表面増強ラマン分光(SERS)用基板

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Figure 1.1  グラフは、濃度1 mMの1,2-di(4-pyridyl)エチレンのラマン信号に対するSERSの効果を示しています。すべての試料は同じ浸漬法で調製しました。データの収集にはラマンキットRSB1と785 nmの励起用レーザを用い、積分時間は5秒に設定しました。レーザースポット径は1.5 mm²、出力は10 mWに設定しました。

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Figure 1.2  上の図はラマン分光と表面増強ラマン分光(SERS)の違いを示しています。SERSでは、入射レーザ光によって生成された電場によってラマン散乱の確率が大きくなり、それによって測定されるラマン信号が増大します。

特注や量産

SERS基板のカスタマイズのご相談、
OEM用途のご要望などがございましたら、
お気軽に当社までお問い合わせください。

特長

• 表面増強ラマン分光(SERS)用の金コーティングされた溶融石英製テクスチャー基板
• プラズモニックナノ構造によりppbレベル(～10億分の1)の濃度に対する感度を実現*
• 当社のモジュール式ラマン分光用キットとポータブル型ラマン分光器に対応
• 4.5 mmまたは10.0 mm角の正方形基板、活性領域> 90%
• 基板の使用回数は1回限り、真空中に保管しなくても6ヶ月間使用可能
• 量産やサイズのカスタマイズにも対応可能(当社までお問い合わせください)

用途例

• 分子からの指紋信号の検出
• 化学混合物の定量分析
• 違法物質や危険物質の特定
• 品質検査(医薬品、食品等)
• 生産現場における化学プロセスのモニター

表面増強ラマン分光(SERS)用基板は、試料のラマン散乱を桁違いに増強できるラマン分光用サブセットのSERSのために設計された製品です。このSERS基板は表面に金を蒸着した溶融石英製のテクスチャー基板で、プラズモニックナノ構造を形成することでppbレベル(～10億分の1)の濃度に対する感度が得られます。

ラマン散乱は稀な現象で、おおよそ100万個の励起光子のうちの1個程度で発生します。そのため、通常は高出力の光源で試料を励起する必要があります。SERSは、金属表面を試料用の基板として使用することで、試料のラマン散乱を増強できる技術です。 この増強には2つのメカニズムが主に寄与します。第1のメカニズムは電場の増強で、これは局在表面プラズモンが励起されることで生じます。測定対象の分子がこの電場の中にあると、ラマン散乱の確率が大幅に増大します。 第2のメカニズムは、金属と測定対象の分子の間における、分子間および分子内での電荷移動による化学的な増強作用です。 これらのメカニズムによりSERSは非破壊的で高感度な技術になっており、標準的なラマン測定と比較して、非常に低い入射レーザ光パワーを用いて極めて低濃度の試料の測定が可能になります。SERS基板の商業用途についての詳細は「ウェビナー」タブをご覧ください。

使用方法、取扱い、お手入れについて
試料はドロップキャスト法でSERS基板上に調製できます。2～10 µlの水溶液を、マイクロピペットを使って基板の金コーティング面に滴下するだけです(上面と底面の識別については下記をご覧ください)。また、試料が大量にある場合は、基板を溶液に浸して10分間インキュベートした後、水またはエタノールですすぐ浸漬法を使用することもできます。試料を完全に乾燥させてからラマン分光器にセットしてください。基板の使用回数は1回に限られており、洗浄しての再利用は推奨しておりませんのでご注意ください。詳細については、「試料の準備・測定方法」タブをご覧ください。

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Figure 1.3  SERS基板RCT4Mは分光器RSB1/Mでご使用いただけます。ここでは、基板は反射型フロントエンドサンプルステージRSBR1/M上に、活性面を上向きにして取り付けられています。

SERS基板を取り扱う際は、手袋とピンセットを使用することをお勧めします。プラズモニックナノ構造への損傷を避けるために、基板の活性金コーティング面には直接触れないようにしてください。 表面からの埃の除去は、必要に応じて清潔で乾燥した圧縮空気を吹きかけることをお勧めします。手順は、光学素子の取扱いについてのチュートリアルおける「光学素子の表面から異物等を吹き飛ばす」で詳しく説明されています。

SERS基板は真空バッグに封入されています。最良の性能を得るために、基板を真空中に保管しない場合は6ヶ月以内に使用することを推奨します。

取付け例
プラズモニックナノ構造の損傷や装置の汚染を避けるため、SERS基板の活性領域が取付け面に直接接触しないようにしてください。当社の反射型フロントエンド付きのモジュール式ラマン分光用キット を使用する場合は、基板の活性面を上にしてサンプルステージ上に置いてください(Figure 1.3参照)。そうすることで、レーザ光を基板の中央に合わせることができます。基板をポータブル型ラマン分光器に取り付けるときは、試料用の窓に基板の活性面を直接接触させないことが重要です。RASPシリーズの分光器への取付け方法等についての詳細は、当社までお問い合わせください。

*感度は、分析対象物、入射レーザ光パワー、積分時間などの実験条件に依存します。

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Figure 3.1  様々なタイプの放射光に対応するエネルギー準位

