JP2012073226A - Probe for fiber and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a probe for fiber for measuring infrared absorption with a very high sensitivity that can carry out measurement of an infrared absorption signal even when a liquid or gas 4 of measurement object is apart from a spectrometer 1.SOLUTION: The probe for fiber 3 is constructed by forming a metal nano-structural film exhibiting an electromagnetic field enhancing effect on a surface of a probe material for fiber that transmits infrared light. The probe is not limited to a fiber shape. The probe is only required to receive the infrared light from an infrared fiber 2, reflect the infrared light at the surface of the probe material, and return it to the infrared fiber 2, and required to be attachable/detachable.

Description

本発明は、表面上に金属ナノ構造膜が被覆されてなる赤外吸収スペクトルなどの赤外吸収シグナル測定用のファイバー用プローブに関する。なお、本願においては「赤外」という用語は中赤外及び近赤外を含む広い意味で使用される。   The present invention relates to a probe for fibers for measuring an infrared absorption signal such as an infrared absorption spectrum in which a metal nanostructure film is coated on the surface. In the present application, the term “infrared” is used in a broad sense including mid-infrared and near-infrared.

非特許文献1および非特許文献1に示されるように、表面増強ラマン散乱(Surface Enhanced Raman Scattering:SERS)、表面増強赤外吸収(Surface Enhanced Infrared Absorption:SEIRA)効果は、高感度かつ簡便な化学センサー・バイオセンサーに応用できる現象として、精力的な研究が行われている。特にSEIRAセンサーは表面プラズモンセンサーなどの誘電センサーや抵抗測定型のガスセンサーなどとは異なり、分子振動によるシグナルを計測できる。そのため、生体分子・高分子などの成分の検出や同定、それらの状態変化の高感度モニター、あるいは、燃料電池などの電極表面での化学種の反応過程のモニターなど、分子種の成分検出と状態・環境モニターに威力を発揮する。   As shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, surface enhanced Raman scattering (SERS) and surface enhanced infrared absorption (SEIRA) effects are highly sensitive and simple chemistry. Energetic research is being conducted as a phenomenon that can be applied to sensors and biosensors. In particular, unlike a dielectric sensor such as a surface plasmon sensor or a resistance measurement type gas sensor, a SEIRA sensor can measure a signal due to molecular vibration. Therefore, detection and status of components of molecular species, such as detection and identification of components such as biomolecules and macromolecules, high-sensitivity monitoring of their state changes, or monitoring of reaction processes of chemical species on the electrode surface of fuel cells, etc. -Demonstrates power in environmental monitoring.

非特許文献1は、金属ナノ粒子を用いた高感度ラマン散乱に関する研究、非特許文献2は、金属ナノ構造膜による表面増強赤外吸収に関する研究、非特許文献3は、溶液中微粒子膜の吸着・脱離におけるキネティクスと分子プロセスに関する研究、非特許文献4は、溶液中金属微粒子の吸着・脱離のモニタリングに関する研究、非特許文献5は、金ナノ粒子を吸着させた後に成長させ、金ナノ構造膜を作成した研究の論文である。   Non-Patent Document 1 is a study on high-sensitivity Raman scattering using metal nanoparticles, Non-Patent Document 2 is a study on surface-enhanced infrared absorption by a metal nanostructure film, and Non-Patent Document 3 is an adsorption of a fine particle film in a solution.・ Research on kinetics and molecular processes in desorption, Non-patent document 4 is research on adsorption / desorption monitoring of metal fine particles in solution, Non-patent document 5 is grown after adsorbing gold nanoparticles. This is a research paper on creating a structural film.

島状金属ナノ構造からなる金属膜や荒い表面モフォロジーを持つ連続金属膜は高い赤外活性を示すため、この様な金属膜を半導体・絶縁体基板上に成長させたナノ薄膜がセンサー材料として用いられる場合が多い。このようなセンサー材料を高感度なその場計測に用いる際には、例えば、液体フローセルの中のシリコンプリズム結晶に膜を成長させたものが用いられて来た。しかし、このような計測ではフローセルを分光器内部に精度よく組み込み調整することが必要であり、さらに計測できる対象は1.0ml程度か、あるいはそれ以下の小さな容積を持つ液体試料に限られていた。また、プリズム結晶に金属膜を制御して成長させるためには、一回一回セルを取り出してセットする必要があり、膜の製作に手間がかかっていた。   Metal films consisting of island-like metal nanostructures and continuous metal films with rough surface morphology exhibit high infrared activity, and nanothin films obtained by growing such metal films on semiconductor / insulator substrates are used as sensor materials. It is often done. When such a sensor material is used for highly sensitive in-situ measurement, for example, a material obtained by growing a film on a silicon prism crystal in a liquid flow cell has been used. However, in such measurement, it is necessary to accurately incorporate and adjust the flow cell in the spectroscope, and the target that can be further measured is limited to a liquid sample having a small volume of about 1.0 ml or less. . In addition, in order to grow the prism film by controlling the metal film, it is necessary to take out and set the cell once and it takes time to manufacture the film.

一方、赤外帯域の光を伝送あるいは透過する光ファイバー材料内に赤外光を通し、分光器外に置いた検体に照射し、その反射光を分析する、あるいは、動物・人体・塗料・液体試料など、弾力性・流動性のある検体に直接接触させることで、検体とファイバー、あるいはファイバー用プローブの界面で全反射した赤外光の吸収スペクトルを測定する手法が確立している。   On the other hand, let infrared light pass through an optical fiber material that transmits or transmits light in the infrared band and irradiate the specimen placed outside the spectrograph and analyze the reflected light, or animal, human body, paint, liquid sample For example, a method for measuring the absorption spectrum of infrared light totally reflected at the interface between a specimen and a fiber or a fiber probe by directly contacting the specimen with elasticity and fluidity has been established.

