JP6549598B2 - Photoelectric field enhancement device for carbon dioxide gas sensing - Google Patents
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Description
本発明は、炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスに関し、特に微量の炭酸ガスを検出可能な高感度の光電場増強デバイスに関する。 The present invention relates to an optical electric field enhancement device for carbon dioxide gas sensing, and more particularly to a high sensitivity optical electric field enhancement device capable of detecting a trace amount of carbon dioxide gas.
炭酸ガス(CO2)などのガス検出方法の一つに、ラマン分光法が挙げられる。例えば、特許文献1には、ラマン分光法を利用したガスセンシング装置として、観測対象ガスが充填されたガスセルにレーザ光を照射し、ガスセルからのラマン散乱光を検出して、ガスセル内の特定ガスの濃度を取得可能とした光学式ガスセンサが開示されている。One of the gas detection methods such as carbon dioxide (CO 2), include Raman spectroscopy. For example, in Patent Document 1, as a gas sensing device using Raman spectroscopy, a gas cell filled with an observation target gas is irradiated with laser light, Raman scattered light from the gas cell is detected, and a specific gas in the gas cell is detected. Discloses an optical gas sensor capable of obtaining the concentration of
ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル(ラマンスペクトル)を得る方法であり、物質の同定等に利用されている。 Raman spectroscopy is a method of obtaining a spectrum (Raman spectrum) of Raman scattered light by dispersing scattered light obtained by irradiating a substance with single wavelength light to obtain a spectrum of Raman scattered light, and is used for identification of a substance and the like.
また、微弱なラマン散乱光を増強するために、表面増強ラマン(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)と呼ばれる、局在プラズモン共鳴によって増強された光電場を利用したラマン分光法が知られている。これは、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に試料を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による光電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるという原理を利用するものである。表面増強ラマン分光法は、被検体を担持する担体(基板)として、表面に金属凹凸構造を備えた基板(光電場増強デバイス)を用いることにより実施することができる。 Also, in order to enhance weak Raman scattering light, Raman spectroscopy using an optical electric field enhanced by localized plasmon resonance, which is called surface enhanced Raman scattering (SERS), is known. This is because, when light is irradiated in a state in which the sample is in contact with a metal body, particularly a metal body having irregularities of nano order on the surface, optical electric field enhancement occurs by localized plasmon resonance, and Raman of the sample in contact with the metal body surface It utilizes the principle that the scattered light intensity is enhanced. Surface enhanced Raman spectroscopy can be implemented by using a substrate (optical electric field enhanced device) provided with a metal concavo-convex structure on the surface as a carrier (substrate) for supporting an analyte.
そして、より効果的に光電場増強を生じさせる光電場増強デバイスとして、透明基板上にベーマイトからなる微細凹凸構造を設け、その微細凹凸構造上に金属膜を成膜することにより金属微細構造を表面に備えたもの等も提案されている(特許文献2参照)。 Then, as an optical electric field enhancing device that more effectively generates optical electric field enhancement, a fine uneven structure made of boehmite is provided on a transparent substrate, and a metal fine film is formed on the fine uneven structure by depositing a metal film. And the like have been proposed (see Patent Document 2).
また、特許文献3には増強ラマン分光法を用いた、極微量濃度の気体分子の定量検出の手法が提案されている。気体分子を定量検出する場合に生じるブリンキング現象を低減して、定量検出精度を向上させるため、所定の計測時間内に出力されるラマン信号の総和を計測時間で除して平均値を求める方法が提案されている。 In addition, Patent Document 3 proposes a method for quantitative detection of gas molecules of extremely small concentration using enhanced Raman spectroscopy. A method of calculating the average value by dividing the sum of Raman signals output within a predetermined measurement time by the measurement time in order to reduce the blinking phenomenon that occurs when the gas molecules are quantitatively detected and to improve the quantitative detection accuracy. Has been proposed.
他方、特許文献4には、光電場増強デバイスの金属表面に標的分子を吸着して検出感度を向上させる方法として、少なくとも2種類の自己組織化単分子層を形成して、標的分子の補足空間を制御する方法が開示されている。 On the other hand, Patent Document 4 discloses that at least two types of self-assembled monolayers are formed as a method of adsorbing a target molecule on the metal surface of an optical electric field enhancement device to improve detection sensitivity, and a space for capturing the target molecule. A method of controlling the
近年、増強ラマン分光法は細胞からの代謝物の検出への適用が検討されている。しかしながら、増強ラマン分光法を用いて、細胞から代謝物として生成される極わずかな炭酸ガスを測定しようとしても、炭酸ガスのラマン散乱断面積が小さいこと、および金属基板との親和性が小さいことなどから、検出が困難であり、そもそもそのような極微量な炭酸ガスを測定することについて十分な検討がなされてこなかった。特許文献2〜4にも検査対象として炭酸ガスは挙げられておらず、炭酸ガスへの適用について言及されていない。 In recent years, enhanced Raman spectroscopy has been considered for application to the detection of metabolites from cells. However, even if it is going to measure a very slight amount of carbon dioxide gas produced as a metabolite from cells using enhanced Raman spectroscopy, the Raman scattering cross section of carbon dioxide gas is small, and the affinity with a metal substrate is small. As a result, it is difficult to detect, and no adequate study has been made on measuring such a very small amount of carbon dioxide gas in the first place. Also in Patent Documents 2 to 4, carbon dioxide is not mentioned as an inspection object, and application to carbon dioxide is not mentioned.
特許文献1では、基板を用いずに、ガスを充満させたセルにレーザー光を照射してラマン散乱光を集光しているため、この方法では、装置構成が非常に複雑になってしまうばかりか、サンプルから排出される炭酸ガスの検出は不可能な構成となっている。 In Patent Document 1, since the cell filled with gas is irradiated with laser light to collect Raman scattered light without using a substrate, this method only complicates the apparatus configuration very much. It is impossible to detect carbon dioxide gas discharged from the sample.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、細胞から代謝物として生成される極わずかな炭酸ガスをS/Nよく検出可能な炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide an optical electric field enhancing device for carbon dioxide gas sensing which can detect very little carbon dioxide gas produced as a metabolite from cells S / N well. With the goal.
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは、励起光の照射により表面に局在プラズモンが誘起され、表面に増強された光電場を生じさせる光電場増強デバイスであって、
表面に微細凹凸構造を備えてなる透明基板と、透明な微細凹凸構造の表面に設けられた金属からなる金属微細凹凸構造層とを備え、
金属微細凹凸構造層の少なくとも10nm以下の距離で隣接する凸部間の領域に、アミノ基を有する、分子長が5nm以下の分子を吸着若しくは結合してなる。The optical electric field enhancement device for carbon dioxide gas sensing of the present invention is an optical electric field enhancement device in which localized plasmons are induced on the surface by irradiation of excitation light to generate an enhanced optical electric field on the surface,
A transparent substrate having a microrelief structure on the surface, and a metal microrelief structure layer made of metal provided on the surface of the transparent microrelief structure,
It is formed by adsorbing or binding a molecule having an amino group and having a molecular length of 5 nm or less in a region between convex portions adjacent to each other at a distance of at least 10 nm or less of the metal fine uneven structure layer.
ここで、吸着は物理的な吸着を、結合は化学的な結合を意味する。
分子長が5nm以下とは、分子が直鎖型の分子である場合は、その直鎖が5nm以下であることを意味し、分子が分枝を有する場合は、金属と吸着もしくは結合する末端から最も遠いアミノ基までの長さが5nm以下であることを意味し、分子が球状の分子である場合には、その直径が5nm以下であることを意味する。
なお、ここで分子長とは、構造式から理論的に導いた値(計算値)とする。詳細な計算方法は後記の実施例の項で説明する。Here, adsorption means physical adsorption and bonding means chemical bonding.
When the molecule length is 5 nm or less, when the molecule is a linear molecule, it means that the straight chain is 5 nm or less, and when the molecule has a branch, from the end that adsorbs or binds to the metal It means that the length to the farthest amino group is 5 nm or less, and when the molecule is a spherical molecule, it means that its diameter is 5 nm or less.
Here, the molecular length is a value (calculated value) theoretically derived from the structural formula. Detailed calculation methods will be described in the section of Examples described later.
