JP4825974B2 - Fluorescence enhancement element, fluorescence element, and fluorescence enhancement method - Google Patents

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Description

本発明は、蛍光物質より発せられる蛍光の強度を増強することができる光学素子及び該光学素子を利用した蛍光増強方法に関する。
なお、本発明においていう「蛍光物質」は、所定の励起光を照射することにより、または電界効果を利用して励起することにより蛍光を発する物質の総称である。また、「蛍光」には「燐光」をはじめとする各種の発光を含むものとする。
The present invention relates to an optical element capable of enhancing the intensity of fluorescence emitted from a fluorescent substance, and a fluorescence enhancement method using the optical element.
The “fluorescent substance” in the present invention is a general term for substances that emit fluorescence by irradiating with predetermined excitation light or by excitation using a field effect. “Fluorescence” includes various types of light emission including “phosphorescence”.

分析対象分子を励起させ、その励起分子から発せられる蛍光を分析することによって分析対象分子の定性及び定量分析を行う蛍光分析法は、高感度分析法の一つであり、微量分析において重要な役割を果たしている。   Fluorescence analysis, which qualitatively and quantitatively analyzes analyte molecules by exciting the analyte molecules and analyzing the fluorescence emitted from the excited molecules, is one of high-sensitivity analysis methods and plays an important role in microanalysis Plays.

励起物質から発せられる蛍光は、その蛍光物質自身の特徴をよく反映するだけでなく蛍光物質周囲の環境からも影響を受けやすいため、蛍光物質を標識剤(バイオセンサ)として体内組織やDNAの鑑定に用いることも行われており、生医化学を含め、広範な分野において利用されている。   Fluorescence emitted from an excited substance not only reflects the characteristics of the fluorescent substance itself, but is also easily affected by the environment surrounding the fluorescent substance. Therefore, the fluorescent substance is used as a labeling agent (biosensor) to identify tissues and DNA in the body. It is also used in a wide range of fields, including biomedical chemistry.

また、電界効果で励起される蛍光物質は、薄型の表示デバイスの一つとして著しい発展を続けている有機EL素子に応用されている。   In addition, a fluorescent material excited by a field effect is applied to an organic EL element that has been remarkably developed as one of thin display devices.

このように幅広く利用されている蛍光であるが、蛍光強度は物質によって異なる。通常では蛍光強度が微弱な物質の蛍光を観測できるようになれば、その応用範囲は更に拡大することが期待される。そのため、物質の蛍光を増強することを目的とした研究が盛んに行われてきた。   Although fluorescence is widely used in this way, the fluorescence intensity varies depending on the substance. Usually, if the fluorescence of a substance having a weak fluorescence intensity can be observed, the application range is expected to be further expanded. For this reason, research aimed at enhancing the fluorescence of substances has been actively conducted.

蛍光増強法として従来からよく知られているのは、金属コロイドや金属アイランド膜の近傍に蛍光分子を存在させることにより、その分子から発せられる蛍光が増強される現象を利用したものである(例えば、特許文献1参照)。   A well-known fluorescence enhancement method is based on the phenomenon that fluorescence emitted from a molecule is enhanced by the presence of a fluorescent molecule in the vicinity of a metal colloid or metal island film (for example, , See Patent Document 1).

しかし、上記の金属コロイドや金属アイランド膜を利用した蛍光増強法は蛍光増強に有効であるものの、以下に説明する通り、増強に限界があった。   However, although the fluorescence enhancement method using the metal colloid or metal island film described above is effective for fluorescence enhancement, there is a limit to enhancement as described below.

この種の金属ナノ粒子よる蛍光増強作用の原因には二種類の因子がある。第一の因子は、入射光により金属ナノ粒子中に表面プラズモンが励起されたときに生ずる粒子近傍の電場の増強である。近傍の分子はこの増強電場の下でより効率的に励起されるため、実効的に入射光の吸収率(分子の励起効率)が増加し、これに比例して発光強度も強くなる。この増強電場の強さやそれが及ぶ範囲(距離)は金属ナノ粒子のサイズや形状にも大きく依存する。
より重要な第二の因子は、発光の量子収率そのものを増加させる作用であり、その定性的な解釈は次のとおりである。すなわち、励起分子の発光双極子が隣接する金属の表面プラズモン的な自由電子の振動モードを励起し(これにより励起分子のエネルギーが金属に移動したことになる)、金属粒子中に発光性の誘起双極子を与える。系の正味の発光確率は全双極子モーメントの二乗に比例するため、誘起双極子の大きさが元の励起分子の双極子よりも大きくなれば発光効率(量子収率)の増加が期待できる。
しかしながら金属中には同時に様々な自由電子の励起モードが存在し、そのほとんどはジュール熱として急速に失われてしまうため、総じて発光効率は高々数%以下に止まらざるをえなかった。換言すると、もともとの量子収率が比較的高い分子の発光は、上記の増強効果が期待できる荒れた金属表面の近くであっても逆に強く消光されてしまう。それゆえ正味の増強が起こるのは、量子収率が著しく低い分子に限られてきた。
There are two types of factors that cause the fluorescence enhancement effect of this type of metal nanoparticles. The first factor is the enhancement of the electric field in the vicinity of the particles that occurs when surface plasmons are excited in the metal nanoparticles by incident light. Since nearby molecules are excited more efficiently under this enhanced electric field, the absorption rate of incident light (molecular excitation efficiency) effectively increases, and the emission intensity increases in proportion to this. The strength of this enhanced electric field and the range (distance) covered by it depend greatly on the size and shape of the metal nanoparticles.
The more important second factor is the action of increasing the quantum yield of luminescence itself, and its qualitative interpretation is as follows. That is, the light-emitting dipole of the excited molecule excites the surface plasmon free electron vibration mode of the adjacent metal (this means that the energy of the excited molecule is transferred to the metal), and induces luminescence in the metal particle. Give a dipole. Since the net emission probability of the system is proportional to the square of the total dipole moment, an increase in luminous efficiency (quantum yield) can be expected if the induced dipole size is larger than the dipole of the original excited molecule.
However, various free electron excitation modes exist in the metal at the same time, and most of them are rapidly lost as Joule heat, so that the luminous efficiency has to remain at most several percent at the most. In other words, the light emission of a molecule having a relatively high quantum yield is strongly quenched even in the vicinity of a rough metal surface where the enhancement effect can be expected. Therefore, the net enhancement has been limited to molecules with significantly lower quantum yields.

そのため、特許文献1に記載されている蛍光増強装置を含め、従来の各種の蛍光増強法によって正味に得られる蛍光の増強はそれほど大きなものとはならず、発光効率(量子効率)はせいぜい数%にとどまっていたのである。   For this reason, the fluorescence enhancement net obtained by various conventional fluorescence enhancement methods including the fluorescence enhancement device described in Patent Document 1 is not so great, and the luminous efficiency (quantum efficiency) is at most several percent. It was staying at.

この問題をより定量的な観点から理解するうえでの重要な不等式が非特許文献1に提示されている。任意の形状を有した金属微粒子内の自由電子の集団的な振動エネルギーが光として放射される速度をΓr、ジュール熱として失われる速度をΓnrとすると、該振動の発光効率はφ=Γr/(Γr+Γnr)で与えられるが、この場合、次式(1)が成り立つというものである。
ここで、Vは粒子の体積、λは光の波長、εは金属の複素誘電率で、Imは複素数の虚部を表す。これを例えば銀にあてはめ、可視部の中心波長(〜600 nm)付近で計算すると次式(2)となる。
Non-Patent Document 1 presents an important inequality for understanding this problem from a more quantitative viewpoint. If the speed at which collective vibration energy of free electrons in a metal fine particle having an arbitrary shape is emitted as light is Γ r and the speed at which it is lost as Joule heat is Γ nr , the luminous efficiency of the vibration is φ = Γ r / (Γ r + Γ nr ). In this case, the following equation (1) holds.
Here, V is the volume of the particle, λ is the wavelength of light, ε is the complex permittivity of the metal, and Im is the imaginary part of the complex number. When this is applied to, for example, silver and calculated near the center wavelength (˜600 nm) of the visible portion, the following equation (2) is obtained.

