JP6074609B2 - しわのよったナノ多孔質金属箔 - Google Patents

Description

本発明は、しわのよったナノ多孔質金属箔に関する。

金属箔にｎｍオーダーの気孔を形成したナノ多孔質金属箔が作製されている。このようなナノ多孔質金属箔の表面に吸着させたローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇと呼ぶ。）等の色素は、ラマン散乱信号測定で著しい表面増強ラマン散乱（Surface-Enhanced Raman Scattering、ＳＥＲＳと呼ぶ。）が観察される（特許文献１参照）。

特許文献１では、金属箔として金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）の合金を用いてナノ多孔質金属箔が作製されている。

さらに、従来の銀コロイドを使用する方法でも、ＳＥＲＳが測定されており、１分子を測定できる検出感度を有していることが報告されている(非特許文献１及び２参照)。

特開２００８−１８４６７１号公報

Nie, S et al.,"Probing Single Molecules and Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering,"Science, Vol.275, pp.1102-1106, 1997 Kneipp, K et al.,"Single Molecule Detection Using Surface-Enhanced Raman Scattering(SERS),"Phys. Rev. Lett., Vol.78, pp.1667-1670, 1997

特許文献１のナノ多孔質金属箔では、銀コロイドのような表面増強ラマン散乱が得られず、例えば、Ｒ６Ｇの１分子を測定できないという課題がある。

一方、銀コロイドの場合には、表面増強ラマン散乱の増強の度合いである増強因子は大きいが、特定のｎｍオーダーの径を有している銀コロイドを再現性良く作製することはできなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、例えばＲ６Ｇの１分子のＳＥＲＳスペクトルを測定可能な、しわのよったナノ多孔質金属箔を提供することを目的としている。

本発明者等は、ナノ多孔質金属箔をアモルファスの樹脂基板に張り付けた後、ナノ多孔質金属箔を樹脂のガラス遷移温度から融点の間の温度で熱処理を施し、ナノ多孔質金属箔の熱収縮を行なってしわを形成することにより、ナノ多孔質金属箔よりも増強因子が著しく増強されるとの知見を得て本発明に想到した。

上記の目的を達成するため、本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔は、ｎｍオーダーの気孔が形成されたナノ多孔質金属箔と、ナノ多孔質金属箔に形成されたしわと、を備え、ナノ多孔質金属箔は少なくとも２原子以上の合金からなっており、このしわは山と谷からなり、山にはラマン散乱における表面増強を生起させる複数のホットスポットが形成されている。

上記構成において、好ましくは、ナノ多孔質金属箔の気孔の大きさは、１０〜５０ｎｍである。
しわは、好ましくは、二次元的に繰り返す波状の波形を有している。このしわの二次元的に繰り返す波状の波形は、好ましくは、一方の周期が約３μｍ〜５μｍであり、他方の周期が約２０μｍ〜３０μｍである。
しわの山には、大きさが１ｎｍ以下から数十ｎｍの割れ目が多数形成されている。また、しわの山の割れ目は、延性の塑性変形による。
ホットスポットによる前記ラマン散乱における増強因子は、好ましくは、１０^１０〜１０^１１である。
合金は、好ましくは、ＡｕとＡｇからなる。或いは、合金は、好ましくは、ＣｕとＭｎからなる。

本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔によれば、従来のナノ多孔質金属箔よりも表面増強ラマン散乱における増強因子をさらに増大させ、再現性よく各種の分子を１分子迄検出することが可能になる。

