金属ナノ微粒子表面の有機分子の解析方法
【課題】金属ナノ微粒子表面の自己組織化有機分子単層膜の解析方法を提供する。
【解決手段】自己組織化有機分子単層膜を表面に有する基板に金ナノ微粒子などの金属ナノ微粒子を分散配置させ、この金属ナノ微粒子上に自己組織化有機分子単層膜を形成し、これをレーザー光を照射して有機分子を金化合物としてイオン化し、イオン化した有機分子金化合物を飛行時間型質量分析することにより金属ナノ微粒子表面に結合した有機分子の解析を行う。
【解決手段】自己組織化有機分子単層膜を表面に有する基板に金ナノ微粒子などの金属ナノ微粒子を分散配置させ、この金属ナノ微粒子上に自己組織化有機分子単層膜を形成し、これをレーザー光を照射して有機分子を金化合物としてイオン化し、イオン化した有機分子金化合物を飛行時間型質量分析することにより金属ナノ微粒子表面に結合した有機分子の解析を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー脱離イオン化法を用いる、飛行時間型質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ）による金属ナノ微粒子表面の自己組織化有機分子の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の金属表面における有機分子の自己組織化の研究は、従来から広く行われている（例えば、非特許文献１参照）。形成された有機分子単層膜は、金属表面の酸化・腐食からの保護や、特に金属ナノ微粒子であれば、光学応答性の制御や凝集保護のために利用することができる。この金属表面における自己組織化のために用いられる有機化合物としては、アルコール類、アミン類、カルボン酸類、チオールなどの硫黄含有化合物、リン含有化合物、アジド基、エチレン基、アセチレン基などの不飽和基含有化合物、ケイ素含有化合物など種々の化合物が知られている。一方、基材金属としては、平板状あるいは微粒子状の金属、例えば金、銀、銅、パラジウム、白金、水銀、鉄、ケイ素、カドミウム、亜鉛、チタン、ニッケル、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、テルル、セレンやそれらの合金、酸化物、硫化物など種々の金属、金属酸化物、硫化物などが利用可能である。これらの中、金ナノ微粒子などの金属ナノ微粒子を用いての有機分子の自己組織化の研究は、世界的に研究が集中し、急激に発展する方向にあり、有機化合物としては、アルカンチオールを用いての研究が活発に行われている。従来、これら微粒子表面上の分子集合体の確認方法は、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡では困難であることから、解析方法がなかったのが現状である。
【０００３】
一方、質量分析法は、分析化学において利用されるだけではなく、医学、生物学、生化学など多岐の分野において利用されており、その中でもレーザー脱離−質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＤＩ−ＭＳ）は、主に金属や半導体などの表面分析に用いられてきた。レーザーを用いているため、レンズを用いて容易に集光することが可能であり、微小領域の分析が可能である。また、試料を容易にイオン化することが可能であり、広範囲の試料種に対応することが可能である。特に、マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析法（Ｍａｔｒｉｘ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＭＡＬＤＩ−ＭＳ）は、照射するレーザーエネルギーを試料分子に効率的に与えることができることから、非常に有用な方法として利用されている。しかし、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ法はマトリックス分子を大過剰に添加する方法であり、上記金属ナノ微粒子を使った自己組織化膜における有機分子の解析にこの方法を利用することはできない。
【０００４】
マトリックス分子ではなくイオン化基板表面を用いて効率的なエネルギー供給を目指した表面支援ＬＤＩ−ＭＳ法（ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法）も開発され、様々なイオン化基板が提案されている。
【０００５】
例えば、表面プラズモン共鳴法を質量分析に利用したものがある（下記特許文献１参照）。この文献に記載された発明においては、金属基板に裏側から全反射条件を満たしつつ表面プラズモンを励起し、表面に吸着した分析物などの影響により変化する反射光強度をモニタリングするものである。その強度変化と励起光の入射角度との間に一定の相関関係を得ることができる。この場合、用いる基板は平滑な基板を用いる必要がある。その理由は、平滑でない基板を用いると角度依存性が得られないからである。このため金属ナノ微粒子を使った有機分子の自己組織化における、金属ナノ微粒子表面の単層膜の解析にこの方法を適用することはできない。
【０００６】
一方、本願発明者は、表面プラズモン励起による金ナノ微粒子表面を用いたＳＡＬＤＩ−ＭＳ法（ＳＰ−ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法）を開発した（特許文献２及び３参照）。このＳＰ−ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法は、シリコン基板などの平滑基板上に金ナノ微粒子を分散あるいは２次元最密充填固着させ、金の表面に励起される表面プラズモン励起を利用するものである。この方法は、金属ナノ微粒子表面に分析対象となる有機分子を堆積させ、励起された表面プラズモン励起のエネルギーにより金属ナノ微粒子上の有機分子のイオン化を行うもので、金属ナノ微粒子と反応している有機分子を対象とするものではないし、単分子膜を対象とするものでもない。また、ｎ−アルカンなどは、この方法で容易にイオン化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平１１−５１２５１８号公報
【特許文献２】特開２００８−７０１８７号公報
【特許文献３】特開２００９−８１０５５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Chem. Rev. 2005, Vol.105, No.4, pp.1103-1169
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来解析できなかった、上記した金属ナノ微粒子表面の自己組織化有機分子単層膜の解析方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
本発明者らは、鋭意研究、検討を行ったところ、レーザー脱離イオン化法を用いる飛行時間型質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ）を用いることにより、金属と反応して金属ナノ微粒子表面において単分子層を形成している有機分子の質量分析を正確に且つ感度良く行うことができ、金属微粒子上に自己組織化した有機分子解析を簡単に行うことができることを見出して、本発明を成したものである。ＳＰ−ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法は、金属ナノ微粒子と結合している自己組織化単分子層に適用すると、金属に結合した分子の開裂が起こることが予測されることからすると、上記方法により、金属ナノ微粒子表面と結合した分子の解析が行えることは、驚くべきことである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（６）に記載の金属ナノ微粒子表面の有機分子の解析法に関する。
【００１２】
（１）自己組織化有機分子単分子層を表面に有する金属ナノ微粒子が分散配置された基板にレーザー光を照射することにより、有機分子を金化合物としてイオン化し、質量分析することを特徴とするレーザー脱離イオン化質量分析法を用いる金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１３】
