JP6418379B2 - 電場増強素子、ラマン分光装置、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電場増強素子、ラマン分光装置、および電子機器に関する。

近年、低濃度の試料分子を検出する高感度分光技術の１つとして、局在型表面プラズモ共鳴（ＬＳＰＲ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用したアフィニティセンサーや、振動分光からダイレクトに定性定量検出する表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が注目されている。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面で増強電場が形成され、ラマン散乱光が１０^２倍〜１０^４倍増強され高感度で検出可能な分光である。レーザーなどの単一波長、直線偏光の励起光を標的分子（標的物質）に照射して、励起光の波長から標的分子の分子振動エネルギー分だけ波長がずれた散乱（ラマン散乱光）を分光検出し指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルの形状から標的物質を同定することが可能となる。

喘息による気管の炎症と呼気中に含まれるＮＯ（一酸化窒素）の濃度との間には相関が確認されており、呼気ＮＯ濃度は、喘息の指標として認知されている。このようなＮＯを検出するセンサーチップとして、光センシング方式である表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）に着目したものが提案されている。例えば非特許文献１には、Ａｇ微細構造体を有するＬＳＰＲ基板にシトクロムＰ４５０という生体酵素を配置させて、シトクロムＰ４５０酵素にＮＯを反応させ、その反応体のＳＥＲＳ信号を得ることが記載されている。

ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ，Ｖｏｌｕｍｅ６５，Ｎｕｍｂｅｒ８，８２５−８３７，２０１１

ここで、表面プラズモン共鳴によって誘発される増強電場の分布は、センサーチップ（電場増強素子）の金属ナノ粒子（金属微細構造体）表面から離れるに従い指数関数的に減衰する。例えば、金属微細構造体の表面から３ｎｍより離れた位置での増強度は、金属微細構造体の表面での増強度に対して１／２００以下になるという試算結果がある。そのため、表面プラズモン共鳴を用いたセンシングの感度は、金属微細構造体の表面に標的分子が近いほど、高くなると考えられる。

非特許文献１に記載されたシトクロムＰ４５０は、約５００アミノ酸残基からなり、活性部位にヘムを持つ高分子のタンパク質である。そのため、シトクロムＰ４５０を、プラズモン共鳴を誘発する金属微細構造体上に配置させても、金属微細構造体の表面の３ｎｍ以下にＮＯ結合部分（結合部位）を配置させることは困難である。したがって、非特許文献１に記載された技術では、ＮＯを高い感度で検出することができない場合がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、ＮＯ（一酸化窒素）を高い感度で検出することができる電場増強素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記電場増強素子を含むラマン分光装置および電子機器を提供することにある。

本発明に係る電場増強素子は、
金属微細構造体と、
前記金属微細構造体の表面に配置された修飾分子と、
を含み、
前記修飾分子は、下記式（１）、下記式（２）、または下記式（３）で表される化合物に由来する

ただし、式（１）〜式（３）において、
Ｘ１は、−ＮＨ_２、−（Ｃ_ｘＨ_２ｘ）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−（Ｃ_ｙＨ_２ｙ）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−（Ｃ_ｚＨ_２ｚ）−Ｒであり、
Ｘ２は、−Ｈ、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３であり、
Ｒは、−ＮＨ_２、−ＣＯＯＨ、−ＳＨ、−ＣＨＯ、または−ＣＨ（ＮＨ_２）−ＣＯＯＨであり、
ｘは、１以上１７以下の整数であり、
ｙは、０以上１４以下の整数であり、
ｚは、０以上１５以下の整数であり、
ｗは、０以上３以下の整数である。

このような電場増強素子では、金属微細構造体の表面と、修飾分子においてＮＯ分子が結合する結合部分と、の間の距離を３ｎｍ以下にすることができる。したがって、このような電場増強素子では、表面プラズモン共鳴によって誘発される増強電場の増強度が強い位置で、修飾分子はＮＯ分子と結合することができる。よって、このような電場増強素子では、ＮＯ分子を高い感度で検出することができる。

本発明に係る電場増強素子において、
Ｘ２は、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３であってもよい。

このような電場増強素子では、Ｘ２は、芳香環に電子を供与する電子供与性基となることができる。これにより、このような電場増強素子では、Ｘ１とＸ２の両方の基によって芳香環に電子を供与することができ、芳香環をより活性させる（ＮＯ分子との反応性を大きくする）ことができる。

本発明に係る電場増強素子において、
Ｘ２は、−ＯＨ、−ＮＨ_２、または−ＣＨ_３であってもよい。

このような電場増強素子では、Ｘ２が例えば−ＯＣＨ_３や−ＮＨＣＯＣＨ_３である場合に比べて、Ｘ２による立体障害を小さくすることができ、ＮＯ分子は、修飾分子の芳香環と結合しやすくなる。