しかしながら、これらの方法では、遠方場による直接反射光や、ファイバー用プローブと試料界面のエバネッセント光を用いて、プローブ表面と接触する部分の赤外吸収スペクトルを得るため、赤外光の検体表面における侵入長は1μm程度以上のオーダーとなってしまい、分子層レベルの薄い膜や微量の試料からの吸収シグナルを得ることは困難である。   However, these methods use infrared light directly reflected from the far field or evanescent light at the fiber probe-sample interface to obtain an infrared absorption spectrum of the portion in contact with the probe surface. The penetration length is on the order of about 1 μm or more, and it is difficult to obtain an absorption signal from a thin film at a molecular layer level or a trace amount of sample.

本発明は、このような実情に鑑み、オンサイト環境計測、その場化学反応計測、その場生体・医療計測などへと応用が可能なフレキシブルな赤外ファイバー用のプローブの表面を高感度化のための金属ナノ構造膜によりコーティング処理することにより、高い感度を持つプローブを実現し、高感度な計測を簡単化することを目的とする。ここで本発明におけるファイバー用プローブとは、赤外ファイバーの先端あるいは光路中に計測する検体溶液・試料と直接接触するように置かれ、シグナルを増強する機能を持ち、入射した赤外光を検体溶液・試料とプローブとの界面で反射し分光器へと返すような、交換可能な部品を指す。このようなプローブを用いることができれば、分光器内部にセットできないような生体試料や、化学反応中の試料、更には河川・湖沼等のフィールドでの水質測定などの環境測定などを簡便に計測することが可能となる。また、金属ナノ構造膜によるプローブ材料のコーティング工程についても、フローセルなどを用いないために簡単化でき、製造ラインでの大量生産などにも適した製造方法が望まれる。   In view of such circumstances, the present invention provides a highly sensitive surface for a probe for a flexible infrared fiber that can be applied to on-site environmental measurement, in-situ chemical reaction measurement, in-situ biological / medical measurement, and the like. The purpose of this is to realize a highly sensitive probe by coating with a metal nanostructure film for the purpose, and to simplify highly sensitive measurement. Here, the fiber probe in the present invention is placed in direct contact with the sample solution / sample to be measured in the tip of the infrared fiber or in the optical path, has a function of enhancing the signal, and the incident infrared light is used as the sample. A replaceable part that reflects off the interface between the solution / sample and the probe and returns to the spectrometer. If such a probe can be used, biological samples that cannot be set inside the spectrometer, samples during chemical reactions, and environmental measurements such as water quality measurements in fields such as rivers and lakes can be easily measured. It becomes possible. Further, the coating process of the probe material with the metal nanostructure film can be simplified because a flow cell is not used, and a manufacturing method suitable for mass production on a manufacturing line is desired.

本発明の一側面によれば、赤外光を伝送あるいは透過させる材料からなるプローブ材料表面上を金属ナノ構造膜により被覆し、前記金属ナノ構造膜による電磁場増強効果により吸収シグナルの増強を生じる赤外吸収シグナル測定用ファイバー用プローブが与えられる。
ここにおいて、前記ファイバー用プローブ材料は多結晶赤外(PIR)ファイバーであってよい。
あるいは、前記ファイバー用プローブ材料はシリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ZnSe、KBr、NaCl,等の赤外光透過材料の結晶であってよい。
また、前記金属ナノ構造膜は複数の互いに離間した金属の島状部を含んでよい。
本発明の他の側面によれば、以下のステップを設けた、前記ファイバー用プローブの作製方法が与えられる。
(a)赤外光を伝送あるいは透過させる材料からなる前記プローブ材料表面をシランカップリング剤で表面処理する。
(b)前記シランカップリング剤で表面処理された前記プローブ材料表面に金属ナノ粒子を吸着させる。
(c)前記吸着された金属ナノ粒子を成長させる。
ここにおいて、前記金属ナノ粒子を成長させるステップは無電解メッキにより行ってよい。
また、前記金属は金であってよい。
ここで、前記無電解メッキはAuCl/hydroxylamine溶液を用いて行ってよい。
本発明の更に他の側面によれば、Agを含むPIRファイバーのプローブに、化学的な表面処理、電気化学的な表面処理、及び電子線ビームを照射する物理的な表面処理からなる群から選ばれた少なくとも1つの表面処理を行うことで表面に析出したAgナノ粒子を前記金属ナノ構造膜とした、前記ファイバー用プローブの作製方法が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、赤外帯域にプラズモン共鳴周波数を持つ金属ナノロッドまたは金属ナノディスク、あるいは金属ナノロッド、金属ナノディスクまたは金属ナノ粒子を連結して赤外帯域にプラズモン共鳴周波数を持つようにした金属膜を赤外光を伝送あるいは透過させる材料からなるファイバー表面に直接にあるいはカップリング剤を介して固定化することにより前記金属ナノ構造膜を形成する、前記ファイバー用プローブの作製方法が与えられる。
ここにおいて、前記ファイバー用プローブで検出すべき対象と前記金属ナノ構造膜の両者に親和性を持つ物質で前記金属ナノ構造膜を被覆してよい。
According to one aspect of the present invention, the surface of a probe material made of a material that transmits or transmits infrared light is coated with a metal nanostructure film, and an absorption signal is enhanced by an electromagnetic field enhancement effect of the metal nanostructure film. A fiber probe for measuring external absorption signals is provided.
Here, the fiber probe material may be a polycrystalline infrared (PIR) fiber.
Alternatively, the fiber probe material may be a crystal of an infrared light transmitting material such as silicon, germanium, diamond, ZnSe, KBr, NaCl, or the like.
The metal nanostructure film may include a plurality of metal islands spaced apart from each other.
According to the other aspect of this invention, the manufacturing method of the said probe for fibers provided with the following steps is given.
(A) The surface of the probe material made of a material that transmits or transmits infrared light is surface-treated with a silane coupling agent.
(B) Adsorbing metal nanoparticles on the surface of the probe material surface-treated with the silane coupling agent.
(C) Growing the adsorbed metal nanoparticles.
Here, the step of growing the metal nanoparticles may be performed by electroless plating.
The metal may be gold.
Here, the electroless plating may be performed using an AuCl 4 / hydroxylamine solution.
According to still another aspect of the present invention, a PIR fiber probe containing Ag is selected from the group consisting of a chemical surface treatment, an electrochemical surface treatment, and a physical surface treatment that irradiates an electron beam. A method for producing the fiber probe is provided, in which the Ag nanoparticle deposited on the surface by performing at least one surface treatment is used as the metal nanostructure film.
According to still another aspect of the present invention, metal nanorods or metal nanodisks having a plasmon resonance frequency in the infrared band, or metal nanorods, metal nanodisks or metal nanoparticles are connected to increase the plasmon resonance frequency in the infrared band. Fabrication of the fiber probe, wherein the metal nanostructure film is formed by immobilizing the metal film formed on the fiber surface made of a material that transmits or transmits infrared light directly or via a coupling agent A method is given.
Here, the metal nanostructure film may be coated with a substance having affinity for both the object to be detected by the fiber probe and the metal nanostructure film.

