表面増強分光用基板
【課題】増強効果及び再現性が高く、低価格で製造が容易な表面増強分光用基板を提供する。
【解決手段】基板１の上に微粒子２が固相化されており、微粒子２の表面の一部が金属層３で被覆されている。金属付着微粒子１０は、細密充填構造を取らず、いくつかの金属付着微粒子１０が集合して、一つのクラスターを形成する。また、クラスターは間隔を置いて複数形成される。金属層３と基板１とは接触しておらず、各クラスターは基板１と電気的に分離されている。
【解決手段】基板１の上に微粒子２が固相化されており、微粒子２の表面の一部が金属層３で被覆されている。金属付着微粒子１０は、細密充填構造を取らず、いくつかの金属付着微粒子１０が集合して、一つのクラスターを形成する。また、クラスターは間隔を置いて複数形成される。金属層３と基板１とは接触しておらず、各クラスターは基板１と電気的に分離されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン分光や赤外分光等の分光測定に有効な表面増強分光用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動分光の一種であるラマン分光法は、分子をレーザ光で照射した際に発生する散乱光の波長を分析することにより分子種の同定を可能にする分析方法である。有効な手法である反面、散乱断面積が非常に小さいため適用範囲が限定されている。
【０００３】
一方、表面増強効果を利用した光による分光測定が注目を集めている。金属あるいは半導体の微粒子の物理化学的特性は、微粒子の厚さ、サイズ、形状等に大きく依存する。例えば、サイズ１００ｎｍ以下の金、銀、プラチナ等のナノ粒子に光を照射すると、ナノ粒子近傍に近接場と呼ばれる局在した強力な光の場が発生する。測定対象である分子ないしは薄膜状のサンプルを貴金属ナノ粒子でコーティングされた基板に展開して光学的手法にて分析することより、信号が数十倍（蛍光法および赤外分光法）から１００万倍（ラマン分光法）増大されることが知られている。
【０００４】
上記表面増強法を、例えばラマン分光に適用する場合は、金、銀等のナノ構造表面に測定対象を滴下し、レーザ光で励起して、ラマン散乱光を測定する。このようにすると、ラマン散乱光の強度が数桁から５、６桁程度まで増強される。
【０００５】
上記増強現象が発見された当初は、電気化学的に表面が荒らされた銀基板が用いられた。その後は、真空蒸着により自己組織的に形成された銀に対してアニーリング法を適用して作製されたグレインや、基板上に吸着された金及び銀コロイド（コロイド法）が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。また、近年は、ナノリソグラフィー法と呼ばれる、基板上に形成された単分散のナノ粒子上に銀を蒸着して調製された帽子状の銀微粒子が用いられている（例えば、特許文献１参照）。さらに、電子ビームリソグラフィー法により基板上に形成されたナノサイズの銀構造体（電子ビーム法）等も用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１７０３号公報
【特許文献２】特開２００８−９６１８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ralph A. Tripp et al., nanotoday JUN-AUG 2008 VOLUME3 NUMBER3-4 “Novel nanostructures for SERS biosensing”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の方法は、原理的に表面増強ラマン分光測定に有効であることは実証されているが、実用化に際して様々な問題を抱えている。アニーリング法により作製した銀のグレインでは、増強率がさほど大きくなく再現性に乏しい。コロイド法により作製した金及び銀コロイドでは、アニーリング法同様、増強率がさほど大きくなく、高価なコロイド液が大量に必要であるといった問題がある。ナノリソグラフィー法により作製した帽子状の銀微粒子では、細密充填されたナノ粒子を大面積の基板上に形成することが困難である。電子ビーム法では、電子描画装置の価格が億単位と非常に高価であり、電子ビームの走査に時間を要することから製造スループットが非常に低いといった欠点がある。
【０００９】
表面増強ラマン法を実用化するには、性能の担保、再現性の保証、製造の容易さ、低価格化が不可欠である。これらの観点から、用いられている方法に、上記ナノリソグラフィー法がある。しかし、特許文献２に記載されたように、基板上に微粒子のみを相互に非接触状に配置する方法では、１０倍程度の増強率しか得られないことがわかっている。このため、ナノリソグラフィー法を用いる場合は、図１８に示すような細密充填構造に形成する。
【００１０】
図１８は、基板上に形成された単分散のナノ粒子上に帽子状に銀を蒸着して得られた銀微粒子６０を上面から見た平面図を示す。このように、隙間なく細密に銀微粒子６０が配置される。また、細密充填構造を構成し、分光用基板の領域にかかわらず均一な性能を担保するためには、図１８のように、微粒子の粒径が揃っている（単分散性が非常に高い）ことが要求される。以上のように、ナノリソグラフィー法を用いても、性能を高めるためには、単分散性微粒子を細密充填配置しなければならないため、再現性、製造の容易さ、低価格化に問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、増強効果及び再現性が高く、低価格で製造が容易な表面増強分光用基板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】
上記目的を達成するために、本発明の表面増強分光用基板は、金属が付着した金属付着微粒子が基板上に形成された表面増強効果を有する表面増強分光用基板であって、前記基板上には、複数の前記金属付着微粒子が集合して該金属付着微粒子の金属が相互に接触しているクラスターが間隔を置いて複数形成され、前記各クラスターは前記基板と電気的に分離されていることを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、基板上のすべての領域について、細密充填構造を取る必要がないので、表面増強分光用基板の作製が容易になり、粒径が揃った金属付着微粒子を用いる必要もない。粒径が一様な金属付着微粒子を用いる必要がないので、低価格化が可能となる。また、作製が容易、低価格化が可能というだけではなく、基板上の金属付着微粒子をクラスター構造とすることにより、表面増強効果を向上させることができ、性能の再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る表面増強分光用基板の断面構造を示す図である。
【図２】本発明に係る表面増強分光用基板を上面から見た構造を示す平面図である。
【図３】表面増強分光用基板の金属付着微粒子によるクラスター化を示す図である。
【図４】金属付着微粒子によるクラスター内におけるプラズモンの伝播方向を示す図である。
【図５】クラスター周辺の近接場光の強度分布を示す図である。
【図６】異なる粒径の金属付着微粒子から構成されるクラスター群を示す平面図である。
【図７】異なる粒径の金属付着微粒子から構成され、多層化されたクラスター群を示す断面図である。
【図８】多層化されたクラスター群の撮影画像を示す図である。
【図９】異なる粒径の金属付着微粒子から構成されたクラスター群の撮像画像を示す図である。
【図１０】実験に用いた各ラマン分光用基板の構造を示す断面図である。
【図１１】図１０のラマン分光用基板を用いて測定したラマンスペクトルを示す図である。
【図１２】実験に用いた各表面増強分光用基板における金属付着微粒子の吸着密度の状態を示す図である。
