WO2016051666A1 - Optical-electric field strengthening device for sensing carbon dioxide gas - Google Patents

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Abstract

[Problem] To provide an optical-electric field strengthening device for sensing a carbon dioxide gas, the device enabling detection, with a good S/N ratio, of minute amounts of carbon dioxide gas generated as a metabolite from cells. [Solution] In the present invention, an optical-electric field strengthening device is provided with the following: a transparent substrate (10) having a microroughness structure on the surface thereof; and a metal microroughness structure layer (24) made of a metal and provided on the surface of the transparent microroughness structure. A molecule (30) having a molecular length of 5 nm or less and having an amino group is adsorbed or bonded to a region in the metal microroughness structure layer (24) between protrusions that are adjacent to each other at least at a distance of 10nm or less.

Description

炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスPhotoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing
 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 a photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing, and more particularly to a highly sensitive photoelectric field enhancing device capable of detecting a small amount of carbon dioxide.
 炭酸ガス(CO)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 gas detection methods such as carbon dioxide (CO 2 ) is 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. An optical gas sensor that can obtain the concentration of the gas is disclosed.
 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 of Raman scattered light (Raman spectrum) by dispersing scattered light obtained by irradiating a substance with single wavelength light, and is used for identification of a substance.
 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 scattered light, Raman spectroscopy using a photoelectric field enhanced by localized plasmon resonance, called surface enhanced Raman (SERS), is known as “Surface” enhanced “Raman” Scattering. This is because when a sample is irradiated with a metal body, particularly a metal body having nano-order irregularities on the surface, the photoelectric field is enhanced by localized plasmon resonance, and the Raman of the sample in contact with the surface of the metal body is generated. This utilizes the principle that the scattered light intensity is enhanced. Surface-enhanced Raman spectroscopy can be carried out by using a substrate (photoelectric field enhancement device) having a metal concavo-convex structure on the surface as a carrier (substrate) for supporting an object.
 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 a photoelectric field enhancement device that more effectively generates a photoelectric field enhancement, a fine concavo-convex structure made of boehmite is provided on a transparent substrate, and a metal film is formed on the fine concavo-convex structure to surface the metal fine structure. The thing etc. which were prepared for are proposed (refer 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 a gas molecule having an extremely small concentration using enhanced Raman spectroscopy. In order to reduce the blinking phenomenon that occurs when quantitatively detecting gas molecules and improve the accuracy of quantitative detection, the average value is obtained by dividing the sum of the Raman signals output within the specified measurement time by the measurement time. 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, in Patent Document 4, as a method for improving the detection sensitivity by adsorbing a target molecule on a metal surface of a photoelectric field enhancement device, at least two kinds of self-assembled monolayers are formed, and a target molecule supplementary space is formed. A method of controlling is disclosed.
特開2012―37344号公報JP 2012-37344 A 特開2012-198090号公報JP2012-188090A 特開2013-238479号公報JP 2013-238479 A 特開2014-119263号公報JP 2014-119263 A
 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, application of enhanced Raman spectroscopy to the detection of metabolites from cells has been studied. However, even if we try to measure the very small amount of carbon dioxide produced as a metabolite from cells using enhanced Raman spectroscopy, the Raman scattering cross section of carbon dioxide is small and the affinity with the metal substrate is small. From the above, it is difficult to detect, and in the first place, sufficient studies have not been made to measure such a trace amount of carbon dioxide gas. Patent Documents 2 to 4 do not mention carbon dioxide as an inspection object, and do not mention application to carbon dioxide.
 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 Raman-scattered light is collected by irradiating a cell filled with gas without using a substrate, this method only makes the apparatus configuration very complicated. Alternatively, 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 provides a photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing capable of detecting a very small amount of carbon dioxide produced as a metabolite from a cell with a good S / N ratio. 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 photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to the present invention is a photoelectric field enhancement device in which localized plasmons are induced on the surface by irradiation of excitation light, and an enhanced photoelectric field is generated on the surface,
A transparent substrate having a fine uneven structure on the surface, and a metal fine uneven structure layer made of metal provided on the surface of the transparent fine uneven structure,
The metal fine concavo-convex structure layer is formed by adsorbing or binding molecules having an amino group and a molecular length of 5 nm or less in a region between adjacent convex portions at a distance of at least 10 nm or less.
