JP6536931B2 - Surface enhanced Raman measuring method and surface enhanced Raman measuring apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、表面増強ラマン測定方法および表面増強ラマン測定装置に関する。 The present invention relates to a surface enhanced Raman measurement method and a surface enhanced Raman measurement apparatus.
医療分析、環境分析、食衛生分析等の分野で微量分子を検出するための方法として、表面増強ラマン（Surface Enhanced Raman Scattering：SERS）効果を用いる方法が研究されている。表面増強ラマンを測定するために、貴金属ナノ粒子に囲まれたナノ空隙を有するナノ構造体が用いられる。ナノ構造体は、貴金属ナノ粒子等によって形成された長さが数ナノメートル（１０−９ｍ）から数十ナノメートル程度である空隙構造である。貴金属ナノ粒子の被覆分子間力、静電気力、共有結合等を利用して１次元、２次元、もしくは３次元的に貴金属ナノ粒子を規則配列させることで、SERS活性を有するナノ構造体が複数かつ高密度に形成できるようになってきた。ここで、貴金属ナノ粒子が集積して多次元的な構造を形成した状態を高次ナノ構造体と定義する。所定領域にナノ構造体を形成し、ナノ構造体に測定試料を吸着させた上で当該測定試料（を含むナノ構造体）に光を照射することで、表面増強ラマンスペクトルを測定することができる。すなわち、測定試料に含まれる所定の検出物質からのラマン散乱がナノ構造体に存在する貴金属の表面プラズモンと吸着した分子との相互作用により増強されることにより、検出物質の検出が容易に行えるものである。 In the fields of medical analysis, environmental analysis, food hygiene analysis, etc., methods using surface enhanced Raman scattering (SERS) effect have been studied as methods for detecting trace molecules. In order to measure surface enhanced Raman, nanostructures with nanovoids surrounded by noble metal nanoparticles are used. The nanostructure is a void structure formed of noble metal nanoparticles or the like and having a length of about several nanometers (10 -9 m) to several tens of nanometers. A plurality of nanostructures having SERS activity can be obtained by regularly arranging noble metal nanoparticles in one dimension, two dimensions, or three dimensions using intermolecular force, electrostatic force, covalent bond, etc. of noble metal nanoparticles. It has become possible to form at high density. Here, a state in which precious metal nanoparticles are accumulated to form a multidimensional structure is defined as a high order nanostructure. A surface-enhanced Raman spectrum can be measured by forming a nano structure in a predetermined region, adsorbing the measurement sample to the nano structure, and irradiating light to the measurement sample (including the nano structure). . That is, the detection of a detection substance can be easily performed by enhancing the Raman scattering from a predetermined detection substance contained in the measurement sample by the interaction between the surface plasmon of the noble metal present in the nanostructure and the adsorbed molecules. It is.
このように、表面増強ラマン測定においては、上記ナノ構造体の安定的な形成が不可欠である。いままでに知られているナノ構造体の形成態様としては、例えばコロイド粒子を利用して貴金属のナノ構造体を形成するコロイド型の形成態様（例えば非特許文献１参照）や、基板上に予め三次元のナノ構造体を形成するチップ型の形成態様（例えば非特許文献２参照）等が知られている。 Thus, in the surface-enhanced Raman measurement, stable formation of the above-mentioned nanostructure is essential. As a formation aspect of the nano structure which is known so far, for example, the formation aspect of the colloid type which forms the nano structure of a precious metal using colloid particles (for example, refer to non patent literature 1), on the substrate beforehand The formation aspect (for example, refer nonpatent literature 2) of the chip | tip type | mold which forms a three-dimensional nanostructure is known.
しかしながら、上記形成態様では、光照射領域におけるナノ構造体の安定的な形成が十分にできない問題がある。例えばコロイド型のナノ構造体を用いる場合、測定試料を流通させる流路内の光照射領域に当該コロイド型のナノ構造体を固定するために、コロイド粒子を利用した貴金属のナノ構造体を凝集剤と混合する工程が必要である。さらに、コロイド粒子によりナノ構造体を形成した後で流路形成を行う必要が生じる。しかし、コロイド状態は、時間的に常に変化し、安定的にナノ構造体を形成させることが難しい。このため、コロイド粒子を所望の位置に誘導して、ナノ構造体を形成させ、ナノ構造体が有効に働く時間内に測定試料をナノ構造体に提供して測定を完了する必要がある。さらに流路形成時に既に形成されたコロイド粒子によるナノ構造体を破壊してしまう恐れもあり、光照射領域に凝集するコロイド粒子の量を定量的に制御することが難しい。一方で、チップ型のナノ構造体を用いる場合、形成されたナノ空間において表面増強ラマンが活性化する部位であるホットスポットの割合がコロイド型に比べて低いため、高い検出感度を得ることができない恐れがある。また、チップ型のナノ構造体を用いる場合、測定試料をナノ構造体に上から滴下して乾燥させるドロップ・アンド・ドライ法による測定が一般的である。より簡単な構成でより容易に測定するためには、溶液中での測定が好ましい。溶液中での表面増強ラマン散乱測定は、生体内の化学反応過程に直結するためバイオセンサーとしての活用が期待されている。また、環境分析においても、液体状態での分析は、その場検出や実際の化学反応過程に近い条件で分析が行えることから、溶液中での表面増強ラマン分光は非常に重要な測定技術であると考えられている。 However, in the above formation mode, there is a problem that stable formation of the nano structure in the light irradiation area can not be sufficiently performed. For example, in the case of using a colloid-type nanostructure, an aggregating agent may be used to attach a noble metal nanostructure using colloid particles in order to fix the colloid-type nanostructure in a light irradiation region in a flow path through which a measurement sample flows. And mixing with In addition, it is necessary to form a flow path after forming a nanostructure with colloidal particles. However, the colloidal state changes constantly in time, and it is difficult to stably form a nanostructure. For this reason, it is necessary to guide colloidal particles to a desired position to form a nanostructure, and to provide a measurement sample to the nanostructure within a time when the nanostructure works effectively to complete the measurement. Furthermore, there is a risk that the nanostructures due to the colloidal particles already formed at the time of channel formation may be destroyed, and it is difficult to quantitatively control the amount of colloidal particles aggregated in the light irradiation area. On the other hand, in the case of using a chip-type nanostructure, high detection sensitivity can not be obtained because the ratio of hot spots, which are sites where surface-enhanced Raman is activated, in the formed nanospace is lower than that of the colloid type. There is a fear. Moreover, when using a chip-type nanostructure, the measurement by the drop and dry method in which a measurement sample is dropped from above on the nanostructure and dried is generally used. Measurement in solution is preferred for easier measurement with a simpler construction. The surface-enhanced Raman scattering measurement in solution is expected to be utilized as a biosensor because it is directly linked to the chemical reaction process in the living body. Also, in environmental analysis, analysis in the liquid state can be performed under in-situ detection or conditions close to the actual chemical reaction process, so surface-enhanced Raman spectroscopy in solution is a very important measurement technique. It is believed that.
本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、ナノ構造体を容易に形成し、かつ、高い検出感度を得ることができる表面増強ラマン測定方法および表面増強ラマン測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and a surface-enhanced Raman measurement method and a surface-enhanced Raman measurement device capable of easily forming a nanostructure and obtaining high detection sensitivity. Intended to be provided.
本発明の一態様に係る表面増強ラマン測定方法は、基板上に一対の電極を配設し、貴金属コロイドおよび非金属コロイドを混合した混合溶液を作製し、前記基板および前記一対の電極上に前記混合溶液を滴下し、前記一対の電極間に所定の電圧を印加して前記混合溶液に含まれる粒子を電気泳動または誘電泳動させながら、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極上または周囲において前記混合溶液を移流集積させて、前記電極上または周囲において前記貴金属コロイドに含まれる貴金属ナノ粒子を含むナノ構造体を形成させ、前記電極上または周囲において形成された前記ナノ構造体に測定試料を含む溶液を含浸させて前記測定試料の表面増強ラマンスペクトルを測定するものである。 In the surface-enhanced Raman measurement method according to one aspect of the present invention, a pair of electrodes is disposed on a substrate, and a mixed solution in which a precious metal colloid and a nonmetallic colloid are mixed is produced, and the above-described substrate and the pair of electrodes are The mixed solution is dropped, a predetermined voltage is applied between the pair of electrodes, and particles contained in the mixed solution are electrophoresed or dielectrophoresed on or around at least one of the pair of electrodes. The mixed solution is subjected to advection accumulation to form a nanostructure including noble metal nanoparticles contained in the noble metal colloid on or around the electrode, and a measurement sample is added to the nanostructure formed on or around the electrode. The solution containing the above is impregnated to measure the surface enhanced Raman spectrum of the measurement sample.
上記方法によれば、移流集積の際に電気泳動または誘電泳動を行うことにより、ナノ構造体を電極上または周囲の所定位置に精度よく形成することができる。また、電気泳動または誘電泳動のための電極をそのまま表面増強ラマン測定のための電極とすることができ、工程を複雑化させることなく電極にナノ構造体を実装することができる。したがって、高次ナノ構造を容易に形成し、かつ、高い検出感度を得ることができる。 According to the above method, by performing electrophoresis or dielectrophoresis at the time of advection accumulation, a nanostructure can be formed with high precision on a predetermined position on or around an electrode. Further, an electrode for electrophoresis or dielectrophoresis can be used as it is as an electrode for surface-enhanced Raman measurement, and a nanostructure can be mounted on the electrode without complicating the process. Therefore, higher order nanostructures can be easily formed and high detection sensitivity can be obtained.
前記一対の電極間に印加する前記所定の電圧は、周期的に変化する電圧であり、前記周期的に変化する電圧の周波数および前記一対の電極の幅のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記電極上または周囲において前記ナノ構造体が形成される位置を変化させてもよい。一対の電極間に周期的に変化する電圧を印加し、当該印加する電圧の周波数および一対の電極の幅のうちの少なくとも一方を変化させることで電極上または周囲においてナノ構造体が形成される位置を制御することができるため、所望の位置にナノ構造体を容易に形成することができ、高い検出感度を得ることができる。 The predetermined voltage applied between the pair of electrodes is a periodically changing voltage, and by changing at least one of the frequency of the periodically changing voltage and the width of the pair of electrodes, The position where the nanostructure is formed may be changed on or around the electrode. A position at which a nanostructure is formed on or around an electrode by applying a periodically changing voltage between the pair of electrodes and changing at least one of the frequency of the applied voltage and the width of the pair of electrodes Can be easily formed, and high detection sensitivity can be obtained.
