(57)【要約】本発明は、基板上に金属ナノ粒子を数ｎｍ間隔で離隔して製造することにより表面増強ラマン信号を著しく増加させることができ、長期間保管する場合にも著しくラマン信号を増強させることができる表面増強ラマン分光用基板と、簡単な装備及び低コストで大面積の表面増強ラマン分光用基板を製造することができる方法と、を提供する。本発明に係る基板上に数ｎｍ間隔で離隔された金属ナノ粒子を含む表面増強ラマン分光用基板は、簡単な装備及び低コストで大面積で製造することができる。また、上記金属ナノ粒子間の間隔を数ｎｍで再現性があるように製造できるので、より向上したラマン信号増強効果を奏することができ、長期間保管する場合にも高い水準でラマン信号増強効果を維持することができるという利点がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）第１表面上に上部突出曲面を有する、互いに離隔した突起型構造体が形成された高分子基板と、
（ｉｉ）前記突起型構造体上に形成された金属含有ナノ粒子と、
（ｉｉｉ）高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分の一部または全部に形成された金属含有薄膜層と、を含み、
前記金属含有ナノ粒子と前記金属含有薄膜層とは、前記第１表面上に金属含有ラマン活性物質を同時に真空蒸着させて形成され、
前記金属含有ラマン活性物質は、初期には前記第１表面及び前記突起型構造体に均一に蒸着されるが、蒸着が進行されるにつれて前記突起型構造体の上部に集中的に蒸着されることになる表面増強ラマン分光用基板。
【請求項２】
前記離隔して形成された突起型構造体は、一定の間隔で整列されたものである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項３】
前記離隔して形成された突起型構造体は、１０乃至５００ｎｍ間隔で整列されたものである請求項２に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項４】
前記突起型構造体は、高分子基板の表面を乾式エッチングして形成されるものである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項５】
前記乾式エッチングは、アルゴン、酸素、水素、ヘリウム及び窒素気体で構成される群から選択されるいずれか１種以上の気体を用いて行われるプラズマ乾式エッチングである請求項４に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項６】
前記真空蒸着は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、気化（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）及び化学蒸気蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行われる請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項７】
前記突起型構造体上の金属含有ナノ粒子は、球形または楕円形の形状に形成されるものである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項８】
前記金属含有ナノ粒子の平均粒径は、５ｎｍ乃至１μｍである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項９】
前記金属含有ナノ粒子の平均粒径は、１０ｎｍ乃至３００ｎｍである請求項７に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１０】
高分子基板に対して垂直に存在する前記金属含有ナノ粒子の水平方向の最大幅Ｗ１は、これに対応する高分子基板に垂直である前記突起型構造体の水平方向の最大幅Ｗ２と同一または大きく、突起型構造体の中心間の最短間隔Ｗ３より小さい請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１１】
前記突起型構造体間の間隔及び突起型構造体上に形成された金属含有ナノ粒子の大きさを調整して前記金属含有ナノ粒子の離隔間隔を調整した請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１２】
前記金属含有ナノ粒子は、隣接した金属含有ナノ粒子、隣接した金属含有薄膜層または両方ともナノギャップを形成し、前記ナノギャップは、１乃至１０ｎｍ範囲で形成される請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１３】
前記金属含有ナノ粒子は、金属、金属酸化物または金属窒化物である請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１４】
前記金属含有ナノ粒子中の金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＰｄ、及びその合金で構成された群から選択されるものである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１５】
前記高分子基板は、アクリル系高分子（Ａｃｒｙｌｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ）、ポリエーテルスルホン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＥＳ）、ポリシクロオレフィン（Ｐｏｌｙｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ；ＰＣＯ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）及びポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）で構成された群から選択される高分子で形成された高分子自体基板であるか、他の基板上に前記高分子を含む強化コーティング層の形態でコーティングされたものである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１６】
前記アクリル系高分子は、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＭＭＡ）、ポリメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリメチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＭＡ）、ポリエチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＡ）、ポリ（２−クロロエチルビニルエーテル）（ｐｏｌｙ（２−ｃｈｌｏｒｏｅｔｈｙｌ  ｖｉｎｙｌ  ｅｔｈｅｒ）；ＰＣＶＥ）、ポリ（２−エチルヘキシルアクリレート）（ｐｏｌｙ（２−Ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＨＡ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐｏｌｙ（Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＨＥＭＡ）、ポリブチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＢＡ）、ポリブチルメタクリレート（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＢＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＮ）及びポリトリメチロ−ルプロパントリアクリレート（ｐｏｌｙ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｌｐｒｏｐａｎｅ  ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＴＭＰＴＡ）で構成された群から選択されるものである請求項１５に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１７】
