(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの生体利得媒質を含み、
前記少なくとも１つの生体利得媒質が、少なくとも２つの異なる蛍光タンパク質分子を含み、
前記少なくとも２つの異なる蛍光タンパク質分子は、第１の蛍光タンパク質分子から第２の蛍光タンパク質分子までの蛍光共鳴エネルギー移動を支持するように構成または構造化される、装置。
【請求項２】
少なくとも１つの生体利得媒質と、
前記少なくとも１つの生体利得媒質をポンピングするように構成される少なくとも１つの構成と、
前記少なくとも１つの生体利得媒質に光フィードバックを提供するように構成される少なくとも１つの光共振器とを含み、
前記少なくとも１つの生体利得媒質が蛍光タンパク質分子を含み、
前記少なくとも１つの光共振器が、生物において形成されるフォトニック構造あるいは周期的構造を含んで構成される、装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの生体利得媒質が複数の分子を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの生体利得媒質をポンピングするように構成される少なくとも１つの構成をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの構成が、光学的放射の生物発光ソースまたは化学発光ソースの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの生体利得媒質が、少なくとも１つのスペクトルピークを有する少なくとも１つの電磁放射線を生成する、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの生体利得媒質が、少なくとも２つの異なる蛍光タンパク質分子を含み、
前記少なくとも２つの異なる蛍光タンパク質分子は、第１の蛍光タンパク質分子から第２の蛍光タンパク質分子までの蛍光共鳴エネルギー移動を支持するように構成または構造化される、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの生体利得媒質に光フィードバックを提供するように構成される少なくとも１つの光共振器をさらに含む、請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの光共振器が、線形またはリングキャビティ、フォトニック結晶、生体組織、ランダム散乱媒質、マイクロスケール反射チャンバ、ナノスケール反射チャンバ、またはプラズモンナノ粒子の少なくとも１つを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光共振器が、少なくとも部分的に周期的である生体構造を少なくとも部分的に含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記利得が前記少なくとも１つの生体利得媒質における誘導放出により提供される、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの生体利得媒質が、少なくとも１つの第１の電磁放射線を受信し、少なくとも１つの第２の電磁放射線を送信するようにさらに構成され、前記少なくとも１つの生体利得媒質が、前記少なくとも１つの第２の電磁放射線を生成するために前記少なくとも１つの第１の電磁放射線のエネルギー、電力または強度の少なくとも１つの大きさを増幅するように構成される、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの第２の電磁放射線が少なくとも１つの増幅された前記第１の電磁放射線である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの生体利得媒質が少なくとも１つの増幅された自然放出を生成するように構成される、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの生体利得媒質が少なくとも１つのレーザ発光を生成するように構成される、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのレーザ発光を検出し、前記少なくとも１つのレーザ発光に応じた情報を生成するように構成される特定の構成をさらに含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記情報を用いて、（ｉ）前記少なくとも１つの生体利得媒質、または（ｉｉ）前記少なくとも１つの生体利得媒質に関連した少なくとも１つの試料のうちの少なくとも１つの少なくとも１つの画像を生成するように構成されるさらなる構成をさらに含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
生体利得媒質の溶液を基板に適用する工程と、
（ｉ）前記生体利得媒質の溶液の少なくとも１つの特性、または（ｉｉ）その乾燥特性により規定される形状を有する導波路を生成する工程とを含み、
前記少なくとも１つの生体利得媒質が少なくとも２つの異なる蛍光タンパク質分子を含み、
前記少なくとも２つの異なる蛍光タンパク質分子は、第１の蛍光タンパク質分子から第２の蛍光タンパク質分子までの蛍光共鳴エネルギー移動を支持するように構成または構造化される、プロセス。
【請求項１９】
生体利得媒質の溶液を基板に適用する工程と、
（ｉ）前記生体利得媒質の溶液の少なくとも１つの特性、または（ｉｉ）その乾燥特性により規定される形状を有する導波路を生成する工程と、
前記導波路に近接して配置される光共振器を用いて前記生体利得媒質に光フィードバックを提供する工程とを含み、
前記少なくとも１つの生体利得媒質が蛍光タンパク質分子を含み、
前記少なくとも１つの光共振器が、生物において形成されるフォトニック構造あるいは周期的構造を含んで構成される、プロセス。
【請求項２０】
前記導波路の形状が、前記生体利得媒質の溶液と前記基板との間の接触線に対する前記生体利得媒質の溶液の蒸発により誘導される質量拡散によりさらに規定される、請求項１８又は１９に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年５月３日に出願された米国非仮出願第１２／７７２，６６８号（その全内容は本明細書に参照として組み込まれる）に対する優先権の利益を主張する。
【０００２】
本開示の分野
本開示は、光学的放射を生成する、より具体的には例えば蛍光タンパク質などの生体利得媒質から誘起された光学的放射を生成するための装置、方法およびシステムの例示的な実施形態に関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザは、材料の処理に革命をもたらし、様々な測定技術を可能にするかまたは著しく改良しており、データ保存および通信装置において不可欠な部分である。レーザ自体がさらに改良され得れば、これらの分野におけるさらなる進歩が想定される。従って、レーザ光をより容易に生成すること、または今までレーザ光の生成が可能ではなかった材料もしくはシステムにおいてレーザ光を生成することは、一般的興味のある問題となっている。レーザ光が生物学的材料（物質）または生体において生成され得る場合、特定の進歩が予想される。
【０００４】
