JP2021512331A - 環境中、食品中、生物系中の物質または分子を検出するためのナノ光学プラズモンチップ - Google Patents

Abstract

環境（水、空気、土壌）、食品、生体系中の非常に低濃度の物質／分子（１分子レベルまで）を検出するためのプラズモン生成の原理に基づく携帯型ナノ光学チップを開示する。ナノ光学チップは、プラズモンナノ粒子（５）が、例えばパルスレーザー蒸着によって、個々のナノ粒子間で選択された距離で固定化される基板（１）を含み、ここで、距離は、ホットスポット（４）がナノ粒子間のギャップに形成されるように選択される。分析される分子の検出のためにこのようにして作製されたナノ粒子表面の選択性および感度の両方は、キャビタンドリンカーまたは二官能性リンカーなどの特定のリンカーをナノ粒子に結合させることからなる官能化プロセスによって調節され、増加される。二官能性リンカーを使用することにより、プラズモンナノ粒子の１つ以上のさらなる層の堆積が可能になる。

Description

発明の分野
本特許は、プラズモンを生成する原理およびプラズモンナノ粒子表面の改質に基づく携帯型ナノ光学チップの構造に関する。ナノ光学チップは、環境（水、空気、土壌）、食品、生体系中の非常に低い濃度の物質／分子を検出する。

関連技術の説明
プラズモンは、金属ナノ粒子上の光によって励起される電子プラズマの振動であり、励起は、ナノ粒子の表面上に有意に増強された電磁場（ＥＦ）を生成する。ＳＥＲＳ（表面増強ラマン分光法）は、金属ナノ構造上のＥＦの顕著な増強と、それに続くラマンシグナルの強度の増加に基づく技術である。このような増加したラマンシグナルは、構造分析法から、非常に低い分子濃度を単一分子レベルまで検出することができる構造的に感度の高いナノプローブへラマン分光法を変換する。

現在、ＳＥＲＳは、化学構造の同時分析を伴う唯一の単一分子検出オプションである。技術的には、ＳＥＲＳは、プラズマナノ粒子の構造に見られるいわゆる「ホットスポット」（ＨＳ）の存在に依存する。本発明者らは、２つの異なるタイプのＨＳ：ａ）金属ナノ粒子間のギャップ、およびｂ）高い表面曲率を示すナノ粒子表面のスパイクを認識した。両方の場合において、ＥＦは、励起光によって強く増強される。このように、増強されたＥＦは、これらのＨＳに見られる分子からのラマンシグナルを有意に増加させる。

ナノ光学チップの説明：パルスレーザー蒸着のような物理的方法によって生成され、特定の分子リンカーによって官能化され、様々な形状のナノ粒子の追加の層（単数または複数）の蒸着によって生成されたプラズモン（ｐｌａｓｍｏｎｉｃ）ナノ粒子表面。

１．プラズモンナノ粒子表面：開発したチップのプラズモンナノ粒子表面は、基板上に堆積されたプラズモンナノ粒子（ＮＰ）で構成され、物理的方法、例えばパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）により達成される。このような方法は、ＮＰの均一な分布、ならびに基板上の個々のＮＰ間の選択された距離を確実にする；例えば、ＰＬＤ法を使用する場合、これは、生成されたＨＳの数、結果としてチップの感度を決定するレーザーの電力および周波数を調節する手段によって達成される。

２．プラズモンナノ粒子表面の官能化：分子リンカーによるプラズモンナノ粒子表面の官能化は、検出される分子に対する表面親和性を増加させる。そのような官能化は、以下のリンカーによって行われる：ａ）キャビタンドリンカー（ＣＬ）は、これらの分子内に内部空洞が存在することによって引き起こされる包接機構によって、特定の分子に結合することができる。これらのキャビタンドによるプラズモンナノ粒子表面の官能化は、プラズモンナノ粒子表面とのそれらの相互作用を確実にするために特定の分子基の使用を必要とする；ｂ）二官能性リンカー（ＢＬ）。二官能性リンカーは、ＮＰ間の適切な距離またはギャップを有するＮＰを連結するために使用され、これは、個々のナノ粒子間のギャップにＨＳの生成をもたらす。これらの分子リンカーはまた、検出すべき多数の疎水性分子の結合に適した環境を提供する。二官能性分子の使用はまた、ＮＰの第二および追加の層を作製することを可能にし、これは、ＮＰの層の間にさらなるＨＳの形成を導き、ｃ）検出される分子の選択的結合のための好ましい条件を生成する他の分子によってもたらされる。