前記一対の電極は、互いに同心円となる２つの仮想円上に形成されてもよい。また、前記非金属コロイドに含まれる非金属微粒子は、ポリスチレンであり、前記貴金属コロイドに含まれる貴金属ナノ粒子は、金であってもよい。 The pair of electrodes may be formed on two virtual circles concentric with each other. The non-metallic fine particles contained in the non-metallic colloid may be polystyrene, and the noble metal nanoparticles contained in the noble metal colloid may be gold.
前記ナノ構造体を形成する際に、前記電気泳動または誘電泳動と前記移流集積とによって前記電極上または周囲において凝集した前記貴金属ナノ粒子および前記非金属コロイドに含まれる非金属微粒子のうち前記非金属微粒子を除去してもよい。これにより、貴金属ナノ粒子のみのナノ構造体を形成することができる。 In forming the nano structure, the nonmetal of the noble metal nanoparticles and nonmetal fine particles contained in the nonmetal colloid aggregated on or around the electrode by the electrophoresis or dielectrophoresis and the advective accumulation Particulates may be removed. Thereby, a nanostructure of only noble metal nanoparticles can be formed.
非金属微粒子に貴金属のナノ粒子を被覆したナノシェル構造体を生成し、前記ナノシェル構造体と測定試料とを、一対の電極間に周期的に変化する電圧を印加して誘電泳動させることにより、前記ナノ構造体内およびその周囲にナノシェル構造体および前記測定試料の混合物を凝集させ、凝集した前記混合物の表面増強ラマンスペクトルを測定してもよい。ナノシェル構造体および測定試料を一対の電極を用いて誘電泳動させることにより、ナノシェル構造体および測定試料の混合物が一対の電極近傍に凝集される。この電極近傍にはナノ構造体が形成されているため、ナノ構造体上にナノシェル構造体を形成することができる。これにより電極の所定位置に表面積の大きい高次ナノ構造が形成される。したがって、特別な工程を要することなく高い検出感度を得ることができる高次ナノ構造を所定の領域上に形成することができる。また、一対の電極に印加する電圧の周波数に応じて誘電泳動を容易に制御できるため、ナノシェル構造体による高次ナノ構造を測定者の技量によらず容易かつ安定的に形成することができる。 A nanoshell structure in which nonmetallic fine particles are coated with noble metal nanoparticles is generated, and the nanoshell structure and the measurement sample are subjected to dielectrophoresis by applying a periodically changing voltage between a pair of electrodes. The mixture of the nanoshell structure and the measurement sample may be aggregated in and around the nanostructure, and a surface-enhanced Raman spectrum of the aggregated mixture may be measured. A mixture of the nanoshell structure and the measurement sample is aggregated in the vicinity of the pair of electrodes by dielectrophoresis of the nanoshell structure and the measurement sample using the pair of electrodes. Since a nano structure is formed in the vicinity of this electrode, a nano shell structure can be formed on the nano structure. As a result, a high-order nanostructure having a large surface area is formed at a predetermined position of the electrode. Therefore, higher order nanostructures that can obtain high detection sensitivity without requiring special steps can be formed on a predetermined region. Moreover, since dielectrophoresis can be easily controlled according to the frequency of the voltage applied to the pair of electrodes, the high-order nano structure by the nanoshell structure can be easily and stably formed regardless of the skill of the measurer.
本発明の他の態様に係る表面増強ラマン測定装置は、測定試料を収容するための収容部と、前記収容部内に配設された一対の電極と、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極上または周囲に形成された貴金属ナノ粒子を含むナノ構造体と、前記ナノ構造体の形成領域に所定の光を照射する光照射部と、前記ナノ構造体の形成領域で生じる表面増強ラマンスペクトルを測定する測定部と、前記一対の電極に所定の電圧を印加する電圧印加部と、を備え、前記ナノ構造体は、前記収容部に前記貴金属ナノ粒子が含まれる貴金属コロイドおよび非金属コロイドを混合した混合溶液を滴下した状態で、前記制御部により前記一対の電極間に所定の電圧を印加して前記混合溶液に含まれる粒子を電気泳動または誘電泳動させながら、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極上または周囲において前記混合溶液を移流集積させて形成されたものである。 According to another aspect of the present invention, there is provided a surface-enhanced Raman measurement apparatus comprising: a housing portion for housing a measurement sample; a pair of electrodes disposed in the housing portion; and at least one of the pair of electrodes A nanostructure including a noble metal nanoparticle formed on or around the surface, a light irradiation portion for irradiating a predetermined light to the formation region of the nanostructure, and a surface enhanced Raman spectrum generated in the formation region of the nanostructure The nano-structure comprises a noble metal colloid and a non-metal colloid in which the noble metal nanoparticles are contained in the accommodation part, and a measurement part to be measured and a voltage application part to apply a predetermined voltage to the pair of electrodes. With the mixed solution dropped, the control unit applies a predetermined voltage between the pair of electrodes to cause electrophoresis or dielectrophoresis of particles contained in the mixed solution, The mixed solution on or around at least one electrode of which one formed by advection integrated.
上記構成によれば、移流集積の際に電気泳動または誘電泳動を行うことにより、ナノ構造体を電極上または周囲の所定位置に精度よく形成することができる。また、電気泳動または誘電泳動のための電極をそのまま表面増強ラマン測定のための電極とすることができ、工程を複雑化させることなく電極にナノ構造体を実装することができる。したがって、測定試料や測定条件等に応じて所望のナノ構造体を容易に実装することができるため、種々の表面増強ラマン測定を適切に行うことができる装置とすることができる。 According to the above configuration, by performing electrophoresis or dielectrophoresis at the time of advection accumulation, the nanostructure can be formed precisely at a predetermined position on or around the electrode. Further, an electrode for electrophoresis or dielectrophoresis can be used as it is as an electrode for surface-enhanced Raman measurement, and a nanostructure can be mounted on the electrode without complicating the process. Therefore, since a desired nano structure can be easily mounted according to a measurement sample, measurement conditions, etc., it can be set as the apparatus which can perform various surface enhancement Raman measurement appropriately.
前記一対の電極間に印加する前記所定の電圧は、周期的に変化する電圧であり、前記電圧印加部は、前記周期的に変化する電圧の周波数および前記一対の電極の幅のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記電極上または周囲において前記ナノ構造体が形成される位置を変更可能に構成されてもよい。一対の電極間に周期的に変化する電圧を印加し、当該印加する電圧の周波数および一対の電極の幅のうちの少なくとも一方を変化させることで電極上または周囲においてナノ構造体が形成される位置を変更することができるため、所望の位置にナノ構造体を容易に形成することができる。 The predetermined voltage applied between the pair of electrodes is a periodically changing voltage, and the voltage application unit is at least one of a frequency of the periodically changing voltage and a width of the pair of electrodes. The position where the nano structure is formed on or around the electrode may be changeable by changing. A position at which a nanostructure is formed on or around an electrode by applying a periodically changing voltage between the pair of electrodes and changing at least one of the frequency of the applied voltage and the width of the pair of electrodes Can be easily changed to a desired position.
本発明は以上に説明したように構成され、高次ナノ構造を容易に形成し、かつ、高い検出感度を得ることができるという効果を奏する。 The present invention is configured as described above, and has the effect of easily forming high-order nanostructures and obtaining high detection sensitivity.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals throughout all the drawings, and the redundant description will be omitted.
図１は本発明の一実施形態に係る表面増強ラマン測定装置を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の表面増強ラマン測定装置５は、測定試料Ｓを収容するための収容部６と、収容部６内に配設された一対の電極７と、一対の電極７のうちの少なくとも一方の電極上または周囲に形成された貴金属を含むナノ構造体２１と、ナノ構造体２１の形成領域に所定の光を照射する光照射部８と、ナノ構造体２１の形成領域で生じる表面増強ラマンスペクトルを測定する測定部９と、一対の電極７に所定の電圧を印加する電圧印加部１０と、電圧印加部１０から出力される電圧を制御する制御部１１と、を備えている。 FIG. 1 is a schematic configuration view showing a surface-enhanced Raman measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the surface-enhanced Raman measurement apparatus 5 according to this embodiment includes a housing 6 for housing a measurement sample S, a pair of electrodes 7 disposed in the housing 6, and a pair of electrodes 7. A nano structure 21 containing a noble metal formed on or around at least one of the electrodes of 7, a light irradiation part 8 for irradiating predetermined light to a formation region of the nano structure 21, and formation of the nano structure 21 A measurement unit 9 for measuring a surface enhanced Raman spectrum generated in the region, a voltage application unit 10 for applying a predetermined voltage to the pair of electrodes 7, and a control unit 11 for controlling the voltage output from the voltage application unit 10; Have.
ナノ構造体２１は、ナノ粒子が集積して所定の構造が形成されたものとして定義される。ナノ構造体２１には１次元のナノ構造体、２次元のナノ構造体、および３次元以上のナノ構造体（一般的に高次ナノ構造体と呼ばれる）が含まれる。収容部６には、測定試料Ｓを含む溶液が収納される。この溶液の溶媒は、例えば超純水、イオン液体、有機溶媒等、測定試料Ｓを分散できる溶媒であれば良い。ただし、溶媒自体のラマン信号を検出する可能性があるので、検出したい測定試料Ｓだけのラマン測定を行う際は、事前にバックグランドとなる溶媒からのラマンスペクトルを測定しておくことで、測定試料Ｓのみのラマン信号を取り出すことが可能である。あるいは、測定試料Ｓを分散できる溶媒で、測定試料Ｓとラマン信号が重複しない溶媒とを選択すれば、より高速かつ高感度に測定を行うことが可能となる。光照射部８は、例えば近赤外の波長を有するレーザ（例えば７８５ｎｍの波長を有し、出力３０ｍＷのレーザ）等が適用できる。測定部９は、例えば顕微ラマン分光器等のラマン分光器等が適用できる。 The nanostructures 21 are defined as nanoparticles in which a predetermined structure is formed. The nanostructures 21 include one-dimensional nanostructures, two-dimensional nanostructures, and three or more dimensional nanostructures (generally referred to as higher order nanostructures). The solution containing the measurement sample S is stored in the storage unit 6. The solvent of this solution may be, for example, ultrapure water, an ionic liquid, an organic solvent, or the like as long as it can disperse the measurement sample S. However, since there is a possibility of detecting the Raman signal of the solvent itself, when performing Raman measurement of only the measurement sample S to be detected, measurement is performed by measuring in advance the Raman spectrum from the solvent serving as the background. It is possible to extract the Raman signal of only the sample S. Alternatively, if a solvent capable of dispersing the measurement sample S and a solvent in which the measurement sample S and the Raman signal do not overlap are selected, it is possible to perform measurement at higher speed and higher sensitivity. For example, a laser having a near infrared wavelength (for example, a laser having a wavelength of 785 nm and an output of 30 mW) or the like can be applied to the light irradiation unit 8. For example, a Raman spectrometer such as a microscopic Raman spectrometer can be applied to the measurement unit 9.