（２）上記金属が金であることを特徴とする上記（１）に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１４】
（３）金属ナノ微粒子の粒径が３ｎｍ以上であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１５】
（４）上記金属ナノ微粒子の配置が、ランダム分散配置または２次元最密充填配置であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１６】
（５）上記有機分子が、チオール基、アセチル保護チオール基、あるいはジスルフィド結合等の金属表面と結合可能な置換基を有する化合物であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１７】
（６）上記質量分析が、飛行時間型質量分析法により行われることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、自己組織化により金属ナノ微粒子表面に結合された有機分子の質量分析を行うことができるようになったことから、従来行うことのできなかった金属ナノ微粒子表面に結合した有機分子の解析を行うことができるようになった。
【００１９】
また、質量分析も従来知られた飛行時間型質量分析装置を用いて正確且つ簡単に行うことができ、自己組織化有機分子膜の解析が容易に行えることから、有機分子の選択により抗原抗体反応分析などにおける利用が可能である。さらには、表面修飾分子の末端（金属と結合していない方）を適当な官能基に置換することで、例えば、インフルエンザウイルスのレセプターとして知られるシアル酸などを捕捉して、質量分析することも本発明によって可能であると考えられる。通常では、測定困難な物質を化学修飾（例えば、分子の一部をチオール基にするなど）することで測定可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】金ナノ微粒子が基板上に分散配置した状態とレーザー照射視野との関係を示す模式的平面図である。
【図２】金ナノ微粒子が基板上に２次元最密充填されている状態とレーザー照射視野との関係を示す模式的平面図である。
【図３】シリコン基板上に金ナノ微粒子が均一に配置されている状況を示す図２の模式的断面図である。
【図４】図面代用写真であり、金ナノ微粒子が基板上に最密充填されている状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】質量分析装置の概念図である。
【図６】チオール化合物で修飾された金ナノ微粒子にレーザー照射を行い、イオン化した状態を示す模式図である。
【図７】平均粒径２０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−ヘキサデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図８】平均粒径６０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−ヘキサデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図９】平均粒径１００ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−ヘキサデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図１０】平均粒径６０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−オクタデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図１１】平均粒径６０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１１−メルカプト−１−ウンデカノールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【発明を実施するための態様】
【００２１】
本発明は、上記するように、自己組織化有機分子単分子層を表面に有する金属ナノ微粒子が分散配置された基板にレーザー光を照射して、有機分子を金化合物としてイオン化し、質量分析することを特徴とするレーザー脱離イオン化質量分析法を用いる金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法に関する。以下、本発明の解析方法を、まずその上に金属ナノ微粒子が分散配置された基板およびその形成方法から説明する。
【００２２】
（金属ナノ微粒子を分散配置する基板）
本発明においては、金属ナノ微粒子を分散配置した基板が作製され、この基板上に配置された金属ナノ微粒子表面に、自己組織化単分子膜が形成される。まず、下地の基材としては、金属ナノ微粒子をその上に分散配置することができ、レーザー脱離イオン化質量分析法の際に試料のイオン化を阻害しないものであればいずれのものが用いられてもよい。好ましい下地の基材としては、例えば平滑なシリコン基板が挙げられる。大きさは、任意でよいが、市販の飛行時間型質量分析装置を利用することから、この試料台に取り付けられる程度の大きさ、例えば５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍ程度のものが挙げられる。
【００２３】
金属ナノ微粒子の粒径は、特に限定されるものではないが、本発明においてはレーザー離脱イオン化質量分析法（ＬＤＩ−ＭＳ）により解析が行われることから、レーザー照射により表面プラズモンを励起する粒径であることが好ましく、金属によってその好ましい粒径は異なるものの、一般に粒径が数ｎｍ以上、例えば３ｎｍ〜３００ｎｍ程度のものが好ましい。金属ナノ微粒子は単一粒径であるものが好ましいが、これは、粒径が異なると表面プラズモン励起エネルギーに差が出ることによる分析精度の問題、後述するように、金属ナノ微粒子は、基板上に２次元最密充填することが好ましいことによる。金ナノ微粒子の場合を例示すると、例えば、２次元最密充填する場合、粒径が２０ｎｍ以上であるものが好ましい。
【００２４】
また、金属ナノ微粒子を構成する金属としては、従来自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）形成の基板あるいは金属ナノ微粒子の基材として用いられていたもので、微粒子とすることのできるものであればいずれのものも用いることができる。このようなＳＡＭ形成の基材として用いられている金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｕＡｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｓｉ、ＡｕＡｇ、ＡｕＣｕ、ＦｅＰｔ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなど広範な材料が知られており、このような金属からナノ粒子を形成することのできるものが使用される。そして、上記するように、本発明においてはＬＤＩ−ＭＳ法により解析が行われることから、レーザー照射により表面プラズモン励起が起こる金属が好ましいことをも勘案すると、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔなどが好ましい金属として挙げられる。
【００２５】
また、金属ナノ微粒子は、図１に示されるように、基板上にランダムに配置されていてもよい。しかし、図１に示されるように、金属ナノ微粒子が存在する場所と存在しない場所があると、共鳴的に高まった場所とそうでない場所が存在するため、質量分析測定において再現性を損なわせることとなる。また、基板としてシリコンなどを用いる場合、シリコンは熱伝導率が低いことから、レーザー照射により発生した熱が逃げにくく、これにより過剰なエネルギー供給となってしまう恐れもある。
【００２６】
このようなことから、金属ナノ微粒子は、図２、図３に模式的に示されるように、基板上に２次元最密充填されたものが好ましい。図２は６０ｎｍ金ナノ微粒子が２次元最密充填された状態を示す平面図であり、図３はその断面図である。最密充填されていると、図２に示すように、レーザー光で基板上のいずれの場所が照射された場合にも同じ結果が得られ、分析再現性が高くなるし、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔなどは熱伝導率が高いことから、発生した熱を速やかに隣接する他の粒子を通して逃がすことが可能となり、過剰の熱による弊害、例えば、測定分子の解裂、マススペクトル分解能の低下を防止することができる。