本発明に係る電場増強素子において、
Ｘ１は、−ＮＨ_２、−（ＣＨ_２）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−Ｒであってもよい。

このような電場増強素子では、ＮＯ分子と結合する芳香環の結合部分（結合部位）と、金属微細構造体の表面と、の間の距離を、より小さくすることができる。具体的には、ＮＯ分子と結合する芳香環の結合部位と、金属微細構造体の表面と、の間の距離を、１ｎｍ以下にすることができる。

本発明に係る電場増強素子において、
前記修飾分子は、上記式（２）で表される化合物に由来してもよい。

このような電場増強素子では、Ｘ２をＸ１に対して、メタ位に配置させることができる。これにより、このような電場増強素子では、Ｘ２がＸ１に対してオルト位やパラ位に配置されている場合に比べて、芳香環をより活性化することができ、ＮＯ分子の修飾分子の芳香環への反応性をより高めることができる。

本発明に係る電場増強素子において、
前記修飾分子は、チロシンに由来してもよい。

このような電場増強素子では、チロシンは、ＮＯ分子と結合してニトロチロシンとなるため（後述する実験例参照）、ＮＯ分子を検出することができる。

本発明に係るラマン分光装置は、
本発明に係る電場増強素子と、
前記電場増強素子に光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する光検出器と、
を含む。

このようなラマン分光装置では、本発明に係る電場増強素子を含むため、ＮＯ分子を高い感度で検出することができる。

本発明に係る電子機器は、
本発明に係るラマン分光装置と、
前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む。

このような電子機器では、本発明に係るラマン分光装置を含むため、高精度な健康医療情報を提供することができる。

本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す平面図。 修飾分子となる化合物（アニリン）を説明するための図。 修飾分子となる化合物が金属微細構造体と結合していることを説明するための図。 修飾分子となる化合物が金属微細構造体と結合していることを説明するための図。 置換基の反応性を説明するための図。 修飾分子となる化合物（トルイジン）を説明するための図。 修飾分子となる化合物（トルイジン）を説明するための図。 修飾分子となる化合物（トルイジン）を説明するための図。 修飾分子となる化合物（チロシン）を説明するための図。 修飾分子となる化合物（チロシン）を説明するための図。 修飾分子となる化合物（チロシン）を説明するための図。 本実施形態に係るラマン分光装置を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子機器を説明するための図。 吸収スペクトルを示すグラフ。 ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフ。 ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフ。 反射スペクトルを示すグラフ。 反射スペクトルを示すグラフ。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 電場増強素子
まず、本実施形態に係る電場増強素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る電場増強素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る電場増強素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。

電場増強素子１００は、図１および図２に示すように、基板１０と、金属微細構造体２０と、分子膜３０と、を含む。なお、便宜上、図２では、分子膜３０を省略して図示している。

基板１０は、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板である。なお、図示はしないが、基板１０と金属微細構造体２０との間には、基板１０上に設けられた金属層、および該金属層上に設けられた誘電体層、が配置されていてもよい。

金属微細構造体２０は、基板１０上に設けられている。金属微細構造体２０の形状は、特に限定されず、例えば、円柱状、粒子状、角柱、球、回転楕円体である。図２に示す例では、金属微細構造体２０の平面形状は、円形である。平面視において、金属微細構造体２０の大きさ（例えば直径）は、電場増強素子１００に照射される光の波長以下である。具体的は、金属微細構造体２０の大きさは、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは、４０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。金属微細構造体２０の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

金属微細構造体２０は、例えば、複数設けられている。金属微細構造体２０の数は、特に限定されない。図示の例では、複数の金属微細構造体２０の形状は、互いに同じであるが、互いに異なっていてもよい。図示の例では、複数の金属微細構造体２０は、周期的に設けられているが、周期的に設けられていなくてもよい。隣り合う金属微細構造体２０の間の距離は、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

金属微細構造体２０の材質は、金、銀、アルミニウム、銅である。金、銀、アルミニウム、および銅は、紫外〜可視光領域における誘電率の虚部が小さい金属であり、電場増強効果を高めることができる。

金属微細構造体２０は、光が照射されると表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を生じる。具体的には、金属微細構造体２０は、局在型プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を生じる。ＬＳＰＲとは、光の波長以下の金属構造体に光を入射させると、金属内に存在する自由電子が光の電場成分により集団的に振動し、外部に局在電場を誘起する現象である。この局在電場により、ラマン散乱光を増強することができる。このように、ＳＰＲにより誘起される電場によって、ラマン散乱光が増強されることを電場増強効果という。ＳＰＲによって増強されるラマン散乱光（ＳＥＲＳ光）の強度は、ＳＰＲにより増強された電場の４乗に比例する。

