JP7253169B2 - Substrate for SPR measurement and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、2次元荷電金属コロイド結晶を利用した表面プラズモン共鳴(SPR: Surface Plasmon Resonance)測定用基板、及びその製造方法に関する。ここで、2次元荷電金属コロイド結晶とは、金属粒子が粒子間に働く電気的な反発力によって、粒子間に距離を隔てて平面上に配列した単層の規則配列構造(コロイド結晶)をいう。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a substrate for surface plasmon resonance (SPR) measurement using a two-dimensional charged metal colloidal crystal, and a manufacturing method thereof. Here, the two-dimensional charged metal colloidal crystal refers to a single-layer regularly arranged structure (colloidal crystal) in which metal particles are arranged on a plane with a distance between the particles due to the electrical repulsive force acting between the particles. .

近年、抗原抗体反応を利用した医療用のセンサー等、表面吸着を利用した様々なセンサーが開発されている。これらのセンサーには、表面吸着量を高感度で他の信号に変換するトランスデューサーとしての材料が必要となる。この様なセンサー用材料として、金・銀・白金などの金属に光を照射したとき発現する、金属内の自由電子の集団的振動、すなわち、表面プラズモン共鳴(SPR: Surface Plasmon Resonance)を利用した分光分析が注目されている。この技術の原理は次の通りである。 In recent years, various sensors using surface adsorption, such as medical sensors using antigen-antibody reaction, have been developed. These sensors require materials as transducers that convert the amount of surface adsorption into other signals with high sensitivity. As a material for such a sensor, we used surface plasmon resonance (SPR), which is a collective oscillation of free electrons in metals such as gold, silver, and platinum, which occurs when light is irradiated. Spectroscopic analysis has attracted attention. The principle of this technique is as follows.

一般に、光は電子波(plasmon)とはカップリングしないが、金属表面においては表面固有の境界条件により光とカップリングを起こす電子波のモードが生じる。これを表面プラズモン(surface plasmon)と呼ぶ。表面プラズモンを励起する方法としては、金属表面に回折格子を形成して光とプラズモンを結合させる方法や、エバネッセント波を利用する方法がある。表面プラズモン共鳴を利用したセンサーとしては、例えば、全反射型プリズムと、当該プリズムの表面に形成された標的物質に接触する金属膜とからなるセンサーが挙げられる。このような構成により、抗原抗体反応における抗原の微量な吸着量によって表面の誘電率が変化し、これによって表面プラズモン共鳴の波長が変化するため、共鳴波長の変化から抗原の微量な吸着量のセンシングを行うことができる。 In general, light does not couple with electron waves (plasmons), but on metal surfaces there are electron wave modes that couple with light due to surface-specific boundary conditions. This is called a surface plasmon. Methods of exciting surface plasmons include a method of forming a diffraction grating on a metal surface to couple light and plasmons, and a method of using evanescent waves. A sensor using surface plasmon resonance includes, for example, a sensor comprising a total reflection prism and a metal film that is formed on the surface of the prism and is in contact with a target substance. With such a configuration, the dielectric constant of the surface changes due to the small amount of adsorption of the antigen in the antigen-antibody reaction, and this changes the wavelength of the surface plasmon resonance. It can be performed.

ところで、表面プラズモンを生じる共鳴金属表面には伝搬型の表面プラズモンが存在するが、金属粒子において表面プラズモンは粒子の外へ伝搬できず、内部に局在するため、「局在型の表面プラズモン」と呼ばれている。局在型の表面プラズモンが励起された場合には、著しく増強された電場が誘起される場合があることが知られており、これを利用した高感度な局在型プラズモン共鳴センサーが提案されている(特許文献1)。 By the way, propagating surface plasmons exist on a resonant metal surface that generates surface plasmons, but in metal particles, surface plasmons cannot propagate to the outside of the particles and are localized inside the particles. It is called. It is known that when localized surface plasmons are excited, a significantly enhanced electric field may be induced, and a highly sensitive localized plasmon resonance sensor utilizing this has been proposed. (Patent Document 1).

更には、図1左側の模式斜視図に示すように、金属皮膜上に絶縁性のスペーサーを介在させ、そのスペーサー上に金属粒子を載せたMIM(metal-insulator-metal)型のSPR測定用基板も知られている(非特許文献1)。このMIM型のSPR測定用基板によれば、金属皮膜の伝搬型プラズモンと金属粒子の局在プラズモンの間に「ファノ共鳴」と呼ばれる共鳴現象が生じ(図1右側グラフ参照)、これによって吸収スペクトルピークの形状が、波長変化によって強度が鋭敏に変化するような形状(鋸歯状)になることから、さらに高感度なセンサーを構築することができる。 Furthermore, as shown in the schematic perspective view on the left side of Fig. 1, a metal-insulator-metal (MIM) type substrate for SPR measurement in which insulating spacers are interposed on the metal film and metal particles are placed on the spacers is also known (Non-Patent Document 1). According to this MIM-type SPR measurement substrate, a resonance phenomenon called "Fano resonance" occurs between the propagating plasmons of the metal film and the localized plasmons of the metal particles (see the graph on the right side of Fig. 1). Since the shape of the peak becomes a shape (sawtooth shape) in which the intensity changes sharply with a change in wavelength, a sensor with even higher sensitivity can be constructed.

特開2000-356587号公報JP-A-2000-356587

https://www.nature.com/articles/srep14419SCIENTIFIC REPORTS 5:14419 DOI:10,1038/srep14419https://www.nature.com/articles/srep14419SCIENTIFIC REPORTS 5:14419 DOI:10,1038/srep14419

しかし、上記非特許文献1に記載されているようなSPR測定用基板を用いたセンサーでは、高感度化を実現するためには、金属粒子の大きさや金属粒子間の間隙を一定の範囲に制御する必要がある(図1参照)。このため、その製造には特定範囲の金属粒子を縦横に周期配列させるためにリソグラフィーの手法を用いる等、複雑なパターン形成技術を経なければならず、製造が困難であり、ひいてはセンサー製造費用の高騰化が予想されていた。 However, in the sensor using the SPR measurement substrate as described in Non-Patent Document 1, in order to achieve high sensitivity, the size of the metal particles and the gap between the metal particles must be controlled within a certain range. (see Figure 1). For this reason, its manufacture requires complicated pattern formation techniques such as the use of lithography to periodically arrange metal particles in a specific range vertically and horizontally. An increase was expected.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、金属粒子の配置を制御するための複雑なパターン形成技術を必要とせず、製造が容易であり、且つ、検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーを構築することのできるSPR測定用基板及びその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and does not require a complicated pattern forming technique for controlling the arrangement of metal particles, is easy to manufacture, and has a high detection sensitivity. The problem to be solved is to provide a substrate for SPR measurement and a method for manufacturing the same, which can construct a surface plasmon sensor of this type.

本発明者らは、上記従来のSPR測定用基板において、製造を困難としていた金属粒子の配置を制御するためのパターン形成技術を不要とするための方法として、金属からなる荷電型のコロイド結晶を利用することを考えた。荷電コロイド結晶は数nmから数μmの大きさを有する粒径の揃った粒子が水等の液体中に分散した状態で、粒子間に距離を隔てて、周期的に規則正しく並んだ秩序構造を形成している。このため、製造条件(粒子濃度、粒径、粒子あるいは媒体の屈折率など)を選ぶことで、金属粒子の配置を複雑なパターン形成技術を用いることなく、容易且つ自動的にコロイド結晶というパターンを形成することができる。なお、荷電コロイド結晶は、コロイド粒子が互いに接触して形成する、人工オパール型のコロイド結晶とは異なり、粒子間に隙間があることが特徴である。このため、前述(非特許文献1)した、金属粒子の大きさや金属粒子間の間隙を一定の範囲に制御した構造を作成するのに適している。 The present inventors have developed a charged colloidal crystal made of metal as a method for eliminating the need for a pattern forming technique for controlling the arrangement of metal particles, which has been difficult to manufacture, in the conventional substrate for SPR measurement. thought of using it. A charged colloidal crystal is a state in which particles with a uniform particle size having a size of several nanometers to several micrometers are dispersed in a liquid such as water, and the particles are spaced apart to form an ordered structure that is regularly arranged periodically. are doing. Therefore, by selecting the manufacturing conditions (particle concentration, particle size, particle or medium refractive index, etc.), the arrangement of metal particles can be easily and automatically formed into colloidal crystal patterns without using complicated pattern formation techniques. can be formed. A charged colloidal crystal is characterized by gaps between particles, unlike an artificial opal-type colloidal crystal formed by contacting colloidal particles. Therefore, it is suitable for creating a structure in which the size of the metal particles and the gap between the metal particles are controlled within a certain range as described above (Non-Patent Document 1).

すなわち、第1発明のSPR測定用基板の製造方法は、
表面が正又は負の電荷を有する絶縁部材を用意する絶縁部材準備工程と、
前記絶縁部材の表面電荷と反対符号の電荷を有する金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液を調製するコロイド結晶分散液調製工程と、
前記絶縁部材に前記荷電コロイド結晶分散液を接触させて、前記絶縁部材上に金属コロイド結晶の単層構造を形成させる表面形成工程と、
を備えることを特徴とする。
That is, the manufacturing method of the substrate for SPR measurement of the first invention is
an insulating member preparing step of preparing an insulating member having a positive or negative charge on the surface;
a colloidal crystal dispersion preparation step of preparing a charged colloidal crystal dispersion in which colloidal crystals made of metal colloid particles having a charge opposite to the surface charge of the insulating member are dispersed in a dispersion medium;
a surface forming step of bringing the charged colloidal crystal dispersion into contact with the insulating member to form a single-layer structure of metal colloidal crystals on the insulating member;
characterized by comprising

第1発明のSPR測定用基板の製造方法では、まず、絶縁部材準備工程として、表面が正又は負の電荷を有する絶縁部材を用意する。一方、コロイド結晶分散液調製工程として、前記絶縁部材の表面電荷と反対符号の電荷を有する金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液を調製する。そして、表面形成工程として、前記絶縁部材に前記荷電コロイド結晶分散液を接触させることにより、静電引力によって荷電コロイド結晶の一層分を絶縁部材上に吸着させる。こうして、絶縁部材上に2次元の荷電金属コロイド結晶が所定の格子間隔で並んだSPR測定用基板を製造することができる。 In the method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to the first invention, first, as an insulating member preparation step, an insulating member having a positive or negative charge on the surface is prepared. On the other hand, as a colloidal crystal dispersion preparation step, a charged colloidal crystal dispersion is prepared in which colloidal crystals composed of metal colloid particles having a charge opposite to the surface charge of the insulating member are dispersed in a dispersion medium. Then, in the surface forming step, the charged colloidal crystal dispersion liquid is brought into contact with the insulating member, so that one layer of the charged colloidal crystal is adsorbed onto the insulating member by electrostatic attraction. In this way, a substrate for SPR measurement in which two-dimensional charged metal colloidal crystals are arranged on an insulating member at a predetermined lattice interval can be manufactured.