【図１３】図１２の吸着密度が異なる表面増強分光用基板を用いて測定したラマンスペクトルを示す図である。
【図１４】表面増強用基板を用いてラマン分光測定を行い、基板上の異なる３つの領域からそれぞれ測定されたラマンスペクトルを示す図である。
【図１５】ラマン分光測定に用いた異なる粒径の金属付着微粒子を示す図である。
【図１６】図１５の２種類の金属付着微粒が混合して吸着された表面増強分光用基板を用いてラマン分光測定を行った結果を示す図である。
【図１７】金属付着微粒子の粒径とラマン散乱光強度の関係を示す図である。
【図１８】従来の細密充填型表面増強分光用基板を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。構造に関する図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１６】
図１は、本発明の表面増強分光用基板の基本的な構成を示す。ガラス、プラスティックやシリコン等の基板１の上に、微小球形状の金属付着微粒子１０が形成されている。金属付着微粒子１０は、例えば、粒径３０ｎｍから１０μｍの微小球形状の微粒子２と微粒子２に付着した金属層３とで構成されている。基板１上に微粒子２が固相化されており、微粒子２の表面の上半分程度が金属層３で帽子状に被覆されている。微粒子２はポリマー又はシリカ粒子等で構成される。金属層３は、金、銀、プラチナ（白金）、アルミ等の金属で構成されている。また、金、銀、プラチナ、アルミによる合金又は混合体のいずれかで構成されていても良い。さらに、基板１上の領域によって、金属層３の組成を変えても良い。金属層３の厚さは、２ｎｍ〜５００ｎｍ程度に形成される。
【００１７】
金属付着微粒子１０は、図１に示すように、細密充填構造を取らず、いくつかの金属付着微粒子１０が集合して、一つの集合体（クラスター）を形成する。クラスター内の金属付着微粒子１０の金属層３は隣接する金属層同士で一部が接触するように形成されている。また、クラスターは間隔を置いて複数形成され、大きさが異なるクラスターが形成されるとともに、各クラスターは基板１上に不規則に散在している。このように、様々な形状と大きさに構成されたクラスターによるクラスター群が形成されている。
【００１８】
図２は、金属付着微粒子１０のクラスターが散在する様子を示す平面図である。図２は、同じ粒径の金属付着微粒子１０が複数集まってクラスターを形成する例を示す。金属付着微粒子１０の粒径とは、微粒子２の粒径とほぼ一致するものであるが、厳密には金属層３を含めた大きさが粒径となる。
【００１９】
クラスターＡ１は、３個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ２は、９個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ３は、２個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ４は、３個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ５は、５個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。図２からわかるように、基板１上には、大きさが異なり、形状も異なるクラスターが不規則に散在している。
【００２０】
図１、２からわかるように、各クラスター内における金属付着微粒子１０の金属層３は、隣接する金属層３と相互に接触しているので、１つのクラスター内における金属付着微粒子１０はすべて電気的に接続されている。一方、金属層３のいずれも、基板１と接触していないので、各クラスターは、基板１と電気的に分離されている。
【００２１】
図３は、実際に金属付着微粒子１０がクラスターを構成し、各クラスターが不規則に散在している様子を走査型電子顕微鏡で撮影した画像を示す。白っぽい粒子が金属付着微粒子１０に相当し、異なる形態のクラスターを形成していることがわかる。基板１上では、金属付着微粒子１０が、ランダムに吸着されており、数個から数十個のクラスターが形成されていることが望ましい。
【００２２】
本発明の表面増強分光用基板の製造方法を以下に示す。基板１上にポリマーもしくは、シリカ粒子による微粒子２の単層を形成する。微粒子２の単層の形成方法は色々あるが、一番簡便な方法としては、粒子懸濁液の塩濃度を増大させて粒子間の斥力を低減させ、粒子を高表面エネルギーの基板上に単層として物理吸着させることが、効果的かつ低コストである。
【００２３】
適切に塩濃度を制御して若干の斥力を残すことにより、微粒子２が２層以上形成されることを防ぐことができる。次に微粒子２の上半分に金、銀、白金、アルミ等の金属層３を形成する。一番容易な形成方法としては、基板１に吸着した微粒子２を真空蒸着装置もしくはスパッタ装置内部に設置して、金属を飛散させる方法を挙げることができる。真空蒸着及びスパッタを用いた場合は、微粒子２の上方が金属で被覆されて金属層３が形成されるが、下方が金属で被覆されない。このため、金属付着微粒子１０が基板１から電気的に分離されるので表面増強効果にとって望ましい。
【００２４】
以上のように形成された表面増強分光用基板の金属付着微粒子１０の金属層３中には自由電子が存在し、近紫外から近赤外波長の光が照射されると、自由電子の共鳴的振動は粒子表面上に局在する強力な近接場の形成につながる。このプラズモン共鳴周波数は、金属層３のサイズ、形状、元素に依存するが、異なったプラズモン共鳴周波数を有する金属付着微粒子１０が共存することが表面増強効果の観点から望ましい。
【００２５】
上記の手法によって得られる金属付着微粒子１０の金属層３による金属クラスターは、数個から数十個の帽子状半球から構成され、各金属層が相互に接触することにより金属クラスター内の領域は電気的に接続される。これらのクラスターが光を吸収すると、面積の大きい部分から先鋭な部位にプラズモンが伝播し、先鋭部分で極めて強力な近接場が形成されることとなる。
【００２６】
図２で示したクラスター群の各クラスターにおけるプラズモン伝播の様子を図４に示す。図中の矢印がプラズモン伝播方向を示す。クラスターＡ２では、中央部分が最も面積が大きいので、この領域から先鋭な部位、すなわちクラスターＡ２の角に相当する部位に向けてプラズモンが伝播する。他のクラスターでも同様に、面積が大きい領域から先鋭な部位に向かってプラズモンが伝播する。図５は、図４のようにプラズモンが伝播した場合に、発生する近接場を示す。近接場は、図の網掛線で表わされている領域である。このように、プラズモン伝播方向の先端部に近接場が生じる。
【００２７】
図６は、粒径の異なる微粒子２を用い、粒径の異なる金属付着微粒子１０によるクラスター形成の状態を示す図である。異なる粒径の微粒子２を基板１に不規則に吸着させた後、帽子状の金属層３をスパッタ又は真空蒸着により形成する。
【００２８】
図６のように、クラスターＢ１は、粒径が異なるものが含まれる３個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ２は、粒径が異なるものが含まれる８個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ３は、粒径が異なるものが含まれる３個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ４は、粒径が同じの２個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ５は、粒径が異なるものが含まれる３個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ６は、粒径が異なるものが含まれる５個の金属付着微粒子１０により形成される。
【００２９】
