少 す る も の と 考 え ら れ る ．透 過 光 強 度 か ら 換 算 し た 吸 光 度 を 指 標 と す る こ と で ，nm レ ベ ル の 膜 厚 変 化 を モ ニ タ リ ン グ で き る も の と 期 待 さ れ る ． そ こ で ， 単 純 な 無 機 化 学 反 応 で あ る 銀 鏡 反 応 を モ デ ル と し て ， 銀 ナ ノ 薄 膜 形 成 時 の 膜 厚 を モ ニ タ リ ン グ す る 指 標 と し て の 吸 光 度 の 測 定 に 着 手 し た ． 光 源 と 分 光 器 に 対 し て ， 被 め っ き 物 と な る 光 フ ァ イ バ ー を 一 直 線 上 に 配 置 で き る 装 置 を 自 作 し た(Fig. 1)．装 置 内 に 取 り 付 け た ト レ ン ス 試 薬 に 光 フ ァ イ バ ー の 先 端 を 浸 漬 さ せ る と ， 銀 鏡 反 応 の 進 行 と と も に 吸 光 度 が 増 加 し た (Fig. 2a)． 銀 鏡 反 応 後 の 銀 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 を 原 子 間 力 顕 微 鏡 (AFM) で 計 測 し ， そ の 膜 厚 に 対 し て 光 フ ァ イ バ ー を ト レ ン ス 試 薬 か ら 取 り 出 し た と き の 吸 光 度 を プ ロ ッ ト し た と こ ろ ， 比 例 関 係 が 成 立 す る こ と が 明 ら か と な っ た(Fig. 2b)． こ の こ と か ら ， 吸 光 度 を 指 標 と し て ， 銀 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 変 化 を モ ニ タ リ ン グ で き る こ と を 実 証 で き た ． さ ら に ， 実 際 の 銀 ナ ノ 薄 膜 上 で の SPR 誘 起 を 確 認 す る た め ， 膜 厚 モ ニ タ リ ン グ に よ り 光 フ ァ イ バ ー に 対 し て 50 nm の 銀 薄 膜 を 被 覆 し ，光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー を 作 製 し た ． 作 製 し た 光 フ ァ イ バ ー SPR の 検 出 感 度 は ， 2205 nm / RIU で あ り ， 十 分 な 計 測 性 能 を 示 し て い た ．
Fig. 1 A real-time monitoring system for thickness of a silver thin film formed during the silver-mirror reaction.
Fig.2 (a) Time course of absorbance at 458 nm during the silver -mirror reaction. (b) Relationship between the absorbance value of the silver thin film observed using the system and the thicknes s measured by AFM
第 二 章 無 電 解 Ni/Au メ ッ キ 技 術 に よ る 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 作 製 技 術 の 確 立 と バ イ オ セ ン シ ン グ へ の 応 用 前 章 で 示 し た よ う に ，銀 ナ ノ 薄 膜 上 で SPR を 誘 起 す る こ と は 可 能 で あ り ，試 作 し た SPR セ ン サ ー は 金 ナ ノ 薄 膜 よ り も 高 感 度 計 測 に 適 し て い る が ，酸 化 さ れ や す い た め 長 期 保 存 は 難 し い ． そ の た め 実 用 面 か ら ， 一 般 的 な SPR セ ン サ ー に は ガ ラ ス に 金 薄 膜 を 被 覆 さ せ た も の が 用 い ら れ て い る ． し か し な が ら ， 無 電 解 金 メ ッ キ 技 術 に よ り ， 光 フ ァ イ バ ー に 金 ナ ノ 薄 膜 を 被 覆 す る SPR セ ン サ ー の 作 製 に 成 功 し た 事 例 は 皆 無 で あ る ．そ こ で 本 章 で は ，無 電 解 Ni/Au メ ッ キ 技 術 に よ る 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 作 製 法 を 確 立 し た ． こ の メ ッ キ 反 応 は 銀 鏡 反 応 よ り も 複 雑 で あ り ， 具 体 的 な 工 程 は 以 下 の 通 り で あ る ．ま ず ，ガ ラ ス 製 の 光 フ ァ イ バ ー に 触 媒 と な る パ ラ ジ ウ ム を 吸 着 さ せ ， メ ッ キ 処 理 に よ り ガ ラ ス と の 密 着 性 に 優 れ た ニ ッ ケ ル を 被 覆 さ せ た ． そ の 後 ， イ オ ン 化 傾 向 の 差 を 利 用 し て ，ニ ッ ケ ル を 溶 出 さ せ る と と も に 金 を 被 覆 さ せ た（ 置 換 メ ッ キ ）． そ の 際 ， 厳 密 に 50 nm の 膜 厚 で 光 フ ァ イ バ ー に 金 ナ ノ 薄 膜 を 再 現 よ く 被 覆 す る た め に は ， ニ ッ ケ ル メ ッ キ お よ び 置 換 型 の 金 メ ッ キ 反 応 処 理 中 に お い て ， 膜 厚 変 化 を モ ニ タ リ ン グ す る 必 要 が あ る ． 