 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 bond means chemical bond.
The molecular length of 5 nm or less means that when the molecule is a straight-chain molecule, 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 theoretically derived from the structural formula (calculated value). A detailed calculation method will be described in the section of the example below.
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 ここで、AはSHまたはNHであり、R、RはHまたはCHであり、nは2≦n≦10である。
The photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing according to the present invention can have an amino group-containing molecule having the following structural formula.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
Here, A is SH or NH 2 , R 1 and R 2 are H or CH 3 , and n is 2 ≦ n ≦ 10.
 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 having the above structural formula is bonded to a region between convex portions as a self-assembled film, the molecular length is preferably 2 nm or less, and the molecular length is 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 15000 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。 The fine concavo-convex structure is preferably made of buyer light 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。 The photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing according to the present invention has an amino group and a molecule having a molecular length of 5 nm or less adsorbed or bonded in a region between adjacent convex portions at a distance of 10 nm or less of the metal fine uneven structure. Since carbon dioxide gas easily binds to an amino group, carbon dioxide gas can be retained on the device, so that a small amount of carbon dioxide gas can be efficiently detected.
炭酸ガスセンシング用の光電場増強基板を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the photoelectric field enhancement board | substrate for carbon dioxide gas sensing. 図1Aの一部を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows a part of FIG. 1A. 炭酸ガスセンシング用の光電場増強基板の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the photoelectric field enhancement board | substrate for carbon dioxide gas sensing. ベーマイトの上面走査型電子顕微鏡画像である。It is an upper surface scanning electron microscope image of boehmite. ラマン分光装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a Raman spectroscopy apparatus.
 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, for easy visual recognition, the scale of each component in the drawings is appropriately changed from the actual one.
 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 a photoelectric field enhancement substrate 1 according to an embodiment of the photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing of the present invention, and FIG. 1B is a side view of the photoelectric field enhancement substrate 1 shown in FIG. 1A. It is a partial 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 photoelectric field enhancing substrate 1 is composed of a transparent substrate 10 having a fine uneven structure on the surface and a metal fine uneven structure layer 24 formed on the surface of the fine uneven structure. Local plasmon resonance is induced by the light (hereinafter referred to as excitation light) irradiated to the metal fine concavo-convex structure layer 24, and the photoelectric enhanced on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24 by this local plasmon resonance. It creates a place. And the molecule | numerator 30 which has an amino group and whose molecular length is 5 nm or less is adsorbed or couple | bonded with the area | region between the convex parts of the metal fine concavo-convex structure layer 24 surface at least 10 nm or less of space | interval. The molecular length is preferably 0.4 nm or more, and more preferably 4.4 nm or less. Furthermore, it 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
The amino group easily binds to carbon dioxide as shown in the following reaction formula.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 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 gas has low affinity for metals and does not adsorb or bind to the metal surface, but the surface of the metal fine uneven structure layer 24 of the photoelectric field enhancing substrate is made of molecules having amino groups. Since the surface is modified, carbon dioxide gas binds to the amino group on the substrate surface and stays on the substrate surface, so that the carbon dioxide gas detection sensitivity can be greatly 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 ここで、AはSHまたはNHであり、R、RはHまたはCHである。このとき、R、Rは、RがHのときRがHまたはCH、RがCHでRがHまたはCHのいずれの組合せであってもよい。
 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.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
Here, A is SH or NH 2 , and R 1 and R 2 are H or CH 3 . In this case, R 1, R 2 is, R 2 when R 1 is H R 2 is H or CH 3, R 1 is CH 3 may be any combination of H or CH 3.
In addition, as the length of the alkyl chain in the above structural formula, n is 2 ≦ n ≦ 10. If n is 2 or more, good surface modification is possible, and if 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- Examples include propanethiol, 3-amino-1-propanethiol hydrochloride, 4-amino-1-propanethiol, 7-aminoheptanethiol, 8-aminooctanethiol, and 8-aminooctanethiol hydrochloride.