上記式(2)の意味するところは明瞭である。例えば粒径が約20nmの典型的な銀ナノ粒子については、Γr≦〜0.02×Γnrとなり、これはφ≦〜0.02を意味する。すなわち、一般的な銀ナノ粒子を蛍光の増強剤として用いても大きな効果を期待できないことが原理的にも明らかである。一方、粒径が約100nm以上の粒子については、上記式(2)による制限は大きく緩和される。しかしこれはあくまでも不等式であって、発光効率φを大きくするための必要条件として粒子体積をできるだけ大きくすることが有利であることを示す一方で、実際にどのような粒子サイズや形態が十分大きな発光効率φの実現を可能にするかについては何も示唆していない。例えば粒径が約500nmの真球状の銀粒子の場合、上記不等式(2)はΓr≦〜200×Γnとなり、Γr=0.99、Γnr=0.01のような(つまりφ〜1となる)望ましい状況を許容するが、このような銀粒子は実際にはほとんど蛍光を増強する作用を持たないことを本願発明者はすでに確認している。 The meaning of the above formula (2) is clear. For example, for typical silver nanoparticles with a particle size of about 20 nm, Γ r ≦ ˜0.02 × Γ nr , which means φ ≦ ˜0.02. That is, it is clear in principle that a large effect cannot be expected even when general silver nanoparticles are used as a fluorescence enhancer. On the other hand, for particles having a particle size of about 100 nm or more, the restriction by the above formula (2) is greatly relaxed. However, this is only an inequality and shows that it is advantageous to increase the particle volume as much as possible as a necessary condition for increasing the luminous efficiency φ, while what particle size and form are actually sufficiently large Nothing is suggested as to whether the efficiency φ can be realized. For example, in the case of a true spherical silver particle having a particle size of about 500 nm, the inequality (2) is Γ r ≦ ˜200 × Γ n , such as Γ r = 0.99 and Γ nr = 0.01 (that is, φ˜1). The present inventor has already confirmed that such a silver particle actually has little action to enhance fluorescence, while allowing the desired situation.

特表2005-524084号公報([0045],図1)JP 2005-524084 Publication ([0045], Fig. 1) ジョエル・ガーステン(Joel Gersten)、他1名、「スペクトロスコピック・プロパティーズ・オブ・モレキュールズ・インターアクティング・ウィズ・スモール・ダイエレクトリック・パーティクルズ(Spectroscopic properties of molecules interacting with small dielectric particles)」、ジャーナル・オブ・ケミカル・フィジクス(The Journal of Chemical Physics)、1981,75,1139Joel Gersten and one other, "Spectroscopic properties of molecules interacting with small dielectric particles", The Journal of Chemical Physics, 1981, 75, 1139

本願発明者は、上述したような従来の蛍光増強法が有する問題を解決すべく研究を行った結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能な蛍光増強素子に想到した。   As a result of researches to solve the problems of the conventional fluorescence enhancement methods as described above, the present inventor has come up with a fluorescence enhancement element capable of dramatically improving the light emission efficiency.

以上のようにして成された本発明に係る蛍光増強素子は、
素子表面に担持した蛍光物質の発光を増強する光学素子であって、
互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの平板状金属粒子が所定の基板上に多数設けられて成ることを特徴とする。
The fluorescence enhancing element according to the present invention formed as described above,
An optical element that enhances light emission of a fluorescent material carried on the element surface,
A large number of flat metal particles having a cross-sectional particle size of 100 to 800 nm and a thickness of 30 to 50 nm, which are formed independently of each other, are provided on a predetermined substrate.

また、本発明において、金属粒子には銀を好適に用いることができる。   In the present invention, silver can be suitably used for the metal particles.

本発明の蛍光増強素子は、金属の強い消光作用を大きく低減し、表面から約1nmという至近距離にある分子の発光速度を高め、極めて大きな蛍光増強効果をもたらす。また、この蛍光増強素子は至極単純な構成であるため、取り扱いも容易であり、コスト的にも有利である。   The fluorescence enhancement element of the present invention greatly reduces the strong quenching action of metals, increases the emission rate of molecules at a close distance of about 1 nm from the surface, and brings about a very great fluorescence enhancement effect. In addition, since this fluorescence enhancement element has a very simple configuration, it is easy to handle and is advantageous in terms of cost.

金属粒子に銀を用いた場合には、粒子の表面近傍に単層状に担持された蛍光分子の実効的な発光量子収率が最大50%以上にまで向上する。   When silver is used for the metal particles, the effective light emission quantum yield of the fluorescent molecules supported in a single layer near the surface of the particles is improved up to 50% or more.

以下、本発明に係る蛍光増強素子について詳細に説明する。本発明の蛍光増強素子は、素子の表面近傍に担持された蛍光物質の蛍光を増強する近距離蛍光増強素子と、素子の表面に直接担持されていない蛍光物質の蛍光を増強する長距離蛍光増強素子とに大別することができる。本発明では後者の素子を「蛍光素子」とも呼ぶ。   Hereinafter, the fluorescence enhancement element according to the present invention will be described in detail. The fluorescence enhancement element of the present invention includes a short-range fluorescence enhancement element that enhances the fluorescence of a fluorescent substance carried near the surface of the element, and a long-range fluorescence enhancement that enhances the fluorescence of a fluorescent substance that is not directly carried on the element surface. It can be roughly divided into elements. In the present invention, the latter element is also referred to as a “fluorescent element”.

≪近距離蛍光増強≫
図1に、本発明に係る蛍光増強素子(近距離蛍光増強素子)の断面図を示す。
≪Short range fluorescence enhancement≫
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a fluorescence enhancement element (short-range fluorescence enhancement element) according to the present invention.

基板1はその表面に平板状金属粒子を設けるための部材である。その材質は特に問わず、金属を利用してもよい。また、基板1の形状は、平面型、曲面型、小球面型など、任意である。また、後述するように、本発明の蛍光増強素子は素子の裏側にも蛍光が発せられるため、基板1の材料を光透過性を備えたものとしてもよい。   The substrate 1 is a member for providing flat metal particles on the surface thereof. The material is not particularly limited, and a metal may be used. Further, the shape of the substrate 1 is arbitrary such as a flat type, a curved surface type, and a small spherical type. Further, as will be described later, since the fluorescence enhancing element of the present invention emits fluorescence also on the back side of the element, the material of the substrate 1 may be light transmissive.

平板状金属粒子2は断面粒径が略100nm以上、可視光波長(約800nm)程度以下、厚みが略30〜50nmの金属粒子であって、上記基板1の表面において、互いに接触することなく独立した状態で密に配列している。金属粒子はいずれも均一の大きさ及び形状を備えていることが望ましいが、大きさや形状に多少のばらつきがあっても構わない(図2d及びe参照。)。   The flat metal particles 2 are metal particles having a cross-sectional particle size of about 100 nm or more, a visible light wavelength (about 800 nm) or less, and a thickness of about 30 to 50 nm, and are independent on the surface of the substrate 1 without contacting each other. It is arranged densely in the state. Although it is desirable that all metal particles have a uniform size and shape, there may be some variation in size and shape (see FIGS. 2d and e).

平板状金属粒子2の金属は銀を好適に用いることができる。本発明の蛍光増強素子において銀を好適に利用することができる理由は、上記式(2)からも説明される。つまり、銀は最も光の吸収が小さい金属であるため、上述した粒子形状の場合には式(2)において大きな係数(〜600)を与え、結果としてφ=0.5〜1という値が許容されるからである。後述するように、銀を用いることにより実測においてもφ=0.5以上の大きな値が得られている。また、銀のほか、アルミニウム、金、銅なども用いることが可能である。   As the metal of the flat metal particle 2, silver can be preferably used. The reason why silver can be suitably used in the fluorescence enhancement element of the present invention is also explained from the above formula (2). That is, since silver is the metal with the smallest light absorption, in the case of the above-described particle shape, a large coefficient (˜600) is given in equation (2), and as a result, a value of φ = 0.5 to 1 is allowed. Because. As will be described later, by using silver, a large value of φ = 0.5 or more is obtained in actual measurement. In addition to silver, aluminum, gold, copper, or the like can also be used.