【００２７】
金属ナノ微粒子の２次元最密充填基板作製法としては、公知方法のいずれの方法が用いられてもよい。６０ｎｍの金ナノ微粒子による２次元最密充填基板作製法の一例を挙げると、６０ｎｍ金ナノ微粒子水溶液（ＢＢＩ社製、２．６×１０10個／ｍｌ）をサンプル管等の容器に入れ、水と相分離する有機溶媒（１）を加える。次に、水及び該有機溶媒のいずれにも混和する有機溶媒（２）を加える。その後、静置させると、水溶液と有機溶媒に相分離し、その界面に金ナノ微粒子により形成された薄膜が生成する。なお、使用する有機溶媒の組み合わせ例としては、有機溶媒（１）にシクロヘキサン、有機溶媒（２）にメタノールという組み合わせが望ましい。
【００２８】
この状態で、シリコン基板を管底に静かに沈め、上記水相及び有機相を静かに抜き取ることで、金ナノ微粒子薄膜がシリコン基板上に移し取られ、最密充填基板が作製される。図４に、この方法で作製された基板の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【００２９】
上記例では、金属として６０ｎｍの金ナノ微粒子による場合を示したが、表面プラズモン励起を誘起し得るどの粒子径の金属ナノ微粒子でも作製することが可能である。例えば、実施例に２０ｎｍおよび１００ｎｍの金ナノ微粒子を最密充填した基板が挙げられているが、これら粒径の金ナノ微粒子の場合も上記と同様の方法で最密充填基板を作製することができた。また金以外の例えば銀、銅、白金などでも、同様の方法で最密充填基板を作製することができる。
【００３０】
（測定試料の作製）
一方、前記金属ナノ微粒子表面には、測定試料である有機分子の自己組織化膜が形成される。試料膜である、この自己組織化膜に用いられる有機分子としては、金属ナノ微粒子に化学的に結合し、有機単分子膜を形成する（金属ナノ微粒子を修飾する）ものであればいずれのものでもよい。このような化合物の例は、例えば上記非特許文献１にも記載されているように、アルコール類、アミン類、カルボン酸類、チオールなどの硫黄含有化合物、リン含有化合物、アジド基、エチレン基、アセチレン基などの不飽和基含有化合物、ケイ素含有化合物など多数のものが知られている。チオールなどの硫黄含有化合物としては、チオール基、アセチル保護チオール基、あるいはジスルフィド結合を有する化合物が代表的なものとして挙げられる。「分子−金属」の組み合わせについてみると、例えば、チオール（ＳＨ）基を持つものであれば、金属としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｕＡｇ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕＡｇ、ＡｕＣｕ、ＦｅＰｔ、ＧａＡｓとの組み合わせが挙げられる。
【００３１】
チオール基を持つ化合物としては、ｎ−アルカンチオール類（例えば炭素数が４以上のｎ−アルカンチオール類）、芳香族チオール類などが挙げられる。これらのチオール化合物は置換基によって置換されていてもよい。置換基としては、アルキル基、置換されていてもよいフェニル基、水酸基、ニトロ基、アルキルカルボニル基、アルキルカルボニルオキシ基、アルキルオキシカルボニル基など任意の置換基であってよい。例えば、水酸基で置換されたアルカンチオール類を例示すると、例えば、ＨＳ（ＣＨ2）11ＯＨ、ＨＳ（ＣＨ2）21ＯＨなど末端炭素原子に水酸基が置換したものが代表的なものとして挙げられる。また、芳香族チオール類としては、下記に例示するようなものが代表的なものとして挙げられる。
【００３２】
【化１】
【００３３】
測定試料の作製は、具体的には、次のように行われる。金属ナノ微粒子を担持した基板の金属ナノ微粒子表面に修飾する分子を溶媒に適当な濃度で溶解する。次いで、金属ナノ微粒子を担持する基板をその溶液中に一定時間浸漬させた後、基板を取り出し、上記の溶媒で洗浄して、金ナノ微粒子に結合していない分子を洗い流す。こうして作製された表面修飾金属ナノ微粒子担持基板を乾燥し、測定試料が完成する。
【００３４】
上記の試料作製法において、基板を浸漬させる溶液中の表面修飾分子の濃度は特に限定されるものではないが、低濃度であることが好ましく、例えば、通常数ｍｍｏｌ／リットル程度とされる。浸漬時間は、使用される溶液の修飾分子濃度と関係し、濃度が高ければ浸漬時間は短くてよく、一方濃度が低ければ浸漬時間は長くする必要がある。このように浸漬時間は溶液濃度等種々の条件により変動することから一義的に定められるものではないが、通常１２時間〜２日程度とされる。また、浸漬中の温度は適宜の温度でよいが、２５℃以上であることが浸漬時間の短縮の観点から好ましい。溶媒も修飾分子を溶解できるものであればいずれのものであってもよい。例えば、修飾分子としてアルカンチオールが用いられる場合には、エタノール，メタノール，トルエン、テトラヒドロフラン、ヂメチルホルムアミド、アセトニトリル、シクロオクタン等が好ましいものとして挙げられ、コスト、取り扱いの点などから、エタノールが特に好ましい。
【００３５】
（解析）
上記で作製された分子修飾金属ナノ微粒子担持基板は、レーザー脱離イオン化法を用いる飛行時間型質量分析装置（ＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ）を用いて、修飾分子の質量分析が行われる。より具体的には、該試料は、例えば図５に示されるような測定装置（ＴＯＦ−ＭＳ）の試料台にセットされ、マススペクトルが測定される。励起光は、Ｎｄ／ＹＡＧレーザーおよびＮ２レーザーであり、測定装置の左下から斜めに照射され、プリズムで反射され、中央部の試料台を照射する。その後、試料台から反射された光をプリズムを通し外へ導く。金属ナノ微粒子の励起により、図６に模式的に示すように、修飾分子は金とともにイオン化される。イオン化した試料をパルス状に加速し、検出器に到達するまでの時間差が線形型飛行時間型質量分析計により測定される。これにより質量の測定がなされる。
【００３６】
励起光は、金属の表面プラズモン励起が起こる波長近傍の波長が好ましく用いられる。質量分析の際には、例えば、Ｎｄ／ＹＡＧレーザーによる２６６ｎｍ、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍ、Ｎ２レーザーによる３３７ｎｍなどが適宜選択される。金ナノ微粒子に対しては、金ナノ微粒子の吸収波長と金ナノ微粒子が基板上に２次元最密充填されていることを考慮すると、Ｎｄ／ＹＡＧレーザーの５３２ｎｍや１０６４ｎｍが好ましい。Ｎｄ／ＹＡＧレーザーの２６６ｎｍ、３５５ｎｍやＮ２レーザーの３３７ｎｍなどでも上記のレーザー波長よりレーザーフルエンスを高く設定すれば、測定を行うことはできる。同一レーザーフルエンスで２６６ｎｍ、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍで測定した場合、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍではピークが検出され、２６６ｎｍでは検出されない場合もある。測定条件は、従来知られたレーザー脱離イオン化法を用いる飛行時間型質量分析装置の測定条件の中から最適の条件を選択して行えばよい。また、レーザー強度（パワー）は弱いとイオンの離脱がないか弱く、強すぎると分子の分解が起こり、分析を行うことが難しい。レーザーパワー（レーザーフルエンス）は、投入レーザーパワーやレンズなどによる集光条件（照射面積のコントロール）によって変わることから、特に限定されるものではないが、本発明の実施例の金ナノ微粒子粒径、測定試料、測定装置などの場合においては、レンズを用いて焦点付近に集光する条件で、レーザーパワーを３.３μＪ、より好ましくは７．５μＪとすることにより、良好な結果が得られた。なお、レーザーパワーは、装置の検出系・光学系にも依存する。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
（２０ｎｍ金ナノ微粒子最密充填基板の作製）
