2015 Fiscal Year Research-status Report
1分子検出高感度表面増強ラマン分光による多成分化学分析技術
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15K04592
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
菅野 公二 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20372568)
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| Project Period (FY) |
2015-10-21 – 2018-03-31
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| Keywords | 1分子検出 / ラマン分光 / 表面増強ラマン分光 / プラズモニクス / 金ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，巨大な表面増強ラマン散乱（SERS）を生み出すナノ粒子二量体アレイの高効率生成技術および高速高感度SERS分光分析技術を基盤として，多成分溶液に含まれる分子を1分子ずつラマン分光検出することにより，溶液中に含まれる分子の種類および個数（濃度）を同定する多成分SERS分光分析技術を構築することである。その中で，最適SERS構造とその１分子検出特性を明らかにするとともに，１分子SERS分光分析のメカニズム解明を試みる。
今年度の計画では，これまでに構築したナノ粒子二量体アレイにおいて1分子検出の確認および1分子検出下限時間を明らかにすることを目指した。目的を達成するためには，ナノ粒子二量体アレイを用いて1分子を高速に検出する必要がある。最終的な目標を測定時間0.1秒とする。１分子検出の確認のためにまずラマン強度の分布を解析する手法を用いた。同一のナノ粒子二量体配列アレイにおいて100程度のスペクトルデータを収集し，各ラマンピークにおけるラマン強度のヒストグラムを作製する。このデータにおいて，ラマン強度が離散的になれば１分子を検出していると考えられる。本実験ではビピリジン分子を用いた。実験の結果，10 pMの分子濃度溶液では１秒および0.05秒の計測時間でラマン信号の明滅現象が確認でき，ラマン強度の分布は離散的となった。さらに，アデニン分子を用いて明滅現象の有無を確認した結果，最短で0.1秒の計測時間で明滅現象を確認した。これらの結果から本研究で提案した金ナノ粒子二量体構造を用いて0.1秒以下での1分子検出が可能であることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度の計画では，これまでに構築したナノ粒子二量体アレイにおいて1分子検出の確認および1分子検出下限時間を明らかにすることを目指した。目的を達成するためには，ナノ粒子二量体アレイを用いて1分子を高速に検出する必要がある。最終的な目標を測定時間0.1秒とする。１分子検出の確認のためにまずラマン強度の分布を解析する手法を用いた。同一のナノ粒子二量体配列アレイにおいて100程度のスペクトルデータを収集し，各ラマンピークにおけるラマン強度のヒストグラムを作製する。このデータにおいて，ラマン強度が離散的となれば１分子を検出していると考えられる。得られたデータの中で，バックグラウンド程度の強度を0個の分子から得られたデータとし，そこからヒストグラム中にいくつかの明確なピークが現れれば，それは順に1個，2個，3個の分子を測定したと考えられ，これにより1分子検出を確認する。本実験ではビピリジン分子を用いた。実験の結果，10 pMの分子濃度溶液では１秒および0.05秒の計測時間でラマン信号の明滅現象が確認でき，ラマン強度の分布は離散的となった。計測時間１秒と0.05秒ではヒストグラム中に3つおよび２つのラマン強度ピークを確認した。1つ目のピークはバックグラウンドを表していると考えられ，順に分子1個，2個の強度になると考えられる。これらの分布はポアソン分布と良く一致した。一方で分子濃度10 μMでは１つのガウス分布で表すことができた。濃度を低くすることでガウス分布からポアソン分布へ変化したことから，最短で0.05秒での1分子検出が可能であることを確認した。さらに，アデニン分子を用いて明滅現象の有無を確認した結果，最短で0.1秒の計測時間で明滅現象を確認した。これらの結果から本研究で提案した金ナノ粒子二量体構造を用いて0.1秒以下での1分子検出が可能であることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後さらなる検出時間の短縮と１分子SERS検出のメカニズム解明を進める。
検出時間は，①ホットスポットでのラマン増強度，および ②ホットスポットへの分子の到達頻度の2点に依存すると考えられる。従来研究より，①については十分な増強度が得られると考えられる。②は分子濃度およびホットスポット（二量体）密度の2点で決まると考えられる。ここで，分子濃度とホットスポット密度が高い場合，１分子ではなく多数の分子を計測するため，１分子のみ検出するためには，両者に最適値が存在すると考えられる。分子濃度とホットスポット密度の2点を変化させた際のSERS分光特性を明らかにすることで (a) 1分子検出の確認 および (b) 検出ラマン強度と検出下限時間を明らかにする。
さらに，１分子SERS検出のメカニズム解明を進め，SERS構造設計指針を示すとともに，より詳細な検討から，より高速に１分子を検出する最適二量体構造を導出する。ここでは，金ナノ粒子二量体構造をSEMおよびTEMにより詳細に観察する。TEM観察のためには，シリコン窒化膜メンブレン上にナノ粒子二量体アレイを作製する。特に，ホットスポットにおける粒子間隔および粒子形状を測長し，その構造をFDTD電磁場解析に適用して電磁場増強度を計算する。観察形状と電磁場増強度，実験で得られたラマン強度の相関関係を調べることで，１分子検出に必要なホットスポット構造と１分子検出特性（ラマン強度・検出下限時間）を明らかにする。本研究では，ナノ粒子二量体がすべて一方向に揃った配列を形成できるため，大量なサンプルによる大量なデータを効率的に取得できる。従来研究では偶然生成した二量体をSEM観察により探し出し，偏光方向を１つずつ揃える必要があり，大量なデータ取得が困難であった。本研究では効率的な手法により，１分子SERS最適構造およびメカニズム解明を進める。
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| Causes of Carryover |
本研究ではナノ構造作製のために電子ビーム露光装置が必要となる。この作製実験を京都大学ナノテクノロジーハブ拠点の設備を利用して行った。当初の計画よりも作製結果が良好であり，短時間で作製できたため，その利用料の支出を抑えることができた。また，当初計画していた国際会議への参加を見送ったため，旅費の支出を抑えることができた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度には次年度使用額をその他（施設利用料）および旅費に充てる。平成28年度では，多くのナノ構造を試作し，その性能を評価する。その構造のバリエーションを増やすことで様々な構造を評価し最適構造を短時間で得ることができると期待される。さらに，平成27年度に多くの成果が得られたため，その学会発表の回数を増やし，より多くの成果報告に充てる。
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