前記強化コーティング層は、アクリル系、ポリウレタン系、エポキシ系及びプライマー系の塗料で構成された群から選択されるポリマー塗料を含むものである請求項１５に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１８】
前記強化コーティング層は、金属酸化物、金属硫化物、アルミナ、シリカ、酸化ジルコニウム及び酸化鉄で構成された群から選択される無機微粒子をさらに含むものである請求項１５に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１９】
前記強化コーティング層は、１乃至１０μｍ厚さでコーティングされたものである請求項１５に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項２０】
請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板の製造方法であって、
高分子基板の第１表面を乾式エッチング処理し、上部突出曲面を有する突起型構造体を互いに離隔して形成する第１ステップと、
隣接した金属含有ナノ粒子間にナノギャップが形成されるまで、金属含有ラマン活性物質を同時に真空蒸着させて、前記突起型構造体の各上部突出曲面上に金属含有ナノ粒子を、高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分には金属含有薄膜層を形成する第２ステップと、を含み、
前記金属含有ラマン活性物質は、初期には前記第１表面及び前記突起型構造体に均一に蒸着されるが、蒸着が進行するにつれ前記突起型構造体の上部に集中的に蒸着されることになる表面増強ラマン分光用基板の製造方法。
【請求項２１】
前記真空蒸着は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、気化（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）及び化学蒸気蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行われる請求項２０に記載の表面増強ラマン分光用基板の製造方法。
【請求項２２】
光源と、
請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板と、
ラマン分光を検出する検出器と、
を備えたラマン分光装置。
【請求項２３】
光源は、レーザであることを特徴とする請求項２２に記載のラマン分光装置。
【請求項２４】
分析物に対してラマン分光法を実施する方法であって、
請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板を準備するステップと、
前記基板に分析物を近接または接触させるステップと、
光照射するステップと、
分析物から散乱されたラマン分光を検出するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に金属ナノ粒子を数ｎｍ間隔に離隔して製造することにより表面増強ラマン信号を著しく増加させることができ、長期間に保管する場合にもラマン信号を著しく増強させることができる表面増強ラマン分光用基板、及び簡単な装備や低コストで大面積の上記表面増強ラマン分光用基板を製造することができる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン散乱は、入射される光のエネルギーが変化する非弾性散乱であって、光を特定の分子体に加える場合に分子体固有の振動転移により、照射された光とは波長が異なる光が発生する現象をいう。ラマン分光法を用いると、分子の誘導偏極率変化がある非極性分子の場合にも信号を得ることができ、実際にほとんどすべての有機分子が固有のラマンシフト（Ｒａｍａｎ  Ｓｈｉｆｔ、ｃｍ−１）を有している。また水分子による干渉の影響を受けないので、タンパク質、遺伝子などの生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）の検出に好適である。
【０００３】
一方、ラマン放出スペクトルの波長は、サンプル内の光吸収分子の化学組成及び構造特性を示すので、このラマン信号を分析すれば分析対象物質を直接的に分析することができる。
【０００４】
しかし、分析対象物質を直接的に分析することができるという利点にもかかわらず、信号の強度が非常に弱いので検出のために高価の装備が必要となり、信号の再現性が低いという理由から、学問的な研究以外の分野に実用化される水準に至ることはできなかった。
【０００５】
そこで、この問題点を克服する方法の一つとして、１９７４年Ｆｌｅｉｓｈｍａｎｎなどにより、表面増強ラマン散乱が報告された。彼らは、銀（Ａｇ）電極に酸化−還元を繰り返した後、水溶液中でピリジン分子を吸着させたとき、ラマン信号の強度が１０６倍程増加することを見出した。すなわち、表面増強ラマン分光とは、金属ナノ構造の周囲に標的分子が存在する場合、当該分子のラマン信号が大きく増加する現象をいう。
【０００６】
表面増強ラマン散乱分析の利点の一つは、一般のラマン分析では得にくい情報を得ることができるということである。このような表面増強ラマン散乱分析が可能であるかどうかを確認する方法の一つは、分析しようとする物質が表面とどのような相互作用をしているのかを研究することである。すなわち、分析しようとする物質と金属表面との間には様々な表面相互作用が関与しているので、一般のラマンスペクトルからは得られない、増強されたラマン信号を観察できる。表面増強ラマン散乱は、分析しようとする物質が、準備された金属表面に吸着されるか、または近接するときに発生できる。ラマン放出を最も効果的に向上させるためには、金属と入射光との間で金属表面の自由電子が集団的に振動する現象が存在する必要があり、これを電磁気的増強効果の基礎となる表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）という。
【０００７】
入射光は、金属表面に表面プラズモン（電磁気的効果）を発生させ、表面プラズモンは、分析物質との相互作用（電荷転移効果）によりラマン放出を大きく向上させる。
【０００８】
このように、入射光による表面プラズモンの発生及び表面プラズモンとの相互作用によるラマン信号の著しい向上のためには、分析物質が位置する測定基板表面における粗さが重要な因子となる。このため、上記基板の表面に粗さを導入するために、様々なナノ操作技術を用いてｎｍ水準の柱、繰り返される線形の凹凸、またはナノ粒子等のナノ構造物を形成する方法等が用いられている。
【０００９】
一般的に金属ナノ物質の光学的、電気的特性等を含む物理的、化学的性質は、大きさ、形状、結晶構造などの変化により調整することができる。特に、金、銀等からなる貴金属ナノ粒子は、可視光領域の光と強く共鳴して吸光及び散乱が非常に強く現れる。
【００１０】
表面プラズモン共鳴の周波数は、金属ナノ粒子の種類（一般的に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等が使用される）、大きさ及び形態、分散されている溶媒、レーザ（入射光）の種類等に応じて異なる。このため、これらを調整してより敏感な表面増強ラマン信号を得ることができる。
【００１１】
表面増強ラマン散乱は、金属粒子またはパターンなどのｎｍ大きさの構造物を含む表面で表面プラズモン共鳴によりラマン信号を画期的に増強させて微量の標識物質を分析する技術である。この表面増強ラマン分光技術を商用化するためには再現性の問題を解決しなければならない。ナノ粒子またはパターンの構造制御によるラマンプローブの製作もこれを解決するための接近方法の一つであるが、現実的には、個個のナノ粒子またはパターンを具現する技術に留まり、大面積の試料から再現性のあるラマン増強信号を得るには限界があった。このような問題を解決するための他の接近方法の一つとして、表面増強ラマン分光用基板を大面積にわたってパターニングする技術がある。例えば、電子ビームリソグラフィ（ｅ−ｂｅａｍ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、イオンビームミーリング（Ｆｏｃｕｓｅｄ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｉｌｌｉｎｇ）などのトップダウン（ｔｏｐ−ｄｏｗｎ）方式と、鋳型を用いたパターニング、コロイドリソグラフィ（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）等のボトムアップ（ｂｏｔｔｏｍ−ｕｐ）方式を例に挙げられる。