平均粒径２０ｎｍの金ナノ微粒子水溶液（ＢＢＩ社製、２．６×１０10個／ｍｌ）１ｍｌを口径１５ｍｍ、高さ４５ｍｍのサンプル管に入れ、シクロヘキサン１ｍｌを加えた。次に、メタノール２ｍｌを加え、静置させると、水溶液と有機溶媒に相分離し、その界面に金ナノ微粒子により形成された薄膜が生成した。そこに、５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍのシリコン基板を入れ、管底に静かに沈め、上記水相及び有機相を管底から静かに抜き取った。これにより、図４と同様の最密充填基板が作製された。
【００３９】
（測定試料の作製）
１−ヘキサデカンチオール（Ｃ16Ｈ33ＳＨ）３２μｌをエタノール１００ｍｌに溶解して１ｍｍｏｌ／ｌエタノール溶液を作製した。この溶液に２０ｎｍ金ナノ微粒子が表面に配列されたシリコン基板を浸漬し、１２時間後に取り出し、エタノールで表面を十分に洗浄して余分なチオール分子を除去して、試料とした。
【００４０】
（質量分析）
上記で作製した試料を飛行時間型質量分析計の試料台にセットし、次の条件で測定を行った。結果（マススペクトル）を図７に示す。
【００４１】
＜測定条件＞
レーザー：Ｎｄ／ＹＡＧ ５３２ｎｍ／４Ｈｚ
加速電圧（二段加速型）：１段目；４．５ｋＶ、２段目；３．８ｋＶ
遅延時間：１．０μｓ
加速時間：３．０μｓ
その他の条件：
検出器：ＭＣＰ
ＭＣＰ電圧：１．９０ｋＶ
飛行距離：４５０ｍｍ
真空度：１×１０-4Ｐａ ｏｒｄｅｒ
【００４２】
レーザーパワーを７．５、３．３、１．０μＪとして測定したところ、図７に示されるように、レーザーパワー７．５μＪにおいて、ｍ／ｚ７１２に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、１１６６に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１６２１に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の明確なピークが得られた（式中、ＲはＣ16Ｈ33−を示す。）。このことから、チオールは、あまり解離することなく、チオールの金化合物としてイオン化され、高強度で検出されることが明らかとなった。
【００４３】
実施例２
金ナノ微粒子の粒径を６０ｎｍとすることを除き、実施例１と同様にしてヘキサデカンチオールで修飾された金ナノ微粒子の飛行時間型質量分析計による質量分析を行った。結果を図８に示す。
【００４４】
図８のマススペクトル図から、金ナノ微粒子の粒径が６０ｎｍである場合も、金ナノ微粒子の粒径が２０ｎｍである場合と同様に、レーザーパワー７．５μＪにおいて、ｍ／ｚ４８０、７１２、１１６６、１６２１に鋭く高いピークを示した。そして、金ナノ微粒子粒径６０ｎｍの場合、これらのピークの高さは、粒径２０ｎｍの場合と比べより高くなった。
【００４５】
実施例３
金ナノ微粒子の粒径を１００ｎｍとすることを除き、実施例１と同様にしてヘキサデカンチオールで修飾された金ナノ微粒子の飛行時間型質量分析を行った。結果を図９に示す。
【００４６】
図９から、金ナノ微粒子の粒径が１００ｎｍである場合も、金ナノ微粒子の粒径が２０ｎｍである場合と同様に、レーザーパワーを７．５μＪにおいて、ｍ／ｚ４８０、７１２、１１６６、１６２１に明確なピークを示した。
【００４７】
実施例４
アルカンチオールとして１−オクタデカンチオールを用いることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。結果を図１０に示す。図１０から明らかなように、ｍ／ｚ７６８に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、１２５１に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１７３３に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の明確なピークが出現した（ＲはＣ18Ｈ37−を示す。）。
なお、比較のため、図１０中に実施例２の結果を記載した。
【００４８】
実施例５
アルカンチオールとして１−ドデカンチオールを用いることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。ｍ／ｚ６００に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、９９８に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１３９６に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の鋭いピークが出現した。
【００４９】
実施例６
レーザー発振器としてＮ２レーザーを用い、レーザー波長を３３７ｎｍとすることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。図８と同様の結果が得られた。
【００５０】
実施例７
アルカンチオールとして１−ドデカンチオールを用いることを除き実施例６と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。実施例５と同様の結果が得られた。
【００５１】
実施例８
レーザー波長を２６６ｎｍとすることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。図８と同様の結果が得られた。
【００５２】
実施例９
レーザー波長を２６６ｎｍとすることを除き実施例５と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。実施例５と同様の結果が得られた。
【００５３】
実施例１０
レーザー波長を１０６４ｎｍとすることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。図８と同様の結果が得られた。
【００５４】
実施例１１
レーザー波長を１０６４ｎｍとすることを除き実施例５と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。実施例５と同様の結果が得られた。
【００５５】
実施例１２
アルカンチオールとして１１−メルカプト−１−ウンデカノール（ＨＳ（ＣＨ2）11ＯＨ）を用いることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った（レーザーパワーは１０ｍＪ／ｃｍ2）。結果を図１１に示す。図１１から明らかなように、ｍ／ｚ６０４に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、１００４に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１４０４に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の明確なピークが出現した（ＲはＨＯ−Ｃ11Ｈ22−を示す。）。このことから、置換アルカンチオールも、あまり解離することなく、チオールの金化合物としてイオン化され、高強度で検出されることが明らかになった。
【００５６】
上記各実施例から明らかなように、本発明の解析方法により、自己組織化有機分子単分子層を構成する有機分子の質量分析を簡単かつ正確に行うことができるようになり、従来行うことのできなかった金属ナノ微粒子表面に結合した有機分子の解析が可能となった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー脱離イオン化法を用いる、飛行時間型質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ）による金属ナノ微粒子表面の自己組織化有機分子の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の金属表面における有機分子の自己組織化の研究は、従来から広く行われている（例えば、非特許文献１参照）。形成された有機分子単層膜は、金属表面の酸化・腐食からの保護や、特に金属ナノ微粒子であれば、光学応答性の制御や凝集保護のために利用することができる。この金属表面における自己組織化のために用いられる有機化合物としては、アルコール類、アミン類、カルボン酸類、チオールなどの硫黄含有化合物、リン含有化合物、アジド基、エチレン基、アセチレン基などの不飽和基含有化合物、ケイ素含有化合物など種々の化合物が知られている。一方、基材金属としては、平板状あるいは微粒子状の金属、例えば金、銀、銅、パラジウム、白金、水銀、鉄、ケイ素、カドミウム、亜鉛、チタン、ニッケル、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、テルル、セレンやそれらの合金、酸化物、硫化物など種々の金属、金属酸化物、硫化物などが利用可能である。これらの中、金ナノ微粒子などの金属ナノ微粒子を用いての有機分子の自己組織化の研究は、世界的に研究が集中し、急激に発展する方向にあり、有機化合物としては、アルカンチオールを用いての研究が活発に行われている。従来、これら微粒子表面上の分子集合体の確認方法は、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡では困難であることから、解析方法がなかったのが現状である。