レーザ光を生成するため、または光学放射を増幅させるために様々な利得媒質が使用されている。ソリッドステートの利得媒質としては、結晶、例えば、ルビー、Ｎｄ−ＹＡＧ、Ｔｉ：サファイヤ、希土類イオンドーピング光ファイバーが挙げられる。半導体レーザが広範に使用されている。他の周知の利得媒質としては、有機ポリマー、合成染料、および種々のガス（例えばアルゴンおよびＨｅ−Ｎｅなど）が挙げられる。それにも関らず、レージングおよび光増幅は、今まで、生体利得媒質を用いて実証されていなかった。
【０００５】
蛍光タンパク質が生命科学における種々のプロセスの研究に使用されている。それらは、補因子または酵素を必要としない自己触媒プロセスにおいてそれらの蛍光形態で様々な有機体および成熟体中で機能的導入遺伝子として発現され得る。ＦＰは、蛍光を損失せずに、および多くの場合、標識タンパク質の機能に影響を与えずに他のタンパク質に標識され得る。これにより、タンパク質発現のインビボ（生体内）での画像化が可能となる。元のＦＰである、緑色蛍光タンパク質（「ＧＦＰ」）の定方向突然変異は、改良された成熟、輝度、および安定性で変異体を生じ、ＦＰがスペクトルの可視域全体にわたって放射する。例えば、ＤｓＲｅｄ、ｔｄＴｏｍａｔｏ、ＹＦＰ、およびＣＦＰは周知である。実際のフルオロフォアは、通常のβバレルの鎖からなる缶形の円筒により囲まれる、ＦＰ分子のごく一部を占める。このβ缶構造は、フルオロフォア配列をその放射性の配座に強制するので蛍光に必須である。それはまた、環境からフルオロフォアを保護するので、周囲条件（例えばｐＨおよび温度）の変化に対してＦＰを安定にする。最終的に、特有の保護分子殻が蛍光の濃度消光を防ぐ。ほとんどの合成蛍光色素は高濃度にてそれらの蛍光を放つのに対して、ＦＰはそれらの結晶形態においてさえ明るい蛍光を維持する。それにも関らず、タンパク質レーザ、すなわち、利得媒質として蛍光タンパク質（「ＦＰ」）に基づくレーザは、今まで実証されていなかった。タンパク質ベースの光増幅器もまた、今まで実証されていなかった。
【０００６】
利得媒質とは別に、光フィードバックを提供する構成（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）が、通常、レーザを作動するのに必要とされる。そのような構成は光共振器と称され得る。共振器の例には、ミラーまたは光ファイバーの対により形成される線形およびリングキャビティが含まれる。光フィードバックはまた、フォトニック結晶により提供されてもよい。しかしながら、これらの構成は人工および合成構造であり得る。生物学的材料または生物学的構造に基づく光共振器はまだ実証されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本明細書の上記に記載されている欠点の少なくとも一部を扱いおよび／または克服することは有益であり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の問題および／または欠点に対処および／またはそれらを克服するために、例示的なシステム、方法および装置が、例えば蛍光タンパク質などの生体利得媒質から誘導光学的放射を生成するために提供される。
【０００９】
本開示の例示的な実施形態によれば、利得を生じる少なくとも１つの生体利得を含む例示的な装置が提供され得る。生体利得は、利得、および／または蛍光タンパク質を生じるための複数の分子を含んでもよい。蛍光タンパク質は少なくとも１つの生細胞内にあり得る。さらに、生体利得は、溶液、固体状態、ガス、および／または解剖学的構造内に生体分子を含んでもよい。利得を生じるために生体利得媒質をポンピングするように構成される装置において少なくとも１つの構成が提供され得る。生体利得は、少なくとも１つのスペクトルピークを有する少なくとも１つの電磁放射線を生成できる。加えて、生体利得は、利得を生じるために第１の生体分子から第２の分子までの共鳴エネルギー移動を支持するように構成または構造化される少なくとも２つの異なる生体分子を含んでもよい。
【００１０】
本開示の別の例示的な実施形態によれば、生体媒質に光フィードバックを提供するように構成される装置において少なくとも１つの光共振器が提供され得る。光共振器は、線形またはリングキャビティ、フォトニック結晶、生体組織、ランダム散乱媒質、マイクロスケール反射チャンバ、ナノスケール反射チャンバ、および／またはプラズモンナノ粒子を含んでもよい。光共振器は、少なくとも部分的に周期的である生体構造を少なくとも部分的に含んでもよい。少なくとも１つの生体媒質において誘導放出により利得が提供されてもよい。
【００１１】
本開示のさらに別の例示的な実施形態において、生体媒質は、少なくとも１つの第１の電磁放射線を受信し、少なくとも１つの第２の電磁放射線を送信するようにさらに構成されてもよい。例えば、生体媒質は、第２の電磁放射線を生成するために第１の電磁放射線のエネルギー、電力または強度の少なくとも１つの大きさを増幅させるように構成されてもよい。第２の電磁放射線は増幅された第１の電磁放射線であってもよい。生体媒質はまた、少なくとも１つの増幅された自然放出および／または少なくとも１つのレーザ発光を生成するように構成されてもよい。レーザ発光を検出し、レーザ発光に応じた情報を生成ように構成される装置において特定の構成が提供されてもよい。情報を用いて、（ｉ）少なくとも１つの生体媒質、および／または（ｉｉ）生体媒質に関連する少なくとも１つの試料のうちの少なくとも１つの画像を生成するように構成される装置内にさらなる構成が提供されてもよい。
【００１２】
本開示のさらに例示的な実施形態によれば、少なくとも１つのレーザ発光を生成するように構成される少なくとも１つの生体利得媒質を含むソース装置が提供されてもよい。本開示のなおさらなる例示的な実施形態によれば、解剖学的構造において提供するように構成される構成が提供されてもよい。例示的な構成は、解剖学的構造内に多くとも１０ミクロンの断面積を有し、少なくとも１つのレーザ放射を生成するように構成される少なくとも１つのエミッタを含んでもよい。例示的なエミッタは生体媒質を含んでもよい。解剖学的構造に関する情報を促進するように放射線が提供されてもよい。
【００１３】
本開示のさらに別の例示的な実施形態において、利得を生じるように構成される少なくとも１つの媒質と、光フィードバックを媒質に提供するように構成される少なくとも１つの光生体共振器と、を含む装置が提供されてもよい。光生体共振器は周期的構造を少なくとも部分的に含んでもよい。媒質は生体媒質であってもよい。
【００１４】
本開示の特定の例示的な実施形態によれば、プロセスが提供されてもよい。この例示的なプロセスを用いて、光学媒質の溶液を基板に適用し、（ｉ）光学媒質の溶液の少なくとも１つの特性、または（ｉｉ）その乾燥特性により規定される形状を有する導波路を生成することができる。光学媒質は利得媒質であってもよい。導波路の形状は、光学媒質の溶液と基板との間の接触線に対する光学媒質の蒸発により誘導される質量拡散によりさらに規定されてもよい。
【００１５】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、添付の特許請求の範囲と併せて考慮される場合、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読んで理解されるだろう。
【００１６】