平板状金属粒子2は、基板1の表面に対して、例えばスパッタリング加工やレジスト加工、エッチング加工を行うことにより作製することができる。   The flat metal particles 2 can be produced by performing, for example, sputtering processing, resist processing, or etching processing on the surface of the substrate 1.

本発明の蛍光増強素子を使用する際は、上述した構成の蛍光増強素子の表面に、即ち平板状金属粒子2の表面に蛍光物質3を担持させる。ただし、表面に担持されている蛍光物質3の濃度が大きくなると、蛍光物質間で励起エネルギーが移動して非放射過程の確率が増し、蛍光の強さが減少してしまう(自己消光効果)。従って、自己消光効果をなるべく小さくするために、蛍光物質は可能な限り低濃度で(薄く)担持されることが望ましい。   When the fluorescence enhancing element of the present invention is used, the fluorescent material 3 is supported on the surface of the fluorescence enhancing element having the above-described configuration, that is, on the surface of the flat metal particles 2. However, when the concentration of the fluorescent material 3 supported on the surface increases, the excitation energy moves between the fluorescent materials, the probability of a non-radiation process increases, and the intensity of the fluorescence decreases (self-quenching effect). Therefore, in order to reduce the self-quenching effect as much as possible, it is desirable that the fluorescent material be supported at the lowest possible concentration (thin).

蛍光物質3は、図1(A)に示すように、平板状金属粒子2の表面に直接担持させることもできるが、平板状金属粒子2の表面から所定の距離をおいて担持させてもよい。蛍光物質3を平板状金属粒子2の表面から離して担持する方法は特に限定されず、また、蛍光物質3は固定されていなくてもよい。
図1(B)に示すように、平板状金属粒子2の表面にスペーサ4を設け、スペーサ4の表面に蛍光物質3を担持させる構成としても構わない。スペーサ4を設けることにより、蛍光物質3を金属粒子の表面から一定の距離に固定することができる。スペーサ4は非導電性であればよく、その構成は問わない。
As shown in FIG. 1A, the fluorescent material 3 can be directly supported on the surface of the tabular metal particle 2, but may be supported at a predetermined distance from the surface of the tabular metal particle 2. . The method for supporting the fluorescent material 3 separately from the surface of the flat metal particles 2 is not particularly limited, and the fluorescent material 3 may not be fixed.
As shown in FIG. 1B, a configuration may be adopted in which spacers 4 are provided on the surface of the flat metal particles 2 and the fluorescent material 3 is supported on the surfaces of the spacers 4. By providing the spacer 4, the fluorescent material 3 can be fixed at a certain distance from the surface of the metal particles. The spacer 4 only needs to be nonconductive, and the configuration thereof is not limited.

金属粒子の表面から蛍光物質3の距離は、蛍光増強効果を得るためには10nm以下であることが望ましく、1nm程度の場合に蛍光増強効果が最大となる。
これまで、蛍光増強効果を得るためには、金属内非発光性モードへの直接のエネルギー移動をできるだけ避けるため、蛍光物質3は金属表面から少なくとも3nm以上、好ましくは10nm以上離れた位置に存在させることが要件であるとされてきたが、本発明の蛍光増強素子においては上述のように10nm以下、好ましくは1nm程度が好適であり、しかも金属表面に直接担持されていても十分な蛍光増強効果が得られる。
In order to obtain the fluorescence enhancement effect, the distance from the surface of the metal particle to the fluorescent substance 3 is desirably 10 nm or less, and when it is about 1 nm, the fluorescence enhancement effect is maximized.
Until now, in order to obtain a fluorescence enhancement effect, the fluorescent material 3 is present at a position at least 3 nm or more, preferably 10 nm or more away from the metal surface, in order to avoid direct energy transfer to the non-light emitting mode in metal as much as possible. However, in the fluorescence enhancing element of the present invention, 10 nm or less, preferably about 1 nm is suitable as described above, and sufficient fluorescence enhancing effect can be obtained even if it is directly supported on the metal surface. Is obtained.

本発明に係る蛍光増強素子においては、蛍光を増強させたい蛍光物質の光吸収率が小さい、又は蛍光量子収率が低い場合には、その増強効果を増大させるために、図1(C)に示すように二種類の異なる蛍光物質を担持させることもできる。   In the fluorescence enhancing element according to the present invention, when the light absorption rate of the fluorescent substance to be enhanced in fluorescence is small or the fluorescence quantum yield is low, in order to increase the enhancement effect, FIG. As shown, two different fluorescent materials can be supported.

この構成では、二種類の蛍光物質が混合担持され、それぞれがドナー3aとアクセプタ3bの役割を果たす(図1(C))。なお、ドナーの発光波長範囲はアクセプタの吸収波長範囲と重なりを持っていなければならず、その重なりが大きい程好ましい。また、ドナー3aとアクセプタ3bの比(分子数比)は、光吸収率をできるだけ高めるために、ドナー3aが有利であることが望ましい。   In this configuration, two types of fluorescent materials are mixedly supported, and each plays the role of donor 3a and acceptor 3b (FIG. 1C). It should be noted that the emission wavelength range of the donor must overlap with the absorption wavelength range of the acceptor, and the larger the overlap, the better. Further, it is desirable that the donor 3a is advantageous in terms of the ratio of the donor 3a to the acceptor 3b (molecular number ratio) in order to increase the light absorption rate as much as possible.

本構成の蛍光増強素子では、ドナー3aが励起光を吸収し、その励起エネルギーは金属粒子の媒介により極めて速やかにアクセプタ3bに移動する。こうして間接励起されたアクセプタ3bの発光が増強される。また、この構成は、ドナー3aの存在によってアクセプタ3b同士の距離が増加することにより自己消光効果が減少するという効果ももたらすため、アクセプタ3bの発光増強効果が高い。   In the fluorescence enhancing element having this configuration, the donor 3a absorbs the excitation light, and the excitation energy moves to the acceptor 3b very quickly through the mediation of the metal particles. In this way, the light emission of the indirectly-accepted acceptor 3b is enhanced. In addition, this configuration also brings about an effect that the self-quenching effect decreases due to the increase in the distance between the acceptors 3b due to the presence of the donor 3a, and thus the emission enhancement effect of the acceptor 3b is high.

理論的には、金属の表面近傍では二種類の発光分子(ドナーとアクセプタ)の間のエネルギー移動速度も数桁以上増加することが示されているが、従来の系では金属の強い消光作用を避けるため蛍光分子は表面から数nm以上の距離に設ける必要があり、この表面増強エネルギー移動を利用するどころか観測することさえ困難であった。しかし、本発明に係る蛍光増強素子ではこの制限が取り除かれ、ドナー3aからアクセプタ3bへの増強エネルギー移動を介したアクセプタからの強い発光が得られる。   Theoretically, it has been shown that the energy transfer rate between two types of light-emitting molecules (donor and acceptor) increases by several orders of magnitude near the surface of the metal. In order to avoid this, it is necessary to provide the fluorescent molecules at a distance of several nanometers or more from the surface, and it is difficult to observe even if this surface enhanced energy transfer is used. However, in the fluorescence enhancement element according to the present invention, this limitation is removed, and strong light emission from the acceptor is obtained through enhanced energy transfer from the donor 3a to the acceptor 3b.

≪長距離蛍光増強≫
図2に、長距離蛍光増強素子である、本発明に係る蛍光素子の断面図を示す。
≪Long-range fluorescence enhancement≫
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a fluorescent element according to the present invention, which is a long-range fluorescence enhancing element.

本発明に係る蛍光素子の基本的構成は、先に述べた近距離蛍光増強素子の構成と類似しており、その構成は、
基板と、
該基板上において互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの多数の平板状金属粒子と、
該平板状金属粒子の表面に薄膜状に担持された蛍光物質と、
該蛍光物質上に設けられ、厚みが100nm以下であって内部に前記蛍光物質と同一種類の蛍光物質を分散保持している保持媒体と、から成る。
The basic configuration of the fluorescent element according to the present invention is similar to the configuration of the short-range fluorescence enhancing element described above,
A substrate,
A large number of tabular metal particles having a cross-sectional particle size of 100 to 800 nm and a thickness of 30 to 50 nm, formed independently of each other on the substrate,
A fluorescent material supported in a thin film on the surface of the flat metal particles;
A holding medium which is provided on the fluorescent material and has a thickness of 100 nm or less and in which the same type of fluorescent material as the fluorescent material is dispersed and held.