したがって、第1発明のSPR測定用基板の製造方法によれば、金属粒子の配置を制御するためのリソグラフィー等の複雑なパターン形成技術を必要とせず、製造が容易となる。また、絶縁部材上に2次元の荷電金属コロイド結晶が所定の格子間隔で並ぶため、検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーを構築することのできるSPR測定用基板を製造することができる。 Therefore, according to the method for manufacturing a substrate for SPR measurement of the first invention, manufacturing is facilitated without requiring a complicated pattern forming technique such as lithography for controlling the arrangement of metal particles. In addition, since two-dimensional charged metal colloidal crystals are arranged on the insulating member with a predetermined lattice spacing, it is possible to manufacture a substrate for SPR measurement on which a localized surface plasmon sensor with high detection sensitivity can be constructed.

第2発明のSPR測定用基板の製造方法は、
絶縁部材を用意する絶縁部材準備工程と、
前記絶縁部材上に金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液からなる液層を形成させる液層形成工程と、
前記液層形成工程後、前記液層の一端側から前記絶縁部材の表面電荷を前記金属コロイド粒子の電荷と反対符号とすることが可能な電荷調製液を拡散させ、前記絶縁部材上に前記金属コロイド結晶の単層構造を成長させる単層構造成長工程とを備えることを特徴とする。
The method for manufacturing the substrate for SPR measurement of the second invention comprises:
An insulating member preparation step of preparing an insulating member;
a liquid layer forming step of forming, on the insulating member, a liquid layer composed of a charged colloidal crystal dispersion in which colloidal crystals composed of metal colloidal particles are dispersed in a dispersion medium;
After the liquid layer forming step, from one end side of the liquid layer, a charge preparation liquid capable of making the surface charge of the insulating member opposite in sign to the charge of the metal colloid particles is diffused, and the metal is spread on the insulating member. and a single-layer structure growth step for growing a single-layer structure of colloidal crystals.

第2発明のSPR測定用基板の製造方法では、まず、絶縁部材準備工程として絶縁部材を用意する。一方、液層形成工程として、前記絶縁部材上に、金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液からなる液層を形成させる。さらに、単層構造成長工程として、前記液層形成工程後、前記液層の一端側から前記絶縁部材の表面電荷が前記金属コロイド粒子の電荷と反対符号となるようにすることが可能な電荷調製液を拡散させ、前記絶縁部材上に金属コロイド結晶の単層構造(すなわち2次元荷電金属コロイド結晶)を成長させる。このような電荷調製液としては、1)アニオン界面活性剤溶液、カチオン界面活性剤溶液、ノニオン界面活性剤溶液、両性界面活性剤溶液等の界面活性剤、2)塩酸や硫酸や硝酸リン酸やカルボン酸などの酸、3)炭酸ナトリウム等の炭酸アルカリ、炭酸水素ナトリウム等の炭酸水素アルカリ、水酸化ナトリウム等の水酸化アルカリ、アンモニア水、アミン、ピリジン等の塩基が挙げられる。
こうして、絶縁部材上に2次元荷電金属コロイド結晶を拡散現象を利用して徐々に成長させることにより、絶縁部材上に金属コロイド粒子が規則正しく一定の距離で並んだ、より欠陥の少ない2次元的な荷電コロイド結晶が構築されたSPR測定用基板を自動的に形成することができる。
In the method of manufacturing the substrate for SPR measurement of the second invention, first, an insulating member is prepared as an insulating member preparing step. On the other hand, in the liquid layer forming step, a liquid layer made of a charged colloidal crystal dispersion in which colloidal crystals made of metal colloidal particles are dispersed in a dispersion medium is formed on the insulating member. Furthermore, as a single layer structure growth step, after the liquid layer forming step, the surface charge of the insulating member can be made opposite in sign to the charge of the metal colloid particles from one end side of the liquid layer. The liquid is diffused to grow a monolayer structure of metal colloidal crystals (that is, two-dimensional charged metal colloidal crystals) on the insulating member. Such charge preparation liquids include 1) surfactants such as anionic surfactant solutions, cationic surfactant solutions, nonionic surfactant solutions, and amphoteric surfactant solutions; 2) hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid nitrate, 3) alkali carbonates such as sodium carbonate; alkali hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate; alkali hydroxides such as sodium hydroxide; aqueous ammonia; and bases such as amines and pyridine.
In this way, by gradually growing the two-dimensional charged metal colloidal crystals on the insulating member by utilizing the diffusion phenomenon, the metal colloidal particles are regularly arranged at a certain distance on the insulating member, resulting in a two-dimensional crystal with fewer defects. A substrate for SPR measurement on which a charged colloidal crystal is constructed can be automatically formed.

したがって、第2発明のSPR測定用基板の製造方法によれば、金属粒子の配置を制御するための複雑なパターン形成技術を必要とせず、製造が容易であり、且つ、より検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーを構築することのできるSPR測定用基板を製造することができる。 Therefore, according to the method for manufacturing a substrate for SPR measurement of the second invention, a complicated pattern forming technique for controlling the arrangement of metal particles is not required, the manufacturing is easy, and the detection sensitivity is high. A substrate for SPR measurement can be manufactured on which a ready-made surface plasmon sensor can be constructed.

第2発明のSPR測定用基板の製造方法では、絶縁部材をイオン濃度(例えばpH)によって表面電荷が変化する材料とし、電荷調製液を絶縁部材の表面電荷を金属コロイド粒子の電荷と反対符号とすることが可能な酸又は塩基とすることができる。
こうであれば液層の一端側から酸又は塩基を拡散させることによって、荷電金属コロイド結晶における一層分のみの金属コロイド粒子が、液層の一端側から他端側へと徐々に吸着していく。このため、絶縁部材上に金属コロイド粒子が規則正しく一定の距離で並んだ、より欠陥の少ない2次元的な荷電コロイド結晶が構築される。
pHによって表面電荷が変化する絶縁部材としては、例えば、ガラス、ケイ酸塩からなるセラミックス、アルミナ、表面がアミノ基や水酸基やスルホン酸基やピリジル基等のpHによって電荷状態が変化する官能基で修飾された高分子などが挙げられる。
In the method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to the second invention, the insulating member is made of a material whose surface charge changes depending on the ion concentration (for example, pH), and the charge preparation liquid has the surface charge of the insulating member with the opposite sign to the charge of the metal colloid particles. can be an acid or base capable of
In this case, by diffusing the acid or base from one end of the liquid layer, only one layer of the colloidal metal particles in the charged metal colloidal crystals is gradually adsorbed from one end to the other end of the liquid layer. . As a result, a two-dimensional charged colloidal crystal with fewer defects, in which the metal colloidal particles are regularly arranged at a constant distance on the insulating member, is constructed.
Examples of insulating materials whose surface charge changes with pH include glass, ceramics made of silicate, alumina, and functional groups whose surface charge changes with pH, such as amino groups, hydroxyl groups, sulfonic acid groups, and pyridyl groups. Examples include modified polymers.

また、第2発明のSPR測定用基板の製造方法では、
前記液層形成工程を、次に示す第1~第3液層形成工程によって行うことができる。すなわち、
1)金属コロイド粒子が分散媒に分散した荷電コロイド分散液を調製する第1液層形成工程と、
2)前記絶縁部材上に荷電コロイド分散液からなる液層を形成する第2液層形成工程と、
3)前記第2工程後、前記液層の一端側から前記荷電コロイド分散液をコロイド結晶化することが可能なコロイド結晶化調製液を拡散させる第3液層形成工程を備える工程である。
Further, in the method for manufacturing the substrate for SPR measurement of the second invention,
The liquid layer forming step can be performed by the following first to third liquid layer forming steps. i.e.
1) A first liquid layer forming step of preparing a charged colloidal dispersion in which colloidal metal particles are dispersed in a dispersion medium;
2) a second liquid layer forming step of forming a liquid layer composed of a charged colloidal dispersion on the insulating member;
3) After the second step, a step comprising a third liquid layer forming step of diffusing a colloidal crystallization preparation liquid capable of colloidally crystallizing the charged colloidal dispersion from one end of the liquid layer.

この方法によれば、液層形成工程において荷電コロイド分散液のコロイド結晶化が拡散現象によって一端側から徐々に成長するため、より欠陥の少ないコロイド結晶が液層中に存在することとなる。そして、さらに単層構造成長工程として、前記液層形成工程後、前記液層の一端側から前記絶縁部材の表面電荷が前記金属コロイド粒子の電荷と反対符号となるようにすることが可能な電荷調製液を拡散させる。これにより、静電引力によって前記絶縁部材上に金属コロイド結晶の一層分一端側から徐々に吸着していく。このため、絶縁部材上に金属コロイド粒子が規則正しく一定の距離で並んだ、より欠陥の少ない2次元的な荷電金属コロイド結晶が構築される。 According to this method, colloidal crystallization of the charged colloidal dispersion gradually grows from one end side due to the diffusion phenomenon in the liquid layer forming step, so colloidal crystals with fewer defects are present in the liquid layer. Further, as a single layer structure growth step, after the liquid layer forming step, the surface charge of the insulating member from one end side of the liquid layer can be made opposite in sign to the charge of the metal colloid particles. Allow the preparation to spread. As a result, each layer of the metal colloid crystal is gradually attracted onto the insulating member from one end side by electrostatic attraction. As a result, a two-dimensional charged metal colloid crystal with fewer defects, in which the metal colloid particles are regularly arranged at a constant distance on the insulating member, is constructed.

本発明のSPR測定用基板の製造方法では、絶縁部材は、金属皮膜上に絶縁膜が形成されているものを用いることにより、MIM(metal-insulator-metal)構造を金属皮膜上に形成させることができる。 In the method for manufacturing a substrate for SPR measurement of the present invention, the insulating member is formed by forming an insulating film on a metal film, thereby forming an MIM (metal-insulator-metal) structure on the metal film. can be done.

正電荷を有する絶縁部材として、正に荷電する解離基を持つシランカップリング剤で修飾したシリカ膜や、正電荷を有する高分子の吸着により形成される膜を用いることができる。例えば、アミノプロピル基を有するシランカップリング剤で修飾したシリカ膜や、ポリエチレンイミン及びポリ(2-ビニルピリジン)の吸着により形成される膜より選ばれる少なくとも1種の絶縁膜とすることができる。本発明者らはこれらの絶縁膜を形成させることにより、確実にSPR測定用基板を作製できることを確認している。
また、負電荷を有する絶縁部材として、負電荷を有する高分子の吸着により形成される膜を用いることができる。絶縁皮膜に負電荷を与えるためにはポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸などアニオン性高分子電解質の吸着、シラノール基など負荷電の導入が利用できる。
As the positively charged insulating member, a silica film modified with a silane coupling agent having a positively charged dissociative group, or a film formed by adsorption of a positively charged polymer can be used. For example, at least one insulating film selected from a silica film modified with a silane coupling agent having an aminopropyl group and a film formed by adsorption of polyethyleneimine and poly(2-vinylpyridine) can be used. The inventors have confirmed that the SPR measurement substrate can be reliably produced by forming these insulating films.
Further, as the negatively charged insulating member, a film formed by adsorption of a negatively charged polymer can be used. Adsorption of anionic polymer electrolytes such as polyacrylic acid and polystyrenesulfonic acid and introduction of negative charges such as silanol groups can be used to impart a negative charge to the insulating film.

