金ナノ粒子から制御された距離におけるローダミン6Gのプラズモン増強蛍光

概要

ポリメチルメタクリレート（PMMA）スペーサー層の厚さを1.5–21 nmの範囲で精密に制御し、金ナノ粒子（Au NPs）近傍のサブモノ層ローダミン6G（R6G）分子の蛍光を調査した。Au NPsのプラズモン共鳴ピークはPMMAスペーサー厚に応じて530–580 nmにチューニングされた。プラズモン共鳴励起増強により、R6G分子の562 nmにおける発光強度が増強され、PMMAスペーサー厚の増加に伴い減少することが分かった。有限差分時間領域（FDTD）法によるスペクトル強度シミュレーションは実験結果と整合した。また、蛍光寿命測定から、R6G蛍光には消光効果、PMMAスペーサー層のバリア効果、PMMA膜の減衰効果が複合的に作用していることが明らかになった。

はじめに

光学分子と金属または金属ナノ粒子の相互作用により、蛍光消光[1-4]と増強[5-7]という相反する2現象が生じる。過去数十年間、金属ナノ粒子近傍場における蛍光体の発光特性に関する多数の報告がある[8,9]。これらの研究は、消光が分子双極子振動の減衰や界面相互作用による軌道混成に起因し[10-14]、増強は局所表面プラズモン共鳴による入射場の強烈な増強によるものであることを示している[14-16]。

ローダミン6G（R6G）は安定性、高い蛍光量子効率、低コストから蛍光マーカーやレーザー色素として広く用いられる。R6G分子に関する研究の多くは溶液中での特性に焦点を当ててきた[17-20]が、固体状態でのR6G分子はあまり研究されていない[21,22]。一方、プラズモン支援蛍光に関する広範な研究がなされているものの、金属NPsのプラズモン共鳴と分子固有の光学特性の相互作用を完全に理解するには至っていない。特に、プラズモン共鳴ピーク位置と蛍光体の発光ピークを一致させることの重要性が多くのグループによって強調されている[23-26]。これはプラズモン効果の本質を理解し、分子蛍光ベースの測定デバイス[27-31]（有機EL[32,33]、光学センサー[34,35]、分子電子デバイス[36-38]など）の開発に大きな意義がある。

先行研究では、単一ナノ結晶のアップコンバージョン発光増強が表面プラズモン共鳴波長とNPsサイズの制御により得られること[39]、PMMA分離層厚の精密制御により単一量子ドットの発光特性をチューニングできること[40]、テトラフェニルポルフィリン（TPP）分子が局在プラズモンモードによって劇的に影響を受けること[41,42]が示されている。

本研究では、プラズモン共鳴ピークを分子発光ピークとよく重なるよう調整した。サブモノ層R6G分子のAu NPs表面における光ルミネセンス（PL）スペクトルと蛍光寿命を測定し、非放射減衰に対するプラズモン増強の優位性を裏付けた。この研究は、固体状態における単一またはサブモノ層R6G分子の理解を前進させる重要な機会を提供する。

方法

基板の作製

表面に負電荷を持つ清浄ガラス基板を得るため、ピラニア溶液に30分浸漬後、脱イオン水で洗浄した。その後、pH 3.0の140 nm金ナノ粒子（Au NPs）溶液（Crystano™）3 mLに基板を12時間以上浸漬し、静電吸着によりAu NPsを基板上に固定した。洗浄・乾燥後、原子間力顕微鏡（AFM）でガラス基板上のAu NPs密度を評価した。

Au NPsとローダミン6G（R6G）分子の間のスペーサーとして、ポリメチルメタクリレート（PMMA）膜を3000 rpm、60秒でスピンコートした。スペーサー厚を制御するため、PMMAメチルベンゼン溶液を0.03 wt%、0.1 wt%、0.4 wt%の異なる濃度でガラス表面にスピンコートした。

サブモノ層ローダミン6G分子の調製

サブモノ層R6G分子を、10⁻⁶ mbar真空中、室温で熱蒸着により金またはガラス基板表面に昇華させた。蒸着速度と分子被覆率は、連続加熱電圧、電流、蒸着時間で制御した。走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて数回繰り返し、適切な調製条件を確認した。基板上のサブモノ層R6G分子分布はSTMとAFMで評価した。