本発明のファイバー用プローブを使用することにより、本発明の金属ナノ構造膜を有していない従来の同様なプローブを使用する場合に比べてはるかに高い感度が得られる。この感度は、本願発明者が以前に報告した、Siプリズム表面に金ナノ構造膜を被覆させた構成の一回反射型の全反射減衰測定用プローブと比較しても更に高いものであるだけではなく、このような報告済みの構成のプローブよりも使い勝手のよいものである。   By using the fiber probe of the present invention, a much higher sensitivity can be obtained compared to the case of using a conventional similar probe not having the metal nanostructure film of the present invention. This sensitivity is higher than that of the single reflection type total reflection attenuation measurement probe reported by the inventor of the present application, in which the gold nanostructure film is coated on the Si prism surface. Rather, it is easier to use than a probe with such a reported configuration.

本発明のファイバー用プローブを使用した測定システムの構成例の模式図。The schematic diagram of the structural example of the measurement system using the probe for fibers of this invention. 本発明の実施例における、赤外吸収シグナル測定用高感度プロ−ブ表面での金ナノ構造膜の成長の模式図。The schematic diagram of the growth of the gold | metal nanostructure film | membrane on the highly sensitive probe surface for infrared absorption signal measurement in the Example of this invention. 本発明の実施例におけるファイバー用プロ−ブ表面で、金ナノ構造膜を成長させながら測定した赤外吸収スペクトルを示す図。The figure which shows the infrared absorption spectrum measured while growing the gold nanostructure film | membrane on the probe surface for fibers in the Example of this invention. 本発明の実施例における、金ナノ構造膜被覆後のファイバー用プロ−ブの走査電子顕微鏡写真とその一部の拡大写真。The scanning electron micrograph of the probe for fibers after gold nanostructure film coating in the example of the present invention, and a partial enlarged photograph. 本発明の実施例において製作した、金ナノ構造膜被覆後のファイバー用プローブに単分子層のオクタデカンチオールを吸着させて行った性能評価スペクトルにおいて、32%のCH伸縮振動の吸収シグナルを記録した結果を示す図。Results of recording an absorption signal of 32% CH stretching vibration in a performance evaluation spectrum prepared by adsorbing monodecane octadecanethiol to a fiber probe coated with a gold nanostructure film manufactured in an example of the present invention FIG. 本発明の実施例において、電子ビーム照射前のPIR製のファイバー用プローブ表面の走査電子顕微鏡写真。In the Example of this invention, the scanning electron micrograph of the probe surface for the fibers made from PIR before electron beam irradiation. 25キロ電子ボルトで加速した電子ビームを58マイクロアンペアの電流量で、直径約500ミクロンの範囲に2.6時間照射してAgを析出させた図6のPIR製ファイバー用プローブ表面の走査電子顕微鏡写真。A scanning electron microscope on the surface of a probe for a PIR fiber shown in FIG. 6 in which an electron beam accelerated by 25 kV is irradiated with a current of 58 microamperes in a range of about 500 microns in diameter for 2.6 hours to deposit Ag. Photo. 25キロ電子ボルトで加速した電子ビームを58マイクロアンペアの電流量で直径約500ミクロンの範囲に7.5時間照射してAgを析出させた図6のPIR製ファイバー用プローブ表面の走査電子顕微鏡写真。Scanning electron micrograph of the surface of a probe for a PIR fiber in FIG. 6 in which Ag was deposited by irradiating an electron beam accelerated at 25 kV with a current of 58 microamperes in a range of about 500 microns in diameter for 7.5 hours. . 本発明のファイバー用プローブの形状の例を示す概略図。Schematic which shows the example of the shape of the probe for fibers of this invention.

本発明の赤外吸収シグナル測定用高感度プロ−ブは、赤外帯域の光を伝送あるいは透過する光ファイバーその他の形状の材料表面(つまり、ファイバー形状の場合にはその側面)に赤外吸収シグナルを増強する金属ナノ構造膜を被覆することによりなるプローブである。この構成のプローブは、赤外吸収シグナルの高い増強効果と高い表面感度とを同時に有し、生物検体や化学反応中の液体試料、河川・土壌などの検体を分光器内部にセットすることなく簡便にその場モニターを行うことができる。更に、測定試料に直接触れる部分を着脱式とし、当該着脱部分に本発明のプローブを取り付けた、着脱式プローブを構成することができる。このように、本発明のプローブは高感度、簡便性、汎用性を兼ね備えることを特徴とする。なお、ここで使用される赤外吸収シグナル測定用高感度プローブの材料としては、赤外光に対する吸収が小さく、かつファイバーからの赤外光を、水−プローブ材料界面、大気−プローブ材料界面で全反射させるようなものであればよい。   The high-sensitivity probe for measuring an infrared absorption signal of the present invention has an infrared absorption signal on the surface of an optical fiber or other material (that is, the side surface in the case of a fiber shape) that transmits or transmits light in the infrared band. It is a probe formed by coating a metal nanostructure film that enhances the resistance. The probe of this configuration has both high enhancement effect of infrared absorption signal and high surface sensitivity at the same time, and it is easy to set biological samples, liquid samples during chemical reaction, and samples such as rivers and soils without setting them inside the spectrometer. In-situ monitoring can be performed. Furthermore, the part which touches a measurement sample directly can be made detachable, and the detachable probe which attached the probe of this invention to the said detachable part can be comprised. Thus, the probe of the present invention is characterized by high sensitivity, simplicity, and versatility. In addition, as a material of the high-sensitivity probe for measuring the infrared absorption signal used here, the absorption of infrared light is small, and the infrared light from the fiber is passed through the water-probe material interface and the atmosphere-probe material interface. Any device that totally reflects the light may be used.

