金コロイド粒子を用いた新規プラズモニック結晶の創製
Fabrication of the novel plasmonic crystalline structure of colloidal gold particles

代表研究者 名古屋市立大学

豊玉彰子

Nagoya City University

Akiko TOYOTAMA

協同研究者 名古屋市立大学

菅生行紘

Nagoya City University

Yukihiro SUGAO

村門愛

Nagoya City University

Ai Murakado

名古屋市立大学

Charged colloidal particles dispersed in water self-assemble into “crystal” structures, when the electrostaticinteraction between the particles is sufficiently strong. These colloidal crystals have received considerable attention as
potential photonic crystals. In addition, colloidal crystals of precious metals particles, i.e. gold particles, are expected as
potential plasmonic materials. Here we report a novel method to fabricate colloidal crystals of gold particles by using
the adsorption of ionic surfactants. The crystal structure could be immobilized in polymer gel network to form
self-standing materials. We also report the shift of plasmon peak in visible region due to adsorption of molecules onto
the gold particles. The adsorption of surfactant and protein (bovine serum albumin) molecules were examined using
aqueous dispersions of gold particles, gold particles immobilized in polymer hydrogel, and the particles adsorbed on gelsurfaces. On adsorption, the gold particles dispersed in water sometimes became unstable to form aggregates. Thus, thegel immobilized gold particles were useful to study the plasmonic peak shift. The present findings will be useful also tofabricate novel colloidal crystals plasmonic materials for sensing.

則配列させ、かつ高分子ゲルで固定した、新規プラ研究目的
貴金属の表面プラズモン共鳴を用いた物質検出やズモニック結晶を創製することを目的とする。希薄信号増強技術が、化学・生物・材料科学分野で幅広濃度(１体積%程度)における金コロイド粒子が形成く応用されている。現在、金微粒子の局在プラズモする３次元規則構造は、リソグラフィーなど他手法ンを活用した高効率材料の創製が期待されており、では構築困難な新規構造体である。本結晶を用いる粒子の様々な２次元的配列構造が検討されている。

ことで、２次元から３次元へ規則構造を拡張した場

一方、荷電コロイド粒子は、粒子間に働く静電相互合のプラズモニクス特性の変化を検討できる。また、作用が強いとき、水中で３次元的な結晶状に規則配マトリクスの高分子ゲルの変形特性を利用し、圧縮列する(Fig.１に模式図を示す)。本研究では、申請者等により粒子間距離を調節することで、光学特性のらは荷電コロイドフォトニック結晶の作製技術を長チューニングが可能であり、基礎的研究に寄与でき年にわたり蓄積してきたが、これを活用し、直径 50るものと期待する。

〜100 nm 程度の金コロイド微粒子を３次元的に規研究経過
１. 金微粒子の結晶構造の作成とその固定化
金コロイド粒子の結晶化には、イオン性界面活性剤の吸着の温度依存性を利用した新規手法[発表論文 1]を利用した。本手法により親水性・疎水性、有Figure1 Charged colloidal crystal.

機・無機を問わず、様々な粒子のコロイド結晶が作製できる。一般に、界面への物質の吸着量は低温ほを吸着しているが、これらが表面プラズモンピークど多いことが、熱力学により結論される。疎水性粒に与える影響などを検討する必要があると考えた。

子の水分散液に、イオン性界面活性剤を添加したと

このため本研究では、先ず金微粒子への物質吸着にき、一部は粒子表面に結合して電荷 Z を与え、非吸よるプラズモンピークシフトの検討を行った。さら着分は媒体中に低分子イオン（濃度 Cs）として溶存に、高分子ゲルによって固定した金微粒子および、する（ミセルが生成しない低濃度域を対象とする）。