【００１２】
一般的にボトムアップ方式は、大規模の並列処理が可能であり、経済的に大面積のナノ構造のパターニングを迅速に製造できるという特徴がある。これに対して、トップダウン方式は、粒子の大きさ、形状に優れた制御が可能であるが、高いコスト及び大面積の実現に限界があった。
【００１３】
一方、表面増強ラマン分光技術の低い検出強度や、微量の試料だけでも検出が可能であるという特徴は、バイオセンサー応用研究において非常に魅力的なことである。また、従来の蛍光分析技術とは異なって、試料の化学的構造に関する情報を狭い幅のスペクトルで提供し、分子ごとに固有のラマン信号を有することから、同時に多重検出が可能となる。このような表面増強ラマン分光技術が有している特徴を活用して、バイオ物質（ＤＮＡ、タンパク質、細胞など）の検出研究及び疾病診断素子として具現した研究が活発に報告されている。また、微細流体素子とラマン分光技術を組み合わせて連続的に再現性の高い表面増強ラマン診断素子の実現が可能となる。
【００１４】
ここで本発明者らは、簡単な装備や低コストで大面積の表面増強ラマン分光用基板を製造することができるだけではなく、金属ナノ粒子間の間隔を数ｎｍで再現性があるように実現してラマン信号を著しく向上させることができ、また定量分析を可能とさせる表面増強ラマン分光用基板の製造方法を研究中に、プラズマ乾式エッチングにより高分子基板の表面に上部突出曲面を有する均一な突起型構造体を形成した後に、真空蒸着法を用いて金属を蒸着させる場合、金属薄膜上に数ｎｍの間隔でナノ粒子が配列された表面増強ラマン分光用基板を製造することができ、これにより上記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、表面に大面積にわたって均一な数ｎｍ間隔で離隔した金属ナノ粒子を含むことにより、長期間に保管しても優れたラマン信号増強効果を維持し、再現性のある増強効果を奏するので定量分析を可能とさせる表面増強ラマン分光用基板を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、簡単な装備や低コストで大面積を生産することができ、金属ナノ粒子間の間隔を数ｎｍで再現性があるように製造できる上記表面増強ラマン分光用基板の製造方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のまた他の目的は、光源と、上記表面増強ラマン分光用基板と、ラマン分光を検出する検出器と、を備えたラマン分光装置を提供することにある。
【００１８】
本発明のまた他の目的は、上記表面増強ラマン分光用基板を準備するステップと、上記基板に分析物を近接または接触させるステップと、光照射するステップと、分析物から散乱されたラマン分光を検出するステップと、を含む、分析物にラマン分光法を実施する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は、（ｉ）第１表面上に上部突出曲面を有する、互いに離隔した突起型構造体が形成された高分子基板と、（ｉｉ）上記突起型構造体上に形成された金属含有ナノ粒子と、（ｉｉｉ）高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分の一部または全部に形成された金属含有薄膜層と、を含み、上記金属含有ナノ粒子は、隣接したナノ粒子、隣接した金属含有薄膜層、または両方ともナノギャップを形成し、光照射の際に表面プラズモン共鳴を起こす表面増強ラマン分光用基板が提供される。
【００２０】
他の態様として本発明は、光源と、上記表面増強ラマン分光用基板と、ラマン分光を検出する検出器と、を備えたラマン分光装置が提供される。このとき、光源としては、一般的にラマン分光装置に用いられるもののように、高出力の入射光を提供できるレーザを用いることができる。
【００２１】
また他の態様として本発明は、分析物にラマン分光法を実施する方法であって、上記表面増強ラマン分光用基板を準備するステップと、上記基板に分析物を近接または接触させるステップと、光照射するステップと、分析物から散乱されたラマン分光を検出するステップと、を含む方法が提供される。
【００２２】
以下に、本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
本発明で使用される用語中、“表面増強ラマン分光（ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＳＥＲＳ）”とは、表面増強ラマン散乱（ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）とも言い、分析しようとする物質が、粗く処理された金属等のラマン活性物質の表面に吸着されるか、数百ｎｍ以内の距離に位置するとき、上記表面の粗さのために提供される表面プラズモンにより、一般のラマン強度に比べて１０４乃至１０６倍以上増加された強度の分析物質のラマン散乱を測定する分光法を意味する。
【００２４】
一般のラマン散乱は、入射される光のエネルギーが変化する非弾性散乱であって、光を特定の分子体に加えると、分子体固有の振動転移により、照射された光とは波長が異なる光が発生する現象を言う。振動転移を分析するために広く用いられている他の方法としての双極子モーメント（ｄｉｐｏｌｅ  ｍｏｍｅｎｔ）を変化させる振動エネルギーを測定する赤外線分光法と異なって、ラマン分光法を用いると分子の誘導偏極率変化がある非極性分子の場合にも信号を得ることができ、実際ほとんどすべての有機分子は固有のラマンシフト（Ｒａｍａｎ  Ｓｈｉｆｔ、ｃｍ−１）を有し、水分子による干渉の影響を受けないので、タンパク質、遺伝子などの生体分子の検出に好適である。
【００２５】
一方、ラマン放出スペクトルの波長は、サンプル内の光吸収分子の化学組成及び構造の特性を示すので、このラマン信号を分析すると、分析対象物質を直接的に分析することができる。しかし、このような有用性にもかかわらず、ラマン分光法は、信号の強度が非常に弱くて検出が難しく、検出のために高性能の装備を必要とすることから、未だ商用化されていない。
【００２６】
したがって、ラマン信号を増強させるための様々な方法が講究されている。ここで、ラマン信号増強のための二つの基本的なメカニズムは、電磁気的及び化学的増強を誘導することである。特に、著しい増強のためには電磁気的効果が主導的な役割を担う。この電磁気的増強は、金属表面の粗さの存在に依存する。この理由から表面増強ラマン信号は、主に可視光線または近可視光線領域の励起波長（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を有する金、銀、銅等の鋳貨（ｃｏｉｎａｇｅ）金属、またはリチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の表面に吸着された分析物質から現れる。ラマン信号の強度が分析物質に加えられる電磁気場の二乗に比例し、上記電磁気場は、粗さが存在しない場合は分析物に加えられる電磁気場と、粒子性金属粗さから発生する電磁気場との和で表現される。このため、表面構造、すなわち粗さを調整してより高い割合で増加された表面増強ラマン信号を提供できる基板を製造するための研究が多方面で行われている。いくつかの研究によれば、数ｎｍのギャップを含む構造物上から目立つラマン信号の増加が実現できるとの報告があった（Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０１０、５（１０）：７３２−７３６；Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２００７、２４（１０）：２９３４−２９３７）。そこで、本発明者らは、大面積にわたって均一に分布されたナノギャップを含む表面増強ラマン分光用基板を製造しようとし、突起型構造体を含む高分子基板に真空蒸着法を用いてラマン活性物質である金属を蒸着させて突起型構造体上に特異的に金属ナノ粒子が形成され、基板上の突起型構造体を除いた部分には、一部または全部にわたって金属含有薄膜層が形成され、基板上に存在する突起型構造体の間隔に応じて上記金属蒸着工程を異にすることで、形成される金属ナノ粒子の大きさを調整して形成した金属ナノ粒子が数ｎｍ間隔で均一に配列された表面増強ラマン分光用基板を製造した。
【００２７】