分子膜３０は、金属微細構造体２０上に設けられている。分子膜３０は、本実施形態に係る修飾分子（以下、単に「修飾分子」ともいう）を含む。修飾分子は、金属微細構造体２０の表面に配置されている。図示はしないが、分子膜３０は、基板１０上にも設けられていてもよい。

修飾分子は、下記式（１）、下記式（２）、または下記式（３）で表される化合物に由来する。

ただし、式（１）〜式（３）において、Ｘ１は、−ＮＨ_２、−（Ｃ_ｘＨ_２ｘ）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−（Ｃ_ｙＨ_２ｙ）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−（Ｃ_ｚＨ_２ｚ）−Ｒである。Ｘ２は、−Ｈ、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３である。Ｒは、−ＮＨ_２、−ＣＯＯＨ、−ＳＨ、−ＣＨＯ、または−ＣＨ（ＮＨ_２）−ＣＯＯＨである。ｘは、１以上１７以下の整数である。ｙは、０以上１４以下の整数である。ｚは、０以上１５以下の整数である。ｗは、０以上３以下の整数である。

ここで、「修飾分子は、式（１）、式（２）、または式（３）で表される化合物に由来する」とは、式（１）、式（２）、または式（３）で表される化合物が、そのままの形で、または置換基の一部が脱離して、配位結合、共有結合、イオン結合、または水素結合等の結合によって、金属微細構造体２０に結合し、修飾分子が得られることをいう。

上記式（１）〜式（３）において、Ｘ１は、芳香環（ベンゼン環）に電子を供与する電子供与性基である。図３に示すように、電子供与性基であるＸ１から芳香環へ電子が流れ込むことにより、芳香環の中で局所的に電子リッチな部位（図３に示すδ−の部分）が生じる。ＮＯ（一酸化窒素）分子は、電子が１個不足している電子吸引性分子であるため、ＮＯ分子は、芳香環の電子リッチな部位と反応して結合する。すなわち、芳香環の電子リッチな部位は、ＮＯ分子と結合する結合部位となる。このように、電場増強素子１００で
は、Ｘ１によって、ＮＯ分子の芳香環への反応性を高めることができる。これにより、電場増強素子１００は、標的分子であるＮＯ分子を検出することができる。なお、図３では、Ｘ１が−ＮＨ_２であり、Ｘ２が−Ｈである場合の化合物（アニリン）を示している。また、図３および以下に示す図７〜図１２では、ＮＯ分子が結合しやすい部位を矢印で示している。

上記式（１）〜式（３）においてＸ２が−Ｈである場合、図３に示すように、ＮＯ分子は、オルト位およびパラ位において反応が起きやすく、Ｘ１を有さない場合に比べて（置換基を有さない場合に比べて）、ＮＯ分子との反応速度が大きくなる（オルト−パラ配向性）。

上記式（１）〜式（３）で表される化合物は、Ｘ１において、金属微細構造体２０と結合することができる。すなわち、Ｘ１は、芳香環に電子を供与する基であり、かつ、金属微細構造体２０と結合する基である。Ｘ１が、−（Ｃ_ｘＨ_２ｘ）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−（Ｃ_ｙＨ_２ｙ）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−（Ｃ_ｚＨ_２ｚ）−Ｒである場合、上記式（１）〜式（３）で表される化合物は、Ｘ１の−Ｒにおいて、金属微細構造体２０と結合することができる。図４は、Ｘ１が−ＮＨ_２であり、Ｘ２が−Ｈである化合物が金属微細構造体２０と結合していることを説明するための図であり、図５は、Ｘ１が−（Ｃ_３Ｈ_６）−ＳＨである化合物が金属微細構造体２０と結合していることを説明するための図である。

上記式（１）〜式（３）において、Ｘ１が、−（Ｃ_ｘＨ_２ｘ）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−（Ｃ_ｙＨ_２ｙ）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−（Ｃ_ｚＨ_２ｚ）−Ｒの場合、Ｘ１は、直鎖状であることが好ましい。これにより、ＮＯ分子が修飾分子の芳香環と結合する際に、立体障害によって結合しにくくなることを抑制することができる。なお、Ｘ１は、直鎖状ではなく、分岐した構造を有していてもよい。

上記式（１）〜式（３）において、Ｘ１は、−ＮＨ_２、−（ＣＨ_２）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−Ｒであることが好ましい。これにより、ＮＯ分子と結合する芳香環の結合部位と、金属微細構造体２０の表面と、の間の距離を、より小さくすることができる。具体的には、ＮＯ分子と結合する芳香環の結合部位と、金属微細構造体２０の表面と、の間の距離を、１ｎｍ以下にすることができる。

上記式（１）〜式（３）において、Ｘ２は、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３であることが好ましい。この場合、Ｘ２は、図６に示すように、電子供与性が強く、芳香環に電子を供与する電子供与性基となることができる。これにより、Ｘ１とＸ２の両方の基によって芳香環に電子を供与することができ、芳香環をより活性化する（ＮＯ分子との反応性をより高くする）ことができる。なお、図６は、置換基の反応性を説明するための図であり、右側に位置する基ほど、反応性が高い基、すなわち電子供与性が強い基となる。