本発明のさらなる目的、特徴および利点は、本開示の例示的な実施形態を示す添付の図面と併せて考慮される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示によるタンパク質溶液レーザの例示的な実施形態の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ポンプエネルギーの関数としてレーザ出力のエネルギーのグラフである。
【図１Ｃ】図１Ｃは、異なる濃度のｅＧＦＰ溶液で満たされたタンパク質レーザの正規化出力スペクトルのグラフである。
【図１Ｄ】図１Ｄは、理想的キャビティアラインメントについておよびキャビティミラーの複数の計画的なミスアラインメントのレーザ発光の空間プロファイルの例示のセットである。
【図１Ｅ】図１Ｅは、キャビティ内の異なる濃度のｅＧＦＰについての例示的な測定したレージング閾値のグラフである。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示によるソリッドステート（固体状態）タンパク質レーザの例示的な実施形態の図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ポンプエネルギーの関数として図２Ａの例示的なレーザのレーザ出力のエネルギーのグラフである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本開示の例示的な実施形態による２つの異なるミラー分離のレーザについての出力スペクトルのグラフのセットである。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の例示的な実施形態によるＧＦＰを発現する大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）細胞に基づいたレーザの特徴に関連するポンプエネルギーの関数としてレーザ出力のエネルギーのグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、２つの励起パルスエネルギーにおける図３Ａに関連するレーザの出力スペクトルを示すグラフのセットである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本開示の例示的な実施形態によるレージング作用における大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）細胞の例示である。
【図４Ａ】図４Ａは、本開示の例示的な実施形態による自己集合プロセスを実施するソリッドステートタンパク質構造の側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、自己集合プロセスを実施する図４Ａのソリッドステートタンパク質構造の上面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本開示の例示的な実施形態による、例示的な自己集合プロセスのさらなる処理を実施する図４Ａのソリッドステートタンパク質構造の側面図であり、ここで、溶液の非揮発性物質部分が液滴の縁の方へ移動する。
【図４Ｄ】図４Ｄは、例示的な自己集合プロセスのさらなる処理を実施する図４Ｃのソリッドステートタンパク質構造の上面図であり、ここで、溶液の非揮発性物質部分が液滴の縁の方へ移動する。
【図５Ａ】図５Ａは、本開示の例示的な実施形態による、「タンパク質染料」、自己集合ｅＧＦＰリング共振器レーザの表面トポグラフィの画像である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、例示的な斜視図画像ならびに未処理（インタクト）および動作しない共振器についてのポンプエネルギーの関数としてリング共振器レーザの出力エネルギーのグラフの組み合わせである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本開示の例示的な実施形態による、特定の例示的なポンプエネルギーにて得られたリングレーザの画像のセットである。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５ＣのポンプエネルギーにおけるｅＧＦＰリング共振器レーザからおよびｔｕｒｂｏＲＦＰリング共振器レーザからの発光スペクトルの例示的なグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、本開示の例示的な実施形態による、蛍光タンパク質で満たされたミクロスフェアキャビティを含むマイクロスケールのタンパク質細胞レーザの例示である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本開示の特定の例示的な実施形態による、個々の粒子または粒子集団の位置を測定する非線形発光特性を有するマイクロスケールのタンパク質細胞レーザの例示である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本開示の特定の例示的な実施形態による、単一の細胞が適切なキャビティ内に埋め込まれているマイクロスケールのタンパク質細胞レーザの例示である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本開示の特定の例示的な実施形態による、単一の細胞レージングが、蛍光標識細胞を分類するために適用されるナノスケールのタンパク質細胞レーザの例示である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本開示の特定の例示的な実施形態による、細胞におけるマイクロスケールのタンパク質細胞マイクロレーザの例示である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、本開示の特定の例示的な実施形態による、細胞におけるマイクロスケールのタンパク質細胞ナノレーザの例示である。
【図７Ａ】図７Ａは、本開示の特定の例示的な実施形態による、生体利得媒質における誘導放射による電磁放射線の増幅の例示である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本開示の特定の例示的な実施形態による、図７Ａの生体利得媒質から増幅された自然放出光の生成の例示である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
他に記載しない限り、全体にわたって、図面、同じ参照番号および特徴は、例示した実施形態の同様の特徴、要素、成分または部分を示すために使用される。さらに、対象の本発明をここで図面を参照して詳細に記載しているが、それは例示的な実施形態と併せて記載される。添付の特許請求の範囲により規定される対象の本開示の実際の範囲および趣旨から逸脱せずに記載した例示的な実施形態に対して変更および修飾がなされてもよいことが意図される。
【００１９】
利得媒質は一般に光を増幅させ、通常、「誘導放射」として知られているプロセスによって増幅された光の量子力学的状態（位相、偏光など）を複製（再現）できる。レーザは、当該技術分野において公知であるこの誘導放射プロセスの１つの適用であり得る。例えば、レーザは、３つの要素、例えば利得媒質、光キャビティ（例えば共振器）、およびポンプソースからなり得る。当該技術分野において知られている誘導放射の他の例示的な使用としては、例えば光増幅器および増幅された自然放出ソースが挙げられる。
【００２０】
