| 研究課題/領域番号 |
23KJ2183
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
竹内 祐貴 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 特別研究員(PD)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| キーワード | 金ナノ粒子 / プラズモン / ナノ加工 |
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| 研究実績の概要 |
赤外吸収分光を用いたガスセンサは検出感度やリアルタイム計測などに関して改善の余地が未だ残されている．これらの課題を解決するために，数珠つなぎ金属ナノ粒子を用いた高感度ガスセンサの開発を行っており，本年度では，鎖状金ナノ粒子オリゴマー内で粒子同士が光照射による金イオン還元を介して接合される様子の観察やそれによる共鳴波長シフトの観測および赤外分光で使用可能な構造の設計を行った．
まず，金ナノ粒子が固定されたガラス基板を作製し，その基板を金イオン水溶液に沈め蛍光ランプで光照射を行った．固定された金ナノ粒子の電子顕微鏡像を光照射の前後で比較したところ，光照射によりナノ粒子間で結晶が析出していることが明らかになった．また，金ナノ粒子オリゴマー溶液に金イオンを加えて光照射を行ったところ，ガラス基板上に固定したときと同様に粒子間に結晶成長が起き，粒子が接合されることを高分解能電子顕微鏡により確認した．この析出した結晶の元素分析をエネルギー分散型X線分析によって行ったところ，金が析出していることが示された．さらに，このナノ粒子の金による接合によってオリゴマーの共鳴波長が可視から近赤外にシフトすることを観測した．この共鳴波長シフトは電磁場計算によって得られたナノ粒子の接合による共鳴波長シフトのふるまいと一致している．最後に，ナノ粒子の接合によって共鳴波長を近赤外領域より長波長側にシフトさせるために電磁場計算を用いて数珠つなぎ金ナノ粒子の幾何因子と共鳴波長の相関関係を調査した．これにより，構成粒子が多く，大きく，ナノ粒子を接合する金の直径が細いほどその共鳴波長は長波長側にシフトすることが明らかになった．また，単純な金ナノ粒子の代わりにシリカ－金コアシェルナノ粒子を構成粒子に用いて数珠つなぎにすると，赤外分光に使用する波長範囲で共鳴波長の制御が可能になるという見通しが立てられた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
当初の予定通り，数珠つなぎ金ナノ粒子の幾何因子がその光学特性に及ぼす影響を電磁場計算で確認することができた．また，それをもとに中赤外領域に応答を示すナノ粒子の形状にある程度の目処がついている．最後に金属ナノ粒子を光照射による金属イオン還元でつなぐノウハウは十分習得しており，以上のことから研究はおおむね順調に進展していると考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの実験に用いた金ナノ粒子の鎖状オリゴマー溶液は，数日ほど経過するとオリゴマー同士で凝集してしまうため，その安定性に問題があった．そこで今後の研究の推進方策として，まず，凝集しづらい金ナノ粒子オリゴマーの作製法開発に着手する．手段としては，塩やリンカー分子，溶媒を変えながら凝集がしづらい安定な鎖状オリゴマーの作製に努める．また，それと並行してシリカ－金コアシェルナノ粒子の合成やその接合実験にも取り掛かる．このコアシェルナノ粒子の共鳴波長は粒子の直径と金層の厚みで変化するため，比較的作製が容易な鎖状のナノ粒子三から四量体で赤外線に応答を示す数珠つなぎナノ粒子になるように構成コアシェル粒子の直径，金層の厚み，および接合部の太さを電磁場計算により決定する．この計算結果を元にコアシェルナノ粒子の合成とその鎖状オリゴマーの作製に着手する．ここで，三量体や四量体が選択的に生成されるように作製法の開発に努める．ここに金イオン溶液を加え，光照射を行い数珠つなぎにして共鳴波長を近赤外から中赤外領域にシフトさせる．光源として波長可変レーザーや量子カスケードレーザーを用いる．これらの光源で金イオン還元が起こらなかった場合，白色光源や紫外レーザーを用いてイオン還元を誘起する．中赤外領域への共鳴波長シフトは赤外吸収分光法を用いて確認する．共鳴波長のシフトを確認後，金に特異吸着する分子(チオール基を持つ分子など)を用いて赤外吸収スペクトルのバックグラウンドを極限まで低減させ，シグナル/バックグラウンド(S/B)比の増強を達成する．金に特異吸着する分子のS/B比の増強を確認後，二酸化炭素等のガス分子でも同様にS/B比が増強することを観測する．これにより高感度なガスセンサを開発する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度の実験では，概ね受入研究室が現有する機器や器具を使用したため，物品費が予定していた額より少額になった．さらに，学会等の出張も当初の予定より少額で行えたため，旅費でも次年度使用額が生じた．来年度は，数珠つなぎナノ粒子の共鳴波長制御のためにレーザーなどの高額な光学機器を購入する予定であり，それに次年度使用額を充てる予定である．また，他機関での実験も予定しており，次年度使用額をそこにも充てる．
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