本実施の形態において、一対の電極７は、後述するように同心円状の電極として構成される。図１において内側の電極を７１、外側の電極を７２で示す。収容部６は、例えば電極の形状に合わせて円筒形状を有している。 In the present embodiment, the pair of electrodes 7 is configured as concentric electrodes as described later. In FIG. 1, the inner electrode is indicated by 71 and the outer electrode is indicated by 72. The housing portion 6 has, for example, a cylindrical shape in accordance with the shape of the electrode.
電圧印加部１０は一対の電極７に電圧を印加する電力を供給する電源装置として構成される。制御部１１は、電圧印加部１０から出力される一対の電極７への所定の電圧の印加の実行を制御するよう構成される。本実施の形態において、一対の電極７間に印加する所定の電圧は、周期的に変化する電圧である。さらに具体的には、周期的に変化する電圧は、所定の周波数を有する交流電圧である。さらに、制御部１１は、交流電圧の周波数を設定可能に構成される。制御部１１は、マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ等のコンピュータが適用できる。 The voltage application unit 10 is configured as a power supply device that supplies power for applying a voltage to the pair of electrodes 7. The control unit 11 is configured to control execution of application of a predetermined voltage to the pair of electrodes 7 output from the voltage application unit 10. In the present embodiment, the predetermined voltage applied between the pair of electrodes 7 is a voltage that changes periodically. More specifically, the periodically changing voltage is an alternating voltage having a predetermined frequency. Furthermore, the control unit 11 is configured to be able to set the frequency of the AC voltage. The control unit 11 may be a computer such as a microcomputer or a personal computer.
このような表面増強ラマン測定装置５において、収容部６内に測定試料Ｓを含む溶液を収納することにより、電極７上または周囲において形成されたナノ構造体２１に当該溶液を含浸させる。これにより、ナノ構造体２１に測定試料Ｓが吸着される。測定試料Ｓが吸着されたナノ構造体２１に光照射部８からの光を照射することにより、ナノ構造体２１の表面に吸着した検出物質によって表面増強ラマンスペクトルが発生し、これを測定部９で計測することにより、測定試料Ｓ中の検出物質が計測される。 In such a surface-enhanced Raman measurement apparatus 5, the solution containing the measurement sample S is accommodated in the accommodation portion 6 to impregnate the nanostructure 21 formed on or around the electrode 7 with the solution. Thereby, the measurement sample S is adsorbed to the nanostructure 21. By irradiating the light from the light irradiation unit 8 to the nanostructure 21 to which the measurement sample S is adsorbed, a surface-enhanced Raman spectrum is generated by the detection substance adsorbed on the surface of the nanostructure 21, and this is measured by the measurement unit 9. The detection substance in the measurement sample S is measured by performing
表面増強ラマン測定の際、一対の電極７に電圧を印加してもよい。例えば、一対の電極７を、測定試料Ｓ中の検出物質の捕獲、分離等を行うための誘電泳動電極として用いることができる。電極にナノ構造体２１が形成されているため、電場勾配が大きくなり、誘電泳動効果が向上することが期待できる。また、例えば、一対の電極７への電圧の印加によって捕獲した検出分子のＨＯＭＯ、ＬＵＭＯ準位に電子を入れたり、抜いたりして、検出分子の電子状態の制御を行うことができる。表面増強ラマン効果によって、電子授与等によって変化した分子振動状態を検出することができる。さらに、一対の電極７に電圧を印加することにより、検出分子の立体構造を制御し、表面増強ラマン効果で検出することができる。検出分子の電子状態の制御や検出分子の立体構造を制御することにより、検体分子単位のオン／オフ操作が可能となり、メモリや論理素子の単位素子として利用できる可能性がある。また、一対の電極７は、測定試料Ｓを含む溶液のインピーダンスを計測するためにも用いられ得る。 In the surface-enhanced Raman measurement, a voltage may be applied to the pair of electrodes 7. For example, the pair of electrodes 7 can be used as a dielectrophoretic electrode for capturing, separating, etc. the detection substance in the measurement sample S. Since the nanostructures 21 are formed on the electrodes, it is expected that the electric field gradient becomes large and the dielectrophoretic effect is improved. In addition, for example, the electron state of the detection molecule can be controlled by inserting or removing electrons from the HOMO or LUMO level of the detection molecule captured by application of a voltage to the pair of electrodes 7. The surface enhanced Raman effect can detect the molecular vibrational state changed by the electron donation or the like. Furthermore, by applying a voltage to the pair of electrodes 7, the three-dimensional structure of the detection molecule can be controlled, and detection can be performed by the surface enhanced Raman effect. By controlling the electronic state of the detection molecule or controlling the three-dimensional structure of the detection molecule, the on / off operation of the sample molecule unit becomes possible, and there is a possibility that it can be used as a memory or a unit element of a logic element. The pair of electrodes 7 can also be used to measure the impedance of the solution containing the measurement sample S.
以下、本実施形態におけるナノ構造体２１の形成方法について説明する。図２は本実施形態におけるナノ構造体の作製方法を例示するための概念図である。図２における電極７１，７２は、図１に示す一対の電極７（７１，７２）のＩＩ−ＩＩ断面に相当する。まず、図２（ａ）に示すように、平滑な底面を有する収容部６内に半導体微細加工技術を用いて一対の電極７１，７２を配設する。次に、図２（ｂ）に示すように、一対の電極７１，７２が形成された収容部６内に所定の貴金属ナノ粒子が含まれる貴金属コロイド２２および所定の非金属微粒子が含まれる非金属コロイド２３を混合した混合溶液２４を滴下する。 Hereinafter, the formation method of the nano structure 21 in this embodiment is demonstrated. FIG. 2 is a conceptual view for illustrating the method for producing a nano structure in the present embodiment. The electrodes 71 and 72 in FIG. 2 correspond to the II-II cross section of the pair of electrodes 7 (71 and 72) shown in FIG. First, as shown in FIG. 2A, the pair of electrodes 71 and 72 are disposed in the housing portion 6 having a smooth bottom surface using a semiconductor microfabrication technique. Next, as shown in FIG. 2B, the noble metal colloid 22 containing predetermined noble metal nanoparticles and the nonmetal containing predetermined nonmetallic fine particles are contained in the housing portion 6 in which the pair of electrodes 71 and 72 are formed. The mixed solution 24 mixed with the colloids 23 is dropped.
なお、本実施形態においては、収容部６の底面に直接一対の電極７を配設したが、平滑な表面を有する基板上に電極７１，７２を形成することとしてもよい。この場合、混合溶液２４を電極７上に滴下した際に、混合溶液２４が流れてしまわないように、電極７１，７２の周囲の基板上に例えばＰＤＭＳ（poly(dimethylsiloxane)）等により井戸構造を形成してもよい。 In the present embodiment, the pair of electrodes 7 is disposed directly on the bottom surface of the housing portion 6. However, the electrodes 71 and 72 may be formed on a substrate having a smooth surface. In this case, in order to prevent the mixed solution 24 from flowing when the mixed solution 24 is dropped onto the electrode 7, a well structure is formed on the substrate around the electrodes 71 and 72 by, for example, PDMS (poly (dimethylsilane)). You may form.
図２（ｃ）に示すように、収容部６内にナノ構造体２１を形成するための貴金属コロイド２２および非金属コロイド２３を混合した混合溶液２４を滴下した状態で、制御部１０は、一対の電極７１，７２間に所定の電圧Ｅを印加する。 As shown in FIG. 2C, in a state where the mixed solution 24 in which the noble metal colloid 22 and the nonmetal colloid 23 for forming the nano structure 21 are mixed is dropped in the housing portion 6, the control portion 10 is a pair A predetermined voltage E is applied between the electrodes 71 and 72 of
所定の電圧Ｅは、直流電圧でもよいし、周期的に変化する電圧でもよい。周期的に変化する電圧の波形は、正弦波（いわゆる交流電圧）、三角波、鋸波等、当該波形が周期的に繰り返される限りいかなる波形でもよい。また、周期的に変化する電圧の波形は、基準電圧（周期の始点および終点の電圧）が０であってもよいし０でなくても（直流成分を含んでも）よい。さらに、周期的に変化する電圧の波形は、周期的に繰り返される波形が基準電圧より高い部分の波形と基準電圧より低い部分の波形とが同じ形または対称形でなくてもよい。例えば半波整流波形および全波整流波形のように基準電圧より低い部分が存在しない波形でもよい。また、例えば基準電圧より高い部分の期間と基準電圧より低い部分の期間との周期に占める割合が異なる（すなわち、デューティ比が５０％ではない）波形でもよい。これにより、混合溶液２４に含まれる粒子は電気泳動または誘電泳動する。直流電圧のみ印加した場合には電気泳動が生じ、周期的に変化する電圧を印加した場合には誘電泳動が生じる。 The predetermined voltage E may be a DC voltage or a periodically changing voltage. The waveform of the periodically changing voltage may be any waveform such as a sine wave (so-called alternating voltage), a triangular wave, a sawtooth wave, etc. as long as the waveform is periodically repeated. In the waveform of the periodically changing voltage, the reference voltage (the voltage at the start point and the end point of the cycle) may or may not be 0 (including a direct current component). Furthermore, the waveform of the periodically changing voltage may not be the same or symmetrical in the portion where the periodically repeated waveform is higher than the reference voltage and the waveform where the periodically repeated waveform is lower than the reference voltage. For example, it may be a waveform without a portion lower than the reference voltage, such as a half wave rectified waveform and a full wave rectified waveform. In addition, for example, the waveforms may have different proportions in the period between the period of the portion higher than the reference voltage and the period of the portion lower than the reference voltage (ie, the duty ratio is not 50%). Thereby, the particles contained in the mixed solution 24 are electrophoresed or dielectrophoresed. When only a DC voltage is applied, electrophoresis occurs, and when a periodically changing voltage is applied, dielectrophoresis occurs.