単 純 な Ni メ ッ キ 反 応 で は ， 銀 鏡 反 応 と 同 様 に ， 光 フ ァ イ バ ー を メ ッ キ 浴 か ら 引 き 上 げ た と き の 吸 光 度 と ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 に は 比 例 関 係 が 成 立 し た ．一 方 ，ニ ッ ケ ル が す で に 被 覆 さ れ て い る 光 フ ァ イ バ ー を 用 い る Ni/Au 置 換 メ ッ キ 反 応 で は ， 吸 光 度 で 膜 厚 変 化 を 測 定 す る こ と が で き な い た め ， 膜 厚 モ ニ タ リ ン グ の 指 標 と し て 反 射 率 を 適 用 し た ． ニ ッ ケ ル と 金 の 反 射 率 が 異 な る た め ， メ ッ キ 反 応 の 進 行 と と も に 反 射 率 が 変 動 し た ． フ ァ イ バ ー 表 面 に ニ ッ ケ ル が 極 微 量 し か 残 存 し な く な っ た 時 点 で ， 反 応 速 度 が 著 し く 低 下 し ， 反 射 率 は 飽 和 し た ． ニ ッ ケ ル お よ び 金 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 を 反 射 率 で モ ニ タ リ ン グ す る こ と で ， 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー を 作 製 す る 際 の 最 適 条 件 を 決 定 し た ． 最 適 条 件 で 作 製 し た 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー で 計 測 し た SPR ス ペ ク ト ル を Fig. 3a に 示 す ． SPR シ グ ナ ル は 金 薄 膜 の 界 面 の 屈 折 率 に 応 じ て 変 化 す る ．屈 折 率 の 標 準 物 質 と し て ，化 学 的・物 理 的 に 安 定 な ス ク ロ ー ス を 用 い て ， セ ン サ ー の 性 能 を 評 価 し た ．SPR ス ペ ク ト ル は ，ス ク ロ ー ス 濃 度 に 依 存 し て 長 波 長 側 に シ フ ト し た ． 濃 度 に 対 し て ， ス ペ ク ト ル の 極 小 値 で あ る SPR 波 長 の 変 化 量 を プ ロ ッ ト し た と こ ろ ，非 常 に 良 好 な 相 関 関 係 を 得 る こ と が で き た(Fig.3b)．ま た ，検 出 感 度 は 1809 nm / RIU と 見 積 も ら れ た ． こ れ は 既 報 の 真 空 蒸 着 法 や ス パ ッ タ リ ン グ 法 で 作
製 さ れ た セ ン サ ー と ほ ぼ 同 等 の 感 度 で あ っ た ． 確 立 し た 技 術 で 作 製 し た 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー が ， 生 体 機 能 の 理 解 に 有 用 な “ そ の 場 ” 計 測 技 術 に 応 用 で き る 可 能 性 を 示 す た め に ， エ ク ソ ソ ー ム に 対 す る 応 答 性 能 を 調 べ た ． エ ク ソ ソ ー ム の 計 測 技 術 は 未 だ に 未 成 熟 で あ る た め ， 物 理 的 ， 化 学 的 な 内 外 の 刺 激 に 対 す る 細 胞 か ら の エ ク ソ ソ ー ム の 分 泌 量 に 関 す る 基 本 的 な 情 報 は 不 足 し て い る ．そ こ で ，光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 金 薄 膜 表 面 に anti-CD 63 抗 体 を 物 理 的 に 吸 着 さ せ て ， エ ク ソ ソ ー ム の 個 数 依 存 的 な 応 答 を 観 測 し た ． テ ト ラ ス パ ニ ン の 膜 タ ン パ ク 質 で あ る CD63 は ，エ ク ソ ソ ー ム の マ ー カ ー と し て ，イ ム ノ ア ッ セ イ 等 で 利 用 さ れ て い る ． 種 々 の 濃 度 の 乳 が ん 細 胞 (MCF-7) 由 来 の エ ク ソ ソ ー ム を 含 む 溶 液 に セ ン サ ー を 浸 漬 し た と こ ろ ，エ ク ソ ソ ー ム の 個 数 が 増 加 す る と と も に ，SPR 応 答 が 大 き な 値 を 示 し た(Fig.4)．こ の セ ン サ ー で は ，エ ク ソ ソ ー ム を “ノ ン ラ ベ ル ”か つ “リ ア ル タ イ ム”で 計 測 で き る だ け で な く ，セ ン サ ー が 微 小 サ イ ズ で あ る こ と か ら ，細 胞 近 傍 に お け る“そ の 場 ”計 測 も 可 能 で あ る と 考 え ら れ る ． ま た ， 本 法 は ， ELISA 等 の 既 存 の エ ク ソ ソ ー ム 計 測 法 よ り も エ ク ソ ソ ー ム の 検 出 感 度 に 優 れ て い た ． 総 括 光 フ ァ イ バ ー に 金 属 ナ ノ 薄 膜 を 被 覆 す る 手 段 と し て ， 複 雑 な 構 造 体 に 金 属 被 膜 を 形 成 さ せ る 無 電 解 メ ッ キ 技 術 が 適 し て い る が ，nm オ ー ダ ー で 金 属 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 を 制 御 す る こ と が 課 題 で あ っ た ． 