本発明で使用される用語中、“表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＳＰＲ）”とは、入射光により刺激された固体または液体中の電子の集合的な振動（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）により光子の振動数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が陽性核の復元力に対して振動する表面電子の自然周波数と一致するときに共鳴条件が確立される。特にｎｍ大きさの構造物から現れる表面プラズモン共鳴現象を局所表面プラズモン共鳴（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）と言う。この表面プラズモン共鳴現象を用いて金属（特に、金または銀）の表面に吸着された物質を分析することができる。
【００２８】
本発明に係る表面増強ラマン分光用基板は、構造的に高分子基板の突起型構造体上では、例えば円形または楕円形の、金属ナノ粒子が結合した形態を形成し、同一の基板での突起型構造体が存在しない部分には金属含有薄膜層が形成されたことを特徴とする。このため、上記本発明に係る表面増強ラマン分光用基板は、突起型構造体上に導入された数ｎｍ間隔で離隔したナノ粒子間の表面プラズモン共鳴だけではなく、その基底に位置したナノ粒子から数ｎｍ乃至数十ｎｍ離れた、高分子基板の表面上に突起型構造体が存在しない部分に形成された金属含有薄膜層による表面プラズモンにより相乗的に信号増強効果を奏することができるので、より敏感にラマン信号を検出することができる。また、上述した本発明に係る表面増強ラマン分光用基板の構造的な特徴は、突起型構造体を含む高分子基板上にスパッタリング方式により金属を蒸着させる場合、蒸着の初期には基板の全面が露出されるので、突起型構造体及び上記構造体間の空間に均一に蒸着されるが、蒸着が進行するにつれ、突起型構造体上に既にスパッタリングされた粒子による陰影効果（ｓｈａｄｏｗ  ｅｆｆｅｃｔ）のために、突起型構造体が存在しない基板表面が、隣り合う突起型構造体及び上記構造体上から球形に成長するナノ粒子により遮られて、到逹する金属の量が顕著に低減することになり、これにより突起型構造体の上部に集中的に蒸着されて粒子が成長する現象に起因する。
【００２９】
また、高分子基板の表面上の突出型構造体には不均衡的に陰電荷が蓄積され、これにより、陽電荷イオンや金属イオンの集中を誘導する。よって、上記陰電荷が蓄積された突出型構造体上に金属イオンの蒸着がより集中されるので、突起型構造体の上部にナノ粒子を形成及び成長させることができる。このように高分子基板の突起型構造体上に形成される金属蒸着は、連続的な薄膜の形態ではなく、独立した球形のナノ粒子を形成することができる。これは、上記突出型構造体の上部に選択的に蓄積された陰電荷に起因するだけではなく、高分子と金属との間の低い結合力及び上記高分子突起型構造体上部の高い曲率により、高分子突起型構造体の表面に沿って金属粒子が均一に蒸着されず、構造体の側面では金属粒子の低い結合力、すなわち、低いぬれ性により金属粒子の成長が抑制されるからである。
【００３０】
したがって、上述したような構造的特徴を有する基板を提供するために、上記離隔して形成された突起型構造体は、一定の間隔で整列されるのが好ましい。より具体的には、上記離隔して形成された突起型構造体は、１０乃至５００ｎｍ間隔で整列されてもよい。好ましくは、上記離隔して形成された突起型構造体は、２０乃至２００ｎｍの間隔で整列されてもよく、より好ましくは、４０乃至８０ｎｍの間隔で整列されてもよい。上記突起型構造体の間隔が１０ｎｍ未満であって近すぎると、真空蒸着により突起型構造体上に形成されて成長する金属ナノ粒子が数ｎｍ間隔で配列された独立した粒子の形態に形成されず、連続的な薄膜として製造される場合がある。また５００ｎｍを超過する間隔で遠く離隔して形成されると、金属蒸着の際に、突起型構造体上に形成されたナノ粒子による陰影効果が適用されない領域が広く、突起型構造体が存在しない部分に形成される金属層が厚く形成されて、突起型構造体上に形成されたナノ粒子との境界が曖昧になる場合があり、粒子の間にｎｍ水準のギャップを維持するためには上記間隙を相殺するためにナノ粒子の大きさが肥大になりながら単位面積当たりに含まれるナノギャップの密度が低減し、ラマン信号を増強できるスパットの数が減少することになる。
【００３１】
上述したように、上記突起型構造体は、上部に突出曲面を有することが好ましい。このため、偏平で角のある構造体を提供するインプリンティング等の方法よりもエッチング等の方法が有利である。好ましくは、上記突起型構造体は、高分子基板の表面を乾式エッチングして形成されてもよい。上記乾式エッチングは、アルゴン、酸素、水素、ヘリウム及び窒素気体で構成される群から選択される１種以上の気体を用いて行うプラズマ乾式エッチングであってもよく、高分子基板上で上部に突出曲面を有する突起型構造体を提供できれば、当業界に公知されているナノ製作技術を制限なく用いることができる。好ましくは、高分子基板のプラズマ乾式エッチング工程は、当業界に公知されている様々な方法により行うことができる。このように高分子基板をプラズマ乾式エッチングすると突起が形成されることが知られており、上記突起の間隔及び大きさ等は工程における様々な変数、例えば、プラズマを形成する気体の流速及び電力、プラズマに対する露出時間等を変化させることにより調整することができる。
【００３２】
好ましくは、上記金属含有ナノ粒子及び金属含有薄膜層は、上部突出曲面を有し、互いに離隔した突起型構造体が形成された高分子基板の第１表面に対する真空蒸着法により形成されることができる。上記真空蒸着は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、気化（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）及び化学蒸気蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行われることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３３】
好ましくは、上記突起型構造体上の金属含有ナノ粒子は、球形または楕円形の形状に形成されることができるが、これに限定されない。また上記金属含有ナノ粒子の平均粒径は、５ｎｍ乃至１μｍであってもよい。好ましくは、上記金属含有ナノ粒子の平均粒径は、１０ｎｍ乃至３００ｎｍであってもよいが、これに限定されない。
【００３４】
理論的には、高分子基板に対して垂直に存在する上記金属含有ナノ粒子の水平方向の最大幅Ｗ１は、これに対応する高分子基板に垂直の上記突起型構造体の水平方向の最大幅Ｗ２よりも大きいか同一であり、突起型構造体の中心間の最短間隔Ｗ３よりも小さいことが好ましい。例えば、上記金属含有ナノ粒子の水平方向の最大幅が、これに対応する突起型構造体の水平方向の最大幅よりも小さい場合、ラマン活性増強効果を奏することができない高分子突起型構造体よりも小さく形成される場合は、相対的にナノ粒子間の間隔が増加してより効果的なラマン信号増強効果を奏することができない。
【００３５】
一方、上記金属含有ナノ粒子の水平方向の最大幅が、これに対応する突起型構造体の中心間の最短間隔よりも大きい場合は、顕著なラマン信号増強効果を提供できるナノギャップを形成できず、互いに繋がれて結果的に連続的な曲面の凹凸を有するエンボシング表面を提供する。
【００３６】
上述したように、数ｎｍのギャップを含む構造物上で著しいラマン信号の増加を実現できるので、上記突起型構造体間の間隔及び突起型構造体上に形成された金属含有ナノ粒子の大きさを調整することで上記金属含有ナノ粒子の離隔間隔が調整された表面増強ラマン分光ナノギャップは、１乃至１０ｎｍ範囲で形成されることが好ましい。
【００３７】
好ましくは、上記金属含有ナノ粒子は、ラマン活性物質である金属、金属酸化物または金属窒化物を含むナノ粒子であってもよい。また、表面プラズモン共鳴により増加した電磁気場を提供し、これに吸着された分析物質のラマン信号を増強させるために、上記金属含有ナノ粒子中の金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＰｄ、及びこれらの合金で構成された群から選択されるものが好ましい。
【００３８】
