JP3584280B2

JP3584280B2 - 表面プラズモン共鳴分光を用いた表面光反応の検出、測定方法

Info

Publication number: JP3584280B2
Application number: JP2000202146A
Authority: JP
Inventors: 薫玉田; 陽久秋山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: JP2002022653A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己組織化膜に生じる光異性化の測定を有機溶媒中で表面プラズモン共鳴分光により行うことにより、光異性化を高感度で、かつ、実時間（リアルタイム）で測定しうるようにした表面光反応の検出、測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金をはじめとする金属表面に含硫黄有機分子を化学吸着させて作製する単分子膜は、自己組織化膜（Ｓｅｌｆ−ＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒｓ、以下、ＳＡＭ膜という）と呼ばれ、高度に分子配列し、かつ、安定した単分子膜であることなどから近年注目されている。このＳＡＭ膜のうち、アゾベンゼン基を有する非対称構造の化合物で形成させたものは、紫外線照射によりアゾベンゼン基がトランス体からシス体に光異性化する特徴を有し、光によって表面の濡れ性や接着性、摩擦などを制御することが可能であり、本発明者らはＳＡＭ膜中において光異性化反応しうる新規なアゾベンゼンジスルフィド化合物を合成した（特願平１１−７２９０６号）。
このようなＳＡＭ膜の表面における光異性化反応の評価は、金属薄膜上にＳＡＭ膜を形成させたのち大気中で光異性化反応を行わせ、表面プラズモン共鳴分光法を用いて膜の誘電率の変化（＝屈折率、膜厚の変化）を測定することにより行われている（Ｓ．Ｄ．Ｅｖａｎｓ，Ｓ．Ｒ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｈ．Ｒｉｎｇｓｄｏｒｆ，Ｌ．Ｍ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｈ．Ｗｏｌｆ：Ｌａｎｇｍｉｕｒ４，６４３６（１９９８），Ｚ．Ｓｅｋｋａｔ，Ｊ．Ｗｏｏｄ，Ｙ．Ｇｅｅｒｔｓ，Ｗ．Ｋｎｏｌｌ：Ｌａｎｇｍｉｕｒ１２，２９７６（１９９６））。
金属と誘電体との境界面に発生する電子の疎密波である表面プラズモンをレーザー光で励起させ、その結果減衰した反射光強度とそのときの光の入射角をモニターし、最も減衰したときの入射角（共鳴角）と誘電体の誘電率との相関関係から各種反応の速度やサンプルの濃度、温度などを測定する、表面プラズモン共鳴分光法は、表面の反応等を高感度に測定できるものとしてバイオセンサをはじめとする種々の用途で広く利用されている測定方法である。
しかし従来の表面プラズモン共鳴分光を利用した表面光反応の測定は、感度が十分でなく、光異性化が生起してもその反応を検出することができない場合があり、また、反応が検出されても測定の確度が低いため、異なる化合物から形成させた膜同士の光異性化反応において比較が行えるようなデータが得られないなどの問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、ＳＡＭ膜に生じる光異性化を高感度で、かつ、実時間で、検出、測定することのできる、表面プラズモン共鳴分光を用いた表面光反応の検出、測定方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意研究した結果、ＳＡＭ膜の光異性化反応を有機溶媒（良溶媒）中で行わせ、有機溶媒中での表面プラズモン共鳴分光を利用して測定すると、光異性化反応が促進されるとともにプラズモンピーク（共鳴角）シフトが増幅され、高感度で表面光反応を検出しうることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに至った。
すなわち本発明は、自己組織化膜に、該膜に対し良溶媒である有機溶媒を接触させ、該有機溶媒中で該自己組織化膜に生じる光異性化を表面プラズモン共鳴分光により測定する方法であって、前記自己組織化膜が、直鎖アルキルを分子末端とする化合物から形成されていて、前記良溶媒が炭素数５〜１２の直鎖アルカンから選ばれるか、又は前記自己組織化膜が、芳香環を分子末端とする化合物から形成されており、前記良溶媒が芳香族系溶媒であることを特徴とする表面光反応の検出、測定方法を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明における光異性化反応の測定方法を図面を参照して説明する。