本 研 究 で は ， 無 電 解 メ ッ キ 反 応 に よ り 変 化 す る 金 属 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 を リ ア ル タ イ ム で モ ニ タ リ ン グ す る こ と に よ り ， こ の 課 題 を 解 決 し た ． 無 電 解 メ ッ キ 処 理 時 に お け る 金 属 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 モ ニ タ リ ン グ 技 術 を 開 発 し た 例 は な く ， nm レ ベ ル の 膜 厚 を 計 測 す る 際 に ， 吸 光 度 や 反 射 率 が そ の 指 標 と し て 利 用 で き る こ と を 実 証 し た 例 も な い ． 本 研 究 で 確 立 し た 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 作 製 技 術 は ， 従 来 の 作 製 技 術 を 革 新 す る も の で あ る ．光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー は ，“ ノ ン ラ ベ ル か つ リ ア ル タ イ ム ” に 生 体 高 分 子 を “ そ の 場 ” 計 測 で き る 可 能 性 を 秘 め て お り ， 生 体 機 能 の 理 解 が 求 め ら れ る 研 究 領 域 の 発 展 に 貢 献 し う る も の と し て 期 待 さ れ る ． 【 研 究 成 果 の 掲 載 誌 】
K. Morita, et al., Anal. Sci., in press
2 し て 得 ら れ た 画 像 を 処 理 す る こ と で ， 目 的 の 生 体 分 子 の 濃 度 を 見 積 も る も の で あ り ， 定 量 値 の 厳 密 性 に 欠 け て し ま う ． リ ア ル タ イ ム 計 測 を 可 能 に す る 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 セ ン サ ー 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 (SPR) セ ン サ ー は ，生 体 高 分 子 を ノ ン ラ ベ ル か つ リ ア ル タ イ ム で 検 出 で き る 利 点 を 活 か し て ， 分 子 間 相 互 作 用 や イ ム ノ ア ッ セ イ 等 に 応 用 さ れ ， 生 化 学 の 領 域 を 主 と し て 発 展 し て き た 計 測 技 術 で あ る 20- 23)．こ の セ ン サ ー は ，古 く か ら 知 ら れ て い る 物 理 現 象 の SPR を 利 用 し て い る ． 屈 折 率 の 異 な る ２ つ の 媒 質 の 界 面 に 対 し て ， 全 反 射 条 件 で 屈 折 率 の 大 き な 媒 質 側 か ら 電 磁 波 を 入 射 し た 際 ， 屈 折 率 の 小 さ な 媒 質 側 に エ バ ネ ッ セ ン ト 波 が し み 出 す ．SPR は ， こ の エ バ ネ ッ セ ン ト 波 が 金 属 表 面 に お け る 自 由 電 荷 の 集 団 振 動 で あ る プ ラ ズ モ ン 波 と カ ッ プ リ ン グ (共 鳴 ) す る こ と で 誘 起 さ れ る ． つ ま り ， 実 験 的 に SPR を 誘 起 す る 際 に は ， 金 属 界 面 に 光 を 全 反 射 さ せ る こ と が 必 須 で あ り ，高 屈 折 率 の 半 球 プ リ ズ ム や 台 形 プ リ ズ ム が 用 い ら れ る ．SPR を 誘 起 す る 際 に 利 用 さ れ て き た 光 学 配 置 と し て ， ク レ ッ チ マ ン 配 置 が 有 名 で あ る ． ク レ ッ チ マ ン 配 置 で は ，当 初 ，プ リ ズ ム 上 に 金 属 ナ ノ 薄 膜 を 被 膜 し て い た ．一 方 ，市 販 の SPR セ ン サ ー で は ，プ リ ズ ム と 同 一 の 屈 折 率 を 有 す る ガ ラ ス 基 板 に 金 ナ ノ 薄 膜 を 50 nm の 膜 厚 で 被 覆 し た も の を セ ン サ ー チ ッ プ と し て 使 用 し て い る (Fig.1a)． プ リ ズ ム や ガ ラ ス 基 板 と 同 一 の 屈 折 率 の マ ッ チ ン グ オ イ ル を 介 し て ， プ リ ズ ム と セ ン サ ー チ ッ プ を 光 学 的 に 接 合 す る こ と で ，セ ン サ ー チ ッ プ 表 面 で 全 反 射 が 実 現 で き る よ う に な っ て い る ． 市 販 の SPR セ ン サ ー で は ，入 射 し た 光 の 一 部 が SPR に 利 用 さ れ る た め ，全 反 射 さ れ る 光 に 暗 線 が 観 察 で き る ． こ の 暗 線 の 角 度 を SPR 共 鳴 角 と 呼 ん で お り ， 金 属 ナ ノ 薄 膜 の 界 面 に お け る 媒 質 の 屈 折 率 に 依 存 し て ， 共 鳴 角 が 変 化 す る ． 一 般 に ， 金 属 薄 膜 表 面 に 物 質 が 吸 着 さ れ る こ と で 生 じ る 質 量 変 化 に よ り ，SPR 共 鳴 角 が 変 化 す る と 認 識 さ れ て い る が ， こ れ は 正 し い 表 現 で は な い ． 正 し く は ， 物 質 の 吸 着 に よ り ， 金 属 ナ ノ 薄 膜 の 界 面 に お け る 屈 折 率 の 変 化 に 応 じ て 共 鳴 角 が 変 化 す る も の で あ り ，SPR セ ン サ ー で は ， ノ ン ラ ベ ル か つ リ ア ル タ イ ム に 屈 折 率 を 計 測 で き る ． ま た ， 金 属 薄 膜 の 界 面 に 抗 体 等 の 生 体 高 分 子 を 固 定 化 し た 場 合 ， 固 定 化 さ れ た 生 体 高 分 子 に ア ナ ラ イ ト が 結 合 す る と 金 属 薄 膜 の 近 傍 の 屈 折 率 が 変 化 す る ． 屈 折 率 変 化 に 応 じ て SPR シ グ ナ ル が 変