例えば、図７に示すように、Ｘ２（−ＣＨ_３）はＸ１（−ＮＨ_２）に対して、オルト位に配置されていてもよい。すなわち、修飾分子は、上記式（１）で表される化合物に由来してもよい。この場合、ＮＯ分子は、Ｘ１に対してパラ位、およびＸ２に対してパラ位において、修飾分子の芳香環と結合しやすくなる。また、図８に示すように、Ｘ２（−ＣＨ_３）はＸ１（−ＮＨ_２）に対して、パラ位に配置されていてもよい。すなわち、修飾分子は、上記式（３）で表される化合物に由来してもよい。この場合、ＮＯ分子は、Ｘ１に対してオルト位において、修飾分子の芳香環と結合しやすくなる。このように、Ｘ２が、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３である場合、オルト−パラ配向性の影響により、より芳香環を活性化することができる。なお
、図７，図８および以下に示す図９では、Ｘ１が−ＮＨ_２であり、Ｘ２が−ＣＨ_３である場合の化合物（トルイジン）を示している。

なお、Ｘ１およびＸ２が大きくなるほど（例えば、Ｘ１およびＸ２の分子量が大きくなるほど）、ＮＯ分子は、Ｘ２がＸ１に対してオルト位に配置された場合の、パラ位に結合しやすくなる（図７参照）。これは、Ｘ１およびＸ２が大きくなると、Ｘ２がＸ１に対してパラ位に配置された場合（図８参照）、オルト位は、立体障害が大きくなるためである。

例えば、図９に示すように、Ｘ２（−ＣＨ_３）はＸ１（−ＮＨ_２）に対して、メタ位に配置されていてもよい。すなわち、修飾分子は、上記式（２）で表される化合物に由来してもよい。この場合、ＮＯ分子は、Ｘ１に対してパラ位、およびＸ２に対してパラ位において、修飾分子の芳香環と結合しやすくなる。Ｘ２がＸ１に対してメタ位に配置されている場合、Ｘ２がＸ１に対してオルト位やパラ位に配置されている場合に比べて、芳香環をより活性化することができ、ＮＯ分子の芳香環への反応性をより高めることができる。

なお、Ｘ１およびＸ２が大きくなるほど、Ｘ１およびＸ２の双方に対してオルトとなる位置（図９に示す破線の矢印参照）は立体障害が大きくなるため、Ｘ１およびＸ２の双方に対してオルトとなる位置への、ＮＯの置換反応は起こりにくい。

上記式（１）〜式（３）において、Ｘ２は、−ＯＨ、−ＮＨ_２、または−ＣＨ_３であることがより好ましい。これにより、Ｘ２が例えば−ＯＣＨ_３や−ＮＨＣＯＣＨ_３である場合に比べて、Ｘ２による立体障害を小さくすることができ、ＮＯ分子は、修飾分子の芳香環と結合しやすくなる。

修飾分子は、例えば、チロシン（図１０〜図１２参照）に由来する。すなわち、Ｘ１は、−（ＣＨ_２）−ＣＨ（ＮＨ_２）−ＣＯＯＨであり、Ｘ２は、−ＯＨである。チロシンは、ＮＯ分子と結合してニトロチロシンとなる。チロシンのＸ１は、金属微細構造体２０と結合することができるＮＨ_２基およびＣＯＯＨ基を有している。金属微細構造体２０の材質がＡｇである場合、チロシンは、ＣＯＯＨ基において、金属微細構造体２０と結合することができる。金属微細構造体２０の材質がＡｕである場合、チロシンは、ＮＨ_２基において、金属微細構造体２０と結合することができる。チロシンは、Ｘ１およびＸ２の配置によって、ｐ−チロシン（図１０参照）、ｏ−チロシン（図１１参照）、およびｍ−チロシン（図１２参照）の異性体を有する。なお、図１０〜図１２に示したチロシンは、Ｌ−チロシンでもＤ−チロシンでもよい。

修飾分子にＮＯ分子が結合した状態で電場増強素子１００に光（照射光）を照射すると、照射光と同じ波長を有するレイリー散乱光と、照射光とは異なる波長を有するラマン散乱光と、が発生する。ラマン散乱光のエネルギーは、ＮＯ分子が結合した構造に応じた特有の振動エネルギーに対応している。そのため、ラマン散乱光の波数（振動数）と照射光の波数との差であるラマンシフト、および強度からＮＯ分子の濃度を知ることができる。

なお、上記では、修飾分子が分子膜３０を構成している例について説明したが、修飾分子は、膜状に形成されていなくてもよい。例えば修飾分子が１つだけ、金属微細構造体２０の表面に配置されていてもよい。