以下、所定の電圧Ｅとして周期的に変化する電圧の例である交流電圧を印加した場合について説明する。なお、周期的に変化する電圧に直流成分が含まれる場合には誘電泳動に加えて電気泳動が生じるが、本明細書においてはこの場合についても広い意味で誘電泳動が生じるとして説明する。図２（ｃ）においては誘電泳動による混合溶液２４に含まれる粒子の流れを矢符Ｆで示す。誘電泳動は、混合溶液２４中の非金属コロイド２３や貴金属コロイド２２の材料に依存するが、材料を固定すれば、電極７１，７２に印加する電圧の電界強度と周波数とによって、その集積構造を制御することができる。このため、印加電圧の電界強度と周波数とを制御することによって、誘電泳動により移動する混合溶液２４中の非金属コロイド２３および貴金属コロイド２２を、一対の電極７上（電極７１上および電極７２上）、一対の電極７の近位側端部（電極７１の外側、電極７２の内側）、および、一対の電極７の遠位側端部（電極７１の内側、電極７２の外側）の何れかに集積させることができる。また、一対の電極７１，７２間に交流電圧Ｅを印加することにより、混合溶液２４内に熱対流が生じることにより、後述する移流集積も促進される。 Hereinafter, the case where the alternating voltage which is an example of the voltage which changes periodically as the predetermined voltage E is applied is demonstrated. When a periodically changing voltage contains a direct current component, electrophoresis occurs in addition to dielectrophoresis, but in this specification, this case is also described as causing dielectrophoresis in a broad sense. In FIG. 2C, the flow of particles contained in the mixed solution 24 by dielectrophoresis is indicated by an arrow F. The dielectrophoresis depends on the material of the nonmetal colloid 23 and the noble metal colloid 22 in the mixed solution 24. However, if the material is fixed, the integrated structure is determined by the electric field strength and frequency of the voltage applied to the electrodes 71 and 72. Can be controlled. Therefore, by controlling the electric field strength and frequency of the applied voltage, the nonmetallic colloid 23 and the precious metal colloid 22 in the mixed solution 24 moved by dielectrophoresis are placed on the pair of electrodes 7 (on the electrode 71 and the electrode 72). ), The proximal end of the pair of electrodes 7 (outside of the electrode 71, the inside of the electrode 72), or the distal end of the pair of electrodes 7 (the inside of the electrode 71, outside of the electrode 72) Can be integrated into Further, by applying an AC voltage E between the pair of electrodes 71 and 72, thermal convection occurs in the mixed solution 24, thereby promoting the advection accumulation described later.
収容部６内に滴下された混合溶液２４の溶媒は、自然乾燥していき、それに伴って混合溶液２４に含まれる貴金属コロイド２２の貴金属ナノ粒子および非金属コロイド２３の非金属微粒子が収容部６の底面上で移流集積される。図２（ｃ）においては移流集積による混合溶液２４の流れを矢符Ｄ１で示し、溶媒の蒸発を矢符Ｄ２で示す。移流集積効果（例えば、形成されるナノ構造体２１の高さ、密度、非金属微粒子に対する貴金属ナノ粒子の割合等）は、混合溶液２４の蒸気圧と大気圧の差によって生じる。移流集積効果は、溶液の濃度等で制御することができる。 The solvent of the mixed solution 24 dropped into the storage unit 6 is naturally dried, and the noble metal nanoparticles of the precious metal colloid 22 and the nonmetallic fine particles of the nonmetallic colloid 23 contained in the mixed solution 24 are stored accordingly. On the bottom of the advection. In FIG. 2 (c), the flow of the mixed solution 24 by advection accumulation is indicated by arrow D1, and evaporation of the solvent is indicated by arrow D2. The advective accumulation effect (eg, the height, density, ratio of precious metal nanoparticles to non-metallic particles, etc. of the formed nanostructures 21) is caused by the difference between the vapor pressure of the mixed solution 24 and the atmospheric pressure. The advection accumulation effect can be controlled by the concentration of the solution or the like.
この結果、図１の例においては、一対の電極７のうち外側の電極７２の外側にナノ構造体２１が形成される。本実施の形態においては、一対の電極７が同心円状の電極であるため、外側の電極７２と内側の電極７１との間で空間的な非対称性が生じる。このような空間的な非対称性を一因として移流集積の効果が一対の電極７間で非対称になることにより、印加する電圧の電界強度および周波数によっては一対の電極７のうちの何れか一方にのみナノ構造体２１が形成される場合があるものと推察される。 As a result, in the example of FIG. 1, the nano structure 21 is formed on the outside of the outer electrode 72 of the pair of electrodes 7. In the present embodiment, since the pair of electrodes 7 is a concentric electrode, spatial asymmetry occurs between the outer electrode 72 and the inner electrode 71. Depending on the electric field strength and the frequency of the applied voltage, the effect of the advective integration is asymmetrical between the pair of electrodes 7 due to such spatial asymmetry, and depending on the electric field strength and frequency of the applied voltage. It is inferred that only the nanostructures 21 may be formed.
このように、誘電泳動および移流集積は、電極７等の濡れ性（表面張力）、溶媒の蒸発Ｄ２による混合溶液２４の対流、一対の電極７間に交流電圧Ｅを印加することによって生じる混合溶液２４の熱対流、ＤＶＬＯ理論に基づく各要素間（粒子間、粒子と電極７との間、粒子と基板との間等）に働く相互作用（引力または斥力相互作用）、および誘電泳動の各原理のバランスによって電極７上またはその周囲にナノ構造体２１を形成する作用を奏する。そして、混合溶液２４に含まれる粒子を誘電泳動させつつ移流集積させることにより、図２（ｄ）に示すように、一対の電極７のうちの少なくとも一方の電極上またはその周囲の所望の位置に、貴金属コロイド２２の貴金属ナノ粒子および非金属微粒子２３の非金属微粒子によるナノ構造体２１が形成される。さらに、形成されたナノ構造体２１を乾燥機などを用いて乾燥させることによりナノ構造体２１を電極７上またはその周囲に定着させる。 Thus, the dielectrophoresis and advection accumulation are the mixed solution generated by the wettability (surface tension) of the electrodes 7 etc., the convection of the mixed solution 24 by evaporation of the solvent D 2, and the application of the alternating voltage E between the pair of electrodes 7. 24 principles of thermal convection, interactions between elements based on DVLO theory (between particles, between particles and electrodes 7, etc. between particles and substrate, etc.) (attractive or repulsive interactions), and principles of dielectrophoresis The function of forming the nano structure 21 on or around the electrode 7 is exerted by the balance of Then, particles contained in the mixed solution 24 are subjected to dielectrophoresis and advection accumulation, as shown in FIG. 2 (d), at a desired position on or around at least one of the pair of electrodes 7. Then, a nanostructure 21 is formed by noble metal nanoparticles of the noble metal colloid 22 and nonmetallic fine particles of the nonmetallic fine particles 23. Furthermore, the formed nanostructures 21 are dried using a dryer or the like to fix the nanostructures 21 on or around the electrodes 7.
本実施形態におけるナノ構造体２１の形成方法によれば、移流集積の際に電気泳動または誘電泳動を行っている。電圧を印加せずに、移流集積を行うだけでもナノ構造体の形成自体は可能であるが、ナノ構造体が形成される位置を所望の位置に制御することが困難である。そこで、一対の電極７に所定の電圧を印加することにより、混合溶液２４を移流集積させるとともに混合溶液２４に含まれる粒子を電気泳動または誘電泳動させている。これにより、ナノ構造体２１を電極７上または周囲の所定位置に精度よく形成することができる。 According to the method for forming a nano structure 21 in the present embodiment, electrophoresis or dielectrophoresis is performed during advection accumulation. Although the formation of the nano structure itself is possible only by performing advection accumulation without applying a voltage, it is difficult to control the position at which the nano structure is formed to a desired position. Therefore, by applying a predetermined voltage to the pair of electrodes 7, the mixed solution 24 is transferred by advection and the particles contained in the mixed solution 24 are subjected to electrophoresis or dielectrophoresis. Thereby, the nanostructure 21 can be formed precisely at a predetermined position on or around the electrode 7.
ナノ構造体２１が電極７の所定の位置に形成できることにより、表面増強ラマン測定の用途に応じて、ナノ構造体２１を最適な位置に形成することができる。例えば、電極７上にナノ構造体２１を形成した場合には、ナノ構造体２１において捕獲した検体分子に電圧を印加して電子状態を変化させることができ、その状態で表面増強ラマン測定を行うことにより、様々な物性を評価できたり、検体分子の制御を行うことができる。また、一対の電極７のうちの一方の電極において他方の電極と対向する側にナノ構造体２１を形成した場合には、電気的応答と光の応答とを分離した検体分子の誘電泳動構造として使用できる。また、測定装置の構造に合わせて適切な表面増強ラマン測定を行うためにナノ構造体２１の形成位置を制御できることは有用である。 Since the nanostructure 21 can be formed at a predetermined position of the electrode 7, the nanostructure 21 can be formed at an optimum position according to the application of the surface enhanced Raman measurement. For example, when the nanostructure 21 is formed on the electrode 7, a voltage can be applied to the sample molecules captured in the nanostructure 21 to change the electronic state, and surface enhanced Raman measurement is performed in that state Thus, various physical properties can be evaluated, and control of analyte molecules can be performed. In addition, when the nano structure 21 is formed on the side of one of the pair of electrodes 7 facing the other electrode, the dielectrophoretic structure of the sample molecule in which the electrical response and the light response are separated It can be used. In addition, it is useful to be able to control the formation position of the nanostructure 21 in order to perform appropriate surface-enhanced Raman measurement in accordance with the structure of the measurement apparatus.
また、電気泳動または誘電泳動のための電極７をそのまま表面増強ラマン測定のための電極７（例えば上述した誘電泳動電極等）とすることができるため、別途ナノ構造体２１を形成する土台となるウエルを形成する必要がない。したがって、工程を複雑化させることなく電極にナノ構造体２１を実装することができる。このようにして、高次ナノ構造を容易に形成し、かつ、高い検出感度を得ることができる。 Further, since the electrode 7 for electrophoresis or dielectrophoresis can be used as it is as the electrode 7 (for example, the above-mentioned dielectrophoretic electrode etc.) for surface-enhanced Raman measurement, it becomes a base to form the nanostructure 21 separately. There is no need to form a well. Therefore, the nanostructure 21 can be mounted on the electrode without complicating the process. In this way, higher order nanostructures can be easily formed and high detection sensitivity can be obtained.