プラズモン共鳴周波数は、金属層３のサイズ、形状、元素に依存するが、図６は、金属層３の大きさ（サイズ）を変えた金属付着微粒子１０が共存する例を示している。図６のように、様々な粒径の金属付着微粒子１０が集合することにより、１つのクラスターに異なるプラズモン共鳴周波数が存在するようになるため、クラスターの共鳴周波数は一定の幅を持つことになる。
【００３０】
近接場強度をさらに増強するためには、サイズが異なる金属付着微粒子１０を２層目以上に形成することが望ましい。１層目の形成方法と同じ方法を用いて２層目を形成するが、２層目の形成には、１層目に用いた金属付着微粒子１０とは粒径が大きく異なる金属付着微粒子１０を用いることが望ましい。
【００３１】
図７は、１層目の金属付着微粒子１０の粒径を異なるようにし、さらに２層目でも金属付着微粒子１０の粒径を異なるように形成した例である。クラスターＣ１では、１層目は同じ粒径の微粒子２に金属層３が被覆されることにより、同じ粒径の金属付着微粒子が形成される。しかし、２層目では１層目とは異なる粒径の微粒子３２に金属層３３が被覆されることにより、金属付着微粒子が形成される。このように、１層目と２層目で金属付着微粒子の粒径が異なる。
【００３２】
また、クラスターＣ２の１層目は、微粒子２上に金属層３が形成された金属付着微粒子、微粒子２２上に金属層２３が形成された金属付着微粒子、微粒子３２上に金属層３３が形成された金属付着微粒子により構成されている。微粒子２、２２、３２は、いずれも粒径が異なるため、粒径が異なる３種類の金属付着微粒子が形成される。一方、クラスターＣ２の２層目は、微粒子２２上に金属層２３が形成された金属付着微粒子、微粒子３２上に金属層３３が形成された金属付着微粒子等で構成されている。微粒子２２、３２は粒径が異なるため、粒径が異なる金属付着微粒子が形成される。
【００３３】
この場合に、プラズモンは、面積の大きな部分から先鋭な部位に伝播するので、図の矢印のように、粒径の大きな金属付着微粒子１０から粒径の小さな金属付着微粒子１０に伝播することになる。このように、１層目の領域内におけるプラズモン伝播及び２層目の領域内におけるプラズモン伝播に加えて、１層目から２層目あるいは２層目から１層目の方向にプラズモンの伝播が発生するので、近接場強度がさらに強くなる。
【００３４】
図８は、単層ではなく、多層化された金属クラスターを走査型電子顕微鏡で撮影した画像を示す。図９は、異なる粒径の金属付着微粒子から構成される金属クラスターを走査型電子顕微鏡で撮影した画像データを示す。
【００３５】
次に、本発明の表面増強分光用基板の増強効果を図１０、図１１に示す。図１０（ａ）は、基板１上に金薄膜４を２０ｎｍの厚さに形成し、この金薄膜４上に微粒子２として粒径１００ｎｍのシリカ粒子を吸着させてクラスター化し、シリカ粒子上に帽子状の銀からなる厚さ８０ｎｍの金属層３を形成してラマン分光用基板を作製した。
【００３６】
図１０（ｂ）は、基板１上に金薄膜４を２０ｎｍの厚さに形成し、この金薄膜４上に微粒子２として粒径１００ｎｍのシリカ粒子を吸着させてクラスター化し、シリカ粒子上には金属層３を形成しなかった。このように、ラマン分光用基板を作製した。
【００３７】
図１０（ｃ）は、基板１上に金薄膜を形成せずに、基板１上に粒径１００ｎｍのシリカ粒子の微粒子２を吸着させてクラスター化し、シリカ粒子上に帽子状の銀からなる厚さ８０ｎｍの金属層３を形成してラマン分光用基板を作製した。
【００３８】
図１０（ｄ）は、基板１上に厚さ８０ｎｍの銀薄膜５のみを形成して表面増強分光用基板を作製した。図１０（ｅ）は、基板１上に厚さ２０ｎｍの金薄膜５のみを形成してラマン分光用基板を作製した。
【００３９】
上記図１０（ａ）〜１０（ｅ）までのラマン分光用基板を用いてラマン分光の測定を行った。図１０（ａ）〜１０（ｅ）までのラマン分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させたものを試料として用いた。このローダミン６Ｇは、蛍光色素の１種である。ラマン散乱の励起光として発振波長５１４．５ｎｍのレーザを用い、光強度は４００μＷに設定した。ラマン散乱光は、レーザラマン分光装置により測定した。
【００４０】
上記測定結果を、図１１に示す。縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。図１１のグラフのうち、曲線Ａが１０（ａ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｂが１０（ｂ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｃが１０（ｃ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｄが１０（ｄ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｅが１０（ｅ）のラマン分光用基板による測定結果を示す。なお、曲線Ｄと曲線Ｅとは一致している。これらの曲線からわかるように、強い増強が見られたバンドが現われているのは、曲線Ａと曲線Ｃである。他の曲線については、増強を示すバンドは現われていない。図１１の測定結果から、１０（ａ）のラマン分光用基板と１０（ｃ）のラマン分光用基板においてのみ増強効果が見られることがわかる。
【００４１】
１０（ｃ）のラマン分光用基板は、図１の本発明の表面増強分光用基板と基本的に同一の構成であり、また、１０（ａ）のラマン分光用基板は、金薄膜４が存在することを除けば、図１の構成と基本的に同一であるので、これにより、本発明の表面増強分光用基板の増強効果が示された。
【００４２】
次に、金属付着微粒子１０の基板１に対する吸着密度により、増強効果がどのように変わるのかを測定した。この測定には、図１、２のようにクラスター化された表面増強分光用基板を用いた。ここで、微粒子２には粒径１００ｎｍのシリカ粒子を用い、金属層３は膜厚１４０ｎｍの銀を蒸着することにより構成した。一方、基板１への微粒子２の吸着については、シリカ粒子懸濁液の塩濃度を適宜調整すること等により、吸着密度を５つのパターンに形成した。
【００４３】
このように、微粒子２をクラスター化し、クラスターの分散度を変えることにより、金属付着微粒子１０の吸着密度が変えられた表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は４００μＷとした。
【００４４】
図１２に、金属付着微粒子１０の吸着密度が異なる５つのパターンを示す。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）は、走査型電子顕微鏡による撮像画像を示す。白っぽく見えるのが、金属付着微粒子１０を示すが、図１２（ａ）が最も吸着密度が低く、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）、図１２（ｅ）の順に吸着密度が高くなっている。
【００４５】
次に、これらの吸着密度が異なる表面増強分光用基板を用いてラマン分光測定による結果を図１３に示す。縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。ラマンスペクトルのうち、曲線Ｘが図１２（ａ）の吸着密度の場合を、曲線Ｙが図１２（ｂ）の吸着密度の場合を、曲線Ｚが図１２（ｃ）の吸着密度の場合を、曲線Ｕが図１２（ｄ）の吸着密度の場合を、曲線Ｖが図１２（ｅ）の吸着密度の場合を示す。全体の信号強度を見ると、曲線Ｖが最も低く、曲線Ｕ、曲線Ｚ、曲線Ｙ、曲線Ｘの順に信号強度が高くなっている。したがって、粒子の吸着密度が低い方、すなわち金属付着微粒子がクラスター化されて分散している方が表面増強効果が高くなることがわかる。
【００４６】