また、分子膜３０は、上記式（１）〜式（３）で表される化合物を少なくとも、１種類含んでいれば、他の分子を含んでいてもよい。

電場増強素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。

電場増強素子１００は、金属微細構造体２０と、金属微細構造体２０の表面に配置された修飾分子と、を含み、修飾分子は、上記式（１）、上記式（２）、または上記式（３）で表される化合物に由来する。ただし、式（１）〜式（３）において、Ｘ１は、−ＮＨ_２、−（Ｃ_ｘＨ_２ｘ）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−（Ｃ_ｙＨ_２ｙ）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−（Ｃ_ｚＨ_２ｚ）−Ｒであり、Ｘ２は、−Ｈ、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３であり、Ｒは、−ＮＨ_２、−ＣＯＯＨ、−ＳＨ、−ＣＨＯ、または−ＣＨ（ＮＨ_２）−ＣＯＯＨであり、ｘは、１以上１７以下の整数であり、ｙは、０以上１４以下の整数であり、ｚは、０以上１５以下の整数であり、ｗは、０以上３以下の整数である。そのため、電場増強素子１００では、金属微細構造体２０の表面と、修飾分子においてＮＯ分子が結合する結合部分と、の間の距離を３ｎｍ以下にすることができる。したがって、電場増強素子１００では、表面プラズモン共鳴によって誘発される増強電場の増強度が強い位置で、修飾分子はＮＯ分子と結合することができる。よって、電場増強素子１００では、ＮＯ分子を高い感度で検出することができる。例えば、金属微細構造体表面から３ｎｍより離れた位置での増強度は、金属微細構造体表面での増強度に対して１／２００以下になり、ＮＯ分子を高い感度で検出することができない場合がある。

例えば、ｘが１７より大きかったり、ｙが１４より大きかったり、ｚが１５より大きかったりすると、金属微細構造体２０の表面と、修飾分子においてＮＯ分子が結合する結合部分と、の間の距離が３ｎｍより大きくなる場合がある。また、ｗが３より大きかったりすると、立体障害によって、ＮＯ分子が修飾分子の芳香環と結合しにくくなる場合がある。

なお、ＮＯ濃度を計測する手法としては、空間中に存在するＮＯ分子をオゾンで励起し、そのときに生じる化学ルミネッセンスを測定する化学発光法（化学蛍光法）と、電気化学方式がある。前者の化学発光法は、非常に正確で信頼できるものではあるが、オゾン発生装置、真空ポンプなどを必要とし、高価で大型である。後者の電気化学方式は、電極に捕捉されたＮＯが酸化されてＮＯ_２ ⁻になる際に生じる電流を利用してＮＯを検出するもので化学発光法よりも装置構成が簡素化できるので小型化可能なメリットがある。しかしながら、電気化学方式は、選択性、温度、湿度、電解質消耗のための寿命がまだなお課題として存在している。中でも温度・湿度は感度に大きく影響を与え、呼気温度・湿度のバラツキから再現性を低下させ、精度を低下させる場合がある。電場増強素子１００は、このような化学発光法や電気化学方式よりも、安価で高感度である。

電場増強素子１００では、Ｘ２は、−ＯＨ、−ＮＨ_２、−ＯＣＨ_３、−ＮＨＣＯＣＨ_３、または−（Ｃ_ｗＨ_２ｗ）−ＣＨ_３である。そのため、Ｘ２は、芳香環に電子を供与する電子供与性基となることができる。これにより、電場増強素子１００では、Ｘ１とＸ２の両方の基によって芳香環に電子を供与することができ、芳香環をより活性させる（ＮＯ分子との反応性を大きくする）ことができる。

電場増強素子１００では、Ｘ２は、−ＯＨ、−ＮＨ_２、または−ＣＨ_３である。そのため、電場増強素子１００では、Ｘ２が例えば−ＯＣＨ_３や−ＮＨＣＯＣＨ_３である場合に比べて、Ｘ２による立体障害を小さくすることができ、ＮＯ分子は、修飾分子の芳香環と結合しやすくなる。

電場増強素子１００では、Ｘ１は、−ＮＨ_２、−（ＣＨ_２）−Ｒ、−（ＮＨＣＯＣＨ_２）−Ｒ、または−ＯＣＨ_２−Ｒである。そのため、電場増強素子１００では、ＮＯ分子と結合する芳香環の結合部分（結合部位）と、金属微細構造体２０の表面と、の間の距離を、より小さくすることができる。具体的には、ＮＯ分子と結合する芳香環の結合部位と、
金属微細構造体２０の表面と、の間の距離を、１ｎｍ以下にすることができる。