高分子ゲル表面に吸着した金微粒子への物質吸着に高温では吸着量が少ないため、Z は小さく、Cs は大ついての基本的な検討を実施した。

きい。一方、低温では Z は大きく、Cs は小さい。粒子間の静電相互作用は、Z が大きいほど大きく、ま２. 金粒子の表面プラズモンを利用したセンシング

たイオンによる静電遮蔽のため Cs が小さいほど大(a) 分散媒の吸光スペクトルへの影響きい。すなわち静電相互作用は、低温ほど強くなる。

市販品の金コロイド粒子分散液の分散媒中の低分

このため適切な条件を選べば、イオン性界面活性剤子が吸着して、プラズモンピークに影響する可能性を添加したコロイド系は、冷却により結晶化する。

を検討するため、上澄みの吸光スペクトルを測定し直径 100 nm の金コロイド微粒子（0.006 体積%、た。 15 mL 遠沈管に金コロイド分散液を 3 mL 量り田中貴金属工業株式会社製）水分散液にヘキサデカ取り、2000 rpm,10 分の条件で遠心分離を行い上澄みンチオールを添加し、金表面を疎水化修飾した。次3 mL を採取した。また、このとき得られた沈殿にに、マイナスの電荷を持つ界面活性剤のオクタデシMilliQ 水 3 mL を加え、超音波洗浄機により再分散

ル硫酸ナトリウム(SOS)を、表面電荷付与のために添させた後 2000 rpm,10 分の条件で遠心分離を行い上加した。SOS は、疎水化された金微粒子に吸着する澄み 3 mL を採取した。金コロイド分散液原液、金ことで、金微粒子の電荷を増加させた。濃度 0.4 体

コロイド分散液原液上澄み(遠心分離により採取し積％程度に遠心濃縮し、結晶構造を得た。構造は、たもの)、および金コロイド分散液水置換後上澄みに光学顕微鏡により確認した(Fig. 2)。

ついて吸光スペクトルを測定した。原液および原液

コロイド結晶構造は、水中で粒子間に働く相互作上澄みで見られる 300 nm のピークが水置換後の上用によるもので、機械的な強度は非常に小さい。こ

澄みでは見られないため、1 度分散媒を MilliQ 水でのため特性評価にあたっては、構造を固定する必要置換した後では、もとの分散媒による吸光スペクトが あ る 。 モ ノ マ ー (N- メ チ ル ア ク リ ル ア ミ ドルへの影響は考えないこととした。また、以下の実(N-MAM))、架橋材(メチレンビスアクリルアミド)、

験は、全て遠心分離によりもとの分散媒を取り除い光重合開始剤を添加したコロイド試料中でコロイドて得た金コロイド粒子に、MilliQ 水を加えて超音波結晶構造を作成したのち、紫外光照射することでコ洗浄機により再分散させて用いた(以下金コロイド

ロイド系全体をゲル固定化した。固定後も金微粒子水分散液と称する)。の結晶構造は保たれた。
濃縮前の金コロイドの濃度が 0.0068 重量%程度であるため、結晶構造を形成する 0.4 体積%まで濃縮するにはおよそ 1000 倍超まで濃縮する必要があった。金微粒子の凝集が生じるために、大量の試料の安定した濃縮は困難であった。また、今回用いた方法では、結晶形成にあたり金粒子に界面活性剤など
Figure3 Plot of the concentration of added SOS (Ctot)
vs adsorbed amount on gold particles(S).
(b) 金コロイド粒子水分散系への界面活性剤吸着挙
動金コロイド粒子と SOS 水溶液を等量混合したとき
Figure2 Charged colloidal crystal of gold particles.のプラズモンピークシフトを検討した。0, 20, 40, 60,

80, 100, 120, 140, 160, 180 µM の SOS 水溶液それぞれ失したことから、今回使用した金コロイド粒子はに 3.0×10-3wt% 金コロイド水分散液 2 mL を添加しNaCl 水溶液や NaHCO3 水溶液中で凝集することが明

5 分間超音波振動で混合した後、吸光スペクトルをらかとなった。

測定した。
金コロイド水分散液と SOS 水溶液を等量添加・混合し SOS 水溶液濃度を 100 M とした際の吸光スペ(c) ゲル固定金コロイド粒子への界面活性剤の吸着挙動

クトルにおけるピークシフト量は、∆λm = 2.32±0.55

金コロイド粒子をゲル固定化した場合のプラズモnm(23.55%)であった。また、ピークシフトを与えたンピークを検討した。モノマーに 1.0 M N-(ヒドロキときの SOS 吸着量(S)を定量し、添加した SOS 量(C)シメチル)アクリルミド、架橋剤として 0.01 M N,N’-に対してプロットした(Fig. 3)。添加する SOS 量の増