図１は本発明方法に用いることのできる表面プラズモン共鳴分光装置の一例の概略を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。図中、１は高屈折率ガラス基板２上の金薄膜３の上に形成されたＳＡＭ膜、４は高屈折率プリズム、５はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のＯ−リング、６はＰＴＦＥのフローセルである。ガラス基板２はプリズム４と同じ材質であり、マッチングオイルで光学的に接合されている。本発明においてＳＡＭ膜１の光異性化反応の測定の際には、セル９を有機溶媒で満たし、矢印１０の方向から紫外光又は可視光を照射する。このとき、ＳＡＭ膜１と金薄膜３の間で表面プラズモンの発生する入射角でレーザー光１１を照射し、出射光１２の光エネルギーを測定して表面プラズモン共鳴分光測定を行う。７は有機溶媒等の供給口、８は排出口である。
【０００６】
本発明におけるＳＡＭ膜は、光異性化反応を生起する自己組織化膜であれば特に制限はなく、非対称構造のジスルフィドもしくはチオール化合物より形成させることができる。例えばジスルフィド化合物として以下の構造のアゾベンゼンジスルフィド化合物があげられる。
【０００７】
【化１】

【０００８】
上記化合物は金薄膜に吸着させた場合にジスルフィド部位が選択的に吸着するため、上記構造式に示したような形でそれぞれ高度に分子配列して並び、単分子膜を形成する。
【０００９】
本発明において用いることのできる有機溶媒は、ＳＡＭ膜を形成する化合物の分子末端に対して良溶媒であればよい。例えば上記のアゾベンゼンジスルフィド化合物のうち、ヘキシルアゾベンゼンを末端とする化合物（直鎖アルキル末端の化合物）については直鎖アルカンが用いられ、アゾベンゼンを末端とする化合物（芳香環末端の化合物）については芳香族系溶媒が用いられる。直鎖アルカン、芳香族系溶媒のいずれも、汎用溶媒として用いられる程度の沸点範囲、粘度範囲のものであれば問題なく使用することができる。直鎖アルカンについては炭素数５〜１２のものが用いられる、具体的には例えばヘキサン、ヘプタン、ペンタン、オクタン、ノナン、デカンなどがあげられる。芳香族系溶媒としては、具体的には例えばベンゼン、トルエン、キシレンなどがあげられる。
なお、水をはじめとする極性溶媒は上記のような非極性分子に対して貧溶媒なので、水中や水溶液中での表面プラズモン共鳴分光では高感度の測定を行うことができない。
本発明の光異性化反応の検出、測定方法は、ＳＡＭ膜に良溶媒である有機溶媒を接触させ、有機溶媒中で光異性化を生起させて、それを表面プラズモン共鳴分光によって測定する以外は特に制限はない。他の条件や測定装置等は、通常の表面プラズモン共鳴分光法の測定と同様のものを用いることができる。
【００１０】
本発明において有機溶媒中での光異性化反応の表面プラズモン共鳴分光法により、その測定感度が向上する理由としては、以下のようなことが考えられる。
（１）良溶媒との接触により、ＳＡＭ膜形成化合物の分子末端が自由に動ける状態（液体膜状態）になり、光異性化反応自体を起こりやすくすることができる。
（２）大気中などで光異性化反応を行わせた場合に比べ、ＳＡＭ膜の膜厚の変化が大きくなる。
図２の説明図に示すように、（ａ）の大気中での光異性化反応におけるＳＡＭ膜の膜厚の変化に比べ、（ｂ）に示す溶媒中での反応による膜厚の変化は、溶媒分子の取り込み／放出の影響によって大きくなることが実験的に確認されている。（図中、２０はＳＡＭ膜、２１はフリーの溶媒分子、２２はＳＡＭ膜に取り込まれた溶媒分子を示す。）これによって反応量が同じであってもプラズモンピークシフトを増大させることができ、測定の感度を上げることができる。
（３）プラズモン吸収位置のシフト幅は、膜（サンプル）と接する媒体の屈折率の影響を受け変化する。
【００１１】
例えば金薄膜上に膜形成を行わせて膜形成前の裸の金の吸収位置と膜形成後の吸収位置の差をとった場合、そのシフト幅と媒体の誘電率（Ｅ、屈折率の二乗）との相関関係は図３に示すようになる（膜の厚みｄ＝３６Å、屈折率ｎ＝１．４０として計算した）。図３中に○で示したのは、左から大気中（Ｅ〜１．０）、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンを媒体とした場合であり、大気中近傍ではシフトの変化が小さいのと比較して、ペンタン等の溶媒を媒体とすると溶媒の種類によってプラズモンのシフトが大きく変化するのがわかる。したがって屈折率の異なる複数種の有機溶媒を使用して測定を行うことにより、多点測定の大きな効果を得ることができ、測定の確度を上げることができる。