 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NHであるとき、NH基は金属との親和性が高いため、NH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 the amino group of the above structural formula, when A is SH, the SH group is bonded to the metal constituting the metal fine concavo-convex structure layer and is surface-modified. On the other hand, when A is NH 2 , the NH 2 group has a high affinity with the metal, so that the surface modification is performed by adsorption of the NH 2 group onto the surface of the metal fine uneven structure layer. In addition, the molecule | numerator of the said structural formula is modified to the metal fine concavo-convex structure surface as a self-assembled monolayer.
In addition, since SH group shows especially high bondability with gold | metal | money and silver, when performing surface modification by a chemical bond, gold | metal | money and silver are especially preferable as a metal which comprises a metal fine concavo-convex structure layer.
 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。 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、C2248104、C621282612、C1422885828、C30260812260、C6221248250124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。
Further, the molecule 30 having an amino group may be a dendrimer.
For example, polyamidoamine dendrimer generations 0 to 4 can be used, 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 , C 302 H 608 N 122 O 60 , dendrimers and the like represented by the molecular formula such as C 622 H 1248 N 250 O 124 .
The weight average molecular weight of the dendrimer is preferably 500 to 15000. 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, the metal fine concavo-convex structure layer 24 is composed of a metal fine structure composed of a large number of flat metal particles formed at the tips of the convex portions of the fine concavo-convex structure layer 22 as shown in FIG. 1B. Is. The metal microstructure composed of the flat metal particles is formed by evaporating metal from an oblique direction with respect to the vertical direction of the substrate plane on which the fine concavo-convex structure layer 22 is formed. Although the shape of the flat metal particles is various, it is desirable that the aspect ratio of the average length to the average thickness (average length / 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 in isolation from each other, and a gap is provided between the flat metal particles. Therefore, in this embodiment, the metal fine concavo-convex structure layer 24 as a whole is in an insulated state without electrical conductivity.
 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 fine metal concavo-convex structure layer 24 is not limited to the form of the flat metal particles shown in FIG. 1B, and has at least the length of the concavo-convex convex portion in the direction perpendicular to the substrate and the length in the direction horizontal to the substrate. Any one having a fine concavo-convex structure that is shorter than the wavelength of the excitation light and capable of generating localized plasmons on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24 may be used. As a whole, the metal uneven structure or the like may be connected to have conductivity.
When the gap (gap) G between adjacent convex portions (adjacent metal particles 25) of the metal fine concavo-convex structure layer is close to 10 nm or less, it is very strong called a hot spot in the gap between the convex portions due to light irradiation. Since a photoelectric field enhancement field is generated, it is preferable that there are many locations where the distance between adjacent convex portions is 10 nm or less.
In addition, adjacent convex parts may be contacting partially.
 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、CO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CO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。 And when a detection target object exists in this hot spot, the Raman signal from a detection target object can be strengthened effectively. Therefore, in the present invention, the surface modification with the molecule having an amino group described above is performed between adjacent convex portions of 10 nm or less constituting the hot spot of the metal fine concavo-convex structure layer 24. As described above, hot spots are formed in adjacent regions with a convex portion of 10 nm or less. However, in a device manufactured by a manufacturing method described later, the interval between metal fine particles is not uniform. That is, the gap constituting the hot spot in the device may be 10 nm or about several nm at the same time. If the molecular length is 10 nm or less, the gap of 10 nm can be modified, but the gap smaller than the molecular length cannot be modified well. In order to modify a molecule having an amino group with respect to a large number of gaps constituting a hot spot so that CO 2 detection sensitivity can be sufficiently improved, the molecular length is 5 nm or less. It takes a thing. When the molecular weight is 5 nm or less, surface modification is possible for a gap of 5 nm or more, and the effect of CO 2 adsorption to 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 becomes 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、CO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 to the microparticles | fine-particles 25 which comprise the metal fine concavo-convex structure layer 24 as a self-organization monomolecular film, it is modified to both of two microparticles | fine-particles which comprise a hot spot. It is necessary. In order to modify both of the two fine particles adjacent to each other at 10 nm or less well (to the extent that the CO 2 detection sensitivity can be sufficiently improved among 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, when the molecule having an amino group is a dendrimer, a sufficient effect can be obtained if it is modified to one of two fine particles constituting a hot spot. In this case, the diameter of the dendrimer May be 5 nm or less. The diameter of the dendrimer is preferably 4.4 nm or less, and 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。 In addition, the metal fine concavo-convex structure layer 24 of the present embodiment is formed so that the convex portions extend in a granular form from the tips of the convex portions of the fine concavo-convex structure of the transparent substrate 10. It is preferable because the number of analytes attached to the metal surface can be increased and the detection light can be increased.