なお、周波数に加えて電極７に印加される電圧または電流の大きさを変えることによって、電極７上またはその周囲に形成されるナノ構造体２１の位置をより複雑に制御することも可能である。 In addition, it is also possible to control the position of the nanostructure 21 formed on or around the electrode 7 more complicatedly by changing the magnitude of the voltage or current applied to the electrode 7 in addition to the frequency. .
貴金属コロイド２２には、例えば金、銀等の少なくとも１種類の貴金属ナノ粒子が含まれる。例えば金ナノ粒子の粒子径は２０ｎｍであり、粒子個数は１．１７×１０９個／μｌである。金コロイド以外にも銀や銅等のコロイドも採用可能である。さらに、混合溶液２４中に複数種類の貴金属が含まれてもよい。例えば安定性の高い金と表面増強ラマン活性の高い銀とを混合することにより、形成されるナノ構造体２１の安定性および活性度を相補的に高めることができると考えられる。また、複数の貴金属を用いることにより、互いに異なる電子移動度により、光照射部８として用いられるレーザの波長領域を相補的に拡張できると考えられる。複数種類の貴金属を用いる場合には、一対の電極７のそれぞれの電極に互いに異なる貴金属が含まれるナノ構造体２１を形成することとしてもよいし、同じ電極箇所に複数種類の貴金属が含まれるナノ構造体２１を形成することとしてもよい。 The noble metal colloid 22 includes, for example, at least one kind of noble metal nanoparticles such as gold and silver. For example, the particle size of gold nanoparticles is 20 nm, and the number of particles is 1.17 × 10 9 / μl. In addition to gold colloids, colloids such as silver and copper can also be employed. Furthermore, multiple kinds of precious metals may be included in the mixed solution 24. For example, it is considered that the stability and the activity of the formed nanostructure 21 can be complementarily enhanced by mixing a highly stable gold and a highly silver surface-enhanced Raman activity. Moreover, it is thought that the wavelength range of the laser used as the light irradiation part 8 can be complementarily expanded by mutually different electron mobility by using several noble metals. When a plurality of types of precious metals are used, nanostructures 21 may be formed in which different precious metals are contained in the electrodes of the pair of electrodes 7, or a plurality of types of precious metals are contained in the same electrode location. The structure 21 may be formed.
また、非金属コロイド２３に含まれる非金属微粒子は、例えば、粒子径１０００ｎｍ、粒子個数７．２８×１０７個／μｌのポリスチレン等が用いられる。非金属コロイド２３の非金属微粒子には、抗体やタンパク質等の測定試料Ｓを固定化するための官能基が接続されていてもよい。官能基は、所望の検出物質に応じて定められる。例えば、検出物質が４ｂｐｙ（4, 4’-ビピリジン：4, 4’-bipyridine）である場合、官能基は、例えばアミジン（amidine）が用いられる。 Further, as the nonmetal fine particles contained in the nonmetal colloid 23, for example, polystyrene with a particle diameter of 1000 nm and a particle number of 7.28 × 10 7 / μl is used. A functional group for immobilizing the measurement sample S such as an antibody or a protein may be connected to the nonmetal fine particle of the nonmetal colloid 23. The functional group is determined according to the desired detection substance. For example, when the detection substance is 4bpy (4, 4'-bipyridine: 4, 4'-bipyridine), for example, amidine is used as a functional group.
なお、非金属コロイド２３の非金属は、ポリスチレンに限られない。例えば、非金属微粒子２３として、シリカ（SiO2）、アルミナ（Al2O3）、カーボン、フラーレン、グラファイト、酸化チタン（TiO2）、チタン酸バリウム（BaTiO3）、チタン酸鉛PbTiO3、ヒドロキシアパタイト、ポリマーラテックス、硫化ポリスチレンラテックス、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、酸化カルシウム（CaO）、酸化マグネシウム（MgO）、ダイヤモンド、ポリメタクリル酸メチル樹脂（PMMA）等を採用可能である。 The nonmetal of the nonmetal colloid 23 is not limited to polystyrene. For example, as the nonmetal fine particles 23, silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), carbon, fullerene, graphite, titanium oxide (TiO 2 ), barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate PbTiO 3 , hydroxy Apatite, polymer latex, sulfurized polystyrene latex, silicon (Si), germanium (Ge), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), diamond, polymethyl methacrylate resin (PMMA) or the like can be employed.
また、官能基は、アミジンに限られない。例えば、官能基として、Poly(anetholesulfonic acid, sodium salt)、Poly(sodium 4-styrenesulfonate)、Poly(4-styrenesulfonic acid), Poly(allylamine hydrocholoride)、Poly(diallydimethylammonium chloride)、ポリエチレンイミン（Polyethylenimine）、ポリエチレングリコール（Poly(ethyleneglycol)、PEG）、PEG-aniIgG、ポリ（γ-メチル-L-グルタメート-co-L-グルタミン酸）、ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）（PNIPAM）、bis-4,4’-(dithiobutylbenzeyl)-N,N,N’,N’-tetraethylamine(TBA)、ペプチド鎖、DNAまたはRNA、レドックス反応を起こす官能基を接続したDNAまたはRNA、チオール基等を採用可能である。例えば、刺激応答性のポリペプチドは、周囲の条件により、α―へリックス構造、βシート構造、ランダムコイル構造をとることが知られており、周囲にある環境との相互作用による表面増強ラマンスペクトルの変化が期待される。 Also, the functional group is not limited to amidine. For example, as functional groups, Poly (anetholesulfonic acid, sodium salt), Poly (sodium 4-styrenesulfonate), Poly (4-styrenesulfonic acid), Poly (allylamine hydrochloride), Poly (diallydimethylammonium chloride), polyethyleneimine (Polyethylenimine), polyethylene Glycol (Poly (ethylene glycol), PEG), PEG-ani IgG, poly (γ-methyl-L-glutamate-co-L-glutamic acid), poly (N-isopropyl acrylamide) (PNIPAM), bis-4, 4'- ( Dithiobutylbenzyl) -N, N, N ', N'-tetraethylamine (TBA), a peptide chain, DNA or RNA, DNA or RNA having a functional group for causing a redox reaction connected, a thiol group or the like can be employed. For example, stimulation-responsive polypeptides are known to have an α-helix structure, a β-sheet structure, or a random coil structure depending on the surrounding conditions, and surface-enhanced Raman spectra by interaction with the surrounding environment Change is expected.
上記非金属微粒子および官能基を適宜組み合わせることにより、貴金属ナノ粒子とともにナノ構造体２１を形成することができる。例えば、上記ポリスチレンにアミジンが接続されたナノ構造体２１の他に、負帯電のシリカにカチオン性高分子電解質であるポリエチレンイミンが接続されたナノ構造体２１を形成することができる。 The nanostructure 21 can be formed together with the precious metal nanoparticles by appropriately combining the nonmetallic fine particles and the functional group. For example, in addition to the nanostructure 21 in which an amidine is connected to polystyrene, a nanostructure 21 in which polyethyleneimine, which is a cationic polyelectrolyte, is connected to negatively charged silica can be formed.
また、ナノ構造体２１の形成に際しては、電気泳動または誘電泳動と移流集積とによって電極７上または周囲において凝集した貴金属コロイド２２の貴金属ナノ粒子および非金属コロイド２３の非金属微粒子のうち、非金属微粒子を除去することとしてもよい。この場合、ナノ構造体２１は、貴金属のみのナノ構造体となる。例えば、ポリスチレンを非金属微粒子２３に用いる場合には、ナノ構造体２１を乾燥させた後に、ナノ構造体２１をジクロロメタンに１０分間浸漬させることにより、ポリスチレンを除去することができる。 Further, when forming the nanostructures 21, among the noble metal nanoparticles of the noble metal colloid 22 and nonmetallic fine particles of the nonmetallic colloid 23 aggregated on or around the electrode 7 by electrophoresis or dielectrophoresis and advective accumulation, nonmetals Fine particles may be removed. In this case, the nanostructure 21 is a nanostructure of only a noble metal. For example, in the case of using polystyrene for the nonmetal fine particles 23, after the nanostructure 21 is dried, the polystyrene can be removed by immersing the nanostructure 21 in dichloromethane for 10 minutes.
図３は本実施形態における一対の電極の構造例を示す概略図である。図３に示すように、一対の電極７は、例えば互いに同心円となる２つの仮想円Ｃ１，Ｃ２上にそれぞれ形成された電極７１，７２を有する。一対の電極７の作製方法は、例えばガラス製の収容部６上に、フォトレジストを塗布し、電極形成用のマスクを用いてフォトレジストを露光および現像し、その上にクロム（Ｃｒ）等の密着層および金（Ａｕ）等の導電層をそれぞれスパッタにより形成した上で、フォトレジストならびにフォトレジスト上の密着層および導電層を除去することにより、同心円状の電極構造を形成する。 FIG. 3 is a schematic view showing a structural example of a pair of electrodes in the present embodiment. As shown in FIG. 3, the pair of electrodes 7 have electrodes 71 and 72 formed respectively on, for example, two imaginary circles C1 and C2 which are concentric with each other. In the method of manufacturing the pair of electrodes 7, for example, a photoresist is applied on the glass housing 6, the photoresist is exposed and developed using a mask for electrode formation, and chromium (Cr) or the like is formed thereon. An adhesive layer and a conductive layer such as gold (Au) are formed by sputtering respectively, and then the photoresist and the adhesive layer and the conductive layer on the photoresist are removed to form a concentric electrode structure.
電極７１の内周面の半径は例えば３ｍｍであり、電極幅（反径方向の長さ）は例えば５０μｍ〜１５０μｍであり、電極の厚みは例えば５μｍ〜１０μｍである。図３において、内側の電極７１の外周面とこれに対向する外側の電極７２の内周面との間隔が電極幅より大きい例が示されているが、電極幅より小さくてもよいし、電極幅と同じに設定されてもよい。 The radius of the inner peripheral surface of the electrode 71 is, for example, 3 mm, the electrode width (length in the radial direction) is, for example, 50 μm to 150 μm, and the thickness of the electrode is, for example, 5 μm to 10 μm. In FIG. 3, an example is shown in which the distance between the outer peripheral surface of the inner electrode 71 and the inner peripheral surface of the outer electrode 72 opposed thereto is larger than the electrode width, but may be smaller than the electrode width. It may be set to the same as the width.