また、絶縁部材の電荷と反対符号の電荷を有する金属コロイド粒子は、荷電コロイド結晶を形成するのに十分多量の電荷を表面に有することが好ましい。例えば、金属コロイド粒子に負電荷を与えたい場合には、メルカプト基と荷電基(スルホン酸基など)を有する化合物(例えばメルカプトエタンスルホン酸)を用いて、そのメルカプト基を金属表面に結合させて荷電基を粒子表面に導入する。メルカプト基は金等の金属と強固な化学結合を形成するためである。一方、金属コロイド粒子に正電荷を与えたい場合には、チオール基と正電荷とを有する化合物(例えばアミノエタンチオール塩酸塩)による表面修飾によって行うことができる。 Also, the colloidal metal particles having a charge opposite in sign to the charge of the insulating member preferably have a sufficiently large amount of charge on the surface to form a charged colloidal crystal. For example, when it is desired to give a negative charge to a metal colloid particle, a compound (for example, mercaptoethanesulfonic acid) having a mercapto group and a charged group (such as a sulfonic acid group) is used, and the mercapto group is bound to the metal surface. Charged groups are introduced onto the particle surface. This is because the mercapto group forms a strong chemical bond with a metal such as gold. On the other hand, when it is desired to impart a positive charge to the metal colloid particles, the surface can be modified with a compound having a thiol group and a positive charge (for example, aminoethanethiol hydrochloride).

また、前記金属皮膜は、絶縁基板上に製膜された金属皮膜とすることができる。この絶縁基板としては、例えばガラス基板やセラミック基板等が挙げられる。 Also, the metal film may be a metal film formed on an insulating substrate. Examples of the insulating substrate include a glass substrate and a ceramic substrate.

また、前記金属皮膜は、膜厚が1nm以上100nm以下であることが好ましい。膜厚が100nmを以下であれば、局在型の表面プラズモンの励起による電場の強さが強くなるため、MIM型SPR測定における感度が高くなる。また、膜厚が1nm以上であれば、金属皮膜にピンホールが生じる可能性が低くなる。 Moreover, it is preferable that the metal film has a film thickness of 1 nm or more and 100 nm or less. If the film thickness is 100 nm or less, the intensity of the electric field due to the excitation of the localized surface plasmon becomes strong, so the sensitivity in the MIM type SPR measurement becomes high. Also, if the film thickness is 1 nm or more, the possibility that pinholes are formed in the metal film is reduced.

また、金属粒子の粒子径の変動係数は20%以下であることが好ましい。粒子径の変動係数が20%以下であれば、コロイド結晶構造がより形成され易くなる。なお、ここで粒子径の変動係数(CV)とは、(粒子径の標準偏差×100/平均粒子径)の値をいい、さらに好ましくは15%以下、さらに好ましくは10%以下、最も好ましくは約5%以下である。 Also, the coefficient of variation of the particle size of the metal particles is preferably 20% or less. If the coefficient of variation of particle size is 20% or less, the colloidal crystal structure is more likely to be formed. Here, the coefficient of variation (CV) of particle size refers to the value of (standard deviation of particle size x 100/average particle size), more preferably 15% or less, more preferably 10% or less, and most preferably about 5% or less.

また、前記金属粒子は、平均粒子径が50nm以上500nm以下であることが好ましい。金属粒子の平均粒子径が500nmを以下であれば、液体媒体中での沈降速度が遅く、3次元結晶がより生成し易くなる。また、金属粒子の平均粒子径が50nm以上であれば、熱運動がそれほど激しくないため、荷電コロイド結晶がより生成し易くなる。 Moreover, it is preferable that the metal particles have an average particle diameter of 50 nm or more and 500 nm or less. If the average particle diameter of the metal particles is 500 nm or less, the sedimentation velocity in the liquid medium will be low, making it easier to form three-dimensional crystals. Also, if the average particle size of the metal particles is 50 nm or more, the thermal motion is not so vigorous, so that charged colloidal crystals are more likely to be generated.

また、前記表面形成工程を行う前に、前記絶縁膜をアルカリ処理することが好ましい。絶縁膜をアルカリ処理することによって0基が絶縁膜に形成され、これが空気中の炭酸イオンによって時間の経過と共に徐々に中和され、徐々に表面電荷が正側に大きくなる。このため、表面形成工程における2次元荷電金属コロイド結晶の成長がゆっくりとなり、欠陥の少ない2次元荷電金属コロイド結晶が形成される。 Further, it is preferable to subject the insulating film to an alkali treatment before performing the surface forming step. By treating the insulating film with an alkali, 0 groups are formed in the insulating film, which are gradually neutralized by carbonate ions in the air with the lapse of time, and the surface charge gradually increases to the positive side. Therefore, the growth of the two-dimensional charged metal colloidal crystal in the surface forming step is slowed down, and the two-dimensional charged metal colloidal crystal with few defects is formed.

本発明のSPR測定用基板の製造方法を用いることにより、金属粒子の配置を制御するための複雑なパターン形成技術を必要とせず、製造が容易であり、且つ、検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーを構築することができる。
すなわち、本発明のSPR測定用基板は、
絶縁性基板上に金属層と絶縁層とがこの順で構成されており、前記絶縁層上に金属粒子からなる単層の金属コロイド結晶が形成されており、
前記金属粒子の平均粒子径が50nm以上500nm以下であり、前記金属粒子の間隔が50nm以上1000nm以下であることを特徴とする。
By using the method for manufacturing a substrate for SPR measurement of the present invention, it is possible to easily manufacture a localized type substrate with high detection sensitivity without requiring a complicated pattern forming technique for controlling the arrangement of metal particles. A surface plasmon sensor can be constructed.
That is, the substrate for SPR measurement of the present invention is
A metal layer and an insulating layer are formed in this order on an insulating substrate, and a single-layer metal colloidal crystal made of metal particles is formed on the insulating layer,
The average particle diameter of the metal particles is 50 nm or more and 500 nm or less, and the distance between the metal particles is 50 nm or more and 1000 nm or less.

非特許文献1に記載されているMIM(metal-insulator-metal)型のSPR測定用基板の模式図(左側)及びファノ共鳴による吸光効果を示すグラフ(右側)である。1 is a schematic diagram (left side) of a metal-insulator-metal (MIM) substrate for SPR measurement described in Non-Patent Document 1, and a graph (right side) showing the light absorption effect due to Fano resonance. 実施形態1のSPR測定用基板の製造工程を示した模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the substrate for SPR measurement of Embodiment 1; 正電荷を有する絶縁部材1上に負電荷を有する荷電コロイド結晶分散液2を接触させ、静電引力によってコロイド結晶格子の一層だけを絶縁部材1に吸着させることを示した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing that a charged colloidal crystal dispersion 2 having a negative charge is brought into contact with an insulating member 1 having a positive charge, and only one layer of the colloidal crystal lattice is attracted to the insulating member 1 by electrostatic attraction. 実施形態2のMIM型SPR測定用基板の製造工程を示した模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the substrate for MIM type SPR measurement of Embodiment 2; 実施形態3のSPR測定用基板の製造工程を示した模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the substrate for SPR measurement of Embodiment 3; 実施形態3のSPR測定用基板の製造工程における液層形成工程S32において、コロイド結晶化液14をメンブランフィルター11を介して液層14内を拡散させる方法を示した模式断面図である。10 is a schematic cross-sectional view showing a method of diffusing the colloidal crystallization liquid 14 in the liquid layer 14 via the membrane filter 11 in the liquid layer forming step S32 in the manufacturing process of the substrate for SPR measurement of Embodiment 3. FIG. 金蒸着ガラス板をMEPTMS及びAPTESで処理した時の状態を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the state when a gold-deposited glass plate is treated with MEPTMS and APTES. 金コロイド粒子の表面がMPSで修飾された状態の荷電金コロイド粒子を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing charged colloidal gold particles whose surfaces are modified with MPS. 実施例1のMIM型SPR測定用基板の光学顕微鏡写真である。2 is an optical microscope photograph of the substrate for MIM-type SPR measurement of Example 1. FIG. 実施例1のMIM型SPR測定用基板の模式斜視図である。1 is a schematic perspective view of a substrate for MIM-type SPR measurement of Example 1. FIG. 実施例1のMIM型SPR測定用基板の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a substrate for MIM-type SPR measurement of Example 1. FIG. 実施例4のMIM型SPR測定用基板の光学顕微鏡写真である。10 is an optical micrograph of the substrate for MIM-type SPR measurement of Example 4. FIG. コロイド結晶の模式図である。1 is a schematic diagram of a colloidal crystal; FIG. 実施例3のMIM型SPR測定用基板についての動径分布関数g(r)(左側)及び隣接する金コロイド粒子の模式図(右側)である。FIG. 10 is a schematic diagram of a radial distribution function g(r) (left side) and adjacent colloidal gold particles (right side) for the substrate for MIM-type SPR measurement of Example 3; 実施例2のMIM型SPR測定用基板及び金蒸着されたガラス基板についての屈折率の測定結果である。4 shows the results of refractive index measurement of the substrate for MIM-type SPR measurement and the gold-deposited glass substrate of Example 2. FIG. 実施例3のMIM型SPR測定用基板及び比較例1の基板上についての屈折率の測定結果である。4 shows the measurement results of the refractive index on the substrate for MIM type SPR measurement of Example 3 and the substrate of Comparative Example 1. FIG. 参考例1のシリカ結晶吸着基板(NaOH処理あり)の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of a silica crystal adsorption substrate (with NaOH treatment) of Reference Example 1. FIG. 参考例2のシリカ結晶吸着基板(NaOH処理なし)の光学顕微鏡写真である。4 is an optical microscope photograph of a silica crystal adsorption substrate (without NaOH treatment) of Reference Example 2. FIG. APTESで処理したシリカコート金蒸着ガラス板の電荷数制御の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of charge number control of a silica-coated gold-deposited glass plate treated with APTES. 拡散装置20の模式断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of a diffusion device 20; FIG. 実施例5のSPR測定用基板の電子顕微鏡写真である。10 is an electron micrograph of the substrate for SPR measurement of Example 5. FIG.

(実施形態1)
実施形態1は、第1発明のSPR測定用基板の製造方法である。図2にその製造工程を示した模式図を示す。以下、図2に従って説明する。
<絶縁部材準備工程S11>
まず絶縁部材1を準備する。絶縁部材1としては、例えば絶縁性のガラス基板やセラミック基板を用いることができる。これらの絶縁部材1は、通常シラノール基に起因する負の表面電位を有しているが、アミノプロピルトリエトキシシラン等のシランカップリング剤を用いてアミノ基を修飾させたり、ポリエチレンイミンやポリ(2-ビニルピリジン)等のカチオン基を有する高分子を表面に吸着させたりして、表面電位を正とすることもできる。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 is a method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to the first invention. FIG. 2 shows a schematic diagram showing the manufacturing process thereof. Description will be made below with reference to FIG.
<Insulating member preparation step S11>
First, the insulating member 1 is prepared. As the insulating member 1, for example, an insulating glass substrate or a ceramic substrate can be used. These insulating members 1 usually have a negative surface potential due to silanol groups. 2-Vinylpyridine) or other polymer having a cationic group may be adsorbed on the surface to make the surface potential positive.