本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔を示す模式図である。 本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔の応用例を示す斜視図である。 しわのよったナノ多孔質金属箔の製造方法を説明する図である。 樹脂製の基板に張り付けたナノ多孔質金属箔を模式的に示す斜視図である。 樹脂製の基板に張り付けたしわのよったナノ多孔質金属箔を模式的に示す斜視図である。 作製したナノ多孔質金属箔及びしわのよったナノ多孔質金属箔のＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡像）であり、（ａ）〜（ｄ）はナノ多孔質金属箔、（ｅ）〜（ｈ）はしわのよったナノ多孔質金属箔を示している。 しわのよったナノ多孔質金属箔のＳＥＭ像及びＳＴＥＭ像（走査型透過電子顕微鏡像）を示し、（ａ）〜（ｃ）はＳＥＭ像、（ｄ）及び（ｅ）はＳＴＥＭ像である。 ＨＳＡで修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔を緑色の光で励起したときのＣＶ分子の蛍光像であり、（ａ）は露光時間が２秒、（ｂ）は露光時間が１００ｍ秒の場合を示している。 １０^−８ＭのＣＶ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔とナノ多孔質金属箔のＳＥＲＳスペクトルである。 １０^−８ＭのＣＶ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔のＳＥＲＳスペクトルである。 １０^−８ＭのＣＶ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔においてしわの複数の山を測定したＳＥＲＳスペクトルである。 １０^−１１ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔においてしわの複数の山を測定したＳＥＲＳスペクトルである。 共にＲ６Ｇが吸着されたしわのよったナノ多孔質金属箔とＡｕの単結晶膜のラマンスペクトルを示す図である。 作製したナノ多孔質金属箔のＳＥＭ像を示す図であり、拡大図も併せて示している。 作製したナノ多孔質金属箔のＸ線分析の結果を示す図である。 作製したしわのよったナノ多孔質金属箔のＳＥＭ像を示す図であり、拡大図も併せて示している。 作製したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＭ像を示す図であり、（ａ）は低倍率、（ｂ）は高倍率を示している。 １０^−１２Ｍ及び１０^−１０ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔と比較例として１０^−１０ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したナノ多孔質金属箔のＳＥＲＳスペクトルを示す図である。 １０^−１２ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔のラマンマップである。 図１９のラマンマップにさらに同じ観察領域の光学顕微鏡像を重ねた図である。 １０^−１２Ｍ及び１０^−１０ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔のホットスポットのＳＥＲＳスペクトルを示す図である。 １０^−９Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のラマン測定と測定した箇所の光学像であり、（ａ）はラマンマップ、（ｂ）は光学像、（ｃ）はラマンマップと光学像を重ね合わせた像を示している。 １０^−９Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔のホットスポットのＳＥＲＳスペクトルを示す図である。 １０^−９Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔のＳＥＲＳスペクトルである。 １０^−１２Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔のＳＥＲＳスペクトルである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔を示す模式図である。
図１に示すように、しわのよったナノ多孔質金属箔１は、ナノメートル（ｎｍ）オーダーの気孔が形成されたナノ多孔質金属箔と、ナノ多孔質金属箔に形成されたしわと、を備え、ナノ多孔質金属箔は少なくとも２原子以上の合金からなり、しわは山１ａと谷１ｂからなり、山１ａには、ラマン散乱における表面増強を生起させる複数の後述するホットスポットが形成されている。しわのよったナノ多孔質金属箔１は、図３を用いて後述するように、ナノ多孔質金属箔２を、基板８に張り付けた後で熱処理を施し、室温まで冷却して形成することができる。

しわのよったナノ多孔質金属箔１は、後述するようにナノ多孔質金属箔２を、基板８に張り付けた後で熱処理を施し、室温まで冷却して形成することができる。ナノ多孔質金属箔２は、ｎｍオーダーの気孔が形成されており、少なくとも２原子以上の合金からなる。気孔の大きさは、５〜１００００ｎｍ（１０μｍ）とすることができる。気孔の大きさは、後述する製造方法におけるナノ多孔質金属箔２の腐食時間で制御可能である。後述するラマン散乱における増強因子を大きくするためには、ナノ多孔質金属箔２の気孔の大きさは、例えば１０〜５０ｎｍとすればよい。

金属箔は、例えばＡｕとＡｇからなる合金やＣｕとＭｎからなる２原子以上の合金からなる。金属箔の厚さは、４０ｎｍ〜５０ｎｍ、つまり数十ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）とすることができる。金属箔の厚さは、例えば１００ｎｍである。

ナノ多孔質金属箔２に形成されるしわは、山１ａと谷１ｂからなる。しわの山１ａには、ラマン散乱における表面増強を生起させるホットスポットが多数形成されている。

しわは、二次元的に繰り返す波状の形状の波形を有しており、しわの山１ａには、大きさが１ｎｍ以下から数十ｎｍの割れ目が多数形成されている。これらの山１ａの割れ目は延性の塑性変形によって形成されたものである。

ナノ多孔質金属箔２を張り付けるための基板８は、予備歪みを加えた熱可塑性樹脂を用いた高分子基板が好ましい。樹脂製の高分子基板８は、非晶質（アモルファスと呼ぶ）である樹脂を使用することができる。このような樹脂製の高分子基板８は、軟化するガラス遷移温度と樹脂自体の融点とを有している。樹脂製の高分子基板８の厚さは、例えば１０μｍ〜３０μｍである。金属箔の厚さは４０〜５０ｎｍ、つまり数十ｎｍ〜１００００ｎｍとすることができる。金属箔の厚さは、例えば１００ｎｍである。このような熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）等のフッ素樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、アクリルニトリル(AS)、アクリル(PMMA)、ナイロン等のポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、変性ポリフェニレンエーテル（変性PPE）、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート(GF-PET)、環状ポリオレフィン(COP)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルサルフォン(PES)、非晶ポリアリレート(PAR)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、熱可塑性ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)等が挙げられる。

図２は、本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔１の応用例を示す斜視図である。
図２に示すように、しわのよったナノ多孔質金属箔１は、ガラス板１０に張り付けられている。しわのよったナノ多孔質金属箔１は、例えば接着剤によりガラス板１０に張り付けられている。ガラス板１０に張り付けられたしわのよったナノ多孔質金属箔１は、例えば顕微ラマン分光用の試料に使用することができる。しわのよったナノ多孔質金属箔１には、プローブとなる分子が吸着されていてもよい。