本発明に係る特徴的構造を有する基板を製造するためには、プラズマなどを用いた乾式エッチングにより規則的に配列された突起型構造物を提供することができるように、上記高分子基板としては、アクリル系高分子（Ａｃｒｙｌｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ）、ポリエーテルスルホン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＥＳ）、ポリシクロオレフィン（Ｐｏｌｙｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ；ＰＣＯ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｉｏｕｒｅｔｈａｎｅ）、及びポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）で構成された群から選択される高分子で形成された高分子自体の基板であるか、他の基板上に上記高分子を含む強化コーティング層の形態でコーティングされたものを用いることができる。より好ましくは、アクリル系高分子自体の基板または上記アクリル系高分子を含む強化コーティング層がコーティングされた基板であってもよい。上記アクリル系高分子の非制限的な例としては、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＭＭＡ）、ポリメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリメチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＭＡ）、ポリエチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＡ）、ポリ（２−クロロエチルビニルエーテル）（ｐｏｌｙ（２−ｃｈｌｏｒｏｅｔｈｙｌ  ｖｉｎｙｌ  ｅｔｈｅｒ）；ＰＣＶＥ）、ポリ（２−エチルヘキシルアクリレート）（ｐｏｌｙ（２−Ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＨＡ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐｏｌｙ（Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＨＥＭＡ）、ポリブチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＢＡ）、ポリブチルメタクリレート（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＢＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＮ）またはポリトリメチロ−ルプロパントリアクリレート（ｐｏｌｙ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｌｐｒｏｐａｎｅ  ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＴＭＰＴＡ）を挙げることができる。
【００３９】
上記強化コーティング層は、アクリル系、ポリウレタン系、エポキシ系またはプライマー系塗料等のポリマー塗料を含むことができる。また上記強化コーティング層は、金属酸化物、金属硫化物、アルミナ、シリカ、酸化ジルコニウム及び酸化鉄で構成された群から選択される無機微粒子をさらに含むことができ、１乃至１０μｍ厚さで他の基板上にコーティングされたものであってもよい。
【００４０】
他の態様として本発明は、上記表面増強ラマン分光用基板の製造方法であって、高分子基板の第１表面を乾式エッチング処理し、上部突出曲面を有する突起型構造体を互いに離隔して形成する第１ステップと、隣接した金属含有ナノ粒子間にナノギャップが形成されるまで金属含有ラマン活性物質を真空蒸着させて、上記突起型構造体の各上部突出曲面上には金属含有ナノ粒子を形成し、高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分には金属含有薄膜層を形成する第３ステップと、を含む表面増強ラマン分光用基板の製造方法を提供する。
【００４１】
上述したように、上記真空蒸着は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、気化（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）及び化学蒸気蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行われることができる。
【００４２】
上記本発明に係る表面増強ラマン分光用基板の製造方法は、簡単な装備や低コストで全面積にわたって均一なラマン信号増強効果を奏する基板を大面積で製造できることに特徴がある。よって、同一の方法により製造された基板は、再現性のある増強効果を奏するので、これを用いれば試料の定量分析が可能となる。上記大面積は、好ましくは、１ｍｍ２乃至１０ｍ２であってもよい。より好ましくは、１ｍｍ２乃至１０００ｃｍ２であってもよいが、これに限定されるものではない。本発明に係る製造方法により製造された基板の面積は、均一に離隔された突起型構造体を提供できるエッチング方法及び均一に金属含有ラマン活性物質をスパッタリングできる方法に依存する。よって、提供可能な基板の面積は、エッチング方法及びスパッタリング方法の発達により増加することができる。
【００４３】
また、本発明により製造された基板は、耐久性に優れて数十日間に大気中に放置しても均一なラマン信号増強効果を奏することができる。よって、本発明の方法により製造された基板は、数ｎｍの間隔で離隔された金属を含有した粒子を含むので、大気中に露出されても実質的に粒子間の数ｎｍの狭小な空間を介して空気が出入りしながら酸化反応を起こすことは容易ではない。これにより、従来ラマン活性物質として金属を用いて表面を処理した場合は、空気中に露出する時間が増加するにより金属が酸化し、ラマン信号増強効果が著しく低減する問題点があったが、本発明により製造された基板は、数ヶ月まで保管しても依然として高いラマン信号増強効果を奏することができる。
【００４４】
本発明の具体的な実施例では、上記基板を用いて１０μｍ×１０μｍ面積に対して３２ピクセル×３２ピクセルの解像度でラマンマッピングを行い、非常に均一なラマン信号増強効果を奏することが確認された（図６）。また、同じ実験を３００回以上繰り返して６％内外の偏差を有する再現性のある結果が得られたことを確認した（図７）。さらに、数十日間大気中に保管しながら実験した結果、４０日が経過した後にも製造直後の基板と同一の水準のラマン信号増強効果を奏することが確認された（図８）。
【００４５】
また他の態様として本発明は、光源と、上記表面増強ラマン分光用基板と、ラマン分光を検出する検出器と、を備えたラマン分光装置を提供する。
【００４６】
根本的にラマン分光法の短所は、信号の強度が弱いということである。よって、これを克服するために、本発明に係る表面増強ラマン分光用基板を備えたラマン分光装置を構成することができる。この場合、上記光源としては、高密度の光子を提供できるレーザを用いることが好ましい。さらに、検出器としては、検出信号を効果的に増幅できるＰＭＴ（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｔｕｂｅ）、ＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）等を備えることが好ましい。
【００４７】
また他の態様として本発明は、分析物についてラマン分光法を行う方法であって、上記表面増強ラマン分光用基板を準備するステップと、上記基板に分析物を近接または接触させるステップと、光照射するステップと、分析物から散乱されたラマン分光を検出するステップと、を含む方法を提供する。
【発明の効果】
【００４８】
本発明に係る基板上に数ｎｍ間隔で離隔された金属ナノ粒子を含む表面増強ラマン分光用基板は、簡単な装備や低コストで大面積を製造することができる。また、上記金属ナノ粒子間の間隔を数ｎｍで再現性があるように製造できるので、著しく向上したラマン信号増強効果を奏することができ、長期間に保管する場合にも高いラマン信号増強効果を維持することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る表面増強ラマン分光用基板の構造及び製造方法を概略的に示す図である。
【図２】高分子基板上の突起型構造体の存在可否及び間隔に応じる金属蒸着により形成される構造物の差異を概略的に示す図である。
