JP5343479B2 - Two-photon absorbing organic materials and their applications - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mixture which is easy to control: a resonance frequency of a surface plasmon utilizing interaction of a photoelectric field in the range from a visible wavelength to a near-infrared wavelength and the surface plasmon; and the distance between a metal and a material, and allows a plasmon enhancing effect to be effectively utilized and is excellent in uniformity of three-dimensional characteristics and environmental stability, and to provide a plasmonics device utilizing the mixture. <P>SOLUTION: There is provided (1) the mixture including: metal fine particles whose surfaces are coated with a polymer material whose surface is further coated with an inorganic oxide; and a two-photon absorption organic material. There is provided (2) the mixture described in (1), wherein the polymer material is water-soluble. Provided is (3) the mixture described in (1) or (2), wherein the polymer material is an electrolyte. Provided is (4) the mixture described in any of (1) to (3), wherein the metal fine particle is gold. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は金属微粒子に発生する表面プラズモン増強場を利用した二光子吸収有機材料の増感技術に関する。また、本発明は三次元光記録媒体、光造形装置、光制限装置、二光子励起蛍光検出装置などの用途に応用される。   The present invention relates to a sensitization technique for a two-photon absorption organic material using a surface plasmon enhancement field generated in metal fine particles. Further, the present invention is applied to uses such as a three-dimensional optical recording medium, an optical modeling apparatus, a light limiting apparatus, and a two-photon excitation fluorescence detection apparatus.

先ず、多光子吸収有機材料について説明する。
従来、多光子遷移を利用した技術について各種提案がなされているが、この多光子遷移とは、原子や分子などが2個以上の光子を同時に吸収又は放出する遷移であって、代表的な遷移に、多数の光子を同時に吸収する多光子吸収、多数の光子を同時に放出する多光子放出、1個の光子を吸収すると同時に他の1個を放出するラマン効果等がある。一般に、その振動数の1個の光子を吸収又は放出するエネルギー準位が存在しなくても起こる高次の摂動による遷移であって、レーザー光のような高い光子密度で観測され、一光子遷移とは選択則が異なっている。
特に、2個の光子が関与する二光子吸収現象は、三次の非線形光学効果と関係付けられており、従来においても種々の研究が行われている。
First, the multiphoton absorption organic material will be described.
Conventionally, various proposals have been made on technologies utilizing multiphoton transitions. This multiphoton transition is a transition in which atoms or molecules simultaneously absorb or emit two or more photons, and is a typical transition. In addition, there are multiphoton absorption that simultaneously absorbs a large number of photons, multiphoton emission that simultaneously emits a large number of photons, a Raman effect that absorbs one photon and simultaneously emits another one. Generally, it is a transition caused by higher-order perturbations that occur even when there is no energy level that absorbs or emits one photon at that frequency, and is observed at a high photon density such as laser light. And the selection rules are different.
In particular, the two-photon absorption phenomenon involving two photons is related to the third-order nonlinear optical effect, and various studies have been conducted in the past.

一方、有機材料は、通常、その遷移エネルギー(励起エネルギー)に等しい1個の光子を吸収することにより、一光子吸収の選択律によって許容された遷移状態(励起状態)を生じることが知られている。
しかし、レーザー光のような光子密度の高い光を照射すると、その励起エネルギーの半分のエネルギーに等しい2個の光子を同時に吸収して、遷移が起こることがある。
このような2個の光子を同時に吸収する現象は、
(1)入射光強度の二乗に比例して吸収が起きるため、光子密度の高い焦点付近にのみ遷移が起こる、
(2)1個の光子を吸収するエネルギーの半分のエネルギーをもつ光子で励起できるため、一光子吸収による光の減衰なしに入射光が物質の深奥部まで到達する、
といった、三次元的な高分解能、及び物質深奥部への高い透過性を有しているため、近年、高出力レーザーの技術進歩とともに、上記のような特性を活かした様々な応用技術が研究されている。
On the other hand, organic materials are generally known to absorb one photon equal to its transition energy (excitation energy) to produce a transition state (excited state) allowed by the one-photon absorption selection rule. Yes.
However, when light with a high photon density, such as laser light, is irradiated, two photons equal to half the energy of the excitation energy are simultaneously absorbed and a transition may occur.
The phenomenon of simultaneously absorbing these two photons is
(1) Since absorption occurs in proportion to the square of the incident light intensity, a transition occurs only near the focal point where the photon density is high.
(2) Since it can be excited by a photon having half the energy of absorbing one photon, the incident light reaches the deep part of the material without attenuation of light by one-photon absorption.
In recent years, various application technologies that take advantage of the above characteristics have been studied along with the technological progress of high-power lasers. ing.

例えば、上述したような三次元的な高分解能を利用し、平面上に記録層が形成され、当該平面に対して垂直方向に入射する光によって記録再生を行う光記録媒体において、これらを積層した三次元光記録媒体についての研究が行われている(例えば、特許文献1〜6参照)。これらは、光子密度の高い焦点付近にのみ二光子吸収によるスペクトル変化、屈折率変化又は偏光変化を起させ、データを記録することができるため、超解像記録が可能であるとされている。
また、光造形用途への応用についても技術提案がなされている(例えば、特許文献7〜11参照)。更には、このような二光子吸収現象を利用するセンサーや光制限などの用途、共焦点顕微鏡としての用途等も極めて重要視されている(例えば、特許文献12〜15参照)。
For example, using the three-dimensional high resolution as described above, a recording layer is formed on a plane, and these are stacked in an optical recording medium that performs recording and reproduction by light incident in a direction perpendicular to the plane. Studies on three-dimensional optical recording media have been conducted (for example, see Patent Documents 1 to 6). These are considered to be capable of super-resolution recording because data can be recorded by causing spectral change, refractive index change or polarization change due to two-photon absorption only in the vicinity of the focal point where the photon density is high.
In addition, technical proposals have also been made regarding application to stereolithography applications (see, for example, Patent Documents 7 to 11). Furthermore, the use of such a two-photon absorption phenomenon such as a sensor and light limitation, and the use as a confocal microscope are also regarded as extremely important (see, for example, Patent Documents 12 to 15).

次に、表面プラズモン増強技術について説明する。
プラズモンとは金属中で集団的に振動する自由電子のことである。金属表面においては、光を照射すると光の吸収が起こり、光が表面プラズモンに変換されるとともに局所的に著しく増強された電場が発生することが知られている。これは光エネルギーが表面プラズモンに変換されることで、金属表面というごく限られた空間に光エネルギーが蓄えられ、金属表面と光が相互作用する領域が局所的に集束されるためと考えられている。
金属微粒子(ここで「金属微粒子」とは、金属原子が互いに凝集し、ナノメートルサイズの大きさまで成長した粒子を意味する)においては、プラズモンが表面に局在化するため、特に局在(表面)プラズモンと呼ばれる。このプラズモンは、可視から近赤外波長領域の光電場とのカップリング効率に非常に優れているといった特徴がある。
このような光と表面プラズモンの相互作用は、例えば、金属表面上のラマンシグナルが10〜10倍も増強される表面増強ラマン散乱(SERS)や、蛍光材料の発光強度が10倍近く増強される現象等として知られており、また一方で、蛍光材料を金属に近接すると発光が消光(quenching)する現象としても知られている。
Next, the surface plasmon enhancement technique will be described.
Plasmons are free electrons that oscillate collectively in metals. On the metal surface, it is known that when light is irradiated, the light is absorbed, and the light is converted into surface plasmons and an electric field that is remarkably enhanced locally is generated. This is thought to be because light energy is converted into surface plasmons, so that light energy is stored in a very limited space called the metal surface, and the region where the metal surface interacts with light is locally focused. Yes.
In metal fine particles (herein, “metal fine particles” means particles in which metal atoms aggregate together and grow to a nanometer size), since plasmons are localized on the surface, localization (surface ) Called plasmon. This plasmon has a feature that it is very excellent in coupling efficiency with a photoelectric field in the visible to near-infrared wavelength region.
Such interaction between light and surface plasmon is, for example, surface enhanced Raman scattering (SERS) in which the Raman signal on the metal surface is enhanced by 10 3 to 10 8 times, and the emission intensity of the fluorescent material is nearly 10 2 times. On the other hand, it is also known as a phenomenon in which light emission is quenched when a fluorescent material is brought close to a metal.

そして近年、光化学技術分野においてはこのような現象を利用した応用技術が俄然注目されてきている。
例えば、一光子遷移過程でプラズモン増強技術を応用した例となる技術提案がなされている(例えば、特許文献16参照)。これは金属表面に発生する表面プラズモンを利用し、微量物質の光学特性評価を行うものである。この技術については、一般に表面プラズモンによる増強場は金属表面から約100nm以下の領域に限定されているため、測定試料は高屈折率媒体上に成膜された金属薄膜上に極薄い膜として固定され、従って、二次元的に拡がった増強場を利用した応用技術の一例となっている。
一方、このような増強場を三次元的に利用した例となる特許文献17においては、多孔性の三次元マトリクス内に金属粒子が配置され、蛍光材料の蛍光強度を増強する技術が開示されている。
In recent years, in the photochemical technology field, applied technology using such a phenomenon has been attracting attention.
For example, a technical proposal as an example in which a plasmon enhancement technique is applied in a one-photon transition process has been made (see, for example, Patent Document 16). In this method, surface plasmons generated on a metal surface are used to evaluate optical properties of a trace amount of material. In this technique, since the enhancement field due to surface plasmon is generally limited to a region of about 100 nm or less from the metal surface, the measurement sample is fixed as an extremely thin film on a metal thin film formed on a high refractive index medium. Therefore, it is an example of an applied technology that utilizes a two-dimensionally expanded enhancement field.
On the other hand, in Patent Document 17, which is an example using such an enhancement field three-dimensionally, a technique is disclosed in which metal particles are arranged in a porous three-dimensional matrix to enhance the fluorescence intensity of the fluorescent material. Yes.

特表2001−524245号公報JP-T-2001-524245 特表2000−512061号公報Special table 2000-512061 gazette 特表2001−522119号公報Special table 2001-522119 gazette 特表2001−508221号公報Special table 2001-508221 gazette 特開平6−28672号公報JP-A-6-28672 特開平6−118306号公報JP-A-6-118306 特開2005−134873号公報JP 2005-134873 A 特開平8−320422号公報JP-A-8-320422 特開2004−277416号公報JP 2004-277416 A 特開平11−167036号公報JP-A-11-167036 特開2005−257741号公報JP 2005-257741 A 特開2005−123513号公報JP 2005-123513 A 特開2001−210857号公報JP 2001-210857 A 特開2005−132763号公報JP 2005-132663 A 特開2005−165212号公報JP 2005-165212 A 特開2004−156911号公報JP 2004-156911 A 特表2005−524084号公報JP 2005-524084 A

表面プラズモンと光の相互作用を三次元的に利用するプラズモニクスデバイスの作成においては、以下の(1)〜(7)の課題を解決する必要がある。
(1)励起の対象となる材料が、三次元的に利用可能であること。
励起の対象となる材料は、例えば材料による照射光の散乱や反応個所以外での吸収等によって照射光の減衰を伴わない、三次元的に利用可能な(入射光が物質の深奥部まで到達可能な)光応答性材料でなければならない。
また同様に、プラズモンを発生する金属も、光散乱の影響を受けにくい三次元的に利用可能な構造でなければならない。
(2)可視から近赤外波長領域の光電場とプラズモンが効率良くカップリングすること。
照射光の集光ビーム径は、対物レンズの開口数をNA、波長λとするとλ/NAに比例するため、一般にλが小さいほど集光ビーム径が絞られ、高密度化を実現できる。しかしながら多くの光応答性材料は紫外領域において吸収特性を持つため、紫外領域よりも波長が少し長い、可視領域から近赤外領域にかけて、プラズモンとの相互作用を利用できることが望ましい。従ってプラズモンを発生する金属は、可視から近赤外領域にプラズモンの共鳴周波数を持つことが望ましい。
In creating a plasmonics device that three-dimensionally utilizes the interaction between surface plasmons and light, it is necessary to solve the following problems (1) to (7).
(1) The material to be excited can be used three-dimensionally.
The material to be excited can be used three-dimensionally without incident light attenuation due to, for example, scattering of the irradiated light by the material or absorption outside the reaction site (incident light can reach deep inside the material) N) Photo-responsive material.
Similarly, the plasmon-generating metal must also have a three-dimensionally usable structure that is not susceptible to light scattering.
(2) Photoelectric field in the visible to near-infrared wavelength region and plasmon should be coupled efficiently.
The condensed beam diameter of the irradiation light is proportional to λ / NA where the numerical aperture of the objective lens is NA and the wavelength λ. Therefore, in general, the smaller the λ is, the narrower the condensed beam diameter is, thereby realizing higher density. However, since many photoresponsive materials have absorption characteristics in the ultraviolet region, it is desirable that the interaction with plasmons can be utilized from the visible region to the near infrared region, which has a slightly longer wavelength than the ultraviolet region. Therefore, it is desirable that the metal generating plasmon has a plasmon resonance frequency in the visible to near infrared region.

(3)プラズモンの共鳴周波数(吸収波長)を制御し易いこと。
プラズモンの共鳴周波数がある程度可変でないと、使用可能な照射光の光源に制限があるため、デバイスの設計自由度を低下させる要因となる。このような観点から、プラズモンの共鳴周波数が制御しやすいことが重要である。
(4)金属−材料間のエネルギー移動が抑制されていること。
先に、蛍光材料を金属に近接すると発光の消光が起こることについて述べたが、一般にプラズモンを利用してある材料を光励起しようとすると、その励起エネルギーが金属の方に流れてしまい、プラズモンによる増強効果が得られないことがある。そのため、金属と材料の間に、このようなエネルギーの移動を抑制する何らかの工夫が必要となる。
(5)金属−材料間の距離制御が容易であること。
一方、プラズモンによる増強場の影響は金属表面から距離の3乗に逆比例して減少することも知られており、従って、プラズモンによる効果的な増強効果を得るためには、金属−材料間の適切な距離制御技術の確立も必須となる。
(6)照射光や周囲環境に対し安定性に優れること。
また、デバイス全体として考える場合、照射光による材料や金属の熱変形など、及び、周囲環境の影響などに対し高い安定性を有することも重要である。
(7)特性が三次元的に均一であること。
更には、特性のばらつきはデバイスの信頼性に大きく影響することから、均一性の確保も特に重要な課題となる。
(3) It is easy to control the plasmon resonance frequency (absorption wavelength).
If the plasmon resonance frequency is not variable to some extent, there is a limit to the usable light source of irradiation light, which causes a reduction in the degree of freedom in device design. From such a viewpoint, it is important that the plasmon resonance frequency is easily controlled.
(4) Energy transfer between metal and material is suppressed.
I mentioned earlier that quenching of light emission occurs when a fluorescent material is brought close to a metal. Generally, when trying to photoexcite a material using plasmons, the excitation energy flows toward the metal and is enhanced by plasmons. The effect may not be obtained. Therefore, some contrivance is required to suppress such energy transfer between the metal and the material.
(5) The distance between the metal and the material can be easily controlled.
On the other hand, it is also known that the influence of the enhancement field due to plasmon decreases in inverse proportion to the cube of the distance from the metal surface. Therefore, in order to obtain an effective enhancement effect due to plasmon, between metal and material Establishing appropriate distance control technology is also essential.
(6) Excellent stability against irradiation light and surrounding environment.
Further, when considering the device as a whole, it is also important to have high stability against the thermal deformation of materials and metals caused by irradiation light and the influence of the surrounding environment.
(7) The characteristics are three-dimensionally uniform.
Furthermore, since variation in characteristics greatly affects the reliability of the device, ensuring uniformity is a particularly important issue.