本開示の特定の例示的な実施形態によれば、生体媒質は利得媒質として使用され得る。利得媒質として使用され得る生体媒質のクラスの一例としては蛍光タンパク質が挙げられ得る。例えば、タンパク質レーザまたはタンパク質光増幅器は利得媒質として蛍光タンパク質を利用できる。タンパク質は溶液の形態であってもよい。特に、タンパク質は、例えばＦＰをコードする遺伝子の発現またはＦＰ含有粒子の内在化もしくはエンドサイトーシスにより、細胞質、核、および／または細胞小器官中にタンパク質を含有し得る生体細胞などの生物内に存在してもよい。蛍光タンパク質（またはＦＰ）はまた、凝集体（例えば溶液の乾燥後）または結晶などの固体の形態であってもよい。タンパク質結晶は、低い伝送損失を有する利点を有してもよい。例えば、高濃度溶液または凝集体に存在する場合、種々の小さな有機色素は、「消光（クエンチング）」として知られている現象である、蛍光発光のそれらの能力を損失する傾向にある。比較的大きな分子サイズおよびβ缶構造による蛍光タンパク質におけるフルオロフォアのカプセル化は、消光せずに高濃度を許容する。
【００２１】
レーザキャビティまたは共振器についての種々の設計が記載されている。このような設計の一例は、線形Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔおよびリングキャビティを含む構造の使用である。分布帰還型共振器構造もまた記載されている。これらの例示的な共振器は一般的に一次元形態であるが、２または３次元（２Ｄまたは３Ｄ）キャビティも使用されてもよく、それは、２Ｄおよび／または３Ｄフォトニック結晶またはランダム散乱（ランダムレーザとして知られている）を使用する。さらに、マイクロスケールおよびナノスケールキャビティが記載されており、それは、局所的な光と物質の相互作用（ｌｉｇｈｔ−ｍａｔｔｅｒ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を高め、ポンピング光をより効果的に受信するプラズモン効果または構造を使用できる。レーザキャビティの共振波長は、利得媒質として使用される蛍光タンパク質の発光帯と重ね合わせるために選択され得る。
【００２２】
大部分の蛍光タンパク質のエネルギーレベルは比較的よく知られている。典型的に、このようなエネルギーレベルは、基底状態の電子が、ポンピングソースによって上方励起状態までポンピングされ、非放射減衰を介して下方励起状態に緩和される、３レベルシステムを形成できる。下方励起状態における電子は、自然放出または誘導放出のいずれかによって基底状態まで戻る。誘導放出は、典型的に、レージングまたは光増幅の間、優勢である。下方励起状態の固有寿命は、典型的に、０．５〜１０ｎｓのオーダーである。（レージングおよび増幅に重要であり得る）光学利得を生じさせるために、ポンプソースが、十分なエネルギーを利得媒質に送達するために使用され得るので、多くの電子が、「反転分布」として知られている状態である、基底状態においてよりも下方励起状態において存在する。
【００２３】
ポンピングは、典型的に、利得媒質において使用される蛍光タンパク質の吸収帯に対応する波長において励起光を発光するポンプ光源を用いることにより光学的に達成される。利用可能なポンプ源としては、Ｑスイッチ型（Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ）ソリッドステートナノ秒レーザ、フェムト秒ソリッドステートレーザ、パルスまたは連続波半導体レーザ、フラッシュライト、および調節可能な光学パラメータ式発振器ソースが挙げられる。代替として、ポンピングは、蛍光共鳴エネルギー移動により、または注入電流により電気的に起こり得る。このようなポンピングはまた、例えば生物ポンプレーザ（ｂｉｏ−ｐｕｍｐｅｄ  ｌａｓｅｒ）または光増幅器を形成する手段として、ルシフェラーゼ系に基づいて、生物発光または化学発光により達成され得る。
【００２４】
例示的なＧＦＰ溶液レーザ
図１Ａに示すような、本開示の１つの特定の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つの蛍光タンパク質を含有する溶液２が、レーザ構成１の利得媒質として使用され得る。
【００２５】
この例示的な実施形態において、例示的なレーザ構成１は、反射コーティング３ｂでコーティングされた後部キャビティミラー３と、反射コーティング４ｂを有する前部キャビティミラー４とを備え得る。タンパク質溶液２は、ミラー３、４の間に配置され得、ここで、ミラー３、４の少なくとも１つは、利用される蛍光タンパク質の少なくとも１つにより発光される光の波長を有する光に対して半透過性であり得る。ミラー３、４の１つまたは両方は、平らおよび／または湾曲であってもよく、好ましくは、凹曲度、５ｍｍ〜１０００ｍｍ、および８ｍｍ〜１００ｍｍの曲率半径を有する。ミラー３、４の距離は、キャビティ構造、例えば安定なキャビティを形成するようにそれらの曲率半径に一致し得る。ミラー３、４は、金属または誘電体反射、例えば好ましくは誘電体反射に基づいてもよく、および／またはそれらを使用してもよい。溶液２は、例えば、レーザ構成１、光学パラメータ式発振器および／または光学パラメータ増幅器からの出力、フラッシュランプからの発光からの出力を用いて、あるいは当業者に公知の他の方法において光学的に励起され得る。
【００２６】
図１Ａに示した例示的な実施形態において、蛍光タンパク質を励起する光６は、キャビティを形成するミラー４の１つを通して少なくとも１つの蛍光タンパク質を含有する溶液２上に焦点を当てられ得る。この例示的な実施形態において、ミラー４は、蛍光タンパク質を励起するように使用される光の波長を有する、光に対して少なくとも半透過性である。透過率は、その光の１０％より高く、好ましくは６０％より高くなり得る。別の例示的な実施形態に従って、追加のダイクロイックミラー５が、キャビティ内の蛍光タンパク質の少なくとも１つにより発光される光７を透過させながら、キャビティ内の蛍光タンパク質の１つを励起するように使用される波長を有する光６を反射させるために使用されてもよい。χ文字
【００２７】
本開示の１つの例示的な実施形態に従って、蛍光タンパク質がレーザの利得媒質として使用され得ることを実証するために、２つの凹面のダイクロイックミラーから構成される簡単なレーザキャビティが、例えば、野生型ＧＦＰの増幅され、広範に使用される変異体である、組み換えｅＧＦＰの５０μＭ水溶液で満たされ得る。この例示的な実施形態におけるキャビティミラーは、ｅＧＦＰが発光するスペクトル範囲（例えば、５００ｎｍ＜λ＜５６０ｎｍに関して反射率＞９９．９％）において非常に反射し得、例えば、ｅＧＦＰが吸収されるスペクトル範囲において波長λ＜４８０ｎｍにおいて透過し得る。この例示的な構造により、キャビティ内で生成された誘導放出についての強力な光フィードバックが促進され、一方でまた、キャビティ内で約４６５ｎｍにて作動する光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）からのパルスされた出力に焦点を当てることによって達成された本出願人らの場合においてｅＧＦＰ溶液の効果的な光ポンピングが促進される。
【００２８】