【図３】本発明に係るプラズマ処理時間に応じる基板上の突起型構造体の高さ及び間隔を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る表面増強ラマン分光用基板の表面に対する原子間力顕微鏡イメージ及び切断面（赤い線）に対する深みのプロファイルを示す図である。
【図５】真空蒸着法により高分子基板上の突起型構造体上に形成された金属ナノ粒子の大きさに応ずる吸光スペクトルの変化を示す図である。
【図６】本発明に係る表面増強ラマン分光用基板を用いたラマンマッピングの結果に基づいて、各ピクセルで計算されたＥＦ値の分布度を示す図である。
【図７】本発明に係る表面増強ラマン分光用基板の大面積における均一なラマン信号増強効果を示す図である。３００回繰り返して行った１０μｍ×１０μｍ  の面積に対して測定されたＥＦ分布をガウシアン・フィッティングして得られた各実験からの中央値（ｃｅｎｔｅｒ  ｖａｌｕｅ）とＦＷＨＭの分布とをプロットした。
【図８】本発明に係る表面増強分光基板の大気中の露出に対する安定性テストの結果を示す図である。各時点において、３５０回以上のラマンマッピングを行い統計的なＥＦ値を導出し、これを保管期間に関する関数として示した。上記基板は、温図２２℃、湿度４０％の大気中に露出して保管した。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の理解を容易にするために、好ましい実施例を提供する。しかし、下記の実施例は本発明をより容易に理解するために提供されるものであり、実施例により本発明の内容が限定されるものではない。
【実施例】
【００５１】
［実施例１］ナノギャップを含む表面増強ラマン分光用基板の製造及び特性の分析
（第１ステップ：プラズマ乾式エッチングによる突起型構造体の形成）
１３．５６ＭＨｚの容量結合プラズマ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ；ＣＣＰ）タイプのプラズマ電源装置（ｐｌａｓｍａ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）を用いてＰＡＮＡＣ社から購入した１８８μｍ厚さのポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）材質の高分子基板上に乾式エッチングを行った。エッチングのシステムは、直径０．２３インチの環状のステンレススチールチューブで形成された直径６インチのシャワーヘッド部分と、そこから１５ｃｍ間隔離れて上部に位置した直径６インチの電極とで構成された。具体的に、Ｐａｎａｃ社から購買した１２５μｍ厚さの高分子基板を電極に付着した後、反応チャンバーの圧力が６．７Ｐａの真空状態に到逹すると、５０ｓｃｃｍの流速で９９．９９９％のアルゴン気体をシャワーヘッドを介して反応器に注入し、反応チャンバーの圧力を２２．７Ｐａに上昇させた。プラズマ乾式エッチングは、２００Ｗ（すなわち、１．１Ｗ／ｃｍ２）水準のＲＦ電力でエッチング時間を変化しながら行った。電極上のセルフバイアス（ｓｅｌｆ−ｂｉａｓ）によりエッチング工程中に高分子基板に印加されたプラズマイオンエネルギーは、１０２ｅＶに類推された。一方、エッチング工程中、高分子基板の温度は常温に近い５０℃以下に維持した。上記工程により高分子基板上に形成されるｎｍ規模の突起型構造体の間隔は、上記エッチング工程の時間が増加するにつれて線形に増加し、上記条件下で１分以下にエッチング工程を行った場合、突起型構造体間の間隔は、４０乃至８０ｎｍ以下に維持された（図３）。上記高分子突起型構造体の間隔及び大きさは、ＡＦＭの断面プロファイル法を用いて測定した。
（第２ステップ：金属含有ラマン活性物質の蒸着）
【００５２】
上記第１ステップにより得られた高分子基板の突起型構造体を含む面に対して、スパッタリング真空蒸着法を用いてラマン活性物質として銀粒子を蒸着させた。上記蒸着は、マグネトロンマルチガン（ｍｕｌｔｉ−ｇｕｎ）スパッタリングシステム（Ａ−Ｔｅｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｃｏ．、Ｌｔｄ．、Ｆｌｅｘｌａｂ  ｓｙｓｔｅｍ  １００）を用いて常温で行った。具体的に、上記第１ステップでは、プラズマ乾式エッチング工程により一面に突起型構造物が形成された高分子基板を、スパッタリングシステム内のスパッタリング銀ターゲットの１５ｃｍ上部に位置した基板ホルダーに装着した。その後、蒸着チャンバの圧力を４．５×１０−６Ｔｏｒｒに減少した後、９９．９９９％のアルゴンガスを４５ｓｃｃｍの油圧で流入して工程圧力３ｍＴｏｒｒに増加させた。銀金属粒子は、直径４インチの銀ターゲット（Ｗｉｌｌｉａｍｓ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．）を用い、０．１３Ｗ／ｃｍ２の直流電源（ＤＣ  ｐｏｗｅｒ）を用いてＤＣ反応性スパッタリング法により蒸着させた。すなわち、ＲＦ２００Ｗ下で、６０秒間にＡｒプラズマ前処理工程により形成された高分子突起型構造体上にスパッタリング法を用いて６０ｎｍ大きさの銀ナノ粒子を形成し、基板上の突起型構造体が存在しない部分には薄膜層を形成した。
【００５３】
その結果、高分子基板の突起型構造体上には円形または楕円形の銀ナノ粒子が結合し、同一の基板内の突起型構造体が存在しない部分には銀薄膜層が形成された。
【００５４】
上述した方法により様々な種類の高分子、例えば、ＰＣ、ＰＥＮ及びＰＥＴ基板上に突起型構造体を形成し、銀ナノ粒子を蒸着させて表面増強ラマン分光用基板を製造した。
【００５５】
また原子間力顕微鏡を用いて上記銀ナノ粒子が導入された高分子表面をスキャニングし、形成された銀ナノ粒子間の間隔及びナノ粒子の最上部から突起型構造体が存在しない銀薄膜層が形成された基板表面までの深みを測定した。また、高分子表面の一端面の深みのプロファイルを図４に示した。その結果、表面の一部分に欠損はあるものの、突起型構造体上に形成された銀ナノ粒子は、互いに数ｎｍ範囲のギャップを維持しており、突起型構造体が存在しなく銀薄膜層が形成された基板の底面までの深みも平均的に１０ｎｍ内外を維持していて、底面に形成された金属薄膜による更なるラマン信号増強を提供できることが期待できる。
【００５６】
このようにナノ粒子間の間隔を調整して極大化されたラマン信号増強を得ることは、上記第１ステップでのプラズマ乾式エッチング工程において工程条件及び時間を調整して突起型構造体の大きさ及び間隔を調整するだけでなく、上記第２ステップでのスパッタリングによる金属蒸着の際にスパッタリング条件及び時間を調整して突起型構造体上に形成されて成長するナノ粒子の大きさを調整することにより達成できる。
［実施例２］製造された表面増強ラマン分光用基板の光学的特性
【００５７】
実施例１での第１ステップ及び第２ステップにより製造された、ＰＥＴ高分子基板上に形成された金属ナノ粒子を含む表面増強ラマン分光用基板の光学的特性を分析した。第１ステップでは突起型構造体の配列間隔を調整し、第２ステップでは金属ナノ粒子の大きさを調整することで、最終の表面増強ラマン分光用基板上では金属ナノ粒子の配列間隔が数ｎｍ以内になるように調整することができる。このように形成された金属ナノ粒子は、図５に示すように、入射光に対して特定の波長領域で高い吸収度を示す特徴的なスペクトルが現れ、特に、形成されたナノ粒子の大きさに応じて吸収スペクトル上で最大吸収波長の位置が変化することを確認した。このような光学的特性は、表面増強ラマン分光特性に寄与する。
［実施例３］製造された表面増強ラマン分光用基板からのラマン信号の検出
【００５８】
実施例１での第１ステップ及び第２ステップに記載した方法により製造された本発明の表面増強ラマン分光用基板の分析物質についてラマン信号向上効果を確認するために、テスト試薬としてベンゼンチオール（ｂｅｎｚｅｎｅｔｈｉｏｌ）を使用した。具体的に、２μＭのベンゼンチオール溶液１００μｌを２．５ｃｍ×１．３ｃｍ大きさの表面増強ラマン分光基板に落とし、１時間の間乾燥させた。上記ベンゼンチオールが吸着された表面増強ラマン分光基板をエタノールで数回リンスした後に、窒素ガスを吹き込んで乾燥させた。このように準備した分析物質が塗布された表面増強ラマン分光基板の１０μｍ×１０μｍ領域においてのラマン信号を測定し、マッピングした。５３２ｎｍ波長のレーザを０．２ｍＷで照射した。ラマンマッピングの際に、スペクトルを得る一地点が回折限界となるように、１０μｍ×１０μｍの面積を３２ピクセル×３２ピクセルに分割し、露出時間を２秒にしてスペクトルを得た。ラマンマッピングは、ラマンスペクトルを得て、ベンゼンチオールの特性ピークである９９８ｃｍ−１領域に現れる信号の面積を計算し、これを増強因子（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｆａｃｔｏｒ；ＥＦ）で換算した。１０μｍ×１０μｍ領域においてのすべてをＥＦ値でマッピングし、各ピクセルで計算されたＥＦ値を図６に示した。
