンサ膜内で生成する微粒子の粒径が小さくなるため、ラマン光の増幅率が向上する。ただし、センサ膜が薄すぎると微粒子の粒径が小さくなりすぎて、かえって増幅率が低くなってしまう。
【００１８】
本発明では、ラマン分光分析を行う前に、センサ膜中の金属化合物を還元して、実質的に金属からなる微粒子を生成する。金属化合物の還元には、電磁波の照射を利用することが好ましい。使用する電磁波の波長は特に限定されず、還元対象の金属化合物に応じて適宜決定すればよい。例えば、Ａｇ酸化物からなるセンサ膜に電磁波を照射してＡｇ微粒子を析出させる場合、紫外域から赤外域までの様々な波長の電磁波が使用可能であり、また、単色光も連続スペクトル光も使用できる。また、例えば、基板を加熱しながらセンサ膜を形成するなど、スパッタ条件を制御することによっても、センサ膜形成時に微粒子を析出させることが可能である。また、センサ膜形成後に適切な条件で熱処理を施すことによっても、微粒子を析出させることが可能である。
【００１９】
本発明では、ラマン分光分析を行う前に、センサ膜全体に対し電磁波照射を行ってもよく、ラマン分光分析で用いる励起光によって金属化合物を還元してもよい。ただし、励起光として用いるレーザー光は、センサ膜を限局的に昇温させ、このとき発生した熱はセンサ膜の面内方向に逃げて基体に伝導しにくい。そのため、耐熱性の低い樹脂基体を変形ないし分解させることなく金属化合物の還元が可能である。また、励起光を利用すれば、センシング操作と独立して金属化合物還元処理を行う必要がなくなる。
【００２０】
電磁波の照射強度および照射時間は、金属化合物の種類やセンサ膜の厚さなどの各種条件に応じて、最適な粒径の微粒子が生成されるように適宜決定すればよい。例えば、センサ膜の厚さを変えずに照射強度や照射時間を制御すれば、生成する微粒子の粒径を調整することが可能である。具体的には、照射強度が大きいほど、また、照射時間が長いほど、一般に微粒子の粒径は大きくなる。
【００２１】
還元処理により生成される微粒子は実質的に金属から構成されるが、ラマン光の増幅に著しい悪影響を与えない限り、還元されなかった金属化合物成分が一部残存していてもよい。この微粒子の平均粒径は、好ましくは０．１〜５０nm、より好ましくは０．３〜２０nmである。微粒子の平均粒径が小さすぎても大きすぎても、ラマン光の増幅率が低くなる。また、微粒子間の平均距離は、好ましくは０．５〜５０nm、より好ましくは１〜１０nmである。微粒子の平均粒径が小さすぎても大きすぎても、ラマン光の増幅率が低くなる。微粒子の平均粒径および微粒子間の平均距離は、例えば走査型電子顕微鏡により測定することができる。微粒子の平均粒径およびその配列間隔は、例えば、センサ膜の組成、センサ膜の形成条件、センサ膜の厚さ、金属化合物の還元条件によって制御することができる。
【００２２】
本発明の分子センサによるラマン分光分析に際しては、まず、分析対象の分子を、センサ膜表面に吸着させるか、センサ膜表面近傍に存在させる。分析対象の分子を含む検体は、液体であってもよく気体であってもよい。次いで、励起光となるレーザー光を、センサ膜に照射する。励起光の照射により生成した微粒子またはあらかじめセンサ膜中に生成させておいた微粒子と、励起光との間の相互作用により電場増強が生じ、局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンが、測定対象分子中に存在する−ＣＮ結合や−ＣＨ結合などの振動モードと共鳴することにより、その振動モードに対応したラマン光が増幅される。なお、本発明では、共鳴ラマン効果を利用することもできる。
【００２３】
本発明のセンサは感度が極めて高いので、分析対象の分子の濃度が極めて低い場合、例えば被検溶液中における濃度が１０-9mol/L程度の分子でも、検出が可能である。
【００２４】
本発明のセンサの具体的構造は特に限定されない。例えば、センサ膜を形成した基体に加え、励起光の光源素子およびラマン光の検出素子を設ける構成としてもよい。励起光は、センサ膜に直接入射させてもよく、基体を通してセンサ膜に入射させてもよい。また、ラマン光は、励起光入射側において検出することもでき、センサ膜を挟んで励起光入射側の反対側において検出することもできる。
【００２５】