また、膜と溶媒相の屈折率のバランスから計算して、光異性化反応によるプラズモンピークシフトがより大きくなる屈折率を有する有機溶媒を選択し、より確度の高い測定を行うことができる。
【００１２】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
参考例１（１２−［４−（４−ヘキシルフェニルアゾ）フェノキシ］ドデシルドデシルジスルフィド（１２−［４−（４−ｈｅｘｙｌｐｈｅｎｙｌａｚｏ）ｐｈｅｎｏｘｙ］ｄｏｄｅｃｙｌｄｏｄｅｃｙｌｄｉｓｕｌｆｉｄｅ）の合成）
４−（１２−ブロモドデシルオキシ）−４’−ヘキシルアゾベンゼン０．９４ｇを６０℃のＤＭＦ４０ｍｌに溶かし、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ０．５６ｇの５ｍｌ水溶液をゆっくりと加えた。この溶液を６０℃に保ち、４時間撹拌した。反応溶液に水を注ぎ、析出物を濾過した。さらに濾物をアセトンに懸濁させて濾過し未反応の原料を取り除いた。次に１ｍｌのＮａＯＨ（０．０８０ｇ）水溶液にＡｒ雰囲気下でドデカンチオール０．４０ｇのメタノール（２ｍｌ）溶液を加え１時間撹拌した。この溶液に、先ほどの濾物（アゾベンゼンのｂｕｎｔｅ塩）のＤＭＦ（４０ｍｌ）溶液をゆっくりと滴下した。滴下途中で析出物がみられた。この溶液をＡｒ雰囲気下で６時間撹拌し、その後水を加え析出物を濾別した。濾物をＴＨＦと混合し、溶け残りを濾過して取り除いた。濾液を濃縮してヘキサンと酢酸エチル（２０対１）の混合溶媒を展開溶媒にして、カラムクロマト分離を行った。その後アセトン、ヘキサンでそれぞれ再結晶を行い、黄白色の固体を３２０ｍｇ単離した。
Ｙｉｅｌｄ：２６％
ｍｐ：６８．５−６９．５℃
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３）：ｄ＝０．８８（３Ｈ，ｔ， −ＣＨ_３），０．８９（３Ｈ，ｔ， −ＣＨ_３），１．４−１．６（４０Ｈ，ｍ，ＣＨ_２−ＣＨ _２−ＣＨ_２），１．６５（４Ｈ，ｔ，ｔ，Ｓ−Ｓ−ＣＨ_２−ＣＨ _２），１．６７（２Ｈ，ｔ，ｔ，Ａｒ−ＣＨ_２−ＣＨ _２），１．８２（２Ｈ，ｔ，ｔ，Ａｒ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨ _２），２．６８（２Ｈ，ｔ，Ａｒ−ＣＨ _２），２．６８（４Ｈ，ｔ，Ｓ−Ｓ−ＣＨ _２），４．０３（２Ｈ，ｔ，Ａｒ−Ｏ−ＣＨ _２），６．９９（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ），７．２９（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ），７．７９（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ），７．８９（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ）

【００１３】
参考例２（１２−［４−（４−ヘキシルフェニルアゾ）フェノキシ］ドデシルオクタデシルジスルフィド（１２−［４−（４−ｈｅｘｙｌｐｈｅｎｙｌａｚｏ）ｐｈｅｎｏｘｙ］ｄｏｄｅｃｙｌｏｃｔａｄｅｃｙｌｄｉｓｕｌｆｉｄｅ）の合成）
４−（１２−ブロモドデシルオキシ）−４’−ヘキシルアゾベンゼン１．０３ｇを６０℃のＤＭＦ４０ｍｌに溶かし、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ０．５６ｇの５ｍｌ水溶液をゆっくりと加えた。この溶液を６０℃に保ち、４時間撹拌した。反応溶液に水を注ぎ、析出物を濾過した。さらに濾物をアセトンに懸濁させて濾過し、未反応の原料を取り除いた。次に、オクタデカンチオール０．５７２ｇをＴＨＦとメタノール（１４ｍｌ：６ｍｌ）の混合溶媒に溶かしＡｒ雰囲気下で１ｍｌのＮａＯＨ（０．８０ｇ）水溶液に加え１時間撹拌した。この溶液に、先ほどの濾物（アゾベンゼンのｂｕｎｔｅ塩）をジメチルアセトアミドとメタノール（２８ｍｌ：１２ｍｌ）の混合溶液に溶かしたものを滴下した。滴下途中で析出物がみられた。この溶液をＡｒ雰囲気下で６時間撹拌した後、水を加え析出物を濾別した。濾物をＴＨＦと混合し、溶け残りを濾過して取り除いた。濾液を濃縮してエタノールとＴＨＦの混合溶媒で再結晶したのち、ヘキサンで再結晶した。得られた粗精製物をヘキサンとクロロホルム（３：１）の混合溶媒を展開溶媒にして、カラムクロマト分離を行った。黄白色のアモルファス固体を４９０ｍｇ得た。融点測定から液晶性を示す化合物であることが分かった。