 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 fine concavo-convex structure layer 24 may be any metal that can generate localized plasmon when irradiated with excitation light. For example, Au, Ag, Cu, Al, Pt, or these as a main component Alloy. In particular, Au or Ag is preferable. 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 made of a transparent substrate body 11 made of glass or the like, and a transparent substrate made of a material different from the transparent substrate body 11 constituting the fine uneven structure provided on the surface of the transparent substrate body 11. The fine concavo-convex structure layer 22 is used. The fine concavo-convex structure layer 22 is preferably a boehmite layer, but the fine concavo-convex structure layer 22 may be made of Bayerlite in addition to boehmite. Moreover, you may be comprised from the hydroxide of another metal or the hydroxide of a metal oxide.
 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 is not limited to a material made of a material different from that of the transparent substrate body, but may be made of the same material as the substrate body by processing the surface of the transparent substrate body. For example, a glass substrate having a surface with a fine concavo-convex structure formed by dry etching treatment with any of lithography, ion beam lithography, and nanoimprint may be used as the 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, since the formation method is easy, it is most preferable that the fine concavo-convex structure is constituted by the boehmite layer 22.
 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。 The transparent fine concavo-convex structure made of a metal hydroxide such as a boehmite layer or a hydroxide of a metal oxide has various sizes (vertical angle sizes) and orientations as shown in FIG. It has a sawtooth cross section. The fine concavo-convex structure may be any structure as long as the metal fine concavo-convex structure layer 24 can be formed on the fine concavo-convex structure. Here, in the fine concavo-convex structure, the distance between the convex portions is a distance between the vertices of the nearest adjacent convex portions separated by the concave portions, and the depth is a distance from the convex portion vertex to the bottom portion of the adjacent concave portion. In addition, the distance and depth between convex parts can be calculated | required 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 for producing the photoelectric field enhancement 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 body 11 is prepared, and the transparent substrate body 11 is washed with acetone and methanol. Thereafter, the aluminum 20 is deposited on the surface of the substrate body 11 by a sputtering method to a thickness of about several tens of nm.
 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 transparent substrate body 11 with aluminum 20 is immersed in boiling pure water, and is taken out after a few minutes (about 5 minutes). By this boiling treatment (boehmite treatment), the aluminum 20 becomes transparent and becomes a boehmite layer 22 constituting a fine concavo-convex structure. FIG. 3 shows a scanning electron microscope image of the upper surface of the boehmite layer. As shown in FIG. 3, the boehmite layer is a structure in which thin-shaped petals (tapered petals) in a variety of sizes (vertical angle sizes) and orientations are randomly arranged. Here, each convex part of the fine concavo-convex structure has a structure in which the fine structure 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 the petal structure is joined and the joined portion is the apex.
 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。 Boehmite has such a structure in which petals with thin tips are joined, and the cross section of boehmite decreases as the distance from the substrate body 11 decreases, and the effective refractive index continuously decreases. It also functions.
 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, by depositing a metal on the boehmite layer 22, a metal fine concavo-convex structure layer 24 is generated 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 fine concavo-convex structure layer 24 is modified with a molecule having an amino group by a surface modification treatment. For example, an amino group-containing molecule 30 is prepared in an ethanol solution to prepare a dipping solution, and the substrate provided with the metal fine concavo-convex structure layer 24 is immersed in the solution 40 to immerse the amino group-containing molecule 30 alone. A molecular film is formed on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24.