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは、アミノ基を有する分子を下記構造式からなるものとすることができる。
上記構造式からなるアミノ基を有する分子が自己組織化膜として凸部間の領域に結合されてなる場合、分子長が2nm以下であることが好ましく、分子長が1nm以下であることがさらに好ましい。 When a molecule having an amino group consisting of the above structural formula is bound to a region between convex portions as a self-assembled film, the molecular length is preferably 2 nm or less, and more preferably 1 nm or less .
アミノ基を有する分子はジスルフィドであってもよい。 The molecule having an amino group may be a disulfide.
さらには、アミノ基を有する分子はデンドリマーであってもよい。 Furthermore, the molecule having an amino group may be a dendrimer.
デンドリマーの分子量は、500以上、15000以下であることが好ましい。 The molecular weight of the dendrimer is preferably 500 or more and 15,000 or less.
金属が、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)およびプラチナ(Pt)のいずれかであることが好ましく、金または銀であることが特に好ましい。 The metal is preferably any of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al) and platinum (Pt), and particularly preferably gold or silver.
微細凹凸構造が、バイヤーライトまたはベーマイトからなるものであることが好ましい。 It is preferable that the fine concavo-convex structure is made of Bayerite or boehmite.
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは金属微細凹凸構造の10nm以下の距離で隣接する凸部間の領域に、アミノ基を有する、分子長が5nm以下の分子が吸着若しくは結合されており、炭酸ガスはアミノ基と結合し易いため、デバイス上に炭酸ガスを留めることができるので、微量の炭酸ガスを効率的に検出することができる。 In the optical electric field enhancing device for sensing carbon dioxide gas of the present invention, a molecule having an amino group and having a molecular length of 5 nm or less is adsorbed or bonded to a region between convex portions adjacent to a metal microrelief structure at a distance of 10 nm or less. Since carbon dioxide gas easily bonds to amino groups, carbon dioxide gas can be retained on the device, so trace amounts of carbon dioxide gas can be detected efficiently.
以下、図面を参照して本発明の光電場増強デバイスの実施形態について説明する。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。 Hereinafter, embodiments of the photoelectric field enhancement device of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in order to make it easy to visually recognize, the scale of each component in the drawings and the like are appropriately changed from the actual ones.
図1Aは、本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスの実施形態に係る光電場増強基板1を示す斜視図であり、図1Bは、図1Aに示した光電場増強基板1の側面の一部IBの拡大図である。 FIG. 1A is a perspective view showing an optical electric field enhancing substrate 1 according to an embodiment of the photoelectric field enhancing device for carbon dioxide gas sensing of the present invention, and FIG. 1B is a side view of the optical electric field enhancing substrate 1 shown in FIG. It is a partially enlarged view of IB.
図1Aおよび図1Bに示すように、光電場増強基板1は、表面に微細凹凸構造を備えた透明基板10と、その微細凹凸構造の表面に形成された金属微細凹凸構造層24とからなり、金属微細凹凸構造層24に照射された光(以下において、励起光とする。)により、局在プラズモン共鳴が誘起され、この局在プラズモン共鳴により金属微細凹凸構造層24の表面に増強された光電場を生じさせるものである。そして、金属微細凹凸構造層24表面の少なくとも10nm以下の間隔の凸部間の領域に、アミノ基を有する、分子長が5nm以下の分子30が吸着若しくは結合されている。分子長は0.4nm以上であることが好ましく、さらには4.4nm以下であることが好ましい。さらには、2.0nm以下であることがより好ましく、1.0nm以下であることが最も好ましい。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the optical electric field enhancing substrate 1 comprises a transparent substrate 10 having a fine concavo-convex structure on the surface, and a metal fine concavo-convex structure layer 24 formed on the surface of the fine concavo-convex structure. Localized plasmon resonance is induced by light (hereinafter referred to as excitation light) irradiated to the metal microrelief structure layer 24, and photoelectricity enhanced on the surface of the metal microrelief structure layer 24 by the localized plasmon resonance It is what gives rise to a place. The molecule 30 having an amino group and having a molecular length of 5 nm or less is adsorbed or bonded to the region between the convex portions at a distance of at least 10 nm or less on the surface of the metal microrelief structure layer 24. The molecular length is preferably 0.4 nm or more, and more preferably 4.4 nm or less. Furthermore, the thickness is more preferably 2.0 nm or less, and most preferably 1.0 nm or less.
アミノ基は炭酸ガスと下記反応式で示されるように容易に結合する。
炭酸ガスは、金属に対しては親和性が低く、金属表面に吸着したり、結合したりすることはないが、本光電場増強基板の金属微細凹凸構造層24表面はアミノ基を有する分子により表面修飾されているため、炭酸ガスが基板表面のアミノ基と結合して基板表面にとどまるため、炭酸ガスの検出感度を大幅に向上させることができる。 Carbon dioxide has a low affinity for metals and does not adsorb or bind to metal surfaces, but the surface of metal microrelief structure layer 24 of the present photoelectric field enhanced substrate is a molecule having an amino group. Since the carbon dioxide gas is surface-modified and carbon dioxide bonds with the amino groups on the substrate surface and remains on the substrate surface, the detection sensitivity of carbon dioxide gas can be significantly improved.
アミノ基を有する分子30としては、具体的には、下記構造式で示されるものが挙げられる。
また、上記構造式中のアルキル鎖の長さとしては、nが2≦n≦10である。nが2以上であれば、良好な表面修飾が可能となり、nが10以下であれば分子長を5nm以下とすることができる。Specific examples of the molecule 30 having an amino group include those represented by the following structural formula.
Moreover, as an alkyl chain length in the above structural formula, n is 2 ≦ n ≦ 10. When n is 2 or more, good surface modification is possible, and when n is 10 or less, the molecular length can be 5 nm or less.
上記構造式を満たす具体的な分子種としては、2−アミノエタンチオール、2−ジメチルアミノエタンチオール、6−アミノ−1−ヘキサンチオール、8−アミノ−1−オクタンチオール、3−アミノ-1−プロパンチオール、3−アミノ-1−プロパンチオール塩酸塩、4−アミノ-1−プロパンチオール、7−アミノヘプタンチオール、8−アミノオクタンチオール、8−アミノオクタンチオール塩酸塩など挙げられる。 Specific molecular species satisfying the above structural formula include 2-aminoethanethiol, 2-dimethylaminoethanethiol, 6-amino-1-hexanethiol, 8-amino-1-octanethiol, 3-amino-1- Propanethiol, 3-amino-1-propanethiol hydrochloride, 4-amino-1-propanethiol, 7-aminoheptanethiol, 8-aminooctanethiol, 8-aminooctanethiol hydrochloride and the like.
上記構造式のアミノ基を有する分子30において、AがSHであるとき、SH基は金属微細凹凸構造層を構成する金属と結合して表面修飾されることとなる。一方、AがNH2であるとき、NH2基は金属との親和性が高いため、NH2基の金属微細凹凸構造層表面への吸着による表面修飾がなされることとなる。なお、上記構造式の分子は自己組織化単分子膜として金属微細凹凸構造表面に修飾される。
なお、SH基は、金、銀に特に高い結合性を示すので、化学結合による表面修飾を行う場合には、金属微細凹凸構造層を構成する金属として、金、銀が特に好ましい。In the molecule 30 having an amino group of the above structural formula, when A is SH, the SH group is bonded to the metal constituting the metal microrelief structure layer to be surface-modified. On the other hand, when A is NH 2 , since the NH 2 group has high affinity to metal, surface modification is carried out by adsorption of the NH 2 group onto the surface of the metal microrelief structure layer. The molecule of the above structural formula is modified on the surface of the metal microrelief structure as a self-assembled monolayer.
In addition, since the SH group exhibits a particularly high bondability to gold and silver, gold and silver are particularly preferable as the metal constituting the metal microrelief structure layer when performing surface modification by chemical bonding.
また、アミノ基を有する分子はジスルフィドであってもよい。 Also, the molecule having an amino group may be a disulfide.
