(57)【要約】複数のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置およびその複数のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を用いる複数の光トラップ方法は、基板の上方で、上記流体チャネル内に配置され、フォトニック結晶共振器と結合（すなわち、離間して結合または一体に結合のいずれか）されたフォトニック導波路を含む。特別の実施形態では、フォトニック導波路とフォトニック結晶共振器は、如何なる化学的機能化をも欠いて、単結晶シリコン（または他の）フォトニック材料を含む。別の特別の実施形態では、フォトニック導波路とフォトニック結晶共振器は、窒化シリコン材料を含む。それは、１０６４ナノメートルの共振フォトニック輻射波長（または、約７００ナノメートルから約１２００ナノメートルまでの範囲内における他の共振フォトニック輻射波長）でフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を作動させるとき、フォトニック結晶共振器・光トラップ装置によって解析される水性試料流体の感知可能な加熱を与えない。
2013541736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光トラップ装置であって、
基板の上方に配置されたフォトニック導波路と、
上記基板の上方に配置され、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、
上記フォトニック結晶共振器は、このフォトニック結晶共振器内に配置された複数の周期的構造を含み、このフォトニック結晶共振器の化学的機能化を欠いている光トラップ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器と離間して結合されていることを特徴とする光トラップ装置。
。
【請求項３】
請求項１に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器と一体に結合されていることを特徴とする光トラップ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約２００ナノメートルから約５００ナノメートルまでの厚さを有し、
上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約２００ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの線幅を有することを特徴とする光トラップ装置。
【請求項５】
請求項２に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器から、約５０ナノメートルから約４００ナノメートルまでの分離距離で離間されていることを特徴とする光トラップ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、単結晶シリコン材料を含むことを特徴とする光トラップ装置。
【請求項７】
光トラップ装置であって、
基板の上方に配置されたフォトニック導波路と、
上記基板の上方に配置され、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、
上記フォトニック結晶共振器は、このフォトニック結晶共振器内に配置され、かつこの光トラップ装置で使用される試料流体によって吸収されない共振波長を有するフォトニック材料を含んでいる光トラップ装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光トラップ装置において、
上記試料流体は水を含み、
上記フォトニック材料は窒化シリコンを含み、
上記共振波長は約７００ナノメートルから約１２００ナノメートルまでであることを特徴とする光トラップ装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光トラップ装置において、
上記共振波長は約１０６４ナノメートルであることを特徴とする光トラップ装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路は、約５０ナノメートルから約４００ナノメートルまでの分離距離で、上記フォトニック結晶共振器と離間して結合されていることを特徴とする光トラップ装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器と一体に結合されていることを特徴とする光トラップ装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の光トラップ装置において、
上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約２００ナノメートルから約５００ナノメートルまでの厚さを有し、
上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約２００ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの線幅を有することを特徴とする光トラップ装置。
【請求項１３】
光トラップ方法であって、
光トラップ装置を設け、
その光トラップ装置は、
基板の上方に配置された流体チャネルと、
上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されたフォトニック導波路と、
上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されると共に、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、このフォトニック結晶共振器の化学的機能化を欠いており、
上記流体チャネル中に粒子含有流体を導入し、
上記フォトニック導波路中に共振フォトニック輻射を導入して、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器との少なくとも一方で、上記粒子含有流体から粒子をトラップすることによって、上記光トラップ装置を作動させる光トラップ方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光トラップ方法において、
上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、単結晶シリコン材料を含み、
上記共振フォトニック輻射は、約１５５０ナノメートルの波長を有することを特徴とする光トラップ方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、上記フォトニック導波路に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、上記フォトニック結晶共振器に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、上記フォトニック結晶共振器と上記フォトニック結晶共振器との両方に順次粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項１８】
