金属ナノ構造と吸着分子の間の電子的相互作用の解明

• Project Area: Strong Photons-Molecules Coupling Fields for Chemical Reactions
• Project/Area Number: 21020008
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 二又 政之 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20344161)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥3,800,000 (Direct Cost: ¥3,800,000); Fiscal Year 2010: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2009: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
• Keywords: 単一分子感度ラマン / 近接場ラマン / 吸着 / 表面プラズモン

Research Abstract

金属-吸着種間の電子的相互作用を局所的に明らかにするために、
1金属-吸着分子間の電子的相互作用解明:表面増強ラマン散乱(SERS)による研究を進め、前年度、銀ナノ粒子表面電荷が、色素との排他的な静電的相互作用を与えていることを見いだした。今年度は、化学的に安定で酸化被膜形成の問題がない金ナノ粒子の表面電荷の制御により、化学的相互作用による近接安定化と巨大ラマン散乱の観測を試みた。結果として、組成や化学還元条件により表面電荷を制御した金ナノ粒子を形成することができた。この粒子を用いて、カチオン性色素だけでなく中性化した色素分子の金表面へのアミノ基の配位結合を用いて、金ナノ粒子を近接安定化し、10^8-10^9倍のラマン増強度が得られることを初めて見出した。これにより、溶液中の幅広い化学種と金属ナノ粒子の静電的及び化学的相互作用を用いて、単一分子ラマン検出が可能となった。また、ここで得られた結果は、金属ナノ粒子に吸着した分子の真のSERS増強度の評価と、特に配位結合等を介して化学吸着する場合の電子的相互作用を精密に解析するための基礎となる重要な発見である。
2金属ナノ構造体-分子間の局所的な電子移動相互作用の解明:チップ増強ラマン(TERS)による研究に関して、局所的な電子的相互作用の解析のために、1個の金属ナノ粒子をカンチレバー先端に固定し近接場ラマンプローブとして利用するための、顕微鏡と分光器をつなぐ集光系の効率化を進めた。顕微鏡光学系の改造と、適合する集光光学系の設計・試作により、これまでよりも数10倍高い信号伝達率を得ることができた。1個の金属ナノ粒子をカンチレバー先端に固定する方法について、実験条件の最適化を進めた。