次に、図１の構成の表面増強分析基板を用いて金属付着微粒子の質が均一に形成されているかの確認を行った。ここで、微粒子２には粒径１５０ｎｍのシリカ粒子を用い、金属層３は膜厚２０ｎｍの銀を蒸着することにより構成した。表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は４００μＷとした。そして、基板１上の異なる領域からのラマンスペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。
【００４７】
図１４には、基板１上の３つの領域からのラマンスペクトルが表示されている。縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。Ｄ１〜Ｄ３の曲線がそれぞれ基板１上の異なる領域からのラマン分光測定結果である。Ｄ１〜Ｄ３の曲線のピークの高さは、ほぼ同じであることがわかり、このことから金属付着微粒子の質は均一であると考えられる。
【００４８】
次に、粒径の異なる金属付着微粒子を混合して作製した表面増強分光用基板を用いてラマン分光測定を行った結果を図１６に示す。図１６の縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。このラマン分光測定には、図１５に示す２種類の粒径の金属付着微粒子を用いた。微粒子２Ａ上に帽子状の金属層３Ａが形成された金属付着微粒子１０Ａと、微粒子２Ｂ上に帽子状の金属層３Ｂが形成された金属付着微粒子１０Ｂである。微粒子２Ａ、２Ｂにはシリカ粒子を、金属層３Ａ、３Ｂには銀を用いた。図に示されるように、微粒子２Ａの粒径は１００ｎｍとし、微粒子２Ｂの粒径を５０ｎｍとした。これら２種類の粒径による金属付着微粒子が混合され、かつ、図６のようにクラスター化された表面増強分光用基板を上記ラマン分光測定に用いた。
【００４９】
金属付着微粒子１０Ａ、１０Ｂが混合して形成された表面増強分光用基板は、上記の異なる粒径の微粒子２Ａと微粒子２Ｂを混合した微粒子混合懸濁液を作製し、この微粒子混合懸濁液を基板１に吸着させてクラスター化し、微粒子２Ａ上には金属層３Ａを、微粒子２Ｂ上には金属層３Ｂを形成して作製した。微粒子混合懸濁液は、微粒子２Ａと微粒子２Ｂの混合比率を変化させて４種類作製し、これらの微粒子混合懸濁液に基づき、それぞれ表面増強分光用基板を作製した。微粒子２Ａの懸濁液と微粒子２Ｂの懸濁液の混合比率が５０：５０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ１、混合比率が７０：３０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ２、混合比率が９０：１０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ３、混合比率が１００：０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ４として作製した。上記のように、粒径１００ｎｍの微粒子２Ａの混合割合を最初は５０％とし、次に順に混合割合を増加させ、最後は微粒子２Ａのみ、すなわち金属付着微粒子１０Ａのみとした。
【００５０】
Ｅ１〜Ｅ４の４種類の各表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は５０μＷとした。図１６のラマンスペクトルＥ１〜Ｅ４は、上記各表面増強分光用基板Ｅ１〜Ｅ４に対応している。図１６を見ると、ピークの高さは、２種類の粒径の金属付着微粒子の混合比率が近くなる程、高くなっており、５０：５０の混合比率のときに最も高くなっていることがわかる。
【００５１】
一方、金属付着微粒の粒径とラマン散乱光強度の関係を図１７に示す。まず、図１、２に示されるような、金属付着微粒子１０の粒径が同じものをクラスター化した表面増強分光用基板を作製した。金属付着微粒子１０の粒径を１００ｎｍにしてクラスター化した表面増強分光用基板をＦ１、金属付着微粒子１０の粒径を１５０ｎｍにしてクラスター化した表面増強分光用基板をＦ２、金属付着微粒子１０の粒径を５０ｎｍにしてクラスター化した表面増強分光用基板をＦ３として作製した。Ｆ１〜Ｆ３のすべてにおいて、微粒子２には、シリカ粒子を、金属層３には銀を用いた。
【００５２】
Ｆ１〜Ｆ３の３種類の各表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は５００μＷとした。
【００５３】
図１７のラマンスペクトルに示されるように、粒径１００ｎｍの金属付着微粒子を用いたＦ１と粒径１５０ｎｍの金属付着微粒子を用いたＦ２では信号強度は近くなっている。しかし、Ｆ１は、粒径５０ｎｍの金属付着微粒子を用いたＦ３より、全体に信号強度が高くなっている。このように、粒径の大きな金属付着微粒子を用いた表面増強分光用基板の方が信号強度が高くなる。他方、図１６からわかるように、粒径１００ｎｍのみの金属付着微粒子で表面増強分光用基板を作製するのではなく、他の異なる粒径の金属付着微粒子と混合して表面増強分光用基板を作製した方が、ラマン信号強度がさらに増強されることがわかる。
【００５４】
以上のように、本発明の表面増強分光用基板では、従来のナノリソグラフィー法による分光用基板と比較して、金属付着微粒子が細密充填されている必要がなく、また金属付着微粒子は単分散性である必要がない。また、細密充填構造でなく、金属付着微粒子がクラスター化されて分散されている方が増強効果が高いことがわかった。このため、金属付着微粒子をクラスター化し、各クラスターが不規則に散在するように構成している。本発明の表面増強分光用基板は、粒径に幅をもたせた金属付着微粒子をランダムに基板上に吸着させることで、簡単に上記の構造を実現できるものである。さらに、異なる粒径の金属付着微粒子層を複数積み上げることによっても、上記の構造を実現することができる。ランダムに金属付着微粒子を基板に吸着させるのは容易であり、大面積の基板を高い歩留まりで作製するのに有利である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の表面増強分光用基板は、ラマン分光法、赤外分光法等の分光分析方法に幅広く適用することができ、例えば、臨床検査、環境モニタリング、品質管理等の分野に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基板
２ 微粒子
３ 金属層
２２ 微粒子
２３ 金属層
３２ 微粒子
３３ 金属層
１０ 金属付着微粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン分光や赤外分光等の分光測定に有効な表面増強分光用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動分光の一種であるラマン分光法は、分子をレーザ光で照射した際に発生する散乱光の波長を分析することにより分子種の同定を可能にする分析方法である。有効な手法である反面、散乱断面積が非常に小さいため適用範囲が限定されている。
【０００３】
一方、表面増強効果を利用した光による分光測定が注目を集めている。金属あるいは半導体の微粒子の物理化学的特性は、微粒子の厚さ、サイズ、形状等に大きく依存する。例えば、サイズ１００ｎｍ以下の金、銀、プラチナ等のナノ粒子に光を照射すると、ナノ粒子近傍に近接場と呼ばれる局在した強力な光の場が発生する。測定対象である分子ないしは薄膜状のサンプルを貴金属ナノ粒子でコーティングされた基板に展開して光学的手法にて分析することより、信号が数十倍（蛍光法および赤外分光法）から１００万倍（ラマン分光法）増大されることが知られている。
【０００４】
上記表面増強法を、例えばラマン分光に適用する場合は、金、銀等のナノ構造表面に測定対象を滴下し、レーザ光で励起して、ラマン散乱光を測定する。このようにすると、ラマン散乱光の強度が数桁から５、６桁程度まで増強される。
【０００５】