光ルミネセンス測定

PLスペクトルと蛍光寿命は、10⁻⁵ mbar真空中、室温で測定した。定常状態PLスペクトルは液体窒素冷却CCD分光計（プリンストンインスツルメンツ）で、光子計数と寿命測定はマイクロチャネルプレート光電子増倍管（浜松ホトニクス）と時間相関単一光子計数法（エジンバラインスツルメンツ）を組み合わせて行った。励起光源として375 nmパルスピコ秒半導体レーザー（アドバンスレーザーシステム）を用いた。

シミュレーション

有限差分時間領域（FDTD）法を用いて数値シミュレーションを行い、ソフトウェアFDTD Solutions（ルミリカルソリューション、カナダ）を使用した。直径140 nmのAuナノ粒子とさまざまな厚さのPMMAスペーサーをガラス基板上に配置した。金の誘電定数は文献[43]から、CTABとPMMAの誘電定数はそれぞれ1.40と1.49とした。周囲マトリックスの屈折率は空気として1.0とした。400–700 nm範囲の平面波全界散乱界光源を入射光として用いた。Auナノ粒子近傍の電場分布は周波数領域フィールドプロファイルモニタで評価した。三次元非均一メッシュを用い、Auナノ粒子内部と周辺で0.5 nmのグリッドサイズを選択した。完全整合層吸収境界条件と対称境界条件を用いてメモリ要件と計算時間を削減した。数値結果は事前の収束テストをパスしている。

結果と考察

透過型電子顕微鏡（TEM）で140 nm Au NPsのサイズと形状を評価した。図1aに示すように、ほとんどの粒子はよく分散し、平均直径140 ± 10 nmであった。超薄層セチルトリメチルアンモニウムブロミド（CTAB）界面活性剤層で被覆されたAu NPsも確認された（図1b）。ヒストグラムからシェル厚は2.5 ± 1 nm（図1c）で、これはCTAB単分子層または二分子層に対応する[44]。

PMMA層のない/あるAu NPs/ガラス基板の典型的なAFM像を図2a、bに示す。図2aとbを比較すると、同一範囲内のAu NPs密度は類似しているが、スピンコートPMMA膜はAFM像では識別できない。したがって、卓上スタイラスプロフィロメータ（ブルカー）を用いて、異なる濃度のPMMA膜厚を評価した。図2c-eに、濃度0.03 wt%（~1.5 nm）、0.1 wt%（~6.5 nm）、0.4 wt%（~21 nm）の3試料の表面プロファイルを示す。図2fに4種類の基板の吸収スペクトルを示す。PMMA層厚の増加に伴い、表面プラズモン共鳴（SPR）ピークの明確なレッドシフトが観察された。これはAu NPs周辺の局所屈折率上昇によるものと考えられ、先行研究とよく一致する[45]。

サブモノ層R6G分子は以下の手順で調製した。まず、イオン溶射と高温アニールによりAu(111)表面を再構築し、規則的な「ヘリンボーン」ストライプで確認した（図3a）。次に、0.8 V、0.6 Aで60秒間熱蒸着を行い、R6G分子を処理済みAu(111)表面に蒸着させ、液体窒素で80 Kまで冷却した。分子サブモノ層の分布状態はSTMで評価可能（図3b）。範囲を狭めると、直径3 nm、高さ0.4 nmの単一孤立分子がポーチドエッグのように安定して繰り返し観察された（図3c、d）。これは分子-基板相互作用が弱いためと考えられる。

同条件でR6G分子をガラスおよびPMMA/ガラス基板にも蒸着した。しかし、室温はSTM動作空洞の温度より高いため、分子-基板相互作用の低下と分子移動度の増加により、ガラス表面ではR6G分子が分子クラスターを形成した。それでも被覆率は単層未満であった（図4a）、これはPMMA膜上でも確認された（図4b）。図4a、bのインセットを比較すると、室温大気中ではPMMA膜上の分子クラスターサイズが大きく、数は減少する。これはR6G分子の移動速度と吸着能が基板表面によって異なるためと説明できる。