メチレンビスアクリルアミド、重合開始剤として加に伴い、SOS の吸着量も増加した。実験値と比較

0.35 mM 2,2-アゾビス[2-メチル-N-(2-ハイドロキシするため、以下の関係式を用いて SOS 分子の金コロエチル)プロピオンアミド]を用い、5.6×10-3wt% 金イド粒子に対する吸着が 1 層であると仮定して、ピコロイド水分散液 3 mL を 10 mm×10 mm×40 mm のークシフトと吸着量の理論値を求めた結果、SOS 分ディスポセル中で UV 照射によるラジカル重合でゲ子の炭化水素鎖の長さが長くなるほど断面積が小さル固定し、そのまま吸光スペクトルを測定した。そくなるため最大吸着量が増加し、ピークシフト量もの後、120 mL スチロール棒ビンに量り取った 100大きくなることが分かった。そこで SOS の長さが完M SOS 水溶液 100 mL 中にディスポセルごとゲル全に伸びきった鎖の分子長であるλmax = 2.731 nm のを浸漬して SOS 分子の浸透によるピークシフトを検場合の結果を用いて実験値と理論値を比較したが、討した。

ピークシフト量は 20 µM までしかフィッティングでゲル化剤添加前、ゲル化剤添加後、ゲル固定後、きず、吸着量は実験値と大幅に差があることが分か

100 µM SOS 水溶液浸漬後のピーク波長を測定した。

った。このため、今回実験した SOS 濃度範囲におけゲル化剤の添加によるピークシフトが観察されたが、る SOS 分子の金コロイド粒子に対する吸着は、1 層SOS 水溶液浸漬によるピークシフトは観察できなかではなく 2 層またはそれ以上の可能性がある。また、った。実験ではディスポセルごと浸漬したためにゲSOS 濃度 = 0～20 µM の範囲についてより詳細な実

ルの SOS 水溶液に触れる面積が小さくなり、SOS 分

験を行えば、この範囲では吸着が 1 層であると仮定子があまりゲル中に浸透しなかった可能性もあるた

した場合の理論値と一致する可能性があると考えら

め、今後実験系を再考し再検討する必要性があるとれる。

考えられる。

(d) 金コロイド粒子水分散系への BSA 吸着挙動(e) 薄膜ゲル上の金コロイド粒子

金コロイド粒子と BSA 水溶液を等量混合した場

金コロイド粒子を吸着させた薄膜ゲルを BSA 水合のプラズモンピークシフトを検討した。0, 10, 20,溶液に浸漬した場合のプラズモンピークシフトを検30, 40, 50, 60, 70, 80 nM の BSA 水溶液 2 mL を作製討した。モノマーに 1.0 M N-(ヒドロキシメチル)アし、それぞれに 3.0×10-3wt%金コロイド水分散液 2クリルミド、架橋剤として 0.01 M N,N’-メチレンビmL を添加し、超音波振動器で 5 分間混合した後、スアクリルアミド、重合開始剤として 0.35 mM 2,2-吸光スペクトルを測定した。さらに、生理的条件下

アゾビス[2-メチル-N-(2-ハイドロキシエチル)プロピでの検討を行うため、金コロイド粒子の分散媒およオンアミド]を用いて UV 照射によるラジカル重合でび BSA の溶媒を、0.154 M NaCl 水溶液、0.154 M

1 mm×10 mm×30 mm の薄膜ゲルを作製した。このNaHCO3 水溶液として同様の実験を行った。

薄膜ゲルを 6.0×10-3wt%の金コロイド水分散液 1540 nM BSA 水溶液を添加・混合した際のスペクトmL に浸漬することで表面に金コロイド粒子を吸着

ルでは、もともと見られていたプラズモンピークがさせた。この試料について、金コロイド粒子の吸着観察されなかった。これは BSA により金コロイド粒の 様 子 を 共 焦 点 レ ー ザ ー ス キ ャ ン 顕 微 鏡 C2+ 型子が凝集したためと考えられる。また、NaCl 水溶液(Nikon 社製)で観察した。20 nM BSA 水溶液 15 mL