Ｙｉｅｌｄ：３２％
ｍｐ：７７．０−７８．０℃
ＴＮＩ：７９．５℃
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３）：ｄ＝０．８９（３Ｈ，ｔ， −ＣＨ_３），０．９０（３Ｈ，ｔ， −ＣＨ_３），１．４−１．６（５２Ｈ，ｍ，ＣＨ_２−ＣＨ _２−ＣＨ_２），１．６６（４Ｈ，ｔ，ｔ，Ｓ−Ｓ−ＣＨ_２−ＣＨ _２），１．６８（２Ｈ，ｔ，ｔ，Ａｒ−ＣＨ_２−ＣＨ _２），１．８２（２Ｈ，ｔ，ｔ，Ａｒ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨ _２），２．６９（２Ｈ，ｔ，Ａｒ−ＣＨ _２），２．６９（４Ｈ，ｔ，Ｓ−Ｓ−ＣＨ _２），４．０４（２Ｈ，ｔ，Ａｒ−Ｏ−ＣＨ _２），７．０１（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ），７．３０（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ），７．８０（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ），７．９０（２Ｈ，ｄ，Ａｒ−Ｈ）

【００１４】
実施例１
図１に示した装置を用い、以下の手順で参考例１で合成したジスルフィド化合物（以下、Ｃ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１２という）のＳＡＭ膜の光異性化の検出、測定を行った。レーザー光はＨｅ−Ｎｅレーザーを使用した。
▲１▼まず、ＳＡＭ膜を形成させる前にヘキサンを供給口７から入れて、ヘキサン中で金基板３のみのプラズモン測定（角度分散モード：入射角−反射率プロット）を行い、金（ｂａｒｅｇｏｌｄ）の厚み（ｄ（Ａｕ））と屈折率（ε’、ε”）を実験的に決定した。
▲２▼次にＣ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１２の０．２５ｍｍｏｌ／Ｌヘキサン溶液で溶液セル９内を置換し、ＳＡＭ膜１を形成させた（分子鎖長：３６Å）。この時、プラズモン吸収変化の大きく観察された角度（６０°）に入射角を固定して、膜形成による反射率変化をその場観察した（キネテクスモード：時間−反射率プロット）。この結果から膜形成の終了を確認した。
▲３▼その後、供給口７からヘキサンを供給し、溶液セル９内を再度置換（リンス）し、セル９内をヘキサンで満たした。
▲４▼セル裏面のガラスを通して紫外光（３６４ｎｍ）と可視光（４４０ｎｍ）を交互に入射し、その反射率変化をモニターした（キネテクスモード：時間−反射率プロット）。
▲５▼紫外光及び可視光照射による反応が完了したそれぞれの時点で、プラズモンの角度分散測定を行い、プラズモン吸収位置のシフト幅からシス体（紫外光照射）及びトランス体（可視光照射）のそれぞれの有効膜厚を求めた。
▲６▼その後、ペンタン、ヘプタン、オクタンのそれぞれを用い、上記▲３▼〜▲５▼の操作を繰返した。ペンタン、ヘプタン、オクタンについては金基板のみのプラズモン曲線の実測は行わず、ヘキサンの測定で求めたε’、ε”及びｄ（Ａｕ）から計算してプラズモン曲線を書き、それぞれの溶媒中での金のみのピーク位置を決定して、プラズモンシフト（Δ）を求めた。
【００１５】
図４に、ヘキサン溶液中での金表面（実線）及びＳＡＭ膜作製後可視光照射（○：トランス体）と紫外光照射（▲：シス体）のプラズモン曲線を示す。ＳＡＭ膜形成によりプラズモンピークが右にシフトし、トランス体はシス体よりもさらに右にシフトしている。
図５はヘキサン中で生じた光異性化を経時的に反射率によってリアルタイムで測定した結果を示すグラフである。「ＵＶ」が紫外光照射時、「Ｖｉｓ」が可視光照射時であり、比較として大気中での測定結果（入射角２５．２°）も示した。大気中での測定では反射率の変化が小さく、シス体−トランス体の変化が明確に読み取れないのに対し、ヘキサン中での測定結果は紫外線照射時と可視光照射時とで反射率が大きく変化して、リアルタイムで光異性化反応の様子が明瞭に示されている。
ペンタン、ヘプタン、オクタン中で行った測定の結果をそれぞれ図６（ａ）〜（ｃ）に示した。いずれも光異性化反応により反射率が大きく変化している。
【００１６】
実施例２