（しわのよったナノ多孔質金属箔１の製造方法）
次に、しわのよったナノ多孔質金属箔１の製造方法について説明する。
図３は、しわのよったナノ多孔質金属箔１の製造方法を説明する図である。
第１工程（図３（ａ）参照）：
先ず、金属箔６を用いてナノ多孔質金属箔２を製造する。具体的には、所定の厚さの合金からなる金属箔６をビーカー３に入れて酸溶液４に浸漬して、ｎｍオーダーの気孔を形成する。具体的には、図示するように金属箔６を、ビーカー３内に満たした酸等の腐食溶液に入れて、合金の内の腐食され易い金属を腐食する。腐食が済んだら、金属箔６を、例えば硝酸の溶液４から取り出し、硝酸を除去するための洗浄を行う。この第１工程によりナノ多孔質金属箔２が作製される。ナノ多孔質金属箔２に腐食で形成される気孔の大きさは、腐食時間、酸溶液４の温度や濃度等により制御することができる。酸の溶液４の温度が同じ場合には、酸溶液４による金属箔６の腐食時間が短い程、金属箔６に形成される気孔の大きさは小さくなる。
第２工程（図３（ｂ）参照）：
次に、第１工程で作製したナノ多孔質金属箔２を、予備歪みを加えた熱可塑性樹脂の基板８に張り付ける。図４は、樹脂製の基板８に張り付けたナノ多孔質金属箔２を模式的に示す斜視図である。
第３工程（図３（ｃ）参照）：
第２工程で作製した樹脂製の基板８に張り付けたナノ多孔質金属箔２を熱処理する。予備歪みを加えた樹脂からなる基板８は暖めると縮む。このため、熱処理により、ナノ多孔質金属箔２が収縮し、しわのよったナノ多孔質金属箔１が作製される。ナノ多孔質金属箔２の収縮の度合い、つまり収縮率は、熱処理条件により制御することができる。予備歪みを加えた熱可塑性樹脂からなる基板８の予備歪みを調整しても、収縮率を変えることができる。これにより、しわのよったナノ多孔質金属箔１を製造することができる。図５は、熱可塑性樹脂からなる基板８に張り付けたしわのよったナノ多孔質金属箔１を模式的に示す斜視図である。
以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。

（実施例１）(しわのよったナノ多孔質金属箔１)
しわのよったナノ多孔質金属箔１は、以下のようにして作製した。
厚さが１００ｎｍのＡｕ_３５Ａｇ_６５からなる合金箔６を、室温で７１％の硝酸溶液４中で腐食させてナノ多孔質金属箔２とした。硝酸溶液４中の腐食時間は、それぞれ１０分、６０分、３６０分である。金属箔６の腐食時間が短い程、金属箔６に形成される気孔の大きさは小さくなる。

このようにして作製したナノ多孔質金属箔２を脱イオン水（比抵抗が１８．２ＭΩｃｍ）で注意して洗浄した後に、この２ｃｍ×２ｃｍの厚さが１００ｎｍのナノ多孔質金属箔２を予め応力を加えた厚さ２５ミクロンのポリスチレンからなる基板８（Ｇｒａｆｉｘ社、ＫＳＦ５０−Ｃ、以下ＰＳ基板と呼ぶ。）に物理的に固着した。ナノ多孔質金属箔２を張り付けたＰＳ基板８を８０℃で１時間加熱し、ナノ多孔質金属箔２とＰＳ基板８の結合を強固にした。この温度においては、応力が印加されたＰＳ基板８とナノ多孔質金属箔２の間は非常に安定である。そして、ＰＳ基板８の体積の収縮は起こらず、またナノ多孔質金属箔２のナノ孔の広がりも検出されなかった。最後に１６０℃で６分加熱した。

予め応力を加えたＰＳ基板８はアモルファスの高分子であり、ガラス遷移温度以上に加熱されたときに収縮する。実施例１で使用したＰＳ基板８のガラス遷移温度及び融点は、それぞれ９５℃、２４０℃である。上記収縮のための熱処理に用いた１６０℃、６分の温度は、ガラス遷移温度よりも高く、融点よりも低い温度である。これにより、ＰＳ基板８の体積は約半分以上収縮する。この場合、作製したしわのよったナノ多孔質金属箔１の大きさは、例えば８ｍｍ×８ｍｍ程度になる。

作製したナノ多孔質金属箔２及びしわのよったナノ多孔質金属箔１の表面を、走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＩＢ−４６００ＣＦ）及び走査型透過電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＥＭ−２１００Ｂ）で測定した。
図６は、作製したナノ多孔質金属箔２及びしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡像）であり、（ａ）〜（ｄ）はナノ多孔質金属箔２、（ｅ）〜（ｈ）はしわのよったナノ多孔質金属箔１を示している。
図６（ａ）は硝酸溶液４中の腐食時間が１０分の場合であり、作製したナノ多孔質金属箔２の気孔径は１２ｎｍであった。図６（ｂ）は硝酸溶液４中の腐食時間が６０分の場合であり、作製したナノ多孔質金属箔２の気孔径は２６ｎｍであった。図６（ｃ）は硝酸溶液４中の腐食時間が３６０分の場合であり、作製したナノ多孔質金属箔２の気孔径は３８ｎｍであった。図６（ｄ）は、図６（ｃ）をさらに低倍率で観察したＳＥＭ像であり、ナノ多孔質金属箔２の表面は、μｍスケールでは平坦であることが分かる。ＳＥＭ像で観察される数μｍの明暗は、Ａｕ_３５Ａｇ_６５からなる金属箔６自体の粒界に起因している。