すなわち、両者の相違点は、この蛍光素子において、数十〜100nm程度の厚みの保持媒体5が、基板1上、すなわち表面上又は表面近傍に蛍光物質3を担持している平板状金属粒子上に設けられている点である。保持媒体5中には平板状金属粒子2上に担持されているものと同じ蛍光物質3が分散している。保持媒体5は蛍光物質3を分散した状態で保持することができればどのようなものでもよく、蛍光物質3の吸収及び発光波長において透明なものであればポリマーでも液膜でも構わない。   That is, the difference between the two is that, in this fluorescent element, the holding medium 5 having a thickness of about several tens to 100 nm is on the substrate 1, that is, on the flat metal particles carrying the fluorescent material 3 on or near the surface. It is a point provided in. In the holding medium 5, the same fluorescent material 3 that is supported on the flat metal particles 2 is dispersed. The holding medium 5 may be anything as long as the fluorescent material 3 can be held in a dispersed state, and may be a polymer or a liquid film as long as it is transparent at the absorption and emission wavelengths of the fluorescent material 3.

この構成では大部分の蛍光物質3は保持媒体5中に存在し、平板状金属粒子2により直接増強を受けない距離に位置しているが、平板状金属粒子2表面近傍に担持されている蛍光物質3の増強蛍光が保持媒体5中に存在する蛍光物質3全体の蛍光を間接的に増強し、結果として強い発光増強が起こる。   In this configuration, most of the fluorescent material 3 exists in the holding medium 5 and is located at a distance that is not directly enhanced by the tabular metal particles 2, but the fluorescence carried near the surface of the tabular metal particles 2. The enhanced fluorescence of the substance 3 indirectly enhances the fluorescence of the entire fluorescent substance 3 present in the holding medium 5, and as a result, strong emission enhancement occurs.

本蛍光素子によれば、有意な量の蛍光物質3が平板状金属粒子から10nm程度以内の距離に担持されてさえいれば、増強の及ぶ範囲を100nm程度の距離にまで拡大することが可能となる。従ってこの素子は、例えば単層担持では十分な検出感度が得られないほど発光効率が悪い分子の検出等に利用することができる。また、保持媒体5が流動する液膜でもよいことは、増強蛍光を利用した高感度分析の対象試料を大きく拡げる効果がある。   According to the present fluorescent element, as long as a significant amount of the fluorescent material 3 is supported at a distance within about 10 nm from the flat metal particles, the range of enhancement can be expanded to a distance of about 100 nm. Become. Therefore, this element can be used for detection of a molecule having such a low luminous efficiency that sufficient detection sensitivity cannot be obtained with a single-layer support, for example. In addition, the fact that the holding medium 5 may be a liquid film has the effect of greatly expanding the target sample for high-sensitivity analysis using enhanced fluorescence.

この蛍光素子においても、短距離蛍光増強素子の場合と同様に、蛍光物質3としてドナー及びアクセプタの役割を担う二種類の蛍光物質を用いることができる。この場合、蛍光素子の表面上又は表面近傍においてドナー及びアクセプタを混合担持させ、アクセプタとなる蛍光物質のみを保持媒体5中に分散させる。また、保持媒体5中にドナー及びアクセプタが混合された蛍光物質を分散させても構わない。   In this fluorescent element, as in the case of the short-range fluorescence enhancing element, two types of fluorescent substances that serve as donors and acceptors can be used as the fluorescent substance 3. In this case, a donor and an acceptor are mixed and supported on the surface of the fluorescent element or in the vicinity of the surface, and only the fluorescent substance serving as the acceptor is dispersed in the holding medium 5. Further, a fluorescent material in which a donor and an acceptor are mixed may be dispersed in the holding medium 5.

≪増強レージング≫
上述した長距離蛍光増強素子(図2)と類似した構成において、蛍光物質3が分散する保持媒体5の厚みを1000nm以上とし、この素子に対してパルスレーザによってポンピングすることにより、強度が増強されたレーザ発光が生じる(詳細は後述する。)。
≪Enhanced lasing≫
In a configuration similar to the above-described long-range fluorescence enhancing element (FIG. 2), the thickness of the holding medium 5 in which the fluorescent material 3 is dispersed is set to 1000 nm or more, and the intensity is enhanced by pumping the element with a pulse laser. Laser emission occurs (details will be described later).

以下、本発明に係る蛍光増強素子の効果を確認するために、本発明者が実施した各種実験について説明する。   Hereinafter, in order to confirm the effect of the fluorescence enhancement element according to the present invention, various experiments conducted by the present inventor will be described.

≪近距離蛍光増強≫ ≪Short range fluorescence enhancement≫

[蛍光増強素子の作製]
基板1としてマイカを用いた。マイカは絶縁性が高いだけでなく、平滑な表面を得やすいため、蛍光増強素子の基板1として好適である。また、マイカは光透過性を備えている。DCスパッタリング法を用いて、表面が原子的に平滑なマイカの剥離面に銀の粒子を1〜2nm/分の比較的ゆっくりとした膜堆積速度で堆積させた。堆積処理中のマイカの温度は200〜300℃程度となるように調節した。図3は、堆積時間が増加するにつれて(図3のa〜d)膜がどのように成長するかを示すAFM像である。
[Fabrication of fluorescence enhancement element]
Mica was used as the substrate 1. Mica is suitable as a substrate 1 for a fluorescence enhancing element because it has not only high insulation but also a smooth surface. Mica is light transmissive. Using a DC sputtering method, silver particles were deposited at a relatively slow film deposition rate of 1-2 nm / min on the peeled surface of mica having an atomically smooth surface. The temperature of the mica during the deposition process was adjusted to about 200 to 300 ° C. FIG. 3 is an AFM image showing how the film grows as the deposition time increases (ad in FIG. 3).

膜堆積初期の段階では、図3のaに示したような、数十nm以下の銀ナノ粒子が密に詰まった典型的な銀アイランド膜が生成する。このような状態は、他の成膜条件や方法でも生じるが、その後アイランド膜は互いに融合・合体してすぐに連続膜の状態に成長するのが通例である。本条件においては、いくつかの隣合う粒子同士が合体して成長するものの、連続膜になることはなく、より大きな独立した粒子に成長して、その各々は他の粒子から完全に分離される(b、cを経て、dの状態)。図3のdの状態で堆積処理を終了した。図3のeはdの3次元像である。図3のeに示す3次元像から観察されるように、このときの粒子は平板形状であり、その幅は数百nm、厚さは平均50nm程度であった。   In the initial stage of film deposition, a typical silver island film is formed in which silver nanoparticles of several tens of nm or less are densely packed as shown in FIG. Such a state occurs even under other film forming conditions and methods, but the island films are usually grown into a continuous film state immediately after being fused and united with each other. Under this condition, several adjacent particles grow together but do not become a continuous film, but grow into larger independent particles, each of which is completely separated from other particles. (The state of d after passing through b and c). The deposition process was completed in the state of d in FIG. E in FIG. 3 is a three-dimensional image of d. As observed from the three-dimensional image shown in e of FIG. 3, the particles at this time were tabular, with a width of several hundred nm and an average thickness of about 50 nm.

図3のaの状態では蛍光増強効果は非常に小さかった。これは前述した式(2)に基づく考察結果と合致している。図3のbの状態では、粒子はすでに平板状の形態を示し、粒径は50nm近くに達する。この時点で蛍光増強効果は顕著に現れたもののまだ最大ではなく、図3のdの状態で最大の増強効果が得られた。   In the state of FIG. 3a, the fluorescence enhancement effect was very small. This is in agreement with the result of consideration based on the above-described equation (2). In the state of FIG. 3b, the grains already show a tabular morphology and the grain size reaches close to 50 nm. At this point, the fluorescence enhancement effect appeared remarkably, but not yet the maximum, and the maximum enhancement effect was obtained in the state of d in FIG.