図4cはPMMA/Au NPs/ガラス上のR6G分子のAFM像である。R6G分子クラスターと金ナノ粒子のサイズ差が大きいため、両者を同時に観察するのは困難だが、PMMA/ガラス上のプロファイルライン（図4cインセット）と比較すると分子クラスターを観察できる。

異なるPMMA層厚を持つR6G/PMMA/Au NPs/ガラス、R6G/Au NPs/ガラス、R6G/ガラスの蛍光スペクトルを図4dにプロットした。R6G/(PMMA)/Au NPs/ガラスの発光強度はR6G/ガラスと比較して増強された。表1の発光増強因子から、R6G/Au NPs/ガラスが約3.78倍で最大増強を示し、PMMA膜厚増加に伴い強度が減少することがわかる。

Au NPsの吸収ピーク（530–580 nm、PMMA厚依存）とR6G分子の発光ピーク（562 nm）を考慮すると、蛍光増強メカニズムはスペクトル重なりの程度と分子-ナノ粒子間隔に関連する。Au球表面のPMMAとCTABは、R6G分子とAu NPs間の非放射エネルギー移動を減らす分離層として重要な役割を果たす。プラズモン共鳴は強い局所近接場効果であるため、間隔層の肥厚によりR6Gが強い局所場の範囲から徐々に外れ、増強効果がPMMA厚増加とともに弱まる。一方、プラズモン共鳴ピークのシフトも発光強度に寄与する。4試料の吸収スペクトル線幅は非常に広く、すべてR6G発光ピークをカバーしている。分離厚約9 nmでプラズモン共鳴ピークとR6G発光ピークの最良マッチが得られるが、大きな分離距離ではAuナノ球の近接場増強効果が減少するため、PMMA層なしの場合より発光増強は強くない。したがって、Auナノ球とR6G分子の分離距離が発光増強の鍵を握る。

強度変化に加え、R6G分子の蛍光寿命も測定した（図4e）。励起R6G分子の減衰過程は三重指数関数でよくフィットされ、パラメータは表1に示す。図から、R6G分子が直接Au NPs上に蒸着された場合、金属の消光効果により蛍光寿命が最短となる。スペーサー層が厚くなると消光効果が減少し、プラズモン増強効果も弱まるため、寿命は延長する傾向にある。しかし、実験結果では蛍光寿命はPMMA厚増加とともに延長せず、短縮した。ただし、Au NPs直接蒸着時よりは長い。理由を探るため、R6G/PMMA/ガラス基板上の蛍光寿命を測定した（図4f、表2）。ここでもPMMAが分子寿命に影響し、厚み増加とともに寿命が短くなることがわかり、PMMA/Au NPs/ガラスの現象と整合した。したがって、図4fの分子寿命が延長後短縮するのはPMMA膜の存在によるものである。R6G分子がAu NPsに近い場合、明確な消光効果を示す。PMMA膜厚増加に伴い、PMMA膜のバリア効果と減衰効果が観察される。

観察されたR6G分子の距離依存的蛍光強度を説明するため、FDTD法でさまざまなスペーサー厚を持つAu NPsの近接場分布をシミュレーションした。図5a-dに示すように、PMMA/CTAB/Au NPsナノ構造表面周辺で強い電場増強（|E/E₀|²）が観察された。図5eでは、実験的蛍光スペクトルの増強因子（青）とシミュレーション電場増強因子（黒）がスペーサー厚増加に伴い良好な一致を示した。シミュレーション近接場増強因子は実験値よりはるかに大きいが、これは理論シミュレーションの理想モデルとAu NPsによる蛍光消光効果に主に起因する。

結論

まとめると、制御されたPMMAスペーサー厚（1.5–21 nm）を持つAu NPs上にサブモノ層R6G分子を蒸着し、PLスペクトルと減衰曲線を調べた。分子蛍光強度は共鳴励起増強により増強され、PMMA膜厚増加とともに減少した。実験的増強因子はFDTDシミュレーションによる理論値より大幅に低く、これは主に励起分子とAu NPs間の電荷移動と非放射エネルギー移動による消光効果に起因する。さらに興味深いことに、異なる厚さのPMMA膜にはバリア効果と寿命減衰効果の両方が含まれており、蛍光寿命測定で確認された。この研究は、光学イメージング、バイオテクノロジー、材料検出分野における実用的な金属増強蛍光応用への道を開く可能性がある。