【００５９】
図６に示すように、１０μｍ×１０μｍ領域において、総３２×３２、すなわち１０２４個のピクセルでのラマン信号を測定して換算したＥＦ値は、１．１乃至１．４×１０７領域に分布しており、特に約１．２５×１０７にて最大分布を示す０．１×１０７程の狭いＦＷＨＭ（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）を有する正常分布（ガウシアン）を示し、広い面積においても比較的均一なＥＦ値を示すことが確認された。これは、本発明による表面増強ラマン分光基板を用いる場合、広い面積において均一な信号増強効果を奏するので、定性分析だけではなく定量分析にも用いることができることを意味する。
【００６０】
さらに、本発明に係る表面増強ラマン分光基板により測定されるラマン信号の再現性を確認するために、３５０回以上繰り返してラマンマッピングを行い、統計的なＥＦ値を図示した。その結果、単一マッピングにより導出された平均値に類似した１．１乃至１．７×１０７領域に分布し、１．３×１０７付近で最大分布を示すことが確認された。また各マッピングにおける分布度を確認するためにＦＷＨＭを導出してその分布を図示した結果、各マッピングのＦＷＨＭは、平均値に対して０乃至２５％の水準を示し、最大分布は、１０乃至１５％であって上記単一マッピングで示された値に類似した水準を示すことが確認された。上記再現性の実験は、単に繰り返し回数のみを増やして行ったわけではなく、総５つのバッチで製造されたサンプルを用いて測定した結果を示したものであるので、同一の製造工程により製造された基板から再現性のある信号増強効果を達成できることが確認された。
【００６１】
これにより、本発明に係る表面増強ラマン分光用基板は、大面積にわたって均一に信号を増強させることができるだけではなく、数百回繰り返しても再現性のある増強効果を奏するので、定性分析だけではなく定量分析にも有用に用いることができることを明らかにした。
［実施例４］製造された表面増強ラマン分光基板の安定性テスト
【００６２】
本発明に係る表面増強分光基板の商用化のために、大気中の露出に対する安定性テストを行った。各時点において３５０回以上のラマンマッピングを行って統計的なＥＦ値を導出し、これを保管期間に関する関数で示した。上記基板は、温図２２℃、湿度４０％の大気中に露出して保管した。測定結果を図８に示した。
【００６３】
図８に示すように、本発明に係る表面増強ラマン分光基板は、常温常圧の大気中で４０日以上保管しても、製作直後に使用したときと類似した信号増強効果（ＥＦ＝１．１乃至１．４×１０７）を示すことが確認された。これは、従来金属ナノ構造物を含む表面増強ラマン分光基板が、製作後に時間が経過するにつれて大気中の露出により金属表面が酸化して、ラマン信号増強効果が急激に減少するということを勘案すれば、表面増強ラマン分光基板の商用化に重要な解法を提示する。
【００６４】
結論的に、本発明に係る均一に配列された突起型構造体を含む高分子基板上に真空蒸着法によりラマン活性物質の金属を蒸着させ、突起型構造体上に大きさと間隔とを調整してナノギャップを有するように配列されたナノ粒子を含む表面増強ラマン分光基板は、高価の装備や材料及び複雑な工程を要しないので、簡単な工程及び低費用で製造することができ、大面積を製造しても均一な表面を提供できるので、大量生産が容易となる。特に、上記ナノ粒子間の間隔を数ｎｍに調整できるので、著しく向上したラマン信号増強効果を奏することができる。また同一の基板内で、または同一の方法により個別的に製造された基板がにおいて均一で再現性のあるラマン信号増強効果を奏するので、試料の定性及び定量分析に活用することができる。さらに、大気中で数十日間に露出されても製作当初と同一の水準の信号増強効果を奏するので、保管が容易となり、商用化に適している。
【図１】
2016538563.tif 000003
【図２】
2016538563.tif 000004
【図３】
2016538563.tif 000005
【図４】
2016538563.tif 000006
【図５】
2016538563.tif 000007
【図６】
2016538563.tif 000008
【図７】
2016538563.tif 000009
【図８】
2016538563.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月15日(2016.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）第１表面上に上部突出曲面を有する、互いに離隔した突起型構造体が形成された高分子基板と、
（ｉｉ）前記突起型構造体上に形成された金属含有ナノ粒子と、
（ｉｉｉ）高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分の一部または全部に形成された金属含有薄膜層と、を含み、
前記金属含有ナノ粒子と前記金属含有薄膜層とは、前記第１表面上に金属含有ラマン活性物質を同時に真空蒸着させて形成され、
前記金属含有ラマン活性物質は、初期には前記第１表面及び前記突起型構造体に均一に蒸着されるが、蒸着が進行されるにつれて前記突起型構造体の上部に集中的に蒸着されることになる表面増強ラマン分光用基板。
【請求項２】
前記離隔して形成された突起型構造体は、一定の間隔で整列されたものである請求項１に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項３】
前記離隔して形成された突起型構造体は、１０乃至５００ｎｍ間隔で整列されたものである請求項１または請求項２に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項４】
前記突起型構造体は、高分子基板の表面を乾式エッチングして形成されるものである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項５】
前記真空蒸着は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、気化（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）または化学蒸気蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行われる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項６】
前記突起型構造体上の金属含有ナノ粒子は、球形または楕円形の形状に形成されるものである請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項７】
前記金属含有ナノ粒子の平均粒径は、５ｎｍ乃至１μｍである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項８】
前記金属含有ナノ粒子の平均粒径は、１０ｎｍ乃至３００ｎｍである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項９】
高分子基板に対して垂直に存在する前記金属含有ナノ粒子の水平方向の最大幅Ｗ１は、これに対応する高分子基板に垂直である前記突起型構造体の水平方向の最大幅Ｗ２と同一または大きく、突起型構造体の中心間の最短間隔Ｗ３より小さい請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１０】
前記突起型構造体間の間隔及び突起型構造体上に形成された金属含有ナノ粒子の大きさを調整して前記金属含有ナノ粒子の離隔間隔を調整した請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１１】
前記金属含有ナノ粒子は、隣接した金属含有ナノ粒子、隣接した金属含有薄膜層または両方ともナノギャップを形成し、前記ナノギャップは、１乃至１０ｎｍ範囲で形成される請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１２】