<コロイド結晶分散液調製工程S12>
一方、コロイド結晶分散液調製工程S12として、負(又は正)電荷を有する金属コロイド粒子からなる荷電コロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液2を調製しておく。例えば、金等の金属コロイド分散液に、金属と結合する官能基(例えばメルカプト基等)及び負電荷を形成する官能基(例えばスルホン酸基やカルボン酸基等)を有する化合物(例えば、3-メルカプト-1-プロパンスルホン酸ナトリウム(MPS)等)を添加する。そして、イオン交換樹脂を添加するなどして不純物イオンを除去すると、粒子間の静電斥力が十分強くなり、分散液中で荷電コロイド結晶構造が形成され、金属コロイド粒子が所定の間隔で配列した荷電コロイド結晶分散液2が調製される。
<Colloidal crystal dispersion preparation step S12>
On the other hand, in the colloidal crystal dispersion preparation step S12, a charged colloidal crystal dispersion 2 is prepared in which charged colloidal crystals composed of metal colloid particles having a negative (or positive) charge are dispersed in a dispersion medium. For example, in a colloidal dispersion of gold or the like, a compound (e.g., 3- Sodium mercapto-1-propanesulfonate (MPS), etc.) is added. When impurity ions are removed by adding an ion exchange resin, etc., the electrostatic repulsive force between the particles becomes sufficiently strong, a charged colloidal crystal structure is formed in the dispersion liquid, and the metal colloidal particles are arranged at predetermined intervals. A charged colloidal crystal dispersion 2 is prepared.

<表面形成工程S13>
そして、表面形成工程S13として、正(又は負)電荷を有する絶縁部材1上に負(又は正)に荷電コロイド結晶分散液を接触させて、静電引力によって、コロイド結晶格子の一層だけを絶縁部材1に吸着させた後(図3参照)、水等の溶媒で洗浄して余分な荷電コロイド結晶分散液を洗い流す。こうして、絶縁部材1上に金属粒子3からなる2次元荷電金属コロイド結晶が形成された実施形態1のSPR測定用基板が調製される。
実施形態1の製造方法によれば、2次元荷電コロイド結晶の形成により、複雑なパターン形成技術を用いなくても、金属粒子の配置を制御することができるため、製造が容易であり、且つ、検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーを構築することができる。
<Surface forming step S13>
Then, in the surface forming step S13, the negatively (or positively) charged colloidal crystal dispersion is brought into contact with the positively (or negatively) charged insulating member 1, and only one layer of the colloidal crystal lattice is insulated by electrostatic attraction. After being adsorbed to the member 1 (see FIG. 3), it is washed with a solvent such as water to wash away excess charged colloidal crystal dispersion. In this way, the substrate for SPR measurement of Embodiment 1, in which the two-dimensional charged metal colloidal crystals composed of the metal particles 3 are formed on the insulating member 1, is prepared.
According to the manufacturing method of Embodiment 1, the arrangement of metal particles can be controlled by forming two-dimensional charged colloidal crystals without using a complicated pattern forming technique, so manufacturing is easy, and A localized surface plasmon sensor with high detection sensitivity can be constructed.

(実施形態2)
実施形態2はMIM型のSPR測定用基板の製造方法である。その製造工程を示した模式図を図4に示す。以下、図4に従って説明する。
<絶縁膜形成工程S21>
絶縁性のガラスやセラミック等からなる基板5上に蒸着やスパッタリングや化学めっき等の手法によって金属膜6を形成した金属膜基板7を用意する。金属膜の種類としては、強いプラズモン共鳴を示し得る金等の貴金属が好適である。また、金属膜の厚さは、表面プラズモンを効率よく発生させることが可能な厚さ(具体的には1~100nm)とすることが好ましい。そして、金属膜基板7上に正(又は負)電荷を有する絶縁膜8を形成した絶縁膜付金属基板9を作製する。正電荷を有する絶縁膜8としては、例えば金等の金属上にメルカプト基を有するシランカップリング剤を用いてシリカ層を形成させた上で、シリカ層に第二のシランカップリング剤を用いてアミノ基を結合させたり、または、ポリエチレンイミンやポリ(2-ビニルピリジン)等のカチオン基を有する高分子を表面に吸着させたりして形成することができる。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 is a method for manufacturing an MIM type substrate for SPR measurement. FIG. 4 shows a schematic diagram showing the manufacturing process thereof. Description will be made below with reference to FIG.
<Insulating film forming step S21>
A metal film substrate 7 is prepared by forming a metal film 6 on a substrate 5 made of insulating glass, ceramic, or the like by vapor deposition, sputtering, chemical plating, or the like. As the type of metal film, a noble metal such as gold that can exhibit strong plasmon resonance is suitable. Moreover, the thickness of the metal film is preferably set to a thickness (specifically, 1 to 100 nm) that allows efficient generation of surface plasmons. Then, a metal substrate 9 with an insulating film is produced by forming an insulating film 8 having a positive (or negative) charge on the metal film substrate 7 . As the insulating film 8 having a positive charge, for example, a silica layer is formed on a metal such as gold using a silane coupling agent having a mercapto group, and then the silica layer is coated with a second silane coupling agent. It can be formed by bonding an amino group or by adsorbing a polymer having a cationic group such as polyethyleneimine or poly(2-vinylpyridine) on the surface.

<コロイド結晶分散液調製工程S22>
一方、コロイド結晶分散液調製工程S22として、実施形態1のコロイド結晶分散液調製工程S12と同様にして、負(又は正)電荷を有する金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液2を調製しておく。
<Colloidal crystal dispersion preparation step S22>
On the other hand, as the colloidal crystal dispersion preparation step S22, in the same manner as in the colloidal crystal dispersion preparation step S12 of Embodiment 1, a charged colloid in which colloidal crystals composed of metal colloid particles having a negative (or positive) charge are dispersed in a dispersion medium A crystal dispersion liquid 2 is prepared.

<表面形成工程S23>
そして、表面形成工程S23として、荷電コロイド結晶分散液2を絶縁膜付金属基板9上に滴下して、負電荷を有する金属コロイド粒子10を静電引力によって、結晶格子の一層だけを吸着させた後、水等の溶媒で洗浄して余分な荷電コロイド結晶分散液2を洗い流す。こうして、実施形態2のMIM型SPR測定用基板が調製される。実施形態2のMIM型SPR測定用基板では、金属皮膜の伝搬型プラズモンと金属粒子の局在プラズモンの間に「ファノ共鳴」と呼ばれる共鳴現象が生じ、これによって吸収スペクトルピークの形状が、波長変化によって強度が鋭敏に変化するような形状(鋸歯状)になることから、さらに高感度なセンサーを構築することができる。
<Surface forming step S23>
Then, in the surface forming step S23, the charged colloidal crystal dispersion liquid 2 was dropped onto the metal substrate 9 with an insulating film, and the negatively charged metal colloidal particles 10 were attracted to only one layer of the crystal lattice by electrostatic attraction. After that, the excess charged colloidal crystal dispersion 2 is washed away by washing with a solvent such as water. Thus, the substrate for MIM type SPR measurement of Embodiment 2 is prepared. In the MIM SPR measurement substrate of Embodiment 2, a resonance phenomenon called “Fano resonance” occurs between the propagating plasmons of the metal film and the localized plasmons of the metal particles, and this causes the shape of the absorption spectrum peak to change in wavelength. Since the shape (sawtooth shape) is such that the intensity changes sharply depending on the angle, it is possible to construct a sensor with even higher sensitivity.

(実施形態3)
実施形態3は第2発明のSPR測定用基板の製造方法である。すなわち、この方法では、絶縁部材上に荷電コロイド結晶分散液からなる液層を形成させておき、液層の一端側から電荷調製液を拡散させることによって、金属コロイド結晶の単層構造(すなわち、2次元荷電金属コロイド結晶)を成長させてSPR測定用基板を製造する。製造工程図を示した模式図を図5に示す。以下、図5に従って説明する。
<絶縁部材準備工程S31>
絶縁部材11として、実施形態1の場合と同様のガラス基板やセラミック基板からなる表面処理絶縁部材11aおよび表面処理をしていないガラス基板やセラミック基板からなる無処理絶縁部材11bの2枚準備し、図示しないスペーサを介して一定の距離を保ちながら平行に対面させる。さらに、平行して対面する表面処理絶縁部材11a及び無処理絶縁部材11b(ただし、下側が表面処理絶縁部材11a)の一端側にメンブランフィルター12を挿入する。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 is a method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to the second invention. That is, in this method, a liquid layer composed of a charged colloidal crystal dispersion is formed on an insulating member, and a single layer structure of metal colloidal crystals (that is, a monolayer structure of metal colloidal crystals) is formed by diffusing the charge preparation liquid from one end of the liquid layer. A two-dimensional charged metal colloidal crystal) is grown to manufacture a substrate for SPR measurement. FIG. 5 shows a schematic diagram showing a manufacturing process diagram. Description will be made below with reference to FIG.
<Insulating member preparation step S31>
As the insulating members 11, two sheets of a surface-treated insulating member 11a made of a glass substrate or a ceramic substrate similar to the case of the first embodiment and an untreated insulating member 11b made of a glass substrate or a ceramic substrate without surface treatment were prepared, They face each other in parallel while maintaining a constant distance via spacers (not shown). Furthermore, the membrane filter 12 is inserted into one end side of the surface-treated insulating member 11a and the non-treated insulating member 11b (where the lower side is the surface-treated insulating member 11a) facing in parallel.

<液層形成工程S32>
そして、液層形成工程S32として、荷電コロイド結晶分散液からなる液層13を形成させる。このための方法として、次の2つの方法が例示できる。
(方法1)
実施形態1で使用した、正(又は負)電荷を有する金属コロイド粒子からなる荷電コロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液を調製する。そして、2枚の絶縁部材11の隙間に荷電コロイド結晶分散液を充填する。こうして、2枚の絶縁部材11の隙間に荷電コロイド結晶分散液からなる液層13を形成させる。
(方法2)
方法2の液層形成工程S32は、以下に示す3つの工程からなる。
・第1液層形成工程S321
正(又は負)電荷を有する金属コロイド粒子が溶媒に分散した金属コロイド分散液を調製する(この分散液において金属コロイド粒子はコロイド結晶化していない)。
・第2液層形成工程S322
次に、2枚の絶縁部材11の隙間に金属コロイド分散液を充填する。
・第3液層形成工程S323
そして、図6に示すように、メンブランフィルター12側をリザーバータンク14に接続する。ここで、リザーバータンク14には金属コロイド分散液をコロイド結晶化させることが可能なコロイド結晶化液15が貯留されているため、コロイド結晶化液はメンブランフィルター12を介して液層13内を拡散する。このため、液層13中の金属コロイド分散液はメンブランフィルター12側から他端側に向かってコロイド結晶化する。
<Liquid Layer Forming Step S32>
Then, in the liquid layer forming step S32, the liquid layer 13 made of the charged colloidal crystal dispersion is formed. As a method for this purpose, the following two methods can be exemplified.
(Method 1)
A charged colloidal crystal dispersion liquid is prepared in which charged colloidal crystals composed of metal colloidal particles having a positive (or negative) charge are dispersed in a dispersion medium as used in the first embodiment. Then, the gap between the two insulating members 11 is filled with the charged colloidal crystal dispersion. Thus, the liquid layer 13 made of the charged colloidal crystal dispersion is formed in the gap between the two insulating members 11 .
(Method 2)
The liquid layer forming step S32 of Method 2 consists of the following three steps.
・First liquid layer forming step S321
A metal colloidal dispersion is prepared in which positively (or negatively) charged metal colloidal particles are dispersed in a solvent (in this dispersion, the metal colloidal particles are not colloidally crystallized).
・Second liquid layer forming step S322
Next, the gap between the two insulating members 11 is filled with the metal colloidal dispersion.
・Third liquid layer forming step S323
Then, as shown in FIG. 6, the membrane filter 12 side is connected to the reservoir tank 14 . Here, since the colloidal crystallized liquid 15 capable of colloidally crystallizing the metal colloidal dispersion is stored in the reservoir tank 14 , the colloidal crystallized liquid diffuses in the liquid layer 13 through the membrane filter 12 . do. Therefore, the metal colloidal dispersion in the liquid layer 13 colloidally crystallizes from the membrane filter 12 side toward the other end side.