ラマン分光法

ラマン分光法は、固体、粉体、液体、気体などの化学物質の特性評価用として確立された技術です。この技術は、単色光を照射されたサンプルから放射されるラマン散乱光を検出して分析するのが基本です。

ラマン散乱
分子内の原子は化学結合しています。原子の数と結合配置によって、分子の振動の仕方が異なります。それぞれの固有の振動モードは、正確な特定のエネルギーによってのみ励起できます。励起光の光子が分子に吸収されると、再放射される前に振動モードを励起したり、既存の振動モードからエネルギーを吸収したりすることができます。振動モードとの相互作用により光のエネルギーが減少したり増加したりすることは、光子が非弾性散乱することを意味します。この光と物質の相互作用はラマン効果と呼ばれます。この非弾性散乱(ラマン散乱)による散乱光子のエネルギーと波長のシフトはラマンシフトと呼ばれます。ラマン分光法ではこのラマンシフトを測定します。

ラマン散乱は稀な現象で、おおよそ100万個の励起光子のうちの1個程度で発生します。そのため、高出力光源でサンプルを励起し、できるだけ多くのラマン散乱光を収集して分析することが重要です。十分なラマン散乱を発生させるために、一般にはサンプルに対して高強度の単色レーザ光を照射します。

特定のエネルギー(励起レーザ光)でサンプルの振動状態全体を励起すると物質固有のラマン散乱が発生するため、測定されたラマンスペクトルは物質固有の化学的なフィンガープリント(指紋)と見なすことができます。ラマン分光法によって検出される振動は、赤外(IR)分光法で観察される分子双極子の変調による振動とは異なるため、材料分析における貴重な情報源であり、また他のタイプの振動分光法を補完するものとなっています。

非弾性散乱によるエネルギーシフト
ラマン分光法では、ラマン効果によって生じる非弾性散乱によるエネルギーのシフトを分析します。非弾性散乱光子の波長と励起光波長との関係は、ラマン散乱現象を表す次のエネルギー方程式によって表されます。

ここでE_vibは励起光子の影響を受ける分子の振動エネルギー、E_outは散乱光子のエネルギー、E_inは励起光子のエネルギーです。

光子のエネルギーと分子の振動周波数は、次のプランク-アインシュタインの関係式を介して関連付けられます。

ここでh = 6.6260715 x 10^-34 J⋅s、f_inは入射する光子の周波数(単位はヘルツ)です。同様の関係が散乱光子にも当てはまります(E_out = hf_out)。

式(1)と(2)、およびλ = c/f (cは光速度)から、分子振動のラマンシフトは正確な励起波長λ_in を用いて次の式で表すことができます。

ラマン散乱の様子を波長を使って表現すると、精密な励起波長に依存してしまうため不便です。しかし、ラマン散乱をラマンシフトスケール(波数スケール、単位はcm^-1)を用いて表現すると、励起波長に依存しなくなります。そのため、異なる実験セットアップ間での物質のラマンスペクトルを比較できるように、ラマンスペクトルは非弾性散乱光のラマンシフトの波数(cm^-1, X軸)と、測定された相対強度(Y軸)の2Dプロットで表されます。この単位は、ナノメートルとは対照的にエネルギーに比例するスケールです。

実験計画

表面増強ラマン分光法(SERS)には、多様な手法と応用があります。そのため、SERSにおける測定項目には、励起波長、パワーレベル、積分時間、集光スポットサイズ、マッピングなど、多くの変数が含まれます。これほど多くの変数を伴う微小信号を測定しようとすることには、大きな困難を伴う場合があります。ここでは、SERS測定における一般的な課題と、それらの課題を克服するための簡単な解決策を解説します。

SERS測定における最も一般的な課題は、試料の準備と測定のいずれかに関連しており、それらはTable 4.1にまとめられています。それぞれの課題については、表の下でも簡単に説明しています。

SERSの商業用途についての詳細は「ウェビナー」タブをご覧ください。

試料の準備

当社では、各バッチの基板をBPE分子(ラマン分光用標準試料の一種)で試験し、基板の一様性と仕様との適合性を確認しています。ただし、特定の分子の金表面への結合のしやすさによって、分析対象試料によっては増強係数(EF)の値が異なる場合があります。 例えば、チオール系化学物質は金表面に優先的に結合し、基板表面に容易かつ強固に結合します。これにより増強領域に近づくことができ、信号強度が増大します。分析対象試料が金と十分に結合しないときには、機能化層が必要になる場合があります。優れた機能化層は、Figure 4.1に示すように、一方の端で金(Au)に結合し、他方の端でバイオマーカに結合します。実験用試料を準備する際に、最初に検討すべきことは機能化層が必要かどうかを判断することです。

試料の厚さと濃度はSERS測定の品質にも影響を与えます。SERSは表面で発生する増強現象であるため、表面から離れすぎた分子(> 50 nm)では電場増強の効果が得られない可能性があります。基板に分析用試料を塗布した際に表面に残留物が観察される場合は、試料が厚すぎるか、または濃度が高すぎるかもしれません。Figure 4.2は、厚すぎるまたは濃度が高すぎる試料によって、目的の信号が遮蔽される様子を示しています。