さらに、アミノ基を有する分子30はデンドリマーであってもよい。
例えば、ポリアミドアミンデンドリマーの世代0〜4のものを用いることができ、具体的には、C22H48N10O4、C62H128N26O12、C142H288N58O28、C302H608N122O60、C622H1248N250O124などの分子式で表されるデンドリマーが挙げられる。
デンドリマーの重量平均分子量は、500〜15000であることが好ましい。重量平均分子量が500以上であれば、良好な表面修飾が可能となり、15000以下であれば分子長(直径)を5nm以下とすることができる。ここで、重量平均分子量は計算値である。Furthermore, the molecule 30 having an amino group may be a dendrimer.
For example, generation 0 to 4 of polyamidoamine dendrimers can be used, and specifically, C 22 H 48 N 10 O 4 , C 62 H 128 N 26 O 12 , C 142 H 288 N 58 O 28 , Dendrimers represented by molecular formulas such as C 302 H 608 N 122 O 60 and C 622 H 1248 N 250 O 124 can be mentioned.
The weight average molecular weight of the dendrimer is preferably 500 to 15,000. If the weight average molecular weight is 500 or more, good surface modification is possible, and if it is 15000 or less, the molecular length (diameter) can be 5 nm or less. Here, the weight average molecular weight is a calculated value.
本実施形態において、金属微細凹凸構造層24は、図1Bに示すように、微細凹凸構造層22の凸部の先端部に形成された多数の平板状の金属粒子からなる金属微細構造から構成されるものである。この平板状の金属粒子からなる金属微細構造は、微細凹凸構造層22が形成された基板平面の垂直方向に対して斜め方向から金属を蒸着することによって形成されたものである。平板状の金属粒子の形状はさまざまであるが、平均厚さに対する平均長さのアスペクト比(平均長さ/平均厚さ)が2以上であることが望ましい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1B, the metal micro-relief structure layer 24 is formed of a metal micro-structure composed of a large number of flat metal particles formed at the tip of the convex portion of the micro-relief structure layer 22. It is The metal fine structure composed of flat metal particles is formed by vapor deposition of metal from a direction oblique to the direction perpendicular to the plane of the substrate on which the fine concavo-convex structure layer 22 is formed. Although the shape of the tabular metal particles varies, it is desirable that the aspect ratio (average length / average thickness) of the average length to the average thickness is 2 or more.
また、平板状の金属粒子は、それぞれ孤立して形成されたものであり、平板状の金属粒子同士の間には隙間が設けられている。したがって、本実施形態においては、金属微細凹凸構造層24全体としては、導電性をもたず絶縁された状態となっている。 Further, the flat metal particles are formed separately, and a gap is provided between the flat metal particles. Therefore, in the present embodiment, the metal fine uneven structure layer 24 as a whole is in a state of being not conductive and insulated.
金属微細凹凸構造層24は、図1Bに示す平板状の金属粒子からなる形態に限るものではなく、凹凸の凸部の基板に垂直な方向の長さおよび基板に水平な方向の長さの少なくとも一方が励起光の波長より短いものとなる程度の微細な凹凸構造であり、金属微細凹凸構造層24の表面に局在プラズモンを生じうるものであればよい。全体として金属凹凸構造等は繋がって導電性を有するものとなっていてもよい。
金属微細凹凸構造層の隣接凸部(隣接金属粒子25)同士の間隔(ギャップ)Gが10nm以下で近接している場合、光の照射によりこの凸部間の隙間においてホットスポットと呼ばれる非常に強い光電場増強場が生成されるため、隣接凸部間の距離が10nm以下の箇所が多数存在することが好ましい。
なお、隣接凸部同士は部分的に接触していてもよい。The metal fine uneven structure layer 24 is not limited to the form of flat metal particles shown in FIG. 1B, and at least the length in the direction perpendicular to the substrate and the length in the direction horizontal to the substrate It is fine as long as it has a fine uneven structure which has a length shorter than the wavelength of excitation light, and it can be any one that can generate localized plasmons on the surface of the metal fine uneven structure layer 24. The metal concavo-convex structure etc. may be connected as a whole and have conductivity.
When the gap (gap) G between adjacent convex parts (adjacent metal particles 25) of the metal fine concavo-convex structure layer is 10 nm or less, the space between the convex parts is very strong called a hot spot by light irradiation. Since an optical electric field enhancement field is generated, it is preferable that a large number of places have a distance of 10 nm or less between adjacent convex portions.
The adjacent convex portions may be in partial contact with each other.
そして、このホットスポットに検出対象物が存在するとき、検出対象物からのラマン信号を効果的に増強することができる。そのため、本発明においては金属微細凹凸構造層24のホットスポットを構成する10nm以下で隣り合う凸部間に、上述のアミノ基を有する分子による表面修飾がされている。既述の通り、ホットスポットは凸部間が10nm以下で近接する領域に形成されるが、後述の製造方法により作製されるデバイスにおいて、金属微粒子の間隔は一様ではない。すなわち、デバイス中においてホットスポットを構成するギャップは、10nmのものもあれば数nm程度のものも同時に存在する。分子長が10nm以下であれば10nmのギャップには修飾可能であるが、分子長より小さいギャップへは良好な修飾ができない。ホットスポットを構成する多数のギャップのうち、CO2検出感度を十分に向上することができる程度に多くのギャップに対してアミノ基を有する分子を修飾するために、その分子長は5nm以下であることを要する。分子量が5nm以下であれば、5nm以上のギャップに対して表面修飾が可能となり、ホットスポットへのCO2吸着の効果を得ることができる。また、分子長は0.4nm以上であることが好ましい。0.4nm以上であれば、良好な表面修飾が可能となる。Then, when an object to be detected is present at this hot spot, the Raman signal from the object to be detected can be effectively enhanced. Therefore, in the present invention, the surface modification with the above-mentioned molecule having an amino group is performed between the convex portions adjacent to each other at 10 nm or less which constitute the hot spot of the metal fine uneven structure layer 24. As described above, the hot spots are formed in the area where the convex portions are close to each other at 10 nm or less, but in the device manufactured by the manufacturing method described later, the intervals of the metal fine particles are not uniform. That is, the gap constituting the hot spot in the device may be 10 nm or several nm at the same time. If the molecular length is 10 nm or less, it can be modified to a gap of 10 nm, but a gap smaller than the molecular length can not be well modified. The molecular length is 5 nm or less in order to modify a molecule having an amino group for so many gaps that can sufficiently improve the CO 2 detection sensitivity among many gaps constituting the hot spot I need to If the molecular weight is 5 nm or less, surface modification can be performed on a gap of 5 nm or more, and the effect of CO 2 adsorption on a hot spot can be obtained. The molecular length is preferably 0.4 nm or more. If it is 0.4 nm or more, good surface modification is possible.
なお、アミノ基を有する分子が自己組織化単分子膜として金属微細凹凸構造層24を構成する微粒子25に修飾されている場合には、ホットスポットを構成する2つの微粒子の両者に修飾されていることが必要である。10nm以下で近接する2つの微粒子の両者に良好に(ホットスポットを構成する多数のギャップのうち、CO2検出感度を十分に向上することができる程度に)修飾するためには、修飾される自己組織化単分子膜の分子長は2.5nm未満であることが好ましく、2nm以下、さらに1nm以下であることがより好ましい。他方、アミノ基を有する分子がデンドリマーである場合には、ホットスポットを構成する2つの微粒子のいずれか一方に修飾されていれば、十分効果を得ることができ、この場合には、デンドリマーの直径は5nm以下であればよい。デンドリマーの直径は、4.4nm以下、さらには、2nm以下であることが好ましい。In addition, when the molecule | numerator which has an amino group is modified by the microparticles | fine-particles 25 which comprise the metal fine concavo-convex structure layer 24 as a self-assembled monolayer, it is modified by both of two microparticles | fine-particles which comprise a hot spot. It is necessary. In order to modify well to both of two particles close to 10 nm or less (to the extent that the CO 2 detection sensitivity can be sufficiently improved among the many gaps constituting the hot spot), the modified self The molecular length of the organized monolayer is preferably less than 2.5 nm, more preferably 2 nm or less, and even more preferably 1 nm or less. On the other hand, in the case where the molecule having an amino group is a dendrimer, sufficient effect can be obtained if it is modified to one of the two microparticles constituting the hot spot, in this case the diameter of the dendrimer Should be 5 nm or less. The diameter of the dendrimer is preferably 4.4 nm or less, more preferably 2 nm or less.