電場増強素子１００では、修飾分子は、上記式（２）で表される化合物に由来する。そのため、電場増強素子１００では、Ｘ２をＸ１に対して、メタ位に配置させることができる。これにより、電場増強素子１００では、Ｘ２がＸ１に対してオルト位やパラ位に配置されている場合に比べて、芳香環をより活性化することができ、ＮＯ分子の修飾分子の芳香環への反応性をより高めることができる。

電場増強素子１００では、修飾分子は、チロシンに由来する。チロシンは、ＮＯ分子と結合してニトロチロシンとなるため（後述する実験例参照）、電場増強素子１００は、ＮＯ分子を検出することができる。

２． 電場増強素子の製造方法
次に、本実施形態に係る電場増強素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、基板１０上に金属微細構造体２０を形成する。金属微細構造体２０は、例えば、真空蒸着法やスパッタ法等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成される。

次に、金属微細構造体２０上に分子膜３０を形成する。分子膜３０は、例えば、修飾分子を希釈させた溶液（例えば濃度１ｍＭ）中に、金属微細構造体２０が形成された基板１０を、長時間（例えば２４時間）浸漬させ、その後溶液から取り出した後、純水でリンスしエアーブロー等で水分を飛ばすことで、形成される。

以上の工程により、電場増強素子１００を製造することができる。

３． ラマン分光装置
次に、本実施形態に係るラマン分光装置について、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係るラマン分光装置２００を模式的に示す図である。

ラマン分光装置２００は、図１３に示すように、気体試料保持部１１０と、検出部１２０と、制御部１３０と、検出部１２０および制御部１３０を収容している筐体１４０と、を含む。気体試料保持部１１０は、本発明に係る電場増強素子を含む。以下では、本発明に係る電場増強素子として電場増強素子１００を含む例について説明する。

気体試料保持部１１０は、電場増強素子１００と、電場増強素子１００を覆うカバー１１２と、吸引流路１１４と、排出流路１１６と、を有している。検出部１２０は、光源１２１と、レンズ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、ハーフミラー１２４と、光検出器１２５と、を有している。制御部１３０は、光検出器１２５において検出された信号を処理して光検出器１２５の制御をする検出制御部１３２と、光源１２１などの電力や電圧を制御する電力制御部１３４と、を有している。制御部１３０は、図１３に示すように、外部との接続を行うための接続部１３６と電気的に接続されていてもよい。

ラマン分光装置２００では、排出流路１１６に設けられている吸引機構１１７を作動させると、吸引流路１１４および排出流路１１６内が負圧になり、吸引口１１３から検出対象となるＮＯ分子を含んだ気体試料が吸引される。吸引口１１３には除塵フィルター１１５が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。気体試料は、吸引流路１１４および排出流路１１６を通り、排出口１１８から排出される。気体試料は、係る経路を通る際に、電場増強素子１００に接触する。

吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、外部からの光が電場増強素子１００に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。流路１１４，１１６を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。

吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路１１４，１１６の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構１１７としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。

ラマン分光装置２００では、光源１２１は、ＮＯ分子が結合した電場増強素子１００に、光（例えば波長６３２ｎｍのレーザー光、ＳＰＲを励起させる励起光）を照射する。光源１２１としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いる。光源１２１から射出された光は、レンズ１２２ａで集光された後、ハーフミラー１２４およびレンズ１２２ｂを介して、電場増強素子１００に入射する。電場増強素子１００からは、ＳＥＲＳ光が放射され、該光は、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２４、およびレンズ１２２ｃ，１２２ｄを介して、光検出器１２５に至る。すなわち、光検出器１２５は、電場増強素子１００から放射される光を検出する。ＳＥＲＳ光には、光源１２１からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器１２５のフィルター１２６によってレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器１２５の分光器１２７を介して受光素子１２８にて受光される。受光素子１２８としては、例えば、フォトダイオードを用いる。

光検出器１２５の分光器１２７は、例えば、ファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されており、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器１２５の受光素子１２８によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持されたデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。

なお、ラマン分光装置２００は、電場増強素子１００、光源１２１、および光検出器１２５を含み、電場増強素子１００にＮＯ分子を結合させ、そのラマン散乱光を検出することができれば、上記の例に限定されない。

ラマン分光装置２００は、電場増強素子１００を含む。そのため、ラマン分光装置２００では、ＮＯ分子を高い感度で検出することができる。

４． 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器３００について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態に係る電子機器３００を模式的に示す図である。電子機器３００は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置としてラマン分光装置２００を含む例について説明する。

電子機器３００は、図１４に示すように、ラマン分光装置２００と、光検出器１２５からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部３１０と、健康医療情報を記憶する記憶部３２０と、健康医療情報を表示する表示部３３０と、を含む。

演算部３１０は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）であり、光検出器１２５から送出
される検出情報（信号等）を受け取る。演算部３１０は、光検出器１２５からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部３２０に記憶される。健康医療情報としては、例えば、ＮＯ分子の量（ＮＯ濃度）に基づいて演算された、喘息による気管の炎症の度合いである。