【０００３】
一方、質量分析法は、分析化学において利用されるだけではなく、医学、生物学、生化学など多岐の分野において利用されており、その中でもレーザー脱離−質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＤＩ−ＭＳ）は、主に金属や半導体などの表面分析に用いられてきた。レーザーを用いているため、レンズを用いて容易に集光することが可能であり、微小領域の分析が可能である。また、試料を容易にイオン化することが可能であり、広範囲の試料種に対応することが可能である。特に、マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析法（Ｍａｔｒｉｘ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＭＡＬＤＩ−ＭＳ）は、照射するレーザーエネルギーを試料分子に効率的に与えることができることから、非常に有用な方法として利用されている。しかし、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ法はマトリックス分子を大過剰に添加する方法であり、上記金属ナノ微粒子を使った自己組織化膜における有機分子の解析にこの方法を利用することはできない。
【０００４】
マトリックス分子ではなくイオン化基板表面を用いて効率的なエネルギー供給を目指した表面支援ＬＤＩ−ＭＳ法（ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法）も開発され、様々なイオン化基板が提案されている。
【０００５】
例えば、表面プラズモン共鳴法を質量分析に利用したものがある（下記特許文献１参照）。この文献に記載された発明においては、金属基板に裏側から全反射条件を満たしつつ表面プラズモンを励起し、表面に吸着した分析物などの影響により変化する反射光強度をモニタリングするものである。その強度変化と励起光の入射角度との間に一定の相関関係を得ることができる。この場合、用いる基板は平滑な基板を用いる必要がある。その理由は、平滑でない基板を用いると角度依存性が得られないからである。このため金属ナノ微粒子を使った有機分子の自己組織化における、金属ナノ微粒子表面の単層膜の解析にこの方法を適用することはできない。
【０００６】
一方、本願発明者は、表面プラズモン励起による金ナノ微粒子表面を用いたＳＡＬＤＩ−ＭＳ法（ＳＰ−ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法）を開発した（特許文献２及び３参照）。このＳＰ−ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法は、シリコン基板などの平滑基板上に金ナノ微粒子を分散あるいは２次元最密充填固着させ、金の表面に励起される表面プラズモン励起を利用するものである。この方法は、金属ナノ微粒子表面に分析対象となる有機分子を堆積させ、励起された表面プラズモン励起のエネルギーにより金属ナノ微粒子上の有機分子のイオン化を行うもので、金属ナノ微粒子と反応している有機分子を対象とするものではないし、単分子膜を対象とするものでもない。また、ｎ−アルカンなどは、この方法で容易にイオン化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平１１−５１２５１８号公報
【特許文献２】特開２００８−７０１８７号公報
【特許文献３】特開２００９−８１０５５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Chem. Rev. 2005, Vol.105, No.4, pp.1103-1169
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来解析できなかった、上記した金属ナノ微粒子表面の自己組織化有機分子単層膜の解析方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
本発明者らは、鋭意研究、検討を行ったところ、レーザー脱離イオン化法を用いる飛行時間型質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ）を用いることにより、金属と反応して金属ナノ微粒子表面において単分子層を形成している有機分子の質量分析を正確に且つ感度良く行うことができ、金属微粒子上に自己組織化した有機分子解析を簡単に行うことができることを見出して、本発明を成したものである。ＳＰ−ＳＡＬＤＩ−ＭＳ法は、金属ナノ微粒子と結合している自己組織化単分子層に適用すると、金属に結合した分子の開裂が起こることが予測されることからすると、上記方法により、金属ナノ微粒子表面と結合した分子の解析が行えることは、驚くべきことである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（６）に記載の金属ナノ微粒子表面の有機分子の解析法に関する。
【００１２】
（１）自己組織化有機分子単分子層を表面に有する金属ナノ微粒子が分散配置された基板にレーザー光を照射することにより、有機分子を金化合物としてイオン化し、質量分析することを特徴とするレーザー脱離イオン化質量分析法を用いる金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１３】
（２）上記金属が金であることを特徴とする上記（１）に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１４】
（３）金属ナノ微粒子の粒径が３ｎｍ以上であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１５】
（４）上記金属ナノ微粒子の配置が、ランダム分散配置または２次元最密充填配置であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１６】
（５）上記有機分子が、チオール基、アセチル保護チオール基、あるいはジスルフィド結合等の金属表面と結合可能な置換基を有する化合物であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【００１７】
（６）上記質量分析が、飛行時間型質量分析法により行われることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、自己組織化により金属ナノ微粒子表面に結合された有機分子の質量分析を行うことができるようになったことから、従来行うことのできなかった金属ナノ微粒子表面に結合した有機分子の解析を行うことができるようになった。
【００１９】
また、質量分析も従来知られた飛行時間型質量分析装置を用いて正確且つ簡単に行うことができ、自己組織化有機分子膜の解析が容易に行えることから、有機分子の選択により抗原抗体反応分析などにおける利用が可能である。さらには、表面修飾分子の末端（金属と結合していない方）を適当な官能基に置換することで、例えば、インフルエンザウイルスのレセプターとして知られるシアル酸などを捕捉して、質量分析することも本発明によって可能であると考えられる。通常では、測定困難な物質を化学修飾（例えば、分子の一部をチオール基にするなど）することで測定可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】金ナノ微粒子が基板上に分散配置した状態とレーザー照射視野との関係を示す模式的平面図である。