図3のdの状態で堆積処理を終了せず、さらにこれを続けると、銀粒子は互いに接触を始め、膜に導電性が現れた。このとき、なお有意な蛍光増強効果が得られるものの、その効果は大きく減少した。これは、個々の銀粒子の形態やサイズが変化するためではなく、連続膜が形成されることが原因であるといえる。実際、完全に連続した銀膜は、その近傍にある分子の蛍光を完全に消光してしまう程の強い消光作用を示す。   If the deposition process was not completed in the state of d in FIG. 3 and this was continued, the silver particles began to contact each other, and conductivity appeared in the film. At this time, although a significant fluorescence enhancement effect was still obtained, the effect was greatly reduced. This is not because the shape or size of individual silver particles changes, but because the continuous film is formed. In fact, a completely continuous silver film exhibits such a strong quenching action that it completely quenches the fluorescence of molecules in the vicinity thereof.

平板状金属粒子2と蛍光物質3との距離を調節するためのスペーサとして直鎖のメルカプトカルボン酸分子の自己組織化単分子膜を用いた。スペーサ4の厚みを調節する際には、銅イオンを介することによって一層の厚み(直鎖のメルカプトカルボン酸分子の長さ)が約1.4nmである前記単分子膜を積層した。このようなスペーサの構成を模式的に図4に示す。   A self-assembled monolayer of linear mercaptocarboxylic acid molecules was used as a spacer for adjusting the distance between the flat metal particles 2 and the fluorescent material 3. When adjusting the thickness of the spacer 4, the monomolecular film having a single layer thickness (the length of a linear mercaptocarboxylic acid molecule) of about 1.4 nm was laminated by passing copper ions. The structure of such a spacer is schematically shown in FIG.

また、任意の厚さのスペーサを1回の処理で設けることができる簡便な方法として、スピンオングラス(SOG)の溶液をエタノールで希釈し、これをスピン塗布することにより1nm以下の厚さまでスペーサ層が制御できるので、この方法も適宜併用した。   In addition, as a simple method that can provide spacers of any thickness in a single treatment, the spacer layer is diluted to 1 nm or less by diluting a spin-on-glass (SOG) solution with ethanol and spin-coating it. Therefore, this method was also used as appropriate.

[蛍光物質の担持]
蛍光物質3としてローダミンB色素(図5)を用いた。担持量を薄く均一にするため、ローダミンBの希薄エタノール溶液を、蛍光増強素子の表面に3000rpmでスピンコーティングした。
[Supporting fluorescent material]
Rhodamine B dye (FIG. 5) was used as the fluorescent material 3. In order to make the loading amount thin and uniform, a diluted ethanol solution of rhodamine B was spin-coated at 3000 rpm on the surface of the fluorescence enhancement element.

[蛍光の測定]
上記のようにして得たローダミンBを担持した蛍光増強素子(スペーサの厚み:1.4nm)に対し、基板1の表側(金属粒子側)から波長532nmの励起光を照射し、生じた蛍光を測定した。銀粒子の形状は、蛍光増強作用が最大となる図2dの形状であった。こうして測定された蛍光スペクトルを図6において実線で示す。なお、鎖線は同一担持量のローダミンBをガラス表面に担持した場合の蛍光スペクトルを示している。図6の左側のグラフは、ローダミンBの担持量が比較的多く、ガラス表面上での蛍光量子収率が約1%の場合のスペクトルであり、図6の右側のグラフは、ローダミンBの担持量が比較的少なく、ガラス表面上での蛍光量子収率が約40%の場合のスペクトルである。
[Measurement of fluorescence]
The fluorescence enhancing element (spacer thickness: 1.4 nm) carrying rhodamine B obtained as described above is irradiated with excitation light having a wavelength of 532 nm from the front side (metal particle side) of the substrate 1 and the resulting fluorescence is measured. did. The shape of the silver particles was the shape shown in FIG. The fluorescence spectrum thus measured is shown by a solid line in FIG. The chain line indicates the fluorescence spectrum when the same loading amount of rhodamine B is supported on the glass surface. The graph on the left side of FIG. 6 is a spectrum when the loading amount of rhodamine B is relatively large and the fluorescence quantum yield on the glass surface is about 1%, and the graph on the right side of FIG. It is a spectrum when the amount is relatively small and the fluorescence quantum yield on the glass surface is about 40%.

図6のグラフより、本発明の蛍光増強素子を用いることにより、前者(図6左)の場合は蛍光増強率が40倍程度となり、後者(図6右)の場合は蛍光増強率が6倍程度に達することが確認された。   From the graph of FIG. 6, by using the fluorescence enhancement element of the present invention, the fluorescence enhancement rate is about 40 times in the former case (left of FIG. 6), and the fluorescence enhancement rate is 6 times in the latter case (right of FIG. 6). It was confirmed that the degree was reached.

しかしながら、上で得られた蛍光増強率は、以下の2点を考慮していないため、蛍光増強効果(量子収率の増強によるもの)を定量的に表すものではない。
1)素子(基板)によって異なる励起光の吸収率を考慮していない。
2)蛍光の角度依存性を考慮していない。
そこで、本願発明者は蛍光増強率を定量的に評価するための実験を以下のように行った。
However, since the fluorescence enhancement rate obtained above does not consider the following two points, it does not quantitatively represent the fluorescence enhancement effect (due to the quantum yield enhancement).
1) Absorption rate of excitation light that varies depending on the element (substrate) is not taken into consideration.
2) The angle dependence of fluorescence is not considered.
Therefore, the present inventor conducted an experiment for quantitatively evaluating the fluorescence enhancement rate as follows.

[光吸収率の考慮]
上記1)の光吸収率を考慮するために、本発明の蛍光増強素子自体の光吸収率(図7鎖線)及び、ローダミンBを担持した蛍光増強素子の光吸収率(図7実線)を測定した。後者において、ローダミンBの担持量は図5左グラフの同一量とした。
[Consideration of light absorption rate]
In order to take into account the light absorption rate of 1) above, the light absorption rate of the fluorescence enhancement element of the present invention itself (FIG. 7 chain line) and the light absorption rate of the fluorescence enhancement element carrying rhodamine B (solid line of FIG. 7) were measured. did. In the latter, the loading amount of rhodamine B was the same as that shown in the left graph of FIG.

図7の鎖線より、本発明の蛍光増強素子(金属粒子:銀)の吸収率は短波長側で単調に増加し、500nm以上の領域では約20%以下の低い吸収率を有することがわかった。これは、500nm付近に双極子型表面プラズモン励起による幅広い吸収バンドを示す通常の銀アイランド膜とは異なっている。
ローダミンB担持後(実線)は、銀アイランド膜の吸収と色素の吸収を単純に足し合わせた形状になっている。従って、図7のグラフにおいて、実線と鎖線の差は、ローダミンBによる吸収に他ならない。この大きさは、ガラス参照基板によって同一のローダミンBの担持量で得られる値よりも5倍近く大きな値であった。
すなわち、図6の左のグラフにおける蛍光増強率にはこの吸収増幅効果が少なからず寄与しており、蛍光量子収率の増強率は10倍程度であるということになる。
From the chain line in FIG. 7, it was found that the absorptance of the fluorescence enhancing element (metal particles: silver) of the present invention monotonously increased on the short wavelength side, and had a low absorptance of about 20% or less in the region of 500 nm or more. . This is different from a normal silver island film that shows a wide absorption band due to dipole surface plasmon excitation around 500 nm.
After loading Rhodamine B (solid line), the shape is simply the absorption of the silver island film and the dye. Therefore, in the graph of FIG. 7, the difference between the solid line and the chain line is nothing but absorption by rhodamine B. This size was almost five times larger than the value obtained with the same loading amount of rhodamine B by the glass reference substrate.
That is, this absorption amplification effect contributes to the fluorescence enhancement rate in the left graph of FIG. 6, and the enhancement rate of the fluorescence quantum yield is about 10 times.

[蛍光の角度依存性の考慮]
上記2)の蛍光の角度依存性を考慮するため、ローダミンBを担持した蛍光増強素子において、測定角度による蛍光強度の変化を測定した(図8)。
[Consideration of fluorescence angle dependency]
In order to take into account the fluorescence angle dependency of 2) above, the fluorescence intensity change with the measurement angle was measured in the fluorescence enhancement element carrying rhodamine B (FIG. 8).