6 ッ キ で あ る 無 電 解 メ ッ キ 技 術 は ， メ ッ キ 溶 液 に 対 象 物 を 浸 漬 さ せ る だ け で 金 属 薄 膜 を 形 成 さ せ る こ と が で き る 37-39 )．こ の 方 法 は ，複 雑 で 立 体 的 な 構 造 物 の 表 面 に ，金 属 薄 膜 を 低 コ ス ト で 形 成 で き る と い う 利 点 を 有 す る ．実 際 に ，SPR セ ン サ ー の 作 製 に 無 電 解 メ ッ キ 技 術 が 応 用 さ れ た 例 は な い も の の ，SPR を 誘 起 で き る 銀 や 金 な ど の メ ッ キ 技 術 は 古 く か ら 利 用 さ れ て き た ． 簡 便 な メ ッ キ 技 術 と し て 広 く 認 知 さ れ て い る の が 銀 鏡 反 応 で あ る ． 式 1.1 に 示 す よ う に ， ア ン モ ニ ア 硝 酸 銀 水 溶 液 (ト レ ン ス 試 薬 ) に ア ル デ ヒ ド (還 元 剤 ) を 添 加 す る こ と で ， ガ ラ ス や プ ラ ス チ ッ ク 等 の 非 伝 導 体 物 質 に 対 し て 銀 を 析 出 さ せ る こ と が で き る 40- 41)．
R-CHO + 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH- → RCOONH4 + 2Ag +3NH3 +H2O (1.1)
一 方 ， 無 電 解 メ ッ キ 技 術 で 金 を 被 め っ き 物 に 被 覆 す る 際 の 無 機 化 学 反 応 は ， 銀 鏡 反 応 よ り も 複 雑 で あ る ． ガ ラ ス へ の 金 の 密 着 性 が 低 い こ と か ら ， 金 薄 膜 を 被 覆 す る に 先 立 っ て ， 無 電 解 メ ッ キ 技 術 に よ り ， 式 1.2 の よ う な 化 学 反 応 で ニ ッ ケ ル を メ ッ キ す る ． な お ，ニ ッ ケ ル メ ッ キ 反 応 と 同 時 に 式 1.3 の 化 学 反 応 式 が 進 行 し ，リ ン が ニ ッ ケ ル 被 覆 中 に 取 り 込 ま れ る ．
NiSO4 + 2NaH2PO2 + 2H2O → Ni + 2NaH2PO3 + H2 + H2SO4 (1.2)
7 可 能 性 が あ る ． 金 属 薄 膜 の 膜 厚 を 観 測 す る 技 術 と し て ， 分 光 エ リ プ ソ メ ト リ ー45 )， 蛍 光 X 線 分 析 46)， 原 子 間 力 顕 微 鏡 47)， 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 48)な ど ， 様 々 な 方 法 が 存 在 す る ． し か し ， こ れ ら は ， 対 象 物 に 既 に 被 膜 さ れ て い る 金 属 の 膜 厚 を 測 定 す る こ と は で き る も の の ， 膜 厚 変 化 を リ ア ル タ イ ム で 測 定 す る こ と は 難 し く ， 実 際 に ， 無 電 解 メ ッ キ で 形 成 さ れ る 金 属 薄 膜 の 膜 厚 を モ ニ タ リ ン グ 技 術 は 未 だ に 報 告 さ れ て い な い ． 本 章 で は ， 無 電 解 メ ッ キ 反 応 に よ り 光 フ ァ イ バ ー に 形 成 さ れ る 金 属 薄 膜 の 膜 厚 変 化 を モ ニ タ リ ン グ す る 方 法 と し て ， 吸 光 度 を 指 標 と し て 膜 厚 を モ ニ タ ー す る 方 法 が 有 効 な ア プ ロ ー チ で あ る こ と を 実 証 し た ． 光 フ ァ イ バ ー に 入 射 さ せ た 光 源 の 光 強 度 を 計 測 し な が ら 無 電 解 メ ッ キ 反 応 を 行 う と ， 金 属 薄 膜 の 形 成 に 伴 い ， フ ァ イ バ ー 先 端 を 透 過 し た 光 の 強 度 が 減 少 す る ． 透 過 光 強 度 か ら 換 算 し た 吸 光 度 が ， 金 属 ナ ノ 薄 膜 の 膜 厚 と 相 関 す る こ と を 見 出 し た ． 吸 光 度 に よ り 金 属 薄 膜 を モ ニ タ ー で き る こ と を 実 証 す る た め に ， 無 電 解 メ ッ キ 反 応 の 中 で も 最 も 単 純 な 化 学 反 応 で 金 属 薄 膜 を 形 成 で き る 銀 鏡 反 応 を モ デ ル と し て 用 い た ． 膜 厚 が 50 nm の 銀 ナ ノ 薄 膜 に お い て も ， SPR を 誘 起 で き る こ と は 知 ら れ て い る ． そ こ で ， 膜 厚 を モ ニ タ ー し て 作 製 し た 銀 ナ ノ 薄 膜 を 被 覆 し た 光 フ ァ イ バ ー を ， 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー に 応 用 し た ．
1-2 実 験 方 法