なお、前記J.Appl.Phys.,Vol.88,No.11,p.6187-6191,1 December 2000に記載されているような、全反射プリズムと金属薄膜からなるセンサ膜とを用いるタイプのプラズモン増強センサにおいて、金属薄膜に替えて本発明におけるセンサ膜を設けてもよい。その場合も、ラマン分光分析において著しく高い感度が実現する。
【００２６】
【実施例】
実施例１
スライドガラスを基体とし、酸素を反応性ガスとし、ターゲットにＡｇを用いて反応性スパッタ法によりＡｇ酸化物（Ａｇ2Ｏに近い組成）からなるセンサ膜を形成した。センサ膜の厚さは１５nmとし、反応性スパッタの際の流量比Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）は、０．２５とした。これを本発明サンプルとする。
【００２７】
また、比較のために、本発明サンプルを２００℃で１時間ベーキングした比較サンプルも作製した。この比較サンプルのセンサ膜は、一様な構造のＡｇ膜であり、微粒子の析出は認められなかった。
【００２８】
さらに、比較のために、センサ膜を設けない基体だけからなる比較サンプルも作製した。
【００２９】
これらのサンプルを被検溶液に浸した状態で波長４８８nmのレーザー光を照射し、ラマン・スペクトルを測定した。なお、被検溶液は安息香酸溶液であり、溶媒はイソプロパノール、濃度は３．０×１０-3mol/Lである。
【００３０】
これらのサンプルのラマン・スペクトルを、図１に示す。図１に示されるように、一様なＡｇ膜をセンサ膜として使用した比較サンプルに比べ、本発明サンプルではラマン光の強度が著しく大きくなっており、本発明により数百倍から一千倍程度感度が向上している。
【００３１】
なお、ラマン分光分析後に本発明サンプルのセンサ膜を走査型電子顕微鏡により調べたところ、レーザー光照射部位ではＡｇ微粒子が均一に析出していた。このＡｇ微粒子の粒径は５〜１０nmの範囲にあり、平均粒径は７nmであった。また、Ａｇ微粒子間の平均距離は１０nmであった。
【００３２】
実施例２
センサ膜の厚さを１５nm、５０nmまたは５００nmとしたほかは実施例１の本発明サンプルと同様にして、サンプルを形成した。これらのサンプルについて、実施例１と同様にしてラマン分光分析を行った。得られたラマン・スペクトルを図２に示す。
【００３３】
図２から、センサ膜の厚さを制御することにより、ラマン光の増幅率の制御が可能であることがわかる。
【００３４】
実施例３
反応性スパッタの際の流量比Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）を０．２５、０．５０または０．７５としたほかは実施例１の本発明サンプルと同様にして、サンプルを形成した。これらのサンプルについて、実施例１と同様にしてラマン分光分析を行った。得られたラマン・スペクトルを図３に示す。
【００３５】
図３から、センサ膜の組成を制御することにより、ラマン光の増幅率の制御が可能であることがわかる。
【００３６】
実施例４
実施例１で作製した本発明サンプルを用い、レーザー光のセンサ膜表面おけるエネルギーを図４に示す値としたほかは実施例１と同様にして、ラマン分光分析を行った。結果を図４に示す。
【００３７】
図４から、励起光の照射エネルギーに最適値が存在することがわかる。ラマン分光分析後にセンサ膜を走査型電子顕微鏡により調べたところ、照射パワーが大きいほど析出したＡｇ微粒子の粒径が大きかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のセンサでは、センサ膜中の金属微粒子の表面付近に発生する局在プラズモンを利用して、ラマン光を増幅する。本発明では、金属化合物薄膜を還元することにより薄膜内に金属微粒子を均一に析出させるため、ラマン光の増幅率が著しく高くなり、その結果、極めて高感度の分子センサが実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラマン・スペクトルを示すグラフである。
【図２】ラマン・スペクトルを示すグラフである。
【図３】ラマン・スペクトルを示すグラフである。
【図４】ラマン・スペクトルを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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