図１Ｂは、本開示の特定の例示的な実施形態に従って、ＯＰＯにより生成された励起パルスのポンプエネルギーＥｐの関数としてレーザ構成の出力のエネルギー／光のグラフを示す。実線２１はデータに適合した直線を表す。例示的なｅＧＦＰ溶液（ｃ＝５０μＭ）を、長さｄ＝７ｍｍ、ミラーの曲率ｒ１＝１０ｍｍおよびｒ２＝５０ｍｍでキャビティ内に入れることができる。その溶液は、光学パラメータ式発振器（例えば５ｎｓのパルス持続時間、λ＝４６５ｎｍ）の焦点を当てられた出力により励起され得る。図１Ｂに示した下側の挿入図は、拡大したスケールでのメインパネルからのデータを示す。図１Ｂにおける矢印２０は、ｘ軸と適合した直線との交点を示す。特に、図１Ｂのグラフによれば、Ｅｐ＜１４ｎＪに関して、キャビティ内のタンパク質溶液からの発光は観察されなかった。これは、ダイクロイックミラーが、ｅＧＦＰからほぼ完全にキャビティ内に戻るように蛍光を反射したためと予想され得る。しかしながら、一旦Ｅｐが１４ｎＪを超えて増加すると、キャビティは緑色光を発光し始め、キャビティ出力は、ポンプエネルギーがさらに増加するにつれて急速に増加し得る。
【００２９】
図１Ｃは、異なる濃度のｅＧＦＰ溶液で満たされたタンパク質レーザの正規化した出力スペクトルのグラフを示す。例えば、これらの例示的な濃度には、２．５μＭ（ライン３０）、５０μＭ（ライン３１）、および２５０μＭ（ライン３２）が含まれる。ｅＧＦＰの自然放出蛍光スペクトルおよび正規化した吸収スペクトルもまた、それぞれ、ライン３３および３４として図１Ｃに示す。特に、放射光のスペクトル（ライン３１）は、ｅＧＦＰ溶液の自然放出蛍光スペクトル（ライン３３）（例えば約３７ｎｍ  ＦＷＨＭ）と比べて実質的に狭くなり得る（例えば約１２ｍｍ  ＦＷＨＭ）。明確な閾値ポンプエネルギーの存在以上で、キャビティ出力は急速に増加し得、スペクトル的に狭い出力はレージングの指標であり得る。
【００３０】
図１Ｄは、キャビティミラーの４つのわずかに異なったアラインメントについての蛍光タンパク質レーザからの出力ビームの空間プロファイルの例を示す。特に、例示的なパターンは、レーザキャビティのより高いトランスバーサルモードとして解釈され得る（画像ｉｉ−ＴＥＭ０１、画像ｉｉｉ−ＴＥＭ０２、および画像ｉｖ−ＴＥＭ１１）。例示的な最適アラインメントに関して、ゼロ次トランスバース（ＴＥＭ００）モードで作動するレーザアラインメントに関して理解され得るように、ガウス分布発光プロファイルが図１Ｃの画像ｉに見られ得る。（例えばキャビティミラーの１つをわずかに傾けることによる）計画的なミスアラインメントにより、空間プロファイルは、より高次のモードでの作動を示すパターンに変化され得る。
【００３１】
図１Ｅは、キャビティ内のｅＧＦＰの異なる濃度についての測定されたレーザ閾値のグラフを示す。図１Ｅの挿入図は、５０μＭ  ｅＧＦＰレーザの出力エネルギーの例示的な変化を示す。初期出力エネルギーにデータを正規化した。特に、本出願人らの蛍光タンパク質レーザの操作可能な安定性を試験するために、蛍光タンパク質レーザは閾値の約２００倍以上のポンプエネルギー（Ｅｐ＝２５００ｎＪ）で作動できる。図１Ｅの挿入図に示すように、５０００パルスの間に出力エネルギーの顕著な減少は観察されなかった。
【００３２】
上記の例示的な実験をｅＧＦＰ溶液の異なる濃度について繰り返し、レージングが２．５μＭの濃度までの低下を生じたことが測定された。濃度が減少するにつれて、レージング波長は青色の方へシフトする（図１Ｃにおけるスペクトルライン３０を参照のこと）。これは、ｅＧＦＰ吸収バンドのテイルからの自己吸収が低濃度でほとんど有意でないと予想される。例えば、同じ時間にて、閾値に到達させるために使用されるポンプエネルギーは、少しのフルオロフォアがキャビティ損失を克服するのに利用可能であるので増加する（図１Ｄを参照のこと）。本出願人らは、典型的な細胞内蛍光タンパク質濃度がマイクロモルからミリモル範囲にあることを気づいた。これは本出願人らのレージング範囲に相当するので、適切に設計され／構造化されるキャビティが利用される場合、レージングに基づいた蛍光タンパク質はインビボまたは単一の細胞においてさえも可能となり得る。
【００３３】
例示的なソリッドステートｅＧＦＰレーザ
簡単な色素レーザと同様に、タンパク質の溶液に基づいた例示的なタンパク質レーザからの発光のライン幅は比較的広範になり得る。これは、ｅＧＦＰにおける広範な光学遷移およびキャビティがほぼ同一の往復の損失を有する一連のモードを効果的に支持するという事実から生じ得る。しかしながら、従来の蛍光色素と異なり、蛍光タンパク質は、高濃度および固体状態においてそれらの明るい蛍光を維持する。このことは、レーザ利得媒質として固体状態ｅＧＦＰの使用を容易にでき、減少した発光ライン幅、かなり低いレージング閾値を特徴とし得る例示的なキャビティ構造を提供でき、実質的に少ないタンパク質を利用できる。
【００３４】
本開示に係る構成の別の例示的な実施形態が図２Ｂに示され、それは、ソリッドステートタンパク質レーザの例示的な実施形態の図を示す。例示的なソリッドステートタンパク質レーザは、反射コーティング／表面１００ａを有する第１の平らなバックミラー１００と、反射コーティング１０２ａを有する第２の平らなフロントミラー１０２とを備え得る。固体タンパク質１０１は、両方のミラー１００、１０２の間に挟まれ得る。ミラー１００、１０２の間の距離はシリカビーズ１０３により調整されてもよい。固体タンパク質１０１は青色光１０６により光学的に励起され得る。レーザは、フロントミラー１０２およびバックミラー１００を通して緑色光１０７を発光するように構成され得る。
【００３５】
特に、１つの例示的な実施形態によれば、ｅＧＦＰ溶液（ｃ＝０．１ｍＭ）の液滴は、上記の反射コーティングを有する第１の平らなバックミラー１００の表面１００ａ上で乾燥されたままであり、次いでミラーの分離を調整するために目盛り付きのシリカビーズ（１０３）（例えば直径ｄ＝１８μｍ）を用いて第２の平らなフロントミラー１０２で覆われた。ミラー１００、１０２の間の短い距離に起因して、このキャビティは、Δλ≒λ２／（２ｄｎ）＝５．６ｎｍ（式中、ｎ≒１．５１はキャビティ内の媒質の屈折率である）によって分離された、離散長手方向モードのみを支持できるようである。このレーザキャビティによって放出され得るスペクトルは、図２Ｃのスペクトル１３０によって示されるいくつかの鋭いラインから構成され得、その図２Ｃは、本開示の例示的な実施形態に従う、２つの異なるミラー分離を用いるレーザについての出力スペクトルのグラフのセットを示す。このようなレーザキャビティは、上記の式から推定される値と十分に合うことができる間隔（例えば５．４±０．２ｍｍ）を有し得る。キャビティ長さが（例えばシリカビーズ１０３を除外することによって）さらに減少する場合、レーザは、分光計の分解能（例えばＦＷＨＭ＜０．２ｎｍ）以下のスペクトル幅を有する単一線を生成し得る。溶液ベースのレーザと同様に、ソリッドステートｅＧＦＰレーザは、ポンプエネルギーが増加すると共に出力エネルギーにおいて明確なキンク（ｋｉｎｋ）を示したが（ポンプエネルギーの関数として図２Ａの例示的なレーザのレーザ出力のエネルギーのグラフを示す図２Ｂを参照のこと）、かなり低いポンプエネルギー（１．９±０．２ｎＪ）でレーザを放出し始めた。低い閾値のソリッドステートタンパク質レーザは高い濃度のｅＧＦＰに起因し得、その結果として、単位体積当たり実質的により高い利得が得られ得る。有用なポンプエネルギーは、市販のダイオードポンピングソリッドステートレーザおよび画像化または検出用途において蛍光タンパク質からレージングの適用を与えることができる高い繰り返し率のフェムト秒レーザシステムから利用可能な出力エネルギーの範囲内で十分であり得る。
【００３６】
生細胞中のタンパク質を用いる例示的な生体（バイオ）レーザ
