JP5288197B2

JP5288197B2 - 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及びそのプローブの作製方法

Info

Publication number: JP5288197B2
Application number: JP2009099728A
Authority: JP
Inventors: 民武伊藤; 康孝北濱; 幸洋尾崎; 淳一青山; 健太郎西方
Original assignee: Horiba Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kwansei Gakuin Educational Foundation
Current assignee: Horiba Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kwansei Gakuin Educational Foundation
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: JP2009276344A

Description

この発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いるプローブ及びそのプローブの作製方法に関するものである。

ラマン分光法は構造とダイナミクスの両方の解析に利用できるため、無機材料の構造解析、生体物質等の立体構造解析、医療診断等の広範な分野で応用されている。しかし、ラマン散乱光は非常に微弱であるので、従前はラマン分光を微量分析に使うことは困難であった。

これに対して、近時、ラマン散乱分光の低感度という問題を克服する手段として、金属微粒子又はナノ構造に吸着された分子からのラマン散乱光の強度が通常の１００万〜１兆倍に増強されるという、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ＥｎｈａｎｃｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）現象が注目されている。

走査型プローブ顕微鏡においては、金属をコーティングしたカンチレバーや、電界研磨した金属針をプローブ（探針）として用い、チップ増強ラマン散乱（ＴＥＲＳ：Ｔｉｐ−ＥｎｈａｎｃｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）において、ＳＥＲＳ効果を発現させている。このようなプローブによれば、プローブ先端の局所的な電場により、プローブ先端近接部のみのラマンシグナルが増強されるため、空間分解能が向上する。

しかし、これらの金属コーティングや金属針は微小な形状を有するものの、導体としては大きく、微小な導体とはいえない。従って、そこで発現するＳＥＲＳ効果を理論的に予測することは難しく、ＳＥＲＳ効果が制御されたプローブを作製することは困難であった。

特許文献１や特許文献２には、より微小な導体である金属微粒子をプローブ先端に付着させる方法が開示されており、このうち光化学反応を利用する方法としては、プローブに対向して透明基板やプリズム等を設置して、それらに対してその内部で全反射するように光を入射して、ブローブ先端近傍に染み出したエバネッセント光（近接場光）を利用する方法が記載されている。

特開２００１−８３０６９特開２００６−３０８４３８

しかしながら、エバネッセント光の染み出し程度は透明基板等に入射する光の波長により変動し、また、ブローブ先端部への金属微粒子の付着程度（付着範囲、付着量等）はプローブと透明基板等との距離や角度によって変動する。このため、プローブの先端部に所期のとおり金属微粒子を付着させるには、これらの要素を厳密に制御することが必要であり、極めて困難である。

そこで本発明は、ブローブへの金属微粒子の付着程度を容易に制御して、プローブの開口部に選択的に金属微粒子を付着することができるプローブの作製方法及びその方法を用いて作製されたプローブを提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係るプローブの作製方法は、光を射出することが可能な開口部を有するプローブ基体を、金属元素を含有する感光性の液体に浸漬する浸漬工程と、前記金属元素を含有する感光性の液体に前記プローブ基体を浸漬した状態で、前記プローブ基体の開口部から光を射出して光反応により金属粒子を生成する発光工程と、を備えていて、前記開口部に金属粒子が付着しているプローブを作製することを特徴とする。

このようなものであれば、プローブ基体の開口部から光を射出すると、金属元素を含有する感光性の液体中の開口部近傍の微小な領域のみが照明され、当該開口部近傍だけで光反応が起こって金属粒子が生成することにより、プローブ基体の開口部に選択的に金属粒子を付着させることができる。このため、金属元素を含有する感光性の液体へプローブ基体を浸漬する角度や深さによらず、また、プローブ基体の開口部から射出する光の波長によらずに、開口部のみに選択的に金属粒子が付着したプローブを作製することができるので、プローブの発現するＳＥＲＳ効果を制御することが可能となる。

また、本発明においては、金属元素を含有する感光性の液体の濃度、浸漬時間、プローブ基体の開口部から射出する光の強さ（照度等）を制御することにより、プローブ基体の開口部に付着させる金属粒子の量を調整することができるので、所望のＳＥＲＳ効果を奏するプローブを容易に作製することができる。更に、必要に応じて、金属種ごとに反応しやすい好適な波長を選択することもできる。