前記金属含有ナノ粒子は、金属、金属酸化物または金属窒化物である請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１３】
前記金属含有ナノ粒子中の金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＰｄ、及びその合金で構成された群から選択されるものである請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１４】
前記高分子基板は、アクリル系高分子（Ａｃｒｙｌｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ）、ポリエーテルスルホン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＥＳ）、ポリシクロオレフィン（Ｐｏｌｙｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ；ＰＣＯ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）及びポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）で構成された群から選択される高分子で形成された高分子自体基板であるか、他の基板上に前記高分子を含む強化コーティング層の形態でコーティングされたものであり、
前記アクリル系高分子は、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＭＭＡ）、ポリメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリメチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＭＡ）、ポリエチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＡ）、ポリ（２−クロロエチルビニルエーテル）（ｐｏｌｙ（２−ｃｈｌｏｒｏｅｔｈｙｌ  ｖｉｎｙｌ  ｅｔｈｅｒ）；ＰＣＶＥ）、ポリ（２−エチルヘキシルアクリレート）（ｐｏｌｙ（２−Ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＨＡ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐｏｌｙ（Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＨＥＭＡ）、ポリブチルアクリレート（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ  ａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＢＡ）、ポリブチルメタクリレート（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＢＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＮ）及びポリトリメチロ−ルプロパントリアクリレート（ｐｏｌｙ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｌｐｒｏｐａｎｅ  ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＴＭＰＴＡ）で構成された群から選択されるものである請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１５】
前記強化コーティング層は、アクリル系、ポリウレタン系、エポキシ系及びプライマー系の塗料で構成された群から選択されるポリマー塗料を含むものである請求項１４に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１６】
前記強化コーティング層は、金属酸化物、金属硫化物、アルミナ、シリカ、酸化ジルコニウム及び酸化鉄で構成された群から選択される無機微粒子をさらに含むものである請求項１４または請求項１５に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１７】
前記強化コーティング層は、１乃至１０μｍ厚さでコーティングされたものである請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板の製造方法であって、
高分子基板の第１表面を乾式エッチング処理し、上部突出曲面を有する突起型構造体を互いに離隔して形成する第１ステップと、
隣接した金属含有ナノ粒子間にナノギャップが形成されるまで、金属含有ラマン活性物質を同時に真空蒸着させて、前記突起型構造体の各上部突出曲面上に金属含有ナノ粒子を、高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分には金属含有薄膜層を形成する第２ステップと、を含み、
前記金属含有ラマン活性物質は、初期には前記第１表面及び前記突起型構造体に均一に蒸着されるが、蒸着が進行するにつれ前記突起型構造体の上部に集中的に蒸着されることになる表面増強ラマン分光用基板の製造方法。
【請求項１９】
光源と、
請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板と、
ラマン分光を検出する検出器と、
を備えたラマン分光装置。
【請求項２０】
分析物に対してラマン分光法を実施する方法であって、
請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の表面増強ラマン分光用基板を準備するステップと、
前記基板に分析物を近接または接触させるステップと、
光照射するステップと、
分析物から散乱されたラマン分光を検出するステップと、
を含む方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
他の態様として本発明は、上記表面増強ラマン分光用基板の製造方法であって、高分子基板の第１表面を乾式エッチング処理し、上部突出曲面を有する突起型構造体を互いに離隔して形成する第１ステップと、隣接した金属含有ナノ粒子間にナノギャップが形成されるまで金属含有ラマン活性物質を真空蒸着させて、上記突起型構造体の各上部突出曲面上には金属含有ナノ粒子を形成し、高分子基板の第１表面上の突起型構造体が存在しない部分には金属含有薄膜層を形成する第２ステップと、を含む表面増強ラマン分光用基板の製造方法を提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
【図１】本発明に係る表面増強ラマン分光用基板の構造及び製造方法を概略的に示す図である。
【図２】高分子基板上の突起型構造体の存在可否及び間隔に応じる金属蒸着により形成される構造物の差異を概略的に示す図である。
【図３】本発明に係るプラズマ処理時間に応じる基板上の突起型構造体の高さ及び間隔を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る表面増強ラマン分光用基板の表面に対する原子間力顕微鏡イメージ及び切断面に対する深みのプロファイルを示す図である。
【図５】真空蒸着法により高分子基板上の突起型構造体上に形成された金属ナノ粒子の大きさに応ずる吸光スペクトルの変化を示す図である。
【図６】本発明に係る表面増強ラマン分光用基板を用いたラマンマッピングの結果に基づいて、各ピクセルで計算されたＥＦ値の分布度を示す図である。
【図７】本発明に係る表面増強ラマン分光用基板の大面積における均一なラマン信号増強効果を示す図である。３００回繰り返して行った１０μｍ×１０μｍ  の面積に対して測定されたＥＦ分布をガウシアン・フィッティングして得られた各実験からの中央値（ｃｅｎｔｅｒ  ｖａｌｕｅ）とＦＷＨＭの分布とをプロットした。
【図８】本発明に係る表面増強分光基板の大気中の露出に対する安定性テストの結果を示す図である。各時点において、３５０回以上のラマンマッピングを行い統計的なＥＦ値を導出し、これを保管期間に関する関数として示した。上記基板は、温図２２℃、湿度４０％の大気中に露出して保管した。
【国際調査報告】
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