図8に示すように、蛍光強度が基板1の表側よりも裏側において強くなるという現象が観察された。この現象に示されている性質は、当然、基板1が光透過性を有している場合にのみ観察されうるものであるが、本発明の蛍光増強素子をバイオセンサ等に用いる場合において蛍光の測定箇所の自由度が高いことを意味している。   As shown in FIG. 8, a phenomenon was observed in which the fluorescence intensity was stronger on the back side than on the front side of the substrate 1. The property shown in this phenomenon can naturally be observed only when the substrate 1 is light transmissive. However, when the fluorescence enhancing element of the present invention is used for a biosensor or the like, the property of fluorescence is not observed. This means that the degree of freedom of the measurement location is high.

本例で用いている金属粒子2の実効的な光の透過率は10%程度に過ぎないため、発光が励起されたローダミンB自体から生じているのであれば、基板1の裏側で観察される蛍光強度は表側で観察されそれと比較すると大幅に小さくなるはずである。ところが実際は、金属粒子2の層によって光は遮蔽されず、むしろ増強される。
このことは、増強された蛍光が蛍光物質3(ローダミンB)から生じているのではなく、図9に模式図を示すように、励起された蛍光物質3からエネルギーを受け取った金属粒子(銀粒子)から生じていること示唆している。なお、これは前述した増強蛍光(量子収率の増強によるもの)の定性的な解釈と合致している。
Since the effective light transmittance of the metal particles 2 used in this example is only about 10%, if the light emission originates from the excited rhodamine B itself, it is observed on the back side of the substrate 1. The fluorescence intensity is observed on the front side and should be significantly lower than that. In practice, however, light is not shielded by the layer of metal particles 2 but rather is enhanced.
This is because the enhanced fluorescence is not generated from the fluorescent material 3 (rhodamine B), but the metal particles (silver particles) that have received energy from the excited fluorescent material 3 as shown in the schematic diagram of FIG. ). This is consistent with the qualitative interpretation of the above-described enhanced fluorescence (due to enhanced quantum yield).

上記の点に基づき、本願発明者は励起されたローダミンBからエネルギーを受け取った銀粒子の発光効率を定量的に評価するため、上述した光吸収率及び蛍光の角度依存性を考慮して、観測された蛍光についての正味の蛍光量子収率を色素(ローダミンB)担持量の関数として求めた。図10にその結果を示す。   Based on the above points, the inventor of the present application quantitatively evaluates the luminous efficiency of the silver particles receiving energy from the excited rhodamine B, taking into account the above-mentioned light absorption rate and fluorescence angle dependency, and observation. The net fluorescence quantum yield for the resulting fluorescence was determined as a function of dye (rhodamine B) loading. FIG. 10 shows the result.

図9のグラフより、ローダミンBの担持量が多い領域では、自己消光効果のために量子収率は比較的低いものの、ガラス参照基板上では1%以下となる領域で、10%以上の量子収率が得られている。ローダミンB担持量の減少に伴い、量子収率はさらに増加し、低担持量の極限では50%以上もの値を示した。前述したように、銀粒子に対する式(2)はこのような大きな発光効率を許容するが、それを保証するものではなかった。本実験によって、銀粒子は実際にこのような大きな発光効率を有することが実証された。   From the graph of FIG. 9, although the quantum yield is relatively low due to the self-quenching effect in the region where the amount of rhodamine B supported is large, the quantum yield of 10% or more in the region of 1% or less on the glass reference substrate. The rate is obtained. As the load of rhodamine B decreased, the quantum yield further increased, and showed a value of 50% or more in the limit of the low load. As described above, equation (2) for silver particles allows such a large luminous efficiency, but does not guarantee it. This experiment demonstrated that silver particles actually have such a large luminous efficiency.

[スペーサの厚みの考慮]
次に、スペーサの長さを変化させることによって、スペーサの厚みと蛍光量子収率の関係を調べた(図11)。ローダミンBの担持量は5×1013/cm2程度であった。この結果より、
1.スペーサを用いることなく直接ローダミンBを銀表面に担持させた場合でも有意な蛍光増強効果が得られる。
2.蛍光増強効果は1nm以下の至近距離の範囲でスペーサの厚みの増加に伴って急速に増大し、1nm程度の厚みで最大になる。
3.蛍光増強効果は10nm程度の厚みまで観察される。
の3点が明らかとなった。
[Consideration of spacer thickness]
Next, the relationship between the spacer thickness and the fluorescence quantum yield was examined by changing the length of the spacer (FIG. 11). The loading amount of rhodamine B was about 5 × 10 13 / cm 2 . From this result,
1. A significant fluorescence enhancement effect can be obtained even when rhodamine B is directly supported on the silver surface without using a spacer.
2. The fluorescence enhancement effect increases rapidly as the spacer thickness increases within a close range of 1 nm or less, and becomes maximum at a thickness of about 1 nm.
3. The fluorescence enhancement effect is observed up to a thickness of about 10 nm.
The three points became clear.

[ドナー・アクセプタによる蛍光増強]
ドナー蛍光物質(図1(C)の3a)としてローダミン110色素(図12(A))を用い、アクセプタ蛍光物質(図1(C)の3b)としてローダミンB色素(図5)もしくは塩基性フクシン色素(図12(B))を用いた。両者の混合希薄エタノール溶液を、蛍光増強素子の表面に3000rpmでスピンコーティングした。
[Fluorescence enhancement by donor / acceptor]
Rhodamine 110 dye (FIG. 12A) is used as the donor fluorescent substance (3a in FIG. 1C), and rhodamine B dye (FIG. 5) or basic fuchsin is used as the acceptor fluorescent substance (3b in FIG. 1C). A dye (FIG. 12B) was used. Both mixed dilute ethanol solutions were spin-coated at 3000 rpm on the surface of the fluorescence enhancement element.

ドナーとアクセプタの分子数比を2:1とし、アクセプタとしてローダミンB色素を用いたときの蛍光スペクトルのスペーサ厚依存性を示すグラフを図13に示す。すべての条件でドナーからエネルギーを獲得したアクセプタの発光が支配的であるが、その強度は約1nmの至近距離で最大になっている。   FIG. 13 shows a graph showing the dependence of the fluorescence spectrum on the spacer thickness when the ratio of the number of donor to acceptor molecules is 2: 1 and rhodamine B dye is used as the acceptor. The emission of the acceptor that gains energy from the donor is dominant under all conditions, but its intensity is maximum at a close distance of about 1 nm.

次に、ドナーとしてローダミン110色素、アクセプタとしてフクシン色素を用い、両者をドナー:アクセプタ=2:1の比で混合担持した場合のアクセプタの蛍光スペクトルを図14に示す。図14には、比較のための、ドナーのみを担持した場合のドナーの蛍光スペクトルも示されている。アクセプタであるフクシン色素は蛍光量子収率が極めて小さな(1%以下)色素の典型であり、本願発明者が使用した装置において、フクシン色素のみをガラス表面に吸着した状態では蛍光を観測することはできなかった。また、フクシン色素を図1の(A)や(B)に示すような形態で銀粒子表面に担持した場合には蛍光は大きく増強されて観測可能になったが、それでもまだ強度は不十分であった。ところが本構成では、図14のグラフに示されているようにドナーを単独で担持した時の蛍光強度に匹敵する積分強度でフクシン色素の蛍光が観測され、本構成の蛍光増強法の有効性が確認された。   Next, FIG. 14 shows the fluorescence spectrum of the acceptor when rhodamine 110 dye is used as the donor and fuchsin dye is used as the acceptor and both are mixed and supported at a ratio of donor: acceptor = 2: 1. FIG. 14 also shows the fluorescence spectrum of the donor when only the donor is supported for comparison. The acceptor fuchsin dye is a typical dye with a very low fluorescence quantum yield (1% or less). In the apparatus used by the present inventor, it is possible to observe fluorescence when only the fuchsin dye is adsorbed on the glass surface. could not. Further, when the fuchsin dye was supported on the surface of the silver particle in the form as shown in FIGS. 1A and 1B, the fluorescence was greatly enhanced and became observable, but the intensity was still insufficient. there were. However, in this configuration, as shown in the graph of FIG. 14, the fluorescence of the fuchsin dye is observed with an integrated intensity comparable to the fluorescence intensity when the donor is supported alone, and the effectiveness of the fluorescence enhancement method of this configuration is confirmed. confirmed.

