大学 · 30分

金ゾルが赤い理由：プラズモン帯

5 nm から凝集した100 nm までの金ナノ粒子の UV–Vis 吸収曲線を比較し、λmax を粒径と結びつける——比色ナノアッセイの基礎。

目的

各粒径の λmax を見積もる。補色吸収からゾルの赤色を説明し、凝集試料のスペクトルを予測する。

器具と試薬

仮想実験台：4種の公称粒径のクエン酸キャップ金ゾルと、意図的に凝集させた試料。シミュレーションが400–800 nm の吸光度を描く。

手順

5 nm のデータセットを選び λmax（約519 nm）を読む。緑光を吸収するため透過光は赤く見える。
20 nm と 50 nm に進む。λmax の赤方偏移と帯の拡大を測る。
凝集した100 nm 試料を開く。主帯のほか、700 nm 付近の肩を見つけ、接触した粒子の結合プラズモンで説明する。
アッセイを設計する。標的イオンがゾルを架橋するなら、λmax のシフトと 700 nm の肩のどちらを追跡すべきか。

観察すること

粒子が大きいほど長波長を吸収し散乱も強くなる：帯は約519 nm から約560 nm へ移り広がる。
凝集は主峰をずらすだけでなく、長波長側に弱い第二の特徴を生じさせる。
すべての曲線は約450 nm 以下でほぼ消える。金のバンド間遷移が支配する領域である。

解説

光の波長より小さい金属ナノ粒子では伝導電子が集団的に振動する——局在表面プラズモン共鳴（LSPR）。球形ではその周波数は金の誘電関数と周囲媒質で決まり、Mie 理論はあなたが測ったサイズによる赤方偏移と広がりを予言する。色が粒径と粒子間距離を報告するため、金ゾルは側方流動テスト（妊娠検査、COVID抗原ストリップ）を支える：凝集が見えない線を可視化する。

実験の歴史

マイケル・ファラデーは1857年にルビー色の金ゾルを作り、色は金属の「分割状態」に由来すると推測した。グスタフ・ミーの電磁気学的解（1908）が後に、粒径がプラズモン帯を決める仕組みを正確に説明した。

ゆかりの化学者

マイケル・ファラデー