このような電極構造において、ナノ構造体２１は、２つの電極７１，７２の少なくとも何れか１つの電極上またはその周囲に形成される。すなわち、電極７１の内側、電極７１上、電極７１の外側、電極７２の内側、電極７２上、および電極７２の外側のうちの少なくとも何れか１箇所に、ナノ構造体２１が形成される。 In such an electrode structure, the nanostructure 21 is formed on or around at least one of the two electrodes 71 and 72. That is, the nanostructure 21 is formed on at least one of the inside of the electrode 71, the top of the electrode 71, the outside of the electrode 71, the inside of the electrode 72, the top of the electrode 72, and the outside of the electrode 72.
なお、電極７１，７２に加えて、２つの仮想円Ｃ１，Ｃ２と同心円となる仮想円上に第３の電極を設けてもよい。これにより、３端子プローバを構成する３つの電極として構成される。例えば最も外側に位置する電極をグランド電極とし、他の２つの電極７１，７２を信号電極とする。この場合、所望の電界分布を得るために、３つの電極のうちの少なくとも２つの電極の電極幅を異ならせてもよい。 In addition to the electrodes 71 and 72, a third electrode may be provided on a virtual circle concentric with the two virtual circles C1 and C2. Thereby, it is comprised as three electrodes which comprise a 3 terminal prober. For example, the outermost electrode is a ground electrode, and the other two electrodes 71 and 72 are signal electrodes. In this case, in order to obtain a desired electric field distribution, the electrode widths of at least two of the three electrodes may be made different.
ナノ構造体２１の形成位置は、一対の電極７間に印加する交流電圧の周波数および一対の電極７の幅のうちの少なくとも一方を変化させることにより、変化する。図４は交流電圧の周波数および一対の電極７の幅に応じたナノ構造体２１の形成位置を示すＳＥＭ画像である。図４の例においては、貴金属コロイドとして金コロイド、非金属コロイドとしてポリスチレンコロイド、溶媒として超純水に測定試料Ｓである４ｂｐｙを分散させたものを用いて誘電泳動および移流集積を行った結果を示す。なお、図４の例においては、非金属微粒子２３であるポリスチレンを除去し、金ナノ粒子のみのナノ構造体２１を形成している。また、一対の電極７として図３に示したのと同様の同心円状の電極７１，７２を用いた。 The formation position of the nano structure 21 is changed by changing at least one of the frequency of the AC voltage applied between the pair of electrodes 7 and the width of the pair of electrodes 7. FIG. 4 is a SEM image showing the formation position of the nanostructure 21 according to the frequency of the AC voltage and the width of the pair of electrodes 7. In the example of FIG. 4, the result of performing dielectrophoresis and advection accumulation using gold colloid as noble metal colloid, polystyrene colloid as nonmetal colloid, and 4bpy as measurement sample S dispersed in ultrapure water as solvent is used. Show. In addition, in the example of FIG. 4, the polystyrene which is the nonmetallic fine particle 23 is removed, and the nanostructure 21 of only gold nanoparticles is formed. Further, concentric electrodes 71 and 72 similar to those shown in FIG. 3 were used as the pair of electrodes 7.
図４（ａ）は、電極７（７１，７２）の幅Ｗを１５０μｍとし、電極７間に印加する交流電圧の周波数ｆを１０ｋＨｚとしたときのＳＥＭ画像であり、図４（ｂ）は、電極７（７１，７２）の幅Ｗを１００μｍとし、電極７間に印加する交流電圧の周波数ｆを１ｋＨｚとしたときのＳＥＭ画像であり、図４（ｃ）は、電極７（７１，７２）の幅Ｗを５０μｍとし、電極７間に印加する交流電圧の周波数ｆを１００ｋＨｚとしたときのＳＥＭ画像である。図４（ａ）〜図４（ｂ）は、それぞれ、左側に示す電極部分のうち、ナノ構造体２１が形成された箇所を右側に拡大して示す。 FIG. 4 (a) is a SEM image when the width W of the electrodes 7 (71, 72) is 150 μm and the frequency f of the AC voltage applied between the electrodes 7 is 10 kHz, and FIG. 4 (b) is It is a SEM image when the width W of the electrode 7 (71, 72) is 100 μm and the frequency f of the AC voltage applied between the electrodes 7 is 1 kHz. FIG. 4 (c) shows the electrode 7 (71, 72). The width W is 50 μm, and the frequency f of the AC voltage applied between the electrodes 7 is 100 kHz. FIGS. 4 (a) to 4 (b) respectively show, on the right side, an enlarged portion of the electrode portion shown on the left side where the nano structure 21 is formed.
図４（ａ）においては、電極７（７１）の内側（仮想円Ｃ１の中心側）にナノ構造体２１が形成され、図４（ｂ）においては、電極７（７１，７２）上にナノ構造体２１が形成され、図４（ｃ）においては、電極７（７２）の外側（仮想円Ｃ２の外側）にナノ構造体２１が形成される結果となった。 In FIG. 4 (a), the nanostructure 21 is formed inside the electrode 7 (71) (on the center side of the imaginary circle C1), and in FIG. 4 (b), the nano structure 21 is formed on the electrode 7 (71, 72). The structure 21 is formed, and in FIG. 4C, the nanostructure 21 is formed outside the electrode 7 (72) (outside of the imaginary circle C2).
なお、図４（ａ）に示される電極の内側にナノ構造体２１が形成された場合および図４（ｃ）に示される電極の外側にナノ構造体２１が形成された場合において一対の電極７の一方にだけナノ構造体２１が形成された要因は、電極７の空間的な非対称性による移流集積の非対称性が直接作用したことだけでなく、一対の電極７の双方の周囲（内側または外側）にナノ構造体２１が凝集した場合であっても、本例のように非金属微粒子であるポリスチレンを除去することによって一対の電極７のうちの他方における凝集状態が崩れ、結果として一対の電極７のうちの他方のみにナノ構造体２１が形成されたことも、その一因として推察される。非金属微粒子の除去によって凝集状態が崩れるのは、電極７の周囲に凝集した非金属微粒子（ポリスチレン）および貴金属ナノ粒子（金ナノ粒子）が、非金属微粒子の間に貴金属ナノ粒子が非金属微粒子間の隙間を埋めるように位置した状態となっていないからであることが考えられる。非金属微粒子の間に貴金属ナノ粒子が位置しない凝集態様となるのは、移流集積の非対称性が一因であると思われる。 In addition, when the nano structure 21 is formed inside the electrode shown by FIG. 4 (a), and when the nano structure 21 is formed outside the electrode shown by FIG. 4 (c), a pair of electrodes 7 The reason why the nanostructures 21 are formed only on one side is not only that the asymmetry of the advection accumulation due to the spatial asymmetry of the electrode 7 has a direct effect, but also the circumference of both of the pair of electrodes 7 Even if the nano structure 21 is aggregated, the aggregation state in the other of the pair of electrodes 7 is broken by removing the non-metal fine particles polystyrene as in this example, and as a result, the pair of electrodes The formation of the nanostructure 21 only on the other of the seven is also presumed as a cause thereof. The aggregation state is broken by the removal of the nonmetallic fine particles: nonmetallic fine particles (polystyrene) and precious metal nanoparticles (gold nanoparticles) agglomerated around the electrode 7; It is considered that the reason is that it is not in the state of being positioned so as to fill the gap between the two. It is thought that the asymmetry of advection accumulation is one of the reasons for the aggregation mode in which the precious metal nanoparticles are not located between the nonmetallic microparticles.
このように、一対の電極７間に印加する交流電圧の周波数および一対の電極７の幅のうちの少なくとも一方を変化させることで電極７上または周囲においてナノ構造体２１が形成される位置を制御することができるため、所望の位置にナノ構造体２１を容易に形成することができ、高い検出感度を得ることができる。 Thus, by changing at least one of the frequency of the AC voltage applied between the pair of electrodes 7 and the width of the pair of electrodes 7, the position at which the nano structure 21 is formed on or around the electrodes 7 is controlled As a result, the nanostructure 21 can be easily formed at a desired position, and high detection sensitivity can be obtained.
なお、図４の結果（それぞれの位置にナノ構造体２１が形成される電極幅Ｗと周波数ｆとの組み合わせ）は、貴金属コロイド、非金属コロイド、溶媒の材料等によって変化し得る。 In addition, the result of FIG. 4 (combination of the electrode width W in which the nanostructure 21 is formed at each position and the frequency f) can be changed depending on the precious metal colloid, the nonmetallic colloid, the material of the solvent, and the like.
［変形例］
上記実施形態においては、予め電極上または周囲にナノ構造体２１を形成し、測定試料Ｓの測定時においては、検出物質を含む測定試料Ｓと表面増強ラマンに影響を与えない溶媒との溶液を収容部６内に滴下して表面増強ラマン測定を行っている。
[Modification]
In the above embodiment, the nanostructure 21 is previously formed on or around the electrode, and when measuring the measurement sample S, a solution of the measurement sample S containing the detection substance and a solvent that does not affect the surface enhanced Raman is obtained. The surface-enhanced Raman measurement is performed by dropping into the housing portion 6.
これに代えて、表面増強ラマン測定時において、非金属微粒子２に貴金属ナノ粒子３を被覆したナノシェル構造体１を生成し、ナノシェル構造体１と測定試料Ｓとを、所定位置に上記ナノ構造体２１が形成された表面増強ラマン測定装置５の収容部６内に滴下し、一対の電極７間に交流電圧を印加して誘電泳動させることとしてもよい。これにより、ナノ構造体２１内およびその周囲にナノシェル構造体１および測定試料Ｓの混合物が凝集される。測定部９は、凝集した混合物の表面増強ラマンスペクトルを測定する。 Instead of this, at the time of surface enhanced Raman measurement, the nanoshell structure 1 in which the nonmetal fine particles 2 are coated with the noble metal nanoparticles 3 is generated, and the nanoshell structure 1 and the measurement sample S are placed at the predetermined positions. 21 may be dropped into the housing portion 6 of the surface-enhanced Raman measurement device 5 in which the electrodes 21 are formed, and an alternating voltage may be applied between the pair of electrodes 7 to cause dielectrophoresis. Thereby, the mixture of the nanoshell structure 1 and the measurement sample S is aggregated in and around the nanostructure 21. The measurement unit 9 measures the surface enhanced Raman spectrum of the aggregated mixture.