前記金属粒子としては特に限定されず、例えば、金粒子や銀粒子等が挙げられる。

前記金属元素を含有する感光性の液体は、光還元反応を促進するために、クエン酸等の還元触媒を含有していることが好ましい。

前記プローブ基体としては特に限定されないが、例えば、光ファイバーからなるものが好適に用いられる。

本発明は、プローブ基体の開口部に金属粒子を強固に付着させるために、更に、前記浸漬工程の前に、前記プローブ基体の開口部をＳＨ基又はＮＨ_２基で修飾する工程を備えていることが好ましい。

このような本発明に係るプローブの作製方法を用いてプローブを作製することにより、前記開口部のみに選択的に金属粒子が付着しているプローブを得ることができる。すなわち、光を射出することが可能な開口部を有するプローブ基材と、前記開口部のみに付着している金属粒子と、を備えていることを特徴とするプローブもまた、本発明の１つである。

なお、本明細書中において、「開口部のみ」に金属粒子が付着しているとは、実質的に開口部のみに金属粒子が付着していることを意味し、例えば、プローブの開口部近傍に染み出した近接場光により、開口部周辺にも金属粒子が付着したものであってもよい。

このように本発明によれば、ブローブ開口部への金属粒子の付着程度を容易に制御することができ、プローブの発現するＳＥＲＳ効果を制御することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプローブの縦断面図。チオシアン酸カリウムの試料溶液への添加効果を示すグラフである。使用後のプローブの再生状況を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態に係るプローブ１は、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＮｅａｒＦｉｅｌｄＯｐｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）に用いるプローブであって、図１に示すように、プローブ基体２と、金属微粒子３と、を備えている。

以下に各部を詳述する。プローブ基体２は、先端を尖端化した光ファイバーからなるものであって、中心から、コア２１、クラッド２２及び遮光性金属層２３からなる。プローブ基体２の最先端には直径３００ｎｍ以下の開口部２４（回折限界が起こる波長程度又は波長以下であることが好ましい。）が設けられており、開口部２４を通過した光は近接場となる。この近接場は、遠方へは伝播せず開口部２４近傍にのみ存在する。

金属微粒子３は、銀や金等からなり、プローブ基体２の開口部２４に凝集した状態で付着している。金属微粒子３の表面ではＳＥＲＳ効果が局所的に発現されるためより高い倍率で増強される。

このようなプローブ１を試料に接近させて、光の波長以下の微小な領域のみ照明することにより、試料が近接場に置かれて、試料から近接場光（散乱光や蛍光）が発生する。これを逐次位置を変えながら検出し近接場光の位置データと照合することにより、高分解能で試料の顕微鏡画像を得ることができる。

次にプローブ１の作製方法について説明する。まず、前処理として、プローブ基体２の開口部２４をポリ−Ｌ−システイン等のチオール化合物の水溶液やポリ−Ｌ−リシン等のアミノ化合物の水溶液に浸漬させて、プローブ基体２の開口部２４をＳＨ基やＮＨ_２基で修飾する。なお、ＳＨ基は金等に対して結合性を示し、ＮＨ_２基は銀等に対して結合性を示す。

次いで、開口部２４がＳＨ基やＮＨ_２基で修飾されたプローブ基体２を、金属元素を含有する感光性の液体に浸漬する。当該金属元素を含有する感光性の液体としては、硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）水溶液や四塩化金酸（ＨＡｕＣｌ_４）水溶液等の金属塩溶液が挙げられる。これらの金属塩溶液には還元触媒としてクエン酸等が添加されている。

プローブ基体２を前記金属塩溶液に浸漬させた状態で、光が通過する経路であるコア２１中に光を通過させることにより、プローブ基体２の開口部２４から光を発すると、開口部２４近傍の前記金属塩溶液中で局所的に金属イオンの還元反応が促進され、前記金属塩溶液が金属微粒子が分散した金属コロイドに変化する。次いで、金属コロイド中に分散した金属微粒子はプローブ基体２の開口部２４のＳＨ基やＮＨ_２基に結合する。この際にプローブ基体２の開口部２４から照射される光の波長は特に限定されない。

所定の時間経過後、プローブ基体２を前記金属塩溶液から引き上げることにより、開口部２４に選択的に金属微粒子３が付着したプローブ１を得ることができる。

例えば、硝酸銀水溶液を用いてプローブ１を作製する場合は、０．１〜１．０ｍＭのクエン酸を含有する１ｍＭの硝酸銀水溶液に、プローブ基体２を浸漬し、開口部２４から５〜１０ｍＷのレーザを０．２５秒照射した後、直ちに遮光する。これにより開口部２４に適切なサイズの銀微粒子３が付着したプローブ１を得ることができる。