図６（ｅ）は気孔の大きさが３８ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１を低倍率で観察したＳＥＭ像である。しわの分布は、小さな周期と大きな周期からなる波状の波形で構成されていることが分かる。つまり、μｍオーダーに拡大して観察すると、測定範囲では２次元方向で均一で周期性があることが分かる。しわの小さな周期である一次分布の波長は約３〜５μｍであり、しわの大きな周期である二次分布の波長は約２０〜３０μｍである。
図６（ｆ）〜（ｈ）は、それぞれ気孔の大きさが１２ｎｍ、２６ｎｍ、３８ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１を高倍率で観察したＳＥＭ像である。図６（ｅ）の低倍率からさらに高倍率で観察すると、しわはバラの花びらのような三次元形状を有していることが分かる。ナノ多孔質金属箔２にしわを形成する熱処理では、ナノ多孔質金属箔２の有していた気孔の大きさはごく僅かに増加することを除けば、ほぼ同じ大きさとなる。作製した３種のしわのよったナノ多孔質金属箔１の形状が互いに相似であるので、しわの長さは、気孔の大きさによらずに、収縮率で制御することができる。

ナノ多孔質金属箔２にしわを形成することによる大きな変形のため、しわのよったナノ多孔質金属箔１では、しわの山１ａに沿って亀裂が頻繁に観測される。
図７は、しわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＭ像と、ＳＴＥＭ像（走査型透過電子顕微鏡像）を示し、（ａ）〜（ｃ）はＳＥＭ像、（ｄ）及び（ｅ）はＳＴＥＭ像である。図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ気孔の大きさが１２ｎｍ、２６ｎｍ、３８ｎｍの場合である。

図７（ａ）に示すように、しわのよったナノ多孔質金属箔１の気孔の大きさが１２ｎｍの割れ目は、一般に鋭く切れた割れの端を伴う脆弱性から生じている。図７（ｂ）に示すように、しわのよったナノ多孔質金属箔１の気孔の大きさが２６ｎｍの割れた山１ａは、金の梁部分に検出可能な塑性変形が観察される。一方、図７（ｃ）に示すように、しわのよったナノ多孔質金属箔１の気孔の大きさが３８ｎｍの場合には、梁の山１ａは、延性を示すように塑性変形し、割れ目は殆ど観察されなかった。上記の観察は、ナノ多孔質金属箔の伸びから破壊に至る寸法の依存性に一致している。

さらに、気孔の大きさが２６ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１をＳＴＥＭで観察した。図７（ｄ）及び（ｅ）から明らかなように、山１ａの割れ目は、１ｎｍ以下〜数１０ｎｍの幅を有している。これは、金の梁の割れ目を伴った種々のナノギャップを形成している。

ＳＴＥＭの分析からは、破壊した金の梁の直径が５ｎｍ以下の頂点を有していることが分かった。この頂点の大きさは、最初のナノ多孔質金属箔２の梁よりも遥かに小さいものである。梁では、ツイン変形や積層欠陥のような変形欠陥が頻繁に観察される。これは、鋭い先端の形成が、Ａｕの山１ａが破壊中に起きる局所的な塑性変形に由来することを示している。

しわのよったナノ多孔質金属箔１の有している不均一なナノ構造の表面プラズモンの分布を明らかにするために、気孔の大きさが２６ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１上に担持したクリスタルバイオレットの蛍光顕微鏡観察を行った。クリスタルバイオレット（Crystal Violet、以下ＣＶと呼ぶ。）は、ＰＨ指示薬等に使用される色素である。

ヒト血清アルブミン（以下、ＨＳＡと呼ぶ。）を蛍光測定における像取得のスペーサとして用いた。蛍光像は、オリンパス社製蛍光顕微鏡、モデルＢＸ５１で測定した。しわのよったナノ多孔質金属箔１は、２０μＭ（１μＭは１×１０^−６モル／リットル）ＨＳＡ溶液に２４時間以上浸漬し、取り出して空気中で乾燥する前に脱イオン水で洗浄した。１０^−１０ＭのＣＶ（アルドリッチ社、ＣＶ）のメタノール溶液２μＬを、ＨＳＡで修飾した基板８に滴下した。乾燥後、滴下した中央部の蛍光像を取得した。

図８は、ＨＳＡで修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１を緑色の光で励起したときのＣＶ分子の蛍光像であり、（ａ）は露光時間が２秒、（ｂ）は露光時間が１００ｍ秒を示している。
図８（ａ）に示すように、露光時間が２秒で、明るい山１ａと暗い谷１ｂからなるしわの構造がよく認識されることが分かる。蛍光観察のコントラストは局所的な電磁界の強度に直接関係しているので、しわの明るい山１ａは、明らかにより強い表面プラズモン共鳴を生じさせている。