図５は本発明の一変形例に係る表面増強ラマン測定方法に用いられるナノシェル構造体の概要を示す概念図であり、図６は図５に示すナノシェル構造体のＳＥＭ画像を示す図である。図５に示すように、本変形例における表面増強ラマン測定に用いるナノシェル構造体１は、非金属微粒子２に貴金属ナノ粒子３を被覆した構造を有している。非金属微粒子２および貴金属ナノ粒子３は、ナノ構造体２１の形成時に用いた非金属微粒子（例えばポリスチレン粒子）および貴金属ナノ粒子（例えば金ナノ粒子）である。 FIG. 5 is a conceptual view showing an outline of a nanoshell structure used in a surface-enhanced Raman measurement method according to a modification of the present invention, and FIG. 6 is a view showing an SEM image of the nanoshell structure shown in FIG. As shown in FIG. 5, the nanoshell structure 1 used for the surface enhanced Raman measurement in this modification has a structure in which the nonmetallic fine particles 2 are coated with the noble metal nanoparticles 3. The nonmetal fine particles 2 and the noble metal nanoparticles 3 are nonmetal fine particles (for example, polystyrene particles) and noble metal nanoparticles (for example, gold nanoparticles) used when forming the nanostructure 21.
この貴金属ナノ粒子を予め５０倍に濃縮する。この結果、貴金属ナノ粒子の粒子個数は５．８５×１０１０μｌとなる。この後、非金属微粒子２と貴金属ナノ粒子３とを混合し、非金属微粒子２に貴金属ナノ粒子３が被覆されたナノシェル構造体１を形成する。非金属微粒子２は、表面がプラスにチャージされている一方、貴金属ナノ粒子３は、表面がマイナスにチャージされている。したがって、これらを混合すると両者の間でクーロン力およびファンデルワールス力が働き、非金属微粒子２の表面に貴金属ナノ粒子３が吸着し、被膜される。なお、非金属微粒子２は、官能基４によってチャージ状態を制御することができる。また、貴金属ナノ粒子３は、その作製過程においてチャージ状態を制御することができる。官能基４についてもナノ構造体２１において示したものと同様の材料を使用可能である。 The noble metal nanoparticles are concentrated 50 times in advance. As a result, the number of particles of the noble metal nanoparticles is 5.85 × 10 10 μl. Thereafter, the nonmetal fine particles 2 and the noble metal nanoparticles 3 are mixed to form the nanoshell structure 1 in which the nonmetal fine particles 2 are coated with the noble metal nanoparticles 3. The surface of the non-metallic fine particles 2 is positively charged, while the surface of the noble metal nanoparticles 3 is negatively charged. Therefore, when these are mixed, Coulomb force and van der Waals force work between the two, and the precious metal nanoparticles 3 are adsorbed and coated on the surface of the non-metallic fine particles 2. In addition, the nonmetallic fine particle 2 can control a charge state by the functional group 4. In addition, the noble metal nanoparticles 3 can control the charge state in the process of their preparation. Also for the functional group 4, the same material as that shown in the nanostructure 21 can be used.
被覆率に応じて非金属微粒子２と貴金属ナノ粒子３との混合比が適宜調整される。被覆率１００％の場合、図５に示すように、１つのポリスチレン粒子に対して複数層の金ナノ粒子を被覆する必要があり、結果として約２５０００個の金ナノ粒子が必要となる。このため、例えば被覆率１００％のナノシェル構造体１を形成するために、ポリスチレンに対する金の混合比をＡｕ／ＰＳ＝１００／１とする。なお、被覆率は、複数の貴金属ナノ粒子３により形成されるナノ粒子間ギャップとナノシェル構造体１に吸着する検出物質との関係に応じて適宜設定される。また、貴金属ナノ粒子３の粒子個数が少ないと非金属微粒子２同士が凝集するため、貴金属ナノ粒子３の混合率は被覆率に基づいて計算される理論値より多くなるようにすることが好ましい。これにより、１つの非金属微粒子２に複数層の貴金属ナノ粒子３が被覆され、検出物質が吸着するホットスポットの数を増やしたり、ナノシェル構造体１をより安定的に形成することができる。 The mixing ratio of the nonmetal fine particles 2 to the noble metal nanoparticles 3 is appropriately adjusted according to the coverage. In the case of 100% coverage, as shown in FIG. 5, it is necessary to coat multiple layers of gold nanoparticles on one polystyrene particle, and as a result, about 25,000 gold nanoparticles are required. Therefore, for example, in order to form the nanoshell structure 1 with a coverage of 100%, the mixing ratio of gold to polystyrene is set to Au / PS = 100/1. The coverage is appropriately set according to the relationship between the inter-nanoparticle gap formed by the plurality of noble metal nanoparticles 3 and the detection substance adsorbed to the nanoshell structure 1. In addition, since the non-metallic fine particles 2 aggregate when the number of particles of the noble metal nanoparticles 3 is small, it is preferable that the mixing ratio of the noble metal nanoparticles 3 be larger than the theoretical value calculated based on the coverage. Thereby, a plurality of layers of precious metal nanoparticles 3 are coated on one nonmetallic fine particle 2, and the number of hot spots to be adsorbed by the detection substance can be increased, and the nanoshell structure 1 can be formed more stably.
制御部１０は、収容部６にナノシェル構造体１および測定試料Ｓを収納した状態で、一対の電極７間に所定の周波数を有する交流電圧等の周期的に変化する電圧を印加することにより、ナノシェル構造体１と測定試料Ｓとを誘電泳動させる。これにより、一対の電極７のうちの少なくとも一方の電極上または周囲においてナノシェル構造体１および測定試料Ｓの混合物が凝集する。 The control unit 10 applies a periodically changing voltage such as an AC voltage having a predetermined frequency between the pair of electrodes 7 in a state where the nanoshell structure 1 and the measurement sample S are stored in the storage unit 6, The nanoshell structure 1 and the measurement sample S are subjected to dielectrophoresis. Thereby, the mixture of the nanoshell structure 1 and the measurement sample S aggregates on or around at least one of the pair of electrodes 7.
一対の電極７近傍におけるナノシェル構造体１および測定試料Ｓの混合物の凝集態様は、測定試料Ｓの電気的特性と一対の電極７へ印加する電圧の周波数とに関連して変化する。制御部１０は、一対の電極７に印加する電圧の周波数を変更することによりナノシェル構造体１および測定試料Ｓの混合物を凝集させる位置を制御可能に構成される。このように、制御部１０により一対の電極に印加する電圧の周波数を変更することで、一対の電極７近傍に凝集されるナノシェル構造体１を容易に制御することができる。 The aggregation mode of the mixture of the nanoshell structure 1 and the measurement sample S in the vicinity of the pair of electrodes 7 changes in relation to the electrical characteristics of the measurement sample S and the frequency of the voltage applied to the pair of electrodes 7. The control unit 10 is configured to be able to control the position at which the mixture of the nanoshell structure 1 and the measurement sample S is aggregated by changing the frequency of the voltage applied to the pair of electrodes 7. Thus, the nanoshell structure 1 aggregated in the vicinity of the pair of electrodes 7 can be easily controlled by changing the frequency of the voltage applied to the pair of electrodes by the control unit 10.
上記構成の表面増強ラマン測定装置５によれば、ナノシェル構造体１および測定試料Ｓを収容部６内で一対の電極７を用いて誘電泳動させることにより、ナノシェル構造体１および測定試料Ｓの混合物が一対の電極７近傍に凝集される。 According to the surface-enhanced Raman measurement apparatus 5 having the above configuration, the mixture of the nanoshell structure 1 and the measurement sample S is obtained by performing dielectrophoresis on the nanoshell structure 1 and the measurement sample S using the pair of electrodes 7 in the storage unit 6 Are aggregated near the pair of electrodes 7.
この電極７近傍には上述したナノ構造体２１が形成されている。一方、上述したように、ナノシェル構造体１は誘電泳動時に印加する電圧の周波数で制御可能である。したがって、ナノ構造体２１が形成されている位置にナノシェル構造体１が凝集するような周波数の電圧を印加することにより、ナノ構造体２１上にナノシェル構造体１が形成される。これにより電極７の所定位置に表面積の大きい高次ナノ構造が形成される。 The above-described nanostructure 21 is formed in the vicinity of the electrode 7. On the other hand, as described above, the nanoshell structure 1 can be controlled by the frequency of the voltage applied during dielectrophoresis. Therefore, the nanoshell structure 1 is formed on the nanostructure 21 by applying the voltage of the frequency which the nanoshell structure 1 condenses in the position in which the nanostructure 21 is formed. As a result, high-order nanostructures having a large surface area are formed at predetermined positions of the electrode 7.
したがって、特別な工程を要することなく高い検出感度を得ることができる高次ナノ構造を所定の領域上に形成することができる。また、一対の電極７に印加する電圧の周波数に応じて誘電泳動を容易に制御できるため、ナノシェル構造体１による高次ナノ構造を測定者の技量によらず容易かつ安定的に形成することができる。 Therefore, higher order nanostructures that can obtain high detection sensitivity without requiring special steps can be formed on a predetermined region. Moreover, since dielectrophoresis can be easily controlled according to the frequency of the voltage applied to the pair of electrodes 7, the high-order nano structure by the nanoshell structure 1 can be easily and stably formed regardless of the skill of the measurer. it can.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various improvement, change, and correction are possible within the range which does not deviate from the meaning.
例えば、上記実施形態においては、一対の電極７として互いに同心円となる円形電極構造を有する構成について説明したが、これに限られない。例えば、一対の電極７は櫛歯電極構造を有していてもよい。図７は一対の電極の他の構成例を示す平面図である。図７に示す例において、一対の電極７のそれぞれは、幹電極部１１と、幹電極部１１から延び、それぞれが互いに平行な複数の枝電極部１２と、を含む櫛歯電極構造を有している。一対の電極７のうちの一方の電極における複数の枝電極部１２が、他方の電極における複数の枝電極部１２間に配置される。一対の電極７として上記のような櫛歯電極構造を採用することにより、ナノシェル構造体１をより安定的に電極上または周囲に凝集させることができる。枝電極部１２の幅は例えば５０〜１５０μｍである。 For example, in the said embodiment, although the structure which has a circular electrode structure which mutually becomes concentric as a pair of electrodes 7 was demonstrated, it is not restricted to this. For example, the pair of electrodes 7 may have a comb electrode structure. FIG. 7 is a plan view showing another configuration example of the pair of electrodes. In the example shown in FIG. 7, each of the pair of electrodes 7 has a comb electrode structure including a trunk electrode portion 11 and a plurality of branch electrode portions 12 extending from the trunk electrode portion 11 and parallel to each other. ing. The plurality of branch electrode portions 12 in one of the pair of electrodes 7 is disposed between the plurality of branch electrode portions 12 in the other electrode. By adopting the above-described comb electrode structure as the pair of electrodes 7, the nanoshell structure 1 can be more stably aggregated on or around the electrodes. The width of the branch electrode 12 is, for example, 50 to 150 μm.