このような要求に対し、例えば前記特許文献16においては、表面プラズモンを利用して増強効果を得るために試料を金属薄膜上に固定する必要があり、従って増強効果が膜の形状と光学系の配置に依存するため、三次元的なプラズモニクスデバイスへの応用が困難となっている。
また、例えば前記特許文献17においては、金属微粒子は多孔性の三次元マトリクス内に配置されているが、増強効果を各場所において均一に得ることは困難であるという課題が残されている。
また先に、本発明者等は、特に課題(4)の解決を目的として、二光子吸収材料と金属微粒子からなる混合物に関する技術を開発し出願(特開2008−122439参照)している。しかしながら、今回、本発明者等は、本発明のように高分子材料を介して無機酸化物で被覆された金属微粒子を用いると、従来よりも無機酸化物膜の安定性を飛躍的に改善することができ、更にプラズモンによる増強効果もより効果的に引き出せることを見出し、本発明に至った。
即ち、本発明の目的は、可視から近赤外波長領域の光電場と表面プラズモンの相互作用を利用し、表面プラズモンの共鳴周波数、金属−材料間の距離制御が容易で、かつプラズモン増強効果を効果的に利用することができ、三次元的な特性の均一性と環境安定性に優れた混合物、及び該混合物を利用したプラズモニクスデバイスを提供することにある。
In response to such a request, for example, in Patent Document 16, it is necessary to fix a sample on a metal thin film in order to obtain an enhancement effect using surface plasmons. Since it depends on the arrangement, it is difficult to apply it to a three-dimensional plasmonic device.
Further, for example, in Patent Document 17, the metal fine particles are arranged in a porous three-dimensional matrix, but there remains a problem that it is difficult to obtain the enhancement effect uniformly in each place.
In addition, the inventors of the present invention have developed and applied for a technique related to a mixture composed of a two-photon absorbing material and metal fine particles, particularly for the purpose of solving the problem (4) (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-122439). However, this time, when the present inventors use metal fine particles coated with an inorganic oxide via a polymer material as in the present invention, the stability of the inorganic oxide film is dramatically improved as compared with the prior art. In addition, the inventors have found that the enhancement effect by plasmons can be more effectively brought out, and have reached the present invention.
That is, the object of the present invention is to use the interaction between the surface plasmon and the photoelectric field in the visible to near-infrared wavelength region, to easily control the resonance frequency of the surface plasmon, the distance between the metal and the material, and to enhance the plasmon. An object of the present invention is to provide a mixture that can be effectively used and has excellent three-dimensional property uniformity and environmental stability, and a plasmonics device using the mixture.

上記課題は、以下の1)〜16)の発明(以下、本発明1〜16という)によって解決される。
1) 表面が高分子材料で被覆され、更にその表面が無機酸化物で被覆された金属微粒子と、二光子吸収有機材料とを含有することを特徴とする混合物。
2) 前記高分子材料が水溶性であることを特徴とする1)に記載の混合物。
3) 前記高分子材料が電解質であることを特徴とする1)又は2)に記載の混合物。
4) 前記金属微粒子が金であることを特徴とする1)〜3)のいずれかに記載の混合物。
5) 前記金属微粒子の形状がナノメートルサイズのロッド形状であることを特徴とする1)〜4)のいずれかに記載の混合物。
6) 前記無機酸化物によって被覆された金属微粒子の数が1つであることを特徴とする1)〜5)のいずれかに記載の混合物。
7) 前記無機酸化物1粒子中に含まれる金属微粒子が同一方向に配向していることを特徴とする1)〜5)のいずれかに記載の混合物。
8) 1)〜7)のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする光記録材料。
9) 1)〜7)のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする光造形材料。
10) 1)〜7)のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする光制限材料。
11) 1)〜7)のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする二光子励起蛍光材料。
12) 平面上に記録層が形成され、該平面に対し、平面上及び垂直方向に記録再生が可能な三次元光記録媒体において、1)〜7)のいずれかに記載の混合物が、光記録が行なわれる記録層の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする三次元光記録媒体。
13) 光硬化性樹脂に集光したレーザー光を照射して光造形を行う光造形装置において、1)〜7)のいずれかに記載の混合物が、前記光硬化性樹脂の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする光造形装置。
14) 制御光により信号光の光透過光強度を制限する素子を備えた光制限装置において、1)〜7)のいずれかに記載の混合物が、前記素子の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする光制限装置。
15) 制御光により信号光の光の進路を制限する素子を備えた光制限装置において、1)〜7)のいずれかに記載の混合物が、前記素子の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする光制限装置。
16) 試料中の被分析物に1)〜7)のいずれかに記載の混合物を選択的に担持させ、該被分析物に光照射して、前記混合物中に含まれる二光子吸収材料の二光子蛍光光を発現させ、これを検出することによって被分析物を検出する機能を有することを特徴とする二光子励起蛍光検出装置。
The above problems are solved by the following inventions 1) to 16) (hereinafter referred to as the present inventions 1 to 16).
1) A mixture comprising fine metal particles whose surface is coated with a polymer material, and whose surface is further coated with an inorganic oxide, and a two-photon absorption organic material.
2) The mixture according to 1), wherein the polymer material is water-soluble.
3) The mixture according to 1) or 2), wherein the polymer material is an electrolyte.
4) The mixture according to any one of 1) to 3), wherein the metal fine particles are gold.
5) The mixture according to any one of 1) to 4), wherein the shape of the metal fine particles is a nanometer-sized rod shape.
6) The mixture according to any one of 1) to 5), wherein the number of metal fine particles coated with the inorganic oxide is one.
7) The mixture according to any one of 1) to 5), wherein metal fine particles contained in one particle of the inorganic oxide are oriented in the same direction.
8) An optical recording material comprising the mixture according to any one of 1) to 7).
9) An optical modeling material comprising the mixture according to any one of 1) to 7).
10) A light-limiting material comprising the mixture according to any one of 1) to 7).
11) A two-photon excited fluorescent material comprising the mixture according to any one of 1) to 7).
12) In a three-dimensional optical recording medium in which a recording layer is formed on a plane and recording / reproduction can be performed on the plane and in a direction perpendicular to the plane, the mixture according to any one of 1) to 7) is optically recorded. A three-dimensional optical recording medium, characterized in that it is included as at least a part of a recording layer on which is performed.
13) In the optical modeling apparatus which performs optical modeling by irradiating the laser beam condensed on the photocurable resin, the mixture according to any one of 1) to 7) is included as at least a part of the photocurable resin. A stereolithography apparatus characterized by that.
14) In the light limiting device provided with the element that limits the light transmission light intensity of the signal light by the control light, the mixture according to any one of 1) to 7) is included as at least a part of the element. A light limiting device characterized by the above.
15) A light limiting device including an element that limits the path of signal light with control light, wherein the mixture according to any one of 1) to 7) is included as at least a part of the element. Characteristic light limiting device.
16) A sample according to any one of 1) to 7) is selectively supported on an analyte in a sample, and the analyte is irradiated with light, so that two of the two-photon absorbing materials contained in the mixture are irradiated. A two-photon excitation fluorescence detection apparatus characterized by having a function of detecting an analyte by expressing and detecting photon fluorescence light.

以下、上記本発明について詳細に説明する。
<本発明1について>
二光子吸収材料においては、これまで多くの無機材料が見出されているが、無機材料では所望の二光子吸収特性や素子製造のために必要な諸物性を最適化するための、いわゆる「分子設計」が困難なため、実用化に不利である。
一方、加工性や量産性に優れ、無機材料に比べ分子設計が比較的容易な有機材料では、巨視的な電荷状態で二光子吸収特性を発現する誘電体材料や半導体材料と違って微視的な分子状態でも二光子吸収特性を示し、またその集合体としての性質が巨視的な二光子吸収特性をもつことから、分子レベルで大きな二光子吸収特性があれば分子集合体である結晶でより大きな二光子吸収特性を期待することが可能であり、本発明を構成する二光子吸収材料として好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<About the present invention 1>
Many inorganic materials have been found so far in the two-photon absorption material. In inorganic materials, the so-called “molecule” is used to optimize the desired two-photon absorption characteristics and various physical properties necessary for device manufacturing. Since “design” is difficult, it is disadvantageous for practical use.
On the other hand, organic materials with excellent processability and mass productivity and relatively easy molecular design compared to inorganic materials are microscopic unlike dielectric materials and semiconductor materials that exhibit two-photon absorption characteristics in a macroscopic charge state. The two-photon absorption property is exhibited even in a simple molecular state, and the property as an aggregate has a macroscopic two-photon absorption property. A large two-photon absorption characteristic can be expected, which is preferable as a two-photon absorption material constituting the present invention.

本発明の混合物を構成する二光子吸収材料には、π共役系有機分子が好適である。一般に分子の非線形性の主な原因としては、分子内の電荷移動が支配的であるとされており、このことは有効共役長の長い共役系分子が、大きな非線形効果、即ち二光子遷移を起しやすいことを意味している。
分子構造においてπ共役系分子がこれに該当し、具体的にはベンゼン誘導体、スチリル誘導体、スチルベン誘導体、ポルフィリンに代表される環状構造化合物、共役ケトン誘導体、またポリアセチレンやポリジアセチレン等の共役高分子、アゾ金属キレートに代表される金属キレート化合物、またローダミン、クマリンに代表される蛍光色素等を例示することができる。
For the two-photon absorption material constituting the mixture of the present invention, π-conjugated organic molecules are suitable. In general, the main cause of the nonlinearity of the molecule is that the charge transfer in the molecule is dominant, which means that a conjugated molecule having a long effective conjugate length causes a large nonlinear effect, that is, a two-photon transition. It means that it is easy to do.
In the molecular structure, π-conjugated molecules correspond to this, specifically, benzene derivatives, styryl derivatives, stilbene derivatives, cyclic structure compounds represented by porphyrins, conjugated ketone derivatives, and conjugated polymers such as polyacetylene and polydiacetylene, Examples thereof include metal chelate compounds represented by azo metal chelates, and fluorescent dyes represented by rhodamine and coumarin.

また、前述したように、本発明者等は二光子吸収材料と金属微粒子からなる混合物に関する技術について出願したが、本発明では、金属微粒子を、高分子材料を介して無機酸化物で被覆することにより、該無機酸化物膜の安定性が飛躍的に改善され、更にプラズモンによる増強効果も、より効果的に利用可能となる。
この理由に関する詳細は不明であるが、おそらく、高分子材料を介さずに金属微粒子を無機酸化物で被覆すると、金属微粒子上の無機酸化物膜の被覆率が本発明に比べて相対的に低くなるか、或いは被覆した無機酸化物が剥がれ易い状態となるため、金属微粒子−二光子吸収材料間のエネルギー移動が充分抑制されず、従って、プラズモンによる増強効果が最大限引き出せなかったものと考えられる。
用いる高分子材料としては、被覆する金属微粒子の形態や作製方法によって、水溶性/非水溶性のものが適宜選択されるが、少なくとも二光子吸収材料の二光子吸収特性を損わないことが重要である。
In addition, as described above, the present inventors have applied for a technique relating to a mixture of a two-photon absorption material and metal fine particles. In the present invention, the metal fine particles are coated with an inorganic oxide via a polymer material. As a result, the stability of the inorganic oxide film is dramatically improved, and the enhancement effect by plasmons can be used more effectively.
Details regarding this reason are unclear, but perhaps when the metal fine particles are coated with an inorganic oxide without using a polymer material, the coverage of the inorganic oxide film on the metal fine particles is relatively lower than that of the present invention. Or because the coated inorganic oxide is easily peeled off, the energy transfer between the metal fine particles and the two-photon absorption material is not sufficiently suppressed, and therefore, it is considered that the enhancement effect by plasmons could not be maximized. .
The polymer material to be used is appropriately selected from water-soluble and water-insoluble materials depending on the form of metal fine particles to be coated and the production method, but it is important that at least the two-photon absorption characteristics of the two-photon absorption material are not impaired. It is.

一方、プラズモン共鳴を起す金属としては金、銀、白金、銅、アルミニウム、パラジウム、その他の貴金属類が挙げられ、これらの金属微粒子を前記高分子材料で被覆した後、更に金属−材料間の励起エネルギー移動抑制、及び、耐光性・耐熱性向上を目的として、絶縁性の無機酸化物で被覆する。
前述したように、プラズモンによる増強場は金属微粒子表面からの距離に従って減少することが知られている。しかしながら、効率的なプラズモン増強効果を得ようとして金属−材料間の距離を近づけすぎると、上記のような無機酸化物膜を設けてもなお、量子効果により再びエネルギー移動が生じてしまうため、ナノメートルオーダーの距離制御を可能とする無機酸化物材料を用いる必要がある。
On the other hand, examples of metals that cause plasmon resonance include gold, silver, platinum, copper, aluminum, palladium, and other noble metals. After coating these fine metal particles with the polymer material, excitation between the metal and the material is further performed. For the purpose of suppressing energy transfer and improving light resistance and heat resistance, it is coated with an insulating inorganic oxide.
As described above, it is known that the plasmon enhancement field decreases according to the distance from the surface of the metal fine particle. However, if the distance between the metal and the material is too close in order to obtain an efficient plasmon enhancement effect, energy transfer occurs again due to the quantum effect even if the inorganic oxide film as described above is provided. It is necessary to use an inorganic oxide material that enables distance control in the metric order.

そのような材料としては、アルコキシシラン、クロロシラン等に代表されるシランカップリング剤、或いはチタネート系カップリング剤(チタンカップリング剤)、ジルコネート系カップリング剤(ジルコニウムカップリング剤)、アルミネート系カップリング剤(アルミニウムカップリング剤)を例示することができる。
これらの材料は、通常長鎖アルキル等で構成される疎水基の分子量を変化させたり、単に反応溶液中の濃度を変化させたりするだけで、金属表面における被覆率を変化させることができるといった利点を有している。
上記カップリング剤は一般にXR (R4−nで表され、ここでXはSi、Ti、Zr、Alで例示される金属原子、Rは置換されていてもよい炭化水素基、Rは加水分解性基、nは1〜3の整数を表す。Rとしてはアルキル基及びアルケニル基が望ましく、Rとしては、Xに直接結合した酸素原子や窒素原子を有する遊離基、ハロゲン原子、アミノ基を例示することができる。
Such materials include silane coupling agents represented by alkoxysilane, chlorosilane, etc., or titanate coupling agents (titanium coupling agents), zirconate coupling agents (zirconium coupling agents), aluminate cups. A ring agent (aluminum coupling agent) can be illustrated.
These materials have the advantage that the coverage on the metal surface can be changed simply by changing the molecular weight of the hydrophobic group usually composed of long-chain alkyls, etc., or simply changing the concentration in the reaction solution. have.
The coupling agent is generally represented by XR 1 n (R 2 ) 4-n , where X is a metal atom exemplified by Si, Ti, Zr and Al, and R 1 is an optionally substituted hydrocarbon group. , R 2 represents a hydrolyzable group, and n represents an integer of 1 to 3. R 1 is preferably an alkyl group or an alkenyl group, and examples of R 2 include a free group having an oxygen atom or nitrogen atom directly bonded to X, a halogen atom, and an amino group.

シランカップリング剤の具体例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジメチルエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシランに代表されるアルコキシシラン、トリメチルクロルシラン、ジメチルジクロルシラン、アリルジメチルクロルシラン、アリルフェニルジクロルシラン、ベンジルジメチルクロルシラン、ブロムメチルジメチルクロルシラン、α−クロルエチルトリクロルシラン、β−クロルエチルトリクロルシラン、クロルメチルジメチルクロルシラン、ビニルトリクロルシラン等に代表されるクロロシラン等が挙げられる。
このうち安定した無機酸化物膜を実現し易いという観点から、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシランのいずれかを用いることがより好ましい。
Specific examples of the silane coupling agent include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, dimethylethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, and vinyl. Alkoxy silanes such as trimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, decyltrimethoxysilane, trimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane , Allyldimethylchlorosilane, allylphenyldichlorosilane, benzyldimethylchlorosilane, bromomethyldimethylchlorosilane, α-chloroe Le trichlorosilane, beta-chloroethyl trichlorosilane, chloromethyl dimethyl chlorosilane, chlorosilanes, and the like typified by vinyl trichlorosilane and the like.
Of these, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, methyltrimethoxysilane, and methyltriethoxysilane from the viewpoint of easily realizing a stable inorganic oxide film It is more preferable to use any of the above.