蛍光タンパク質はまた、インビボでのレージングを容易にできる。本開示に係る１つの例示的な構成において、野生型ＧＦＰを発現する大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）の培養物が、平らなミラーの表面上に塗りつけられ得、上記の第２の平らなミラーで覆われ得る。キャビティは光学的にポンピングされ得、出力は、図３Ａに示されるように励起パルスエネルギーの関数としてモニターされ得る。この図は、本開示の例示的な実施形態に従う、ＧＦＰを発現する大腸菌細胞に基づいたレーザの特性と関連付けられるポンプエネルギーの関数としてレーザ出力のエネルギーのグラフを示す。組換えタンパク質レーザについてより高いポンプエネルギー（１５０±１０ｎＪ）であるが、明確なキンクが観察され得る。これは、細胞壁および細胞内構造における光の散乱により導入されるさらなるキャビティ内の損失の存在に起因し得る。なぜなら、細胞レーザはより低い効率の野生型ＧＦＰ変異体に基づくからであり、低いタンパク質濃度（図１Ｄの例示と比べて）もまた、高いレージング閾値に起因し得る。レージング閾値のすぐ上のポンプエネルギーに関して、細胞レーザの出力スペクトルは、（２つの励起パルスエネルギーにおいて図３Ａの例示と関連するレーザの出力スペクトルのグラフのセットを示す図３Ｂにおけるスペクトル２３１により示されるように）明確に定義された鋭いラインを含み得る。しかしながら、より高いポンプエネルギーにおいて、これらのラインは、（図３Ｂにおけるスペクトル２３０により示されるように）密集したピークの集合内に拡大し、それは、レーザキャビティ内の光学的不均一性の指標となり得る。とりわけ、これは個々の大腸菌細胞の異なる配向に起因し得る。図３Ｃは、本開示の例示的な実施形態に係る、レージング作用における大腸菌細胞の図を示す。
【００３７】
例示的なリング共振器レーザ
本開示の別の例示的な実施形態において、レーザ構成の共振器は、表面上の溶液または分散の液滴の乾燥の間に形成されるパターンを使用できる自己集合プロセスにより提供されてもよいか、または生成されてもよい。液滴は、例えば１００μｌ以下の体積を有し得る。共振器は、円形などの閉じた形状、または直線などの開いた形状を有してもよいか、あるいは反射構造により閉じられてもよい。
【００３８】
図４Ａ〜４Ｄに示した本開示に係る構成の１つの例示的な実施形態において、基板３０１上の溶液３００の表面エネルギー間の相互作用が示される。特に、図４Ａおよび４Ｂは、本開示の例示的な実施形態に係る、自己集合プロセスを実施するソリッドステートタンパク質構造のそれぞれの側面図および上面図を示す。図４Ｃおよび４Ｄは、例示的な自己集合プロセスのさらなる手順を実施する図４Ａのソリッドステートタンパク質構造のそれぞれの側面図および上面図を示すが、溶液の不揮発性部分は、本開示の例示的な実施形態に従って液滴の縁の方へ移動される。
【００３９】
例えば、図４Ａおよび４Ｂに示すように、蛍光タンパク質溶液３００の液滴は、基板３０１上の乾燥プロセスの間に付与される。溶液の不揮発性部分は、矢印３０２により示されるように液滴の縁の方へ移動される。図４Ｃおよび４Ｄに示すように、乾燥した液滴３００ａは基板３０１上にドーナツ形状の構造で形成される。溶液内の物質拡散および蒸発動態は、液滴３００の外側接触ラインにて溶液に溶解または分散した不揮発性物質（複数も含む）の明確に規定された縁３００ａの形成に関与する。液滴３００は、ピペット操作、インクジェットプリンタ、静電スプレープロセスまたは当該技術分野に公知の他の方法により生成され得る。液滴の乾燥の間に形成される縁３００ａは、円形を有する導波路を規定するかまたは規定するのに役立つ。
【００４０】
本開示に係る構成の特定の例示的な実施形態によれば、図４Ａ〜４Ｄに示される例示的なプロセスに使用される溶液または分散は、液滴の乾燥の間に形成される円形導波路内で光学利得を提供するために使用され得る１つ以上の異なる蛍光タンパク質を含有し得る。本開示に係る構成の別の例示的な実施形態によれば、放射性種および一般的な物質の特性、特に機械的および光学特性を改良する目的を与える利得および可能な場合にはさらなる化合物を提供するために、溶液は、限定されないが、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）とポリ−ｃｏ−フルオレンフェミリーのポリマー、または限定されないが、ローダミン、フルオレセイン、クマリン、スチルベン、ウンベリフェロン、テトラセンおよびマラカイトグリーンを含む合成性質のモノマーを含む、１つ以上の蛍光ポリマーを含有してもよい。
【００４１】
本開示に係る構成のさらなる例示的な実施形態によれば、エバネセント結合処理が、共振器からエネルギーを抽出するために使用されてもよい。例えば、この例示的な実施形態によれば、共振器は、テーパ状の光ファイバーまたはスラブ型導波路に近接して配置されてもよい。共振器とファイバーまたは導波路との間の距離は、約１０ｎｍ〜１００μｍ、好ましくは約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲であってもよい。
【００４２】
本開示に係る構成のさらなる例示的な実施形態によれば、蛍光タンパク質が、利得媒質として使用されてもよく、また、リング共振器を形成し、それにより、外部キャビティを必要とせずにレーザ光を生成できる。溶液の液滴を基板上で乾燥させるときはいつでも、溶媒蒸発の間の毛細管流動により、溶液の不揮発性成分が、コーヒーステイン現象（ｃｏｆｆｅｅ  ｓｔａｉｎ  ｅｆｆｅｃｔ）としても知られている、液滴の外側端部に最初に堆積する。ｅＧＦＰ溶液（１ｍＭ）のμｌ液滴は、μｍスケール幅および厚さで非常に均一なタンパク質のリングを形成する。これは、本開示の例示的な実施形態に係る、「タンパク質染色」の表面トポグラフィ、自己集合ｅＧＦＰリング共振器レーザの画像を示す図５Ａの例と比較され得る。実際に、「タンパク質染色」の表面トポグラフィは、１μＭ  ｅＧＦＰ溶液の１μｌの液滴を乾燥させることによって形成され得、データは光学式プロフィロメトリー（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）により獲得できる。
【００４３】
この例において、ｅＧＦＰ溶液の単一の液滴は、低屈折率基板（例えばｎ≒１．３４）上に堆積されて、円形導波路およびリング共振器としてそれらの「タンパク質染色」を利用できる。タンパク質（ｎ≒１．５１）から基板および周囲空気までの屈折率の例示的な相違は、それぞれ、タンパク質リング内の導波路を生じ得る。この例示的な円形導波路における光学利得が損失を克服するのに十分である場合、このような構造は、各々の往復後、光をその元の軌道上に戻すリングにより提供される光フィードバックと共にレーザとして作用する。循環する光の一部は、例えば固有の曲げ損失により連続して抽出され得る。この光は、リングの平面で放出され得、図５Ｂの挿入図に示すようにリングに対する接線に沿って伝播し得る。その図５Ｂは、未処理（インタクト（ｉｎｔａｃｔ））の共振器のポンプエネルギーの関数としてリング共振器レーザの出力エネルギーの例示的な斜視図の画像およびグラフの組み合わせを示す。この図は未処理のリングについて生成され得る（例えば図５Ｂに示すように閉じた記号を参照のこと）か、またはリングが切り開かれた後（例えば図５Ｂに示すように開いた記号を参照のこと）、直線３２０および３２０ａが線形フィットを表し、図の挿入部分はポンプ構造およびリング共振器からの光の漏洩を示す。漏洩は、循環する光が誘導放出により増幅される場合、タンパク質からの無指向性の非誘導発光と比べて顕著になり得る。図５Ｂの挿入図に示すように、タンパク質リングは青色光のパルスと共に上部から光学的に励起され得る。タンパク質リング共振器からの発光は試料の端部から回収され得、そして画像化される得るか、または分光計に移動され得る。