なお、本願で「膜」という用語を使用しているが、これはある表面を完全に被覆している連続した構造に限定されるものではない。本願における「膜」とは、少なくとも一部が互いに不連続な複数の微粒子、微小平坦物が多数集まることにより、対象としている表面を部分的に被覆している(つまり、一部隙間が開いているような態様で被覆している)構造を包含する概念である。   In addition, although the term “film” is used in the present application, this is not limited to a continuous structure that completely covers a certain surface. A “film” in the present application partially covers the target surface by collecting a large number of fine particles and minute flats that are at least partially discontinuous with each other (that is, a part of the gap is opened). It is a concept that includes a structure that is coated in such a manner.

また、以下で図1を用いて説明するような本発明のプローブを用いた測定システムの構成は、実施例の項において説明するように、そのまま本発明のファイバー用プローブの製造に応用できる。従って、金属ナノ構造膜によるプローブ材料(ファイバー等)表面へのコーティング工程についても、フローセルなどを用いずに簡単化され、製造ラインでの大量生産などに適した方法を実現できる。   Further, the configuration of the measurement system using the probe of the present invention as described below with reference to FIG. 1 can be directly applied to the production of the fiber probe of the present invention as described in the section of the examples. Therefore, the coating process on the surface of the probe material (fiber etc.) with the metal nanostructure film can be simplified without using a flow cell or the like, and a method suitable for mass production on the production line can be realized.

図1に本発明のプローブを用いた計測システムの一例の模式図を示す。図1において、赤外分光器1から被覆付きの赤外ファイバー2を延長して、測定対象である液体検体試料4の近傍まで引き出す。赤外ファイバー2の先端には赤外吸収測定用高感度プローブ3が着脱可能に取り付けられている。このプローブ3中の試料に接触する部分に本発明のファイバー用測定プローブが設けられている。この例では本プローブは光ファイバーの形状になっている。図1から判るように、赤外分光器1→赤外ファイバー2→赤外吸収測定用高感度プローブ3(赤外光はこの中で本発明のファイバー用プローブを通過する)→赤外ファイバー2→赤外分光器1という、赤外分光器1から出発してまた赤外分光器1へ戻る赤外光のループが形成されている。このループを通って戻ってきた赤外光のスペクトルをある基準値で正規化することによって、赤外吸収スペクトルを得ることができる。正規化用の基準値としては例えば液体検体試料4の溶媒の純粋なものにプローブ3を浸漬した際に赤外分光器1に戻ってきた赤外光のスペクトルとしてよい。あるいは、プローブに溶液中の検体分子を吸着させるとき、プローブを溶液につけた瞬間の(つまり、検体分子の吸着が実質的に起きていない状態での)スペクトルの測定値R0を基準値とし、時間と共に検体分子がプローブへの吸着が進んだ各時点におけるスペクトルの測定値Rを当該基準値で正規化することもできる。更には、大気中のガス分子を検出する時は、上の説明で「溶液」とした箇所を「大気」と読み替える。また、赤外ファイバー2とプローブ3を組として提供する場合には、この組に対して上記基準値としての赤外光スペクトルを提供することができる。   FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of a measurement system using the probe of the present invention. In FIG. 1, the coated infrared fiber 2 is extended from the infrared spectrometer 1 and pulled out to the vicinity of the liquid specimen sample 4 to be measured. A high-sensitivity probe 3 for measuring infrared absorption is detachably attached to the tip of the infrared fiber 2. The fiber measuring probe of the present invention is provided in a portion of the probe 3 that contacts the sample. In this example, the probe is in the form of an optical fiber. As can be seen from FIG. 1, infrared spectrometer 1 → infrared fiber 2 → high sensitivity probe 3 for infrared absorption measurement (infrared light passes through the fiber probe of the present invention) → infrared fiber 2 → Infrared spectrometer 1 is formed, an infrared light loop starting from infrared spectrometer 1 and returning to infrared spectrometer 1 again. An infrared absorption spectrum can be obtained by normalizing the spectrum of infrared light returning through this loop with a certain reference value. The reference value for normalization may be, for example, the spectrum of infrared light that has returned to the infrared spectrometer 1 when the probe 3 is immersed in a pure solvent of the liquid specimen 4. Alternatively, when the analyte molecules in the solution are adsorbed on the probe, the measured value R0 of the spectrum at the moment when the probe is attached to the solution (that is, in the state where the analyte molecules are not substantially adsorbed) is used as a reference value, and the time At the same time, the measured value R of the spectrum at each time point when the analyte molecule has advanced to the probe can be normalized by the reference value. Furthermore, when detecting gas molecules in the atmosphere, the place described as “solution” in the above description is read as “atmosphere”. Further, when the infrared fiber 2 and the probe 3 are provided as a set, an infrared light spectrum as the reference value can be provided for the set.