≪長距離蛍光増強≫
長距離蛍光増強素子である蛍光素子の基礎には、上述した近距離蛍光増強素子と同一の方法によって作成された蛍光増強素子を利用した。
≪Long-range fluorescence enhancement≫
For the basis of the fluorescent element that is a long-range fluorescence enhancing element, a fluorescence enhancing element prepared by the same method as the short-range fluorescence enhancing element described above was used.

[蛍光物質の担持]
蛍光物質としてフクシン色素(図12(B))を用い、これをポリビニールアルコール(PVA)水溶液に溶解させた溶液を蛍光増強素子の表面に3000rpmでスピンコーティングした。このときフクシン色素のアミノ基とスペーサ表面のカルボキシル基の相互作用により、スペーサ表面(直接的な増強効果が最も強くなる距離)に比較的高密度のフクシン単層が自動的に担持され、フクシン色素の残りの大部分はポリマー層(厚み:約100nm)の中に分散した。なおポリマー媒体中に保持されたフクシン色素は分子運動の自由度の制限によりその蛍光量子収率は数十%まで増加する。
[Supporting fluorescent material]
Using a fuchsin dye (FIG. 12B) as a fluorescent substance, a solution obtained by dissolving this in a polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution was spin-coated on the surface of the fluorescence enhancement element at 3000 rpm. At this time, due to the interaction between the amino group of the fuchsin dye and the carboxyl group on the spacer surface, a relatively high density fuchsin monolayer is automatically supported on the spacer surface (distance where the direct enhancement effect is strongest), and the fuchsin dye Most of the remaining was dispersed in the polymer layer (thickness: about 100 nm). Note that the fluorescence quantum yield of the fuchsin dye retained in the polymer medium increases to several tens of percent due to the restriction of the degree of freedom of molecular motion.

[蛍光の測定]
図15に示すスペクトルAはこのときの蛍光スペクトルであり、比較したスペクトルBはスペーサが存在しない場合、つまり直接的な増強が最も強くなる距離に蛍光物質がほとんど無い状態で得られたものである。A、Bとも大部分の蛍光物質は直接的な増強を受けないポリマー媒体中に分散しており、観測される蛍光強度は本来同じになるはずであるが、実際の強度はAの方が3倍以上大きくなっている。これは銀粒子表面から至近距離に存在する蛍光物質の増強蛍光が直接的な増強を受けない厚いポリマー層からの発光を間接的に増強した結果であることを示している。
[Measurement of fluorescence]
A spectrum A shown in FIG. 15 is a fluorescence spectrum at this time, and a compared spectrum B is obtained in the absence of a spacer, that is, in a state where there is almost no fluorescent substance at a distance where direct enhancement is strongest. . Most of the fluorescent substances A and B are dispersed in a polymer medium that is not directly enhanced, and the observed fluorescence intensity should be essentially the same, but the actual intensity of A is 3 It is more than doubled. This indicates that the enhanced fluorescence of the fluorescent substance present at a short distance from the surface of the silver particle is a result of indirectly enhancing the light emission from the thick polymer layer that is not directly enhanced.

≪増強レージング≫ ≪Enhanced lasing≫

[蛍光物質の担持]
蛍光物質としてローダミンB色素を用い、これをポリビニールアルコール(PVA)水溶液に溶解させた溶液を、蛍光増強素子(近距離蛍光増強素子)の表面に厚く(数μm以上)塗布した。
[Supporting fluorescent material]
A rhodamine B dye was used as a fluorescent substance, and a solution obtained by dissolving this in a polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution was applied thickly (several μm or more) on the surface of the fluorescence enhancement element (short-range fluorescence enhancement element).

[増強レージングの確認]
上記試料をパルスYAGレーザ(パルス幅〜5ns、波長532nm)で照射したところ、スペーサの厚みが2nm以下のとき、又はスペーサを全く設けないとき、数mJ/cm2程度の励起エネルギーで色素分散ポリマー層からの強いレージングが発生し、図16Aのような強く鋭い発光スペクトル(レーザ発光)が得られた。図16Bはスペーサの厚さが3nm以上の場合の発光スペクトルを示しており、この僅かな違いでレージングはほとんど消失した。銀粒子表面から数nm以内の距離に存在する全体のうちのごく僅かな蛍光物質の増強蛍光がなだれ的に増幅された結果と解釈できる。
[Confirmation of enhanced lasing]
The sample pulse YAG laser (pulse width ~5Ns, wavelength 532 nm) was irradiated with, when the thickness of the spacer is 2nm or less, or when not provided at all spacers, dyes dispersed polymer by the number mJ / cm 2 about excitation energy Strong lasing occurred from the layer, and a strong and sharp emission spectrum (laser emission) as shown in FIG. 16A was obtained. FIG. 16B shows an emission spectrum when the thickness of the spacer is 3 nm or more. With this slight difference, lasing is almost lost. This can be interpreted as a result of avalanche amplification of the enhanced fluorescence of a very small amount of the fluorescent substance existing within a distance of several nanometers from the surface of the silver particle.

本発明に係る蛍光増強素子は、例えば生体分子の分子認識反応を利用した選択的バイオセンサやバイオプローブに直接応用できる。また、本発明に係る蛍光素子の有する長距離増強効果や増強レージングは有機EL素子の発光効率の改善や有機レーザの開発にも有効に応用することが可能である。   The fluorescence enhancing element according to the present invention can be directly applied to, for example, a selective biosensor or bioprobe using a molecular recognition reaction of a biomolecule. Further, the long-distance enhancement effect and enhancement lasing of the fluorescent element according to the present invention can be effectively applied to the improvement of the light emission efficiency of the organic EL element and the development of an organic laser.

以上、本発明に係る蛍光増強素子、蛍光素子、及び蛍光増強方法について説明を行ったが、その利用は上述したものに限定されないことは言うまでもなく、本発明の精神内で適宜変形や修正を行ってもよいことは明らかである。   Although the fluorescence enhancement element, the fluorescence element, and the fluorescence enhancement method according to the present invention have been described above, it goes without saying that the use is not limited to the above-described ones, and appropriate modifications and corrections are made within the spirit of the present invention. Obviously it may be.

なお、蛍光増強効果を得るためには、本発明に係る平板状金属粒子は必ずしも基板上に配置される必要はなく、蛍光物質の近傍に配置可能であれば蛍光増強粒子として各種の形態で利用可能である。例えば、蛍光物質を含む媒体中に平板状金属粒子を均一に分散させることにより、簡便に蛍光物質の蛍光を増強することが可能である。

In order to obtain the fluorescence enhancement effect, the flat metal particles according to the present invention do not necessarily have to be arranged on the substrate, and can be used in various forms as fluorescence enhancement particles as long as they can be arranged in the vicinity of the fluorescent substance. Is possible. For example, it is possible to easily enhance the fluorescence of the fluorescent material by uniformly dispersing the flat metal particles in the medium containing the fluorescent material.