上記増強現象が発見された当初は、電気化学的に表面が荒らされた銀基板が用いられた。その後は、真空蒸着により自己組織的に形成された銀に対してアニーリング法を適用して作製されたグレインや、基板上に吸着された金及び銀コロイド（コロイド法）が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。また、近年は、ナノリソグラフィー法と呼ばれる、基板上に形成された単分散のナノ粒子上に銀を蒸着して調製された帽子状の銀微粒子が用いられている（例えば、特許文献１参照）。さらに、電子ビームリソグラフィー法により基板上に形成されたナノサイズの銀構造体（電子ビーム法）等も用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１７０３号公報
【特許文献２】特開２００８−９６１８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ralph A. Tripp et al., nanotoday JUN-AUG 2008 VOLUME3 NUMBER3-4 “Novel nanostructures for SERS biosensing”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の方法は、原理的に表面増強ラマン分光測定に有効であることは実証されているが、実用化に際して様々な問題を抱えている。アニーリング法により作製した銀のグレインでは、増強率がさほど大きくなく再現性に乏しい。コロイド法により作製した金及び銀コロイドでは、アニーリング法同様、増強率がさほど大きくなく、高価なコロイド液が大量に必要であるといった問題がある。ナノリソグラフィー法により作製した帽子状の銀微粒子では、細密充填されたナノ粒子を大面積の基板上に形成することが困難である。電子ビーム法では、電子描画装置の価格が億単位と非常に高価であり、電子ビームの走査に時間を要することから製造スループットが非常に低いといった欠点がある。
【０００９】
表面増強ラマン法を実用化するには、性能の担保、再現性の保証、製造の容易さ、低価格化が不可欠である。これらの観点から、用いられている方法に、上記ナノリソグラフィー法がある。しかし、特許文献２に記載されたように、基板上に微粒子のみを相互に非接触状に配置する方法では、１０倍程度の増強率しか得られないことがわかっている。このため、ナノリソグラフィー法を用いる場合は、図１８に示すような細密充填構造に形成する。
【００１０】
図１８は、基板上に形成された単分散のナノ粒子上に帽子状に銀を蒸着して得られた銀微粒子６０を上面から見た平面図を示す。このように、隙間なく細密に銀微粒子６０が配置される。また、細密充填構造を構成し、分光用基板の領域にかかわらず均一な性能を担保するためには、図１８のように、微粒子の粒径が揃っている（単分散性が非常に高い）ことが要求される。以上のように、ナノリソグラフィー法を用いても、性能を高めるためには、単分散性微粒子を細密充填配置しなければならないため、再現性、製造の容易さ、低価格化に問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、増強効果及び再現性が高く、低価格で製造が容易な表面増強分光用基板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】
上記目的を達成するために、本発明の表面増強分光用基板は、金属が付着した金属付着微粒子が基板上に形成された表面増強効果を有する表面増強分光用基板であって、前記基板上には、複数の前記金属付着微粒子が集合して該金属付着微粒子の金属が相互に接触しているクラスターが間隔を置いて複数形成され、前記各クラスターは前記基板と電気的に分離されていることを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、基板上のすべての領域について、細密充填構造を取る必要がないので、表面増強分光用基板の作製が容易になり、粒径が揃った金属付着微粒子を用いる必要もない。粒径が一様な金属付着微粒子を用いる必要がないので、低価格化が可能となる。また、作製が容易、低価格化が可能というだけではなく、基板上の金属付着微粒子をクラスター構造とすることにより、表面増強効果を向上させることができ、性能の再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る表面増強分光用基板の断面構造を示す図である。
【図２】本発明に係る表面増強分光用基板を上面から見た構造を示す平面図である。
【図３】表面増強分光用基板の金属付着微粒子によるクラスター化を示す図である。
【図４】金属付着微粒子によるクラスター内におけるプラズモンの伝播方向を示す図である。
【図５】クラスター周辺の近接場光の強度分布を示す図である。
【図６】異なる粒径の金属付着微粒子から構成されるクラスター群を示す平面図である。
【図７】異なる粒径の金属付着微粒子から構成され、多層化されたクラスター群を示す断面図である。
【図８】多層化されたクラスター群の撮影画像を示す図である。
【図９】異なる粒径の金属付着微粒子から構成されたクラスター群の撮像画像を示す図である。
【図１０】実験に用いた各ラマン分光用基板の構造を示す断面図である。
【図１１】図１０のラマン分光用基板を用いて測定したラマンスペクトルを示す図である。
【図１２】実験に用いた各表面増強分光用基板における金属付着微粒子の吸着密度の状態を示す図である。
【図１３】図１２の吸着密度が異なる表面増強分光用基板を用いて測定したラマンスペクトルを示す図である。
【図１４】表面増強用基板を用いてラマン分光測定を行い、基板上の異なる３つの領域からそれぞれ測定されたラマンスペクトルを示す図である。
【図１５】ラマン分光測定に用いた異なる粒径の金属付着微粒子を示す図である。
【図１６】図１５の２種類の金属付着微粒が混合して吸着された表面増強分光用基板を用いてラマン分光測定を行った結果を示す図である。
【図１７】金属付着微粒子の粒径とラマン散乱光強度の関係を示す図である。
【図１８】従来の細密充填型表面増強分光用基板を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。構造に関する図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１６】
図１は、本発明の表面増強分光用基板の基本的な構成を示す。ガラス、プラスティックやシリコン等の基板１の上に、微小球形状の金属付着微粒子１０が形成されている。金属付着微粒子１０は、例えば、粒径３０ｎｍから１０μｍの微小球形状の微粒子２と微粒子２に付着した金属層３とで構成されている。基板１上に微粒子２が固相化されており、微粒子２の表面の上半分程度が金属層３で帽子状に被覆されている。微粒子２はポリマー又はシリカ粒子等で構成される。金属層３は、金、銀、プラチナ（白金）、アルミ等の金属で構成されている。また、金、銀、プラチナ、アルミによる合金又は混合体のいずれかで構成されていても良い。さらに、基板１上の領域によって、金属層３の組成を変えても良い。金属層３の厚さは、２ｎｍ〜５００ｎｍ程度に形成される。
【００１７】
金属付着微粒子１０は、図１に示すように、細密充填構造を取らず、いくつかの金属付着微粒子１０が集合して、一つの集合体（クラスター）を形成する。クラスター内の金属付着微粒子１０の金属層３は隣接する金属層同士で一部が接触するように形成されている。また、クラスターは間隔を置いて複数形成され、大きさが異なるクラスターが形成されるとともに、各クラスターは基板１上に不規則に散在している。このように、様々な形状と大きさに構成されたクラスターによるクラスター群が形成されている。
【００１８】
図２は、金属付着微粒子１０のクラスターが散在する様子を示す平面図である。図２は、同じ粒径の金属付着微粒子１０が複数集まってクラスターを形成する例を示す。金属付着微粒子１０の粒径とは、微粒子２の粒径とほぼ一致するものであるが、厳密には金属層３を含めた大きさが粒径となる。
