2016 Fiscal Year Research-status Report
遠紫外光を用いる選択的超高感度プラズモンセンサーの開発
| Project/Area Number |
16K14025
|
|---|
| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
|---|
Principal Investigator |
尾崎 幸洋 関西学院大学, 理工学部, 教授 (00147290)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | プラズモンセンサー / 遠紫外 / 表面プラズモン共鳴 / アルミ薄膜 / 減衰全反射法 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
金属表面の屈折率変化を鋭敏に検出するプラズモンセンサーは、バイオセンサーをはじめとした幅広い分野で研究が進められており、その検出感度の向上は大きな課題となっている。本研究では、物質が数多くの電子遷移を示し高い屈折率を持つ、波長200 nm以下の遠紫外光を用いることで、高い感度と物質選択性を持つ新たな表面プラズモンセンサーを開発することを目的とした。
本研究では減衰全反射(ATR)型のセットアップを用いて、石英あるいはサファイヤ製のプリズム上に蒸着したアルミニウム薄膜の反射率を測定した。この装置は、プリズム中に重水素ランプからの光を入射し、アルミ薄膜を蒸着した界面で全反射した光を検出する。入射角度を変えながら、波長140-300 nmのスペクトルを測定することができる。遠紫外光を検出するためには光路中の水蒸気や酸素を除去する必要があるが、装置内を乾燥窒素で置換することで真空雰囲気よりも簡便に達成した。
アルミニウム薄膜の遠紫外領域を含んだ領域のプラズモン共鳴特性を測定し、さらにその屈折率依存性を明らかにすることに成功した。具体的には、石英プリズム上に製膜したアルミニウム薄膜の反射率を測定し、空気中と有機溶媒(HFIP)中で、その入射波長依存性と入射角度依存性を明らかにした。また、サファイヤプリズム上にアルミニウム薄膜を製膜することで、より多くの液体分子を測定対象とすることができることを明らかにした。さらに、屈折率の実部(Refractive index n)の影響だけでなく、屈折率の虚部(Extinction coefficient k)の影響についても検討を行い、プラズモン共鳴の吸収と分子の吸収の相互作用(強結合)を観察することに成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高く評価する理由は以下のとおりである。独自に開発した減衰全反射(ATR)型のFUV分光装置を用いることで、試料系を大気解放したままFUVスペクトルを測定することに成功し、さらにアルミニウム薄膜上の屈折率に応じたSPR波長とSPR角度のシフトを検出することに成功した。また測定分子の吸収に伴うシフト量の増大や、試料表面の不均一性を反映したスペクトル変化など、FUV領域を利用したからこそのユニークな挙動も明らかになりつつある。下記の一篇の論文発表(1)を行った。またもう1篇の論文(2)が投稿中である。(1) Direct optical measurements of far- and deep ultraviolet, surface plasmon resonance with different refractive indices, I. Tanabe et al., Optics Express, 24, 21886 (2016). (2) Far- and deep-ultraviolet surface plasmon resonance sensors working in aqueous solutions using aluminum thin films, I. Tanabe et al., Submitted to Sci. Rep.
さらに2件の表彰を受けた。(1) 渡利幸治ら「Al薄膜の表面プラズモン特性を利用した新しいSPRセンサーの開発に向けた研究」第10回平成夏季セミナー ～ぶんせき秘帖 巻ノ十～、 ポスター賞受賞 (2)田邉一郎ら「センサー応用に向けたアルミニウムの遠紫外表面プラズモン特性研究」平成28年度日本分光学会年次講演会、若手講演賞受賞
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度の成果を踏まえ、次年度は、遠紫外域の強みをさらに明確に提示していくため、以下のような計画で研究を進める。
第一段階として、波長の短い遠紫外域を利用するメリットを踏まえ、SPRセンサーとしての表面敏感性を実証する。そのために、サイズを制御したポリスチレンビーズをアルミニウム薄膜表面に担持し、それによるSPR特性の変化を検証する。金や銀を用いた可視SPRセンサーに比較して、アルミニウムを利用した遠紫外SPRセンサーは、エバネッセント波の染み出し深さが小さくなるため、ポリスチレンビーズ担持による表面凹凸（PSと空気の混合層）を鋭敏に検出することができると考えられる。また、厚さ数ナノメートルの超薄膜ポリマーを金属上に製膜することで、やはり遠紫外SPRセンサーの表面敏感性を示すことを計画している。
第二段階として、抗原抗体反応センサーとしての応用を踏まえ、Anti-IgGとIgGの選択的結合に伴うSPR特性の変化を検出する。本段階では、金属表面に修飾した擬似抗体としてのAnti-IgGへの擬似抗原としてのIgGの結合を検出する。表面敏感性に加えて物質選択性についても実証するため、意図的に測定波長域に吸収をもたないスクロースなどを系に加えた検証も行う。測定する遠紫外・深紫外域に吸収をもつIgGと、吸収をもたないスクロースが混在する系に置いては、前者（IgG）がより鋭敏に検出されると期待できる。
フレネルの式に基づく数値シミュレーションから、極表面(数nmから十数nm)において従来の可視プラズモンセンサーに比べて400倍以上の感度の上昇が期待できることが、明らかになっている。本研究により、表面反応に伴う屈折率の変化を従来の可視SPRセンサーよりも高感度に検出できると期待でき、その検出下限を明らかにする。
|