本発明に係る蛍光増強素子の(A)スペーサを有さない場合、(B)スペーサを有する場合、(C)二種類の蛍光物質を担持する場合の断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of the fluorescence enhancing element according to the present invention when (A) no spacer is provided, (B) when a spacer is provided, and (C) two types of fluorescent substances are carried. 本発明に係る蛍光素子の断面図。Sectional drawing of the fluorescent element which concerns on this invention. 平板状金属粒子の生成過程を示すAFM像。An AFM image showing the formation process of flat metal particles. スペーサの一例の模式図。The schematic diagram of an example of a spacer. ローダミンBの化学構造式。Chemical structure of rhodamine B. 本発明の蛍光増強素子(実線)及びガラス表面(鎖線)上にローダミンBを担持した場合の蛍光スペクトル。The fluorescence spectrum at the time of carrying | supporting rhodamine B on the fluorescence enhancement element (solid line) and glass surface (chain line) of this invention. 本発明の蛍光増強素子(実線)及びガラス表面(鎖線)上にローダミンBを担持した場合の吸収スペクトル。The absorption spectrum at the time of carrying | supporting the rhodamine B on the fluorescence enhancement element (solid line) and glass surface (chain line) of this invention. 測定角度による蛍光強度の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the fluorescence intensity by a measurement angle. 増強された蛍光が金属粒子から生じていることを示す模式図。The schematic diagram which shows that the enhanced fluorescence has arisen from the metal particle. ローダミンB担持量による蛍光量子収率の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the fluorescence quantum yield by the loading amount of rhodamine B. スペーサの厚みと蛍光量子収率の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the thickness of a spacer, and a fluorescence quantum yield. (A)ローダミン110色素、(B)フクシン色素の化学構造式。(A) Chemical structural formula of rhodamine 110 dye, (B) fuchsin dye. ドナー及びアクセプタの蛍光強度のスペーサ厚依存性を示すグラフ。The graph which shows the spacer thickness dependence of the fluorescence intensity of a donor and an acceptor. ドナーのみの蛍光スペクトル、及び、ドナーとアクセプタとを混合担持した場合のアクセプタの蛍光スペクトルを示すグラフ。The graph which shows the fluorescence spectrum of an acceptor at the time of carrying | supporting the fluorescence spectrum of only a donor, and a donor and an acceptor. (A)スペーサが存在する場合、(B)スペーサが存在しない場合の長距離蛍光増強を示すグラフ。(A) A graph showing long-range fluorescence enhancement when a spacer is present and (B) when no spacer is present. スペーサの厚みが(A)2nm以下、(B)3nm以上の場合の増強レージングを示すグラフ。6 is a graph showing enhanced lasing when the spacer thickness is (A) 2 nm or less and (B) 3 nm or more.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板
2…平板状金属粒子
3…蛍光物質
3a…ドナー
3b…アクセプタ
4…スペーサ
5…保持媒体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Flat metal particle 3 ... Fluorescent substance 3a ... Donor 3b ... Acceptor 4 ... Spacer 5 ... Holding medium

Claims (11)

素子表面に担持した蛍光物質の発光を増強する光学素子であって、
互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの平板状金属粒子が所定の基板上に多数設けられて成り、
前記平板状金属粒子の表面に、その上に蛍光物質を担持するスペーサを有し、
該スペーサの厚みが10nm以下である
ことを特徴とする蛍光増強素子。
An optical element that enhances light emission of a fluorescent material carried on the element surface,
A plurality of flat metal particles formed independently of each other and having a cross-sectional particle size of 100 to 800 nm and a thickness of 30 to 50 nm are provided on a predetermined substrate,
The surface of said tabular metal particles have a spacer bearing a fluorescent material thereon,
The fluorescence enhancing element, wherein the spacer has a thickness of 10 nm or less .
前記平板状金属粒子が銀から成ることを特徴とする請求項1に記載の蛍光増強素子。   The fluorescence enhancement element according to claim 1, wherein the flat metal particles are made of silver. 蛍光物質の発光を増強させる蛍光素子であって、
基板と、
該基板上において互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの多数の平板状金属粒子と、
該平板状金属粒子の表面に薄膜状に担持された蛍光物質と、
該蛍光物質上に設けられ、厚みが100nm以下であって内部に前記蛍光物質と同一種類の蛍光物質を分散保持している保持媒体と、
から成ることを特徴とする蛍光素子。
A fluorescent element that enhances light emission of a fluorescent substance,
A substrate,
A large number of tabular metal particles having a cross-sectional particle size of 100 to 800 nm and a thickness of 30 to 50 nm, formed independently of each other on the substrate,
A fluorescent material supported in a thin film on the surface of the flat metal particles;
A holding medium which is provided on the fluorescent material and has a thickness of 100 nm or less and holds the same type of fluorescent material as the fluorescent material dispersed therein;
A fluorescent element comprising:
前記平板状金属粒子が銀から成ることを特徴とする請求項に記載の蛍光素子。 The fluorescent element according to claim 3 , wherein the flat metal particles are made of silver. 前記平板状金属粒子の表面にスペーサを備えており、薄膜状に担持される蛍光物質が該スペーサ上に担持されることを特徴とする請求項3又は4に記載の蛍光素子。 The fluorescent element according to claim 3 or 4 , wherein a spacer is provided on a surface of the flat metal particle, and a fluorescent material supported in a thin film shape is supported on the spacer. 前記スペーサの厚みが10nm以下であることを特徴とする請求項に記載の蛍光素子。 The fluorescent element according to claim 5 , wherein the spacer has a thickness of 10 nm or less. 互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの平板状金属粒子が所定の基板上に多数設けられて成る蛍光増強素子において該平板状金属粒子の表面から10nm以下の距離だけ離れた位置に蛍光物質を担持させ、所定の励起光を照射することにより増強された発光を得ることを特徴とする蛍光増強方法。 10 nm from the surface of the plate-like metal particles in a fluorescence enhancing element formed independently of each other and having a large number of plate-like metal particles having a cross-sectional particle size of 100 to 800 nm and a thickness of 30 to 50 nm on a predetermined substrate. A fluorescence enhancement method characterized in that a fluorescent substance is carried at positions separated by the following distance and enhanced emission is obtained by irradiating predetermined excitation light. 互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの平板状金属粒子が所定の基板上に多数設けられて成る蛍光増強素子の表面又は該平板状金属粒子の表面から定の距離だけ離れた位置に薄膜状に蛍光物質を担持させるとともに、該蛍光物質上に設けられ、厚みが100nm以下である保持媒体の内部に前記蛍光物質と同一種類の蛍光物質を分散保持させて成る蛍光素子に対して所定の励起光を照射することにより増強された発光を得ることを特徴とする蛍光増強方法。 The surface of a fluorescence enhancing element formed by a large number of flat metal particles having a cross-sectional particle size of 100 to 800 nm and a thickness of 30 to 50 nm formed independently of each other on a predetermined substrate, or the surface of the flat metal particles dispersed with supporting the fluorescent substance into a thin film at a position away by a distance of a certain, provided on the fluorescent substance, the fluorescent substance the same type and the fluorescent substance inside the holding medium thickness is 100nm or less from A fluorescence enhancement method characterized in that enhanced fluorescence is obtained by irradiating a predetermined excitation light to a fluorescent element that is held. 前記蛍光増強素子の表面又は前記平板状金属粒子の表面から定の距離だけ離れた位置に薄膜状にドナー及びアクセプタの役割を担う二種類の異なる蛍光物質を混合担持させることを特徴とする請求項7又は8に記載の蛍光増強方法。 Claims, characterized in that to the surface or the flat metal thin film on the donor and mixing carrying two different fluorescent substances responsible acceptor spaced a distance of a certain from the surface of the particles of the fluorescence enhancement element Item 9. The fluorescence enhancement method according to Item 7 or 8 . 前記ドナーの役割を担う蛍光物質を前記アクセプタの役割を担う蛍光物質よりも多量に担持させることを特徴とする請求項に記載の蛍光増強方法。 The fluorescence enhancement method according to claim 9 , wherein a larger amount of the fluorescent substance that plays the role of the donor is supported than the fluorescent substance that plays the role of the acceptor. 互いに独立して形成された、断面粒径が100〜800nm、厚みが30〜50nmの平板状金属粒子が所定の基板上に多数設けられて成る蛍光増強素子において、該平板状金属粒子の表面から2nm以下だけ離れた位置に薄膜状に蛍光物質を担持させるとともに、該蛍光物質上に設けられ、厚みが1000nm以上である保持媒体の内部に前記蛍光物質と同一種類の蛍光物質を分散保持させて成る蛍光素子に対してパルスレーザを照射することにより蛍光物質からレーザ発光を生じさせる蛍光増強方法。 Formed independently of one another, cross-sectional diameter is 100 to 800 nm, in fluorescence enhancement device tabular metal particles having a thickness of 30~50nm comprises provided a number on a given substrate, the surface of the tabular metal particles The fluorescent material is supported in a thin film at a position separated by 2 nm or less, and the fluorescent material of the same type as the fluorescent material is dispersed and held inside a holding medium provided on the fluorescent material and having a thickness of 1000 nm or more. A fluorescence enhancement method for generating laser light emission from a fluorescent material by irradiating a fluorescent element with a pulse laser.
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