本発明により、金属ナノ構造を用いない通常の赤外ファイバー製のプローブに比べて、プローブ表面近傍の分子振動の吸収シグナルに対して1桁から2桁以上高い感度が実現される。また赤外光を自由に引き回せるファイバー光学系を用いるために、リモートセンシングが可能であり、試料を分光器内部にセットすることなく、生物検体にプローブを直接接触させることにより簡便・迅速に測定が可能である。また、液体試料の測定においても、液体フローセルなどに試料を流し込むことなく直接流体試料内部にプローブを浸すだけで測定ができる為、河川の汚染や化学薬品の品質などのモニターが簡便に行える。このようなプローブを用いることにより、分光器内部にセットできないような試料(生物検体、化学反応中の溶液、屋外の環境測定)などの高感度測定を簡便に行うことが可能となる。製造工程も、フローセルなどを使用しないために簡単化され、大量生産などに適した製造方法を実現できる。この様なメリットは従来の分光器内部に設置される全反射減衰測定(Attenuated Total Reflection)プリズムを用いた計測法には無い。   According to the present invention, a sensitivity higher by one digit to two digits or more with respect to an absorption signal of molecular vibration in the vicinity of the probe surface is realized as compared with a normal infrared fiber probe not using a metal nanostructure. Remote sensing is possible because a fiber optical system that can freely route infrared light is used, and measurement can be performed easily and quickly by placing the probe directly in contact with the biological sample without setting the sample inside the spectrometer. Is possible. Also, in the measurement of a liquid sample, since the measurement can be performed simply by immersing the probe directly inside the fluid sample without pouring the sample into a liquid flow cell or the like, it is possible to easily monitor river contamination and chemical quality. By using such a probe, it is possible to easily perform high-sensitivity measurement such as a sample (biological specimen, solution during chemical reaction, outdoor environment measurement) that cannot be set inside the spectrometer. The manufacturing process is also simplified because no flow cell is used, and a manufacturing method suitable for mass production can be realized. Such a merit is not found in a conventional measurement method using an Attenuated Total Reflection prism installed inside a spectrometer.

以下では、本発明のプローブを作製する方法及び作製されたプローブの特性の具体例を説明するが、もちろん本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図1及び以下の実施例ではファイバー用プローブとして赤外ファイバーを使用し、実施例では具体的にはPIRファイバーを使用しているが、本発明のファイバー用プローブの材料・形状はこれに限定されるものではなく、材料としては赤外光を伝送あるいは透過させる任意の材料を使用でき、また測定、プローブの作製、その他取り扱いに好適な形状であり入射した赤外光を検体とプローブとの界面で内部反射し、分光器へと返すような任意の形状を取ることができる。例えば、材料としてはシリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、KBr,NaCl,ZnSeなどの赤外光透過材料の結晶を使用することができ、その形状としてもファイバー状以外に三角柱、半球、半円筒、板状、などの多様なものを取ることができる。例えば、図9には、(a)のようにファイバーをループ上に折り返したような形状のファイバー用プローブPa、三角柱状のファイバー用プローブPb、板状のファイバー用プローブPcを概略的に例示した。なお、図9中の各ファイバー用プローブへ至るファイバーに沿って描かれた上向き、下向きの矢印は、夫々図1に示すような赤外分光器などの測定装置(図示せず)から対応するファイバー用プローブPa〜Pcへ送り込まれ、また測定装置へ戻っていく測定用赤外光の方向を示している。   Hereinafter, a method for producing the probe of the present invention and specific examples of characteristics of the produced probe will be described, but the present invention is not limited to this. For example, in FIG. 1 and the following embodiments, an infrared fiber is used as a fiber probe, and in the embodiment, a PIR fiber is specifically used. However, the material and shape of the fiber probe of the present invention are the same. The material is not limited, and any material that can transmit or transmit infrared light can be used, and the shape is suitable for measurement, probe fabrication, and other handling. It can take any shape that reflects internally at the interface and returns to the spectrometer. For example, as a material, a crystal of an infrared light transmitting material such as silicon, germanium, diamond, KBr, NaCl, ZnSe or the like can be used, and the shape thereof is triangular, hemisphere, semi-cylinder, plate, You can take various things such as. For example, FIG. 9 schematically illustrates a fiber probe Pa, a triangular prism-like fiber probe Pb, and a plate-like fiber probe Pc that are shaped like a fiber folded back on a loop as shown in FIG. . Note that the upward and downward arrows drawn along the fiber leading to each fiber probe in FIG. 9 are the corresponding fibers from a measuring device (not shown) such as an infrared spectrometer as shown in FIG. The direction of the measurement infrared light that is sent to the probes Pa to Pc and returns to the measuring device is shown.

本発明における赤外吸収シグナル計測用プロ−ブの作製方法として、赤外ファイバーとしてPIRファイバー(Polycrystalline Infra-Red Fiber;多結晶の塩化銀/臭化銀などの金属ハライドを材料とした赤外光ファイバー)を使用し、その表面に無電解メッキにより島状金ナノ構造膜を成長させた例を取り上げる。   As a method for producing a probe for measuring infrared absorption signals in the present invention, a PIR fiber (Polycrystalline Infra-Red Fiber; an infrared optical fiber made of a metal halide such as polycrystalline silver chloride / silver bromide) is used as an infrared fiber. ), And an island-shaped gold nanostructure film is grown on the surface by electroless plating.

ファイバープローブ表面での金ナノ構造膜の成長の例を示す模式図を図2に示す。まず、赤外ファイバープローブの表面をシランカップリング剤(アミノプロピルトリエトキシシランなど)で覆い、その後、クエン酸還元法などにより作製した金ナノ粒子のコロイド溶液にファイバープローブを浸して吸着させる。アミノプロピルトリエトキシシランのアミノ基と金ナノ粒子とがクーロン力などで結合し、均一に吸着した金ナノ粒子膜が形成される(図2(a))。吸着する金ナノ粒子の量は、あらかじめ赤外吸収のスペクトルと走査電子顕微観察などとを対応させておき、スペクトルや赤外光のシグナルを判断することで吸着量が判るようにしておく。この結果を用いて赤外吸収を測定しながら粒子の吸着量を再現性良く制御する。なお、図2(a)においてファイバープローブ表面のシランカップリング剤の層が図示されていないのは、この層が非常に薄いために、同図の縮尺では当該層が見えないからである。実際にはここでは一分子層程度のきわめて薄いシランカップリング層が存在している。   A schematic diagram showing an example of the growth of the gold nanostructure film on the surface of the fiber probe is shown in FIG. First, the surface of the infrared fiber probe is covered with a silane coupling agent (such as aminopropyltriethoxysilane), and then the fiber probe is immersed and adsorbed in a colloidal solution of gold nanoparticles prepared by a citrate reduction method or the like. The amino group of aminopropyltriethoxysilane and gold nanoparticles are bonded by Coulomb force or the like to form a uniformly adsorbed gold nanoparticle film (FIG. 2A). The amount of gold nanoparticles to be adsorbed is determined in advance by associating an infrared absorption spectrum with a scanning electron microscopic observation, etc., and determining the amount of adsorption by judging the spectrum and the signal of infrared light. Using this result, the amount of adsorbed particles is controlled with good reproducibility while measuring infrared absorption. In FIG. 2A, the layer of the silane coupling agent on the surface of the fiber probe is not shown because this layer is so thin that it cannot be seen on the scale of FIG. Actually, a very thin silane coupling layer of about one molecular layer exists here.