【００１９】
クラスターＡ１は、３個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ２は、９個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ３は、２個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ４は、３個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。クラスターＡ５は、５個の金属付着微粒子１０が集合することにより形成されている。図２からわかるように、基板１上には、大きさが異なり、形状も異なるクラスターが不規則に散在している。
【００２０】
図１、２からわかるように、各クラスター内における金属付着微粒子１０の金属層３は、隣接する金属層３と相互に接触しているので、１つのクラスター内における金属付着微粒子１０はすべて電気的に接続されている。一方、金属層３のいずれも、基板１と接触していないので、各クラスターは、基板１と電気的に分離されている。
【００２１】
図３は、実際に金属付着微粒子１０がクラスターを構成し、各クラスターが不規則に散在している様子を走査型電子顕微鏡で撮影した画像を示す。白っぽい粒子が金属付着微粒子１０に相当し、異なる形態のクラスターを形成していることがわかる。基板１上では、金属付着微粒子１０が、ランダムに吸着されており、数個から数十個のクラスターが形成されていることが望ましい。
【００２２】
本発明の表面増強分光用基板の製造方法を以下に示す。基板１上にポリマーもしくは、シリカ粒子による微粒子２の単層を形成する。微粒子２の単層の形成方法は色々あるが、一番簡便な方法としては、粒子懸濁液の塩濃度を増大させて粒子間の斥力を低減させ、粒子を高表面エネルギーの基板上に単層として物理吸着させることが、効果的かつ低コストである。
【００２３】
適切に塩濃度を制御して若干の斥力を残すことにより、微粒子２が２層以上形成されることを防ぐことができる。次に微粒子２の上半分に金、銀、白金、アルミ等の金属層３を形成する。一番容易な形成方法としては、基板１に吸着した微粒子２を真空蒸着装置もしくはスパッタ装置内部に設置して、金属を飛散させる方法を挙げることができる。真空蒸着及びスパッタを用いた場合は、微粒子２の上方が金属で被覆されて金属層３が形成されるが、下方が金属で被覆されない。このため、金属付着微粒子１０が基板１から電気的に分離されるので表面増強効果にとって望ましい。
【００２４】
以上のように形成された表面増強分光用基板の金属付着微粒子１０の金属層３中には自由電子が存在し、近紫外から近赤外波長の光が照射されると、自由電子の共鳴的振動は粒子表面上に局在する強力な近接場の形成につながる。このプラズモン共鳴周波数は、金属層３のサイズ、形状、元素に依存するが、異なったプラズモン共鳴周波数を有する金属付着微粒子１０が共存することが表面増強効果の観点から望ましい。
【００２５】
上記の手法によって得られる金属付着微粒子１０の金属層３による金属クラスターは、数個から数十個の帽子状半球から構成され、各金属層が相互に接触することにより金属クラスター内の領域は電気的に接続される。これらのクラスターが光を吸収すると、面積の大きい部分から先鋭な部位にプラズモンが伝播し、先鋭部分で極めて強力な近接場が形成されることとなる。
【００２６】
図２で示したクラスター群の各クラスターにおけるプラズモン伝播の様子を図４に示す。図中の矢印がプラズモン伝播方向を示す。クラスターＡ２では、中央部分が最も面積が大きいので、この領域から先鋭な部位、すなわちクラスターＡ２の角に相当する部位に向けてプラズモンが伝播する。他のクラスターでも同様に、面積が大きい領域から先鋭な部位に向かってプラズモンが伝播する。図５は、図４のようにプラズモンが伝播した場合に、発生する近接場を示す。近接場は、図の網掛線で表わされている領域である。このように、プラズモン伝播方向の先端部に近接場が生じる。
【００２７】
図６は、粒径の異なる微粒子２を用い、粒径の異なる金属付着微粒子１０によるクラスター形成の状態を示す図である。異なる粒径の微粒子２を基板１に不規則に吸着させた後、帽子状の金属層３をスパッタ又は真空蒸着により形成する。
【００２８】
図６のように、クラスターＢ１は、粒径が異なるものが含まれる３個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ２は、粒径が異なるものが含まれる８個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ３は、粒径が異なるものが含まれる３個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ４は、粒径が同じの２個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ５は、粒径が異なるものが含まれる３個の金属付着微粒子１０により形成される。クラスターＢ６は、粒径が異なるものが含まれる５個の金属付着微粒子１０により形成される。
【００２９】
プラズモン共鳴周波数は、金属層３のサイズ、形状、元素に依存するが、図６は、金属層３の大きさ（サイズ）を変えた金属付着微粒子１０が共存する例を示している。図６のように、様々な粒径の金属付着微粒子１０が集合することにより、１つのクラスターに異なるプラズモン共鳴周波数が存在するようになるため、クラスターの共鳴周波数は一定の幅を持つことになる。
【００３０】
近接場強度をさらに増強するためには、サイズが異なる金属付着微粒子１０を２層目以上に形成することが望ましい。１層目の形成方法と同じ方法を用いて２層目を形成するが、２層目の形成には、１層目に用いた金属付着微粒子１０とは粒径が大きく異なる金属付着微粒子１０を用いることが望ましい。
【００３１】
図７は、１層目の金属付着微粒子１０の粒径を異なるようにし、さらに２層目でも金属付着微粒子１０の粒径を異なるように形成した例である。クラスターＣ１では、１層目は同じ粒径の微粒子２に金属層３が被覆されることにより、同じ粒径の金属付着微粒子が形成される。しかし、２層目では１層目とは異なる粒径の微粒子３２に金属層３３が被覆されることにより、金属付着微粒子が形成される。このように、１層目と２層目で金属付着微粒子の粒径が異なる。
【００３２】
また、クラスターＣ２の１層目は、微粒子２上に金属層３が形成された金属付着微粒子、微粒子２２上に金属層２３が形成された金属付着微粒子、微粒子３２上に金属層３３が形成された金属付着微粒子により構成されている。微粒子２、２２、３２は、いずれも粒径が異なるため、粒径が異なる３種類の金属付着微粒子が形成される。一方、クラスターＣ２の２層目は、微粒子２２上に金属層２３が形成された金属付着微粒子、微粒子３２上に金属層３３が形成された金属付着微粒子等で構成されている。微粒子２２、３２は粒径が異なるため、粒径が異なる金属付着微粒子が形成される。
【００３３】
この場合に、プラズモンは、面積の大きな部分から先鋭な部位に伝播するので、図の矢印のように、粒径の大きな金属付着微粒子１０から粒径の小さな金属付着微粒子１０に伝播することになる。このように、１層目の領域内におけるプラズモン伝播及び２層目の領域内におけるプラズモン伝播に加えて、１層目から２層目あるいは２層目から１層目の方向にプラズモンの伝播が発生するので、近接場強度がさらに強くなる。
【００３４】
図８は、単層ではなく、多層化された金属クラスターを走査型電子顕微鏡で撮影した画像を示す。図９は、異なる粒径の金属付着微粒子から構成される金属クラスターを走査型電子顕微鏡で撮影した画像データを示す。
【００３５】