図８（ｂ）に示すように、露光時間が短い１００ｍ秒でも、ＣＣＤカメラを飽和させる程の強度を有している高密度の明るい山１ａが、大凡しわの山１ａに沿って観察されることが分かった。これらの明るい山１ａは、しわの山１ａの割れのナノギャップにおける電磁気的なホットスポットに対応している。

（ＳＥＲＳ測定）
次にＳＥＲＳ測定について説明する。
ＳＥＲＳ測定のためのプローブとしては、ＣＶ及びローダミン６Ｇ（アルドリッチ社、Ｒ６Ｇ）のアルコール溶液を用いた。ＳＥＲＳ測定の試料は、以下のようにして作製した。Ｒ６Ｇは、色素レーザ等に使用される蛍光分子である。
しわのよったナノ多孔質金属箔１を、１０^−８ＭのＣＶ溶液に２４時間以上浸漬し、取り出して空気中で乾燥する前にメタノールで洗浄した。このような処理により、しわのよったナノ多孔質金属箔１には、単分子層以下（サブ単分子層とも呼ぶ。）のＣＶ分子を被覆率が約２．５×１０^３／μｍ^２でしわのよったナノ多孔質金属箔１付きの基板８に担持させることができる。

ＳＥＲＳ測定は、マイクロラマン分光器（Renishaw社製、InVia RM 1000）により測定した。しわのよったナノ多孔質金属箔１に照射するレーザ光の波長は、５１４．５ｎｍと６３２．８ｎｍである。レーザ光のビーム寸法は、平均したＳＥＲＳスペクトルを取得するために直径を約５μｍと大きく設定した。レーザ光の出力は、試料に対する刺激による損傷を排除するために非常に低レベルに設定した。Ｒ６Ｇを吸着させたしわのよったナノ多孔質金属箔１に照射するレーザ光の出力は０．０６ｍＷとした。ＣＶを吸着させたしわのよったナノ多孔質金属箔１に照射するレーザ光の出力は０．３ｍＷとした。各スペクトルに対する蓄積時間は、５０秒である。

図９は、１０^−８ＭのＣＶ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１とナノ多孔質金属箔２のＳＥＲＳスペクトルであり、図１０は、１０^−８ＭのＣＶ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルである。図９及び図１０において、横軸はラマンシフトの波数（ｃｍ^−１）、縦軸は信号強度（任意目盛）である。
図９から明らかなように、気孔の大きさが１２ｎｍ、２６ｎｍ、３８ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルの強度は、何れもナノ多孔質金属箔２のＳＥＲＳスペクトルよりも大きいことが分かる。しわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルの強度が増す度合いは、気孔の寸法に強く依存していることを示している。気孔の大きさが１２ｎｍ、２６ｎｍ、３８ｎｍにおけるＳＥＲＳスペクトルの強度は、ナノ多孔質金属箔のＳＥＲＳスペクトルに比較して、それぞれ、約２０倍、約６０倍、約５０倍である。つまり、図１０に示すように、しわのよったナノ多孔質金属箔１の気孔の大きさが２６ｎｍの場合に最も強い信号が得られた。
一方、従来のナノ多孔質金属箔の場合には、気孔の寸法が小さい程ＳＥＲＳスペクトルの強度が増すことが分かる。つまり、図９から明らかなように、気孔の寸法が１２ｎｍの場合が最もＳＥＲＳスペクトルの信号強度が大きくなる。

上記の結果から、しわのよったナノ多孔質金属箔１の場合には、気孔の大きさが２６ｎｍの場合がＳＥＲＳスペクトルの信号強度が最も大きくなる。このように、従来のナノ多孔質金属箔２に対してＳＥＲＳスペクトルの強度が、しわのよったナノ多孔質金属箔１の場合で増強されるのは、主にしわのよったナノ多孔質金属箔１の微細構造がしわの形成により誘起されることを示している。しわの形成は収縮率を調整することで変えることができる。これにより、しわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルは、気孔の寸法としわの収縮率により変えることができる。

さらに、レーザ光のビーム寸法を約１μｍに絞り、しわのよったナノ多孔質金属箔１の各点からのＳＥＲＳスペクトルを取得して、ＳＥＲＳスペクトルの均一性について測定した。この測定から、蛍光観察で得られたしわの山１ａの明るい箇所に一致した箇所ではＳＥＲＳスペクトルの強度が、しわの谷１ｂよりも増強されることが分かった。

さらに、しわのよったナノ多孔質金属箔１において、しわの山１ａに沿ってレーザ光を走査すると、測定箇所毎にラマン強度が大きく変化することを見出した。
図１１は、１０^−８ＭのＣＶ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１においてしわの複数の山１ａを測定したＳＥＲＳスペクトルであり、図１２は、１０^−１１ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１においてしわの複数の山１ａを測定したＳＥＲＳスペクトルである。図１１及び図１２の横軸及び縦軸は図１０と同じである。
図１１に示すように、しわの山１ａを６箇所測定した結果、ＳＥＲＳスペクトルの強度は測定箇所（サイト）毎に変化し、最大強度は所謂ホットスポットに対応しており、その最大強度は最小強度の箇所の１０倍位であることが判明した。