The photoelectric field enhancing substrate 1 can be manufactured by the above processing.
 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 photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to the present invention improves the affinity between carbon dioxide and the outermost surface of the metal film by adsorbing or binding molecules having amino groups to the surface of the metal fine concavo-convex structure layer. Thus, it is possible to sense carbon dioxide at a concentration that could not be detected by conventional enhanced Raman spectroscopy. Specifically, in the case of using a conventional SERS substrate that does not include molecules having amino groups, carbon dioxide was hardly detected even when carbon dioxide was sprayed onto the substrate surface at 10 ml / min. If the photoelectric field enhancement device is used, carbon dioxide gas can be measured when carbon dioxide gas is sprayed at 10 ml / min.
(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 spectrometer)
Below, the Raman spectroscopy and the Raman spectroscopy apparatus 100 are demonstrated as an example of the measuring method using the photoelectric field enhancement board | substrate 1 for the carbon dioxide gas sensing 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 diagram showing a configuration of the enhanced Raman spectroscopic device 100 including the photoelectric field enhancing 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 spectroscopic device 100 includes the above-described photoelectric field enhancement substrate 1, the excitation light irradiation unit 140 that irradiates the photoelectric field enhancement substrate 1 with the excitation light L1, and the photoelectric field enhancement substrate emitted from the subject. And a light detection unit 150 for detecting the Raman scattered light L2 enhanced by the above action.
 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 irradiation unit 140 transmits the semiconductor laser 141 that emits the 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 reflected by the mirror 142. Then, the half mirror 144 that reflects light from the substrate 1 side including the enhanced Raman scattered light L2 generated from the subject by irradiation of the excitation light L1 to the light detection unit 150 side, and the excitation light L1 that has passed through the half mirror 144 And a lens 146 for condensing the light on the surface of the photoelectric field enhancement 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 absorbs the excitation light L1 out of the light reflected by the half mirror 144 and transmits the other light, and a pin provided with a pinhole 152 for removing noise light. A hole 153, a lens 154 for condensing the enhanced Raman scattered light L2 emitted from the subject and transmitted through the lens 146 and the notch filter 151 to the pinhole 152, and the Raman scattered light passing through the pinhole 152 A lens 156 for collimating light and a spectroscope 158 for detecting 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 a subject using the above-described Raman spectrometer 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。 Excitation light L1 is emitted from the semiconductor laser 141 of the light irradiation unit 140, the excitation light L1 is reflected to the substrate 1 side by the mirror 142, passes through the half mirror 144 and is collected by the lens 146, and the photoelectric field enhancement substrate 1 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。 The irradiation of the excitation light L1 induces localized plasmon resonance in the metal fine concavo-convex structure layer 24 of the photoelectric field enhancing substrate 1, and an enhanced photoelectric field is generated on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24. The Raman scattered light L2 emitted from the subject enhanced by the enhanced photoelectric field is transmitted through the lens 146 and reflected by the half mirror 144 toward the spectroscope 158 side. At this time, the excitation light L1 reflected by the photoelectric field enhancement substrate 1 is also reflected by the half mirror 144 and reflected to the spectroscope 158 side, 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 spectroscopic device, the wavelength of Rayleigh scattered light (or Mie scattered light) is the same as that of the excitation light L 1, so that it is cut by the notch filter 151 and does not enter the spectroscope 158. The Raman scattered light L2 enters the spectroscope 158 and is subjected to 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(CO)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、COであるが、基板上においては、CO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CO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 spectroscopic device 100 of the present embodiment is configured using the photoelectric field enhancing substrate 1 of the above embodiment, and by combining a sample gas or carbon dioxide gas (CO 2 ) in the sample liquid with an amino group. The Raman spectroscopic measurement with high carbon dioxide gas detection sensitivity can be performed.