【００４４】
図５Ｃは、２つの異なるポンプエネルギー（例えば、上部画像：Ｅｐ＝０．５μＪ、底部画像：Ｅｐ＝３μＪ）における本開示の例示的な実施形態に係る、特定の例示的なポンプエネルギーにて得られたリングレーザの得られた画像を示す。より低いポンプエネルギーに関して、リング全体は均一に発光できる。しかしながら、より高いポンプエネルギーにて、光は、例えば、循環する導波モードからの光の漏洩がカメラに対して伝播する領域においてリングの左端および右端からほとんど発光され得る。左側上部のリングの半分におけるさらなる輝点は、導波光の散乱を引き起こし得る少しの欠陥から生じ得る。図５Ｂに示すように、リングの端部から発光された光の強度はＥｐ＞１μＪに関して急速に増加する。この閾値エネルギーは１００ｎＪ／ｍｍ２の束（フラックス）に対応する。
【００４５】
閾値以上で、発光された光のスペクトルは、図５Ｄ（これは、図５ＣのポンプエネルギーにおけるｅＧＦＰリング共振器レーザからの発光スペクトルの例示的なグラフを示す）におけるスペクトル３４０に示すように、いくつかの近接して間隔をあけられた鋭い線により占められる。０．５μＪのポンプエネルギーにてｅＧＦＰリング共振器レーザからの発光スペクトルを、線３４０ａとして、および３μＪにて線３４０として示す。発光の空間プロファイル、閾値挙動および発光スペクトルの崩壊の例示的な変化は、タンパク質リング共振器が実際にレーザを形成するということを示し得る。タンパク質リングにおける導波路が光フィードバックに関与する機構であることを確認するために、リングの小断面（約２００μｍ）が切り取られ得、上記の測定が反復され得る。入力−出力特性におけるキンク（図５Ｂ、例えば開いた記号を参照のこと）または発光の狭くなっているスペクトルは恐らく観察されない。
【００４６】
例えば、蛍光タンパク質からのレージングは緑色部分のスペクトルに限られない。赤色蛍光タンパク質ｔｕｒｂｏＲＦＰにより形成されるリング共振器もまた、レージングの指標を提供できる。図５Ｄの例示的なグラフはまた、ｔｕｒｂｏＲＦＰ３４５ａの自然蛍光スペクトルと共にレージング閾値３４５以上のこのレーザの発光スペクトルを示す。例えば、光がエバネセント結合により隣接する線形導波路に励起される場合、これらのリング共振器レーザの効果および指向性の顕著な改良が存在し得る。
【００４７】
例示的な結晶レーザ
例示的な乾燥プロセスは、ランダムに分布したタンパク質の凝集体を残すことができる。代替として、または加えて、多くのタンパク質の分子構造および遺伝子配列は既に知られ得るので、タンパク質結晶が、高濃度およびごくわずかな光学散乱により誘発される損失の利点と共に利得媒質として形成され、利用され得る。
【００４８】
眼の水晶体は水晶体線維の周期的積層のために主に透明であり得る。蛍光タンパク質を生成するために操作される水晶体（レンズ）は、インビボにおいてレーザ光を生成するために利得媒質として使用され得る。
【００４９】
例示的なファイバーレーザ
本開示の構成のさらに別の例示的な実施形態によれば、中空光ファイバーまたはフォトニック結晶ファイバーは１つまたは複数の蛍光タンパク質を含有する溶液で満たされ得る。ファイバーは、ガラス、プラスチック、または生分解性ポリマーから作製されてもよい。このようなファイバーにおける光の導波は、空気が充填されたファイバーの被覆材の一部を生成することによって、または導波防止構造を用いることによって、および／あるいはタンパク質溶液の屈折率より低くなり得る屈折率を有する被覆材からなるファイバーを用いることによって達成され得る。ファイバー中のタンパク質の少なくとも１つはファイバー内の光結合により光学的に励起され得る。タンパク質の少なくとも１つからの発光はファイバー内に誘導される。
【００５０】
本開示の構成のさらに別の例示的な実施形態によれば、このような例示的な構造はレーザとして使用され得、光フィードバックが、ファイバーの２つの端部において、ミラーもしくはブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ）などの反射要素により、またはファイバーに沿って分配される光フィードバック構造により、またはリング共振器構造にファイバーを近接させることにより提供される。
【００５１】
本開示の構成のなおさらに例示的な実施形態によれば、例示的な構造が増幅器として使用され得る。例えば、光信号を運搬する光が、ファイバー内のタンパク質の少なくとも１つを励起する光と一緒にファイバー内に結合されてもよい。光信号は、ファイバーに沿って伝播するので、タンパク質の少なくとも１つから誘導放出により増幅され得る。光信号はファイバーの他端から抽出され、ファイバーまたは他の適切な手段を用いていずれかの残りの励起光から分離されてもよい。
【００５２】
例示的なレーザ粒子
本開示のさらに別の例示的な実施形態によれば、蛍光タンパク質を用いて種々の小型レーザを提供することも可能である。図６Ａの本開示の例示的な実施形態に示されるように、溶液または固体状態において蛍光タンパク質４０１を封入する高反射性のマイクロシェル構造４００を利用することも可能である。シェルが十分な反射性を提供する場合、レージングも可能であり得る。例えば、キャビティは球状であってもよく、または管状構造であってもよく、直径１ｍｍ〜１０ナノメートル以下の範囲である。蛍光ポリマーまたは色素などの他の利得材料が、利得媒質としてタンパク質と取り替えられてもよい。
【００５３】
このような例示的なマイクロレーザは種々の生物医学的用途に使用され得る。例えば、生きている動物に、静脈内、経口、または皮下にレーザ「粒子」を注入することも可能である。粒子は体内の特定の位置に拡散し得るか、またはそれらの表面は、それらが特定の細胞および区画を優先的に標的とするように機能的にされ得る。十分なポンプ光の下で、粒子は、検出、診断、および／または処置を容易にし得るレーザ光を放出する。図６Ｂは、本開示の特定の例示的な実施形態に係る、個々の粒子または粒子集団の位置を決定する非線形放出特性を有するマイクロスケールのタンパク質細胞レーザの例を示す。例えば、図６Ｂに示されるように、レージングの非線形閾値は、多光子顕微鏡で使用されるものと同様の方法で３Ｄ空間における粒子の位置の決定を容易にし得る。特に、非線形放出特性は、励起ビーム４１２の焦点に位置する粒子４１０ａが低い絶対励起強度にて閾値に到達するので、３Ｄにおける組織４１１内の個々の粒子または粒子集団４１０の位置を決定できる。
【００５４】
例示的な単一細胞レーザ