記憶部３２０は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部３１０と一体的に構成されてもよい。記憶部３２０に記憶された健康医療情報は、表示部３３０に送出される。記憶部３２０には、ＮＯ濃度と、喘息による気管の炎症と、の相関に関する情報が記憶されていてもよい。

表示部３３０は、例えば、表示板（液晶モニター等）、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部３３０は、演算部３１０によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。

電子機器３００では、ラマン分光装置２００を含む。そのため、電子機器３００では、高精度な健康医療情報を提供することができる。

５． 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

５．１． 第１実験例
第１実験例として、チロシン、およびニトロチロシンの希釈溶液に白色光を照射して、吸収スペクトルを取得した。なお、チロシン、およびニトロチロシンは、東京化成工業（株）より購入した粉末試料から希釈溶液を作製した。図１５は、チロシンの吸収スペクトル、およびニトロチロシンの吸収スペクトルを示すグラフである。

図１５に示すように、ニトロチロシンは、可視青色波長端に相当する３６０ｎｍに電子遷移吸収バンドを有することがわかった。波長３６０ｎｍでは、チロシンには電子遷移吸収バンドは発現されず、ＮＯが結合したニトロチロシンのみ、可視光と分子との共鳴が生じる光学活性状態になることから、光学応答に大きな変化があるといえる。特に、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）現象は、その恩恵を存分にうける表面増強共鳴ラマン散乱（ＳＥＲＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が期待できる。ＳＥＲＲＳは分子の光吸収ピーク波長をλ_０とすると、経験的にλ_０±３００ｎｍの広範囲で作用する。したがって可視光励起のＳＥＲＳに適用でき、ＳＥＲＲＳによって、ＳＥＲＳよりもさらに検出濃度で２〜３桁向上させることができる。そのため、チロシン分子を用いることによって、さらなる高感度でＮＯ分子を検出することができることがわかった。

５．２． 第２実験例
第２実験例として、Ａｕからなる金属微細構造体にｐ−チロシンを結合された電場増強素子を用いて、ラマンスペクトル（ＳＥＲＳスペクトル）を取得した。金属微細構造体を、真空蒸着法によって形成し、平面視における大きさを５０ｎｍ、厚さを２０ｎｍとした。ｐ−チロシンを希釈させた溶液（濃度１ｍＭ）中に、金属微細構造体が形成された基板を、２４時間浸漬させ、その後溶液から取り出した後、純水でリンスしエアーブロー等で水分を飛ばして電場増強素子を得た。

図１６は、ＮＯガスを曝露する前の電場増強素子のＳＥＲＳスペクトル、およびＮＯガスを十分な時間曝露させた後の電場増強素子のＳＥＲＳスペクトルを示すグラフである。励起光の波長は６３２ｎｍ、出力は０．５ｍＷ、照射時間（露光時間）は３０秒とした。

図１６に示すように、ＮＯガス曝露前のスペクトルには、チロシン由来のピークが８３１ｃｍ^−１、１１６３ｃｍ^−１に観測され、さらに１４００ｃｍ^−１〜１６００ｃｍ^−１に渡ってブロードなピークに観測されていた。ＮＯガス曝露後のスペクトルには、ＮＯ由来のニトロ基が結合したことによって、７５２ｃｍ^−１、１３３１ｃｍ^−１、１４１７ｃｍ^−１、１５１２ｃｍ^−１、１６０５ｃｍ^−１に急峻なピークが観測されていた。これらのピークに着目して強度を計測することで、予め求めておいた検量線から、例えば呼気中のＮＯガス濃度を知ることができる。

５．３． 第３実験例
第３実験例として、Ａｇからなる金属微細構造体にｐ−チロシンを結合された電場増強素子を用いて、ラマンスペクトル（ＳＥＲＳスペクトル）を取得した。本実験例で用いた電場増強素子は、第２実験例と同じ方法で形成した。また、金属微細構造体の大きさおよび厚さは、第２実験例の金属微細構造体と同じとした。

図１７は、ＮＯガスを曝露する前の電場増強素子のＳＥＲＳスペクトル、およびＮＯガスを十分な時間曝露させた後の電場増強素子のＳＥＲＳスペクトルを示すグラフである。励起光の波長は６３２ｎｍ、出力は０．５ｍＷ、照射時間（露光時間）は１秒とした。

図１７に示すように、ＮＯガス曝露前のスペクトルには、チロシン由来のピークが１３５１ｃｍ^−１に観測された。ＮＯガス曝露後のスペクトルには、ＮＯ由来のニトロ基が結合したことによって、５７３ｃｍ^−１、６２６ｃｍ^−１、１２１５ｃｍ^−１、１２８２ｃｍ^−１、１３４４ｃｍ^−１、１４２１ｃｍ^−１、１５０９ｃｍ^−１、１６０２ｃｍ^−１に急峻なピークが観測されていた。これらのピークに着目して強度を計測することで、予め求めておいた検量線から、呼気中のＮＯガス濃度を知ることができる。

