東北大ら,メタマテリアル分散液の開発と物質検出に成功

東北大学と北海道大学の研究グループは,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,「メタフルイド」の開発に成功し,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(Surface-enhanced Raman Spectroscopy: SERS)により,超高感度に物質を検出することに成功した(ニュースリリース)。

光の波長よりも小さいナノメートルサイズの構造を用いて,自然界の物質では実現できない光学特性を持たせた人工物質をメタマテリアルと呼ぶ。金属ナノ構造の形状や配列を制御して特定の波長の光を吸収させたり,そのエネルギーを利用して,表面に吸着した分子のSERSシグナルを増強させる試みがなされてきた。

しかしながら従来の金属ナノ構造は半導体微細加工技術などを使用して,二次元平面上に作製されているため,二次元的な情報しか得ることができず,三次元的な分析を可能にするメタマテリアルを作るのは困難だった。

今回,研究グループはプラスに帯電し,中心部に磁性ナノ粒子を封入したポリマー微粒子に,マイナスに帯電した金ナノ粒子を静電的に吸着させることにより,金ナノ粒子が表面に密に配列したメタマテリアル微粒子を化学的に作製することに成功した。

得られた微粒子は水中に分散させることが可能で,用いる金ナノ粒子のサイズを変えることにより,可視光〜近赤外光を吸収し,吸着した分子のラマン散乱シグナルを著しく増強できることを見いだした。さらに,磁性ナノ粒子が入っているため,磁石を用いることで特定の位置に移動・集積させることが可能であることを証明した。

開発したメタマテリアル微粒子分散液である「メタフルイド(メタマテリアル流体)」は,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なことから,生きた細胞内部の特定の部位における化学分析や,化学反応を溶液中で三次元的かつ超高感度にその場分析するなどの応用が期待されるとしている。

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