図１２は、１０^−１１ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１であるが、図１１と同様の結果を得た。

１０^−１１ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１を５１４．５ｎｍの波長のレーザ光で励起した表面増強ラマン散乱の増強因子(Enhancement Factor、ＥＦと呼ぶ)の測定を行った。気孔の大きさは２６ｎｍである。しわのよったナノ多孔質金属箔１に１×１０^−１１ＭのＲ６Ｇのメタノール溶液の２μＬの液滴を滴下した。この溶液は、しわのよったナノ多孔質金属箔１の表面に直径が約０．８ｃｍの染みが形成されるように拡散した。

表面増強ラマン散乱は、レーザ光のビーム径を約２μｍとして、液滴の中心で測定した。比較用の試料として、０．０１ＭのＲ６Ｇのメタノール溶液を２μＬ滴下した直径が０．８ｃｍのＡｕの単結晶膜を作製した。

表面増強ラマン散乱の増強因子は下記（１）式により計算される（特許文献１参照）。
増強因子＝（Ｉ_{ＳＥＲＲＳ}／Ｎ_{ＳＥＲＲＳ}）／（Ｉ_ＲＲＳ／Ｎ_ＲＲＳ） （１）
ここで、Ｉ_{ＳＥＲＲＳ}はしわのよったナノ多孔質金属箔１を用いて得られたＲ６Ｇのラマンスペクトルの強度、Ｎ_{ＳＥＲＲＳ}はしわのよったナノ多孔質金属箔１に吸着されたＲ６Ｇの濃度、Ｉ_ＲＲＳはＲ６Ｇ粉末より得られたラマンスペクトルの強度、Ｎ_ＲＲＳはＲ６Ｇ粉末の濃度である。

ここで、プローブとなるＲ６Ｇ分子は、上記したしわのよったナノ多孔質金属箔１とＡｕの単結晶膜に均一に分布すると仮定する。ＳＥＲＳスペクトルに用いるしわのよったナノ多孔質金属箔１とラマンスペクトル測定に用いるＡｕの単結晶膜は同じ方法で作製されるので、検出されるＲ６Ｇの分子数Ｎは、下記（２）式で算出される。
Ｎ＝（Ｎ_ＡＭＶ_{ｓｏｌｕｔｉｏｎ}／Ｓ_ｓｕｂ）Ｓ_{ｌａｓｅｒ} （２）
ここで、Ｎ_Ａはアボガドロ定数、ＭはＲ６Ｇ溶液のモル濃度、Ｖ_{ｓｏｌｕｔｉｏｎ}は液滴の体積、Ｓ_ｓｕｂは基板の大きさ、Ｓ_{ｌａｓｅｒ}はレーザ光のビーム面積である。

Ｒ６Ｇの分子数Ｎを計算するための上記（２）式の各パラメータの値を、表１に示す。

図１３は、共にＲ６Ｇが吸着されたしわのよったナノ多孔質金属箔１とＡｕの単結晶膜のラマンスペクトルを示す図である。図１３の横軸及び縦軸は図１０と同じである。
図１３から、しわのよったナノ多孔質金属箔１の増強因子は、（１）式から約０．７×１０^８と計算される。この値は、Ａｕの単結晶膜よりも大きく、さらにナノ多孔質金属箔２の１０^６よりも大きい。図１１及び図１２に示すように場所によりＳＥＲＳスペクトルの強度の最大と最小では１０倍の差があるので、所謂ホットスポットにおける増強因子は、１０^９であると推定される。この増強因子の値は、１個の分子を検出できる値である。

しわのよったナノ多孔質金属箔１における増強因子が大きくなる機構を理解するために、ＣＶ分子のラマンバンドの性質を調べた。
表２は、ＣＶ分子が担持されたしわのよったナノ多孔質金属箔１のラマンバンドを示すものである。ラマンバンドの波数の右側に示している（ｖｓ）等の表記は、ｖｓが信号強度が非常に強い、ｓは強い、ｍは中位、ｗは弱い、ｖｗは非常に弱い場合を示している。ラマンバンドは、例えば１１７０ｃｍ^−１の分極している場合（ｐ）と、１１８５ｃｍ^−１の分極していない、つまり非分極の場合（ｄｐ）との対で示している。

分極の分子振動は全体で対称である。一方、非分極の振動は全体では対称でない。一般に、ＳＥＲＳスペクトルの増強が化学的な効果に起因する場合には、プローブとなる分子とこの分子が吸着されている基板との間の強い化学的相互作用により、ラマンバンドのシフトは約２０ｃｍ^−１となる。しかしながら、表２に示すように、観測されたラマンバンドのシフトは従来報告されたフーリエ分光ラマン（ＦＴ−ラマン）スペクトルと比較すると非常に小さいことが分かる。これは、ＣＶ分子としわのよったナノ多孔質金属箔１の化学的な相互作用が非常に弱いことを示している。Ｈｅｒｚｂｅｒｇ−Ｔｅｌｌｅｒの表面選択則によれば、全体で対称ではないモードにおいて、金属表面に対してＣＶ分子の近傍でＳＥＲＳスペクトルが増強される。このように、電荷の遷移で化学的増強がされる場合には、非分極（ｄｐ）のモードが、ＳＥＲＳスペクトルで増強される。しかしながら、しわのよったナノ多孔質金属箔１の場合には１１７０ｃｍ^−１と１６１７ｃｍ^−１における全体で対称（P）なモードで最も強度の大きい。このことは、さらに、しわのよったナノ多孔質金属箔１の非常に大きな増強因子は、化学的な効果が少ないことを示している。