1-2-1 使 用 し た 薬 品 ， ト レ ン ス 試 薬 等 調 整 し た 濃 度 こ の 研 究 で は ， 特 に 明 記 さ れ て い な い 限 り ， 分 析 試 薬 グ レ ー ド の 試 薬 を 使 用 し た ． 実 験 で 使 用 し た 水 は ， す べ て Milli-Q(Millipore Reagent Water System, Bedford, MA, USA)で 精 製 さ れ た も の を 使 用 し た ．希 硝 酸 ，硫 酸 ，エ タ ノ ー ル ，水 酸 化 カ リ ウ ム ，グ ル コ ー ス お よ び 塩 化 ナ ト リ ウ ム は ， 関 東 化 学 株 式 会 社 （Tokyo, Japan） か ら 購 入 し た ． 過 酸 化 水 素 ， 硝 酸 銀 溶 液 ， ア ン モ ニ ア 溶 液 ， サ ッ カ リ ン ， 塩 化 ス ズ 二 水 和 物 お よ び 塩 酸 は ，富 士 フ イ ル ム 和 光 純 薬（Tokyo, Japan）か ら 購 入 し た ．銀 の 粉 末 は ，ニ ラ コ（ Tokyo, Japan）か ら 購 入 し た ．銀 鏡 反 応 で 使 用 し た ト レ ン ス 試 薬 は ，硝 酸 銀 溶 液 ，ア ン モ ニ ア 溶 液 お よ び 水 酸 化 カ リ ウ ム を 用 い て 調 製 し た ．1-2-2 吸 光 度 の リ ア ル タ イ ム モ ニ タ リ ン グ に よ る 銀 薄 膜 形 成 の 原 理
8
ル チ モ ー ド の 光 フ ァ イ バ ー ， フ ァ イ バ ー ア ダ プ タ ー ， 光 フ ァ イ バ ー ケ ー ブ ル の 受 光 部 を 一 直 線 上 に 配 置 し た ．パ ワ ーLED か ら 放 射 さ れ た 光 は フ ァ イ バ ー コ ア 端 面 に 照 射 さ れ る ． コ ア 端 面 を 透 過 し た 光 は 反 対 側 の 端 面 か ら 放 出 さ れ ， 光 フ ァ イ バ ー ケ ー ブ ル を 介 し て 分 光 器 で 検 出 さ れ た ．透 過 光 強 度 は 1 秒 間 隔 で 測 定 し ，測 定 波 長 は 458nm と し た ．ま た ，透 過 光 強 度 は 計 測 用 ソ フ ト ウ ェ ア「Oceanview」(Version 1.5.2 Ocean Insight, FL, USA)で 吸 光 度 に 変 換 さ れ た ．こ の 吸 光 度 (-log It/I0)は ，銀 鏡 反 応 開 始 時 の 透 過 光 強
度(I0)と 時 間 t 時 の 透 過 光 強 度 (It)の 比 で 算 出 さ れ た ．銀 鏡 反 応 が 進 行 す る に つ れ て 銀 薄
膜 の 厚 み が 増 加 す る た め ，透 過 光 強 度 が 減 少 す る（ す な わ ち 吸 光 度 は 増 加 す る ）．計 測 し た メ ッ キ 時 間 変 化 に 対 す る 吸 光 度 は ， 分 光 器 に 接 続 さ れ て い た ノ ー ト ブ ッ ク PC に 記 録 し た ．
Figure 1.1 An absorbance measurement system for real-time monitoring of the thickness of a silver thin film formed during the silver-mirror reaction.
1-2-3 光 フ ァ イ バ ー の 前 処 理
9 浸 漬 し た 後 に ， 超 純 水 に 浸 漬 す る こ と で 洗 浄 し た ． 1-2-4 銀 鏡 反 応 に よ る 光 フ ァ イ バ ー 上 へ の 銀 薄 膜 形 成 と 銀 厚 み モ ニ タ リ ン グ ト レ ン ス 試 薬 を 超 純 水 で 4 倍 の 濃 度 に 希 釈 し ， こ の 希 釈 し た 溶 液 に サ ッ カ リ ン が 終 濃 度 100 ppm に な る よ う に 加 え た（ 以 下 ，反 応 溶 液 と 呼 称 )．反 応 溶 液 1 ml を マ イ ク ロ チ ュ ー ブ に 注 ぎ ， 開 発 し た シ ス テ ム 上 に セ ッ ト し ， 塩 化 ナ ト リ ウ ム 入 り の 氷 水 で -2 ℃ に 冷 却 し た ．一 方 ，フ ァ イ バ ー コ ア を ，0.01M 塩 酸 で 調 製 し た 0.2 w/v % SnCl2 溶 液 に 30 ℃ で 5 分 間 浸 漬 し て 増 感 処 理 を 施 し た 後 ，シ ス テ ム に セ ッ ト し ，-2℃ の 反 応 溶 液 に 浸 漬 し た ．反 応 溶 液 に 10 mM グ ル コ ー ス 溶 液 を 405 μ l 添 加 す る こ と で 銀 鏡 反 応 を 開 始 さ せ ， フ ァ イ バ ー コ ア 表 面 に 銀 薄 膜 を 被 覆 さ せ た ． 銀 薄 膜 の 堆 積 に よ り 観 測 さ れ る 吸 光 度 が 任 意 の 値 に な っ た と き ，Z 軸 ス テ ー ジ を 操 作 し て 光 フ ァ イ バ ー を 反 応 溶 液 か ら 即 座 に 引 き 出 し た（Fig 1.2）．フ ァ イ バ ー コ ア 上 に 形 成 さ れ た 銀 薄 膜 表 面 を 超 純 水 で 洗 浄 し ，こ の フ ァ イ バ ー を プ ラ ス チ ッ ク ケ ー ス に 保 管 し た ．光 フ ァ イ バ ーSPR セ ン サ ー を 作 製 す る 場 合 ，吸 光 度 が 1.25 に な っ た と き 光 フ ァ イ バ ー を 反 応 溶 液 か ら 引 き 上 げ る こ と で ， 銀 ナ ノ 薄 膜 の 被 覆 を 形 成 し た 。
Figure 1.2 Illustration of an Optical fiber sensor fabricated with real -time monitoring based on absorbance measurements.