またチタンカップリング剤としては、テトラプロピルチタネート、テトライソプロピルチタネート、テトラブチルチタネート、ブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、テトラメチルチタネート、テトラエチルチタネート、アセチルアセトネートチタネート、チタンテトラアセチルアセトネート、チタンエチルアセトアセテート、アセチルトリプロピルチタネート、チタンオクタンジオレート、ラクテートチタネート、イソステアリルチタネート、トリエタノールアミンチタネート、ポリヒドロキシチタンステアレート、エチルアセトアセチックエステルチタネート等が挙げられる。中でも密着性の安定化を図るという観点から、テトライソプロピルチタネート、テトラブチルチタネートのいずれかを用いることが好ましい。   Titanium coupling agents include tetrapropyl titanate, tetraisopropyl titanate, tetrabutyl titanate, butyl titanate, tetra (2-ethylhexyl) titanate, tetramethyl titanate, tetraethyl titanate, acetylacetonate titanate, titanium tetraacetylacetonate, titanium Examples include ethyl acetoacetate, acetyl tripropyl titanate, titanium octanediolate, lactate titanate, isostearyl titanate, triethanolamine titanate, polyhydroxy titanium stearate, ethyl acetoacetate ester titanate and the like. Among these, from the viewpoint of stabilizing the adhesion, it is preferable to use either tetraisopropyl titanate or tetrabutyl titanate.

またジルコニウムカップリング剤としては、テトラプロピルジルコネート、テトライソプロピルジルコネート、テトラブチルジルコネート、テトラ(トリエタノールアミン)ジルコネート、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムモノアセチルアセトネート、ジルコニウムビスアセチルアセトネート、ジルコニウムモノエチルアセトアセテート、ジルコニウムアセチルアセトネート、ビスエチルアセトアセテート、ジルコニウムアセテート、ジルコニウムモノステアレート、n−プロピルジルコネート、n−ブチルジルコネート等が挙げられる。中でも密着性の安定化を図るという観点から、n−プロピルジルコネート、n−ブチルジルコネートのいずれかを用いることが好ましい。   Zirconium coupling agents include tetrapropyl zirconate, tetraisopropyl zirconate, tetrabutyl zirconate, tetra (triethanolamine) zirconate, zirconium tetraacetylacetonate, zirconium monoacetylacetonate, zirconium bisacetylacetonate, zirconium Examples thereof include monoethyl acetoacetate, zirconium acetylacetonate, bisethylacetoacetate, zirconium acetate, zirconium monostearate, n-propyl zirconate, n-butyl zirconate and the like. Among these, from the viewpoint of stabilizing the adhesion, it is preferable to use either n-propyl zirconate or n-butyl zirconate.

またアルミニウムカップリング剤の例としては、アルミニウムイソプロピレート、モノsec−ブトキシアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウム−sec−ブチレート、アルミニウムエチレート、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムトリス(エチルアセトアセテート)、アルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムモノアセチルアセトネートビス(エチルアセトアセテート)、アルミニウムトリス(アセチルアセトネート)、アルミニウムモノイソプロポキシモノオレオキシエチルアセトアセテート、環状アルミニウムオキサイドイソプロピレート、環状アルミニウムオキサイドオクチレート、環状アルミニウムオキサイドステアレート等が挙げられる。中でもアルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレートのいずれかを用いることが好ましい。   Examples of the aluminum coupling agent include aluminum isopropylate, monosec-butoxyaluminum diisopropylate, aluminum-sec-butyrate, aluminum ethylate, ethyl acetoacetate aluminum diisopropylate, aluminum tris (ethyl acetoacetate), alkyl Acetoacetate aluminum diisopropylate, acetoalkoxyaluminum diisopropylate, aluminum monoacetylacetonate bis (ethylacetoacetate), aluminum tris (acetylacetonate), aluminum monoisopropoxymonooroxyethylacetoacetate, cyclic aluminum oxide isopropylate , Cyclic aluminum oxide octylate, cyclic aluminum Oxide stearate. Among these, it is preferable to use either alkyl acetoacetate aluminum diisopropylate or acetoalkoxyaluminum diisopropylate.

<本発明2、3について>
現在、金属微粒子の作製方法においては気相法、液相法及び固相法を含めた多様な報告がなされているが、中でも水系溶媒中で還元試薬を用いる作製方法については、再現性に優れプロセスが容易(取り扱い易い)であることから、広く標準的な合成方法として認知されている。
このような簡便な方法で得た水系溶媒中の金属微粒子を高分子材料で被覆する場合、水溶性高分子材料であれば、溶媒置換などの余分な工程を経ずに、直接被覆することができるので好ましい。
ここで、水溶性高分子材料としては、以下の高分子電解質(又はポリマー電解質:絶縁性ポリマーに電解質を練り込んだ高分子材料)及び高分子非電解質が例示される。
<About Inventions 2 and 3>
Currently, various reports have been made on the method for producing metal fine particles, including the gas phase method, the liquid phase method and the solid phase method, but the production method using a reducing reagent in an aqueous solvent is particularly reproducible. Since the process is easy (easy to handle), it is widely recognized as a standard synthesis method.
In the case where the metal fine particles in the aqueous solvent obtained by such a simple method are coated with a polymer material, the water-soluble polymer material can be directly coated without an extra step such as solvent replacement. It is preferable because it is possible.
Here, examples of the water-soluble polymer material include the following polymer electrolytes (or polymer electrolytes: polymer materials obtained by kneading an electrolyte in an insulating polymer) and polymer non-electrolytes.

i)高分子電解質
水溶性のポリアニオンの具体例としては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(PAMPS)、ポリビニルリン酸などの酸性基を有する水溶性高分子材料が挙げられる。
また、水溶性のポリカチオンの例としては、平均分子量が1000以上、好ましくは、10,000〜100,000の第1級〜第4級アミノ基及びそれらの塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含むポリカチオン化合物、具体的にはポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン等のポリアルキレンポリアミン、変性ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、ポリエーテルアミン等を例示することができる。
ii)高分子非電界質
非電解質の水溶性高分子材料としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルピロリドン、カルボキシビニルポリマー等のビニル系高分子材料、ポリエチレングリコール等のポリオキシエチレン系高分子材料、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン共重合体等の共重合系高分子材料等が挙げられる。
i) Polymer electrolyte Specific examples of water-soluble polyanions include water-soluble polyaniline having acidic groups such as polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly-2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (PAMPS), and polyvinyl phosphoric acid. Examples include polymer materials.
Examples of the water-soluble polycation include at least one selected from the group consisting of primary to quaternary amino groups having an average molecular weight of 1000 or more, preferably 10,000 to 100,000, and salts thereof. Specific examples include polycation compounds containing seeds, specifically, polyalkylene polyamines such as polyethyleneimine and polypropyleneimine, modified polyethyleneimine, polyallylamine, polyvinylamine, and polyetheramine.
ii) Polymer non-electrolytic materials Non-electrolyte water-soluble polymer materials include polyvinyl polymer materials such as polyvinyl alcohol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl pyrrolidone and carboxyvinyl polymer, and polyoxyethylene polymer materials such as polyethylene glycol. And copolymeric polymer materials such as polyoxyethylene polyoxypropylene copolymer.

前記高分子材料で被覆する方法としては、スピンコート法、電解重合法、真空蒸着法、CVD法などがあるが、これらの方法はいずれも分子配向制御が困難で、非常に単純な膜しか形成することができない。
一方、LB法は、単分子層の薄膜を形成できる他、相異なる導電性高分子溶液を用いることにより、分子レベルで制御された多層へテロ構造の薄膜を形成することも可能であるが、プロセス上の様々な制約や、使用可能な材料の制限、更には膜の吸着原理が分子間力(ファンデルワールス力)によるため膜強度が弱いといった問題を有している。
これに対し、材料を分子レベルで制御でき、単層及び多層へテロ構造の両製膜が可能な交互吸着法は、取扱い可能な物質の種類が豊富であり、大型な装置を用いる必要がないことから実用性に優れており、本発明の作製方法として好ましい。
Methods for coating with the polymer material include spin coating, electrolytic polymerization, vacuum deposition, and CVD, but these methods are difficult to control molecular orientation, and only a very simple film is formed. Can not do it.
On the other hand, the LB method can form a thin film of a monomolecular layer, and by using different conductive polymer solutions, it is also possible to form a thin film having a multilayer heterostructure controlled at the molecular level. There are various problems in the process, restrictions on usable materials, and further, the film adsorption principle is based on intermolecular force (Van der Waals force), resulting in a problem that the film strength is weak.
On the other hand, the alternate adsorption method, which can control the material at the molecular level and can form both single-layer and multilayer heterostructures, has many types of substances that can be handled and does not require the use of a large apparatus. Therefore, it is excellent in practicality and is preferable as a production method of the present invention.

具体的には、金属微粒子を、前記ポリカチオンとポリアニオンの高分子電解質溶液に交互に浸すだけで、表面上に電解質ポリマーを自発的に吸着させ、また自己組織化させることもでき、容易に被覆することができる。
また、膜の吸着原理が静電気力(クーロン力)によるため、膜強度の問題も改善され、「ナノメートルオーダーの距離制御」にも有利な製法である。
しかしながら、高分子電解質は一般に、環境安定性に乏しいという欠点も有している。従って最終的には、最外層は高分子非電解質でコーティングされていることが好ましく、この場合、吸着原理は静電的なものではなく、両高分子鎖の絡み合いによる物理的な吸着となる。
また、このような多層の高分子被覆構造を形成する場合、高分子非電解質の中では特にポリビニルピロリドンが、多くの合成高分子化合物と異なり水によく溶解し、一方で種々の有機溶剤への溶解性、樹脂との相溶性、成膜性及び接着性など、実用面において優れた特性を有することから好ましい。
Specifically, by simply immersing metal particles in the polycation and polyanion polymer electrolyte solution alternately, the electrolyte polymer can be spontaneously adsorbed on the surface, and can be self-assembled. can do.
In addition, since the film adsorption principle is based on electrostatic force (Coulomb force), the problem of film strength is also improved, which is an advantageous manufacturing method for “distance control on the order of nanometers”.
However, polyelectrolytes generally have the disadvantage of poor environmental stability. Therefore, finally, it is preferable that the outermost layer is coated with a polymer non-electrolyte. In this case, the adsorption principle is not electrostatic, and physical adsorption is caused by entanglement of both polymer chains.
Moreover, when forming such a multilayer polymer coating structure, polyvinylpyrrolidone is particularly well soluble in water, unlike many synthetic polymer compounds, among other polymer non-electrolytes. This is preferable because it has excellent practical properties such as solubility, compatibility with resin, film-forming property, and adhesiveness.

<本発明4について>
可視領域においては、局在プラズモンによる強い共鳴が得られる金属として特に金や銀が知られているが、使用波長の制御性(後述するが、金はナノロッドに形成可能であることが理由)、耐環境安定性に優れることから特に金が好ましい。
<About the present invention 4>
In the visible region, gold or silver is particularly known as a metal that can obtain strong resonance due to localized plasmons, but the controllability of the wavelength used (as described later, because gold can be formed into nanorods), Gold is particularly preferable because of excellent environmental stability.

<本発明5について>
形状異方性を持つ微粒子は、粒子のアスペクト比を調整することにより吸収波長(共鳴波長)を制御できることが知られている。
形状異方性をもつ微粒子の中でも、特に粒子サイズがナノメートルオーダー(具体的には1〜100nm、より好ましくは1〜50nm)のロッド(棒)状の微粒子(以下、ナノロッドと称す)は、i)アスペクト比の揃った直径20nm以下の微粒子が再現性良く得られる、ii)散乱損失の少ない効率的な感度増強が可能である、iii)単一ナノ粒子での局在表面プラズモン励起が可能である、iv)アスペクト比(長軸/短軸の値)の制御で可視領域から近赤外領域までの任意の特定波長の吸収を選択できる、といった様々な利点を有することから好ましい。
このようなナノメートルサイズの微粒子を用いることにより、使用波長の制御性に優れるばかりでなく、局在プラズモンに変換された光エネルギーをナノ粒子表面というごく微小な領域に蓄えることができるため、光の回折限界より小さな領域での光制御も実現できるようになる。
<About Invention 5>
It is known that fine particles having shape anisotropy can control the absorption wavelength (resonance wavelength) by adjusting the aspect ratio of the particles.
Among the fine particles having shape anisotropy, rod-shaped fine particles (hereinafter referred to as nanorods) having a particle size of nanometer order (specifically, 1 to 100 nm, more preferably 1 to 50 nm), i) Fine particles with an aspect ratio of 20 nm or less in diameter can be obtained with good reproducibility, ii) Efficient sensitivity enhancement with low scattering loss is possible, iii) Local surface plasmon excitation with single nanoparticle is possible It is preferable because it has various advantages that iv) the absorption of an arbitrary specific wavelength from the visible region to the near infrared region can be selected by controlling the aspect ratio (long axis / short axis value).
By using such nanometer-sized fine particles, not only has excellent controllability of the wavelength used, but also the light energy converted into localized plasmons can be stored in a very small area on the nanoparticle surface. Light control in a region smaller than the diffraction limit can be realized.

<本発明6について>
表面プラズモンによる増強効果は、周囲に存在する金属微粒子自体の影響を受けることが知られている。例えば金属微粒子を互いに近接させると、その粒子間に単なる足し合せではない非常に大きなプラズモン増強場が発生することも報告されている。このように二つの粒子を結び付けた二量体や小規模の凝集体などの形態も本発明1〜5の微粒子の形態として含まれるが、特性の三次元的な均一性を改善するという観点からは、無機酸化物によって被覆された金属微粒子の数が1つであること、換言すれば、金属微粒子が単独で無機酸化物によって被覆されていることが好ましい〔図10(a)参照〕。このような金属微粒子は単独でも光と効率よくカップリングして自由電子によるプラズモン振動を発生させ、増強場を形成することができる。なお、図10(b)に示すような形態は、無機酸化物によって被覆された金属微粒子の数が2つ以上であるから本発明6には含まれない。
<About Invention 6>
It is known that the enhancement effect by surface plasmons is influenced by the surrounding metal fine particles themselves. For example, it has been reported that when metal fine particles are brought close to each other, a very large plasmon enhancement field is generated between the particles. Forms such as dimers or small-scale aggregates in which two particles are combined in this way are also included as fine particle forms of the present inventions 1 to 5, from the viewpoint of improving the three-dimensional uniformity of characteristics. It is preferable that the number of the metal fine particles covered with the inorganic oxide is one, in other words, the metal fine particles are individually covered with the inorganic oxide [see FIG. 10 (a)]. Even if such metal fine particles are used alone, they can be efficiently coupled with light to generate plasmon oscillation due to free electrons, thereby forming an enhanced field. In addition, since the number of the metal microparticles | fine-particles coat | covered with the inorganic oxide is two or more, the form as shown in FIG.10 (b) is not included in this invention 6. FIG.