ナノ光学チップの構造の概略図。

発明の詳細な説明
ナノ光学チップは、基板上に堆積されたプラズモンナノ粒子からなるプラズモンナノ粒子表面と、プラズモンナノ粒子表面の分子官能化という２つの異なる部分を統合する。

プラズモンナノ粒子表面２は、基板１上に固定化された適切に成形され、間隔を空けたプラズモンナノ粒子５（ＮＰ５）を含む。基板１上に堆積されたＮＰ５のタイプおよびそれらの間の間隔に依存して、最適量のＨＳ４が生成され、ここで、ＥＦは、光とプラズモンとの間の相互作用によって強く増強される。

物質／分子の検出のために生成されたプラズモンナノ粒子表面２の選択性及び感度の両方は、プラズモンナノ粒子表面２の分子官能化３によって増加する。最も適切な官能化は、以下のリンカーを用いて達成される：ｉ）内部空洞をそれらの構造に含むキャビタンドリンカー（ＣＬ）。ＣＬ分子は、表面に直接結合され、検出される分子の高度に特異的な認識および結合を導き；ｉｉ）脂肪族鎖または他の分子を含む二官能性リンカー（ＢＬ）は、検出されるべき分子の選択的結合のための好ましい条件を作り出す。

ナノ光学チップの感度および選択性のその後の増加は、丸いＮＰ、ピラミッド状ＮＰ、星状ＮＰなどの異なる形態（形状）を有するＮＰ５の第２の層を、一次官能化プラズモンナノ粒子表面２に付着させる可能性にある。目的は、ナノ光学チップ中のＨＳの数を増加させながら、検出される物質／分子を結合するために利用可能な表面のサイズを増加させることである。加えて、ＮＰ５の第２の層の官能化は、検出されるべき他の分子の結合のための好ましい条件を作り出す。

産業上の有用性
ナノ光学チップは、環境（水、空気、土壌）、食品、生体系中の物質／分子を検出することができる。認証技術（質量分析法またはガスクロマトグラフィー）によるこれらの物質／分子の検出および同定は、時間がかかり、高価である。認証方法（質量分析法またはガスクロマトグラフィー）と比較して、ナノ光学チップによる物質／分子の検出は、より安価で、より高速で、より高感度で、スポット上で実施される（実験室でのサンプルの前処理を必要としない）。

略語の一覧：
ＥＦ 電磁場
ＳＥＲＳ 表面増強ラマン分光法
ＨＳ ホットスポット（ＥＦの高輝度領域）
ＰＬＤ パルスレーザー蒸着
ＮＰ プラズモンナノ粒子
ＢＬ 二官能性リンカー
ＣＬ キャビタンドリンカー

Claims (4)

1. 環境、食品、および生体系中の物質／分子を検出するためのナノ光学チップの構造であって、個々のナノ粒子間で選択された距離を有する基板１上に堆積されたプラズモンナノ粒子５からなるプラズモンナノ粒子表面２から構成されることによって特徴付けられる上記ナノ光学チップの構造。
2. 一次プラズモンナノ粒子表面２が、一次プラズモンナノ粒子表面上で選択された分子の結合および検出のための好ましい条件を作り出す特定のＣＬ、ＢＬリンカーおよび／または他の分子によって官能化される３ことを特徴によって特徴付けられる、請求項１に記載の環境、食品、および生体系中の物質／分子を検出するためのナノ光学チップの構造。
3. 個々のナノ粒子の選択された形状を有するプラズモンナノ粒子５の追加の層（単数または複数）を堆積させることを特徴によって特徴付けられる、請求項１又は２に記載の環境、食品、及び生体系中の物質／分子を検出するためのナノ光学チップの構造。
4. 特定のＣＬ、ＢＬリンカー、ならびに／又は第２の及び／又は追加のプラズモンナノ粒子表面（単数または複数）上の物質／分子の結合及びその後の検出のための好ましい条件を作り出す他の分子による、プラズモンナノ粒子５の第２の／追加の層（単数または複数）の官能化３によって特徴付けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の環境、食品、及び生体系中の物質／分子を検出するためのナノ光学チップの構造。

Images