その後、AuCl/hydroxylamine溶液に赤外ファイバープローブを浸し、無電解メッキにより、金ナノ粒子をファイバープローブ上で島状構造、すなわち間にギャップを有する複数の扁平な島状領域を形成するように成長させる(図2(b)〜(c))。このような構造の成長の進行度を金ナノ粒子の吸着の場合と同様に赤外吸収シグナルから判断し、成長時間を調節する。このようなその場モニターについては、基板上での成長に関してではあるが、特許文献1及び非特許文献5で更に詳細に説明されている。なお、最適な島状ナノ構造を特徴付けるところの、赤外吸収スペクトル以外の指標としては、ナノギャップサイズが1〜10nm程度であること、あるいは平坦な島状粒子の下地上での2次元被覆率が8割以上であることを挙げることができる。 After that, an infrared fiber probe is immersed in an AuCl 4 / hydroxylamine solution, and gold nanoparticles are formed on the fiber probe by an electroless plating so as to form a plurality of flat island regions having gaps therebetween. Growing (FIGS. 2B to 2C). The growth progress of such a structure is judged from the infrared absorption signal as in the case of gold nanoparticle adsorption, and the growth time is adjusted. Such in-situ monitoring is described in more detail in Patent Document 1 and Non-Patent Document 5, although it relates to growth on a substrate. In addition, as an index other than the infrared absorption spectrum for characterizing the optimum island-shaped nanostructure, the nanogap size is about 1 to 10 nm, or the two-dimensional coverage on the flat surface of the flat island-shaped particles Is 80% or more.

なお、上述した作製工程における赤外吸収の測定は、例えば図1に示すような実際の対象を測定する際のシステム構成と全く同一の構成で実現可能である。すなわち図1において、液体検体試料の代わりに、金ナノ粒子のコロイド溶液あるいは無電解メッキ液を使用した構成で、上述のような金ナノ粒子の吸着量あるいは成長量をその場モニターすることができる。これにより、作製工程専用の特殊構成の装置や治具を準備することなく、高性能のファイバープローブを性能上のばらつきを狭い範囲に抑えて作製することができる。   In addition, the measurement of the infrared absorption in the manufacturing process mentioned above is realizable by the completely same structure as the system structure at the time of measuring an actual object as shown, for example in FIG. That is, in FIG. 1, the amount of gold nanoparticles adsorbed or grown as described above can be monitored in situ by using a colloidal solution of gold nanoparticles or an electroless plating solution instead of a liquid specimen. . This makes it possible to manufacture a high-performance fiber probe with a narrow variation in performance without preparing a specially configured device or jig dedicated to the manufacturing process.

図3に、金ナノ粒子膜を成長させて製作中の赤外ファイバープローブを通して得た吸収スペクトルを示す。上から下に向けてスペクトルの経時変化を示す。金ナノ構造の成長と共に、1620 1/cm近辺の溶液中の水分子の変角振動の吸収シグナルが増強されていく様子が確認できる。ここで、図3には、成長の開始時時間0のスペクトルを正規化の基準として、各成長時間のスペクトルを基準スペクトルで割ったものが示されている。図4に、このようにしてファイバーの表面に成長させた島状金ナノ構造膜のSEM写真を示す。ファイバープロ―ブの表面に、球形ではなく表面平行方向にも扁平に成長した複数の島状領域、つまり島状ナノ構造が確認できる。このような球形からずれて扁平な形状を持った島状金ナノ構造膜が高い赤外吸収を引き起こしていると予想される(非特許文献5)。   FIG. 3 shows an absorption spectrum obtained by growing a gold nanoparticle film through an infrared fiber probe being fabricated. The time course of the spectrum is shown from top to bottom. Along with the growth of the gold nanostructure, it can be confirmed that the absorption signal of the bending vibration of water molecules in the solution near 1620 1 / cm is enhanced. Here, FIG. 3 shows a spectrum obtained by dividing the spectrum at each growth time by the reference spectrum using the spectrum at the growth start time 0 as a standard for normalization. FIG. 4 shows an SEM photograph of the island-shaped gold nanostructure film thus grown on the surface of the fiber. On the surface of the fiber probe, a plurality of island-like regions, that is, island-like nanostructures that have grown flat in the direction parallel to the surface, not spherical, can be confirmed. It is expected that an island-shaped gold nanostructure film having a flat shape deviating from such a spherical shape causes high infrared absorption (Non-Patent Document 5).