また、本実施形態の金属微細凹凸構造層24は、その凸部が透明基板10の微細凹凸構造の凸部先端から粒状に伸びるように形成されており、粒状であれば表面積が大きくなることから、金属表面に付着する被検体数を増加させることができ、検出光の増加に繋がるため好ましい。 Further, the metal fine concavo-convex structure layer 24 of the present embodiment is formed so that the convex part thereof extends granularly from the tip of the convex part of the fine concavo-convex structure of the transparent substrate 10, and the surface area becomes large if granular. The number of analytes attached to the metal surface can be increased, which is preferable because it leads to an increase in detection light.
金属微細凹凸構造層24を構成する金属は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる金属であればよいが、例えば、Au、Ag、Cu、Al、Pt、またはこれらを主成分とする合金である。特には、AuあるいはAgが好ましい。ここで、主成分とは全成分の8割以上を占める成分とする。 The metal constituting the metal microrelief structure layer 24 may be any metal capable of generating localized plasmons upon irradiation with excitation light, and for example, Au, Ag, Cu, Al, Pt, or a main component thereof Alloy. In particular, Au or Ag is preferred. Here, the main component is a component that occupies 80% or more of all components.
本実施の形態においては、透明基板10はガラス等からなる透明基板本体11と、透明基板本体11の表面に備えられた微細凹凸構造を構成する、透明基板本体11とは異なる物質からなる透明な微細凹凸構造層22とからなるものとしている。微細凹凸構造層22はベーマイト層であることが好ましいが、微細凹凸構造層22は、ベーマイト以外に、バイヤーライトからなるものであってもよい。また、他の金属の水酸化物また金属酸化物の水酸化物から構成されていてもよい。 In the present embodiment, the transparent substrate 10 is a transparent substrate main body 11 made of glass or the like, and a transparent concavoconvex structure which is provided on the surface of the transparent substrate main body 11 and which is different from the transparent substrate main body 11. It consists of the fine uneven structure layer 22. The fine uneven structure layer 22 is preferably a boehmite layer, but the fine uneven structure layer 22 may be made of Bayerite other than boehmite. Also, it may be composed of hydroxides of other metals or hydroxides of metal oxides.
また、微細凹凸構造は透明基板本体と異なる物質により構成されたもののみならず、透明基板本体の表面を加工することにより基板本体と同一の物質により構成されていてもよい。例えば、ガラス基板の表面をリソグラフィー、イオンビームリソグラフィーおよびナノインプリントのいずれかとドライエッチング処理することにより、表面に微細凹凸構造を形成したものを透明基板として用いてもよい。 Further, the fine concavo-convex structure may be made of the same substance as the substrate main body by processing the surface of the transparent substrate main body, as well as the one made of the substance different from the transparent substrate main body. For example, the surface of a glass substrate may be subjected to dry etching with any of lithography, ion beam lithography, and nanoimprinting to form a fine uneven structure on the surface, which may be used as a transparent substrate.
なお、形成方法が容易であることから、微細凹凸構造はベーマイト層22により構成することが最も好ましい。 In addition, it is most preferable to comprise the fine concavo-convex structure by the boehmite layer 22 from the formation method being easy.
ベーマイト層などの金属の水酸化物または金属酸化物の水酸化物からなる透明な微細凹凸構造は、図1Bに示すように、大きさ(頂角の大きさ)や向きはさまざまであるが概ね鋸歯状の断面を有している。この微細凹凸構造は、この上に金属微細凹凸構造層24が形成可能なものであればよいが、凸部間の距離および深さが概ね励起光の波長以下とする。なおここで、微細凹凸構造において、凸部間距離は凹部を隔てた最隣接凸部の頂点同士の距離であり、深さは凸部頂点から隣接する凹部の底部までの距離である。なお、凸部間距離および深さは、走査型電子顕微鏡画像から画像処理により求めることができる。 As shown in FIG. 1B, a transparent fine uneven structure made of metal hydroxide or metal oxide hydroxide such as a boehmite layer generally has various sizes (apex angles) and directions, although it has various shapes. It has a sawtooth cross section. This fine concavo-convex structure may be any one on which the fine metal concavo-convex structure layer 24 can be formed, but the distance between the convex parts and the depth are generally less than the wavelength of the excitation light. Here, in the fine concavo-convex structure, the distance between the projections is the distance between the apexes of the nearest adjacent projections separated by the depressions, and the depth is the distance from the apex of the projections to the bottom of the adjacent depressions. The distance between the convex portions and the depth can be determined by image processing from a scanning electron microscope image.
図2を用いて、本実施形態に係る光電場増強基板1の作製方法について説明する。 A method of manufacturing the photoelectric field enhanced substrate 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
板状の透明基板本体11を用意し、透明基板本体11をアセトンおよびメタノールで洗浄する。その後、基板本体11の表面にスパッタ法によりアルミニウム20を数十nm程度成膜する。 A plate-like transparent substrate main body 11 is prepared, and the transparent substrate main body 11 is washed with acetone and methanol. Thereafter, aluminum 20 is deposited to a thickness of about several tens of nm on the surface of the substrate body 11 by sputtering.
その後、沸騰させた純水の中に、アルミニウム20付き透明基板本体11を浸水させ、数分(5分程度)後に取り出す。この煮沸処理(ベーマイト処理)により、アルミニウム20は透明化し、微細凹凸構造を構成するベーマイト層22となる。図3にベーマイト層の上面の走査型電子顕微鏡画像を示す。ベーマイト層は、図3に示すように大きさ(頂角の大きさ)や向きが様々な先端の細い花弁(先細り形状の花弁)状の構造体がランダムに配列されたものである。ここで、微細凹凸構造の各凸部は、基板面から遠ざかるにつれ、基板面に平行な面の微細構造断面積が減少していくような構造である。図3に示すように、ベーマイト層は、花弁構造が接合し、その接合部分を頂点とした構造となっていることがわかる。 Thereafter, the aluminum 20-containing transparent substrate main body 11 is immersed in boiling pure water, and is taken out after several minutes (about 5 minutes). By the boiling treatment (boehmite treatment), the aluminum 20 is made transparent to become the boehmite layer 22 constituting the fine concavo-convex structure. The scanning electron microscope image of the upper surface of the boehmite layer is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the boehmite layer is a structure in which thin petals (petal-shaped petals) having various sizes (apex angles) and directions with various sizes are randomly arranged. Here, each convex portion of the fine concavo-convex structure is a structure in which the microstructure cross-sectional area of the plane parallel to the substrate surface decreases as the distance from the substrate surface increases. As shown in FIG. 3, it can be seen that the boehmite layer has a structure in which a petal structure is joined and the joined portion is at the top.
ベーマイトはこのような先端の細い花弁が接合した構造となっており、基板本体11から遠ざかるにつれベーマイトの断面が減少していき、実効屈折率が連続的に減少していくことから、反射防止膜としても機能するものである。 The boehmite has a structure in which such thin petals at the tip are joined, and the cross section of the boehmite decreases as the distance from the substrate main body 11 decreases, and the effective refractive index decreases continuously. It also functions as
次に、このベーマイト層22上に金属を蒸着することにより、ベーマイト層22上に金属微細凹凸構造層24が生成される。 Next, a metal is deposited on the boehmite layer 22 to form a metal fine uneven structure layer 24 on the boehmite layer 22.
その後、表面修飾処理により、金属微細凹凸構造層24の表面を、アミノ基を有する分子により表面修飾する。例えば、アミノ基を有する分子をエタノール溶液に調合して浸漬用溶液を調製し、その溶液40中に金属微細凹凸構造層24を備えた上記基板を浸漬させることによりアミノ基を有する分子30の単分子膜を金属微細凹凸構造層24の表面に形成する。
以上の処理により光電場増強基板1を作製することができる。Thereafter, the surface of the metal microrelief structure layer 24 is surface-modified with a molecule having an amino group by surface modification treatment. For example, a molecule having an amino group is prepared in an ethanol solution to prepare a solution for immersion, and the substrate having the metal fine uneven structure layer 24 is dipped in the solution 40 to form an amino group-containing molecule 30 alone. A molecular film is formed on the surface of the metal microrelief structure layer 24.
The optical electric field enhancing substrate 1 can be manufactured by the above process.