次に、本発明の表面増強分光用基板の増強効果を図１０、図１１に示す。図１０（ａ）は、基板１上に金薄膜４を２０ｎｍの厚さに形成し、この金薄膜４上に微粒子２として粒径１００ｎｍのシリカ粒子を吸着させてクラスター化し、シリカ粒子上に帽子状の銀からなる厚さ８０ｎｍの金属層３を形成してラマン分光用基板を作製した。
【００３６】
図１０（ｂ）は、基板１上に金薄膜４を２０ｎｍの厚さに形成し、この金薄膜４上に微粒子２として粒径１００ｎｍのシリカ粒子を吸着させてクラスター化し、シリカ粒子上には金属層３を形成しなかった。このように、ラマン分光用基板を作製した。
【００３７】
図１０（ｃ）は、基板１上に金薄膜を形成せずに、基板１上に粒径１００ｎｍのシリカ粒子の微粒子２を吸着させてクラスター化し、シリカ粒子上に帽子状の銀からなる厚さ８０ｎｍの金属層３を形成してラマン分光用基板を作製した。
【００３８】
図１０（ｄ）は、基板１上に厚さ８０ｎｍの銀薄膜５のみを形成して表面増強分光用基板を作製した。図１０（ｅ）は、基板１上に厚さ２０ｎｍの金薄膜５のみを形成してラマン分光用基板を作製した。
【００３９】
上記図１０（ａ）〜１０（ｅ）までのラマン分光用基板を用いてラマン分光の測定を行った。図１０（ａ）〜１０（ｅ）までのラマン分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させたものを試料として用いた。このローダミン６Ｇは、蛍光色素の１種である。ラマン散乱の励起光として発振波長５１４．５ｎｍのレーザを用い、光強度は４００μＷに設定した。ラマン散乱光は、レーザラマン分光装置により測定した。
【００４０】
上記測定結果を、図１１に示す。縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。図１１のグラフのうち、曲線Ａが１０（ａ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｂが１０（ｂ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｃが１０（ｃ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｄが１０（ｄ）のラマン分光用基板による測定結果を、曲線Ｅが１０（ｅ）のラマン分光用基板による測定結果を示す。なお、曲線Ｄと曲線Ｅとは一致している。これらの曲線からわかるように、強い増強が見られたバンドが現われているのは、曲線Ａと曲線Ｃである。他の曲線については、増強を示すバンドは現われていない。図１１の測定結果から、１０（ａ）のラマン分光用基板と１０（ｃ）のラマン分光用基板においてのみ増強効果が見られることがわかる。
【００４１】
１０（ｃ）のラマン分光用基板は、図１の本発明の表面増強分光用基板と基本的に同一の構成であり、また、１０（ａ）のラマン分光用基板は、金薄膜４が存在することを除けば、図１の構成と基本的に同一であるので、これにより、本発明の表面増強分光用基板の増強効果が示された。
【００４２】
次に、金属付着微粒子１０の基板１に対する吸着密度により、増強効果がどのように変わるのかを測定した。この測定には、図１、２のようにクラスター化された表面増強分光用基板を用いた。ここで、微粒子２には粒径１００ｎｍのシリカ粒子を用い、金属層３は膜厚１４０ｎｍの銀を蒸着することにより構成した。一方、基板１への微粒子２の吸着については、シリカ粒子懸濁液の塩濃度を適宜調整すること等により、吸着密度を５つのパターンに形成した。
【００４３】
このように、微粒子２をクラスター化し、クラスターの分散度を変えることにより、金属付着微粒子１０の吸着密度が変えられた表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は４００μＷとした。
【００４４】
図１２に、金属付着微粒子１０の吸着密度が異なる５つのパターンを示す。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）は、走査型電子顕微鏡による撮像画像を示す。白っぽく見えるのが、金属付着微粒子１０を示すが、図１２（ａ）が最も吸着密度が低く、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）、図１２（ｅ）の順に吸着密度が高くなっている。
【００４５】
次に、これらの吸着密度が異なる表面増強分光用基板を用いてラマン分光測定による結果を図１３に示す。縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。ラマンスペクトルのうち、曲線Ｘが図１２（ａ）の吸着密度の場合を、曲線Ｙが図１２（ｂ）の吸着密度の場合を、曲線Ｚが図１２（ｃ）の吸着密度の場合を、曲線Ｕが図１２（ｄ）の吸着密度の場合を、曲線Ｖが図１２（ｅ）の吸着密度の場合を示す。全体の信号強度を見ると、曲線Ｖが最も低く、曲線Ｕ、曲線Ｚ、曲線Ｙ、曲線Ｘの順に信号強度が高くなっている。したがって、粒子の吸着密度が低い方、すなわち金属付着微粒子がクラスター化されて分散している方が表面増強効果が高くなることがわかる。
【００４６】
次に、図１の構成の表面増強分析基板を用いて金属付着微粒子の質が均一に形成されているかの確認を行った。ここで、微粒子２には粒径１５０ｎｍのシリカ粒子を用い、金属層３は膜厚２０ｎｍの銀を蒸着することにより構成した。表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は４００μＷとした。そして、基板１上の異なる領域からのラマンスペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。
【００４７】
図１４には、基板１上の３つの領域からのラマンスペクトルが表示されている。縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。Ｄ１〜Ｄ３の曲線がそれぞれ基板１上の異なる領域からのラマン分光測定結果である。Ｄ１〜Ｄ３の曲線のピークの高さは、ほぼ同じであることがわかり、このことから金属付着微粒子の質は均一であると考えられる。
【００４８】
次に、粒径の異なる金属付着微粒子を混合して作製した表面増強分光用基板を用いてラマン分光測定を行った結果を図１６に示す。図１６の縦軸は信号強度を、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。このラマン分光測定には、図１５に示す２種類の粒径の金属付着微粒子を用いた。微粒子２Ａ上に帽子状の金属層３Ａが形成された金属付着微粒子１０Ａと、微粒子２Ｂ上に帽子状の金属層３Ｂが形成された金属付着微粒子１０Ｂである。微粒子２Ａ、２Ｂにはシリカ粒子を、金属層３Ａ、３Ｂには銀を用いた。図に示されるように、微粒子２Ａの粒径は１００ｎｍとし、微粒子２Ｂの粒径を５０ｎｍとした。これら２種類の粒径による金属付着微粒子が混合され、かつ、図６のようにクラスター化された表面増強分光用基板を上記ラマン分光測定に用いた。
【００４９】
金属付着微粒子１０Ａ、１０Ｂが混合して形成された表面増強分光用基板は、上記の異なる粒径の微粒子２Ａと微粒子２Ｂを混合した微粒子混合懸濁液を作製し、この微粒子混合懸濁液を基板１に吸着させてクラスター化し、微粒子２Ａ上には金属層３Ａを、微粒子２Ｂ上には金属層３Ｂを形成して作製した。微粒子混合懸濁液は、微粒子２Ａと微粒子２Ｂの混合比率を変化させて４種類作製し、これらの微粒子混合懸濁液に基づき、それぞれ表面増強分光用基板を作製した。微粒子２Ａの懸濁液と微粒子２Ｂの懸濁液の混合比率が５０：５０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ１、混合比率が７０：３０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ２、混合比率が９０：１０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ３、混合比率が１００：０の微粒子混合懸濁液による表面増強分光用基板をＥ４として作製した。上記のように、粒径１００ｎｍの微粒子２Ａの混合割合を最初は５０％とし、次に順に混合割合を増加させ、最後は微粒子２Ａのみ、すなわち金属付着微粒子１０Ａのみとした。