Here, the analyte is CO 2 , but on the substrate, CO 2 is adsorbed by an electrostatic interaction with an amino group that binds to an amino group to form a carbamate. It is presumed that CO 2 exists, and it is assumed 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 spectroscopic device 100 of the present embodiment, by detecting from the back surface of the photoelectric field enhancing substrate 1, the enhanced Raman scattered light that occurs most strongly at the interface between the metal fine concavo-convex structure layer and the object is sample fluid. It can detect from the back surface side of a transparent substrate, without being shielded by.
 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 spectroscopic apparatus 100 according to the above-described embodiment is configured so that excitation light is incident from the side opposite to the sample holding surface (front surface) of the photoelectric field enhancing device 1 (back surface of the device) and Raman scattered light is detected. However, like the conventional apparatus, 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, either the excitation light irradiation part or the light detection part may be arranged on the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer 24 and the other may be arranged on the back 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。 Thus, since the photoelectric field enhancement device of the present invention uses a transparent substrate, light can be irradiated from either the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer or the back side of the transparent substrate, Light generated from the sample by this light irradiation can also be detected from either the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer or the back 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。 Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described.
[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 for producing photoelectric field enhancement substrate"
As the transparent substrate body 11, a glass substrate (BK-7; Eagle 2000 manufactured by Corning) was used.
After ultrasonic cleaning (45 kHz) for 5 minutes with acetone and 5 minutes with methanol, 25 nm of aluminum 20 was laminated on the glass substrate 11 using a sputtering apparatus (manufactured by Canon Anelva). In addition, the 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 submerged in boiling water and taken out after 5 minutes. At this time, it was confirmed that the glass substrate 11 with aluminum 20 was immersed in boiling water and the aluminum became transparent in about 1-2 minutes. The aluminum 20 became a boehmite layer 22 by this boiling treatment (boehmite treatment). The result of observing the surface of the boehmite layer 22 with SEM (Hitachi S4100) 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, Au was deposited on the surface of the boehmite layer 22 by 110 nm to form a metal fine concavo-convex structure layer. In addition, the thickness at this time means that it is vapor-deposited by the vapor deposition amount required when vapor-depositing gold by the thickness on a flat 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 fine concavo-convex structure layer was subjected to plasma treatment to remove dust. A substrate whose surface was hydrophilized by this plasma treatment was immersed for 24 hours, thereby forming a monomolecular film of 2-aminoethanethiol on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer.
Thus, the photoelectric field enhancing 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]
In Example 1, the photoelectric field enhancement substrate of Example 2 was produced in the same manner except that Ag was used instead of Au when the metal fine concavo-convex structure layer was formed 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]
In Example 1, the photoelectric field enhancement substrate of Example 3 was produced in the same manner except that Cu was used instead of Au when the metal fine concavo-convex structure layer was formed, and vapor deposition was performed 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]
In Example 1, the photoelectric field enhancement substrate of Example 4 was produced in the same manner except that Pt was used instead of Au when the metal fine concavo-convex structure layer was formed, and vapor deposition was performed 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]
In Example 1, the photoelectric field enhancement substrate of Example 5 was produced in the same manner except that Al was used instead of Au at the time of forming the metal fine concavo-convex 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]
In the same manner as in Example 1, except that a surface treatment liquid (pH 9.6) having a 2-aminoethanethiol concentration of 20 mM was used and the immersion time in the treatment liquid was 1 hour, the photoelectric field of Example 6 was used. An enhanced substrate was produced. 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]
In the same manner as in Example 1, except that the surface treatment solution (pH 4.3) was replaced with 2-aminoethanethiol hydrochloride (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) instead of 2-aminoethanethiol. A field-enhanced substrate was fabricated.
[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 photoelectric field enhancing substrate of Example 8 was prepared in the same manner as in Example 7 except that the surface treatment solution (pH 4.5) had a concentration of 2-aminoethanethiol hydrochloride of 20 mM and the immersion time was 1 hour. Produced.
[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 photoelectric field of Example 9 was the same as in Example 1 except that the surface treatment solution (pH 4.4) was replaced with 2-dimethylaminoethanethiol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) instead of 2-aminoethanethiol. An enhanced substrate was produced.
