化学メカニズムに基づく新しいＳＥＲＳセンシングプラットフォームの開発

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13F03332
• 研究機関: 関西学院大学
• 研究代表者: 尾崎 幸洋 関西学院大学, 理工学部, 教授 (00147290)
• 研究分担者: JI Wei 関西学院大学, 理工学部, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: ラマン散乱 / 表面増強ラマン散乱 / 酸化チタン / 化学メカニズム / 半導体 / センシング / クロム / ナノ粒子

研究実績の概要

表面増強ラマン散乱（Surface Enhanced Raman Scattering: SERS）は、その発見から早45年近くを迎える。極めて興味深い物理現象で、多くの研究者がSERSの基礎と応用の研究に挑戦してきた。SERSは極めて高い感度を持つものの、スペクトル測定の再現性、安定性等において、大きな問題があり、これまで実用的応用が実現していない。私の研究はSERSの実用的応用を目指すために、化学的増強メカニズムによる安定性、再現性に優れたSERSセンシングプラットフォームを構築することである。
2014年私はもともとの研究計画に基づいて、以下のような研究を行った。私は表面増強ラマン散乱のための“turn-off”戦略を提案した。この戦略が小さな無機分子やイオンの定量分析のための半導体基盤SERSセンシングを実現するための、効果的な方法として使えることを示した。アリザリンレッドに敏感なコロイド状の酸化チタン系がクロム（Ⅵ）の定量のためのラマンプローブとして用いられた。私はラベルされた分子の分解を触媒するために、半導体の光触媒の性質を利用した。そしてSERSシグナルの減少を観測した。クロム（Ⅵ）の定量分析は“turn-off” SERSシグナルの強度のモニターにより行った。その結果“turn-off” SERS戦略が半導体基盤のSERSセンシングの感度を増加する効果的方法であるということが示された。さらに私は化学増強の第一層の効果があるところにおいて、水溶液中のリン酸アニオンの選択的検出のための簡単な半導体基盤SERSセンシングをデザインした。一方半導体基盤SERSセンサーの半導体の安定性と再現性を系統的に議論した。このように半導体基盤ラマン散乱が素晴らしい安定性と再現性を持つセンサーを作り上げるのに、多いなる可能性があるということが分かった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

私は半導体基盤SERS技術を用いた小さな無機分子と金属イオン検出の研究を終了した。この半導体基盤SERSセンシングは、これまでのものと比べて感度ではまずまずであるが、安定性、再現性では相当優れたものとなっている。また半導体を用いるので、環境にやさしいシステムと言える。実際の環境と深い関わりのあるクロムⅥを用いて、定量性にも優れていることが分かった。さらに私は化学増強メカニズムが半導体基盤SERSにおいて鍵となる役割を果たしていることを見つけた。私の知る限り、私の研究は半導体におけるSERSの実際的応用の最初の例の一つである。予定どおりこのテーマに関する論文（1. Wei Ji, Yue Wang, Ichiro Tanabe, Xiaoxia Han, Bing Zhao and Yukihiro Ozaki, Semiconductor-driven “turn-off” surface-enhanced Raman scattering spectroscopy: application in selective determination of chromium (Ⅳ) in water, Chemical Science, 6, 342-348 (2014)
2. Wei Ji, Wei Song, Ichiro Tanabe, Yue Wang, Bing Zhao and Yukihiro Ozaki, Semiconductor-enhanced Raman scattering for highly robust SERS sensing: the case of phosphate analysis, Chemical Communications, 51, 7641-7644 (2014)
）も作成し、出版された。