【図２】金ナノ微粒子が基板上に２次元最密充填されている状態とレーザー照射視野との関係を示す模式的平面図である。
【図３】シリコン基板上に金ナノ微粒子が均一に配置されている状況を示す図２の模式的断面図である。
【図４】図面代用写真であり、金ナノ微粒子が基板上に最密充填されている状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】質量分析装置の概念図である。
【図６】チオール化合物で修飾された金ナノ微粒子にレーザー照射を行い、イオン化した状態を示す模式図である。
【図７】平均粒径２０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−ヘキサデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図８】平均粒径６０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−ヘキサデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図９】平均粒径１００ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−ヘキサデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図１０】平均粒径６０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１−オクタデカンチオールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【図１１】平均粒径６０ｎｍの金ナノ微粒子修飾１１−メルカプト−１−ウンデカノールのＬＤＩ質量分析結果を示すマススペクトル図である。
【発明を実施するための態様】
【００２１】
本発明は、上記するように、自己組織化有機分子単分子層を表面に有する金属ナノ微粒子が分散配置された基板にレーザー光を照射して、有機分子を金化合物としてイオン化し、質量分析することを特徴とするレーザー脱離イオン化質量分析法を用いる金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法に関する。以下、本発明の解析方法を、まずその上に金属ナノ微粒子が分散配置された基板およびその形成方法から説明する。
【００２２】
（金属ナノ微粒子を分散配置する基板）
本発明においては、金属ナノ微粒子を分散配置した基板が作製され、この基板上に配置された金属ナノ微粒子表面に、自己組織化単分子膜が形成される。まず、下地の基材としては、金属ナノ微粒子をその上に分散配置することができ、レーザー脱離イオン化質量分析法の際に試料のイオン化を阻害しないものであればいずれのものが用いられてもよい。好ましい下地の基材としては、例えば平滑なシリコン基板が挙げられる。大きさは、任意でよいが、市販の飛行時間型質量分析装置を利用することから、この試料台に取り付けられる程度の大きさ、例えば５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍ程度のものが挙げられる。
【００２３】
金属ナノ微粒子の粒径は、特に限定されるものではないが、本発明においてはレーザー離脱イオン化質量分析法（ＬＤＩ−ＭＳ）により解析が行われることから、レーザー照射により表面プラズモンを励起する粒径であることが好ましく、金属によってその好ましい粒径は異なるものの、一般に粒径が数ｎｍ以上、例えば３ｎｍ〜３００ｎｍ程度のものが好ましい。金属ナノ微粒子は単一粒径であるものが好ましいが、これは、粒径が異なると表面プラズモン励起エネルギーに差が出ることによる分析精度の問題、後述するように、金属ナノ微粒子は、基板上に２次元最密充填することが好ましいことによる。金ナノ微粒子の場合を例示すると、例えば、２次元最密充填する場合、粒径が２０ｎｍ以上であるものが好ましい。
【００２４】
また、金属ナノ微粒子を構成する金属としては、従来自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）形成の基板あるいは金属ナノ微粒子の基材として用いられていたもので、微粒子とすることのできるものであればいずれのものも用いることができる。このようなＳＡＭ形成の基材として用いられている金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｕＡｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｓｉ、ＡｕＡｇ、ＡｕＣｕ、ＦｅＰｔ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなど広範な材料が知られており、このような金属からナノ粒子を形成することのできるものが使用される。そして、上記するように、本発明においてはＬＤＩ−ＭＳ法により解析が行われることから、レーザー照射により表面プラズモン励起が起こる金属が好ましいことをも勘案すると、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔなどが好ましい金属として挙げられる。
【００２５】
また、金属ナノ微粒子は、図１に示されるように、基板上にランダムに配置されていてもよい。しかし、図１に示されるように、金属ナノ微粒子が存在する場所と存在しない場所があると、共鳴的に高まった場所とそうでない場所が存在するため、質量分析測定において再現性を損なわせることとなる。また、基板としてシリコンなどを用いる場合、シリコンは熱伝導率が低いことから、レーザー照射により発生した熱が逃げにくく、これにより過剰なエネルギー供給となってしまう恐れもある。
【００２６】
このようなことから、金属ナノ微粒子は、図２、図３に模式的に示されるように、基板上に２次元最密充填されたものが好ましい。図２は６０ｎｍ金ナノ微粒子が２次元最密充填された状態を示す平面図であり、図３はその断面図である。最密充填されていると、図２に示すように、レーザー光で基板上のいずれの場所が照射された場合にも同じ結果が得られ、分析再現性が高くなるし、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔなどは熱伝導率が高いことから、発生した熱を速やかに隣接する他の粒子を通して逃がすことが可能となり、過剰の熱による弊害、例えば、測定分子の解裂、マススペクトル分解能の低下を防止することができる。
【００２７】
金属ナノ微粒子の２次元最密充填基板作製法としては、公知方法のいずれの方法が用いられてもよい。６０ｎｍの金ナノ微粒子による２次元最密充填基板作製法の一例を挙げると、６０ｎｍ金ナノ微粒子水溶液（ＢＢＩ社製、２．６×１０10個／ｍｌ）をサンプル管等の容器に入れ、水と相分離する有機溶媒（１）を加える。次に、水及び該有機溶媒のいずれにも混和する有機溶媒（２）を加える。その後、静置させると、水溶液と有機溶媒に相分離し、その界面に金ナノ微粒子により形成された薄膜が生成する。なお、使用する有機溶媒の組み合わせ例としては、有機溶媒（１）にシクロヘキサン、有機溶媒（２）にメタノールという組み合わせが望ましい。
【００２８】
この状態で、シリコン基板を管底に静かに沈め、上記水相及び有機相を静かに抜き取ることで、金ナノ微粒子薄膜がシリコン基板上に移し取られ、最密充填基板が作製される。図４に、この方法で作製された基板の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【００２９】
上記例では、金属として６０ｎｍの金ナノ微粒子による場合を示したが、表面プラズモン励起を誘起し得るどの粒子径の金属ナノ微粒子でも作製することが可能である。例えば、実施例に２０ｎｍおよび１００ｎｍの金ナノ微粒子を最密充填した基板が挙げられているが、これら粒径の金ナノ微粒子の場合も上記と同様の方法で最密充填基板を作製することができた。また金以外の例えば銀、銅、白金などでも、同様の方法で最密充填基板を作製することができる。
【００３０】
（測定試料の作製）
