【ポイント】

・金ナノ粒子を用いた光学・センシング材料では、粒子配置のわずかな違いで光学応答がばらつきやすいことが課題だった。ナノ粒子を規則正しく結晶化することで、光学応答をどこまで安定化できるか、また結晶性と光機能がどのように関係するかは十分に明らかになっていなかった。
・本研究では、DNA修飾金ナノ粒子（DNA-AuNP）^注1）を重水（D₂O）^注2）中で結晶化することで、通常の水（H₂O）中よりも大きな単結晶を得ることに成功した。これにより、放射光X線を用いて一つのナノ粒子結晶を回転させながら測定し、結晶内部の格子構造や方位ごとの格子乱れを詳しく解析できるようになった。
・結晶内では多数のホットスポット^注3）が広く形成されるため、局所的なばらつきがあっても平均的な光電場増強は比較的安定に保たれることが示された。ナノ粒子を結晶として集積することが、安定した光学・プラズモニック機能^注4）を実現するうえで有効であることを示す成果。

名古屋大学未来材料・システム研究所の田川 美穂 教授、桒原 真人 教授、同大学大学院工学研究科の丸山 央峰 准教授、張 力東 博士後期課程学生らの研究グループは、高輝度光科学研究センター（JASRI）、東北大学との共同研究で、DNA修飾金ナノ粒子結晶を重水（D₂O）中で成長させると、通常の水（H₂O）中より大きな単結晶が得られることを示しました。大型化した結晶を大型放射光施設SPring-8（BL40B2）の装置を用いて回転させながらX線小角散乱（SAXS）^注5）測定することで、1個の結晶内部の三次元周期構造と方位ごとの格子乱れを評価することに成功しました。さらにSERS測定と電磁場計算から、ホットスポットの局所的なばらつきがあっても平均的な光電場増強は比較的安定に保たれることを示しました。
本成果は、DNAで組み立てたナノ粒子結晶の「結晶成長・単結晶構造解析・光機能評価」をつなぐ基盤となり、センシングやナノフォトニクス材料設計への展開が期待されます。本研究成果は、2026年11月11日付で米国化学会誌『Crystal Growth & Design』に掲載されました。

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【用語説明】

注1）DNA修飾金ナノ粒子（DNA-AuNP）:
金ナノ粒子の表面にDNA分子を結合させたナノ粒子。DNAの相補的な塩基配列の選択的な結合を利用して粒子同士を結合し、設計通りの構造へ自己集合させることができる。

注2）重水（D₂O）:
通常の水（H₂O）の水素（H）が同位体である重水素（D）に置き換わった水。H₂Oと化学的に類似する一方、粘度や水素結合などの物性に違いがある。

注3）ホットスポット:
金属ナノ粒子間の狭い隙間などで光電場が局所的に強くなる領域。SERS信号の強さや再現性に大きく影響する。

注4）プラズモニック機能（プラズモニクス）:
金属中の自由電子が光によって集団的に振動する現象（表面プラズモン）を利用し、光をナノメートル（10億分の1メートル）の極小スケールで操る技術およびその機能のこと。

注5）X線小角散乱（SAXS）:
物質にX線を照射し、小さな角度（小角）に散乱されたX線のパターンから、ナノ～数百ナノメートルスケールの周期構造や粒子間隔などを解析する手法。一般的なSAXS法では、X線の照射領域に対して十分な量の結晶試料をキャピラリー管などの容器に入れた状態で測定するため、得られるX線散乱パターンは複数結晶からの散乱となり、平均構造が分かる。

【論文情報】

雑誌名:Crystal Growth & Design
論文タイトル:Solvent Mediated Optimization of DNA-Nanoparticle Crystal Growth and Structure Analysis for SERS Activity
著者:Lidong Zhang（名古屋大学）, Nonoko Nagasaka（名古屋大学）, Taito Ikeuchi（名古屋大学）, Noboru Ohta（JASRI）, Makoto Kuwahara（名古屋大学）, Hisataka Maruyama（名古屋大学）, Katsuo Tsukamoto（東北大学）, Miho Tagawa（名古屋大学）
DOI:10.1021/acs.cgd.6c00797
URL:https://doi.org/10.1021/acs.cgd.6c00797

【研究代表者】

未来材料・システム研究所 田川 美穂 教授
https://tagawa.material.nagoya-u.ac.jp/