Research Products

• [Journal Article] Elucidation of electrostatic interaction between cationic dyes and Ag nanoparticles generating enormous SERS enhancement in aqueous solution (2011)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yajima
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 115 Pages: 5271-5279
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Closely adjacent gold nanoparticles linked by chemisorption of neutral rhodamine 123 molecules providing enormous SERS intensity (2011)
  • Author(s): T.Yajima, Y.Yu, M.Futamata
  • Journal Title: Physical Chemistry and Chemical Physics Volume: 13(印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Closely adjacent Ag nanoparticles formed by cationic dyes in solution generating enormous SERS enhancement (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yanatori, T.Kokubun
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 114 Pages: 7502-7508
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Closely adjacent Ag nanoparticles formed by cationic dyes in solution generating enormous SERS enhancement (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yanatori, T.Kokubun
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C 114(印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 金属ナノ粒子を用いるチップ増強ラマン分光法 (2011)
  • Author(s): 石橋孟士、團野真実、二又政之
  • Organizer: 日本化学会第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大(神奈川)
  • Year and Date: 2011-03-28
• [Presentation] 銀ナノ粒子の色素分子による静電的相互作用による近接安定化とSERS活性 (2011)
  • Author(s): ユエイエイ、谷島徹、二又政之
  • Organizer: 日本化学会第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大(神奈川)
  • Year and Date: 2011-03-27
• [Presentation] 金ナノ粒子の静電的および化学的相互作用による近接安定化とSERS活性 (2011)
  • Author(s): 谷島徹、ユエイエイ、二又政之
  • Organizer: 日本化学会第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大(神奈川)
  • Year and Date: 2011-03-27
• [Presentation] 金及び銀ナノ粒子の静電的及び化学的相互作用による近接安定化とSERS活性化 (2011)
  • Author(s): 二又政之、谷島徹、ユエイエイ
  • Organizer: 日本化学会第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大(神奈川)
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] 表面増強ラマン分光の基礎と現状・将来展望 (2011)
  • Author(s): 二又政之
  • Organizer: 日本学術振興会第151委員会平成22年度第4回研究会
  • Place of Presentation: 東大工(東京)(依頼講演)
  • Year and Date: 2011-01-31
• [Presentation] Closely adjacent silver and gold nanoparticles linked by chemisorption of neutral rhodamine 123 molecules providing enormous SERS intensity (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yajima
  • Organizer: PACIFICHEM 2010
  • Place of Presentation: ホノルル(アメリカ合衆国)(Invited)
  • Year and Date: 2010-12-13
• [Presentation] Gap mode SERS towards analytical applications and near-field Raman spectroscopy (2010)
  • Author(s): M.Futamata, M.Danno, T.Yanatori
  • Organizer: PACIFICHEM 2010
  • Place of Presentation: ホノルル(アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2010-12-11
• [Presentation] Application of SERS using nanosphere overlayer method to biomolecules (2010)
  • Author(s): M.Futamata, T.Kokubun
  • Organizer: PACIFICHEM 2010
  • Place of Presentation: ホノルル(アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2010-12-10
• [Presentation] 金属ナノ粒子の静電的及び化学的相互作用による近接安定化と巨大ラマン散乱 (2010)
  • Author(s): 二又政之、ユエイエイ、谷島徹
  • Organizer: 日本分光学会顕微部会2010年シンポジウム
  • Place of Presentation: 東大理(東京)
  • Year and Date: 2010-12-09
• [Presentation] Closely adjacent Ag nanoparticles formed by cationic dyes yielding enormous SERS activity (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yajima
  • Organizer: ASIANano2010
  • Place of Presentation: 日本科学未来館(東京)
  • Year and Date: 2010-11-02
• [Presentation] Closely adjacent Ag nanoparticles formed by cationic dyes yielding enormous SERS activity (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yajima
  • Organizer: International Conference on Nanoscopic Colloid and Surface Science (NCSS2010)
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場(千葉)
  • Year and Date: 2010-09-22
• [Presentation] 極微量カチオン性色素添加による金属ナノ粒子の近接安定化とSERS活性 (2010)
  • Author(s): 二又政之、ユエイエイ、谷島徹
  • Organizer: ナノオプティクス研究グループ第19回研究討論会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京)
  • Year and Date: 2010-07-15
• [Presentation] Closely adjacent Ag nanoparticles formed by cationic dyes yielding enormous SERS activity (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yajima
  • Organizer: Gordon Research Conference
  • Place of Presentation: Colby College (U.S.A.)
  • Year and Date: 2010-06-20
• [Presentation] Closely adjacent Ag nanoparticles formed by cationic dyes yielding enormous SERS activity (2010)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Yu, T.Yajima
  • Organizer: Nanophotonics 2010
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城)
  • Year and Date: 2010-06-04
• [Presentation] SERS-化学的増強:カチオンによるAgナノ粒子の近接安定化 (2009)
  • Author(s): 二又政之, ユエイエイ, 國分健志, 簗取友美
  • Organizer: 日本分光学会高感度表面・界面分光部会第2回シンポジウム
  • Place of Presentation: 産総研つくばセンター
  • Year and Date: 2009-12-24
• [Presentation] 表面プラズモンのギャップモードを利用したラマン散乱の高感度化 (2009)
  • Author(s): 二又政之, 簗取友美, 國分健志, ユエイエイ
  • Organizer: 2010年度日本分光学会年次講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2009-11-19
• [Presentation] 液中銀ナノ粒子のカチオンによる安定化とナノギャップSERS活性 (2009)
  • Author(s): 二又政之, ユエイエイ, 國分健志, 簗取友美
  • Organizer: 2010年度日本分光学会年次講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2009-11-18
• [Presentation] 液中銀ナノ粒子のアニオン及びカチオンによる安定化とSERS活性 (2009)
  • Author(s): 二又政之, ユエイエイ, 國分健志, 簗取友美
  • Organizer: 第3回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-09-24
• [Presentation] ナノ粒子オーバレーヤ法によるSERS基板形成 (2009)
  • Author(s): 二又政之, 簗取友美, 國分健志, ユエイエイ
  • Organizer: 第3回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-09-23
• [Presentation] Anion Induced Chemical Enhancement in SERS(Invited) (2009)
  • Author(s): 二又政之
  • Organizer: International Symposium on Advanced Spectroscopy for Surface and Interfaces
  • Place of Presentation: 産総研北海道センター
  • Year and Date: 2009-07-14
• [Presentation] Anion Induced LSP Spectral Changes Correlating with SERS Activity for Cationic Dye on Immobilized Ag Nanoparticles (2009)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Maruyama
  • Organizer: SPP4(Fourth International Conference on Surface Plasmon Photonics)
  • Place of Presentation: アムステルダム(オランダ)
  • Year and Date: 2009-06-20
• [Presentation] LSP and SERS Activity of Metal Nanostructures Fabricated by EBL and Nanosphere Overlayer (2009)
  • Author(s): M.Futamata, Y.Maruyama
  • Organizer: SPP4(Fourth International Conference on Surface Plasmon Photonics)
  • Place of Presentation: アムステルダム(オランダ)
  • Year and Date: 2009-06-20