(環境計測技術)新しいコンセプトの表面分析法(Environmental Measurement Technology) A New Concept in Surface Analysis

有機分子で被覆された固体表面に対して、SERS(表面増強ラマン散乱)法によって、100nm以下の「解像度」をもつ粒子センサーを用いた表面マッピング検査技術が開発されました。モデル表面として、ディップコーティング(dip-coating)法において基板の引き上げ速度をパラメータとし、基板表面上に形成された分子群のパターンを使いました。

粒子センサーとして、約50nmの間隔で気中から集積させた銀(Ag)ナノ粒子を用いました。各計測点から得られたSERSスペクトルは、分子群のパターンの位置に変換され、表面上の分子群パターンの情報が得られました。ラマン散乱光の強度の平均値には依存性がないことに対し、SERS上の任意ピークの発生頻度は(単位面積当たりの分子の質量濃度に比例した)引き上げ速度の2/3べき乗則(power law)と相関します。

* 従来法: 固定化されたAg粒子の上に目的の分子層を付着させる。
* 本研究: 目的の分子層の上にAg粒子を付着させる。

この新しいセンサー技術は、例えば農薬に汚染された表面(葉など)の検出に役立つと考えられます。携帯型ラマン分光器との組み合わせで、on-site(その場)で分析が可能になり、現場から対象物(植物等)を大型ラマン分光器にあるラボ等に持ち込む必要がなくなります。

この技術を発表した日本エアロゾル学会では、Iinoya賞(アイデア賞)を受賞しました。本研究の背景には以前の研究成果(図:JJAP,2011)が関係しています。凹凸に処理したシリコン基板表面にAgナノ粒子を集積させたSERS用基板とした研究です。その基板に微量な有機系農薬成分を塗布した後にラマン散乱分光に基づいた分析を試みたところ、ppbレベルの検出が可能であることがわかりました。凹凸とナノ粒子の構造により表面増強のスポット数が増加し、センサー感度が向上しました。

(文責:レンゴロ研究室

Aerosol nanoparticle sensor system for probing a dip-coated layer of organic molecules, at sub-100 nm resolution (RSC Adv. 2014).

A surface coated with organic molecules has been probed by surface-enhanced Raman scattering (SERS) technique after the deposition of particles (~50 nm) from the gas-phase at sub 100 nm resolution. The spatial distribution of those molecules formed on the surface was altered by a dip-coating method as a function of a substrate-lifting rate. These analyses provide spatial information on the molecules over the surface, when SERS spectra of each measurement point are converted into the position of molecules. The occurrence frequency of SERS is found to be correlated with the 2/3 power law of the lifting rate (which is proportional to a mass concentration of molecules per unit area), whereas the average Raman intensity is independent.

* Conventional method: Placing the target molecule on the fixed metallic nanoparticles.
* Our method: Placing the metallic nanoparticles on the target molecule (layer)

References: RSC Advances and  www.rsc.org/suppdata/

本研究を担当した学生は 東京農工大学で学士~博士号を取得した後に東北大(研究員・助教)に勤務し、2015年からは香港市立大学(大気汚染研究グループ)へ異動しました。本SERS法は捕集された大気汚染物質(PM2.5等)を捕集したフィルター上にある有機成分の分析に適用されています。Main researcher: Masao Gen (B/M/D with TUAT, then Tohoku Univ. 2014-2015 as Researcher/Assistant professor) joined City Univ. of Hong Kong from 2015, where he applied this new SERS method for probing particulate matter (PM) collected as “air pollutant”. Reference: Atmos. Chem. Phys. 2017.