以上の結果から、実施例のしわのよったナノ多孔質金属箔１では、しわを形成することにより、レーザ光に対して平行な垂直に立ったナノ多孔質金属箔とレーザ光との非常に強い電磁気結合が生じる。気孔の大きさが２６ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１では、気孔の大きさが１２ｎｍで脆弱な割れが生じたナノ多孔質金属箔１とは異なり、延性のある割れが生じている。これにより、気孔の大きさが２６ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１では、種々のギャップを有している微細な割れが多数生じる。これにより、適度なギャップ幅に結合する局所的な光学結合によりホットスポットが非常に多く形成されることが可能となっている（図７（ｂ）参照）。さらに、破壊した梁の鋭い先端も非常に局在化した電磁界を形成する効果と、鋭い先端に生じる光照射効果によりＳＥＲＳスペクトルの増強に寄与していると推定される。

（実施例２）(しわのよったナノ多孔質金属箔１の変形例)
金属箔６の組成をＡｕ_２５Ａｇ_７５とし、６９％の硝酸溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、実施例２のしわのよったナノ多孔質金属箔１を作製した。ＳＥＲＳスペクトルの測定の試料としては、しわのよったナノ多孔質金属箔１に、１×１０^−１２ＭのＲ６Ｇ水溶液と０．１ｍＭのＮａＣｌ水溶液中に溶解したアデニン（アルドリッチ社製、Ａ）とをプローブ分子として用いた。

図１４は、作製したナノ多孔質金属箔２のＳＥＭ像を示す図であり、拡大図も併せて示している。図１４に示すように、作製したナノ多孔質金属箔２の気孔の大きさは２０〜２５ｎｍであった。

図１５は、作製したナノ多孔質金属箔２のＸ線分析の結果を示す図である。Ｘ線分析は、走査型電子顕微鏡に付属のエネルギー分散型の分光器で行った。図１５の横軸は特性Ｘ線のエネルギー（ｋｅＶ）であり、縦軸はカウント数である。
図１５から、作製したナノ多孔質金属箔２の組成（ａｔ％）は、Ａｕ：Ａｇ＝７１：２９となり、硝酸溶液４を用いた腐食により、銀が減少したことが分かる。

図１６は、作製したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＭ像を示す図であり、拡大図も併せて示している。図１６に示すように、実施例２のナノ多孔質金属箔は、実施例１の気孔の大きさが２６ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１と同様のモルフォロジー（表面形態）を有している。

図１７は、作製したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＭ像を示す図であり、（ａ）は低倍率、（ｂ）は高倍率を示している。図１７に示すように、実施例２のしわのよったナノ多孔質金属箔１は、実施例１の気孔の大きさが２６ｎｍのしわのよったナノ多孔質金属箔１と同様の割れ目を有している。

図１８は、１０^−１２Ｍ及び１０^−１０ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１と、比較例として１０^−１０ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したナノ多孔質金属箔２のＳＥＲＳスペクトルを示す図である。図１８の横軸はラマンシフトの波数（ｃｍ^−１）、縦軸は信号強度（任意目盛）である。レーザ光の波長は５３２ｎｍである。図１８から明らかなように、しわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルの強度は、Ｒ６Ｇの濃度によらず、何れもナノ多孔質金属箔２のＳＥＲＳスペクトルよりも大きいことが分かる。

図１９は、１０^−１２ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のラマンマップである。図２０は、図１９のラマンマップにさらに同じ観察領域の光学顕微鏡像を重ねた図である。図１９の四角（□）で示した箇所が後述するホットスポットに対応している。

図２０に示すように、図１９のホットスポットは、しわの山１ａの部分に位置していることが分かる。

図２１は、１０^−１２Ｍ及び１０^−１０ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のホットスポットのＳＥＲＳスペクトルを示す図である。図２１の横軸及び縦軸は図１８と同じである。１０^−１２のＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトル（（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ））は、図１９に四角（□）で示した箇所に対応している。図２１の挿入図は、２８箇所のホットスポットにおける強度分布を示している。
図２１に示すように、１０^−１２ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１で検出しているのは、上記（２）式の計算からはＲ６Ｇ１分子に相当している。つまり、実施例２のしわのよったナノ多孔質金属箔１によりＲ６Ｇの１分子が検出されている。挿入図に示されているように、ホットスポットの最大の信号強度は最小強度の１０倍以上である。