<単層構造成長工程S33>
次に、図5に示すように、平行して対面する表面処理絶縁部材11a及び無処理絶縁部材11b(ただし、下側が表面処理絶縁部材11a)のメンブランフィルター12側をリザーバータンク16に接続する。ここで、リザーバータンク16には、絶縁部材の表面電荷が前記金属コロイド粒子の電荷と反対符号となるようにすることが可能な電荷調製液17が貯留されており、電荷調製液17はメンブランフィルター12を介して液層15内を拡散する。このため、液層15内の金属コロイド粒子はメンブランフィルター12側から徐々に静電引力によって荷電コロイド結晶の一層分が表面処理絶縁部材11a上に吸着する。その結果、所定の格子間隔で並んだ2次元荷電金属コロイド結晶18が形成される。こうして、形成される2次元荷電金属コロイド結晶18は、拡散によって徐々に成長することから、より欠陥の少ない2次元コロイド結晶となるため、さらに検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーとなる。
<Single layer structure growth step S33>
Next, as shown in FIG. 5, the membrane filter 12 side of the surface-treated insulating member 11a and the non-treated insulating member 11b facing in parallel (where the surface-treated insulating member 11a is on the lower side) is connected to the reservoir tank 16. As shown in FIG. Here, a reservoir tank 16 stores a charge preparation liquid 17 capable of making the surface charge of the insulating member opposite in sign to the charge of the metal colloid particles, and the charge preparation liquid 17 is a membrane filter. 12 and diffuses in the liquid layer 15 . Therefore, the metal colloid particles in the liquid layer 15 are gradually adsorbed onto the surface-treated insulating member 11a by electrostatic attraction from the membrane filter 12 side. As a result, two-dimensional charged metal colloidal crystals 18 arranged at predetermined lattice intervals are formed. The two-dimensional charged metal colloidal crystal 18 formed in this way grows gradually by diffusion, so that it becomes a two-dimensional colloidal crystal with fewer defects, resulting in a localized surface plasmon sensor with even higher detection sensitivity.

以下、本発明をさらに具体化した実施例について比較例と比較しつつ説明する。
(実施例1)
実施例1では次のようにしてMIM型SPR測定用基板を作製した。
・絶縁部材準備工程
ガラス基板上に金の蒸着層が形成された金蒸着ガラス板(ケニス株式会社製)を用意し、濃硫酸中に一晩以上浸して洗浄した後、Milli-Q水製造装置によって調製した純水(以下「Milli-Q水」という)で洗浄し、Milli-Q水中に保存した。こうして洗浄された金蒸着ガラス板を3-Mercaptopropyltrimethoxysilane(MEPTMS)の40μMメタノール溶液に3時間浸漬して、ガラス上にMEPTMSを修飾させた(図7(a)参照)。この基板を、0.01MのNaOH水溶液に2時間浸して、シリカ皮膜を形成させた。次に、3-Aminopropyltriethoxysilane(APTES)の1%溶液(溶媒:90%EtOH水溶液)に、MEPTMSで処理をした金蒸着ガラス基板を1時間浸漬した(図7(b)参照)。その後、金蒸着ガラス基板を取り出し、EtOHで表面を軽くすすいだ後、80℃のオーブンにて乾燥させた。こうして、金蒸着膜上に正電荷を有する絶縁膜を作製した。
EXAMPLES Hereinafter, examples in which the present invention is further embodied will be described in comparison with comparative examples.
(Example 1)
In Example 1, a substrate for MIM type SPR measurement was produced as follows.
・Insulating member preparation process Prepare a gold-deposited glass plate (manufactured by Kenis Co., Ltd.) in which a gold vapor-deposited layer is formed on a glass substrate. (hereinafter referred to as “Milli-Q water”) and stored in Milli-Q water. The gold-deposited glass plate thus washed was immersed in a 40 μM methanol solution of 3-Mercaptopropyltrimethoxysilane (MEPTMS) for 3 hours to modify the glass with MEPTMS (see FIG. 7(a)). This substrate was immersed in a 0.01 M NaOH aqueous solution for 2 hours to form a silica film. Next, the gold-deposited glass substrate treated with MEPTMS was immersed in a 1% solution of 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) (solvent: 90% EtOH aqueous solution) for 1 hour (see FIG. 7B). After that, the gold-deposited glass substrate was taken out, and after lightly rinsing the surface with EtOH, it was dried in an oven at 80°C. In this way, an insulating film having a positive charge was produced on the deposited gold film.

・コロイド結晶分散液調製工程
負電荷を有する金コロイド粒子が分散媒に分散した荷電コロイド分散液を、以下の手順で調製した。すなわち、まず遠沈管(Corning Life Sciences)にMilli-Q水3.92mLと、3-メルカプト-1-プロパンスルホン酸ナトリウム(MPS, Lot.#STBF3994V, Sigma-Aldrich社製) 0.05M溶液0.08 mLとを入れ、5分間の超音波処理を行い分散させた。そして、この溶液に富士化学株式会社製の「ハウトフォームAMS-Au」 (単分散金コロイド 粒子径244nm、粒子径の変動係数 12%, 1.3wt%, Lot.1701)を4 mLを加え、10分間の超音波処理を行い、遠心分離(1000 rpm,30分)を行い、負電荷としてスルホン酸基を有する金コロイド粒子(図8参照)を沈降させた。さらに、上澄み液を取り除いた後、新たに超純水を加え、超音波で分散させて遠心分離(1000 rpm,30分)を行う操作を3回繰り返し、水洗した。こうして金コロイド粒子表面をMPSで修飾後、イオン交換樹脂AG501-X8(D)型mixed(Bio-Rad Labs,CA,U.S.A)によって1日以上精製したところ、金コロイド粒子が規則正しく配列した、コロイド結晶が溶媒中に分散しているコロイド結晶分散液が得られた。
• Colloidal Crystal Dispersion Preparation Step A charged colloidal dispersion in which gold colloid particles having a negative charge are dispersed in a dispersion medium was prepared by the following procedure. First, 3.92 mL of Milli-Q water and 0.08 mL of a 0.05 M solution of sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate (MPS, Lot. #STBF3994V, manufactured by Sigma-Aldrich) were added to a centrifuge tube (Corning Life Sciences). It was dispersed by ultrasonic treatment for 5 minutes. Then, 4 mL of "Houtform AMS-Au" manufactured by Fuji Chemical Co., Ltd. (monodisperse gold colloid particle size: 244 nm, coefficient of variation of particle size: 12%, 1.3 wt%, Lot.1701) was added to this solution. Ultrasonic treatment was performed for 1 minute and centrifugation (1000 rpm, 30 minutes) was performed to precipitate colloidal gold particles having a sulfonic acid group as a negative charge (see FIG. 8). Furthermore, after removing the supernatant liquid, ultrapure water was newly added, and the operation of ultrasonically dispersing and centrifuging (1000 rpm, 30 minutes) was repeated three times, followed by washing with water. After modifying the colloidal gold particle surface with MPS in this way, it was purified with ion-exchange resin AG501-X8(D) type mixed (Bio-Rad Labs, CA, USA) for more than one day. A colloidal crystal dispersion was obtained in which was dispersed in the solvent.

・表面形成工程
絶縁部材準備工程によって金蒸着膜上に正電荷を有する絶縁膜を形成した基板の表面にイオン交換樹脂で精製したエチレングリコール(EG)の60%水溶液膜を少量滴下し、カバーガラス等で液を展開し自然乾燥させた後、コロイド結晶分散液調製工程で得られた荷電金コロイド結晶分散液を滴下し、10分間静置させた後、Milli-Q水で表面を洗浄しMilli-Q水中で保存した。こうして、実施例1のMIM型SPR測定用基板を得た。
・Surface formation process A small amount of a 60% aqueous solution of ethylene glycol (EG) purified with an ion exchange resin is dropped onto the surface of the substrate on which an insulating film with a positive charge is formed on the gold deposition film in the insulating material preparation process, and the cover glass is coated. After the liquid was developed and allowed to dry naturally, the charged colloidal gold crystal dispersion obtained in the colloidal crystal dispersion preparation process was dropped and allowed to stand for 10 minutes. -Q Stored in water. Thus, the substrate for MIM type SPR measurement of Example 1 was obtained.

(実施例2)
実施例2では、実施例1の絶縁部材準備工程において用いた3-Mercaptopropyltrimethoxysilane(MEPTMS)及び3-Aminopropyltriethoxysilane(APTES)の替りに、ポリエチレンイミンを用いた。
すなわち、ガラス基板上に金の蒸着層が形成された金蒸着ガラス板(ケニス株式会社製)を用意し、表面を濃硫酸で洗浄した後、ポリエチレンイミン P-70 (PEI, Lot.AWK3770,富士フイルム和光純薬株式会社製)の0.07wt%水溶液に浸漬し、1分間程度振とうさせた後、Milli-Q水中で1日振とうし、Milli-Q水中で保存した。
その他の工程については実施例1と同様であり、説明を省略する。
(Example 2)
In Example 2, instead of 3-Mercaptopropyltrimethoxysilane (MEPTMS) and 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) used in the insulating member preparation step of Example 1, polyethyleneimine was used.
That is, a gold-evaporated glass plate (manufactured by Kenis Co., Ltd.) having a gold vapor-deposited layer formed on a glass substrate was prepared, and the surface was washed with concentrated sulfuric acid. (manufactured by Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), shaken for about 1 minute, shaken in Milli-Q water for 1 day, and stored in Milli-Q water.
Other steps are the same as in Example 1, and description thereof is omitted.

(実施例3)
実施例3では、実施例2の絶縁部材準備工程におけるポリエチレンイミンの替りにポリ(2-ビニルピリジン)を用いた。
すなわち、ガラス基板上に金の蒸着層が形成された金蒸着ガラス板(ケニス株式会社製)を用意し、表面を濃硫酸で洗浄した後、ポリ(2-ビニルピリジン)の2wt%水溶液に浸漬し、1分程度振とうさせた後、Milli-Q水中で1日振とうし、Milli-Q水中で保存した。
その他の工程については実施例1及び実施例2と同様であり、説明を省略する。
(Example 3)
In Example 3, poly(2-vinylpyridine) was used in place of polyethyleneimine in the insulating member preparation step of Example 2.
That is, a gold-evaporated glass plate (manufactured by Kenis Co., Ltd.) in which a gold vapor-deposited layer is formed on a glass substrate is prepared, the surface is washed with concentrated sulfuric acid, and then immersed in a 2 wt% aqueous solution of poly(2-vinylpyridine). After shaking for about 1 minute, it was shaken in Milli-Q water for 1 day and stored in Milli-Q water.
Other steps are the same as those in Examples 1 and 2, and description thereof is omitted.

