JP2007198933A - 表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法及び表面増強ラマン分光分析用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】長期保存が可能で、高い再現性を有し、高感度な表面増強ラマン分光分析用基板を、簡易に、短時間に、大量生産できるようにする。
【解決手段】銀の錯イオンを含む溶液（例えば硝酸銀溶液にアンモニア水を加えたもの１０）に分散剤１２（例えば酸性基を有するコポリマー）を加えて攪拌した銀超微粒子液１６に、還元剤（例えばヒドラジン）１８を加えると同時に基板（例えばガラス基板２０）を浸すことにより銀鏡反応を行なわせ、基板（２０）上に銀ナノ微粒子２２を析出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、環境用や医療用等の高感度センサや高機能触媒等のナノ構造材料に用いるのに好適な、短時間で容易に作成でき、長時間保存及び大量生産が可能で安価な表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法、及び、この方法により作られた表面増強ラマン分光分析用基板に関する。

ラマン分光分析は、試料にレーザを照射することにより発生するラマン散乱光を検出する分析法で、生化学物質の同定に極めて有効な分析技術である。しかし問題点として、ラマン散乱光がレーザの反射光（レイリー散乱）と比較し、極めて微弱なことが挙げられる。これを解決するのが、金属ナノ粒子表面における電場増強効果を利用した表面増強ラマン分光法である。

この表面増強ラマン分光法では、ナノ粒子を持つ基板の作成が鍵となる。従来技術として、（１）銀コロイドを溶液中に分散させるもの（特許文献１、２、非特許文献１、２、３）、（２）銀ナノ粒子をガラス基板上に吸着させるもの（特許文献３）、（３）銀を電子ビームリソグラフィによりパターニングする等の方法が挙げられる。

又、銀微粒子の析出方法として、銀薄膜の製作のために、分散剤を加えた上で銀鏡反応を行なった例が報告されている（非特許文献４）。

特開平７−１４６２９５号公報 特開平１１−６１２０９号公報 特許第３７１４６７１号公報 Ｓ．Ｎie and Ｓ．Ｒ．Ｅmory，Ｓcience．２７５，１１０２（１９９７） Ｋ．Ｃ．Ｇrabar，Ｐ．Ｃ．Ｓmith，Ｍ．Ｄ．Ｍusick，Ｊ．Ａ．Ｄavis，Ｄ．Ｇ．Ｗalter，Ｍ．Ａ．Ｊackson，Ａ．Ｐ．Ｇuthrie and Ｍ．Ｊ．Ｎatan，Ｊ．Ａm．Ｃhem，Ｓoc．，１１８，１１４８（１９９６） Ｒ．Ｍ．Ｂright，Ｍ．Ｄ．Ｍusick and Ｍ．Ｈ．Ｎatan，Ｌangmuir，１４，５６９５（１９９８） 赤沢力、菅沼進「銀超微粒子皮膜作製技術の開発」埼玉県産業技術総合センター研究報告第２巻（２００４）１９４−１９６頁

表面増強ラマン分光分析基板に求められるものは、作成の容易さ、再現性、高感度である。基板は消耗品であるために、できる限り安価であることが望まれる。しかしながら、例えば（３）の電子ビームリソグラフィによる基板作成では、再現性は高いものの、基板自体が高価になってしまう。又、（１）の銀コロイドを溶液中に分散させるものや、（２）銀ナノ粒子をガラス基板上に吸着させるものは、作成に時間がかかるだけでなく長期保存ができないという問題点を有する。

又、非特許文献４では、本発明で利用した銀ナノ微粒子析出技術が、銀薄膜の製作に応用されているが、表面増強ラマン分光分析用基板への応用はなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、作成が容易で、再現性が高く、高感度で、長期保存が可能な表面増強ラマン分光分析用基板を提供可能とすることを課題とする。

本発明は、銀の錯イオンを含む溶液に分散剤を加えた銀鏡反応により基板上に銀ナノ微粒子を析出させることを特徴とする表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法により、前記課題を解決したものである。

又、前記銀鏡反応を、銀の錯イオンを含む溶液（例えば硝酸銀溶液にアンモニア水を加えたもの）に分散剤を加えて攪拌した銀超微粒子液に、還元剤を加えると同時に基板を浸すことにより行なわせるようにしたものである。

又、前記銀の錯イオンを、硝酸銀溶液から作るようにしたものである。

又、前記硝酸銀溶液の濃度を、３mass％以上１０mass％以下としたものである。３mass％未満であるとほとんど成膜せず、１０mass％以上であると均一でなくなる。