1-2-5 ス ク ロ ー ス を 用 い て 作 製 し た セ ン サ ー の 評 価
10 し て 計 測 を 行 う ． ハ ロ ゲ ン ラ ン プ か ら 放 射 さ れ た 光 は ， 二 分 岐 フ ァ イ バ ー を 介 し て セ ン サ ー に 入 光 し ， 光 フ ァ イ バ ー 上 の 銀 膜 内 面 で 反 射 し た 光 を 二 分 岐 フ ァ イ バ ー を 介 し て 分 光 器 で 検 出 し た ．SPR デ ィ ッ プ の 波 長 は ， サ ン プ ル 溶 液 に セ ン サ ー を 浸 漬 さ せ て 得 ら れ る 反 射 光 強 度 を ， セ ン サ ー が 空 気 中 に 暴 露 さ れ た 状 態 の 反 射 光 強 度 に よ り 規 格 化 す る こ と で 算 出 し た ．作 製 し た セ ン サ ー の 性 能 は ，16%（ w/v）以 下 の 濃 度 の ス ク ロ ー ス 水 溶 液 を 測 定 す る こ と で 評 価 し た ．
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1-3 結 果 考 察
1-3-1 銀 鏡 反 応 の 最 適 条 件 検 討 セ ン サ ー の 作 製 に は ， 表 面 が 平 滑 な 金 属 薄 膜 を フ ァ イ バ ー コ ア 表 面 に 被 覆 さ せ る 必 要 が あ る た め ， 銀 鏡 反 応 の 温 度 や ， 粒 子 サ イ ズ を 小 さ く す る 作 用 を 有 す る こ と で 知 ら れ て い る 添 加 物 の サ ッ カ リ ン の 濃 度 な ど の 実 験 条 件 を 最 適 化 し た 49 )．100ppm の サ ッ カ リ ン を 含 む 反 応 溶 液 を 調 製 し ， 様 々 な 温 度 で 銀 鏡 反 応 を 行 い コ ア 表 面 に 銀 薄 膜 を 形 成 し た ．AFM に よ り 銀 薄 膜 の 表 面 状 態 を 観 察 し た と こ ろ ， -2℃ で 行 う 銀 鏡 反 応 が 最 も 銀 表 面 の 凹 凸 が 少 な く ， 平 滑 な 銀 薄 膜 を 形 成 で き て い る こ と が わ か っ た(Fig 1.4)． こ れ は ， 銀 鏡 反 応 で は 銀 が 粒 子 と し て 対 象 物 に 堆 積 す る た め ， 反 応 速 度 が 増 加 す る こ と で ク ラ ス タ ー が 発 生 す る こ と が 原 因 で あ る と 推 測 さ れ る 50-5 1)．こ の 結 果 か ら ，よ り 低 い 温 度 で 銀 鏡 反 応 を 行 い ， 反 応 速 度 を 減 少 さ せ る こ と で ， よ り 平 滑 な 銀 表 面 を 得 る こ と が 出 来 る こ と が 分 か っ た ．12
溶 液 は 非 常 に 大 き な 変 化 を 示 し た が ， 添 加 す る サ ッ カ リ ン 濃 度 を 増 加 さ せ る ほ ど 濁 度 は 減 少 し た ． サ ッ カ リ ン の 濃 度 範 囲 が 100ppm 以 上 に お い て は ， 濁 り は 観 測 さ れ な か っ た ． そ の た め ， 以 降 の 実 験 で は サ ッ カ リ ン の 濃 度 を 100ppm に 固 定 し ， 銀 鏡 反 応 を 行 っ た ．
Figure 1.5 Relationship between absorbance the reaction solution and the con centration of saccharin after the solver-mirror reaction was conducted for 10 min.