(実施例4)
実施例4では、実施例1と同様の方法により金蒸着ガラス板をMPTESでコートし、さらにその表面をAPTESで修飾した基板を用いた後、さらに、0.01M NaOHに浸漬して基板を処理し、水洗した後、金コロイド結晶を吸着させた(すなわち、金コロイド結晶を吸着させる前に0.01M NaOHで基板を処理することのみが実施例1と異なる)。
(Example 4)
In Example 4, a gold-deposited glass plate was coated with MPTES in the same manner as in Example 1, and the surface was modified with APTES. After washing with water, colloidal gold crystals were adsorbed (that is, the only difference from Example 1 was that the substrate was treated with 0.01 M NaOH before adsorbing colloidal gold crystals).

(比較例1)
比較例1では、実施例3におけるポリ(2-ビニルピリジン)による絶縁皮膜の形成を、金を蒸着しないガラス基板に対して行い、金コロイド粒子の表面がMPSで修飾された荷電金コロイド分散液をガラス基板上に直接接触させて、ガラス上に金コロイド粒子を載せて、金粒子載置ガラス基板とした。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, the formation of an insulating film with poly(2-vinylpyridine) in Example 3 was performed on a glass substrate on which gold was not vapor-deposited, and a charged colloidal gold dispersion in which the surface of colloidal gold particles was modified with MPS was prepared. was brought into direct contact with a glass substrate, and colloidal gold particles were placed on the glass to obtain a gold particle-mounted glass substrate.

<評 価>
以上の様にして得られた実施例1、2、3及び4のMIM型SPR測定用基板及び比較例1の金粒子載置ガラス基板について、以下の評価を行った。
<Evaluation>
The MIM type SPR measurement substrates of Examples 1, 2, 3 and 4 and the gold particle-mounted glass substrate of Comparative Example 1 thus obtained were evaluated as follows.

(光学顕微鏡による観察)
実施例1のMIM型SPR測定用基板の光学顕微鏡写真を図9に示す。この写真から、金コロイド粒子が規則的に並んでコロイド結晶を形成していることが分かった。また、金コロイド粒子は顕微鏡観察における試料台の高さを有る一定の高さにしたときのみ観察されたことから、金コロイド粒子のコロイド結晶は一層のみからなる2次元コロイド結晶であることが分かった。すなわち、実施例1のMIM型SPR測定用基板は図10に示すように、金コロイド粒子が2次元的に規則的に並んで1層のみ析出していることが分かった。金コロイド結晶中の金コロイド粒子どうしは図11に示すように、負電荷を有する荷電コロイドから析出しているため、負の表面電位による静電的な反発力によってある程度の距離をおいて規則正しく並んでいる。これに対して、絶縁膜は正電荷を有しており、金粒子は負電荷を有しているため、金コロイド粒子は静電引力により絶縁膜にしっかりと吸着している。
(Observation with an optical microscope)
FIG. 9 shows an optical microscope photograph of the substrate for MIM type SPR measurement of Example 1. As shown in FIG. From this photograph, it was found that colloidal gold particles were regularly arranged to form colloidal crystals. In addition, the colloidal gold particles were observed only when the height of the sample stage in microscopic observation was set to a certain height, so it was found that the colloidal crystals of the gold colloidal particles were two-dimensional colloidal crystals consisting of only one layer. rice field. That is, as shown in FIG. 10, the gold colloidal particles were regularly arranged two-dimensionally in the substrate for MIM-type SPR measurement of Example 1, and only one layer was deposited. As shown in FIG. 11, the colloidal gold particles in the colloidal gold crystal are separated from each other by the charged colloid having a negative charge. I'm in. On the other hand, the insulating film has a positive charge and the gold particles have a negative charge, so the colloidal gold particles are firmly attached to the insulating film by electrostatic attraction.

また、実施例2のMIM型SPR測定用基板でも、同様に金粒子が2次元的に規則正しく並んだ2次元コロイド結晶を形成されていることが分かった。
さらに、実施例3のMIM型SPR測定用基板でも、金粒子が2次元的に規則正しく並んだ大きなコロイド単結晶を形成していることが分かった。
It was also found that the MIM-type SPR measurement substrate of Example 2 similarly formed two-dimensional colloidal crystals in which gold particles were regularly arranged two-dimensionally.
Furthermore, it was found that the MIM-type SPR measurement substrate of Example 3 also formed a large colloidal single crystal in which gold particles were regularly arranged two-dimensionally.

また、実施例4のMIM型SPR測定用基板では、図12に示すように、金粒子が2次元的に数mmの範囲で規則正しく並んだ大きなコロイド単結晶を形成しており、しかも、実施例1~3よりも欠陥が少ないことが分かった。このことから、金コロイド結晶を吸着させる前にNaOHで基板を処理することにより、より欠陥の少ない2次元コロイド結晶が形成されることが分かった。
その理由は以下のように考えられる。すなわち、NaOHで基板を処理することによりガラス基板に生じた0基が空気中の炭酸イオンによって時間の経過と共に徐々に中和されるため、徐々に表面電荷が正側に大きくなる。このため、ガラス基板をNaOH処理しなかった実施例1に比べて、金コロイド結晶の吸着がゆっくりとなり、欠陥が少なくなったものと推測される。なお、本発明者は、シリカ粒子の表面電位がアルカリである炭酸水素ナトリウム添加によってよっても経時的に電荷を制御できることを観測しており(非特許文献、Murai,Yamada,Yamanaka et al., Langmuir 2007, vol. 23, p. 7510-7517参照)。上記推測が正しいことが強く示唆される。
Further, in the substrate for MIM type SPR measurement of Example 4, as shown in FIG. It was found to have fewer defects than 1-3. From this, it was found that a two-dimensional colloidal crystal with fewer defects was formed by treating the substrate with NaOH before adsorbing the gold colloidal crystal.
The reason is considered as follows. That is, the 0 - groups generated on the glass substrate by treating the substrate with NaOH are gradually neutralized by carbonate ions in the air with the lapse of time, so that the surface charge gradually increases to the positive side. For this reason, compared with Example 1 in which the glass substrate was not treated with NaOH, it is presumed that the adsorption of gold colloidal crystals slowed down and the number of defects decreased. The present inventors have observed that the surface potential of silica particles can be controlled over time by adding sodium bicarbonate, which is alkaline (Non-Patent Documents, Murai, Yamada, Yamanaka et al., Langmuir 2007, vol. 23, p. 7510-7517). It is strongly suggested that the above guess is correct.

(動径分布関数の測定)
実施例3のMIM型SPR測定用基板について、以下の方法により動径分布関数g(r)を求めた。動径分布関数g(r)とは、ある粒子の中心から距離r の場所に他の粒子が存在する確率である。
(Measurement of radial distribution function)
For the substrate for MIM type SPR measurement of Example 3, the radial distribution function g(r) was obtained by the following method. The radial distribution function g(r) is the probability that another particle exists at a distance r from the center of a particle.

図13に示した円環の内部での粒子の密度は下記(1)式で与えられる。これを系の平均粒子密度ρ(単位面積当たりの粒子数)で割ることで、下記(2)式の動径分布関数g(r)が得られる。

Figure 0007253169000001
The density of particles inside the ring shown in FIG. 13 is given by the following equation (1). By dividing this by the average particle density ρ (the number of particles per unit area) of the system, the radial distribution function g(r) of the following equation (2) is obtained.
Figure 0007253169000001

顕微鏡画像について解析を行った結果、図14左側グラフに示す動径分布関数g(r)が得られた。このグラフはピーク形状が鋭く、半値幅が狭いことから、規則正しいコロイド結晶構造を形成していることが分かった。また、第一ピークの距離が最近接粒子間距離であることから、金コロイド粒子どうしの距離は420nm(図14右側模式図参照)であることが分かった。Lindemann ratio (LR)(すなわち、第一ピーク半値幅と最近接粒子間距離の比)は0.5であった。 As a result of analyzing the microscopic image, the radial distribution function g(r) shown in the left graph of FIG. 14 was obtained. Since this graph has a sharp peak shape and a narrow half width, it was found that a regular colloidal crystal structure was formed. Moreover, since the distance of the first peak is the distance between the closest particles, it was found that the distance between the colloidal gold particles was 420 nm (see the schematic diagram on the right side of FIG. 14). The Lindemann ratio (LR) (ie, the ratio of the first peak half-width to the nearest interparticle distance) was 0.5.

(MIM型SPR測定用基板による屈折率測定)
実施例2及び実施例3のMIM型SPR測定用基板について、エチレングリコール-水混合溶媒の屈折率測定を行った。
すなわち、アッベ屈折率計を用い、恒温水循環型の温度ジャケットを用いて20℃に保った屈折率計のステージに試料溶液を載せ、入射光の屈折角測定から、スネルの法則を用いて屈折率を求めた。水の屈折率は1.33、エチレングリコールの屈折率は1.45であり、エチレングリコール濃度を変化させて屈折率を調節した。
(Refractive index measurement by MIM type SPR measurement substrate)
For the MIM type SPR measurement substrates of Examples 2 and 3, the refractive index of an ethylene glycol-water mixed solvent was measured.
That is, using an Abbe refractometer, a sample solution is placed on the stage of the refractometer maintained at 20 ° C. using a constant temperature water circulation type temperature jacket, and the refractive index is calculated using Snell's law from the angle of refraction of incident light. asked for The refractive index of water is 1.33 and that of ethylene glycol is 1.45, and the refractive index was adjusted by changing the concentration of ethylene glycol.

実施例2のMIM型SPR測定用基板及び金蒸着されたガラス基板についての吸収波長シフトの屈折率依存性の測定結果を図15に示す。
実施例2のMIM型SPR測定用基板では、局所表面プラズモン(LSPR)に基づく小さい極大の他、ファノ共鳴に基づく大きな極大が認められた(図15左上のグラフ)。そして、エチレングリコール(EG)の割合の変化による屈折率の変化によって、ファノ共鳴に基づく700nmでの極大のピークシフトは380nm/RIU(屈折率変化=1当たりの波長の変化の割合)となり、市販のリソグラフィー基板の値である300nm/RIUよりも大きかった。このことから、実施例2のMIM型SPR測定用基板は屈折率を感度良く測定できることが分かった。
これに対して、比較として測定した金蒸着しただけのガラスでは、表面プラズモン共鳴(SPR)は観測されたが、それほど大きなピークシフトは観測されなかった(図15左下グラフ参照)。
FIG. 15 shows the measurement results of the refractive index dependence of the absorption wavelength shift for the substrate for MIM type SPR measurement of Example 2 and the gold-deposited glass substrate.
In the MIM-type SPR measurement substrate of Example 2, in addition to a small maximum based on local surface plasmons (LSPR), a large maximum based on Fano resonance was observed (upper left graph in FIG. 15). Then, due to the change in the refractive index due to the change in the ratio of ethylene glycol (EG), the maximum peak shift at 700 nm based on the Fano resonance is 380 nm/RIU (refractive index change = ratio of wavelength change per 1). lithography substrate value of 300 nm/RIU. From this, it was found that the substrate for MIM type SPR measurement of Example 2 can measure the refractive index with high sensitivity.
On the other hand, in the glass only deposited with gold, which was measured as a comparison, surface plasmon resonance (SPR) was observed, but no significant peak shift was observed (see the lower left graph in FIG. 15).

