チップ増強非線形光学効果を利用した分子振動ナノイメージング

• Project/Area Number: 04J07751
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied optics/Quantum optical engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 市村 垂生 Osaka University, 大学院・生命機能研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2004 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2004: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 金属ナノプローブ / 非線形ラマン散乱 / 局在プラズモン / 近接場光学顕微鏡 / ハイパーラマン散乱 / polyol法 / 金属結晶自己成長 / コヒーレントアンチストークスラマン散乱(CARS) / 分子振動イメージング / 単層カーボンナノチューブ

Research Abstract

ハイパーラマン散乱(Hyper Raman Scattering; HRS)を用いたチップ増強非線形ラマン散乱顕微鏡の構築を目指し、金属ナノ微粒子によるHRSの増強に関する基礎研究を行った。HRSは、二光子励起のラマン散乱であり、その選択則はラマン散乱よりもむしろ赤外吸収に近い。すなわち、HRSによるイメージングは、赤外活性分子のコントラストを与える。散乱強度は励起光強度の2乗に比例するため、通常の一光子励起のラマン散乱に比べ、高い空間分解能と増強度が期待できる。金属ナノ微粒子によるHRS増強を実験的に確認するために、イオン還元により銀微粒子を作製し、Crystal Violet、Malachite Greenの色素分子を微粒子表面に吸着させて、HRSスペクトルを観察した。この結果、ナノ微粒子の凝集体において極めて強いHRSが高い再現性で観察された。この強い増強は、微粒子対の接合部(ギャップ)のホットスポットによる増強であると考えられる。ナノ微粒子対の代わりに、金属基板上で金属探針のチップを用いてギャップを形成すれば、チップ増強型のHRSイメージングが実現できる。また、これと並行して、金属の自己結晶成長により金属チップを作製する方法を新たに提案し、試作に取り組んだ。これまではカンチレバープローブを真空蒸着法により金属コートして金属チップを作製していたが、自己結晶成長を用いれば、構造、サイズの制御性の飛躍的な向上が期待できる。銀ナノ結晶は、Polyol法により銀のナノキューブ構造とバイピラミッド構造を作製し、poly-ethylenimineでコートしたカンチレバープローブのチップ先端に固定した。この方法を用いれば、HRSの増強度の向上に加え、これまでの通常のラマン散乱やコヒーレントアンチーストークスラマン散乱を用いたイメージングシステムの感度向上にもつながる。

Research Products

• [Journal Article] Nanoanalysis of crystalline properties of GaN thin film using tip-enhanced Raman spectroscopy (2007)
  • Author(s): R. Matsui, P. Verma, T. Ichimura, Y. Inouye, and S. Kawata
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90
• [Journal Article] 近接場CARS顕微鏡によるDNA分子イメージング (2006)
  • Author(s): 市村垂生, 井上康志, 河田聡
  • Journal Title: レーザー研究 34(3) Pages: 219-223
  • NAID: 10017973333
• [Journal Article] Nonlinear Raman nano-imaging using plasmons localized at a metallic tip (2005)
  • Author(s): Taro Ichimura, Yasushi Inouye
  • Journal Title: SPIE Proceeding 5928 Pages: 9-17
• [Journal Article] Tip-enhanced near-field CARS microscopy for molecular nano-imaging (2005)
  • Author(s): Taro Ichimura, et al.
  • Journal Title: SPIE Proceeding 5700 Pages: 52-59
• [Journal Article] チップ増強型近接場ラマン散乱分光によるナノイメージング (2005)
  • Author(s): 井上康志, 市村垂生, 渡邊裕幸, 河田聡
  • Journal Title: 表面科学 26 Pages: 667-673
  • NAID: 10016762536
• [Journal Article] 局在プラズモンをナノ光源とした近接場ナノラマン分光・イメージング (2005)
  • Author(s): 井上康志, 矢野隆章, 市村垂生, 河田聡
  • Journal Title: レーザー加工学会誌 12 Pages: 35-40
• [Journal Article] 生体組織の近赤外分光と体内埋込医用機器への応用 (2005)
  • Author(s): 市村垂生, 河田聡, 中村收
  • Journal Title: 分光研究 54 Pages: 81-89
  • NAID: 10014007849
• [Journal Article] Tip-enhanced coherent anti-Stokes Raman scattering for vibrational nano-imaging (2004)
  • Author(s): Taro Ichimura, et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters 92,22
• [Journal Article] Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy for nano-imaging with metallic nearfield probe (2004)
  • Author(s): Satoshi Kawata, Taro Ichimura, et al.
  • Journal Title: Proceeding of SPIE 5516 Pages: 1-8
• [Journal Article] Tip-enhanced near-field CARS microscopy (2004)
  • Author(s): Satoshi Kawata, Taro Ichimura, et al.
  • Journal Title: Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials 13,3-4 Pages: 593-599
• [Journal Article] Near-field optics and spectroscopy for molecular nano-imaging (2004)
  • Author(s): Satoshi Kawata, Yasushi Inouye, Taro Ichimura
  • Journal Title: Science Progress 87,1 Pages: 25-49