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは、金属微細凹凸構造層の表面にアミノ基を有する分子を吸着若しくは結合させることにより炭酸ガスと金属膜最表面との親和性(アフィニティ)を向上させ、従来の増強ラマン分光法では検知できなかった濃度の炭酸ガスをセンシングできる。具体的には、アミノ基を有する分子を備えていない従来のSERS基板を用いた場合には、10ml/minで基板表面に炭酸ガスを吹き付けても炭酸ガスをほとんど検出できなかったが、本発明の光電場増強デバイスを用いれば10ml/minで炭酸ガスを吹き付けたとき、炭酸ガスの計測が可能である。 The optical electric field enhancement device for carbon dioxide gas sensing of the present invention improves the affinity (affinity) between carbon dioxide gas and the outermost surface of the metal film by adsorbing or binding a molecule having an amino group to the surface of the metal microrelief structure layer. It is possible to sense carbon dioxide at a concentration that could not be detected by conventional enhanced Raman spectroscopy. Specifically, when a conventional SERS substrate not having a molecule having an amino group is used, carbon dioxide gas can hardly be detected even when carbon dioxide gas is sprayed on the substrate surface at 10 ml / min. The carbon dioxide gas can be measured when the carbon dioxide gas is blown at 10 ml / min using the optical electric field enhancement device of the above.
(ラマン分光法およびラマン分光装置)
以下に、上述の本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強基板1を用いた測定方法の例として、ラマン分光法およびラマン分光装置100について説明する。(Raman spectroscopy and Raman spectroscopy)
Below, a Raman spectroscopy and the Raman spectroscopy apparatus 100 are demonstrated as an example of the measuring method using the optical electric field enhancement board | substrate 1 for carbon dioxide gas detection of the above-mentioned this invention.
図4は、上述の実施形態に係る光電場増強基板1を備えた増強ラマン分光装置100の構成を示す概略図である。 FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of an enhanced Raman spectroscopy apparatus 100 provided with the photoelectric field enhanced substrate 1 according to the above-described embodiment.
図4に示すように、ラマン分光装置100は、上述の光電場増強基板1と、励起光L1を光電場増強基板1へ照射する励起光照射部140と、被検体から発せられ光電場増強基板の作用により増強されたラマン散乱光L2を検出するための光検出部150とを備えている。 As shown in FIG. 4, the Raman spectroscopy apparatus 100 includes the above-described optical electric field enhancement substrate 1, an excitation light irradiation unit 140 which irradiates the excitation light L 1 to the optical electric field enhancement substrate 1, and an optical electric field enhancement substrate And a light detection unit 150 for detecting the Raman scattered light L2 enhanced by the action of
励起光照射部140は、励起光L1を射出する半導体レーザ141と、この半導体レーザ141から射出された光L1を基板1側へ反射するミラー142と、ミラー142により反射された励起光L1を透過し、励起光L1の照射により被検体から生じ増強されたラマン散乱光L2を含む基板1側からの光を光検出部150側へ反射するハーフミラー144と、ハーフミラー144を透過した励起光L1を光電場増強基板1の表面に集光するレンズ146とを備えている。 The excitation light irradiator 140 transmits the semiconductor laser 141 that emits excitation light L1, the mirror 142 that reflects the light L1 emitted from the semiconductor laser 141 toward the substrate 1, and the excitation light L1 that is reflected by the mirror 142. And the half mirror 144 that reflects the light from the substrate 1 side including the Raman scattered light L 2 generated from the subject and enhanced by the irradiation of the excitation light L 1 to the light detection unit 150 side, and the excitation light L 1 transmitted through the half mirror 144 And a lens 146 for collecting light on the surface of the optical electric field enhancing substrate 1.
光検出部150は、ハーフミラー144により反射されてきた光のうち励起光L1を吸収し、それ以外の光を透過するノッチフィルタ151と、ノイズ光を除去するためのピンホール152を備えたピンホール板153と、被検体から発せられ、レンズ146およびノッチフィルタ151を透過した増強ラマン散乱光L2を、ピンホール152へ集光するためのレンズ154と、ピンホール152を通ったラマン散乱光を平行光化するレンズ156と、増強ラマン散乱光を検出する分光器158とを備えている。 The light detection unit 150 is provided with a notch filter 151 that absorbs the excitation light L1 among the light reflected by the half mirror 144 and transmits the other light, and a pin including a pinhole 152 for removing noise light. The lens 154 for condensing the enhanced Raman scattered light L2 emitted from the object and transmitted through the lens 146 and the notch filter 151 to the pinhole 152, and the Raman scattered light transmitted through the pinhole 152 A collimating lens 156 and a spectroscope 158 for detecting the enhanced Raman scattered light are provided.
上述のラマン分光装置100を用いて、被検体のラマンスペクトルを測定するラマン分光方法について説明する。 A Raman spectroscopy method for measuring a Raman spectrum of an object using the above-described Raman spectroscopy apparatus 100 will be described.
光照射部140の半導体レーザ141から励起光L1が射出され、励起光L1はミラー142で基板1側に反射され、ハーフミラー144を透過してレンズ146で集光されて、光電場増強基板1上に照射される。 The excitation light L1 is emitted from the semiconductor laser 141 of the light irradiator 140, the excitation light L1 is reflected by the mirror 142 toward the substrate 1 and transmitted through the half mirror 144 and collected by the lens 146. Irradiated on top.
励起光L1の照射により、光電場増強基板1の金属微細凹凸構造層24に局在プラズモン共鳴が誘起され、金属微細凹凸構造層24表面に増強された光電場が生じる。この増強光電場により増強された、被検体から発せられたラマン散乱光L2は、レンズ146を透過して、ハーフミラー144で分光器158側に反射される。なお、このとき、光電場増強基板1で反射された励起光L1もハーフミラー144により反射されて分光器158側に反射されるが、励起光L1はノッチフィルタ151でカットされる。一方、励起光とは波長が異なる光はノッチフィルタ151を透過し、レンズ154で集光され、ピンホール152を通り、再度レンズ156により平行光化され、分光器158へ入射する。なお、ラマン分光装置においては、レーリー散乱光(あるいはミー散乱光)などは、その波長が励起光L1と同じであるため、ノッチフィルタ151でカットされ、分光器158へ入射することはない。ラマン散乱光L2は、分光器158に入射してラマンスペクトル測定がなされる。 Localized plasmon resonance is induced in the metal fine uneven structure layer 24 of the optical electric field enhancing substrate 1 by the irradiation of the excitation light L1, and an enhanced optical electric field is generated on the surface of the metal fine uneven structure layer 24. The Raman scattered light L 2 emitted from the subject, which is enhanced by the enhanced optical field, passes through the lens 146 and is reflected by the half mirror 144 toward the spectroscope 158. At this time, the excitation light L1 reflected by the optical electric field enhancement substrate 1 is also reflected by the half mirror 144 and reflected toward the spectroscope 158, but the excitation light L1 is cut by the notch filter 151. On the other hand, light having a wavelength different from that of the excitation light passes through the notch filter 151, is condensed by the lens 154, passes through the pinhole 152, is collimated again by the lens 156, and enters the spectroscope 158. In the Raman spectroscopy device, Rayleigh scattered light (or Mie scattered light) and the like have the same wavelength as the excitation light L 1, so they are cut by the notch filter 151 and do not enter the spectroscope 158. The Raman scattered light L2 is incident on the spectrometer 158 to perform Raman spectrum measurement.
本実施形態のラマン分光装置100は、上記実施形態の光電場増強基板1を用いて構成されたものであり、試料ガスもしくは試料液中の炭酸ガス(CO2)をアミノ基と結合させることにより、炭酸ガス検出感度の高いラマン分光測定を実施できる。
ここで、被検体は、CO2であるが、基板上においては、CO2はアミノ基と結合してカルバメートを構成しているものと、アミノ基と静電的な相互作用で吸着しているCO2とが存在すると推測されており、両者からの信号を検出しているものと推察される。The Raman spectroscopy apparatus 100 of the present embodiment is configured using the optical electric field enhancing substrate 1 of the above embodiment, and by combining carbon dioxide gas (CO 2 ) in a sample gas or sample liquid with an amino group. , Raman spectroscopic measurement with high carbon dioxide detection sensitivity can be performed.