<本発明7について>
金属微粒子における表面プラズモンの共鳴周波数は、粒子サイズや形状、周囲媒質の誘電率によって変化するが、増強効果の場合と同様に、周囲に存在する金属微粒子自体の影響を受けても変化することが知られている。従って、二光子吸収有機材料や金属微粒子の形状を保ったままプラズモンの共鳴周波数を制御できるという観点から、金属微粒子を規則的に配列させた形態であることが望ましく、中でも金属微粒子を同一方向に配向させると、共鳴波長をシフトさせることができることから好ましい〔図11(a)参照〕。なお、同一方向に配向していない例を図11(b)に示す。
<About Invention 7>
The resonance frequency of the surface plasmon in the metal fine particle changes depending on the particle size and shape, and the dielectric constant of the surrounding medium, but as with the enhancement effect, it may change even under the influence of the metal fine particles present in the surroundings. Are known. Therefore, from the viewpoint that the resonance frequency of the plasmon can be controlled while maintaining the shape of the two-photon absorbing organic material or the metal fine particles, it is desirable that the metal fine particles are regularly arranged, and in particular, the metal fine particles are arranged in the same direction. Orientation is preferable because the resonance wavelength can be shifted (see FIG. 11A). An example in which they are not oriented in the same direction is shown in FIG.

<本発明8〜16について>
本発明8〜11は、上記本発明1〜7のいずれかの混合物を、光記録材料、光造形材料、光制限材料、二光子励起蛍光材料に用いたものである。
また、本発明12〜16は、上記本発明1〜7のいずれかの混合物を、三次元光記録媒体、光造形装置、光制限装置、二光子励起蛍光検出装置に利用したものである。これにより、可視から近赤外波長領域で作動する、表面プラズモンの共鳴周波数及び金属−材料間の距離制御が容易で、かつプラズモン増強効果を効果的に利用することができ、三次元的な特性の均一性と環境安定性に優れた新規デバイスを提供することができる。
以下、これらについて更に詳しく説明する。
<About Inventions 8 to 16>
In the present inventions 8 to 11, the mixture according to any one of the above inventions 1 to 7 is used for an optical recording material, an optical modeling material, an optical limiting material, and a two-photon excited fluorescent material.
In the inventions 12 to 16, the mixture of any of the inventions 1 to 7 is used for a three-dimensional optical recording medium, an optical modeling device, a light limiting device, and a two-photon excitation fluorescence detection device. This makes it easy to control the surface plasmon resonance frequency and the metal-material distance, which operates in the visible to near-infrared wavelength region, and can effectively utilize the plasmon enhancement effect, with three-dimensional characteristics. A new device excellent in uniformity and environmental stability can be provided.
Hereinafter, these will be described in more detail.

<三次元光記録媒体への応用>
インターネットやイントラネット等のネットワークの拡大、1920×1080(垂直×水平)ドットの画像情報量をもつハイビジョンTVの普及に加え、HDTV(HighDefinition Television)の放映を間近に控えた今日、データのアーカイブ用途として、民生では50GB以上、好ましくは100GB以上の記録媒体が要求されている。また、コンピューターや放送映像等のバックアップ用途としては、1TB程度あるいはそれ以上の大容量の情報を高速でかつ安価に記録可能な記録媒体が求められている。
そのような状況の中、究極の高密度、大容量記録媒体として注目される三次元光記録媒体は、入射光に対し垂直及び水平方向に記録/再生が可能な記録媒体であって、膜厚方向に何十、何百層もの記録層を重ねたり、或いは厚膜を形成したりすることで、光入射方向に対し何重にも記録再生が可能なため、CD、DVDのような従来の二次元記録媒体に比べ何十、何百倍もの超高密度、超高容量記録の可能性を秘めた記録媒体であると云われている。
<Application to three-dimensional optical recording media>
Today's data archiving applications, with the expansion of networks such as the Internet and Intranet, popularization of high-definition TV with 1920 x 1080 (vertical x horizontal) dot image information amount, and HDTV (High Definition Television) coming soon In consumer use, a recording medium of 50 GB or more, preferably 100 GB or more is required. Further, as a backup application for computers and broadcast videos, a recording medium capable of recording large-capacity information of about 1 TB or more at high speed and at low cost is required.
Under such circumstances, a three-dimensional optical recording medium that is attracting attention as an ultimate high-density, large-capacity recording medium is a recording medium that can record / reproduce in the vertical and horizontal directions with respect to incident light. By stacking dozens or hundreds of recording layers in the direction, or by forming a thick film, it is possible to record and play back multiple times in the light incident direction. It is said to be a recording medium that has the possibility of ultra-high density and ultra-high-capacity recording that is tens or hundreds of times that of a two-dimensional recording medium.

二光子吸収材料を用いる三次元光記録媒体としては、記録再生に蛍光性物質を用いて蛍光で読み取る方法(前記特許文献1〜2)、フォトクロミック化合物を用いて吸収又は蛍光で読み取る方法(前記特許文献3〜4)等が提案されている。しかしながら、これらの特許文献で用いているフォトクロミック化合物は可逆材料であるため、非破壊読み出し、記録の長期保存性、再生のS/N比等に問題があり、光記録媒体として実用性のある方式であるとは言えない。
また、前記特許文献5〜6には、屈折率変調により三次元的に記録する記録装置、及び再生装置、読み出し方法等が開示されているが、二光子吸収三次元光記録材料を用いた方法についての記載はない。
これに対し、非共鳴二光子吸収を利用し、レーザー焦点(記録)部と非焦点(非記録)部を書き換えできない方式で変調できれば、極めて高い空間分解能で、三次元空間の任意の場所に記録を行うことができ、究極の高密度記録媒体とされる三次元光記録媒体を実現することができる。また不可逆材料を用いることで非破壊読み出しが可能となり、良好な保存特性を維持できるため、より実用的である。
As a three-dimensional optical recording medium using a two-photon absorption material, a method of reading with fluorescence using a fluorescent substance for recording and reproduction (the above-mentioned patent documents 1 and 2), a method of reading with absorption or fluorescence using a photochromic compound (the above-mentioned patent) Documents 3 to 4) have been proposed. However, since the photochromic compounds used in these patent documents are reversible materials, there are problems in non-destructive reading, long-term storage stability of recording, S / N ratio of reproduction, and the like, a method that is practical as an optical recording medium I can't say that.
In addition, Patent Documents 5 to 6 disclose a recording apparatus, a reproducing apparatus, a reading method, and the like that three-dimensionally records by refractive index modulation, but a method using a two-photon absorption three-dimensional optical recording material. There is no description about.
On the other hand, if non-resonant two-photon absorption is used and modulation is possible using a method that cannot rewrite the laser focus (recording) and non-focus (non-recording) parts, recording can be performed in any three-dimensional space with extremely high spatial resolution Thus, a three-dimensional optical recording medium that is an ultimate high-density recording medium can be realized. In addition, non-destructive readout is possible by using an irreversible material, and good storage characteristics can be maintained, which is more practical.

本発明の混合物を用いた光記録材料は、スピンコーター、ロールコーター又はバーコーターなどを用いることで、基板上に直接塗布することも、あるいはフィルムとしてキャストし、次いで通常の方法により基板にラミネートすることもできる。ここで「基板」とは、任意の天然又は合成支持体、好適には柔軟性又は剛性フィルム、シート又は板の形態で存在できるものを意味する。溶液調製や塗工時に使用した溶媒は乾燥時に蒸発除去することもでき、蒸発除去には加熱や減圧を用いても良い。
好ましい基板材料としては、ポリエチレンテレフタレート、樹脂下塗り型ポリエチレンテレフタレート、火炎又は静電気放電処理されたポリエチレンテレフタレート、セルロースアセテート、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ガラス等が挙げられる。また、基板には、予めトラッキング用の案内溝やアドレス情報が付与されていても良い。
The optical recording material using the mixture of the present invention can be applied directly on the substrate by using a spin coater, roll coater or bar coater, or cast as a film, and then laminated on the substrate by a usual method. You can also. “Substrate” here means any natural or synthetic support, preferably one that can exist in the form of a flexible or rigid film, sheet or plate. The solvent used during solution preparation and coating can be removed by evaporation during drying, and heating or reduced pressure may be used for evaporation removal.
Preferable substrate materials include polyethylene terephthalate, resin-primed polyethylene terephthalate, polyethylene terephthalate subjected to flame or electrostatic discharge treatment, cellulose acetate, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyester, polyvinyl alcohol, glass and the like. In addition, a tracking guide groove and address information may be provided in advance on the substrate.

更に本発明に係る光記録材料の上に、酸素遮断や層間クロストーク防止のための保護層(中間層)を形成してもよい。保護層(中間層)は、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート又はセロファンフィルムなどのプラスチック製のフィルム又は板を静電的な密着、押し出し機を使った積層等により貼合わせるか、前記ポリマーの溶液を塗布してもよい。また、ガラス板を貼合わせてもよい。但し、このような保護層(中間層)は設けなくても、三次元記録は可能である。
また、保護層と記録材料の間及び/又は基板と記録材料の間に、気密性を高めるための粘着剤又は液状物質を存在させることもできる。更に記録材料間の保護層(中間層)に予めトラッキング用の案内溝やアドレス情報を付与しても良い。
Furthermore, a protective layer (intermediate layer) for blocking oxygen and preventing interlayer crosstalk may be formed on the optical recording material according to the present invention. The protective layer (intermediate layer) is made of a plastic film or plate such as polypropylene, polyethylene, polyolefins such as polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate or cellophane film. Alternatively, the layers may be laminated together or the polymer solution may be applied. Further, a glass plate may be bonded. However, three-dimensional recording is possible without providing such a protective layer (intermediate layer).
Further, an adhesive or a liquid substance for enhancing airtightness may be present between the protective layer and the recording material and / or between the substrate and the recording material. Further, a guide groove for tracking and address information may be provided in advance in a protective layer (intermediate layer) between recording materials.

図1に、本発明1〜7のいずれかの混合物を光記録材料として利用する三次元光記録媒体(a)と、その記録装置(b)の一例を示した。但し本発明は、これらの実施形態により何ら限定されず、三次元記録(平面及び膜厚方向に記録)が可能な構造であれば、他のどのような構造であっても構わない。
図1(a)は平らな基板11a上に、本発明の混合物からなる記録層13aと、クロストーク防止用の中間層14aを交互に50層積層させた三次元光記録媒体の例である。
記録層13aの厚さは0.01〜0.5μm、中間層14aの厚さは0.1〜5μmが好ましく、この構造であれば、今日普及しているCDやDVDと同じサイズで、テラバイト級の大容量の光記録媒体を実現することができる。
情報の三次元的な記録は、光源11bから発生した光15aを、本発明の混合物を含む記録層13a中の所望の箇所に焦点を結ばせることで行なわれる。光源には単一ビームが使用され、この場合、フェムト秒オーダーの超短パルス光を利用することができる。ビット単位、深さ方向単位の記録方法以外に、面光源を利用する並行記録方法も高転送レートを実現することから好ましい。
FIG. 1 shows an example of a three-dimensional optical recording medium (a) using the mixture of any one of the present inventions 1 to 7 as an optical recording material and a recording apparatus (b) thereof. However, the present invention is not limited in any way by these embodiments, and any other structure may be used as long as it can perform three-dimensional recording (recording in a plane and a film thickness direction).
FIG. 1A shows an example of a three-dimensional optical recording medium in which 50 recording layers 13a made of the mixture of the present invention and 50 intermediate layers 14a for preventing crosstalk are alternately laminated on a flat substrate 11a.
The recording layer 13a preferably has a thickness of 0.01 to 0.5 [mu] m, and the intermediate layer 14a preferably has a thickness of 0.1 to 5 [mu] m. Class high-capacity optical recording medium can be realized.
Three-dimensional recording of information is performed by focusing the light 15a generated from the light source 11b on a desired position in the recording layer 13a containing the mixture of the present invention. A single beam is used as the light source, and in this case, ultrashort pulse light of femtosecond order can be used. In addition to the bit-unit and depth-unit recording methods, a parallel recording method using a surface light source is preferable because it achieves a high transfer rate.

また、ここでは図示されていないが、図1(a)の三次元記録媒体において、中間層の存在しないバルク状の記録媒体を作製し、ホログラム記録のようにページデータを一括記録することで、高転送レートを実現することも可能である。
再生は、記録時よりも強度の弱いレーザー光を記録部と未記録部に照射し、それらの発光強度変化、或いは反射率変化を検出器13bで検出することにより行う。再生光には、データ記録に使用するビームとは異なる波長、或いは低出力の同波長の光を用いることもできる。記録と同様に再生においても、ビット単位/ページ単位の再生がいずれにおいても可能であり、面光源や二次元検出器等を利用する並行記録/再生は、転送レートの高速化に有効である。
なお、本発明に従って同様に作製される光記録媒体の形態としては、カード状、プレート状、テープ状、ドラム状等も考えられる。
Although not shown here, in the three-dimensional recording medium of FIG. 1 (a), a bulk recording medium without an intermediate layer is produced, and page data is collectively recorded as in hologram recording, It is also possible to realize a high transfer rate.
Reproduction is performed by irradiating the recording unit and the non-recording unit with laser light having a lower intensity than that during recording, and detecting the change in light emission intensity or reflectance with the detector 13b. As the reproduction light, a light having a wavelength different from that of the beam used for data recording or the same wavelength with a low output can be used. Similar to recording, playback can be performed in bit units / page units, and parallel recording / playback using a surface light source, a two-dimensional detector, or the like is effective in increasing the transfer rate.
Note that the form of the optical recording medium similarly produced according to the present invention may be a card, plate, tape, drum or the like.

<光造形方法・装置としての応用>
光造形用光硬化性樹脂とは、光を照射することにより重合反応を起し、液体から固体へと変化する特性を持った樹脂のことである。主成分はオリゴマーと反応性希釈剤からなる樹脂成分と光重合開始剤(必要に応じ光増感材料を含む)である。オリゴマーは重合度が2〜20程度の重合体であり、末端に多数の反応基を持つ。更に、粘度、硬化性等を調整するため、反応性希釈剤が加えられている。
光を照射すると、重合開始剤又は光増感材料が光を吸収し、重合開始剤から直接又は光増感材料を介して反応種が発生し、オリゴマー、反応性希釈剤の反応基に反応して重合が開始される。その後、これらの間で連鎖的重合反応を起し三次元架橋が形成され、短時間のうちに三次元網目構造を持つ固体樹脂へと変化する。
光硬化性樹脂は光硬化インキ、光接着剤、積層式立体造形などの分野で使用されており、様々な特性を持つ樹脂が開発されている。特に、積層式立体造形においては反応性が良好であること、硬化時の体積収縮が小さいこと、硬化後の機械特性が優れることが重要になっている。
本発明の混合物は、このような要求を満たす重合開始剤又は吸収光増感材料として用いることができる。本発明の混合物中に含まれる二光子吸収材料は従来に比べ光感度が高いため高速造形が可能となり、微細で三次元的な造形を実現することができる。
本発明においては、光増感材料として利用する本発明の混合物を紫外線硬化樹脂等に分散させて感光物固体を形成し、この感光物固体の所望の個所に光照射を行うことにより、照射光の焦点付近のみに硬化反応を起させ、超精密三次元造形物を形成することも可能である。
<Application as stereolithography method / apparatus>
The photo-curing resin for optical modeling is a resin having a property of causing a polymerization reaction when irradiated with light and changing from a liquid to a solid. The main components are a resin component consisting of an oligomer and a reactive diluent and a photopolymerization initiator (including a photosensitizing material as required). An oligomer is a polymer having a degree of polymerization of about 2 to 20, and has a large number of reactive groups at its ends. Furthermore, a reactive diluent is added to adjust viscosity, curability and the like.
When irradiated with light, the polymerization initiator or photosensitizing material absorbs light, and reactive species are generated directly from the polymerization initiator or through the photosensitizing material, and react with the reactive groups of the oligomer and reactive diluent. Polymerization is started. Thereafter, a chain polymerization reaction is caused between them to form a three-dimensional cross-link, and in a short time, a solid resin having a three-dimensional network structure is formed.
Photocurable resins are used in fields such as photocurable inks, photoadhesives, and layered three-dimensional modeling, and resins having various characteristics have been developed. In particular, in the layered three-dimensional modeling, it is important that the reactivity is good, the volume shrinkage during curing is small, and the mechanical properties after curing are excellent.
The mixture of the present invention can be used as a polymerization initiator or an absorption photosensitizing material that satisfies such requirements. Since the two-photon absorption material contained in the mixture of the present invention has higher photosensitivity than conventional ones, high-speed modeling is possible, and fine three-dimensional modeling can be realized.
In the present invention, the mixture of the present invention used as a photosensitizing material is dispersed in an ultraviolet curable resin or the like to form a photosensitive material solid, and light irradiation is performed on a desired portion of the photosensitive material solid. It is also possible to cause a curing reaction only in the vicinity of the focal point of to form an ultra-precise three-dimensional structure.