作製した赤外プローブの表面にオクタデカンチオールを吸着させた後の赤外吸収スペクトルを図5に示す。チオール基が金表面に結合することにより、単分子層厚さの膜が金ナノ構造表面に形成される。僅か単分子層の厚さにも拘らず、CHの伸縮振動の周波数(29201/cm)において、32%もの巨大な吸収シグナルを生じていることが観測された。これは、Siプリズム表面に金ナノ構造膜を被覆させた場合の一回反射型の全反射減衰測定(Attenuated Total Reflection)にくらべると、2倍程度高い値である(特許文献1参照)。これは、非特許文献5からは予想できなかった結果であり、金ナノ構造以外の効果が利いていることを示している。例えば、シリコンとは下地の性質が異なるため、成長後のAuナノ構造のモフォロジーが異なっている効果が考えられる。また、ここで使用したPIRファイバーは多結晶材料のため、金ナノ構造膜の被覆する部分の表面が粗く膜の面積が単結晶プリズム等に比べて増大している効果が考えられる。平坦表面での一回反射ATR測定に比べると、ファイバープローブ内部では赤外光が多重反射する効果があり、高いシグナル増強が実現すると考えられる。なお、図5に示した測定結果においては、オクタデカンチオール吸着開始時のスペクトルを正規化の基準としている。   An infrared absorption spectrum after adsorbing octadecanethiol on the surface of the prepared infrared probe is shown in FIG. By bonding the thiol group to the gold surface, a monolayer thick film is formed on the gold nanostructure surface. It was observed that a huge absorption signal of 32% was generated at the frequency of the stretching vibration of CH (29201 / cm) regardless of the thickness of the monolayer. This is about twice as high as that of a single reflection type total reflection attenuation measurement when the gold nanostructure film is coated on the surface of the Si prism (see Patent Document 1). This is a result that could not be predicted from Non-Patent Document 5, indicating that effects other than the gold nanostructure are effective. For example, since the nature of the substrate is different from that of silicon, an effect that the morphology of the grown Au nanostructure is different can be considered. In addition, since the PIR fiber used here is a polycrystalline material, the surface of the portion covered with the gold nanostructure film is rough and the area of the film is increased compared to a single crystal prism or the like. Compared to single-reflection ATR measurement on a flat surface, infrared light is reflected in the fiber probe multiple times, and high signal enhancement is expected. In the measurement results shown in FIG. 5, the spectrum at the start of octadecanethiol adsorption is used as a standard for normalization.

ここで、図5のスペクトルは図4のSEMに、また図3の一番下のスペクトルに対応する。ただし、この時点でのAu膜の成長はまだ不十分で、成長を続けるともっと感度が高まった。   Here, the spectrum of FIG. 5 corresponds to the SEM of FIG. 4 and the bottom spectrum of FIG. However, the growth of the Au film at this point was still insufficient, and the sensitivity increased as the growth continued.

なお、金ナノ構造膜が無い場合の同条件の測定では、オクタデカンチオールのシグナルはノイズレベルに埋もれて殆ど観測されなかった。以上の結果から、ファイバー表面を金ナノ構造膜で被覆することにより、非常に高い赤外吸収シグナルの増強効果が生じることが確認できた。ここで示した結果は、金ナノ構造の成長時間、成長温度、溶液の濃度などを最適化していないが、これらの成長パラメーターを最適化することにより、さらに高いシグナル増強が可能である。ここでは、金に直接吸着するオクタデカンチオール分子を検体として用いていた例を示したが、金に直接吸着しにくい検体の場合は、ターゲットとする検体に親和性を持ち且つ金にも親和性を持つ膜で金ナノ構造表面を被覆して、広範囲の検体分子に対して応用可能とすることが出来る。   In the measurement under the same conditions without the gold nanostructure film, the octadecanethiol signal was buried in the noise level and was hardly observed. From the above results, it was confirmed that a very high infrared absorption signal enhancement effect was produced by coating the fiber surface with a gold nanostructure film. Although the results shown here do not optimize the growth time, growth temperature, solution concentration, and the like of the gold nanostructure, it is possible to enhance the signal even higher by optimizing these growth parameters. Here, an example was shown in which an octadecanethiol molecule that directly adsorbs to gold was used as a sample. However, in the case of a sample that is difficult to adsorb directly to gold, it has affinity for the target sample and affinity for gold. The surface of the gold nanostructure can be coated with a film that has a structure that can be applied to a wide range of analyte molecules.

このような金属ナノ構造は、電気化学的な表面処理、あるいは、銀ハライドを用いたPIRファイバーに電子線を直接照射すること等により、ファイバー表面に銀を析出させることでも実現できる。上に示した化学的成長法の例と比較すると、金ナノ粒子の吸着過程と金ナノ粒子の成長過程の2段階で成長させる必要がなく、一回の電子線照射により製作が出来る利点がある。図6から図8に、PIRファイバー表面に58マイクロアンペア電子線を25キロ電子ボルトで加速し、直径約500ミクロンの範囲に照射した結果を示す。電子線の照射量を増すにつれて、内部からのAgの表面析出により、ファイバー表面上のナノ粒子の量が増加していることが判る。なお、この実施例で使用したPIRファイバーはA.R.T. Photonics GmbH 製Polycrystalline InfraRed (PIR-) Fibers(登録商標)である。   Such a metal nanostructure can also be realized by depositing silver on the surface of the fiber by electrochemical surface treatment or by directly irradiating a PIR fiber using silver halide with an electron beam. Compared to the chemical growth method shown above, there is an advantage that it is not necessary to grow in two stages, the gold nanoparticle adsorption process and the gold nanoparticle growth process, and it can be manufactured by a single electron beam irradiation. . FIGS. 6 to 8 show the results of irradiating the surface of the PIR fiber with a 58 microampere electron beam at 25 kiloelectron volts and having a diameter of about 500 microns. It can be seen that the amount of nanoparticles on the fiber surface is increased by the surface precipitation of Ag from the inside as the irradiation amount of the electron beam is increased. The PIR fiber used in this example is Polycrystalline InfraRed (PIR-) Fibers (registered trademark) manufactured by A.R.T. Photonics GmbH.