金属微細構造体の材質がＡｕである第２実験例に比べて、励起光の照射時間が１秒と短くても、明確にＳＥＲＳスペクトルのピークを認識することができた。したがって、金属微細構造体の材質がＡｇである電場増強素子を用いることにより、Ａｇとニトロチロシンの化学的増強機構から、金属微細構造体の材質がＡｕである場合よりも、ＮＯ分子を高感度に検出できることがわかった。

５．４． 第４実験例
第４実験例として、Ａｇからなる金属微細構造体にｐ−チロシンが結合された電場増強素子に、白色光を照射して反射スペクトル（反射分光スペクトル）を取得した。本実験例で用いた電場増強素子は、第３実験例で用いた電場増強素子と同じである。

図１８は、ｐ−チロシンが結合された電場増強素子の反射スペクトルである。図１８に示すように、波長６３０ｎｍ付近にＳＰＲ由来のピークが発現した。

図１９は、上記の電場増強素子に、ＮＯガスを十分な時間曝露させた後の反射スペクトルを示すグラフである。なお、図１９では、ＮＯガスを曝露する前の電場増強素子の反射スペクトルも示している。

図１９に示すように、ＮＯガスの曝露前後で、ピーク波長は６３０ｎｍから６３７ｎｍまでおよそ７ｎｍのシフトが観測された。ピーク波長のシフト量から、予め求めておいた検量線をもとにＮＯ濃度を定量してもよいが、通常ＳＰＲによる吸収バンドはブロードであるため、ピーク波長を高精度に読み取ることは難しい。そのため、ピークからずらした波長位置での反射率変化からシフト量を読み取ることを行えば、一般的に反射率分解能は波長分解能よりも高いので、より高精度かつ高感度にシフト量を読み取ることができる。
例えば図１９において、波長６８０ｎｍにおいて、反射率を計測すると、０．４０７１から０．３３１３に変化している。曝露するＮＯ濃度に対する任意の固定波長における反射率の変化量に関して予め検量線を求めておくことで、反射率の変化量からＮＯガス濃度を知ることができる。この方式では、単色のＬＥＤ光源とフォトディテクター（ＰＤ）用いればよいため、レーザーや分光器などを用いるＳＥＲＳ方式よりも、さらに安価で小型化することが可能である。

なお、本発明に係る電場増強素子は、ＳＰＲを用いる表面増強赤外吸収分光（ＳＥＩＲＡＳ）に適用されてもよい。

また、上記では、標的分子としてＮＯ分子の例を説明したが、本発明に係る電場増強素子は、ＮＯ分子以外の電子求引性の標的分子に適用することができる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…基板、２０…金属微細構造体、３０…分子膜、１００…電場増強素子、１１０…気体試料保持部、１１２…カバー、１１３…吸引口、１１４…吸引流路、１１５…除塵フィルター、１１６…排出流路、１１７…吸引機構、１１８…排出口、１２０…検出部、１２１…光源、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…レンズ、１２４…ハーフミラー、１２５…光検出器、１２６…フィルター、１２７…分光器、１２８…受光素子、１３０…制御部、１３２…検出制御部、１３４…電力制御部、１３６…接続部、１４０…筐体、２００…ラマン分光装置、３００…電子機器、３１０…演算部、３２０…記憶部、３３０…表示部

Claims (6)

1. 金属微細構造体と、
   前記金属微細構造体の表面に配置された修飾分子と、
   を含み、
   前記修飾分子は、チロシンに由来し、
   前記修飾分子は、ＮＯ分子と結合し、
   前記金属微細構造体の材質は、銀である、電場増強素子。
2. 請求項１に記載の電場増強素子と、
   前記電場増強素子に光を照射する光源と、
   前記電場増強素子から放射される光を検出する光検出器と、
   を含む、ラマン分光装置。
3. 請求項２に記載のラマン分光装置において、
   前記光源から射光された光を前記電場増強素子に導き、且つ前記電場増強素子から放射される光を前記光検出器に導くハーフミラーをさらに備える、ラマン分光装置。
4. 請求項２または３に記載のラマン分光装置において、
   前記電場増強素子から放射される光からレイリー散乱光を除外する光学フィルターをさらに備える、ラマン分光装置。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項に記載のラマン分光装置と、
   前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
   前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
   前記健康医療情報を表示する表示部と、
   を含む、電子機器。
6. 請求項５に記載の電子機器において、
   前記健康医療情報は、ＮＯ分子の量に基づいて演算された、喘息による気管の炎症の度
   合い、を含む、電子機器。

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