図2は、本発明1〜7のいずれかの混合物を用いて光造形を行う場合の光造形装置の一例である。
光源21からのパルスレーザー光を可動形式のミラー22及び集光レンズ23を介して本発明の混合物中に含まれる二光子吸収材料24に集光すると、集光点近傍のみに光子密度の高い領域が形成される。このとき、ビームの各断面を通過するフォトンの総数は一定のため、焦点面内でビームを二次元的に走査した場合、各断面における光強度の総和は一定である。しかしながら、二光子吸収の発生確率は光強度の二乗に比例するため、光強度の大きい集光点近傍にのみ二光子吸収の発生の高い領域が形成される。集光点は可動形式のミラー22や可動ステージ25(ガルバノミラー及びZステージ)を制御することにより、光硬化性樹脂液内において自由に変化させることができるため、任意の位置にナノメートルオーダーの精度で樹脂を局所的に硬化することができ、所望の三次元加工物を容易に形成することができる。
また、このように作製される造形物の一例として、図3に光導波路を示した。
FIG. 2 is an example of an optical modeling apparatus in the case of performing optical modeling using any one of the mixtures 1 to 7 of the present invention.
When the pulsed laser light from the light source 21 is condensed on the two-photon absorption material 24 contained in the mixture of the present invention via the movable mirror 22 and the condenser lens 23, a region having a high photon density only in the vicinity of the condensing point. Is formed. At this time, since the total number of photons passing through each cross section of the beam is constant, when the beam is scanned two-dimensionally within the focal plane, the total light intensity in each cross section is constant. However, since the probability of occurrence of two-photon absorption is proportional to the square of the light intensity, a region where the generation of two-photon absorption is high is formed only near the condensing point where the light intensity is high. The condensing point can be freely changed in the photocurable resin liquid by controlling the movable mirror 22 and the movable stage 25 (galvanometer mirror and Z stage). The resin can be locally cured with accuracy, and a desired three-dimensional workpiece can be easily formed.
Moreover, an optical waveguide is shown in FIG.

近年、大容量アーカイブ用途の記録媒体が求められる一方で、ユビキタスネットワークの実現に向けた光ファイバ通信の開発による情報伝送の高速化及び大容量化も求められている。その一つに、WDM(波長多重通信)と呼ばれる波長の異なる光の不干渉性を利用した大容量伝送技術が知られているが、このWDMにおいては、特定の波長の光信号を合波或いは分波する素子が不可欠であり、そのための素子として光導波路が用いられている。光導波路においては、素子内部に、ある特定の屈折率分布などを形成させることにより、電気回路中を電子が流れるように光信号をその分布に沿って導くことができる。このような波長による屈折率変化を利用する光導波路構造は、図2に示す光造形装置を用い、請求項1〜7のいずれかに記載された本発明の混合物を含む薄膜、又は本発明の混合物を光硬化性樹脂等に分散させた固体物を光造形することにより形成することができる。
本発明における光造形を理解するのに有益な公知文献として、前記特許文献7が挙げられる。これによるとパルスレーザー光を感光性高分子材料膜の表面にマスクを介さず干渉露光させている。レーザー光は、感光性高分子材料膜の感光性機能を発揮させる波長成分をもった光からなり、感光性高分子材料の種類、又は感光性高分子材料の感光性機能を有する基又は部位に応じて選択されている。
また光導波路に関する公知文献としては、前記特許文献8〜11に光屈折率材料に光を照射して形成される光導波路などが開示されている。
In recent years, while a recording medium for large-capacity archives is demanded, an increase in information transmission speed and capacity is also demanded by development of optical fiber communication for realizing a ubiquitous network. One of them is known as WDM (Wavelength Multiplexing Communication), which is a large-capacity transmission technology that uses the incoherence of light with different wavelengths. In this WDM, optical signals of specific wavelengths are combined or An element for demultiplexing is indispensable, and an optical waveguide is used as an element for that purpose. In the optical waveguide, by forming a specific refractive index distribution or the like inside the element, an optical signal can be guided along the distribution so that electrons flow in the electric circuit. The optical waveguide structure using the refractive index change due to such a wavelength uses the optical modeling apparatus shown in FIG. 2, and the thin film containing the mixture of the present invention described in any one of claims 1 to 7, or of the present invention It can form by carrying out the optical modeling of the solid substance which disperse | distributed the mixture to photocurable resin etc.
As a known document useful for understanding the optical modeling in the present invention, Patent Document 7 is cited. According to this, pulsed laser light is subjected to interference exposure on the surface of the photosensitive polymer material film without using a mask. The laser beam consists of light having a wavelength component that exerts the photosensitive function of the photosensitive polymer material film, and is applied to the type of photosensitive polymer material or the group or site having the photosensitive function of the photosensitive polymer material. Is selected accordingly.
Further, as publicly known documents relating to optical waveguides, the above-mentioned Patent Documents 8 to 11 disclose optical waveguides formed by irradiating light to a photorefractive index material.

このような従来のものに比べて、本発明の混合物を利用した光造形物は、次の(i)〜(v)のような特徴を有する。
(i)回折限界を超える加工分解能
二光子吸収の光強度に対する非線形性によって、焦点以外の領域では光硬化性樹脂が硬化しない。このため照射光の回折限界を超えた加工分解能を実現できる。
(ii)超高速造形
本発明の混合物を用いて加工される造形物においては、従来に比べ、二光子吸収感度が高いため、ビームのスキャン速度を速くすることができる。
(iii)三次元加工性
光硬化性樹脂は、二光子吸収を誘起する近赤外光に対して透明である。したがって焦点光を樹脂の内部へ深く集光した場合でも内部硬化が可能である。二光子吸収現象を利用しない従来の加工技術においては、ビームを深く集光した場合、光吸収によって集光点の光強度が小さくなり、内部硬化が困難になる問題点があるが、本発明ではこうした問題点を確実に解決することができる。
(iv)高い歩留り
従来法では樹脂の粘性や表面張力によって造形物が破損、変形するという問題があったが、本発明では、樹脂の内部で造形を行うためこうした問題が解消される。
(v)大量生産への適用
超高速造形を利用することによって、短時間に、連続的に多数個の部品又は可動機構の製造が可能である。
Compared to such a conventional one, the optically shaped object using the mixture of the present invention has the following features (i) to (v).
(I) Processing resolution exceeding the diffraction limit Due to the non-linearity of the two-photon absorption with respect to the light intensity, the photo-curable resin is not cured in a region other than the focal point. For this reason, processing resolution exceeding the diffraction limit of irradiation light is realizable.
(Ii) Ultra-high-speed modeling In a modeled object processed using the mixture of the present invention, since the two-photon absorption sensitivity is higher than the conventional one, the beam scanning speed can be increased.
(Iii) Three-dimensional processability The photocurable resin is transparent to near-infrared light that induces two-photon absorption. Therefore, internal curing is possible even when the focused light is condensed deeply into the resin. In the conventional processing technique that does not use the two-photon absorption phenomenon, when the beam is condensed deeply, there is a problem that the light intensity at the condensing point becomes small due to light absorption and internal hardening becomes difficult. These problems can be solved reliably.
(Iv) High Yield In the conventional method, there is a problem that the modeled object is damaged or deformed due to the viscosity or surface tension of the resin. However, in the present invention, such a problem is solved because modeling is performed inside the resin.
(V) Application to mass production By using ultra-high-speed modeling, a large number of parts or movable mechanisms can be manufactured continuously in a short time.

<光制限方法・装置としての応用>
光通信や光情報処理では、情報等の信号を光で搬送するためには変調、スイッチング等の光制御が必要になる。この種の光制御には、従来、電気信号を用いた電気−光制御方法が採用されている。しかし、電気−光制御方法は、電気回路のようなCR時定数により帯域が制限されること、素子自体の応答速度や電気信号と光信号との間の速度の不釣合いにより処理速度(>10ps)が制限されることなどの制約があり、光の利点である広帯域性や高速性を十分に生かすためには、光信号によって光信号を制御する光−光制御技術が非常に重要になってくる。この要求に応えるものとして本発明の混合物を加工して作製した光学素子は、光を照射することにより引き起こされる透過率や屈折率、吸収係数などの光学的変化を利用し、電子回路技術を用いずに光の強度や周波数を直接光で変調することにより、光通信、光交換、光コンピューター、光インターコネクション等における高速光スイッチなどに応用することが可能である。
<Application as light limiting method and device>
In optical communication and optical information processing, optical control such as modulation and switching is required to carry signals such as information with light. For this type of light control, conventionally, an electro-light control method using an electric signal has been adopted. However, the electro-optical control method has a processing speed (> 10 ps) because the band is limited by the CR time constant as in an electric circuit, the response speed of the element itself, and the unbalance of the speed between the electric signal and the optical signal. ) Is limited, and the light-light control technology that controls the optical signal by the optical signal becomes very important in order to make full use of the broadband property and high speed that are the advantages of light. come. An optical element manufactured by processing the mixture of the present invention in response to this requirement uses an electronic circuit technology by utilizing optical changes such as transmittance, refractive index, and absorption coefficient caused by light irradiation. Without directly modulating the intensity or frequency of light with light, it can be applied to a high-speed optical switch in optical communication, optical exchange, optical computer, optical interconnection, and the like.

二光子吸収による光学特性変化を利用する本発明の光制限素子は、通常の半導体材料により形成される光制限素子や、一光子励起によるものに比べて、応答速度がはるかに優れた素子(<1ps)を提供することができ、また高感度ゆえに、S/N比の高い信号特性に優れた光制限素子を提供することができる。
従来の一光子吸収や、過飽和吸収を利用した光制限素子の例としては、例えばスペクトルホールバーニング、励起子吸収、サブバンド間遷移、量子閉じ込めシャタルク効果などが挙げられるが、これらの素子では、超高速応答を得ることが困難である、素子作製(組成、構造)が複雑である、対応波長域が狭い、偏波依存性の大きい系が多いといった問題がある。
一方、二光子吸収の非線形性を利用した光制限素子においては、超高速応答性に優れる、素子作製(組成、構造)が容易である、対応波長域が広く波長選択制が広い、偏波依存性がないといった利点がある。
The light limiting element of the present invention that utilizes the change in optical characteristics due to two-photon absorption is a light limiting element formed of a normal semiconductor material, or an element having a much faster response speed than that of one-photon excitation (< 1 ps), and because of its high sensitivity, it is possible to provide an optical limiting element excellent in signal characteristics with a high S / N ratio.
Examples of conventional optical limiting elements utilizing single-photon absorption or supersaturated absorption include spectral hole burning, exciton absorption, intersubband transition, quantum confinement chattalc effect, etc. There are problems in that it is difficult to obtain a high-speed response, device fabrication (composition, structure) is complicated, the corresponding wavelength range is narrow, and there are many systems with large polarization dependence.
On the other hand, in the optical limiting element using the nonlinearity of two-photon absorption, it is excellent in ultra-high-speed response, easy to manufacture (composition, structure), wide wavelength range, wide wavelength selection, polarization dependence There is an advantage that there is no sex.

図4は、本発明1〜7のいずれかの混合物を、特定波長の制御光により二光子励起させて、一光子励起し得る波長の信号光をスイッチングする素子を示したものである。
制御光41及び信号光42から入射したレーザー光は、集光装置43(レンズ、凹面鏡など)により集光され、制御光41の強度が極めて強い場合のみ、保護層で挟持された本発明の混合物からなる光学フィルター44内で吸収され、一光子励起波長の透過率が変化する。制御光42の強度がない場合又は弱い場合はそのまま通過し、コリメート装置45(レンズ、凹面鏡など)により迷光を除去するカラーフィルター46等を通して、出射側にある光検出器47において検出される。即ち、このように二光子吸収の非線形性に伴う透過率の変化を利用することにより、信号光を制御光の強弱で処理する高速応答の光スイッチングが可能となる。
図5は、本発明1〜7のいずれかの混合物を、信号光と制御光により二光子励起させて全光スイッチングする光制御素子の動作例である。(a)は光制限素子と制御光、信号光、出力光の関係を示し、(b)は信号光、制御光、出力光とスイッチングの関係を示す。
制御光及び信号光は、集光装置により本発明の混合物を主構成要素とする光制限素子に集光され〔図5(a)〕、制御光がoffの場合は信号光がそのまま出力され、制御光がonの場合は信号光と共に二光子吸収され出力は無くなる〔図5(b)〕。制御光のon/offにより、信号光の光スイッチングが可能となる。
FIG. 4 shows an element that switches the signal light having a wavelength that can be excited by one photon by two-photon excitation of the mixture according to any one of the present inventions 1 to 7 with control light having a specific wavelength.
The laser light incident from the control light 41 and the signal light 42 is collected by a light collecting device 43 (lens, concave mirror, etc.), and the mixture of the present invention sandwiched between protective layers only when the intensity of the control light 41 is extremely high. And the transmittance of the one-photon excitation wavelength changes. When the intensity of the control light 42 is not strong or weak, it passes through as it is, and is detected by the photodetector 47 on the emission side through a color filter 46 etc. that removes stray light by a collimator device 45 (lens, concave mirror, etc.). That is, by utilizing the change in transmittance due to the nonlinearity of two-photon absorption in this way, it is possible to perform optical switching with high-speed response in which signal light is processed with the intensity of control light.
FIG. 5 shows an operation example of a light control element that performs two-photon excitation of the mixture of any one of the first to seventh aspects of the present invention with signal light and control light and performs all-optical switching. (A) shows the relationship between the light limiting element and control light, signal light, and output light, and (b) shows the relationship between signal light, control light, output light, and switching.
The control light and the signal light are condensed on the light limiting element having the mixture of the present invention as a main component by the condensing device [FIG. 5 (a)], and when the control light is off, the signal light is output as it is, When the control light is on, two-photons are absorbed together with the signal light and no output is output [FIG. 5 (b)]. By switching on / off the control light, optical switching of the signal light becomes possible.