や NaHCO3 水溶液においてもプラズモンピークが消に薄膜ゲルに金コロイド粒子を吸着させた試料を

30 分間浸漬することにより BSA を吸着させ、薄膜集が生じたものの、薄膜ゲル上に金コロイド粒子をゲルのみを水溶液中から取り出して吸光スペクトル吸着させて用いることにより、凝集することなくを測定した。測定後、BSA 水溶液に 10 µM BSA 水

BSA 濃度に応じた表面プラズモン共鳴ピークシフト溶液を 30 L 添加・撹拌して薄膜ゲルを 30 分浸漬が確認できた。
さらに、金コロイド粒子を薄膜ゲル上に吸着させするというサイクルを繰り返し、実験を行った。
この実験に用いた、薄膜ゲルに吸着させた金コロて用いることにより、生理的条件下での実験も可能

イド粒子の顕微鏡画像より、単層でランダムに吸着になると考えられる。金コロイド粒子の分散媒をしていることを確認した。

NaCl 水溶液や NaHCO3 水溶液に変えると、BSA を添加しなくても凝集が生じたことから、実験系のイオン濃度を生理的条件と同等にしての実験は困難と思われた。しかし、金コロイド粒子を薄膜ゲル上に吸着させて用いることで BSA による凝集を防ぐことができ、またイオンによる凝集も防ぐことが出来ると考えられる。
本研究で検討した金コロイド粒子を薄膜ゲル上Figure4 Plasmonic peak shift of the gold particles
on addition of BSA.に吸着させた試料は、抗原抗体反応等と組み合わせることにより、簡便な診断チップとして臨床分野での応用が期待される。その際、感度および精度の向上が求められると思われるが、これは粒子間距離を金コロイド粒子を吸着させた薄膜ゲルを BSA 水溶小さくすること、特に金コロイド粒子のコロイド結液に浸漬した際の吸光スペクトル測定では、BSA 添晶を用いることにより改善できると考えられる。今加による凝集を生じることなくプラズモンピークシ後は、金コロイド結晶を大量に作成する方法を確立フトを観察することができた。また、薄膜ゲルのみし、今回の研究を発展させていく予定である。

を BSA 水溶液に浸漬させてもピークおよびそのシフトが確認されなかったことから、薄膜ゲルに対す研究の発表

る BSA の吸着はピークシフトに影響を与えないも口頭発表のと考えられる。

1.

豊玉彰子, 山本政彰, 中村友紀, 沖塚翔太, 飛永あ

プラズモンピークシフト量を浸漬した BSA 水溶

ゆみ, 大橋良章, 岡地真奈美, 奥薗透, 山中淳平

液濃度に対するプロットを Fig.4 に示す。用いた薄膜

イオン性界面活性剤共存下における荷電コロイゲルに金コロイド粒子を吸着させた試料は、BSA をドの温度誘起結晶化吸着させる前の吸光度が約 0.30 で、水分散系におけ第 64 回コロイドおよび界面化学討論会

る強度と同程度であった。Fig.4 より、BSA 濃度が薄年 9 月 20 日（名古屋）

いところではピークシフト量が浸漬した BSA 水溶

2.

2013

豊玉彰子, 山本政彰, 中村友紀, 奥薗透, 山中淳平

液濃度に対応する傾向が見られ、その後一定となる界面活性剤の吸着を利用した荷電コロイドの温ことが分かった。

度誘起結晶化
第 43 回結晶成長国内会議

2013 年 11 月 8 日（長野）結論
本研究により、金コロイドの結晶化とゲル化、またセンシングが可能であることが示唆された。すな誌上発表

わち、金コロイド水分散液と SOS 水溶液の混合系で

1.

A. Toyotama, M. Yamamoto, Y. Nakamura, C.

は、SOS 濃度に応じた表面プラズモン共鳴ピークのYamazaki, A. Tobinaga, Y. Ohashi, T. Okuzono, H.

ピークシフトが確認できた。また、金コロイド水分Ozaki, F. Uchida, and J. Yamanaka, Chem. Mater. 26,

散液と BSA 水溶液の混合系では BSA 添加により凝4057-4059(2014).