Here, the analyte is CO 2 , but on the substrate, the CO 2 is bonded to the amino group to form a carbamate, and is adsorbed by electrostatic interaction with the amino group. It is inferred that there is CO 2 and it is inferred that signals from both are detected.
本実施形態のラマン分光装置100のように、光電場増強基板1の裏面から検出する構成とすることにより、金属微細凹凸構造層と被検体との界面で最も強く生じる増強ラマン散乱光が試料流体により遮蔽されることなく透明基板の裏面側から検出することができる。 As in the Raman spectroscopy apparatus 100 of the present embodiment, the enhanced Raman scattering light generated most strongly at the interface between the metal fine concavo-convex structure layer and the object is detected as a sample fluid by using the configuration to detect from the back surface of the optical electric field enhancement substrate 1 It can detect from the back side of a transparent substrate, without being shielded.
上述の実施形態のラマン分光装置100は、光電場増強デバイス1の試料保持面(表面)とは逆側(デバイスの裏面)から励起光を入射すると共にラマン散乱光を検出するよう構成されているが、従来の装置と同様に、金属微細凹凸構造層24の表面側(試料保持面)から励起光L1を入射し、かつラマン散乱光L2を検出するように構成してもよい。 The Raman spectroscopy apparatus 100 according to the above-described embodiment is configured to inject excitation light from the opposite side (back side of the device) to the sample holding surface (front surface) of the optical electric field enhancement device 1 and to detect Raman scattered light. However, as in the conventional device, the excitation light L1 may be incident from the surface side (sample holding surface) of the metal fine concavo-convex structure layer 24, and the Raman scattered light L2 may be detected.
さらには、励起光照射部と、光検出部とのいずれか一方を金属微細凹凸構造層24の表面側に配置し、他方を基板1の裏面側に配置する構成としてもよい。 Furthermore, one of the excitation light irradiation unit and the light detection unit may be disposed on the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer 24, and the other may be disposed on the back surface side of the substrate 1.
このように、本発明の光電場増強デバイスは、透明基板を用いているので、金属微細凹凸構造層の表面側、あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも光を照射することができ、また、この光の照射により試料から生じた光についても、金属微細凹凸構造層の表面側あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも検出することができる。 As described above, since the optical electric field enhancing device of the present invention uses a transparent substrate, light can be emitted from either the surface side of the metal fine uneven structure layer or the back surface side of the transparent substrate, and The light generated from the sample by this light irradiation can also be detected from either the surface side of the metal fine uneven structure layer or the back surface side of the transparent substrate.
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。 Examples of the present invention and comparative examples will be described below.
[実施例1]
「光電場増強基板の作製方法」
透明基板本体11として、ガラス基板(BK−7;コーニング社製Eagle2000)を用いた。
アセトン5分、メタノール5分の超音波洗浄(45kHz)を行った後、ガラス基板11にスパッタ装置(キャノンアネルバ社製)を用いてアルミニウム20を25nm積層した。なお、表面形状測定器(TENCOR社製)を用いて、アルミニウム厚みを測定し、厚みは25nm(±10%)であることを確認した。Example 1
"Method of making optical electric field enhanced substrate"
A glass substrate (BK-7; Eagle 2000 manufactured by Corning) was used as the transparent substrate main body 11.
After ultrasonic cleaning (45 kHz) for 5 minutes in acetone and 5 minutes in methanol, 25 nm of aluminum 20 was laminated on the glass substrate 11 using a sputtering apparatus (manufactured by Canon Anerva). In addition, aluminum thickness was measured using the surface shape measuring device (made by TENCOR), and it confirmed that thickness was 25 nm (+/- 10%).
その後、ウォーターバス(西精機株式会社)の中に純水を用意して、沸騰させた。
沸騰水の中にアルミニウム20付きガラス基板11を浸水させて、5分間経過後に取り出した。この際、アルミニウム20付きガラス基板11を沸騰水に浸水させて1−2分程度でアルミニウムが透明化したことを確認した。この煮沸処理(ベーマイト処理)により、アルミニウム20はベーマイト層22となった。このベーマイト層22の表面を、SEM(日立製S4100)にて観察した結果は既述の図3に示した通りである。Thereafter, pure water was prepared in a water bath (Nishi Seiki Co., Ltd.) and boiled.
The glass substrate 11 with aluminum 20 was immersed in boiling water and removed after 5 minutes. At this time, it was confirmed that the aluminum was made transparent in about 1 to 2 minutes by immersion of the aluminum 20-attached glass substrate 11 in boiling water. The aluminum 20 became a boehmite layer 22 by this boiling process (boehmite process). The surface of the boehmite layer 22 was observed by SEM (S4100 manufactured by Hitachi, Ltd.). The result is as shown in FIG.
次に、ベーマイト層22の表面にAuを110nm分蒸着して金属微細凹凸構造層を形成した。なお、このときの厚みは、平板基板上にその厚みだけ金を蒸着させるときに要する蒸着量で蒸着していることを意味する。以下においても同様とする。 Next, 110 nm of Au was vapor-deposited on the surface of the boehmite layer 22 to form a metal fine uneven structure layer. In addition, the thickness at this time means that it vapor-deposits with the vapor deposition amount required when vapor-depositing gold only by the thickness on a flat board | substrate. The same applies to the following.
2−アミノエタンチオール(東京化成社製)をエタノール溶液で1mMに調合した。その時のpHは8.3であった。調合した2−アミノエタンチオール溶液中に、金属微細凹凸構造層表面に対して、塵埃の除去のためプラズマ処理を施した。このプラズマ処理により表面が親水化された基板を24時間浸漬させることにより、2−アミノエタンチオールの単分子膜を金属微細凹凸構造層の表面に形成した。
このようにして実施例1の光電場増強基板を作製した。2-aminoethanethiol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was prepared to 1 mM with an ethanol solution. The pH at that time was 8.3. In the prepared 2-aminoethanethiol solution, the surface of the metal microrelief structure layer was subjected to plasma treatment to remove dust. By immersing the substrate having the surface hydrophilized by this plasma treatment for 24 hours, a monomolecular film of 2-aminoethanethiol was formed on the surface of the metal microrelief structure layer.
Thus, the photoelectric field enhanced substrate of Example 1 was produced.
[実施例2]
実施例1において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Auに代えてAgを用い、150nm分蒸着した点以外は同様にして実施例2の光電場増強基板を作製した。Example 2
The optical electric field enhanced substrate of Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except that Ag was used instead of Au when forming the metal fine uneven structure layer, and vapor deposition was performed for 150 nm.
[実施例3]
実施例1において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Auに代えてCuを用い、150nm分蒸着した点以外は同様にして実施例3の光電場増強基板を作製した。[Example 3]
The optical electric field enhanced substrate of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that Cu was used instead of Au at the time of formation of the metal microrelief structure layer and vapor deposition was carried out for 150 nm.
[実施例4]
実施例1において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Auに代えてPtを用い、150nm分蒸着した点以外は同様にして実施例4の光電場増強基板を作製した。Example 4
The optical electric field enhanced substrate of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that Pt was used instead of Au when forming the metal fine uneven structure layer and vapor deposition was carried out for 150 nm.
[実施例5]
実施例1において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Auに代えてAlを用い、150nm分蒸着した点以外は同様にして実施例5の光電場増強基板を作製した。[Example 5]
The optical electric field enhanced substrate of Example 5 was produced in the same manner as Example 1 except that Al was used in place of Au when forming the metal micro-relief structure layer and vapor deposition was performed for 150 nm.
[実施例6]
実施例1において、2−アミノエタンチオールの濃度を20mMにした表面処理液(pH9.6)を用い、処理液への浸漬時間を1時間とした点以外は同様にして実施例6の光電場増強基板を作製した。上記表面処理液のpHは9.6であった。[Example 6]
The optical electric field of Example 6 is the same as Example 1 except that the surface treatment solution (pH 9.6) in which the concentration of 2-aminoethanethiol is 20 mM is used and the immersion time in the treatment solution is 1 hour. An enhanced substrate was made. The pH of the surface treatment solution was 9.6.