単一生体細胞からのレージングが可能であるべきである。図６Ｃは、本開示の特定の例示的な実施形態に従って、単一細胞が適切なキャビティ内に埋め込まれている、マイクロスケールのタンパク質細胞レーザを例示している。図６Ｃに示すように、例えば真核生物または原核生物のいずれかである細胞４２０は、蛍光タンパク質を生成するように構成または操作され得、および／または細胞質内に蛍光タンパク質を含有するように調製され得、次いで高フィネス共振器４２１内に提供される。共振器４２１は、例えばリソグラフィーによって、シリコン、サファイヤ、シリカまたは窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から作製された１Ｄ、２Ｄ、または３Ｄフォトニック結晶であり得る。図６Ｄは、本開示の特定の例示的な実施形態に従う、単一細胞レージングが蛍光標識細胞の分類に適用されるマイクロスケールのタンパク質細胞レーザを例示する。この例示的な実施形態において、蛍光標識細胞４３０は、高く、方向付けられた信号強度の利点を有する細胞検出および分類のために使用され得る、マイクロ微小流体チャネル４３１により後方反射器４３２および部分的前方反射器４３３から構成されるレーザキャビティに送達され得る。特に、単一細胞レージング手順は、キャビティ４３２、４３３を備えた流体チャネル４３１に存在する蛍光標識細胞４３０の分類を容易にし得る。例えば、放出される放射線４３４は細胞についての情報を提供する。
【００５５】
例示的な細胞内レージング
図６Ｅは、本開示の特定の例示的な実施形態に係る、細胞におけるマイクロスケールのタンパク質細胞マイクロレーザの例示的な図を示す。例えば、１０ミクロン未満または好ましくは２００ｎｍ未満のサイズを有するレージング粒子４４０が、生体細胞４４２内からレーザ光を生成するために使用され得る。特に、蛍光タンパク質の吸収および／または発光帯に適合したプラズモン吸収ピークを有する、金のロッドなどの構成または操作されるナノ粒子が、細胞４４２内からのレーザ光を生成するために使用されてもよい。そのようなナノ粒子は、ポンプ光およびレージング光のキャビティのためのアンテナとして機能し得る。図６Ｄは、本開示の特定の例示的な実施形態に係る、細胞におけるマイクロスケールのタンパク質細胞ナノレーザの図を示す。特に、例示的なナノ粒子４４１またはレーザが細胞４４２内に提供され得る。例えば、金属のナノ粒子が、ポンプ光のためのアンテナ４４３として作用し、プラズモンレージングキャビティを形成し得る。
【００５６】
このような細胞内レージングまたは単一細胞レージングは、画像化、検出、薬物スクリーニング、または細胞生物学を含む種々の適用に有用であり得る。画像化およびサイトメトリーに使用される蛍光チャネルの数は、蛍光放射の広範なスペクトル幅、典型的には約５０〜１００ｎｍにより制限され得る。線幅はレーザ発光においてサブナノメートルまで減少し得る。発光の中心波長はキャビティの共鳴により調節され得る。この特徴は、より正確な高スループット測定について１００個のチャネルより有益であり得る。
【００５７】
生物学的構造に基づいた例示的なレーザ
本発明に係る１つの例示的な実施形態において、生物において形成されるフォトニック構造がレーザの共振器として使用されてもよい。１つの例において、特に構造色による色のついた羽を有するそれらの種のチョウの羽、またはそのような羽の部分が使用されてもよい。羽またはその部分は、限定されないが、以前の実施形態に記載された材料を含む、蛍光タンパク質、蛍光ポリマー、または色素レーザを含有する溶液に浸され得る。蛍光材料はまた、噴霧析出、インクジェットまたは当該分野において公知の他の適切な手順により適用されてもよい。蛍光材料はまた、少なくとも部分的に、レーザ共振器および利得媒質の両方が生物により形成される状況を生じる、生物において発現され得る蛍光タンパク質を含んでもよい。次いで羽またはその部分は、例えば、本明細書の例示的な実施形態に記載されているようなパルス光源を用いて、存在する蛍光材料により吸収される波長を有する光により励起され得る。
【００５８】
例示的な増幅器および増幅された自然放出源
例えば、励起された生体利得媒質が、電磁放射線の大きさを増幅させるために使用されてもよい。本開示の特定の例示的な実施形態に係る、生体利得媒質における誘導放出による電磁放射線の増幅の図を提供する図７Ａに示す例示的な図において、反転分布がポンピング構成５２０により生体利得媒質５１０において達成され得る。励起された生体利得媒質５１０は入力電磁放射線５３０を受信し、出力電磁放射線５４０を生成できる。出力放射線５４０の大きさは入力放射線５３０のものより大きい。このような生物学的増幅器の特定の例示的な適用が実施されてもよい。例えば、このような増幅器は、集積光回路または光流体（ｏｐｔｏ−ｆｌｕｉｄｉｃ）デバイスにおける光信号を増幅させるため、また、組織内の蛍光または非弾性散乱信号を上昇させるために使用されてもよい。反転分布が達成される場合および／または利得が１つより多い場合、利得媒質は、入力電磁放射線の非存在下でさえ十分な大きさで出力電磁放射線を生成し得る。１つのこのような現象は増幅自然放出（ＡＳＥ）として知られている。
【００５９】
図７Ｂは、本開示の特定の例示的な実施形態に係る、図７Ａの生体利得媒質からの増幅自然放出光の生成の図を示す。図７Ｂの例示的な実施形態によれば、シード光子が蛍光などの自然放出により利得媒質５１０内で生成され得る。一旦生成されると、発光は、利得媒質を介して伝搬し得、誘導放出プロセスによる利得媒質により増幅が得られ、自然放出シードより実質的に高い大きさで出力光５５０が生じる。ＡＳＥ光のスペクトルはシード光のものより狭くなり得る。
【００６０】
上述は本開示の原理を単に例示しただけである。記載された実施形態に対する種々の修飾および代替は本明細書の教示を鑑みて当業者に明らかとなるだろう。例えば、記載された例示的な構成、放射線および／またはシステムの１つより多くが、本開示の例示的な実施形態を実施するために与えられてもよい。従って、当業者は、本明細書に明確に示されるか、または記載されていないが、本開示の原理を実現する多くのシステム、構成および方法を考案でき、従って、それらは本開示の精神および範囲内にあることが理解されるだろう。加えて、従来技術の知識が本明細書上記に参照として明確に組み込まれていない限り、その全体は本明細書に明確に組み込まれる。
【図１Ａ】
0006033217.tif 000002
【図１Ｂ】
0006033217.tif 000003
【図１Ｃ】
0006033217.tif 000004
【図１Ｄ】
0006033217.tif 000005
【図１Ｅ】
0006033217.tif 000006
【図２Ａ】
0006033217.tif 000007
【図２Ｂ】
0006033217.tif 000008
【図２Ｃ】
0006033217.tif 000009
【図３Ａ】
0006033217.tif 000010
【図３Ｂ】
0006033217.tif 000011
【図３Ｃ】
0006033217.tif 000012
【図４Ａ】
0006033217.tif 000013
【図４Ｂ】
0006033217.tif 000014
【図４Ｃ】
0006033217.tif 000015
【図４Ｄ】
0006033217.tif 000016
【図５Ａ】
0006033217.tif 000017
【図５Ｂ】
0006033217.tif 000018
【図５Ｃ】
0006033217.tif 000019
【図５Ｄ】
0006033217.tif 000020
【図６Ａ】
0006033217.tif 000021
【図６Ｂ】
0006033217.tif 000022
【図６Ｃ】
0006033217.tif 000023
【図６Ｄ】
0006033217.tif 000024
【図６Ｅ】
0006033217.tif 000025
【図６Ｆ】
0006033217.tif 000026
【図７Ａ】
0006033217.tif 000027
【図７Ｂ】
0006033217.tif 000028