このようなプローブ１の作製方法においては、金属塩溶液の濃度、浸漬時間、プローブ基体２の開口部２４から照射する光の強さを制御することにより、プローブ基体２の開口部２４に付着させる金属微粒子３の量を調整することができる。また、必要に応じて、金属種ごとに反応しやすい好適な波長を選択することもできる。

また、必要に応じて、プローブ１の作製と試料の顕微鏡観察とを同時に行うことも可能である。例えば、ローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇ）が試料であって、硝酸銀水溶液を用いてプローブ１を作製する場合は、０．１〜１．０ｍＭのクエン酸及び０．１μＭのＲ６Ｇを含有する１ｍＭの硝酸銀水溶液に、プローブ基体２を浸漬し、開口部２４から５〜１０ｍＷのレーザを０．２５秒照射した後、直ちに遮光する。これにより開口部２４に適切なサイズの銀微粒子３が付着したプローブ１を得ることができると共に、同時にＲ６Ｇの顕微鏡観察を行うことができる（図２（ａ）参照）。

なお、試料を含有しない金属塩溶液を用いて作製したプローブ１では、銀微粒子３の帯電に起因して、試料の顕微鏡観察が適切に行えない場合がある。この場合は、試料溶液にチオシアン酸カリウム等のチオシアン酸塩を添加するか、又は、作製されたプローブ１をチオシアン酸塩の水溶液に一旦浸漬してから試料の顕微鏡観察に供することが好ましい。このようにすることにより、銀微粒子３に試料分子が吸着しやすくなる。これは、チオシアン酸イオンにより銀微粒子３の電荷が中和されるためであると考えられる。

この具体例を図２に示す。すなわち、図２（ａ）は、１ｍＭの硝酸銀と１ｍＭのクエン酸ナトリウムと０．１μＭのＲ６Ｇとを含有する水溶液から、ＳＮＯＭ用光ファイバーを用いて観察されたラマンスペクトルを示し、図２（ｂ）は、０．１μＭのＲ６Ｇと２０ｍＭのチオシアン酸カリウム（ＫＳＣＮ）を含有する水溶液から、硝酸銀の光還元処理後の銀微粒子が付着した光ファイバーを用いて観察されたラマンスペクトルを示し、図２（ｃ）は、０．１μＭのＲ６Ｇのみを含有する水溶液から、図２（ｂ）と同じ光ファイバーを用いて観察されたラマンスペクトルを示す。

図２（ｂ）に示すように、銀微粒子が付着した光ファイバーを、２０ｍＭのチオシアン酸カリウムを含有する０．１μＭのＲ６Ｇ水溶液に浸漬した場合は、Ｒ６Ｇのラマンピークが徐々に出現した。所定時間経過後に消失した。一方、０．１μＭのＲ６Ｇのみを含有する水溶液では、図２（ｃ）に示すように、ラマンピークは観察されなかった。

この結果より、ＫＳＣＮはＲ６Ｇのラマンピークの観察に重要な役割を果たしていることがわかる。ＳＣＮアニオンが、これは、クエン酸ナトリウムによる硝酸銀の化学的還元によって生成された銀微粒子の周囲の残存種に置き換わり、酸化腐食により銀微粒子間のギャップが〜１から〜２ｎｍ僅かに増加する結果、大きな電磁場が生じることが報告されているギャップ間において測定対象分子の進入を阻害していた阻害要因が、ＳＣＮアニオンの作用により排除されることによって、高い測定感度を得られているためであると考えられる。図２（ｂ）に示す場合では、所定時間経過後（〜２０分）、ＳＥＲＳ効果を奏する大きな電磁場を生むためには、ギャップサイズが大きくなりすぎたと思われる。

更に、顕微鏡観察に供した後のプローブ１を、硝酸銀とクエン酸とを含有する水溶液に浸漬することにより、使用後のプローブ１を再生することができる。

この具体例を図３に示す。図３（ａ）（ｃ）は、０．１μＭのＲ６Ｇと２０ｍＭのＫＳＣＮを含有する水溶液から、銀微粒子が付着した光ファイバーを用いて観察されたラマンスペクトルを示し、図３（ｂ）（ｄ）は、１ｍＭの硝酸銀と１ｍＭのクエン酸ナトリウムとの混合水溶液から、同じ光ファイバーを用いて観察されたラマンスペクトルを示す。

