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ナノテク情報

ナノテク・材料

メタマテリアル微粒子による超高感度な分析技術を開発 ~生きた細胞や化学反応溶液の局所的な化学分析の実現に期待~

 東北大学は2018年8月30日,同大学材料科学高等研究所の藪 浩准教授,平井 裕太郎(同大学院生・日本学術振興会特別研究員),および北海道大学 電子科学研究所の松尾 保孝教授のグループが,磁性酸化鉄ナノ粒子を導入したポリマーのコアに金ナノ粒子が配列したシェルを持ち,磁場により移動・集積可能なメタマテリアル微粒子の分散液,「メタルフルイド」を開発し,可視~近赤外光照射により生じる散乱光を増強する表面増強ラマン分光(SERS)により,超高感度に物質を検出することに成功した,と発表した.本研究の一部は,独立行政法人 学術振興会の科学研究費補助金,および同科学研究基金の助成を受けて行われ,成果の詳細はACS Applied Nano Materials誌に発表された(注).

 試料に照射した光の散乱成分に含まれる分子の振動状態から情報を得るラマン散乱法は,非破壊で広範囲な物質に適用できる分析技術であるが,得られる散乱シグナルは入射光に対して非常に弱いという問題がある.シグナル強度を高めるため入射光強度を上げるとサンプルがダメージを受けることがあり,近年は,金属表面に吸着した分子のラマン散乱シグナル強度が増強されることを利用し,ラマン散乱の検出感度を飛躍的に向上させるSERSが注目されている.進行する化学反応に光を照射して,その場で,非破壊に分析することもできるSERSは,一般的な化学反応ばかりでなく,生きた細胞内化学物質の局所的挙動を解明する有用な手法としても期待されている.

 一方,光の波長より十分小さいナノメートルサイズの構造を持つ人工物であるメタマテリアルは,その構造により,光の透過・反射・吸収・屈折を自在に制御できることが知られている.本研究において,研究グループは,ポリマー粒子に金ナノ粒子を吸着させてコンポジット化し,金ナノ粒子が表面に密に配列したメタマテリアル構造を持つ微粒子を開発した.使用されたポリマー粒子は,酸化鉄(Fe3O4)ナノ粒子を内包するポリビニルカテコールとポリスチレンのブロック共重合体をコアとし,それをアミン末端ポリブタジエンで覆った直径約200nmのコア-シェル構造球状粒子である.ポリマー粒子はプラスに帯電しており,マイナスに帯電する金ナノ粒子が静電的に吸着してメタマテリアル構造を作る.この微粒子は容易に水に分散でき「メタフルイド(メタマテリアル流体)」となる.金ナノ粒子のサイズを変えることで可視光から近赤外光に吸収を有し,また,磁性を有するので磁石を用いて微粒子を任意の位置に誘導・集積することが可能である.

 金ナノ粒子は,そのサイズに応じて500~600nmの可視光域に吸収を有するが,メタマテリアル微粒子表面で配列すると,金ナノ粒子同士の電場がカップリングして吸収が近赤外域まで長波長化し,ラマン散乱の領域にも吸収を有するようになる.報告によると,50nmの金ナノ粒子を用いた場合,波長785nmの近赤外光照射に対する吸着分子のラマン散乱が著しく増強されることが見出された.金ナノ粒子に吸着したrhodamine 6Gの分析例では,キサンテン環の変形,C-H結合の曲げなどに由来するシグナルが明瞭に得られ,生体を透過する近赤外光で超高感度なラマン散乱分析が可能であることが示された.

 本研究の成果を利用し,生きた細胞の三次元的な化学分析や,溶液中での化学反応のその場モニタリングなどが可能になると期待されている.

(注)Yutaro Hirai, Yasutaka Matsuo, and Hiroshi Yabu, "Near Infrared Excitable-SERS Measurement Using Magneto- Responsive Metafluids for In Situ Molecular Analysis", ACS Applied Nano Materials, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsanm.8b01093; Publication Date (Web): August 29, 2018