13
Figure 1.6 (a) The change in transmitted light spectra for the silver -mirror reaction as a function of time. (b) Time course of absorbance at 458 nm during the silver -mirror reaction, as monitored with fibres with and without a silver thin film. The measurement without a silver thin film was carried out using an optical fibre not treated with SnCl2 solution. (c) The
14 1-3-3 銀 薄 膜 の 厚 み と 測 定 し た 吸 光 度 の 関 係 性
15
Figure 1.7 Relationship between the absorbance value and the thickness of a silver thin film. （a）Silver thin film formed by vacuum thermal evaporation method. （ b）AFM image of a silver-coated optical fibre after removal of a small part of the silver thin film. （ c）
16 1-3-4 SPR シ グ ナ ル の 観 察 開 発 し た シ ス テ ム を 用 い る ， 吸 光 度 を 指 標 と し て ナ ノ メ ー ト ル レ ベ ル の 膜 厚 を コ ン ト ロ ー ル で き る 金 属 薄 膜 形 成 法 を ， 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 作 製 に 応 用 し た ． 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー セ ン サ ー に は ，コ ア 表 面 に 膜 厚 40 ~ 60 nm 金 属 薄 膜 を 形 成 す る こ と が 要 求 さ れ る 52)．開 発 前 項 で 明 ら か に し た ，モ ニ タ ー し た 吸 光 度 と 光 フ ァ イ バ ー コ ア 表 面 上 の 銀 薄 膜 の 膜 厚 と の 関 係 か ら ，50 nm の 銀 薄 膜 を 形 成 す る た め に 光 フ ァ イ バ ー を 反 応 溶 液 か ら 引 き 上 げ る 吸 光 度 は 1.25 と 推 定 さ れ た (Fir 1.7-c)．実 際 に ， 吸 光 度 1.25 の と き ， 関 係 式 の 傾 き と 切 片 か ら 求 め ら れ る 標 準 偏 差 に 基 づ い て 算 出 す る と ， 得 ら れ る 銀 膜 厚 は 43.9 ~ 56.7 nm で あ っ た ． 吸 光 度 1.25 の と き に 反 応 溶 液 か ら 光 フ ァ イ バ ー を 引 き 上 げ ， 銀 薄 膜 が 形 成 さ れ た 光 フ ァ イ バ ー を 作 製 し た ． こ の フ ァ イ バ ー が SPR セ ン サ ー と し て 使 用 で き る か 評 価 す る た め に ，光 フ ァ イ バ ー SPR 装 置 を 構 築 し た（ Fig. 1.3）．光 源 ，銀 薄 膜 を 形 成 し た 光 フ ァ イ バ ー お よ び 分 光 器 を 二 分 岐 フ ァ イ バ ー を 使 用 し て 接 続 し ， 水 の SPR ス ペ ク ト ル の 測 定 を 検 討 し た ． 光 フ ァ イ バ ー の 銀 薄 膜 を 空 気 中 に 暴 露 し た 状 態 と ， 水 に 浸 漬 し た 状 態 で 測 定 し た 反 射 光 強 度 を Fig 1.8a に 示 す ．空 気 中 と 比 較 し て ，水 中 に あ る 場 合 で は ，500 ～ 800 nm の 波 長 域 に お い て 反 射 光 強 度 が 減 少 し た ． SPR ス ペ ク ト ル を 取 得 す る た め に ， 空 気 中 の 反 射 光 強 度 に 対 す る 水 中 で の 反 射 光 強 度 の 比 を 算 出 し た (Fig 1.8b)． 得 ら れ た ス ペ ク ト ル の 形 状 と ， 最 も 強 度 が 減 衰 し た 位 置 （ SPR デ ィ ッ プ ） の 波 長 は ，既 報 の 銀 薄 膜 を 用 い る SPR セ ン サ ー で 得 ら れ た 結 果 と 同 等 で あ っ た53）． こ の 結 果 か ら ，開 発 し た シ ス テ ム を 用 い て 作 製 し た 銀 薄 膜 を 形 成 し た 光 フ ァ イ バ ー を ， 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー に 応 用 で き る こ と が わ か っ た ．
17 1-3-5 ス ク ロ ー ス を 用 い た 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 評 価 作 製 し た 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー の 性 能 は ， 0 ~ 16 %(w/v)の 濃 度 の ス ク ロ ー ス 水 溶 液 を 測 定 す る こ と で 評 価 し た(Fig 1.9a)． ス ク ロ ー ス を 含 ま な い サ ン プ ル（ ブ ラ ン ク ） の SPR を 測 定 し た と き ， SPR デ ィ ッ プ は 約 600 nm で 観 察 さ れ た ． SPR デ ィ ッ プ の 波 長 は ，ス ク ロ ー ス 水 溶 液 の 濃 度 が 増 加 す る に 伴 い ，よ り 長 波 長 側 に シ フ ト し た ． 