これらの結果からわかるように、Ｒ６Ｇのラマンスペクトル測定に供した光ファイバーを、硝酸銀とクエン酸ナトリウムとを含有する水溶液に浸漬することにより、図３（ｂ）に示すように、Ｒ６Ｇのラマンピークやバックグラウンドの放射が消失した。このことは、光ファイバーに付着した銀微粒子はゆるやかにＲ６Ｇを吸着していることを示す。そして、同じ光ファイバーの先端を再度Ｒ６ＧとＫＳＣＮとの混合水溶液に浸漬すると、図３（ｃ）に示すように、１分後に再びラマンピークとバックグラウンド放射が現れることが確認された。また、再び同じ光ファイバーの先端を硝酸銀とクエン酸ナトリウムとの混合水溶液に浸漬すると、図３（ｄ）に示すように、Ｒ６Ｇのラマンピークとバックグラウンド放射が消えることが確認された。

したがって、このように構成した本実施形態によれば、プローブ基体２の開口部２４から光を発すると、金属塩溶液中の開口部２４近傍の微小な領域のみが照明され、開口部２４近傍の金属イオンだけが光還元されて金属微粒子３が生成することにより、プローブ基体２の開口部２４に選択的に金属微粒子３を付着させることができる。このため、金属塩溶液へプローブ基体２を浸漬する角度や深さによらず、また、プローブ基体２の開口部２４から射出する光の波長によらずに、開口部２４のみに金属微粒子３が付着したプローブ１を作製することができるので、プローブ１の発現するＳＥＲＳ効果を制御することが可能となる。

また、本実施形態においては、金属塩溶液の濃度、浸漬時間、プローブ基体２の開口部２４から発する光の強さを制御することにより、プローブ基体２の開口部２４に付着させる金属微粒子３の量を調整することができるので、所望のＳＥＲＳ効果を奏するプローブ１を容易に作製することができる。

本実施形態に係るプローブ１は、照射モード（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｍｏｄｅ）、集光モード（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅ）、照射・集光モード、ＴＥＲＳモードでのＳＥＲＳ測定等の様々な検出方式に適用することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

プローブ基体２は光を射出することが可能な開口部を有するものであればよく、光ファイバーからなるものに限定されず、例えば、カンチレバー等からなるものであってもよい。

プローブ基体２の開口部２４をＳＨ基やＮＨ_２基で修飾したほうが、より強固に金属微粒子３をプローブ基体２の開口部２４に付着させることができるが、金属微粒子３はファンデルワールス力によってもプローブ基体２の開口部２４に付着することができるので、チオール化合物やアミノ化合物を用いた前処理は必ずしも必要ではない。

本発明に係るプローブはＳＮＯＭ用プローブ１に限定されず、その他、走査型トンネル電流顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁力を検出する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、摩擦力を検出する摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、超音波を検出する走査型近接場超音波顕微鏡（ＳＮＡＭ）、イオン伝導を検出する走査型イオン顕微鏡（ＳＩＣＭ）、静電気力を検出するケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）等に用いるものであっても良い。

前記金属元素を含有する感光性の液体としては、液体でなくとも、例えば、ゲル状のものでもよく、金属元素を適宜含有するものであればよい。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてもよく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１・・・プローブ
２・・・プローブ基体
２１・・・コア
２２・・・クラッド
２３・・・遮光性金属層
２４・・・開口部
３・・・金属微粒子

Claims

光を射出することが可能な開口部を有するプローブ基体を、金属元素を含有する感光性の液体に浸漬する浸漬工程と、
前記金属元素を含有する感光性の液体に前記プローブ基体を浸漬した状態で、前記プローブ基体の開口部から光を射出して光反応により金属粒子を生成する発光工程と、を備えていて、
前記開口部に金属粒子が付着しているプローブを作製することを特徴とするプローブの作製方法。
前記金属粒子は、金粒子又は銀粒子である請求項１記載のプローブの作製方法。
前記金属元素を含有する感光性の液体は、還元触媒を含有している請求項１又は２記載のプローブの作製方法。
前記プローブ基体は、光ファイバーからなる請求項１、２又は３記載のプローブの作製方法。
前記浸漬工程の前に、前記プローブ基体の開口部をＳＨ基又はＮＨ_２基で修飾する工程を備えている請求項１、２、３又は４記載のプローブの作製方法。
請求項１、２、３、４又は５記載の方法を用いて作製されたプローブ。