本発明の赤外吸収シグナル測定用プロ−ブは、金などの金属ナノ構造膜による赤外帯域のシグナル増強効果を持つ。これを利用し、例えば、携帯型の赤外吸収分光装置などと組みあわせることで流体試料や河川・土壌などにおける環境ホルモンの微量検出等への応用が可能である。ターゲット分子に対して親和性のある分子を金属ナノ構造表面に被覆することで、計測する分子に対する選択制を持たせることも可能である。湖水などの環境測定や反応中の溶液など、測定試料を従来型のサンプル室と分光器とが一体となった装置にセットすることが難しい試料において、この発明によるプローブを利用することにより、実時間観測、高感度な微量計測が可能となる(図1参照)。この高感度プローブを生物体内へ導入すれば、医療診断への応用も可能となる。本発明を用いた化学センサー、バイオセンサーや、ガスセンサー、また、それらを応用した医療診断用計測器、品質管理用計測器への適用も可能であり、関連する産業への貢献は大きいと考えられる。   The infrared absorption signal measurement probe of the present invention has a signal enhancement effect in the infrared band by a metal nanostructure film such as gold. Utilizing this, for example, by combining with a portable infrared absorption spectroscope, it can be applied to detection of trace amounts of environmental hormones in fluid samples, rivers, soils, and the like. By covering the surface of the metal nanostructure with a molecule having affinity for the target molecule, it is possible to have a selection system for the molecule to be measured. By using the probe according to the present invention, it is difficult to set the measurement sample in an apparatus in which a conventional sample chamber and a spectroscope are integrated, such as environmental measurements such as lake water and solutions during reaction. Time observation and highly sensitive trace measurement are possible (see Fig. 1). If this highly sensitive probe is introduced into a living organism, it can be applied to medical diagnosis. It can be applied to chemical sensors, biosensors, gas sensors using the present invention, and medical diagnostic measuring instruments and quality control measuring instruments to which they are applied. It is done.

WO2009/031662WO2009 / 031662

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Claims (11)

赤外光を伝送あるいは透過させる材料からなるプローブ材料表面上を金属ナノ構造膜により被覆し、前記金属ナノ構造膜による電磁場増強効果により吸収シグナルの増強を生じる赤外吸収シグナル測定用ファイバー用プローブ。   An infrared absorption signal measuring fiber probe in which a probe material surface made of a material that transmits or transmits infrared light is coated with a metal nanostructure film, and an absorption signal is enhanced by an electromagnetic field enhancement effect of the metal nanostructure film. 前記ファイバー用プローブ材料は多結晶赤外(PIR)ファイバーである、請求項1に記載のファイバー用プローブ。   The fiber probe of claim 1, wherein the fiber probe material is a polycrystalline infrared (PIR) fiber. 前記ファイバー用プローブ材料はシリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ZnSe、KBr、NaCl,等の赤外光透過材料の結晶である、請求項1に記載のファイバー用プローブ。   The fiber probe according to claim 1, wherein the fiber probe material is a crystal of an infrared light transmitting material such as silicon, germanium, diamond, ZnSe, KBr, or NaCl. 前記金属ナノ構造膜は複数の互いに離間した金属の島状部を含む、請求項1から3の何れかに記載のファイバー用プローブ。   The fiber probe according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal nanostructure film includes a plurality of metal islands spaced apart from each other. 以下のステップを設けた、請求項1から4の何れかに記載のファイバー用プローブの作製方法。
(a)赤外光を伝送あるいは透過させる材料からなる前記プローブ材料表面をシランカップリング剤で表面処理する。
(b)前記シランカップリング剤で表面処理された前記プローブ材料表面に金属ナノ粒子を吸着させる。
(c)前記吸着された金属ナノ粒子を成長させる。
The manufacturing method of the probe for fibers in any one of Claim 1 to 4 which provided the following steps.
(A) The surface of the probe material made of a material that transmits or transmits infrared light is surface-treated with a silane coupling agent.
(B) Adsorbing metal nanoparticles on the surface of the probe material surface-treated with the silane coupling agent.
(C) Growing the adsorbed metal nanoparticles.
前記金属ナノ粒子を成長させるステップは無電解メッキにより行われる、請求項5に記載のファイバー用プローブの作製方法。   The method for producing a fiber probe according to claim 5, wherein the step of growing the metal nanoparticles is performed by electroless plating. 前記金属は金である、請求項5から6の何れかに記載のファイバー用プローブの作製方法。   The method for producing a fiber probe according to claim 5, wherein the metal is gold. 前記無電解メッキはAuCl/hydroxylamine溶液を用いて行われる、請求項7に記載のファイバー用プローブの作製方法。 The method for producing a fiber probe according to claim 7, wherein the electroless plating is performed using an AuCl 4 / hydroxylamine solution. Agを含むPIRファイバーのプローブに、化学的な表面処理、電気化学的な表面処理、及び電子線ビームを照射する物理的な表面処理からなる群から選ばれた少なくとも1つの表面処理を行うことで表面に析出したAgナノ粒子を前記金属ナノ構造膜とした、請求項1から4の何れかに記載のファイバー用プローブの作製方法。   A PIR fiber probe containing Ag is subjected to at least one surface treatment selected from the group consisting of a chemical surface treatment, an electrochemical surface treatment, and a physical surface treatment that irradiates an electron beam. The method for producing a fiber probe according to any one of claims 1 to 4, wherein Ag nanoparticles deposited on the surface are used as the metal nanostructure film. 赤外帯域にプラズモン共鳴周波数を持つ金属ナノロッドまたは金属ナノディスク、あるいは金属ナノロッド、金属ナノディスクまたは金属ナノ粒子を連結して赤外帯域にプラズモン共鳴周波数を持つようにした金属膜を赤外光を伝送あるいは透過させる材料からなるファイバー表面に直接にあるいはカップリング剤を介して固定化することにより前記金属ナノ構造膜を形成する、請求項1から4の何れかに記載のファイバー用プローブの作製方法。   Metal nanorods or metal nanodisks with plasmon resonance frequency in the infrared band, or metal films that have metal plasmon resonance frequency in the infrared band by connecting metal nanorods, metal nanodisks or metal nanoparticles with infrared light The method for producing a fiber probe according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal nanostructure film is formed by immobilizing directly or via a coupling agent on a fiber surface made of a material to be transmitted or transmitted. . 前記ファイバー用プローブで検出すべき対象と前記金属ナノ構造膜の両者に親和性を持つ物質で前記金属ナノ構造膜を被覆する、請求項5から10の何れかに記載のファイバー用プローブの作製方法。
The method for producing a fiber probe according to any one of claims 5 to 10, wherein the metal nanostructure film is coated with a substance having an affinity for both an object to be detected by the fiber probe and the metal nanostructure film. .
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