［実施例］
以下に、電気泳動または誘電泳動と移流集積とによって形成されたナノ構造体２１を備えた表面増強ラマン測定装置５を用いた表面増強ラマン測定の効果についての評価実験の結果を示す。図８は本実施例において測定された表面増強ラマンスペクトルの測定試料の濃度による変化を示すグラフである。
[Example]
Below, the result of the evaluation experiment about the effect of the surface enhanced Raman measurement using the surface enhanced Raman measuring apparatus 5 provided with the nanostructure 21 formed by electrophoresis or dielectrophoresis and advection accumulation is shown. FIG. 8 is a graph showing the change of the surface enhanced Raman spectrum measured in this example with the concentration of the measurement sample.
本実施例におけるナノ構造体２１は、図３に示す電極７（７１，７２）の幅Ｗを１００μｍとし、電極７間に印加する交流電圧の周波数ｆを１ｋＨｚとしたときに、電極７（７１）上に形成されたものである。すなわち、図４（ｂ）に示したのと同様のナノ構造体２１が形成されたものである。なお、本実施例においても、非金属コロイド２３の非金属微粒子であるポリスチレンを除去し、金ナノ粒子のみのナノ構造体２１を形成している。本実施例における測定試料Ｓは、１００μＭの濃度の４ｂｐｙおよび１００ｎＭの濃度の４ｂｐｙを用いた。併せて測定試料Ｓがない場合（超純水のみの場合）の表面増強ラマンスペクトルの測定も行った。 When the width W of the electrode 7 (71, 72) shown in FIG. 3 is 100 μm, and the frequency f of the AC voltage applied between the electrodes 7 is 1 kHz, the nano structure 21 in this example is the electrode 7 (71 A) formed on the That is, the same nanostructure 21 as shown in FIG. 4 (b) is formed. Also in this example, polystyrene, which is the nonmetal fine particles of the nonmetal colloid 23, is removed to form the nano structure 21 of only gold nanoparticles. The measurement sample S in the present example used 4bpy at a concentration of 100 μM and 4bpy at a concentration of 100 nM. At the same time, measurement of the surface enhanced Raman spectrum was also performed when there was no measurement sample S (in the case of only ultrapure water).
図８に示すように、４ｂｐｙに由来する１６００ｃｍ−１の表面増強ラマンスペクトルは、検体濃度が１００ｎＭであっても確認できている。測定試料Ｓが存在しない場合のラマン強度はノイズとみなせるので、１００ｎＭの測定試料Ｓであっても、当該ノイズとは十分判別可能な強度を検出することができ、測定試料Ｓが４ｂｐｙであることを十分に同定可能と言える。 As shown in FIG. 8, the surface enhanced Raman spectrum of 1600 cm −1 derived from 4bpy can be confirmed even when the analyte concentration is 100 nM. Since the Raman intensity in the absence of the measurement sample S can be regarded as noise, even with 100 nM of the measurement sample S, an intensity sufficiently distinguishable from the noise can be detected, and the measurement sample S is 4bpy. Can be identified sufficiently.
以上より、本実施例の測定装置において、測定試料Ｓにおける検出物が非常に低い濃度であっても、表面増強ラマンスペクトルを計測することが可能であることが示された。したがって、本実施例の測定装置において表面増強ラマンスペクトルを高感度に測定できることが示される結果となった。 From the above, it was shown that it is possible to measure the surface enhanced Raman spectrum in the measurement apparatus of the present embodiment even if the detected substance in the measurement sample S has a very low concentration. Accordingly, it was shown that it is possible to measure the surface enhanced Raman spectrum with high sensitivity in the measurement apparatus of this example.
本発明の表面増強ラマン測定方法および表面増強ラマン測定装置は、高次ナノ構造を容易に形成し、かつ、高い検出感度を得るために有用である。 The surface-enhanced Raman measurement method and the surface-enhanced Raman measurement device of the present invention are useful for easily forming high-order nanostructures and obtaining high detection sensitivity.
１ ナノシェル構造体
２ 非金属微粒子
３ 貴金属ナノ粒子
５ 表面増強ラマン測定装置
６ 収容部
７，７１，７２ 電極
８ 光照射部
９ 測定部
１０ 電圧印加部
１１ 制御部
２１ ナノ構造体
２２ 貴金属コロイド
２３ 非金属コロイド
２４ 混合溶液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 nanoshell structure 2 nonmetal fine particle 3 noble metal nanoparticle 5 surface-enhanced Raman measurement apparatus 6 accommodation part 7, 71, 72 electrode 8 light irradiation part 9 measurement part 10 voltage application part 11 control part 21 nanostructure 22 noble metal colloid 23 non Metal colloid 24 mixed solution
Claims (6)
貴金属コロイドおよび非金属コロイドを混合した混合溶液を作製するステップと、
前記基板および前記一対の電極上に前記混合溶液を滴下し、前記一対の電極間に周期的に変化する所定の電圧を印加して前記混合溶液に含まれる粒子を電気泳動または誘電泳動させながら、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極上または周囲において前記混合溶液を移流集積させて、前記電極上または周囲において前記貴金属コロイドに含まれる貴金属ナノ粒子を含むナノ構造体を形成させるステップと、
前記電極上または周囲において形成された前記ナノ構造体に測定試料を含む溶液を含浸させて前記測定試料の表面増強ラマンスペクトルを測定するステップと、
前記周期的に変化する電圧の周波数および前記一対の電極の幅のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記電極上または周囲において前記ナノ構造体が形成される位置を変化させるステップと、を含む、表面増強ラマン測定方法。 Placing a pair of electrodes on a substrate;
A step of preparing a mixed solution of a noble metal colloid and non-metallic colloids,
The mixed solution is dropped on the substrate and the pair of electrodes, and a predetermined voltage which changes periodically is applied between the pair of electrodes to cause particles contained in the mixed solution to be electrophoresed or dielectrophoresed. wherein at least one of the electrodes on or around one of the pair of electrodes of the mixed solution was flow-mediated aggregate, comprising the steps of Ru to form a nanostructure comprising a noble metal nanoparticles contained in said precious metal colloid in the electrode on or around ,
Impregnating the nano structure formed on or around the electrode with a solution containing a measurement sample to measure a surface-enhanced Raman spectrum of the measurement sample ;
V. changing the position where the nano structure is formed on or around the electrodes by changing at least one of the frequency of the periodically changing voltage and the width of the pair of electrodes , Surface-enhanced Raman measurement method.
前記電極上または周囲において形成された前記ナノ構造体に測定試料を含む溶液を含浸させる際に、前記ナノシェル構造体と測定試料とを、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の前記電極上または周囲において前記ナノ構造体が形成された前記一対の電極間に周期的に変化する電圧を印加して誘電泳動させることにより、前記ナノ構造体内およびその周囲に前記ナノシェル構造体および前記測定試料の混合物を凝集させ、
凝集した前記混合物の表面増強ラマンスペクトルを測定する、請求項１から４の何れかに記載の表面増強ラマン測定方法。 Separately from the above nanostructures , nanoshell structures in which nonmetallic particles are coated with precious metal nanoparticles are produced,
When the nanostructure formed on or around the electrode is impregnated with a solution containing a measurement sample, the nanoshell structure and the measurement sample are placed on or around the electrode of at least one of the pair of electrodes. by dielectrophoresis by applying a periodically changing voltage between the nanostructures formed the pair of electrodes in, the nano structure and mixtures of the nanoshell structures and the sample around its Flocculate,
The surface enhanced Raman measurement method according to any one of claims 1 to 4 , wherein a surface enhanced Raman spectrum of the aggregated mixture is measured.
前記収容部内に配設された一対の電極と、
前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極上または周囲に形成された貴金属ナノ粒子を含むナノ構造体と、
前記ナノ構造体の形成領域に所定の光を照射する光照射部と、
前記ナノ構造体の形成領域で生じる表面増強ラマンスペクトルを測定する測定部と、
前記一対の電極間に周期的に変化する所定の電圧を印加する電圧印加部と、を備え、
前記ナノ構造体は、前記収容部に前記貴金属ナノ粒子が含まれる貴金属コロイドおよび非金属コロイドを混合した混合溶液を滴下した状態で、前記電圧印加部により前記一対の電極間に所定の電圧を印加して前記混合溶液に含まれる粒子を電気泳動または誘電泳動させながら、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極上または周囲において前記混合溶液を移流集積させて形成されたものであり、
前記電圧印加部は、前記周期的に変化する電圧の周波数および前記一対の電極の幅のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記電極上または周囲において前記ナノ構造体が形成される位置を変更可能に構成される、表面増強ラマン測定装置。 A container for containing the measurement sample;
A pair of electrodes disposed in the housing portion;
A nanostructure comprising noble metal nanoparticles formed on or around at least one of the pair of electrodes;
A light irradiation unit that irradiates a predetermined light to the formation region of the nano structure;
A measurement unit configured to measure a surface enhanced Raman spectrum generated in a formation region of the nano structure;
A voltage application unit that applies a predetermined voltage that changes periodically between the pair of electrodes;
In the nano structure, a predetermined voltage is applied between the pair of electrodes by the voltage application unit in a state in which a mixed solution of a noble metal colloid and a non-metal colloid containing the noble metal nanoparticles is dropped into the accommodation portion. while electrophoresis or dielectrophoresis particles contained in the mixed solution is state, and are not the mixed solution was formed by flow-mediated aggregate on or around at least one electrode of the pair of electrodes,
The voltage application unit changes the position at which the nano structure is formed on or around the electrode by changing at least one of the frequency of the periodically changing voltage and the width of the pair of electrodes. capable Ru configured, surface enhanced Raman measuring apparatus.
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