[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 performed except that the surface treatment solution (pH 4.4) was replaced with 2-aminoethanethiol instead of 2-aminoethanethiol using 6-amino-1-hexanethiol (manufactured by Dojindo). A photoelectric field enhancement 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 was conducted in the same manner as in Example 1 except that the surface treatment solution (pH 4.3) was replaced with 8-amino-1-octanethiol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) instead of 2-aminoethanethiol. A photoelectric field enhancement substrate was prepared.
[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, instead of 2-aminoethanethiol, 12-amino-1-dodecanethiol (manufactured by Dojin Chemical Co., Ltd.) was used, a surface treatment solution (pH 5.1) with a concentration of 1 mM was used, and the immersion time was 6 A photoelectric field enhancement substrate of Example 12 was produced in the same manner except for the time.
[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, instead of 2-aminoethanethiol, a surface treatment solution (pH 5.3) having a concentration of 0.1 mM Dendrimer_Gene0 (0th generation) (Aldrich) was used, and the immersion time was 6 hours. A photoelectric field enhancement substrate of Example 13 was produced in the same manner except for the points 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 the surface treatment solution (pH 5.3) using dendrimer_Gene1 (first generation) (manufactured by Aldrich) is used instead of dendrimer_Gene0 (0th generation). 14 photoelectric field enhancement 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 the surface treatment solution (pH 5.2) using dendrimer_Gene4 (4th generation) (manufactured by Aldrich) is used instead of dendrimer_Gene0 (0th generation). Fifteen photoelectric field enhancing substrates were prepared.
[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]
After forming the metal fine concavo-convex structure layer made of gold, the substrate without surface modification was used as the photoelectric field enhancing 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 (0th generation), a surface treatment solution (pH 5.1) using dendrimer_Gene9 (9th generation) (manufactured by Aldrich) was used, and the immersion time was 12 hours. A photoelectric field enhancing 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CO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COと、CO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)
Raman spectra were measured before and after carbon dioxide was sprayed on the photoelectric field enhancement substrates of each Example and each Comparative Example prepared by the above method. Carbon dioxide was sprayed in an environment of 25 ° C. and 50% RH at 10 sccm (ml / min) for 1 minute, and after standing for 1 minute, a Raman spectrum was measured under the same conditions as before spraying.
About signal of 1280 cm −1 [(Signal strength after spraying−signal strength before spraying) / signal strength before spraying] × 100 (%)
When the amount of change was 20% or more, it was evaluated as good when it was 5% or more but less than 20%, and when it was less than 5%, it was evaluated as defective.
The signal at 1280 cm −1 is generally known as a CO 2 Raman peak, but here, as described above, it is a signal of both 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。
The Raman scattered light was detected using a micro Raman spectroscope (HR800). As the excitation light, laser light having a peak wavelength of 785 nm was used and observed at a magnification of 20 times.
Table 1 summarizes the metal species constituting the fine metal concavo-convex structure layers 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 Examples 13 to 15 and Examples 1 to 12 other than Comparative Example 2 in which dendrimers are used as molecules having an amino group among the examples subjected to surface modification, self-assembled monolayers are 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 a molecule having an amino group is calculated by applying a typical bond distance (listed below) to the molecular structure.
CC: 0.154 nm
CN: 0.147 nm
C—H: 0.108 nm
NH: 0.1012 nm
CS: 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 in the Au layer or the Ag layer, the structure constituting the molecular length is Au (or Ag) -S—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 = 0.492 (nm), and the Ag layer If modified, their molecular length is 0.282 + 0.18 + 0.154 + 0.147 + 0.1012 = 0.642 (nm).
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 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 was Au or Ag, the sensitivity was higher than that of Cu, Pt, or Al. Was expensive. This is presumably because the binding property of 2-aminoethanethiol, which is a molecule having an amino group, to Au and Ag is larger than that 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。 It is a metal fine concavo-convex structure layer made of the same metal. When surface-modifying molecules having the same amino group, if the concentration of the surface treatment liquid is increased, damage to the substrate increases and the surface modification rate is inferior. It is inferred that this was possible.