また、実施例3のMIM型SPR測定用基板についての屈折率の測定では、図13中央のグラフに示すように、ファノ共鳴に基づく大きなピークが観測された。そして、そのピークシフトRIU=929と大きな値となった(図16右側グラフ参照)。
これに対して、比較例1のガラス基板上に金粒子を載せただけの基板では、ファノ共鳴によるピークは観測されなかった。そして、そのピークシフトRIU=86と小さな値となった(図16右側グラフ参照)。
Further, in the measurement of the refractive index of the substrate for MIM type SPR measurement of Example 3, a large peak based on Fano resonance was observed as shown in the central graph of FIG. Then, the peak shift RIU was a large value of 929 (see the graph on the right side of FIG. 16).
On the other hand, no peak due to Fano resonance was observed for the glass substrate of Comparative Example 1, in which only gold particles were placed. Then, the peak shift RIU was as small as 86 (see the graph on the right side of FIG. 16).

<参考例>
実施例4において、金コロイド結晶を吸着させる前に0.01M NaOHで基板を処理することの効果について調べるために、金コロイド粒子に替わり、負電荷を有するシリカコロイド粒子を用いて以下に示す参考例の試験を行った。
<Reference example>
In Example 4, in order to investigate the effect of treating the substrate with 0.01M NaOH before adsorbing the gold colloidal crystals, the following reference example was performed using negatively charged silica colloidal particles instead of the gold colloidal particles. was tested.

(参考例1)
参考例1では実施例4における金コロイド粒子に替わり、負電荷を有するシリカコロイド粒子結晶(日本触媒社KE-50W, 直径500nm,2vol%)を用いて、0.01M NaOHで基板を処理した。その他の条件は実施例4と同様であり、説明を省略する。
(Reference example 1)
In Reference Example 1, negatively charged silica colloidal particle crystals (Nippon Shokubai KE-50W, diameter: 500 nm, 2 vol%) were used instead of the gold colloidal particles in Example 4, and the substrate was treated with 0.01M NaOH. Other conditions are the same as in Example 4, and description thereof is omitted.

(参考例2)
参考例2では、参考例1におけるNaOH処理を行わなかった。その他については参考例1と同様であり、説明を省略する。
(Reference example 2)
In Reference Example 2, the NaOH treatment in Reference Example 1 was not performed. Others are the same as those of Reference Example 1, and the description thereof is omitted.

<評 価>
以上の様にして得られた参考例1及び2の試料について、光学顕微鏡による観察を行った。その結果、NaOH処理を行った参考例1の試料では、シリカコロイド粒子が規則正しく並んだ2次元結晶構造が観測された(図17参照)。これに対して、NaOH処理を行わなかった参考例2の試料では、吸着したシリカコロイド粒子の乱れが観測された(図18参照)。以上の結果は、NaOHで基板を処理することにより、ガラス基板に生じた0基が空気中の炭酸イオンによって時間の経過と共に徐々に中和され、徐々に表面電荷が正側に大きくなり、ガラス基板をNaOH処理しなかった参考例1の試料に比べて、シリカコロイド結晶の吸着がゆっくりとなり、欠陥が少なくなったものと説明される(図19参照)。
<Evaluation>
The samples of Reference Examples 1 and 2 obtained as described above were observed with an optical microscope. As a result, a two-dimensional crystal structure in which silica colloidal particles were regularly arranged was observed in the sample of Reference Example 1 subjected to NaOH treatment (see FIG. 17). On the other hand, in the sample of Reference Example 2, which was not treated with NaOH, disturbance of the adsorbed silica colloidal particles was observed (see FIG. 18). The above results indicate that the treatment of the substrate with NaOH gradually neutralizes the 0 - groups generated on the glass substrate by carbonate ions in the air over time, and the surface charge gradually increases to the positive side. Compared to the sample of Reference Example 1 in which the glass substrate was not treated with NaOH, it is explained that the silica colloidal crystal adsorbed more slowly and the number of defects decreased (see FIG. 19).

(実施例5)
実施例5は第1発明の実施例であり、顕微鏡用のカバーガラス上に荷電金コロイド結晶の分散液からなる液層を形成し、液層の一端側から2次元荷電金コロイド結晶を一方向に成長させてSPR測定用基板を調製した。以下詳細に説明する。
(Example 5)
Example 5 is an example of the first invention, in which a liquid layer made of a dispersion of charged colloidal gold crystals is formed on a microscope cover glass, and two-dimensional charged colloidal gold crystals are unidirectionally spread from one end of the liquid layer. was grown to prepare a substrate for SPR measurement. A detailed description will be given below.

・絶縁部材準備工程
顕微鏡用のカバーガラス(24 mm×24 mm,松浪硝子工業株式会社製)を用意し、濃硫酸中に一晩以上浸して洗浄した後、Milli-Q水製造装置によって調製した純水(以下「Milli-Q水」という)で洗浄し、Milli-Q水中に保存した。こうして洗浄されたカバーガラスを3-aminopropyltriethoxysilcane (APTES, Lot.
711457, 信越工業株式会社製)の1%エタノール(90%)水溶液に1時間浸漬し、カバーガラス上にAPTESを修飾させた。その後、カバーガラスを取り出し、EtOHで表面を軽くすすいだ後、40℃のオーブンにて乾燥させた。こうして、表面に正電荷を有するカバーガラスを作製した。
・Insulating member preparation process A cover glass for a microscope (24 mm × 24 mm, manufactured by Matsunami Glass Industry Co., Ltd.) was prepared, soaked in concentrated sulfuric acid overnight or more and washed, and then prepared using a Milli-Q water maker. It was washed with pure water (hereinafter referred to as “Milli-Q water”) and stored in Milli-Q water. 3-aminopropyltriethoxysilcane (APTES, Lot.
711457, Shin-Etsu Kogyo Co., Ltd.) was immersed in a 1% ethanol (90%) aqueous solution for 1 hour to modify APTES on the cover glass. After that, the cover glass was taken out, the surface was lightly rinsed with EtOH, and dried in an oven at 40°C. Thus, a cover glass having a positive charge on its surface was produced.

・コロイド結晶分散液調製工程
負電荷を有する金コロイド粒子が水中に分散した荷電コロイド分散液を、以下の手順で調製した。すなわち、まず遠沈管(Corning Life Sciences)にMilli-Q水3.92mLと、3-メルカプト-1-プロパンスルホン酸ナトリウム(MPS, Lot.#STBF3994V, Sigma-Aldrich社製) 0.05M溶液0.08 mLとを入れ、5分間の超音波処理を行い分散させた。そして、この溶液に田中貴金属株式会社製の金コロイド粒子(粒径150nm, AUコロイド溶液-SC, 0.0065 wt%)を4 mLを加え、10分間の超音波処理を行い、遠心分離(1000 rpm,30分)を行い、負電荷としてスルホン酸基を有する金コロイド粒子を沈降させた。さらに、上澄み液を取り除いた後、新たに超純水を加え、超音波で分散させて遠心分離(1000 rpm,30分)を行う操作を3回繰り返し、水洗した。こうして金コロイド粒子表面をMPSで修飾した。この金コロイド分散液では、イオン強度が高くなっているため、粒子間の静電反発が遮蔽されて弱くなり、コロイド結晶は形成されていない。しかし、この分散液をイオン交換樹脂AG501-X8(D)型mixed(Bio-Rad Labs,CA,U.S.A)により精製すると、金コロイド粒子が規則正しく配列したコロイド結晶が水中に分散したコロイド結晶分散液となった。
- Colloidal Crystal Dispersion Preparation Step A charged colloidal dispersion in which gold colloid particles having a negative charge are dispersed in water was prepared by the following procedure. First, 3.92 mL of Milli-Q water and 0.08 mL of a 0.05 M solution of sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate (MPS, Lot. #STBF3994V, manufactured by Sigma-Aldrich) were added to a centrifuge tube (Corning Life Sciences). It was dispersed by ultrasonic treatment for 5 minutes. Then, 4 mL of colloidal gold particles manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. (particle size: 150 nm, AU colloidal solution-SC, 0.0065 wt%) was added to this solution, ultrasonicated for 10 minutes, and centrifuged (1000 rpm, 30 minutes) to precipitate colloidal gold particles having a sulfonic acid group as a negative charge. Furthermore, after removing the supernatant liquid, ultrapure water was newly added, and the operation of ultrasonically dispersing and centrifuging (1000 rpm, 30 minutes) was repeated three times, followed by washing with water. Thus, the gold colloid particle surface was modified with MPS. In this colloidal gold dispersion, since the ionic strength is high, the electrostatic repulsion between particles is shielded and weakened, and colloidal crystals are not formed. However, when this dispersion is purified with an ion exchange resin AG501-X8(D) type mixed (Bio-Rad Labs, CA, USA), colloidal crystals in which colloidal gold particles are regularly arranged are dispersed in water as a colloidal crystal dispersion. became.

・液層形成工程
次に、図20に示す拡散装置20を用意した。この拡散装置20はリザーバータンク21と、リザーバータンク21の側面に設けられた開口21aに着脱可能に接続された拡散セル22とから構成されている。リザーバータンク21はリザーバータンク本体21bと蓋21cとからなる。拡散セル22は互いに平行で対面するカバーガラス23a(APTESで修飾したもの)、23b(未処理のもの)がシリコン樹脂製のスペーサ24を介して1mmの間隔で延在している。さらに、カバーガラス23a、23b間の隙間における開口21a側の一端には金コロイド粒子が透過できないニトロセルロース製のメンブランフィルター25(平均孔径=0.05μm)が挿入されている。
- Liquid Layer Forming Step Next, a diffusion device 20 shown in FIG. 20 was prepared. The diffusion device 20 is composed of a reservoir tank 21 and a diffusion cell 22 detachably connected to an opening 21 a provided on the side surface of the reservoir tank 21 . The reservoir tank 21 consists of a reservoir tank body 21b and a lid 21c. In the diffusion cell 22, cover glasses 23a (modified with APTES) and 23b (untreated) facing each other parallel to each other extend at intervals of 1 mm via spacers 24 made of silicon resin. Furthermore, a membrane filter 25 made of nitrocellulose (average pore size=0.05 μm) through which colloidal gold particles cannot pass is inserted at one end of the opening 21a side of the gap between the cover glasses 23a and 23b.

以上のように構成された拡散装置20について、拡散セル22を拡散装置20から取り外し、カバーガラス23a、23b間の隙間に、コロイド結晶分散液調製工程で調製した、負電荷を有する金コロイド粒子が水に分散した荷電コロイド分散液26を充填した(この分散液において金コロイド粒子はコロイド結晶化していない)。そして、メンブランフィルター25側をリザーバータンク21に接続する。さらに、リザーバータンク21の蓋21cを開け、リザーバータンク本体21bに金コロイド分散液をコロイド結晶化させることが可能なコロイド結晶化液としてMilli-Q水27を貯留した。金コロイド分散液26中のイオンはメンブランフィルター26を通り、リザーバータンク21内のMilli-Q水27中に拡散していく。このため、金コロイド分散液26中のイオン濃度はメンブランフィルター25側から他端側に向かって希薄化してイオン強度が低下する。このため、金コロイド粒子間の斥力が徐々に大きくなり、メンブランフィルター25側から他端側に向かってコロイド結晶が成長した。 In the diffusion device 20 configured as described above, the diffusion cell 22 was removed from the diffusion device 20, and the negatively charged colloidal gold particles prepared in the colloidal crystal dispersion preparation step were placed in the gaps between the cover glasses 23a and 23b. A charged colloidal dispersion 26 dispersed in water was filled (the colloidal gold particles were not colloidally crystallized in this dispersion). Then, the membrane filter 25 side is connected to the reservoir tank 21 . Further, the lid 21c of the reservoir tank 21 was opened, and Milli-Q water 27 was stored in the reservoir tank main body 21b as a colloidal crystallization liquid capable of colloidally crystallizing the colloidal gold dispersion. The ions in the colloidal gold dispersion 26 pass through the membrane filter 26 and diffuse into the Milli-Q water 27 in the reservoir tank 21 . Therefore, the ion concentration in the colloidal gold dispersion 26 is diluted from the membrane filter 25 side toward the other end, and the ionic strength is lowered. Therefore, the repulsive force between gold colloidal particles gradually increased, and colloidal crystals grew from the membrane filter 25 side toward the other end side.