図6は、本発明1〜7のいずれかの混合物を、二光子励起し得る波長の制御光で二光子励起させることにより、出力光の光路をスイッチングする光制御素子の一例を示すものであり、(a)(b)は制御光の入射方向が異なる例である。
制御光及び信号光から入射したレーザー光は、集光装置により本発明の混合物を主構成要素とする光導波路の分岐路部位に集光され、制御光の強度が極めて強い場合のみ光導波路の分岐路部位により吸収され、その部位の屈折率が変化する。二光子吸収による光導波路の分岐路部位の屈折率変化、信号光の光導波路の屈折率、及び出力光の光導波路の屈折率を調整することにより出力光の光路を切り替えることができる。二光子吸収の非線形性に伴う屈折率の変化を利用することにより、例えば光導波路において、光路のスイッチングを行うことが可能となる。
本発明における光制限素子を理解するのに役立つ公知文献としては、前記特許文献12〜14が挙げられるが、本発明の混合物を利用した光機能素子は、通常の半導体材料により形成される素子や材料の一光子励起を利用する素子と比べて、応答速度がはるかに優れ、かつ高感度で、S/N比が高いといった優れた信号特性も備えている。
FIG. 6 shows an example of a light control element that switches the optical path of output light by two-photon excitation of the mixture of any one of the present inventions 1 to 7 with control light having a wavelength capable of two-photon excitation. (A) and (b) are examples in which the incident directions of the control light are different.
The laser light incident from the control light and the signal light is focused on the branch path portion of the optical waveguide whose main component is the mixture of the present invention by the condensing device, and is branched only when the intensity of the control light is extremely strong. It is absorbed by the road part and the refractive index of the part changes. The optical path of the output light can be switched by adjusting the refractive index change of the branch path portion of the optical waveguide due to two-photon absorption, the refractive index of the optical waveguide of the signal light, and the refractive index of the optical waveguide of the output light. By utilizing the change in the refractive index accompanying the nonlinearity of two-photon absorption, it becomes possible to switch the optical path, for example, in an optical waveguide.
Known documents useful for understanding the light limiting element in the present invention include Patent Documents 12 to 14, but the optical functional element using the mixture of the present invention is an element formed of a normal semiconductor material or the like. Compared with a device using one-photon excitation of a material, the device has excellent signal characteristics such as a much faster response speed, higher sensitivity, and a higher S / N ratio.

<二光子励起蛍光検出方法・装置としての応用>
二光子励起蛍光検出法とは、二光子蛍光材料を結合させて標識した被分析物を含む試料に、近赤外のパルスレーザーを集光しながら走査し、被分析物が二光子励起されたときに発生する蛍光を検出することにより、三次元的に像を得る検出方法のことである。図7にそのような光検出デバイスの一例として、二光子励起蛍光顕微鏡を示した。
図7に示す装置は、近赤外域波長のサブピコ秒単色コヒーレントパルスを発生する光源71から、レーザー光を発生させ、ダイクロイックミラー72を経て、集光装置73により集光し、本発明の混合物中に含まれる二光子吸収材料を結合させた被分析物を含む試料74中で焦点を結ばせることより、二光子蛍光を発生させる。試料上でレーザー光を操作し、各場所の蛍光強度を光検出器76で検出し、蛍光強度と得られた位置情報とをコンピューター上でプロットすることにより、三次元蛍光像を得ることができる。この場合、該顕微鏡には所望の集光位置をレーザービームで走査するための走査機構が備えられており、例えばステージ75に置かれた試料を移動させても良く、また、可動ミラー(ガルバノミラーなど)を用いてレーザービームを走査しても良い。
このような構成の二光子励起蛍光顕微鏡は光軸方向に高分解能の像を得ることができるが、共焦点ピンホール板を用いることで、面内、光軸方向共に更に分解能を上げることができる。
<Application as a two-photon excitation fluorescence detection method / apparatus>
The two-photon excitation fluorescence detection method is a two-photon excited material that is scanned by focusing a near-infrared pulse laser on a sample containing an analyte labeled with a two-photon fluorescent material. It is a detection method that obtains an image three-dimensionally by detecting the fluorescence that is sometimes generated. FIG. 7 shows a two-photon excitation fluorescence microscope as an example of such a light detection device.
The apparatus shown in FIG. 7 generates laser light from a light source 71 that generates sub-picosecond monochromatic coherent pulses in the near-infrared wavelength region, and condenses the light by a condensing device 73 via a dichroic mirror 72, in the mixture of the present invention. Two-photon fluorescence is generated by focusing in the sample 74 containing the analyte to which the two-photon absorbing material contained in the sample is bound. A three-dimensional fluorescent image can be obtained by manipulating the laser beam on the sample, detecting the fluorescence intensity at each location with the photodetector 76, and plotting the fluorescence intensity and the obtained position information on a computer. . In this case, the microscope is provided with a scanning mechanism for scanning a desired condensing position with a laser beam. For example, a sample placed on the stage 75 may be moved, and a movable mirror (galvano mirror) may be moved. Etc.) may be used to scan the laser beam.
The two-photon excitation fluorescence microscope having such a configuration can obtain a high-resolution image in the optical axis direction, but by using a confocal pinhole plate, the resolution can be further increased in both the in-plane and optical axis directions. .

このように用いられる二光子蛍光材料は、被分析物を染色したり、被分析物に分散させて使用することができ、工業用途のみならず、生体細胞等の三次元画像マイクロイメージングにも用いることができる。また生体適合性のポリマーと混合することにより光線力学的治療法(PDT)における光感受性材料として用いることも可能である。
上記のような二光子励起蛍光顕微鏡の理解に役立つ公知文献としては前記特許文献15が挙げられる。例えば走査型蛍光顕微鏡は、所望の大きさに拡大されたコリメート光を発するレーザー照射光学系と、複数の集光素子が形成された基板とを備え、該集光素子の集光位置が対物レンズ系の像位置に一致するように配され、かつ、前記の集光素子が形成された基板と対物レンズ系との間に、長波長を透過し短波長を反射するビームスプリッタが配され、標本面で二光子吸収による蛍光を発生させることを特徴とするものである。このような構成により、二光子吸収そのものの非線形効果を利用して、光軸方向の高分解能を得ることができる。加えて、共焦点ピンホール板を用いれば、さらなる高分解能(面内、光軸方向共)が得られる。
本発明の混合物によれば、従来の二光子励起蛍光材料に比較し高感度であるため、試料に照射する光強度を上げる必要がなく、試料の劣化、破壊を抑制することができる。特に生体へ適用する場合においては、生体へのダメージを低減することも可能となる。
The two-photon fluorescent material used in this way can be used by staining an analyte or being dispersed in the analyte, and is used not only for industrial use but also for three-dimensional image microimaging of living cells and the like. be able to. It can also be used as a photosensitive material in photodynamic therapy (PDT) by mixing with a biocompatible polymer.
As a known document useful for understanding the above-described two-photon excitation fluorescence microscope, Patent Document 15 is cited. For example, a scanning fluorescent microscope includes a laser irradiation optical system that emits collimated light expanded to a desired size, and a substrate on which a plurality of condensing elements are formed. A beam splitter that transmits a long wavelength and reflects a short wavelength is disposed between the substrate on which the light condensing element is formed and the objective lens system, so as to coincide with the image position of the system. The surface is characterized by generating fluorescence by two-photon absorption. With such a configuration, it is possible to obtain high resolution in the optical axis direction by utilizing the nonlinear effect of two-photon absorption itself. In addition, if a confocal pinhole plate is used, higher resolution (both in-plane and in the optical axis direction) can be obtained.
According to the mixture of the present invention, the sensitivity is higher than that of the conventional two-photon excitation fluorescent material, so that it is not necessary to increase the light intensity applied to the sample, and deterioration and destruction of the sample can be suppressed. In particular, when applied to a living body, damage to the living body can be reduced.

本発明によれば、可視から近赤外波長領域の光電場と表面プラズモンの相互作用を利用した、表面プラズモンの共鳴周波数、金属−材料間の距離制御が容易で、かつプラズモン増強効果を効果的に利用することができ、三次元的な特性の均一性と環境安定性に優れた混合物、及び該混合物を利用したプラズモニクスデバイスを提供できる。   According to the present invention, it is easy to control the resonance frequency of the surface plasmon and the distance between the metal and the material using the interaction between the photoelectric field in the visible to near-infrared wavelength region and the surface plasmon, and the plasmon enhancement effect is effective. It is possible to provide a mixture excellent in three-dimensional property uniformity and environmental stability, and a plasmonics device using the mixture.

以下、実施例及び比較例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。なお、後述する図9A〜図9Hのロッド状金微粒子の大きさは、長軸の長さが約30〜50nm、短軸の長さが約10nmである。また、表面を被覆している珪素酸化物の膜厚は全て8〜15nm程度の範囲にある。但し、珪素酸化物の膜厚は約5〜30nmの範囲で制御可能である。更に、図にはないが、微粒子が球形の場合は直径20nm程度とすることが好ましい。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not restrict | limited at all by these Examples. 9A to 9H, which will be described later, have a major axis length of about 30 to 50 nm and a minor axis length of about 10 nm. Further, the film thickness of the silicon oxide covering the surface is all in the range of about 8 to 15 nm. However, the film thickness of the silicon oxide can be controlled in the range of about 5 to 30 nm. Further, although not shown in the figure, when the fine particles are spherical, the diameter is preferably about 20 nm.

(実施例1)
<金ナノロッドの合成>
CTAB(臭化セチルトリメチルアンモニウム)の0.18mol水溶液500mLに、撹拌しながらシクロヘキサノン3.0mL、ジイソブチルケトン1.5mL、塩化金酸の0.024mol水溶液39.0mL、硝酸銀の0.01mol水溶液15.0mLを順次加え、更に撹拌しながらアスコルビン酸の0.1mol水溶液を塩化金酸の色が消失するまで滴下した。
次いで、上記溶液を低圧水銀灯下で紫外線照射しながら更にアスコルビン酸の0.1mol水溶液7.0mLを滴下し、CTABで保護された水系溶媒分散型のロッド状金微粒子溶液を得た。その後、遠心分離(7000G、60min)を複数回繰り返し、過剰のCTABを取り除いた。
次いで、このロッド状金微粒子溶液を、ポリカチオンとしてポリ(4−スチレンスルホン酸ナトリウム)(分子量70,000、以下PSSという)を2.0g/L含むNaClの6.0mmol水溶液中に滴下した後、過剰なPSSを遠心分離(7000G、60min)により除去し、ロッド状PSS被覆金微粒子を得た。
次いで、このロッド状PSS被覆金微粒子を、ポリアニオンとしてポリ(アリルアミン塩酸塩)(分子量15,000、以下PAHという)を2.0g/L含むNaClの6.0mmol水溶液中に滴下した後、過剰なPAHを遠心分離(7000G、60min)により除去し、ロッド状PAH被覆金微粒子を得た。
次いで、このロッド状PAH被覆金微粒子を、ポリマー膜の安定化のため、ポリ(ビニルピロリドン)(分子量35,000、以下PVPという)の4.0g/L水溶液中に滴下した後、過剰なPVPを遠心分離(7000G、60min)により除去し、最終的にPSS、PAH、PVPの三種類の水溶性ポリマーで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を得た。
次いで、この沈殿物を体積比1:5の割合で2−プロパノールに分散させた。
次いで、この分散液2.5mLを、2−プロパノールを溶媒とするTEOS(テトラエトキシシラン)の0.97vol%溶液2.0mLと、アンモニアの33.0wt%水溶液を3.84vol%含む2−プロパノール溶液3.0mLからなる混合溶液中に滴下し、3時間撹拌した。
攪拌後、2−プロパノール分散液から、遠心分離(6500G、60min)によって未反応TEOSを除去し、ロッド状珪素酸化物被覆金微粒子の沈殿物を得た。〔このロッド状珪素酸化物被覆金微粒子のTEM(透過型電子顕微鏡)画像を図9Aに示した。〕
次いで、この沈殿物をプラズモン共鳴波長における吸光度が0.8となるようエタノール中に再分散させた。
次いで、この溶液3.0mLをクロロホルムを溶媒とするOTMS(オクタデシルトリメトキシシラン)の2.4mol%溶液300μLと、アンモニアの33.0wt%水溶液30μLからなる混合溶液に滴下し、一昼夜撹拌を続けることにより、非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子を得た。
最後に、この非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子3mgをトルエン10mLに再分散し、下記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
Example 1
<Synthesis of gold nanorods>
To 500 mL of a 0.18 mol aqueous solution of CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), while stirring, 3.0 mL of cyclohexanone, 1.5 mL of diisobutyl ketone, 39.0 mL of 0.024 mol aqueous solution of chloroauric acid, and 0.01 mol aqueous solution of silver nitrate 15. 0 mL was sequentially added, and a 0.1 mol aqueous solution of ascorbic acid was added dropwise with stirring until the color of chloroauric acid disappeared.
Next, 7.0 mL of a 0.1 mol aqueous solution of ascorbic acid was further added dropwise while irradiating the solution with ultraviolet light under a low-pressure mercury lamp, to obtain an aqueous solvent-dispersed rod-shaped gold fine particle solution protected with CTAB. Thereafter, centrifugation (7000 G, 60 min) was repeated a plurality of times to remove excess CTAB.
Next, this rod-shaped gold fine particle solution was dropped into a 6.0 mmol aqueous solution of NaCl containing 2.0 g / L of poly (sodium 4-styrenesulfonate) (molecular weight 70,000, hereinafter referred to as PSS) as a polycation. Excess PSS was removed by centrifugation (7000 G, 60 min) to obtain rod-shaped PSS-coated gold fine particles.
Next, the rod-shaped PSS-coated gold fine particles were dropped into a 6.0 mmol aqueous solution of NaCl containing 2.0 g / L of poly (allylamine hydrochloride) (molecular weight: 15,000, hereinafter referred to as PAH) as a polyanion, PAH was removed by centrifugation (7000 G, 60 min) to obtain rod-shaped PAH-coated gold fine particles.
Next, the rod-shaped PAH-coated gold fine particles were dropped into a 4.0 g / L aqueous solution of poly (vinyl pyrrolidone) (molecular weight: 35,000, hereinafter referred to as PVP) for stabilization of the polymer film, and then excess PVP. Was removed by centrifugation (7000 G, 60 min), and finally a precipitate of rod-shaped gold fine particles coated with three kinds of water-soluble polymers of PSS, PAH, and PVP was obtained.
Next, this precipitate was dispersed in 2-propanol at a volume ratio of 1: 5.
Next, 2.5 mL of this dispersion liquid was added to 2.0 mL of a 0.97 vol% solution of TEOS (tetraethoxysilane) using 2-propanol as a solvent, and 2-propanol containing 3.84 vol% of a 33.0 wt% aqueous solution of ammonia. The solution was dropped into a mixed solution consisting of 3.0 mL of the solution and stirred for 3 hours.
After stirring, unreacted TEOS was removed from the 2-propanol dispersion by centrifugation (6500 G, 60 min) to obtain a precipitate of rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles. [A TEM (transmission electron microscope) image of the rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles is shown in FIG. 9A. ]
The precipitate was then redispersed in ethanol so that the absorbance at the plasmon resonance wavelength was 0.8.
Next, 3.0 mL of this solution is added dropwise to a mixed solution consisting of 300 μL of a 2.4 mol% solution of OTMS (octadecyltrimethoxysilane) using chloroform as a solvent and 30 μL of a 33.0 wt% aqueous solution of ammonia, and stirring is continued overnight. Thus, non-aqueous solvent dispersion type rod-shaped silicon oxide coated gold fine particles were obtained.
Finally, 3 mg of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particle is redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of a two-photon absorbing organic material shown in the following [Chemical Formula 1], and then this solution is spin-coated. Was applied onto a glass substrate to prepare a thin film sample having a thickness of 200 nm.

(実施例2)
実施例1と同じ非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子3mgを、トルエン10mLに再分散し、下記〔化2〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。(ここで用いた非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子のTEM画像を図9Bに示した。)
(Example 2)
The same non-aqueous solvent dispersion type rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles 3 mg as in Example 1 were redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the following [Chemical Formula 2], A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying onto a glass substrate by spin coating. (A TEM image of the non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles used here is shown in FIG. 9B.)