水 と ス ク ロ ー ス 水 溶 液 と の SPR デ ィ ッ プ の 波 長 の 差 （ シ フ ト 量 ） を ス ク ロ ー ス 濃 度 に 対 し て プ ロ ッ ト し て 得 ら れ た 検 量 線 は ，非 常 に 高 い 直 線 性 を 示 し た（R2 = 0.999）(Fig 1.9b)．ま た ，相 対 標 準 偏 差（ RSD, n=3）は 3.3%未 満 で あ り ，測 定 の 再 現 性 も 良 好 で あ っ た ． 種 々 の 濃 度 の ス ク ロ ー ス 水 溶 液 の 屈 折 率 を ， 屈 折 率 計(PR-IR, ATAGO, Tokyo, Japan)で 測 定 し ， 測 定 し た 各 屈 折 率 値 に 対 し て SPR カ ー ブ の ピ ー ク 波 長 を プ ロ ッ ト し て 近 似 曲 線 を 描 い た ．そ の 傾 き か ら 算 出 し た セ ン サ ー の 感 度 は ，1.333 ~ 1.357 の 屈 折 率 範 囲 で 2205 nm / RIU と 見 積 も ら れ た ． こ の 値 は ， 開 発 し た シ ス テ ム で 作 製 し た セ ン サ ー の 感 度 が ， 真 空 蒸 着 法 や ス パ ッ タ リ ン グ 法 等 の 他 の 方 法 で 作 製 し た 銀 薄 膜 を 有 す る SPR セ ン サ ー の 感 度 に 匹 敵 す る こ と を 示 し て い る (Table 1.1)54-56）． ま た ， 本 法 を 用 い て 作 製 し た 複 数 の 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー 間 の 性 能 差 を ， ス ク ロ ー ス 水 溶 液 の 測 定 に よ り 評 価 し た（Fig 1.10）．作 製 し た 4 つ の 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー は ，全 て に お い て ほ ぼ 同 様 の 検 量 線 が 得 ら れ た ．屈 折 率 範 囲 1.333 ~ 1.357 に お け る 感 度 お よ び RSD（ n = 4) は ，2600 nm / RIU お よ び 4.2 % 未 満 と 見 積 も ら れ た ． 各 セ ン サ ー の わ ず か な 性 能 差 は ， セ ン サ ー プ ロ ー ブ 上 の 銀 薄 膜 の 膜 厚 が わ ず か に 異 な り ， そ れ が SPR 応 答 に 影 響 し て い る た め で あ る と 推 測 さ れ る ． こ れ ら の 結 果 は ， 吸 光 度 を 指 標 と し て 銀 薄 膜 を 形 成 す る 手 法 が ， 光 フ ァ イ バ ー SPR セ ン サ ー を 再 現 良 く 作 製 で き る こ と を 示 し て い る ．
18
19
Table 1.1 Comparison of the sensor preparation methods and sensitivities of the optical fiber sensor.
1-4 第 一 章 ま と め
本 章 で は ， 銀 鏡 反 応 を 利 用 し て 光 フ ァ イ バ ー 上 に 形 成 さ れ る 金 属 薄 膜 の 厚 み を ， 透 過 率 変 化 を 吸 光 度 と し て 観 測 す る こ と で ，リ ア ル タ イ ム に 制 御 で き る こ と を 検 討 し た ． 形 成 し た 銀 薄 膜 の 膜 厚 を AFM を 使 用 し て 測 定 し ，計 測 し た 吸 光 度 と の 関 係 性 を プ ロ ッ ト し た 結 果 ，真 空 蒸 着 法 や ス パ ッ タ リ ン グ 法 と 同 様 に 膜 厚 を nm レ ベ ル で リ ア ル タ イ ム に 制 御 出 来 る こ と が 分 か っ た ． こ の 方 法 を 利 用 し て 光 フ ァ イ バ ー コ ア 上 に 形 成 さ れ る 銀 薄 膜 の 厚 み を リ ア ル タ イ ム に 観 測 す る シ ス テ ム を 開 発 し た ． 本 シ ス テ ム に 基 づ く 制 御 可 能 な 銀 薄 膜 の 厚 み は 20 ~ 65 nm だ っ た ． ま た ， 構 築 し た シ ス テ ム を 用 い て 光 フ ァ イ バ ー コ ア 上 に 銀 薄 膜 を 任 意 の 厚 み で 堆 積 す る 方 法 と し て 検 討 し ， 結 果 と し て 真 空 蒸 着 法 や ス パ ッ タ リ ン グ 法 等 の 他 の 技 術 を 使 用 し て 作 製 さ れ た セ ン サ ー プ ロ ー ブ と ， 同 等 の 性 能 を 持 つ セ ン サ ー プ ロ ー ブ の 作 製 に 成 功 し た ． 構 築 し た 方 法 が 他 の 金 属 堆 積 技 術 と 明 確 に 異 な る 点 は ， 対 象 物 上 へ の 金 属 薄 膜 の 厚 み 変 化 を リ ア ル タ イ ム か つ 直 接 的 に 観 測 出 来 る こ と で あ る ． つ ま り ， 本 研 究 で 構 築 し た シ ス テ ム は 無 電 解 め っ き 技 術 に よ っ て 堆 積 さ れ る 金 属 薄 膜 の 厚 み を 制 御 す る た め に ， 特 に 有 用 な 方 法 で あ る ． Sensor preparation method Metal Linear renge of refractive index (RIU)Sensitivity
(nm/RIU) Reference
Magnetron sputtering Silver/Gold 1.326 – 1.351 1839 54
Vacuum thermal evaporation Silver 1.32 - 1.40 4366 55
Silver mirror reaction Silver 1.333 – 1.380 2557 56
Absorbance-based monitoring
24
引 用 文 献
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主 論 文 目 録
本 論 文 に 関 連 し て 下 記 の 発 表 を 行 っ た 。