一方、前記金属ナノ微粒子表面には、測定試料である有機分子の自己組織化膜が形成される。試料膜である、この自己組織化膜に用いられる有機分子としては、金属ナノ微粒子に化学的に結合し、有機単分子膜を形成する（金属ナノ微粒子を修飾する）ものであればいずれのものでもよい。このような化合物の例は、例えば上記非特許文献１にも記載されているように、アルコール類、アミン類、カルボン酸類、チオールなどの硫黄含有化合物、リン含有化合物、アジド基、エチレン基、アセチレン基などの不飽和基含有化合物、ケイ素含有化合物など多数のものが知られている。チオールなどの硫黄含有化合物としては、チオール基、アセチル保護チオール基、あるいはジスルフィド結合を有する化合物が代表的なものとして挙げられる。「分子−金属」の組み合わせについてみると、例えば、チオール（ＳＨ）基を持つものであれば、金属としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｕＡｇ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕＡｇ、ＡｕＣｕ、ＦｅＰｔ、ＧａＡｓとの組み合わせが挙げられる。
【００３１】
チオール基を持つ化合物としては、ｎ−アルカンチオール類（例えば炭素数が４以上のｎ−アルカンチオール類）、芳香族チオール類などが挙げられる。これらのチオール化合物は置換基によって置換されていてもよい。置換基としては、アルキル基、置換されていてもよいフェニル基、水酸基、ニトロ基、アルキルカルボニル基、アルキルカルボニルオキシ基、アルキルオキシカルボニル基など任意の置換基であってよい。例えば、水酸基で置換されたアルカンチオール類を例示すると、例えば、ＨＳ（ＣＨ2）11ＯＨ、ＨＳ（ＣＨ2）21ＯＨなど末端炭素原子に水酸基が置換したものが代表的なものとして挙げられる。また、芳香族チオール類としては、下記に例示するようなものが代表的なものとして挙げられる。
【００３２】
【化１】
【００３３】
測定試料の作製は、具体的には、次のように行われる。金属ナノ微粒子を担持した基板の金属ナノ微粒子表面に修飾する分子を溶媒に適当な濃度で溶解する。次いで、金属ナノ微粒子を担持する基板をその溶液中に一定時間浸漬させた後、基板を取り出し、上記の溶媒で洗浄して、金ナノ微粒子に結合していない分子を洗い流す。こうして作製された表面修飾金属ナノ微粒子担持基板を乾燥し、測定試料が完成する。
【００３４】
上記の試料作製法において、基板を浸漬させる溶液中の表面修飾分子の濃度は特に限定されるものではないが、低濃度であることが好ましく、例えば、通常数ｍｍｏｌ／リットル程度とされる。浸漬時間は、使用される溶液の修飾分子濃度と関係し、濃度が高ければ浸漬時間は短くてよく、一方濃度が低ければ浸漬時間は長くする必要がある。このように浸漬時間は溶液濃度等種々の条件により変動することから一義的に定められるものではないが、通常１２時間〜２日程度とされる。また、浸漬中の温度は適宜の温度でよいが、２５℃以上であることが浸漬時間の短縮の観点から好ましい。溶媒も修飾分子を溶解できるものであればいずれのものであってもよい。例えば、修飾分子としてアルカンチオールが用いられる場合には、エタノール，メタノール，トルエン、テトラヒドロフラン、ヂメチルホルムアミド、アセトニトリル、シクロオクタン等が好ましいものとして挙げられ、コスト、取り扱いの点などから、エタノールが特に好ましい。
【００３５】
（解析）
上記で作製された分子修飾金属ナノ微粒子担持基板は、レーザー脱離イオン化法を用いる飛行時間型質量分析装置（ＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ）を用いて、修飾分子の質量分析が行われる。より具体的には、該試料は、例えば図５に示されるような測定装置（ＴＯＦ−ＭＳ）の試料台にセットされ、マススペクトルが測定される。励起光は、Ｎｄ／ＹＡＧレーザーおよびＮ２レーザーであり、測定装置の左下から斜めに照射され、プリズムで反射され、中央部の試料台を照射する。その後、試料台から反射された光をプリズムを通し外へ導く。金属ナノ微粒子の励起により、図６に模式的に示すように、修飾分子は金とともにイオン化される。イオン化した試料をパルス状に加速し、検出器に到達するまでの時間差が線形型飛行時間型質量分析計により測定される。これにより質量の測定がなされる。
【００３６】
励起光は、金属の表面プラズモン励起が起こる波長近傍の波長が好ましく用いられる。質量分析の際には、例えば、Ｎｄ／ＹＡＧレーザーによる２６６ｎｍ、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍ、Ｎ２レーザーによる３３７ｎｍなどが適宜選択される。金ナノ微粒子に対しては、金ナノ微粒子の吸収波長と金ナノ微粒子が基板上に２次元最密充填されていることを考慮すると、Ｎｄ／ＹＡＧレーザーの５３２ｎｍや１０６４ｎｍが好ましい。Ｎｄ／ＹＡＧレーザーの２６６ｎｍ、３５５ｎｍやＮ２レーザーの３３７ｎｍなどでも上記のレーザー波長よりレーザーフルエンスを高く設定すれば、測定を行うことはできる。同一レーザーフルエンスで２６６ｎｍ、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍで測定した場合、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍではピークが検出され、２６６ｎｍでは検出されない場合もある。測定条件は、従来知られたレーザー脱離イオン化法を用いる飛行時間型質量分析装置の測定条件の中から最適の条件を選択して行えばよい。また、レーザー強度（パワー）は弱いとイオンの離脱がないか弱く、強すぎると分子の分解が起こり、分析を行うことが難しい。レーザーパワー（レーザーフルエンス）は、投入レーザーパワーやレンズなどによる集光条件（照射面積のコントロール）によって変わることから、特に限定されるものではないが、本発明の実施例の金ナノ微粒子粒径、測定試料、測定装置などの場合においては、レンズを用いて焦点付近に集光する条件で、レーザーパワーを３.３μＪ、より好ましくは７．５μＪとすることにより、良好な結果が得られた。なお、レーザーパワーは、装置の検出系・光学系にも依存する。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
（２０ｎｍ金ナノ微粒子最密充填基板の作製）
平均粒径２０ｎｍの金ナノ微粒子水溶液（ＢＢＩ社製、２．６×１０10個／ｍｌ）１ｍｌを口径１５ｍｍ、高さ４５ｍｍのサンプル管に入れ、シクロヘキサン１ｍｌを加えた。次に、メタノール２ｍｌを加え、静置させると、水溶液と有機溶媒に相分離し、その界面に金ナノ微粒子により形成された薄膜が生成した。そこに、５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍのシリコン基板を入れ、管底に静かに沈め、上記水相及び有機相を管底から静かに抜き取った。これにより、図４と同様の最密充填基板が作製された。
【００３９】
（測定試料の作製）
１−ヘキサデカンチオール（Ｃ16Ｈ33ＳＨ）３２μｌをエタノール１００ｍｌに溶解して１ｍｍｏｌ／ｌエタノール溶液を作製した。この溶液に２０ｎｍ金ナノ微粒子が表面に配列されたシリコン基板を浸漬し、１２時間後に取り出し、エタノールで表面を十分に洗浄して余分なチオール分子を除去して、試料とした。
【００４０】
（質量分析）
上記で作製した試料を飛行時間型質量分析計の試料台にセットし、次の条件で測定を行った。結果（マススペクトル）を図７に示す。
【００４１】
＜測定条件＞
レーザー：Ｎｄ／ＹＡＧ ５３２ｎｍ／４Ｈｚ
加速電圧（二段加速型）：１段目；４．５ｋＶ、２段目；３．８ｋＶ
遅延時間：１．０μｓ
加速時間：３．０μｓ
その他の条件：
検出器：ＭＣＰ
ＭＣＰ電圧：１．９０ｋＶ
飛行距離：４５０ｍｍ
真空度：１×１０-4Ｐａ ｏｒｄｅｒ
【００４２】
レーザーパワーを７．５、３．３、１．０μＪとして測定したところ、図７に示されるように、レーザーパワー７．５μＪにおいて、ｍ／ｚ７１２に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、１１６６に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１６２１に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の明確なピークが得られた（式中、ＲはＣ16Ｈ33−を示す。）。このことから、チオールは、あまり解離することなく、チオールの金化合物としてイオン化され、高強度で検出されることが明らかとなった。