今後の研究の推進方策

平成27年度は化学メカニズムに基づくさらに新しいSERSセンシングプラットフォームの構築の研究を行う。このプラットフォームは、27年度に実現した半導体基盤SERSセンシングシステムを改良するものである。これまでSERSは生体物質や環境物質の高感度分析などいろいろなところで応用されてきたが、いまだ実用的な応用には至っていない。それはSERSのメカニズムそのものがよくわかっていないからである。本研究では平成25，26年度の研究で明らかになった半導体基盤SERSセンシングシステムを改良し、これを用いて硫黄原子を含む芳香族系環境物質のセンシングを試みる。現実の環境物質に近いものを用いて、検出限界、再現性、定量性などについて検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Semiconductor-enhanced Raman scattering for highly robust SERS sensing: the case of phosphate analysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Wei Ji, Wei Song, Ichiro Tanabe, Yue Wang, Bing Zhao and Yukihiro Ozaki
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 51 ページ: 7641, 7644
  • DOI: 10.1039/c5cc02395e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contribution of hydrogen bonding to charge-transfer induced surface-enhanced Raman scattering of an intermolecular system comprising plaminothiophenol and benzoic acid (2014)
  • 著者名/発表者名: Yue Wang, Wei Ji, Zhi Yu, Ran Li, Xu Wang, Wei Song, WeidongRuan, Bing Zhao and Yukihiro Ozaki
  • 雑誌名: Physial Chemistry Chemical Physics 巻: 16（７） ページ: 3153, 3161
  • DOI: 10.1039/c3cp54856b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring the effect of intermolecular H-bonding: A study on charge-transfer contribution to surface-enhanced Raman scattering of p-mercaptobenzonic acid (2014)
  • 著者名/発表者名: Yue Wang, Wei Ji, Huimin Sui, Yasutaka Kitahama, WeidongRuan, Yukihiro Ozaki and Bing Zhao
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry 巻: 118 ページ: 10191, 10197
  • DOI: 10.1021/jp5025284
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semiconductor-driven “turn-off” surface-enhanced Raman scattering spectroscopy: application in selective determination of chromium (Ⅳ) in water (2014)
  • 著者名/発表者名: Wei Ji, Yue Wang, Ichiro Tanabe, Xiaoxia Han, Bing Zhao and Yukihiro Ozaki
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 6 ページ: 342, 348
  • DOI: 10.1039/c4sc02618g
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Template free synthesis of dendritic silver nanostrustures and their supplication in surface-enhanced Raman scattering (2014)
  • 著者名/発表者名: Mohammad MydulAlam, Wei Ji, HomNathLuitel, Yukihiro Ozaki, TakanoriWatari and Kenichi Nakashima
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 4 ページ: 52686, 52689
  • DOI: 10.1039/c4ra10113h
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enantioselective Discrimination of Alcohols by Hydrogen Bonding: Enantioselective Discrimination of Alcohols by Hydrogen Bonding (2014)
  • 著者名/発表者名: Yue Wang, Zhi Yu, Wei Ji, Yoshito Tanaka, Huimin Sui, Bing Zhao,Yukihiro Ozaki
  • 雑誌名: A SERS Study AngewandteChemie International Edition 巻: 126(50) ページ: 13866, 13870
  • DOI: 10.1002/anie.201407642
  • 査読あり
• [学会発表] Semiconductor Nanomaterials-based SERS for Analytical Application (2014)
  • 著者名/発表者名: Wei Ji, Bing Zhao, Yukihiro Ozaki
  • 学会等名: 18th National Conference on Molecular Spectroscopy, 31 October - 4 November 2014 (Suzhou, China)
  • 発表場所: Suzhou, China
  • 年月日: 2014-11-02 – 2014-11-02
• [学会発表] Semiconductor-enhanced Raman Spectroscopy for Highly Sensitive Metal Ions Detection (2014)
  • 著者名/発表者名: Wei Ji, Yue Wang, Ichiro Tanabe, Bing Zhao, Yukihiro Ozaki
  • 学会等名: ICORS 2014, 10-15, August 2014 (Jena, Germany)
  • 発表場所: Jena, Germany
  • 年月日: 2014-08-11 – 2014-08-11
• [備考] 尾崎研究室ホームページ
  • URL: http://sci-tech.ksc.kwansei.ac.jp/~ozaki/
• [備考] 研究分野、 表面増強ラマン散乱 (SERS)／チップ増強ラマン散乱 (TERS)
  • URL: http://ksc-new-dep.sakura.ne.jp/ozakilabo/resproj/research-field/sersters/