局在表面プラズモン共鳴

局在表面プラズモン共鳴とは

金属に光が当たると、金属表面の自由電子がその影響を受けて集団的な振動運動(プラズマ振動)が起こります。これは、光が電場と磁場とが互いに誘起し合って伝わる「電磁波」であるためで、表面プラズモンと呼ばれている現象です。電子は負の荷電を持った粒子なので、金属表面でプラズマ振動が起きると、その周囲に電場が発生します。この誘起された電場と入射した光とが共鳴すると、特定の波長の光が強く吸収や散乱されるようになり、表面プラズモン共鳴(SPR: Surface Plasmon Resonance)と呼ばれています。

表面プラズモン共鳴(SPR)は、上記の通り、金属表面で起きますが、金属をナノスケールにまで微粒子化した場合には、自由電子の集団振動はナノ粒子に分極を誘起し、発生したプラズモンはその表面に局在化した形になります。これを局在表面プラズモン共鳴(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance)と言います。

プラズモン共鳴が局在化することの影響により、ナノ粒子の表面近傍には強い電場が発生し、さらには、二つのナノ粒子の近接部近傍では特に強い電場が誘起されることとなります。結果的には、光のエネルギーが金属ナノ粒子の表面においてプラズモンとなり、非常に狭い領域に集約されたとも言い換えられます。また、この局在化したプラズモンが存在する近傍領域では、光と分子の相互作用が著しく増幅され、表面増強ラマン散乱(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)や、蛍光増強による量子収率の向上が生み出される場となり、「単一分子分光」への応用等が活発に研究されています。

局在表面プラズモン共鳴(LSPR)は、特定の波長領域で起きますが、金属ナノ粒子の材質や形状、サイズ、あるいはその周囲の媒体等に依存します。金や銀のナノ粒子のLSPRは、光の波長でいえば、可視光から近赤外光領域で起こり、ちょうど分子と比較的相互作用し易い波長域にもあたります。このため、金や銀のナノ粒子は、蛍光やラマン散乱等の分光計測との組み合わせにより、最近では、がん細胞に由来する血中遊離ヌクレオソームの高感度バイオセンサーに用いられています。

余談にはなりますが、発色の基ともなる金属ナノ粒子のLSPRは、実は、古くから利用されています。中世ヨーロッパの教会で見られるステンドグラスの赤や、日本伝統の切子の赤は、金ナノ粒子のLSPRによるもので、特に有名です。

なお、当社ではマルチサイズ銀ナノプレート水分散液の設計開発も行っております。

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