(実施例3)
実施例1と同じ、遠心分離により過剰のCTABを取り除いた水系溶媒分散型のロッド状金微粒子溶液を、ポリアニオンとしてポリビニルリン酸(以下PVPAという、分子量90,000)を2.0g/L含むNaClの6.0mmol水溶液中に滴下した後、過剰なPVPAを遠心分離(7000G、60min)により除去して、PVPA一種類の水溶性ポリマーで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を得た。
その後、実施例1と同じ手順に従って、非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子を得た。
最後に、この非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子3mgをトルエン10mLに再分散し、前記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7.0mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。(ここで用いた非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子のTEM画像を図9Cに示した。)
(Example 3)
As in Example 1, an aqueous solvent-dispersed rod-shaped gold fine particle solution from which excess CTAB was removed by centrifugation was used as a polyanion, which contained 2.0 g / L of polyvinyl phosphate (hereinafter referred to as PVPA, molecular weight 90,000) as a polyanion. Then, excessive PVPA was removed by centrifugation (7000 G, 60 min) to obtain a precipitate of rod-shaped gold fine particles coated with one kind of PVPA water-soluble polymer.
Thereafter, following the same procedure as in Example 1, non-aqueous solvent dispersion type rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles were obtained.
Finally, 3 mg of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particle is redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7.0 mg of the two-photon absorption organic material shown in the above [Chemical Formula 1]. A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying the film on a glass substrate by spin coating. (A TEM image of the non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles used here is shown in FIG. 9C.)

(実施例4)
過剰なPSS、PAH、PVPを除去する遠心分離の条件を6000G、30minに変えた点以外は、実施例1と同じ手順に従って、PSS、PAH、PVPの三種類の水溶性ポリマーで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を得た。
次いで、この沈殿物を体積比1:5の割合で2−プロパノールに分散させた。
次いで、2−プロパノールを溶媒とする0.97vol%のTEOS溶液2.0mLに、2−プロパノール5.0mLを加えて激しく攪拌しながら、その中に上記沈殿物の分散液2.5mLを滴下し、更に触媒としてアンモニアの33.0wt%水溶液を3.84vol%含む2−プロパノール溶液0.3mLを加え、1.5時間撹拌した。
攪拌後、2−プロパノール分散液から、遠心分離(6000G、30min)によって未反応TEOSを除去し、その後は実施例1と同じ手順に従って、非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子を得た。(この非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子のTEM画像を図9Dに示した。)
Example 4
A rod coated with three water-soluble polymers of PSS, PAH, and PVP according to the same procedure as in Example 1 except that the centrifugation conditions for removing excess PSS, PAH, and PVP were changed to 6000 G, 30 min. A precipitate of fine gold particles was obtained.
Next, this precipitate was dispersed in 2-propanol at a volume ratio of 1: 5.
Next, 2.5 mL of 2-propanol was added to 2.0 mL of a 0.97 vol% TEOS solution using 2-propanol as a solvent, and while stirring vigorously, 2.5 mL of the precipitate dispersion was added dropwise thereto. Furthermore, 0.3 mL of 2-propanol solution containing 3.84 vol% of 33.0 wt% aqueous solution of ammonia was added as a catalyst and stirred for 1.5 hours.
After stirring, unreacted TEOS was removed from the 2-propanol dispersion by centrifugation (6000 G, 30 min), and then the non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles were added according to the same procedure as in Example 1. Obtained. (A TEM image of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particle is shown in FIG. 9D.)

(実施例5)
過剰なPVPAを除去する際の遠心分離の条件を6000G、30minに変えた点以外は、実施例3と同じ手順に従って、PVPAで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を得た。
次いで、この沈殿物を体積比1:5の割合で2−プロパノールに分散させた。
次いで、2−プロパノールを溶媒とする0.97vol%のTEOS溶液2.0mLに、2−プロパノール5.0mLを加えて激しく攪拌しながら、その中に上記沈殿物の分散液2.5mLを滴下し、更に触媒としてアンモニアの33.0wt%水溶液を3.84vol%含む2−プロパノール溶液0.3mLを加え、1.5時間撹拌した。
攪拌後、2−プロパノール分散液から、遠心分離(6000G、30min)によって未反応TEOSを除去し、その後は実施例1と同じ手順に従って、非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子を得た。(この非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子のTEM画像を図9Eに示した。)
(Example 5)
A precipitate of rod-shaped gold fine particles coated with PVPA was obtained according to the same procedure as in Example 3 except that the centrifugation conditions for removing excess PVPA were changed to 6000 G and 30 min.
Next, this precipitate was dispersed in 2-propanol at a volume ratio of 1: 5.
Next, 2.5 mL of 2-propanol was added to 2.0 mL of a 0.97 vol% TEOS solution using 2-propanol as a solvent, and while stirring vigorously, 2.5 mL of the precipitate dispersion was added dropwise thereto. Furthermore, 0.3 mL of 2-propanol solution containing 3.84 vol% of 33.0 wt% aqueous solution of ammonia was added as a catalyst and stirred for 1.5 hours.
After stirring, unreacted TEOS was removed from the 2-propanol dispersion by centrifugation (6000 G, 30 min), and then the non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles were added according to the same procedure as in Example 1. Obtained. (A TEM image of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particle is shown in FIG. 9E.)

(実施例6)
実施例4と同じ手順に従って得た2−プロパノール分散液から、遠心分離(6500G、60min)により未反応TEOSを除去した後、2−プロパノールへの分散と遠心分離を、遠心分離条件を最適化しながら繰り返すことにより精製し、同一方向に配向した、珪素酸化物で被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を分離した。(このロッド状珪素酸化物被覆金微粒子のTEM画像を図9Fに示した。)
次いで、得られた沈殿物をプラズモン共鳴波長における吸光度が0.8となるようエタノール中に再分散させた。
次いで、この溶液3.0mLを、クロロホルムを溶媒とする2.4mol%OTMS溶液300μLと、アンモニアの33.0wt%水溶液30μLからなる混合溶液に滴下し、一昼夜撹拌を続けることにより、非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子を得た。
最後に、この非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子3mgをトルエン10mLに再分散し、前記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Example 6)
After removing unreacted TEOS from the 2-propanol dispersion obtained according to the same procedure as in Example 4 by centrifugation (6500 G, 60 min), dispersion in 2-propanol and centrifugation were performed while optimizing the centrifugation conditions. The precipitates of rod-shaped gold fine particles coated with silicon oxide and purified in the same direction and separated in the same direction were separated. (A TEM image of this rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particle is shown in FIG. 9F.)
Next, the obtained precipitate was redispersed in ethanol so that the absorbance at the plasmon resonance wavelength was 0.8.
Next, 3.0 mL of this solution was dropped into a mixed solution consisting of 300 μL of a 2.4 mol% OTMS solution containing chloroform as a solvent and 30 μL of a 33.0 wt% aqueous solution of ammonia, and the mixture was stirred for a whole day and night to disperse the nonaqueous solvent. Type rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles were obtained.
Finally, 3 mg of this non-aqueous solvent dispersion type rod-shaped silicon oxide coated gold fine particle is redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the above [Chemical Formula 1], and then this solution is spin-coated. Was applied onto a glass substrate to prepare a thin film sample having a thickness of 200 nm.

(実施例7)
実施例1と同じPSS、PAH、PVPで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を体積比1:5の割合で2−プロパノールに分散させた。
次いで、この分散液2.5mLを、2−プロパノールを溶媒とする1.0vol%テトライソプロピルチタネート溶液2.0mLと、アンモニアの33.0wt%水溶液を3.84vol%含む2−プロパノール溶液3.0mLからなる混合溶液中に滴下し、3時間撹拌した。
攪拌後、2−プロパノール分散液から、遠心分離(6500G、60min)によって未反応テトライソプロピルチタネートを除去し、ロッド状チタン酸化物被覆金微粒子の沈殿物を得た。
最後に、この非水溶媒分散型のロッド状チタン酸化物被覆金微粒子3mgを、トルエン10mLに再分散し、前記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Example 7)
A precipitate of rod-shaped gold fine particles coated with the same PSS, PAH, and PVP as in Example 1 was dispersed in 2-propanol at a volume ratio of 1: 5.
Next, 2.5 mL of this dispersion liquid was added to 2.0 mL of a 1.0 vol% tetraisopropyl titanate solution using 2-propanol as a solvent, and 3.0 mL of a 2-propanol solution containing 3.84 vol% of a 33.0 wt% aqueous solution of ammonia. The solution was dropped into the mixed solution consisting of and stirred for 3 hours.
After stirring, unreacted tetraisopropyl titanate was removed from the 2-propanol dispersion by centrifugation (6500 G, 60 min) to obtain a precipitate of rod-shaped titanium oxide-coated gold fine particles.
Finally, 3 mg of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped titanium oxide-coated gold fine particle is redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the above [Chemical Formula 1], and then the solution is spun. A thin film sample having a thickness of 200 nm was produced by coating on a glass substrate by coating.

(実施例8)
実施例1と同じPSS、PAH、PVPで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を体積比1:5の割合で2−プロパノールに分散させた。
次いで、この分散液2.5mLを、2−プロパノールを溶媒とする1.0vol%n−プロピルジルコネート溶液2.0mLと、アンモニアの33.0wt%水溶液を3.84vol%含む2−プロパノール溶液3.0mLからなる混合溶液中に滴下し、3時間撹拌した。
攪拌後、2−プロパノール分散液から、遠心分離(6500G、60min)によって未反応n−プロピルジルコネートを除去し、ロッド状ジルコニウム酸化物被覆金微粒子の沈殿物を得た。
最後に、この非水溶媒分散型のロッド状ジルコニウム酸化物被覆金微粒子3mgをトルエン10mLに再分散し、前記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Example 8)
A precipitate of rod-shaped gold fine particles coated with the same PSS, PAH, and PVP as in Example 1 was dispersed in 2-propanol at a volume ratio of 1: 5.
Next, 2.5 mL of this dispersion liquid was added to 2.0 mL of a 1.0 vol% n-propyl zirconate solution using 2-propanol as a solvent, and 2-propanol solution 3 containing 3.84 vol% of a 33.0 wt% aqueous solution of ammonia. Dropped into a mixed solution consisting of 0.0 mL, and stirred for 3 hours.
After stirring, unreacted n-propyl zirconate was removed from the 2-propanol dispersion by centrifugation (6500 G, 60 min) to obtain a precipitate of rod-shaped zirconium oxide-coated gold fine particles.
Finally, 3 mg of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped zirconium oxide-coated gold fine particle is redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorbing organic material shown in [Chemical Formula 1], and then this solution is spin-coated. Was applied onto a glass substrate to prepare a thin film sample having a thickness of 200 nm.

(実施例9)
実施例1と同じPSS、PAH、PVPで被覆されたロッド状金微粒子の沈殿物を体積比1:5の割合で2−プロパノールに分散させた。
次いで、この分散液2.5mLを、2−プロパノールを溶媒とする1.0vol%エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート溶液2.0mLと、アンモニアの33.0wt%水溶液を3.84vol%含む2−プロパノール溶液3.0mLからなる混合溶液中に滴下し、3時間撹拌した。
攪拌後、2−プロパノール分散液から、遠心分離(6500G、60min)によって未反応エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートを除去し、ロッド状アルミニウム酸化物被覆金微粒子の沈殿物を得た。
最後に、この非水溶媒分散型のロッド状アルミニウム酸化物被覆金微粒子3mgをトルエン10mLに再分散し、前記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
Example 9
A precipitate of rod-shaped gold fine particles coated with the same PSS, PAH, and PVP as in Example 1 was dispersed in 2-propanol at a volume ratio of 1: 5.
Then, 2.5 mL of this dispersion liquid was added to 2.0 mL of a 1.0 vol% ethyl acetoacetate aluminum diisopropylate solution using 2-propanol as a solvent, and 2-propanol containing 3.84 vol% of a 33.0 wt% aqueous solution of ammonia. The solution was dropped into a mixed solution consisting of 3.0 mL of the solution and stirred for 3 hours.
After stirring, unreacted ethyl acetoacetate aluminum diisopropylate was removed from the 2-propanol dispersion by centrifugation (6500 G, 60 min) to obtain a precipitate of rod-shaped aluminum oxide-coated gold fine particles.
Finally, 3 mg of this non-aqueous solvent-dispersed rod-shaped aluminum oxide-coated gold fine particle is redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorbing organic material shown in the above [Chemical Formula 1], and then this solution is spin-coated. Was applied onto a glass substrate to prepare a thin film sample having a thickness of 200 nm.

(実施例10)
実施例1と同じ非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子3mgを、トルエン10mLに再分散し、下記〔化3〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Example 10)
The same non-aqueous solvent dispersion type rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles 3 mg as in Example 1 were re-dispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the following [Chemical Formula 3]. A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying the film on a glass substrate by spin coating.

(実施例11)
実施例1と同じ非水溶媒分散型のロッド状珪素酸化物被覆金微粒子3mgを、トルエン10mLに再分散し、下記〔化4〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(上記式中、[ ]は繰り返し単位であり、nは自然数を表す。)
この重合体の、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)で測定したポリスチレン換算の数平均分子量は48200、重量平均分子量は134600であった。
(Example 11)
The same non-aqueous solvent dispersion type rod-shaped silicon oxide-coated gold fine particles 3 mg as in Example 1 were redispersed in 10 mL of toluene and mixed with 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the following [Chemical Formula 4], A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying the film on a glass substrate by spin coating.
(In the above formula, [] is a repeating unit, and n represents a natural number.)
This polymer had a polystyrene-reduced number average molecular weight of 48,200 and a weight average molecular weight of 134,600 as measured by GPC (gel permeation chromatography).

(比較例1)
実施例1においてCTABで保護された水系溶媒分散型のロッド状金微粒子溶液を得る際に、低圧水銀灯下で紫外線照射しながら更にアスコルビン酸の0.1mol水溶液を滴下した後、遠心分離(7000G、60min)を複数回繰り返して過剰のCTABを除去し、次いで、3−アミノプロピルエチルジエトキシシランの1.0mol%トルエン溶液と混合して攪拌し、ロッド状金微粒子をトルエン層に分散させた。このとき、トルエン層に分散したロッド状金微粒子を採取し、TEM観察した。結果を図9Hに示す。
この溶液を1mL中に3mgのロッド状金微粒子が含まれるよう調整し、該溶液1mLと、前記〔化1〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, when obtaining an aqueous solvent-dispersed rod-shaped gold fine particle solution protected with CTAB, a 0.1 mol aqueous solution of ascorbic acid was added dropwise while irradiating with ultraviolet light under a low-pressure mercury lamp, followed by centrifugation (7000 G, 60 min) was repeated a plurality of times to remove excess CTAB, and then mixed with a 1.0 mol% toluene solution of 3-aminopropylethyldiethoxysilane and stirred to disperse the rod-shaped gold fine particles in the toluene layer. At this time, rod-shaped gold fine particles dispersed in the toluene layer were collected and observed by TEM. The result is shown in FIG. 9H.
This solution was adjusted so that 3 mg of rod-shaped gold fine particles were contained in 1 mL, mixed with 1 mL of the solution and 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the above [Chemical Formula 1], and this solution was spin-coated to form a glass substrate. A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying the film on the top.

(比較例2)
実施例1においてCTABで保護された水系溶媒分散型のロッド状金微粒子溶液を得る際に、低圧水銀灯下で紫外線照射しながら更にアスコルビン酸の0.1mol水溶液を滴下した後、遠心分離(7000G、60min)を複数回繰り返して過剰のCTABを除去し、次いで、3−メルカプトプロピルトリエトキシシランの1.0mol%トルエン溶液と混合して攪拌し、ロッド状金微粒子をトルエン層に分散させた。
この溶液を1mL中に3mgのロッド状金微粒子が含まれるよう調整し、該溶液1mLと、前記〔化2〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Comparative Example 2)
In Example 1, when obtaining an aqueous solvent-dispersed rod-shaped gold fine particle solution protected with CTAB, a 0.1 mol aqueous solution of ascorbic acid was added dropwise while irradiating with ultraviolet light under a low-pressure mercury lamp, followed by centrifugation (7000 G, 60 min) was repeated a plurality of times to remove excess CTAB, and then mixed with a 1.0 mol% toluene solution of 3-mercaptopropyltriethoxysilane and stirred to disperse the rod-shaped gold fine particles in the toluene layer.
This solution was adjusted so that 3 mg of rod-shaped gold fine particles were contained in 1 mL, mixed with 1 mL of the solution and 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the above [Chemical Formula 2], and this solution was spin-coated to form a glass substrate. A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying the film on the top.