又、前記基板の液浸時間を９０秒以上１５０秒以下としたものである。９０秒未満ではまばらで、１５０秒以上では厚くなりすぎて剥がれ易くなる。

又、前記分散剤を、酸性基（酸基とも称する）を有するコポリマーとしたものである。

又、前記還元剤をヒドラジンとしたものである。

本発明は、又、前記のいずれかの作成方法で作成されたことを特徴とする表面増強ラマン分光分析用基板を提供するものである。

本発明によれば、長期保存が可能な表面増強ラマン分光分析用基板を短時間で容易に作成でき、大量生産が可能で、安価な基板を提供できる。

即ち、本発明においては、銀の錯イオンを含む溶液（例えば硝酸銀溶液にアンモニア水を加えたもの）に分散剤を加えた銀鏡反応により基板上に銀ナノ微粒子を析出させるようにしているので、基板の作成が簡易であり、例えば１５分程度で短時間に作成でき、大量生産も可能で、安価に実現できる。分析においては、基板は消耗品として使用されるため、安価であることは、実用化に関して極めて重要な要素となる。

又、基板上において、高い増強度を示す場所が高密度に存在し、基板上の位置間で高い再現性が得られる。又、作成プロセスが簡易なため、基板間の再現性も極めて高い。

更に、反応時のｐＨ、温度、溶液の攪拌を制御することにより、ナノ微粒子の径や密度を制御でき、高感度な基板を実現できる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図１（Ａ）に示す如く、５ｍｌの５mass％硝酸銀溶液１０、銀の錯イオン生成及びｐＨ調整用の８ｍｌの１．５Ｍ／ｌアンモニア水と２０ｍｌの純水、及び、１．５ｍｌの分散剤１２を加えてマグネチックスターラ１４でよく攪拌し、銀超微粒子液１６を作成した。

次いで、図１（Ｂ）に示す如く、この銀超微粒子液１６に還元剤１８として６ｍｌの９９mass％ヒドラジンを加えると同時にガラス基板２０を浸すことにより、その表面に直径１０〜５０ｎｍの銀ナノ粒子２２を析出させた。

前記分散剤１２としては、例えば酸性基を有するコポリマー、前記還元剤１８としては、例えばヒドラジンを用いることができる。

本実施形態においては、ガラス基板２０の製作は１５分で完了し、大量生産も可能であり、安価に実現できる。

銀ナノ粒子の有無による測定結果の比較を図２に示す。本実施形態の銀ナノ粒子により表面増強ラマン効果が得られていることが明らかである。

又、図３に基板上の３点を無作為に抽出した結果を示すように、基板上の位置間の再現性が高く（図３では±２０％程度）、図４に３枚の基板データの例を示すように、基板間の再現性も極めて高い（図４では−１０％〜＋２０％）ことが確認できた。

更に、銀ナノ微粒子基板上の試料のラマン散乱光は、図５にトリプトファンを試料とした時の実験結果を示す如く、濃度が１ｐＭ／ｌの試料（トリプトファン）のものまで高感度に検出確認できた。なお、図５は溶液の温度が２５℃、ガラス基板の浸漬時間が１２０秒である場合の実験結果である。

又、ローダミン６Ｇを試料とした時の実験結果を図６に示す。この例でも１０ｍＭ／ｌの濃度を検出確認できた。

なお、前記実施形態においては、分散剤として酸性基を有するコポリマーを用い、還元剤としてヒドラジンを用いたが、分散剤や還元剤の種類はこれに限定されない。銀イオンを含む溶液も硝酸銀溶液に限定されず、基板もガラス基板に限定されない。

分散剤として、酸性基を有するコポリマーである分散剤Ａ（ビックケミー・ジャパン株式会社のＤisperbyk（登録商標）−１０２）、酸性基を持ったポリマー塩である分散剤Ｂ（同Ｄisperbyk−１０６）、酸性基を含む共重合物のアルキロールアミン塩である分散剤Ｃ（同Ｄisperbyk−１８０）を用いた。いずれもリン酸基（ＰＯ₄）を官能基として持ち、この官能基が銀を微粒子のまま析出させると考えられる。

（１）成膜具合を表１に示す。

分散剤Ａを使った場合、硝酸銀濃度が５mass％の基板が、最も全体に均一に成膜した。１０％の基板では、成膜はするが均一ではなく、ところどころ成膜しないところもある。３mass％の基板では、一部分以外はほとんど成膜しなかった。１mass％の基板では、全く成膜しなかった。

分散剤Ｂを使った場合、硝酸銀濃度が５mass％の基板は全体に成膜するが、膜の厚さは均一ではなく、中心は厚いが周りでは薄い。３mass％、１０mass％の基板においても同様の結果だった。その中でも全体的な厚さは１０mass％の基板が最も厚く、３mass％の基板が最も薄かった。１mass％の基板では全く銀は付かなかった。