・単層構造成長工程
上述した液層形成工程を16時間行うことにより、金コロイド分散液26中の金コロイド粒子をコロイド結晶化した後、リザーバータンク21内のMilli-Q水を廃棄し、基板吸着させるための電荷調整液として10μmの炭酸水素ナトリウム溶液を貯留し、3時間の静置して金コロイド結晶中に拡散させた。その後、拡散セル22内部を超純水で洗浄し、未吸着の金コロイド粒子を洗い流した。こうしてカバーガラス23a上に2次元金コロイド結晶が形成されたSPR測定用基板の電子顕微鏡写真を図21(画像サイズは30μm×30μm)。この写真から、金粒子についても、イオン濃度勾配による電荷数調整を利用した一方向吸着により、正に荷電した基板上に2次元金コロイド結晶を調製できることが分かった。
・Single layer structure growth process By performing the liquid layer formation process described above for 16 hours, the gold colloid particles in the gold colloid dispersion 26 are colloidally crystallized. A 10 μm sodium bicarbonate solution was stored as a charge control liquid for adsorption, and allowed to stand still for 3 hours to diffuse into the gold colloidal crystals. Thereafter, the inside of the diffusion cell 22 was washed with ultrapure water to wash away unadsorbed gold colloid particles. FIG. 21 is an electron microscope photograph of the substrate for SPR measurement in which two-dimensional gold colloidal crystals are thus formed on the cover glass 23a (image size is 30 μm×30 μm). From this photograph, it was found that two-dimensional gold colloidal crystals can also be prepared on a positively charged substrate by unidirectional adsorption of gold particles using the charge number adjustment by the ion concentration gradient.

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is by no means limited to the description of the embodiments and examples of the invention. Various modifications are also included in the present invention without departing from the scope of the claims and within the scope that can be easily conceived by those skilled in the art.

本発明の製造方法によって製造されたSPR測定用基板は、絶縁膜上に金属コロイド粒子が規則正しく一定の距離で並んだ2次元的なコロイド結晶が存在するため、検出感度の高い局在型の表面プラズモンセンサーを構築することができる。しかも、金属粒子の配置を制御するための複雑なパターン形成技術を必要とせず、製造が容易であり、大量生産による大幅なコストダウンを可能とする。 The substrate for SPR measurement manufactured by the manufacturing method of the present invention has a two-dimensional colloidal crystal in which colloidal metal particles are regularly arranged at a certain distance on the insulating film, so that it has a localized surface with high detection sensitivity. Plasmon sensors can be constructed. Moreover, it does not require a complicated pattern forming technique for controlling the arrangement of the metal particles, is easy to manufacture, and enables significant cost reduction through mass production.

S11…絶縁部材準備工程,S12…コロイド結晶分散液調製工程,S13…表面形成工程
1…絶縁部材,2…荷電コロイド結晶分散液,3…金属粒子,4…SPR測定用基板
S21…絶縁膜形成工程,S22…コロイド結晶分散液調製工程,S23…表面形成工程
5…基板,6…金属膜,7…金属膜基板,8…絶縁膜,9…絶縁膜付金属基板,10…金属コロイド粒子
S31…絶縁部材準備工程,S32…液層形成工程,
11…絶縁部材,12…メンブランフィルター,13…液層,14,16…リザーバータンク,15…コロイド結晶化液,17…電荷調製液,18…2次元荷電金属コロイド結晶

S11... Insulating member preparation step, S12... Colloidal crystal dispersion preparation step, S13... Surface forming step 1... Insulating member 2... Charged colloidal crystal dispersion, 3... Metal particles, 4... Substrate for SPR measurement S21... Insulating film formation Step S22 Colloidal crystal dispersion preparation step S23 Surface forming step 5 Substrate 6 Metal film 7 Metal film substrate 8 Insulating film 9 Metal substrate with insulating film 10 Colloidal metal particles S31 ... insulating member preparation step, S32 ... liquid layer forming step,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11... Insulating member, 12... Membrane filter, 13... Liquid layer, 14, 16... Reservoir tank, 15... Colloid crystallization liquid, 17... Charge preparation liquid, 18... Two-dimensional charged metal colloid crystal

Claims (15)

表面が正又は負の電荷を有する絶縁部材を用意する絶縁部材準備工程と、
前記絶縁部材の表面電荷と反対符号の電荷を有する金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液を調製するコロイド結晶分散液調製工程と、
前記絶縁部材に前記荷電コロイド結晶分散液を接触させて、前記絶縁部材上に金属コロイド結晶の単層構造を形成させる表面形成工程と、
を備えることを特徴とするSPR測定用基板の製造方法。
an insulating member preparing step of preparing an insulating member having a positive or negative charge on the surface;
a colloidal crystal dispersion preparation step of preparing a charged colloidal crystal dispersion in which colloidal crystals made of metal colloid particles having a charge opposite to the surface charge of the insulating member are dispersed in a dispersion medium;
a surface forming step of bringing the charged colloidal crystal dispersion into contact with the insulating member to form a single-layer structure of metal colloidal crystals on the insulating member;
A method for manufacturing an SPR measurement substrate, comprising:
絶縁部材を用意する絶縁部材準備工程と、
前記絶縁部材上に金属コロイド粒子からなるコロイド結晶が分散媒に分散した荷電コロイド結晶分散液からなる液層を形成させる液層形成工程と、
前記液層形成工程後、前記液層の一端側から前記絶縁部材の表面電荷を前記金属コロイド粒子の電荷と反対符号とすることが可能な電荷調製液を拡散させ、前記絶縁部材上に前記金属コロイド結晶の単層構造を成長させる単層構造成長工程と、
を備えることを特徴とするSPR測定用基板の製造方法。
An insulating member preparation step of preparing an insulating member;
a liquid layer forming step of forming, on the insulating member, a liquid layer composed of a charged colloidal crystal dispersion in which colloidal crystals composed of metal colloidal particles are dispersed in a dispersion medium;
After the liquid layer forming step, from one end side of the liquid layer, a charge preparation liquid capable of making the surface charge of the insulating member opposite in sign to the charge of the metal colloid particles is diffused, and the metal is spread on the insulating member. a single-layer structure growth step for growing a single-layer structure of colloidal crystals;
A method for manufacturing an SPR measurement substrate, comprising:
前記絶縁部材はイオン濃度によって表面電荷が変化する材料からなり、
前記電荷調製液は前記絶縁部材の表面電荷を前記金属コロイド粒子の電荷と反対符号とすることが可能な酸又は塩基であることを特徴とする請求項3に記載のSPR測定用基板の製造方法。
The insulating member is made of a material whose surface charge changes depending on the ion concentration,
4. The method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 3, wherein the charge preparation liquid is an acid or a base capable of making the surface charge of the insulating member opposite in sign to the charge of the metal colloid particles. .
前記液層形成工程は、
金属コロイド粒子が分散媒に分散した荷電コロイド分散液を調製する第1液層形成工程と、
前記絶縁部材上に荷電コロイド分散液からなる液層を形成する第2液層形成工程と、
前記第2工程後、前記液層の一端側から前記荷電コロイド分散液をコロイド結晶化することが可能なコロイド結晶化調製液を拡散させる第3液層形成工程と、
を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載のSPR測定用基板の製造方法。
The liquid layer forming step includes
a first liquid layer forming step of preparing a charged colloidal dispersion in which colloidal metal particles are dispersed in a dispersion medium;
a second liquid layer forming step of forming a liquid layer composed of a charged colloidal dispersion on the insulating member;
After the second step, a third liquid layer forming step of diffusing a colloidal crystallization preparation liquid capable of colloidally crystallizing the charged colloidal dispersion from one end of the liquid layer;
4. The method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 2 or 3, characterized by comprising:
前記絶縁部材は金属皮膜上に絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載するSPR測定用基板の製造方法。 5. The method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 1, wherein the insulating member has an insulating film formed on a metal film. 前記絶縁部材は高分子からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のSPR測定用基板の製造方法。 6. The method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 1, wherein said insulating member is made of a polymer. 前記高分子はポリエチレンイミン及びポリ(2-ビニルピリジン)より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項6に記載のSPR測定用基板の製造方法。 7. The method of manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 6, wherein the polymer is at least one selected from polyethyleneimine and poly(2-vinylpyridine). 前記金属コロイド粒子は、解離基を表面に有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のSPR測定用基板の製造方法。 7. The method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 1, wherein the colloidal metal particles have dissociative groups on their surfaces. 前記金属皮膜は、絶縁基板上に製膜された金属皮膜であることを特徴とする請求項5に記載のSPR測定用基板の製造方法。 6. The method of manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 5, wherein the metal film is a metal film formed on an insulating substrate. 前記金属皮膜は、膜厚が1nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項5又は9に記載のSPR測定用基板の製造方法。 10. The method of manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 5, wherein the metal film has a film thickness of 1 nm or more and 100 nm or less. 前記金属粒子の粒子径の変動係数は20%以下であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のSPR測定用材料の製造方法。 11. The method for producing a material for SPR measurement according to any one of claims 1 to 10, wherein the metal particles have a coefficient of variation of particle diameter of 20% or less. 前記金属粒子は、平均粒子径が50nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のSPR測定用基板の製造方法。 12. The method for manufacturing a substrate for SPR measurement according to claim 1, wherein the metal particles have an average particle diameter of 50 nm or more and 500 nm or less. 前記表面形成工程を行う前に、前記絶縁部材をアルカリ処理することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載のSPR測定用基板の製造方法。 13. The method of manufacturing a substrate for SPR measurement according to any one of claims 1 to 12, wherein the insulating member is treated with an alkali before performing the surface forming step. 絶縁性基板上に金属層と絶縁層とがこの順で構成されており、前記絶縁層上に金属粒子からなる単層の金属コロイド結晶が形成されており、
前記金属粒子の平均粒子径が50nm以上500nm以下であり、前記金属粒子の間隔が50nm以上1000nm以下であることを特徴とするSPR測定用基板。
A metal layer and an insulating layer are formed in this order on an insulating substrate, and a single-layer metal colloidal crystal made of metal particles is formed on the insulating layer,
A substrate for SPR measurement, wherein the average particle diameter of the metal particles is 50 nm or more and 500 nm or less, and the distance between the metal particles is 50 nm or more and 1000 nm or less.
前記金属粒子の粒子径の変動係数は20%以下であることを特徴とする請求項14に記載のSPR測定用基板。 15. The substrate for SPR measurement according to claim 14, wherein the coefficient of variation of particle diameter of said metal particles is 20% or less.
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