試料を準備するときに重要なもう1つの要素は、分析用試料を基板上に分散させるために使用する溶媒です。ジメチルスルホキシド(DMSO)などの一部の溶媒は、空気中の汚染物質を吸収することが知られています。汚染分子は励起光や放射光を遮断するだけでなく、電場増強が生じる主要部分である基板上の谷間の空間を塞ぐことで、信号が減衰してしまう場合があります。汚染物質によっては、目的とする信号を覆い隠す強い非ラマンピークが発生することもあります。使用する溶媒が最終スペクトルに影響を与えないように、十分な注意をすることが重要です。表面を機能化するためにリンカー分子を用いる場合、Figure 4.3に示すように、リンカー分子が不要な汚染分子と結合しないことをご確認ください。

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Figure 4.1  分子の種類によって金との結合親和性は異なります。分子が金と十分に結合しない場合、機能化層が必要になることがあります。

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Figure 4.2  試料層が厚すぎると、不要な信号成分が生じる場合があります。

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Figure 4.3  溶媒またはリンカー分子が汚染物質を引き寄せる場合、バックグラウンド信号が生じることがあります。*

測定

当社の基板の開発と試験には、ラマン分光法用に設計されたRASPおよび RSBシリーズ分光器が使用されています。 SERSの測定結果には、複数の実験要因が影響する可能性があります。 考慮すべき要因の1つが励起波長です。当社のSERS基板は励起波長785 nmで使用するように設計されています。ほかの励起波長では信号が減衰し、測定できない可能性があります。一部のお客様から、当社のSERS基板を用いて632 nmおよび660 nmの励起波長で成功したとの報告がありますが、当社では785 nm以外の波長での測定は保証しておりません。Figure 4.4は電場増強率の波長依存性をシミュレートした結果です。このグラフは、特定の波長で励起したときに期待される、増強効果の合理的な推定値を示しています。

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Figure 4.5 左: 低パワー密度の均一な光を照射すると励起領域が拡大され、それに伴って信号強度が向上します。右:高パワー密度の高集束ビームを用いると励起領域が制限され、信号強度が低下したり試料表面が損傷したりする場合があります。*

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Figure 4.4  このグラフは、当社のSERS基板の増強係数をシミュレーションした結果です。広い波長範囲で増強効果が見られますが、当社の基板は785 nmで使用することを想定して設計されています。

SERS測定を成功させるには、レーザのパワー密度も考慮する必要があります。当社が測定に使用するRASPおよびRSBシリーズ分光器の励起用ビームはデフォーカスされており、そのビーム径は約1.5 mm²です。このスポットサイズ内の試料を最大300 mWのパワーで励起するため、そのパワー密度は10～100 W/cm²のオーダーになります。この均一な比較的低いパワー密度に設定することで、信号強度を向上させるだけでなく、高集束ビームを用いる多くのラマン顕微鏡や分光器と比較して、試料を損傷させるリスクが小さくなります(Figure 4.5参照)。パワーレベルが低い場合でも、高集束ビームにするとスポットでのパワー密度は約10⁴ W/cm²に達し、試料を損傷する可能性があります。このようなセットアップを使用する場合は、できるだけ低いレーザパワーに設定し、かつ最も低倍率の対物レンズを使用することをお勧めします。

最後に、実験を行うときには、バックグラウンド信号が存在することを意識しておくことが重要です。波長785 nmで励起した場合、スペクトル中に基板からの蛍光があまり混入しないことが知られていますが、完全に除去されるわけではありません。 非常に低い濃度の試料を測定する場合や、広いダイナミックレンジが必要な測定を行う場合は、このバックグラウンド信号が目的とする信号を見えにくくする可能性があります。バックグラウンド蛍光は、試料が無いときの基板のスペクトルを後処理で差し引くことで、その多くを除去できます。 また基板は半透明であるため、基板の背後にある物体(プラスチックホルダ等)からも、不要なピークがスペクトルに付加されることがあります。スペクトルに未知のピークが存在する場合は、基板の背後にある物体が原因になっていないかどうかを確認してください。

試料の準備や測定結果について問題や質問がある場合は、当社までご連絡ください。お問い合わせの際は、検出対象の分子の種類、お使いのラマンシステムの情報、既に取得済みのスペクトルなどを、可能な範囲でお知らせください。

*これらの図は説明を目的として作製されており、縮尺等は正確なものではありません。

商用利用を目指した表面増強ラマン分光法(SERS)の進歩(2024年)

Video 5.1では、表面増強ラマン分光法(SERS)の可能性についてご紹介し、がん診断から美術品の保存まで、多様な応用例を探ります。ウェビナーでは、当社の新しいテクスチャー反射防止(AR)技術に関する知見についてご紹介し、この技術が研究と応用分野における新たな可能性をいかに開拓し得るか、またプラズモニクスのご紹介を通じ、ナノスケール金属構造によってラマン信号がどのように増強されるかもお話しします。