分散剤Ｃを使った場合、硝酸銀濃度が５mass％の基板は全体的に成膜するが、斑で均一ではなく、膜厚が薄い。３mass％、１０mass％の基板においても同様であったが、１０mass％の基板が最も均一に成膜していた。１mass％の基板では他と同様で全く銀は付かず、銀微粒子溶液に更に浸しても、成膜しないと思われた。

（２）１０ｍＭ／ｌトリプトファンを吸着させたときの増強の度合を表２に示す。

分散剤Ａの硝酸銀濃度３mass％における相対強度は１．４〜２．０、５mass％におけ
る相対強度は３．３〜３．６、１０mass％における相対強度は１．１〜１．４であった。
ここでは、相対強度が大きいほど、高増感であることを示す。

分散剤Ｂでは、中心の膜の厚い部分では、基板にトリプトファンを滴下すると撥水し、基板に吸着しないのでスペクトルが取れなかった。周囲の薄い部分でも多少撥水するが、時間が経つと吸着する。このときの相対強度は、硝酸銀濃度３mass％のとき１．４〜２．０、５mass％のとき０．５〜１．０、１０mass％のとき０．６〜１．０であった。

分散剤Ｃでは、硝酸銀濃度３mass％のときの相対強度は１．４〜２．１、５mass％のときは１．８〜２．４、１０mass％のとき１．７〜３．５であった。１０mass％では、相対強度が大きくなる場合もあるが、測定ごとのばらつきが大きいため、再現性に問題がある。

（３）銀微粒子溶液に基板を浸す時間についての実験結果を表３に示す。

分散剤Ａで硝酸銀濃度が５mass％の基板のとき、時間と共に銀微粒子膜が成膜されていく。液浸時間が３０秒、６０秒では、銀は付くが膜厚が薄く、まばらである。基板全体に均一に成膜するのは１２０秒浸したときである。１５０秒になると厚くなり過ぎて剥がれ易くなる。

（４）基板全体に均一に成膜するまでの時間についての実験結果を表４に示す。

分散剤Ａを用いたとき、硝酸銀濃度が１mass％、３mass％、５mass％、１０mass％において、どのくらいの時間銀微粒子溶液に浸せば、均一に成膜するかを調べた。調査結果を表４に示す。

１mass％では１０分間浸してみても全く銀は付かず、更に浸しても、成膜しないと思われた。３mass％では溶液に浸すと基板の中心は成膜したが、周りは成膜しないため、最終的に５分間浸漬した。すると周りはやはり全く成膜しないばかりか、中心の膜厚が厚くなり過ぎたためか、中心の銀皮膜も剥がれてしまった。５mass％では、上記のとおり１２０秒が最適であった。１０mass％では、まず９０秒浸してみたところ、全体的に均一に成膜したが、膜厚が厚くなり過ぎて剥がれ易かった。そこで、６０秒にしたところ、全体にほぼ均一に成膜した。

本発明の実施形態による表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法を示す図 前記実施形態により作成した基板の表面増強効果を示す図 同じく基板上の再現性を示す図 同じく基板間の再現性を示す図 同じくトリプトファンによる表面増強ラマン分光結果を示す図 同じくローダミン６Ｇによる表面増強ラマン分光結果を示す図

符号の説明

１０…硝酸銀溶液にアンモニア水を加えたもの
１２…分散剤
１６…銀超微粒子液
１８…還元剤
２０…ガラス基板
２２…銀ナノ粒子

Claims (8)

1. 銀の錯イオンを含む溶液に分散剤を加えた銀鏡反応により基板上に銀ナノ微粒子を析出させることを特徴とする表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法。
2. 前記銀鏡反応を、銀の錯イオンを含む溶液に分散剤を加えて攪拌した銀超微粒子液に、還元剤を加えると同時に基板を浸すことにより行なわせることを特徴とする請求項１に記載の表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法。
3. 前記銀の錯イオンは、硝酸銀溶液から作られることを特徴とする請求項２に記載の表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法。
4. 前記硝酸銀溶液の濃度が３mass％以上１０mass％以下であることを特徴とする請求項３に記載の表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法。
5. 前記基板の液浸時間が９０秒以上１５０秒以下であることを特徴とする請求項２に記載の表面増強ラマン分光分析基板の作成方法。
6. 前記分散剤が、酸性基を有するコポリマーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法。
7. 前記還元剤がヒドラジンであることを特徴とする請求項２に記載の表面増強ラマン分光分析用基板の作成方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の作成方法で作成されたことを特徴とする表面増強ラマン分光分析用基板。

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