実施例２の１０^−１２ＭのＲ６Ｇ溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のホットスポットのＳＥＲＳスペクトルにおける増強因子は、平均値が約３×１０^８であった。この値は、しわのよった純粋なＡｕからなるナノ多孔質金属箔の約４倍の値となった。ラマン像の測定では、最も強度の高いホットスポットの強度は、平均値の５００倍の強度であった。したがって、しわのよったナノ多孔質金属箔１の増強因子は最大で、１０^１０〜１０^１１となることを示している。

（非共鳴のバイオ分子であるＤＮＡ核酸塩基アデニンの検出）
次に、Ｒ６Ｇに変えて非共鳴のバイオ分子であるＤＮＡ核酸塩基アデニン（以下、アデニンと呼ぶ。）を吸着させた実施例２のしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルを測定した。溶液中のＤＮＡ核酸塩基アデニンは、電気的に中性なので、しわのよったナノ多孔質金属箔１にはＲ６Ｇよりも遥かに少量の分子しか吸着されない。レーザ光の波長は、アデニン分子が共鳴しない７８５ｎｍとした。

図２２は、１０^−９Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のラマン測定と測定した箇所の光学像であり、（ａ）はラマンマップ、（ｂ）は光学像、（ｃ）はラマンマップと光学像を重ね合わせた像を示している。図２２から、ホットスポットは、山１ａの部分に生じていることが分かる。

図２３は、１０^−９Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のホットスポットのＳＥＲＳスペクトルを示す図である。図２３の横軸及び縦軸は、図１８と同じである。測定した箇所は、挿入図に示すＡ、Ｂ、Ｃのホットスポットである。実施例１の場合と同様に測定箇所毎に得られる信号強度が変化していることが分かる。

図２４は、１０^−９Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルであり、図２５は、１０^−１２Ｍのアデニン溶液で修飾したしわのよったナノ多孔質金属箔１のＳＥＲＳスペクトルである。図２４及び図２５の横軸及び縦軸は図１８と同じである。
図２４及び図２５から、１０^−９Ｍから１０^−１２Ｍに変化させても十分にアデニン分子が検出されていることが判明した。

以上の実施例１及び２から、本発明のしわのよったナノ多孔質金属箔１によれば、プローブとなる各種の分子を１分子の濃度で測定でき、かつその再現性があることが判明した。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

１：しわのよったナノ多孔質金属箔
１ａ：山
１ｂ：谷
２：ナノ多孔質金属箔
３：溶液
４：ビーカー
６：金属箔
８：基板
１０：ガラス板

Claims (9)

1. 気孔が形成されたナノ多孔質金属箔と、該ナノ多孔質金属箔に形成されたしわと、該しわに形成された表面増強ラマン散乱の強度を増強するための複数のホットスポットと、を備え、
   前記ナノ多孔質金属箔は少なくとも２原子以上の合金からなり、前記気孔の大きさは、１０〜５０ｎｍであり、
   前記しわは山と谷からなるμｍオーダーの波形を有し、
   前記山には、１ｎｍ〜数１０ｎｍの幅の割れ目からなる多数のナノギャップが形成されており、
   前記ナノギャップにより前記ホットスポットが構成される、しわのよったナノ多孔質金属箔。
2. 前記しわの波形は、３μｍ〜５μｍの小さな周期と２０μｍ〜３０μｍの大きな周期を有する、請求項１に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔。
3. 前記ホットスポットによる前記ラマン散乱における増強因子が、１０^１０〜１０^１１である、請求項１に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔。
4. 前記合金は、ＡｕとＡｇからなる、請求項１に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔。
5. 前記合金は、ＣｕとＭｎからなる、請求項１に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のしわのよったナノ多孔質金属箔の製造方法であって、
   所定の厚さの合金からなる金属箔を酸溶液に浸漬して、前記気孔を形成してナノ多孔質金属箔を作製する第１工程と、
   前記ナノ多孔質金属箔を、予備歪みを加えた熱可塑性樹脂の基板に張り付ける第２工程と、
   前記樹脂製の基板に張り付けたナノ多孔質金属箔を、熱処理により収縮し、室温まで冷却して、多数のナノギャップが形成されたしわのよったナノ多孔質金属箔を作製する第３工程と、を含む、しわのよったナノ多孔質金属箔の製造方法。
7. 前記しわに山と谷を形成し、
   前記山には、１ｎｍ〜数１０ｎｍの幅の割れ目からなる前記多数のナノギャップが形成され、該多数のナノギャップによりラマン散乱における表面増強を生起させる複数のホットスポットが構成される、請求項６に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔の製造方法。
8. 前記予備歪みを加えた熱可塑性樹脂の基板が、アモルファスの高分子からなる基板であり、
   前記熱処理を、前記熱可塑性樹脂のガラス遷移温度よりも高く、融点よりも低い温度で行う、請求項６に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔の製造方法。
9. 前記ナノ多孔質金属箔の収縮の度合いを、前記熱可塑性樹脂からなる基板の予備歪みを調整することにより制御するか、又は、前記熱処理の条件により制御する、請求項６に記載のしわのよったナノ多孔質金属箔の製造方法。