【００５０】
Ｅ１〜Ｅ４の４種類の各表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は５０μＷとした。図１６のラマンスペクトルＥ１〜Ｅ４は、上記各表面増強分光用基板Ｅ１〜Ｅ４に対応している。図１６を見ると、ピークの高さは、２種類の粒径の金属付着微粒子の混合比率が近くなる程、高くなっており、５０：５０の混合比率のときに最も高くなっていることがわかる。
【００５１】
一方、金属付着微粒の粒径とラマン散乱光強度の関係を図１７に示す。まず、図１、２に示されるような、金属付着微粒子１０の粒径が同じものをクラスター化した表面増強分光用基板を作製した。金属付着微粒子１０の粒径を１００ｎｍにしてクラスター化した表面増強分光用基板をＦ１、金属付着微粒子１０の粒径を１５０ｎｍにしてクラスター化した表面増強分光用基板をＦ２、金属付着微粒子１０の粒径を５０ｎｍにしてクラスター化した表面増強分光用基板をＦ３として作製した。Ｆ１〜Ｆ３のすべてにおいて、微粒子２には、シリカ粒子を、金属層３には銀を用いた。
【００５２】
Ｆ１〜Ｆ３の３種類の各表面増強分光用基板上に、濃度１０ｍＭのローダミン６Ｇエタノール溶液を滴下し、乾燥させた。この試料によりラマン分光スペクトルをレーザラマン分光装置で測定した。励起光には、発振波長５１４．５ｎｍのレーザ光を用い、光強度は５００μＷとした。
【００５３】
図１７のラマンスペクトルに示されるように、粒径１００ｎｍの金属付着微粒子を用いたＦ１と粒径１５０ｎｍの金属付着微粒子を用いたＦ２では信号強度は近くなっている。しかし、Ｆ１は、粒径５０ｎｍの金属付着微粒子を用いたＦ３より、全体に信号強度が高くなっている。このように、粒径の大きな金属付着微粒子を用いた表面増強分光用基板の方が信号強度が高くなる。他方、図１６からわかるように、粒径１００ｎｍのみの金属付着微粒子で表面増強分光用基板を作製するのではなく、他の異なる粒径の金属付着微粒子と混合して表面増強分光用基板を作製した方が、ラマン信号強度がさらに増強されることがわかる。
【００５４】
以上のように、本発明の表面増強分光用基板では、従来のナノリソグラフィー法による分光用基板と比較して、金属付着微粒子が細密充填されている必要がなく、また金属付着微粒子は単分散性である必要がない。また、細密充填構造でなく、金属付着微粒子がクラスター化されて分散されている方が増強効果が高いことがわかった。このため、金属付着微粒子をクラスター化し、各クラスターが不規則に散在するように構成している。本発明の表面増強分光用基板は、粒径に幅をもたせた金属付着微粒子をランダムに基板上に吸着させることで、簡単に上記の構造を実現できるものである。さらに、異なる粒径の金属付着微粒子層を複数積み上げることによっても、上記の構造を実現することができる。ランダムに金属付着微粒子を基板に吸着させるのは容易であり、大面積の基板を高い歩留まりで作製するのに有利である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の表面増強分光用基板は、ラマン分光法、赤外分光法等の分光分析方法に幅広く適用することができ、例えば、臨床検査、環境モニタリング、品質管理等の分野に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基板
２ 微粒子
３ 金属層
２２ 微粒子
２３ 金属層
３２ 微粒子
３３ 金属層
１０ 金属付着微粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属が付着した金属付着微粒子が基板上に形成された表面増強効果を有する表面増強分光用基板であって、
前記基板上には、複数の前記金属付着微粒子が集合して該金属付着微粒子の金属が相互に接触しているクラスターが間隔を置いて複数形成され、前記各クラスターは前記基板と電気的に分離されていることを特徴とする表面増強分光用基板。
【請求項２】
前記各クラスターには、異なる粒径の金属付着微粒子が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の表面増強分光用基板。
【請求項３】
前記各クラスターには、前記金属付着微粒子の集合が多層構造を有するクラスターが含まれていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面増強分光用基板。
【請求項４】
前記金属付着微粒子の金属は、金、銀、白金、アルミ、これらの合金又は混合体のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の表面増強分光用基板。
【請求項５】
前記金属付着微粒子の金属は、ポリマー又はシリカ粒子の表面上に帽子状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面増強分光用基板。
【請求項６】
前記基板上には、大きさが異なる前記クラスターが不規則に散在していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面増強分光用基板。
【請求項１】
金属が付着した金属付着微粒子が基板上に形成された表面増強効果を有する表面増強分光用基板であって、
前記基板上には、複数の前記金属付着微粒子が集合して該金属付着微粒子の金属が相互に接触しているクラスターが間隔を置いて複数形成され、前記各クラスターは前記基板と電気的に分離されていることを特徴とする表面増強分光用基板。
【請求項２】
前記各クラスターには、異なる粒径の金属付着微粒子が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の表面増強分光用基板。
【請求項３】
前記各クラスターには、前記金属付着微粒子の集合が多層構造を有するクラスターが含まれていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面増強分光用基板。
【請求項４】
前記金属付着微粒子の金属は、金、銀、白金、アルミ、これらの合金又は混合体のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の表面増強分光用基板。
【請求項５】
前記金属付着微粒子の金属は、ポリマー又はシリカ粒子の表面上に帽子状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面増強分光用基板。
【請求項６】
前記基板上には、大きさが異なる前記クラスターが不規則に散在していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面増強分光用基板。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−８８２２２（Ｐ２０１２−８８２２２Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３６２７８（Ｐ２０１０−２３６２７８）
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（５０１０６１３１９）学校法人 東洋大学 (68)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（５０１０６１３１９）学校法人 東洋大学 (68)
【Ｆターム（参考）】
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