Ｃ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１２に代えて参考例２で合成したジスルフィド化合物（以下、Ｃ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１８という）を用いた以外は実施例１と同様にしてＳＡＭ膜の光異性化の検出、測定を行った。ヘキサン中での測定の結果を、大気中での測定結果と併せて図７に示す。実施例１と同様、大気中では検知された反射率の変化が小さく光異性化反応がほとんど検出できないのに対し、ヘキサン中で行った測定ではシス体−トランス体の変化がはっきり示されているのがわかる。
【００１７】
実施例３
実施例１、２と同様にしてアゾベンゼンチオールのＳＡＭ膜の光異性化反応による誘電率変化（膜厚を３６Åと固定した時の屈折率変化）を、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン及びオクタン中で測定した。
得られたシス体及びトランス体のＳＡＭ膜の誘電率を、各溶媒の誘電率に対しプロットしたグラフを図８に示す。Ｃ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１２及びＣ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１８のグラフも併せて示した。
図８よりジスルフィド化合物のほうがアゾベンゼンチオールに比べて異性化による屈折率変化が大きいことがわかる。
なお、大気中での測定では図５、図７に示したように異性化による変化が小さいため、このような膜間での比較を行えるようなデータは得られなかった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、表面プラズモン共鳴分光を利用して、ＳＡＭ膜の光異性化による屈折率の変化を高感度で、かつ、実時間で、検出、測定することができる。したがって反応過程を反射率変化として、その場（ｉｎｓｉｔｕ）観察することが可能である（反応の速度論に関するデータも得られる）。また、屈折率の異なる複数種の有機溶媒を使用して測定を行うことにより、さらに確度の高いデータを得ることができ、異なる化合物から形成されたＳＡＭ膜同士の光異性化について比較することなども可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面プラズモン共鳴分光装置の一例の概略を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。
【図２】ＳＡＭ膜の光異性化による膜厚変化を模式的に示す説明図であり、（ａ）は大気中、（ｂ）は有機溶媒中での光異性化反応を示す。
【図３】膜形成において膜に接触する媒体の誘電率に対するプラズモンピーク（共鳴角）シフトの関係を示すグラフである。
【図４】実施例１においてヘキサン中で測定を行ったときのプラズモン曲線（入射角−反射率プロット）である。
【図５】実施例１においてＣ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１２のＳＡＭ膜の光異性化をヘキサン中で測定したときの時間−反射率プロットである。
【図６】実施例１において他の溶媒中で測定したときの時間−反射率プロットであり、（ａ）はペンタン、（ｂ）はヘプタン、（ｃ）はオクタン中で測定を行った結果を示す。
【図７】実施例２においてＣ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１８のＳＡＭ膜の光異性化をヘキサン中で測定したときの時間−反射率プロットである。
【図８】アゾベンゼンチオール、Ｃ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１２、Ｃ６ＡｚＣ１２ＳＳＣ１８それぞれのＳＡＭ膜のシス体とトランス体の誘電率を溶媒の誘電率に対してプロットしたグラフである。
【符号の説明】
１ＳＡＭ膜
２高屈折率ガラス基板
３金薄膜
４高屈折率プリズム
５ＰＴＦＥＯ−リング
６ＰＴＦＥフローセル
７供給口
８排出口
９セル
１０紫外光又は可視光照射方向
１１レーザー光
１２反射光
２０ＳＡＭ膜
２１フリーの溶媒分子
２２取り込まれた溶媒分子

Claims

自己組織化膜に、該膜に対し良溶媒である有機溶媒を接触させ、該有機溶媒中で該自己組織化膜に生じる光異性化を表面プラズモン共鳴分光により測定する方法であって、前記自己組織化膜が、直鎖アルキルを分子末端とする化合物から形成されていて、前記良溶媒が炭素数５〜１２の直鎖アルカンから選ばれるか、又は前記自己組織化膜が、芳香環を分子末端とする化合物から形成されており、前記良溶媒が芳香族系溶媒であることを特徴とする表面光反応の検出、測定方法。