[実施例7]
実施例1において、2−アミノエタンチオールに代えて2−アミノエタンチオール塩酸塩(東京化成社製)を用いた表面処理液(pH4.3)とした点以外は同様にして実施例7の光電場増強基板を作製した。[Example 7]
The photoelectric conversion of Example 7 was repeated except that a surface treatment solution (pH 4.3) was used in place of 2-aminoethanethiol instead of 2-aminoethanethiol hydrochloride (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.). A field enhanced substrate was made.
[実施例8]
実施例7において、2−アミノエタンチオール塩酸塩の濃度を20mMとした表面処理液(pH4.5)とし、浸漬時間を1時間とした点以外は同様にして実施例8の光電場増強基板を作製した。[Example 8]
The optical field enhanced substrate of Example 8 is the same as Example 7 except that the surface treatment solution (pH 4.5) in which the concentration of 2-aminoethanethiol hydrochloride is 20 mM is used, and the immersion time is 1 hour. Made.
[実施例9]
実施例1において、2−アミノエタンチオールに代えて2−ジメチルアミノエタンチオール(東京化成社製)を用いた表面処理液(pH4.4)とした点以外は同様にして実施例9の光電場増強基板を作製した。[Example 9]
The optical electric field of Example 9 is the same as Example 1 except that a surface treatment solution (pH 4.4) is used in place of 2-aminoethanethiol and 2-dimethylaminoethanethiol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.). An enhanced substrate was made.
[実施例10]
実施例1において、2−アミノエタンチオールに代えて6−アミノ−1−ヘキサンチオール(同仁化学社製)を用いた表面処理液(pH4.4)とした点以外は同様にして実施例10の光電場増強基板を作製した。[Example 10]
The same procedure as in Example 10 was repeated except that a surface treatment solution (pH 4.4) was used in place of 2-aminoethanethiol in place of 6-amino-1-hexanethiol (manufactured by Dojin Chemical Co., Ltd.). An optical electric field enhanced substrate was prepared.
[実施例11]
実施例1において、2−アミノエタンチオールに代えて8−アミノ−1−オクタンチオール(和光純薬社製)を用いた表面処理液(pH4.3)とした点以外は同様にして実施例11の光電場増強基板を作製した。[Example 11]
Example 11 is the same as Example 11, except that in place of 2-aminoethanethiol, a surface treatment solution (pH 4.3) is used using 8-amino-1-octanethiol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). An optical electric field enhanced substrate of
[実施例12]
実施例1において、2−アミノエタンチオールに代えて、12−アミノ−1−ドデカンチオール(同仁化学社製)を用い、濃度1mMとした表面処理液(pH5.1)を用い、浸漬時間を6時間とした点以外は同様にして実施例12の光電場増強基板を作製した。[Example 12]
In Example 1, in place of 2-aminoethanethiol, using 12-amino-1-dodecanethiol (manufactured by Dojin Chemical Co., Ltd.), using a surface treatment solution (pH 5.1) having a concentration of 1 mM, the immersion time is 6 The photoelectric field enhanced substrate of Example 12 was produced in the same manner except that time was taken.
[実施例13]
実施例1において、2−アミノエタンチオールに代えてデンドリマー_Gene0(第0世代)(アルドリッチ社製)を濃度0.1mMとした表面処理液(pH5.3)を用い、浸漬時間を6時間とした点以外は同様にして実施例13の光電場増強基板を作製した。[Example 13]
In Example 1, in place of 2-aminoethanethiol, using a surface treatment solution (pH 5.3) having dendrimer Gene 0 (generation 0) (manufactured by Aldrich) at a concentration of 0.1 mM, the immersion time is 6 hours The photoelectric field enhanced substrate of Example 13 was produced in the same manner as described above.
[実施例14]
実施例13において、デンドリマー_Gene0(第0世代)に代えてデンドリマー_Gene1(第1世代)(アルドリッチ社製)を用いた表面処理液(pH5.3)とした点以外は同様にして実施例14の光電場増強基板を作製した。Example 14
Example 13 is the same as Example 13, except that dendrimer Gene 0 (generation 0) is replaced with dendrimer Gene 1 (generation 1) (manufactured by Aldrich) to form a surface treatment solution (pH 5.3). Fourteen optical field enhanced substrates were prepared.
[実施例15]
実施例13において、デンドリマー_Gene0(第0世代)に代えてデンドリマー_Gene4(第4世代)(アルドリッチ社製)を用いた表面処理液(pH5.2)とした点以外は同様にして実施例15の光電場増強基板を作製した。[Example 15]
Example 13 is the same as Example 13, except that dendrimer Gene 0 (generation 0) is replaced with dendrimer Gene 4 (generation 4) (manufactured by Aldrich) to form a surface treatment solution (pH 5.2). Fifteen optical field enhanced substrates were fabricated.
[比較例1]
金からなる金属微細凹凸構造層形成後、表面修飾を施さない基板を比較例1の光電場増強基板とした。Comparative Example 1
A substrate not subjected to surface modification after formation of the metal fine uneven structure layer made of gold was used as the photoelectric field enhanced substrate of Comparative Example 1.
[比較例2]
実施例13において、デンドリマー_Gene0(第0世代)に代えてデンドリマー_Gene9(第9世代)(アルドリッチ社製)を用いた表面処理液(pH5.1)とし、浸漬時間を12時間とした点以外は同様にして比較例2の光電場増強基板を作製した。Comparative Example 2
In Example 13, instead of dendrimer Gene0 (generation 0), a surface treatment solution (pH 5.1) was used in which dendrimer Gene9 (generation 9) (manufactured by Aldrich) was used, and the immersion time was 12 hours. The photoelectric field enhanced substrate of Comparative Example 2 was produced in the same manner except for the above.
(ラマン散乱光の測定)
上記方法で作製した各実施例および各比較例の光電場増強基板に対し、炭酸ガスを吹き付ける前後でラマンスペクトルを計測した。炭酸ガスの吹付けは、25℃50%RHの環境下で、10sccm(ml/min)で1分間とし、その後1分間静置した後に、吹付け前と同様の条件でラマンスペクトルを計測した。
1280cm−1の信号について
[(吹付後の信号強度−吹付前の信号強度)/吹付前の信号強度]×100(%)
を求め、変化量が20%以上のとき良、5%以上20%未満のとき可、5%未満のとき不良と評価した。
なお、1280cm−1の信号は、一般にCO2のラマンピークとして知られているが、ここでは、既述の通りCO2と、CO2がアミノ基と結合してなるカルバメートとの両者の信号であると推定している。(Measurement of Raman scattered light)
The Raman spectrum was measured before and after the carbon dioxide gas was blown to the photoelectric field enhanced substrates of each of the examples and the comparative examples manufactured by the above method. The carbon dioxide was sprayed at 10 sccm (ml / min) for 1 minute in an environment of 25 ° C. and 50% RH, and then allowed to stand for 1 minute, and then a Raman spectrum was measured under the same conditions as before spraying.
About the signal of 1280 cm -1
[(Signal strength after spraying-Signal strength before spraying) / Signal strength before spraying] × 100 (%)
Were evaluated as good when the change amount was 20% or more, acceptable when the change amount was 5% or more and less than 20%, and poor when it was less than 5%.
In addition, although the signal of 1280 cm -1 is generally known as a Raman peak of CO 2 , here, as described above, it is a signal of both of CO 2 and a carbamate formed by bonding CO 2 to an amino group. It is estimated that there is.
ラマン散乱光は、顕微ラマン分光装置(HR800)を用いて検出した。励起光としては、ピーク波長785nmのレーザ光を用い、倍率20倍で観測した。
表1に各実施例および比較例の金属微細凹凸構造層を構成する金属種、表面修飾のための表面処理溶液の詳細、処理時間、評価を纏めて示す。なお、表1における分子長は、各分子種の構造式からの計算値である。また、表面修飾を行った例のうちアミノ基を有する分子としてデンドリマーを用いた実施例13〜15および比較例2以外の実施例1〜12においては、自己組織化単分子膜が形成されている。Raman scattered light was detected using a microscopic Raman spectrometer (HR800). As excitation light, laser light with a peak wavelength of 785 nm was used and observed at a magnification of 20 times.
Table 1 collectively shows the metal species constituting the metal fine relief structure layer of each Example and Comparative Example, details of the surface treatment solution for surface modification, treatment time, and evaluation. In addition, the molecular length in Table 1 is a calculated value from the structural formula of each molecular species. In addition, in Examples 1 to 12 in which a dendrimer is used as the molecule having an amino group among Examples subjected to surface modification and Examples 1 to 12 except Comparative Example 2, a self-assembled monolayer is formed. .