【００４３】
実施例２
金ナノ微粒子の粒径を６０ｎｍとすることを除き、実施例１と同様にしてヘキサデカンチオールで修飾された金ナノ微粒子の飛行時間型質量分析計による質量分析を行った。結果を図８に示す。
【００４４】
図８のマススペクトル図から、金ナノ微粒子の粒径が６０ｎｍである場合も、金ナノ微粒子の粒径が２０ｎｍである場合と同様に、レーザーパワー７．５μＪにおいて、ｍ／ｚ４８０、７１２、１１６６、１６２１に鋭く高いピークを示した。そして、金ナノ微粒子粒径６０ｎｍの場合、これらのピークの高さは、粒径２０ｎｍの場合と比べより高くなった。
【００４５】
実施例３
金ナノ微粒子の粒径を１００ｎｍとすることを除き、実施例１と同様にしてヘキサデカンチオールで修飾された金ナノ微粒子の飛行時間型質量分析を行った。結果を図９に示す。
【００４６】
図９から、金ナノ微粒子の粒径が１００ｎｍである場合も、金ナノ微粒子の粒径が２０ｎｍである場合と同様に、レーザーパワーを７．５μＪにおいて、ｍ／ｚ４８０、７１２、１１６６、１６２１に明確なピークを示した。
【００４７】
実施例４
アルカンチオールとして１−オクタデカンチオールを用いることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。結果を図１０に示す。図１０から明らかなように、ｍ／ｚ７６８に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、１２５１に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１７３３に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の明確なピークが出現した（ＲはＣ18Ｈ37−を示す。）。
なお、比較のため、図１０中に実施例２の結果を記載した。
【００４８】
実施例５
アルカンチオールとして１−ドデカンチオールを用いることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。ｍ／ｚ６００に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、９９８に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１３９６に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の鋭いピークが出現した。
【００４９】
実施例６
レーザー発振器としてＮ２レーザーを用い、レーザー波長を３３７ｎｍとすることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。図８と同様の結果が得られた。
【００５０】
実施例７
アルカンチオールとして１−ドデカンチオールを用いることを除き実施例６と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。実施例５と同様の結果が得られた。
【００５１】
実施例８
レーザー波長を２６６ｎｍとすることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。図８と同様の結果が得られた。
【００５２】
実施例９
レーザー波長を２６６ｎｍとすることを除き実施例５と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。実施例５と同様の結果が得られた。
【００５３】
実施例１０
レーザー波長を１０６４ｎｍとすることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。図８と同様の結果が得られた。
【００５４】
実施例１１
レーザー波長を１０６４ｎｍとすることを除き実施例５と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った。実施例５と同様の結果が得られた。
【００５５】
実施例１２
アルカンチオールとして１１−メルカプト−１−ウンデカノール（ＨＳ（ＣＨ2）11ＯＨ）を用いることを除き実施例２と同様にして飛行時間型質量分析計による試料の質量分析を行った（レーザーパワーは１０ｍＪ／ｃｍ2）。結果を図１１に示す。図１１から明らかなように、ｍ／ｚ６０４に[Ａｕ（Ｓ−Ｒ）2]-、１００４に[Ａｕ2（Ｓ−Ｒ）3]-、１４０４に[Ａｕ3（Ｓ−Ｒ）4]-の明確なピークが出現した（ＲはＨＯ−Ｃ11Ｈ22−を示す。）。このことから、置換アルカンチオールも、あまり解離することなく、チオールの金化合物としてイオン化され、高強度で検出されることが明らかになった。
【００５６】
上記各実施例から明らかなように、本発明の解析方法により、自己組織化有機分子単分子層を構成する有機分子の質量分析を簡単かつ正確に行うことができるようになり、従来行うことのできなかった金属ナノ微粒子表面に結合した有機分子の解析が可能となった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己組織化有機分子単分子層を表面に有する金属ナノ微粒子が分散配置された基板にレーザー光を照射することにより有機分子を金化合物としてイオン化し、質量分析することを特徴とするレーザー脱離イオン化質量分析法を用いる金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項２】
上記金属が金であることを特徴とする請求項１に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項３】
金属ナノ微粒子の粒径が３ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項４】
上記金属ナノ微粒子の配置が、ランダム分散配置または２次元最密充填配置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項５】
上記有機分子が、チオール基、アセチル保護チオール基、あるいはジスルフィド結合等の金属表面と結合可能な置換基を有する化合物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項６】
上記質量分析が、飛行時間型質量分析法により行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項１】
自己組織化有機分子単分子層を表面に有する金属ナノ微粒子が分散配置された基板にレーザー光を照射することにより有機分子を金化合物としてイオン化し、質量分析することを特徴とするレーザー脱離イオン化質量分析法を用いる金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項２】
上記金属が金であることを特徴とする請求項１に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項３】
金属ナノ微粒子の粒径が３ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項４】
上記金属ナノ微粒子の配置が、ランダム分散配置または２次元最密充填配置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項５】
上記有機分子が、チオール基、アセチル保護チオール基、あるいはジスルフィド結合等の金属表面と結合可能な置換基を有する化合物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【請求項６】
上記質量分析が、飛行時間型質量分析法により行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属ナノ微粒子表面結合分子の解析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−５８８２３（Ｐ２０１１−５８８２３Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５６１７（Ｐ２００９−２０５６１７）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【Ｆターム（参考）】
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