(比較例3)
実施例1においてCTABで保護された水系溶媒分散型のロッド状金微粒子溶液を得る際に、低圧水銀灯下で紫外線照射しながら更にアスコルビン酸の0.1mol水溶液を滴下した後、遠心分離(7000G、60min)を複数回繰り返して過剰のCTABを除去し、次いで、3−アミノプロピルエチルジエトキシシランの1.0mol%トルエン溶液と混合して攪拌し、ロッド状金微粒子をトルエン層に分散させた。
この溶液を1mL中に3mgのロッド状金微粒子が含まれるよう調整し、該溶液1mLと、前記〔化3〕に示す二光子吸収有機材料7mgと混合した後、この溶液をスピンコートによりガラス基板上に塗布して、厚さ200nmの薄膜サンプルを作製した。
(Comparative Example 3)
In Example 1, when obtaining an aqueous solvent-dispersed rod-shaped gold fine particle solution protected with CTAB, a 0.1 mol aqueous solution of ascorbic acid was added dropwise while irradiating with ultraviolet light under a low-pressure mercury lamp, followed by centrifugation (7000 G, 60 min) was repeated a plurality of times to remove excess CTAB, and then mixed with a 1.0 mol% toluene solution of 3-aminopropylethyldiethoxysilane and stirred to disperse the rod-shaped gold fine particles in the toluene layer.
This solution was adjusted so that 3 mg of rod-shaped gold fine particles were contained in 1 mL, and 1 mL of the solution was mixed with 7 mg of the two-photon absorption organic material shown in the above [Chemical Formula 3]. A thin film sample having a thickness of 200 nm was prepared by applying the film on the top.

上記実施例及び比較例で作製した薄膜サンプルについて次のようにして評価を行った。
(評価方法)
プラズモンによる光感度の増強効果の評価は、本発明の混合物中に含まれる二光子吸収材料の「蛍光光量」を代替特性として測定することで行った。
本来であれば、本発明の混合物に含まれる二光子吸収材料の「二光子吸収効率」を代替特性として評価する方がより直接的であるが、二光子吸収効率の測定は技術的に非常に困難であり、測定精度が低いという問題がある。そこで、上記実施例及び比較例の薄膜サンプルの作製において、二光子吸収有機材料として蛍光特性を有する材料を用いることとし、二光子吸収の結果として生じる蛍光光量を、増強効果の代替特性として評価することにした。
図8に蛍光光量の測定系の概略図を示す。
二光子吸収のための励起光光源は、スペクトラフィジックス社製のMaiTai(赤外線フェムト秒レーザー、繰り返し周波数80MHz、パルス幅100fs)を用いた。
出力調整のため、λ/2板とグランレーザープリズムよりなるアッテネーターを設け、平均出力200mWに調整した。出力調整後、λ/4板を通して励起光を円偏光に変換し、焦点距離100mmの平凸レンズにより、設置したサンプル内部に集光させた。励起光の焦点位置で発生する蛍光は、焦点距離40mmのカップリングレンズで集光して概略平行光とした後、ダイクロイックミラーにより励起光と分離し、更に赤外線カットガラスフィルターを通し、焦点距離100mmの平凸レンズで概略集光後にフォトダイオードで検出した。
The thin film samples produced in the above examples and comparative examples were evaluated as follows.
(Evaluation method)
Evaluation of the photosensitivity enhancement effect by plasmons was performed by measuring the “fluorescent light amount” of the two-photon absorption material contained in the mixture of the present invention as an alternative characteristic.
Originally, it is more direct to evaluate the “two-photon absorption efficiency” of the two-photon absorption material contained in the mixture of the present invention as an alternative characteristic, but the measurement of the two-photon absorption efficiency is technically very much. There is a problem that it is difficult and measurement accuracy is low. Therefore, in the production of the thin film samples of the above examples and comparative examples, a material having fluorescence characteristics is used as the two-photon absorption organic material, and the amount of fluorescence generated as a result of the two-photon absorption is evaluated as an alternative characteristic of the enhancement effect. It was to be.
FIG. 8 shows a schematic diagram of a measurement system for the amount of fluorescent light.
As the excitation light source for two-photon absorption, MaiTai (infrared femtosecond laser, repetition frequency 80 MHz, pulse width 100 fs) manufactured by Spectra Physics was used.
In order to adjust the output, an attenuator composed of a λ / 2 plate and a gran laser prism was provided, and the average output was adjusted to 200 mW. After adjusting the output, the excitation light was converted into circularly polarized light through a λ / 4 plate and condensed inside the installed sample by a plano-convex lens having a focal length of 100 mm. Fluorescence generated at the focal point of the excitation light is condensed by a coupling lens having a focal length of 40 mm to be approximately parallel light, separated from the excitation light by a dichroic mirror, and further passed through an infrared cut glass filter, with a focal length of 100 mm. After being roughly condensed with a plano-convex lens, it was detected with a photodiode.

(評価結果)
評価結果を表1に示す。
特性の欄の評価は、測定した実施例の二光子蛍光光量と比較例の二光子蛍光光量の比を求め、その値が1.5以上となったものをE(Excellent)、1.0以上1.5未満となったものをG(Good)とした。
なお、実施例1〜9は比較例1との比で、実施例10は比較例2との比で、実施例11は比較例3との比でそれぞれ判定した。
均一性の欄の評価は、測定個所を変えて測定したとき、二光子蛍光光量が30%以上変動する場合をF(Fail)、10%以上30%未満の範囲で変動する場合をG(Good)、10%未満の変動の場合をE(E:Excellent)とした。
保存特性(環境安定性)の欄の評価は、2−プロパノール中の無機酸化物被覆金属微粒子の分散特性を代替特性として評価し、この微粒子の2−プロパノール分散溶液を室温で1週間放置した時、微粒子が凝集してしまったものをF(Fail)、溶液中の一部にわずかに凝集物が観察されたものをG(Good)、変化は見られず均一な分散状態を保ったものをE(Excellent)とした。
表1から、本発明の混合物では、従来よりもプラズモン増強効果を効果的に引き出すことが可能となり、特性の均一性と金属微粒子の保存特性も改善できることがわかる。
(Evaluation results)
The evaluation results are shown in Table 1.
The evaluation in the column of characteristics is the ratio of the measured two-photon fluorescence light amount of the measured example to the two-photon fluorescence light amount of the comparative example, and E (Excellent), 1.0 or more when the value is 1.5 or more. G (Good) was defined as less than 1.5.
In addition, Examples 1-9 were determined by the ratio with Comparative Example 1, Example 10 by the ratio with Comparative Example 2, and Example 11 by the ratio with Comparative Example 3, respectively.
In the evaluation of the uniformity column, when the measurement location is changed, the case where the two-photon fluorescence amount fluctuates by 30% or more is F (Fail), and the case where it fluctuates in the range of 10% or more and less than 30% is G (Good). ) E (E: Excellent) was defined as a variation of less than 10%.
The evaluation in the storage property (environmental stability) column is when the dispersion property of the inorganic oxide-coated metal fine particles in 2-propanol is evaluated as an alternative property, and the 2-propanol dispersion solution of the fine particles is left at room temperature for one week. F (Fail) when the fine particles are aggregated, G (Good) when the aggregate is slightly observed in a part of the solution, and maintaining a uniform dispersion without any change E (Excellent).
From Table 1, it can be seen that the mixture of the present invention can effectively bring out the plasmon enhancing effect as compared with the conventional case, and can improve the uniformity of characteristics and the storage characteristics of metal fine particles.

本発明1〜7のいずれかの混合物を光記録材料として利用する三次元光記録媒体とその記録装置の一例を示す図。(a)三次元光記録媒体、(b)記録装置。The figure which shows an example of the three-dimensional optical recording medium which utilizes the mixture in any one of this invention 1-7 as an optical recording material, and its recording device. (A) a three-dimensional optical recording medium, (b) a recording apparatus. 本発明1〜7のいずれかの混合物を用いて光造形を行う場合の光造形装置の一例を示す図。The figure which shows an example of the optical modeling apparatus in the case of performing optical modeling using the mixture in any one of this invention 1-7. 光造形装置により作製される造形物の一例としての光導波路を示す図。The figure which shows the optical waveguide as an example of the molded article produced with an optical modeling apparatus. 本発明1〜7のいずれかの混合物を、二光子励起し得る波長の制御光により二光子励起させることによって、一光子励起し得る波長の信号光を光スイッチングする光制御素子の一例を示す図。The figure which shows an example of the light control element which optically switches the signal light of the wavelength which can carry out one-photon excitation by carrying out the two-photon excitation of the mixture in any one of this invention 1-7 with the control light of the wavelength which can carry out two-photon excitation . 本発明1〜7のいずれかの混合物を、信号光と制御光により二光子励起させる全光スイッチングする光制御素子の動作例を示す図。(a)光制限素子と制御光、信号光、出力光の関係を示す図、(b)信号光、制御光、出力光とスイッチングの関係を示す図。The figure which shows the operation example of the light control element which carries out all the optical switching which carries out the two-photon excitation of the mixture in any one of this invention 1-7 with signal light and control light. (A) The figure which shows the relationship between a light limiting element, control light, signal light, and output light, (b) The figure which shows the relationship between signal light, control light, output light, and switching. 本発明1〜7のいずれかの混合物を、二光子励起し得る波長の制御光により二光子励起させることによって、出力光の光路を光スイッチングする光制御素子の一例を示す図。(a)(b)は制御光の入射方向が異なる例。The figure which shows an example of the light control element which optically switches the optical path of output light by carrying out the two-photon excitation of the mixture in any one of this invention 1-7 with the control light of the wavelength which can carry out a two-photon excitation. (A) (b) is an example from which the incident direction of control light differs. 二光子励起蛍光顕微鏡の一例を示す図。The figure which shows an example of a two-photon excitation fluorescence microscope. 実施例の評価で用いた測定システムの概略図。The schematic diagram of the measurement system used by evaluation of an example. 無機酸化物被覆金微粒子のTEM画像。TEM image of inorganic oxide-coated gold fine particles. 本発明6の金属微粒子の形態を説明する図。(a)本発明6に該当する形態、(b)本発明6に該当しない形態。The figure explaining the form of the metal microparticle of this invention 6. (A) A form corresponding to the present invention 6 and (b) a form not corresponding to the present invention 6. 請求項7の金属微粒子の形態を説明する図。(a)本発明7に該当する形態、(b)本発明7に該当しない形態。The figure explaining the form of the metal microparticle of Claim 7. (A) A form corresponding to the present invention 7, (b) a form not corresponding to the present invention 7.

符号の説明Explanation of symbols

11a 基板(支持体)
11b 光源
12a 基板(支持体)
12b 光源
13a 記録層
13b 検出器
14a 中間層(保護層)
14b ピンホール
15a 光
21 光源
22 可動形式のミラー
23 集光レンズ
24 二光子吸収材料
25 可動ステージ
41 制御光
42 信号光
43 集光装置
44 光学フィルター
45 コリメート装置
46 カラーフィルター
47 検出器、
71 光源
72 ダイクロイックミラー
73 集光装置
74 試料
75 ステージ
76 光検出器
11a Substrate (support)
11b Light source 12a Substrate (support)
12b Light source 13a Recording layer 13b Detector 14a Intermediate layer (protective layer)
14b Pinhole 15a Light 21 Light source 22 Movable mirror 23 Condensing lens 24 Two-photon absorption material 25 Movable stage 41 Control light 42 Signal light 43 Condensing device 44 Optical filter 45 Collimating device 46 Color filter 47 Detector,
71 Light source 72 Dichroic mirror 73 Condensing device 74 Sample 75 Stage 76 Photodetector

Claims (16)

表面が高分子材料で被覆され、更にその表面が無機酸化物で被覆された金属微粒子と、二光子吸収有機材料とを含有することを特徴とする混合物。   A mixture comprising metal fine particles having a surface coated with a polymer material and a surface coated with an inorganic oxide, and a two-photon absorbing organic material. 前記高分子材料が水溶性であることを特徴とする請求項1に記載の混合物。   The mixture according to claim 1, wherein the polymer material is water-soluble. 前記高分子材料が電解質であることを特徴とする請求項1又は2に記載の混合物。   The mixture according to claim 1 or 2, wherein the polymer material is an electrolyte. 前記金属微粒子が金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混合物。   The mixture according to claim 1, wherein the metal fine particles are gold. 前記金属微粒子の形状がナノメートルサイズのロッド形状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混合物。   The mixture according to any one of claims 1 to 4, wherein the shape of the metal fine particles is a rod shape having a nanometer size. 前記無機酸化物によって被覆された金属微粒子の数が1つであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の混合物。   The mixture according to any one of claims 1 to 5, wherein the number of metal fine particles covered with the inorganic oxide is one. 前記無機酸化物1粒子中に含まれる金属微粒子が同一方向に配向していることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の混合物。   The mixture according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal fine particles contained in one particle of the inorganic oxide are oriented in the same direction. 請求項1〜7のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする光記録材料。   An optical recording material comprising the mixture according to claim 1. 請求項1〜7のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする光造形材料。   The optical modeling material characterized by including the mixture in any one of Claims 1-7. 請求項1〜7のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする光制限材料。   A light limiting material comprising the mixture according to claim 1. 請求項1〜7のいずれかに記載の混合物を含むことを特徴とする二光子励起蛍光材料。   A two-photon excited fluorescent material comprising the mixture according to claim 1. 平面上に記録層が形成され、該平面に対し、平面上及び垂直方向に記録再生が可能な三次元光記録媒体において、請求項1〜7のいずれかに記載の混合物が、光記録が行なわれる記録層の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする三次元光記録媒体。   A three-dimensional optical recording medium having a recording layer formed on a plane and capable of recording / reproducing on the plane and in a direction perpendicular to the plane, the mixture according to any one of claims 1 to 7 performs optical recording. A three-dimensional optical recording medium characterized by being included as at least a part of a recording layer. 光硬化性樹脂に集光したレーザー光を照射して光造形を行う光造形装置において、請求項1〜7のいずれかに記載の混合物が、前記光硬化性樹脂の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする光造形装置。   In the optical modeling apparatus which performs optical modeling by irradiating the laser beam condensed on photocurable resin, the mixture in any one of Claims 1-7 is contained as at least one part of the said photocurable resin. An optical modeling apparatus characterized by comprising: 制御光により信号光の光透過光強度を制限する素子を備えた光制限装置において、請求項1〜7のいずれかに記載の混合物が、前記素子の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする光制限装置。   In the light limiting apparatus provided with the element which restrict | limits the light transmission light intensity | strength of signal light with control light, The mixture in any one of Claims 1-7 is contained as at least one part of the said element. Light limiting device. 制御光により信号光の光の進路を制限する素子を備えた光制限装置において、請求項1〜7のいずれかに記載の混合物が、前記素子の少なくとも一部として含まれていることを特徴とする光制限装置。   In the optical limiting device provided with the element which restricts the course of the light of signal light with control light, the mixture according to any one of claims 1 to 7 is included as at least a part of the element, Light limiting device. 試料中の被分析物に請求項1〜7のいずれかに記載の混合物を選択的に担持させ、該被分析物に光照射して、前記混合物中に含まれる二光子吸収材料の二光子蛍光光を発現させ、これを検出することによって被分析物を検出する機能を有することを特徴とする二光子励起蛍光検出装置。   A two-photon fluorescence of a two-photon absorption material contained in the mixture by selectively carrying the mixture according to any one of claims 1 to 7 on an analyte in a sample and irradiating the analyte with light. A two-photon excitation fluorescence detection apparatus characterized by having a function of detecting an analyte by expressing light and detecting the light.
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