本発明においてアミノ基を有する分子の分子長は、典型的に示される結合距離(下記列挙)を分子構造に当てはめて計算したものとする。
C−C:0.154nm
C−N:0.147nm
C−H:0.108nm
N−H:0.1012nm
C−S:0.18nm
Au−S:0.267nm
Ag−S:0.282nm
Cu−S:0.247nm
Al−S:0.239nm
Pt−S:0.231nm
例えば、アミノエタンチオールや、アミノエタンチオール塩酸塩がAu層、もしくはAg層に修飾されている場合、その分子長を構成する構造は、Au(もしくはAg)−S−C−C−N−Hである。したがって、アミノエタンチオールもしくはアミノエタンチオール塩酸塩がAu層に修飾されている場合、それらの分子長は、0.267+0.18+0.154+0.147+0.1012=0.8492(nm)となり、Ag層に修飾されている場合、それらの分子長は、0.282+0.18+0.154+0.147+0.1012=0.8642(nm)となる。In the present invention, the molecular length of the molecule having an amino group is calculated by applying the binding distances (listed below) typically shown to the molecular structure.
C-C: 0.154 nm
C-N: 0.147 nm
C-H: 0.108 nm
N-H: 0.1012 nm
C-S: 0.18 nm
Au-S: 0.267 nm
Ag-S: 0.282 nm
Cu-S: 0.247 nm
Al-S: 0.239 nm
Pt-S: 0.231 nm
For example, when aminoethanethiol or aminoethanethiol hydrochloride is modified to Au layer or Ag layer, the structure constituting the molecular length is Au (or Ag) -S-C-C-C-N-H It is. Therefore, when aminoethanethiol or aminoethanethiol hydrochloride is modified in the Au layer, their molecular length is 0.267 + 0.18 + 0.154 + 0.147 + 0.1012 = 0.8492 (nm), and the Ag layer is When modified, their molecular length is 0.282 + 0.18 + 0.154 + 0.147 + 0.1012 = 0.8642 (nm).
表1に示す通り、同一の表面修飾処理を行った実施例1〜5において、金属微細凹凸構造層を構成する金属がAu、Agであるとき、Cu、Pt、Alの場合と比較して感度が高かった。これは、アミノ基を有する分子である2−アミノエタンチオールのAu、Agに対する結合性がCu、Pt、Alに対する結合性と比較して大きく、表面修飾率が高いためと考えられる。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 in which the same surface modification treatment was performed, when the metal constituting the metal fine concavo-convex structure layer is Au or Ag, the sensitivity is higher than that of Cu, Pt or Al. Was high. It is considered that this is because the bonding property of 2-aminoethanethiol, which is a molecule having an amino group, to Au and Ag is large as compared to the bonding property to Cu, Pt and Al, and the surface modification rate is high.
同一の金属からなる金属微細凹凸構造層であり、同一のアミノ基を有する分子を表面修飾する場合、表面処理液の濃度を大きくすると、基板へのダメージが大きくなり、表面修飾率が劣るため評価が可であったと推察される。 In the case of surface modification of molecules having the same amino group, which is a metal fine concavo-convex structure layer composed of the same metal, when the concentration of the surface treatment solution is increased, damage to the substrate becomes large and the surface modification rate is inferior. It is presumed that was acceptable.
同一金属種に対し、分子種が異なる実施例1、6〜15および比較例1、2についての評価結果においては、実施例1、7、9、13および14のように、2−アミノエタンチオール、2−アミノエタンチオール塩酸塩、2−ジメチルアミノエタンチオール、世代0、1のデンドリマーを用いた場合、炭酸ガス検出について良好な感度を示した。 In the evaluation results for Examples 1 and 6 to 15 and Comparative Examples 1 and 2 in which molecular species differ with respect to the same metal species, as in Examples 1, 7, 9, 13 and 14, 2-aminoethanethiol. When 2-aminoethanethiol hydrochloride, 2-dimethylaminoethanethiol, generation 0, 1 dendrimer were used, they showed good sensitivity for carbon dioxide gas detection.
実施例1、6〜12は、各アミノ基を有する分子が、自己組織化単分子膜として金属構造に修飾されるものであるが、実施例1〜9は分子長が1.0nm以下であるため、金属凸部(金属粒子)間のギャップを構成する隣接凸部の両者(特にギャップに面する領域)にも良好な修飾がなされていると考えられる。 In Examples 1 and 6 to 12, the molecule having each amino group is modified to a metal structure as a self-assembled monolayer, but in Examples 1 to 9, the molecular length is 1.0 nm or less Therefore, it is considered that good modification is also performed on both of the adjacent convex portions (particularly, the region facing the gap) which constitutes the gap between the metal convex portions (metal particles).
実施例12〜14および比較例2は、アミノ基を有する分子が、デンドリマーである。ここで、実施例12、13は、分子長(直径)が2.0nm以下であり、金属凸部(金属粒子)間のギャップを構成する隣接凸部の少なくとも一方(特にそのギャップに面する領域)へ良好な修飾がなされていると考えられる。他方、実施例14は分子長が4.4nmであり、金属凸部のギャップに面する領域への修飾が実施例12、13に比べると少なくなっていると考えられる。また、比較例2では、分子長が11.4nmと大きすぎて、金属凸部のギャップに面する領域に修飾ができなかったものと考えられる。 In Examples 12 to 14 and Comparative Example 2, the molecule having an amino group is a dendrimer. Here, in Examples 12 and 13, the molecular length (diameter) is 2.0 nm or less, and at least one of the adjacent convex portions forming the gap between the metal convex portions (metal particles) (in particular, a region facing the gap) It is considered that good modification to On the other hand, in Example 14, the molecular length is 4.4 nm, and it is considered that the modification to the region facing the gap of the metal convex portion is smaller than in Examples 12 and 13. Moreover, in Comparative Example 2, the molecular length is too large, 11.4 nm, and it is considered that the region facing the gap of the metal convex portion could not be modified.
また、比較例1のように、表面修飾をしていない場合、炭酸ガスをほとんど検出することができなかった。表面修飾していない場合は、炭酸ガスは金属表面にとどまることがほとんどないと考えられる。 Further, as in Comparative Example 1, when the surface was not modified, almost no carbon dioxide gas could be detected. When the surface is not modified, it is considered that carbon dioxide hardly stays on the metal surface.
Claims (10)
表面に透明な微細凹凸構造を備えてなる透明基板と、前記透明な微細凹凸構造の凸部の先端部に形成された複数の平板状の金属粒子からなる金属微細凹凸構造層とを備え、
前記金属粒子は、それぞれ互いに孤立して配列され、その形状は、平均厚さに対する平均長さのアスペクト比が2以上であり、
前記金属粒子同士の間には、少なくとも10nm以下の距離の近接領域が存在し、
前記近接領域における前記金属粒子の表面には、アミノ基を有する分子長5nm以下の分子が吸着若しくは結合されている、
炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 An optical electric field enhancing device that induces localized plasmons on a surface by irradiation of excitation light and generates an enhanced optical electric field on the surface,
Comprising a transparent substrate made comprises a transparent fine unevenness on the surface, and a metal micro-relief structure layer comprising a plurality of flat metal particles formed on the tip portion of the projecting portion of the transparent fine concavo-convex structure,
The metal particles are arranged so as to be isolated from one another, and the shape thereof has an aspect ratio of average length to average thickness of 2 or more,
Between the metal particles, there is a close region of a distance of at least 10 nm or less ,
Wherein the surface of the metal particles definitive proximity area, the following molecular molecular length 5nm having an amino group is adsorbed or bonded,
Photoelectric field enhancement device for carbon dioxide gas sensing.
シング用の光電場増強デバイス。
ここで、AはSHまたはNH2であり、R1、R2はHまたはCH3であり、
nは2≦n≦10である。 The photoelectric field enhancement device for carbon dioxide gas sensing according to claim 1, wherein the molecule having an amino group is represented by the following structural formula.
Here, A is SH or NH 2 , R 1 and R 2 are H or CH 3 ,
n is 2 ≦ n ≦ 10.
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