 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 of Examples 1, 6 to 15 and Comparative Examples 1 and 2 having different molecular species with respect to the same metal species, as in Examples 1, 7, 9, 13 and 14, 2-aminoethanethiol , 2-aminoethanethiol hydrochloride, 2-dimethylaminoethanethiol, generations 0 and 1 dendrimers showed good sensitivity for carbon dioxide 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, each amino group-containing molecule is modified to a metal structure as a self-assembled monolayer, but Examples 1 to 9 have a molecular length of 1.0 nm or less. For this reason, it is considered that both the adjacent convex portions constituting the gap between the metal convex portions (metal particles) (particularly, the region facing the gap) are well modified.
 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 constituting the gap between the metal convex portions (metal particles) (particularly, the region facing the gap). It is considered that a good modification has been made. On the other hand, the molecular length of Example 14 is 4.4 nm, and it is considered that the modification to the region facing the gap of the metal convex portion is less than that of Examples 12 and 13. In Comparative Example 2, it is considered that the molecular length was too large as 11.4 nm, and 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 modification was not performed, almost no carbon dioxide gas could be detected. When the surface is not modified, it is considered that carbon dioxide hardly remains on the metal surface.

Claims (10)

  1.  励起光の照射により表面に局在プラズモンが誘起され、該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、該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、
     前記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炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
    A photoelectric field enhancement device in which localized plasmon is induced on a surface by irradiation of excitation light and generates an enhanced photoelectric field on the surface,
    A transparent substrate having a fine uneven structure on the surface, and a metal fine uneven structure layer made of metal provided on the surface of the transparent fine uneven structure,
    A photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing, wherein an amino group-containing molecule having a molecular length of 5 nm or less is adsorbed or bonded to a region between adjacent convex portions at a distance of at least 10 nm or less of the metal fine concavo-convex structure layer. .
  2.  前記アミノ基を有する分子が下記構造式からなる請求項1記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
     ここで、AはSHまたはNHであり、R、RはHまたはCHであり、nは2≦n≦10である。
    The photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to claim 1, wherein the molecule having an amino group has the following structural formula.
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
    Here, A is SH or NH 2 , R 1 and R 2 are H or CH 3 , and n is 2 ≦ n ≦ 10.
  3.  前記アミノ基を有する分子が自己組織化膜として前記凸部間の領域に結合されてなり、前記分子長が2nm以下である請求項2記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 3. The photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to claim 2, wherein the molecule having an amino group is bonded to a region between the convex portions as a self-assembled film, and the molecular length is 2 nm or less.
  4.  前記アミノ基を有する分子が自己組織化膜として前記凸部間の領域に結合されてなり、前記分子長が1nm以下である請求項3記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 The photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing according to claim 3, wherein the molecule having an amino group is bonded to a region between the convex portions as a self-assembled film, and the molecular length is 1 nm or less.
  5.  前記アミノ基を有する分子がジスルフィドである請求項1記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 The photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing according to claim 1, wherein the molecule having an amino group is disulfide.
  6.  前記アミノ基を有する分子がデンドリマーである請求項1記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 The photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing according to claim 1, wherein the molecule having an amino group is a dendrimer.
  7.  前記デンドリマーの分子量が500以上15000以下である請求項6記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 The photoelectric field enhancing device for carbon dioxide sensing according to claim 6, wherein the molecular weight of the dendrimer is 500 or more and 15000 or less.
  8.  前記金属が、金、銀、銅、アルミニウムおよびプラチナのいずれかであることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 The photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal is any one of gold, silver, copper, aluminum, and platinum.
  9.  前記金属が、金、銀のいずれかであることを特徴とする請求項8記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 9. The photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to claim 8, wherein the metal is gold or silver.
  10.  前記微細凹凸構造が、バイヤーライトまたはベーマイトからなる請求項1から9のいずれか1項記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。 The photoelectric field enhancement device for carbon dioxide sensing according to any one of claims 1 to 9, wherein the fine concavo-convex structure is made of buyer light or boehmite.
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