光トラップ方法であって、
光トラップ装置を設け、
その光トラップ装置は、
基板の上方に配置された流体チャネルと、
上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置された窒化シリコンフォトニック導波路と、
上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されると共に、上記フォトニック導波路と結合された窒化シリコンフォトニック結晶共振器とを備え、
上記流体チャネル中に粒子含有流体を導入し、
上記フォトニック導波路中に共振フォトニック輻射を導入して、上記粒子含有流体を感知可能には加熱することなく、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器との少なくとも一方で、上記粒子含有流体から粒子をトラップすることによって、上記光トラップ装置を作動させる光トラップ方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、約７００ナノメートルから約１２００ナノメートルまでの波長にある上記共振フォトニック輻射を用いることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、約１０６４ナノメートルの波長にある上記共振フォトニック輻射を用いることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、上記フォトニック導波路に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、上記フォトニック結晶共振器に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の光トラップ方法において、
上記作動は、上記フォトニック結晶共振器と上記フォトニック結晶共振器とに順次粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。
【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１０月８日に提出され、かつ、ナノマニピュレーション装置、方法および用途（Nanomanipulation Apparatus, Methods and Applications）と題された仮特許出願Ｎｏ．６１／３９１１９３に関連し、それから優先権を導いている。その内容は参照により本明細書に完全に組み込まれる。
【０００２】
（政府権益の声明）
本明細書に記載された仕事は、（１）国立衛生研究所（National Institutes of Health）のプロジェクトＩＤ  １Ｒ２１ＥＢ００９２０２の下で、および、（２）エネルギ省（Department of Energy）の助成金Ｎｏ．Ｗ９１１ＮＦ−０７−１−０４５４の下で、資金供給された。米国政府は、本明細書においてクレームされる主題事項について一定の権利を有する。
【０００３】
実施形態は、一般にナノ粒子の光トラップマニピュレーション関する。より具体的には、実施形態は、ナノ粒子の効率的な光トラップマニピュレーションに関する。
【背景技術】
【０００４】
ナノ粒子および小分子マニピュレーションは、薬物設計、分子診断、病気診断および環境サンプリングを含む（しかし、それに限定されない）多様な分野で関わりがある、調査と技術の発展している分野である。
【０００５】
ナノ粒子および小分子マニピュレーションは、それ自体、調査と技術の発展する分野であり、ナノ粒子および小分子ナノマニピュレーションの潜在的な用途も発展し続けていることから、ナノ粒子および小分子ナノマニピュレーション装置および方法の効率的な運用を提供する、追加のナノ粒子と小分子マニピュレーション装置および方法が望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
実施形態は、フォトニック結晶共振器・光トラップ装置、および、上記フォトニック結晶共振器・光トラップ装置を使用しながら、ナノ粒子および小分子の光トラップのための方法を含む。実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、フォトニック結晶共振器を提供する幾つかの周期的なナノ構造（すなわち、典型的に、限定するものではなく、誘電体または金属−誘電体ナノ構造体）のいずれかを含む、幾つかのフォトニック結晶材料のいずれかを含むことができる。さらに、実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、離間して結合されたフォトニック導波路（すなわち、フォトニック導波路とフォトニック結晶共振器が分離距離によって離間されている）、またはそれに代えて、一体的に結合されたフォトニック導波路（すなわち、フォトニック結晶共振器に対して、フォトニック導波路の分離距離を有しない一体的に結合されたフォトニック導波路）を含んでもよい。
【０００７】
第１の特定の実施形態では、フォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、シリコンフォトニック導波路とシリコンフォトニック結晶共振器とを含み、それらは各々化学的機能化を欠いている。第２の特定の実施形態では、フォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、窒化シリコン一体形フォトニック導波路と窒化シリコン一体形フォトニック結晶共振器とを含み、それらは、水溶液内で、その水溶液を感知可能に加熱することなしに、光トラップをもたらす。その理由は、窒化シリコンフォトニック導波路と窒化シリコンフォトニック結晶共振器とは、約１５５０ナノメートルの波長（通常、シリコンフォトニック導波路とシリコンフォトニック結晶共振器で使用され、水溶液をかなり加熱する。）でよりもむしろ、約１０６４ナノメートルの波長（または、それに代えて、約７００ナノメートルから約１２００ナノメートルまでの範囲内、より好ましくは、約７５０ナノメートルから約８５０ナノメートルまでの範囲内、または、それに代えて、より好ましくは、約９６０ナノメートルから約１０７０ナノメートルまでの範囲内。上記のより好ましい範囲は、水による輻射の吸収と生体細胞の光損傷との両方を考慮している。）での光輻射を伝送するのに用いられるからである。
【０００８】
実施形態による特定の光トラップ装置は、基板の上方に配置されたフォトニック導波路を含む。また、この特定の光トラップ装置は、基板上に配置され、上記フォトニック結晶共振器と結合されたフォトニック結晶共振器を含む。上記フォトニック結晶共振器は、このフォトニック結晶共振器内に配置された複数の周期的構造を含み、このフォトニック結晶共振器の化学的機能化を欠いている。
【０００９】
実施形態による別の特定の光学トラップ装置は、基板上に配置されたフォトニック導波路を含む。また、この他の特定の光トラップ装置は、基板上に配置され、上記フォトニック結晶共振器と結合されたフォトニック結晶共振器を含む。上記フォトニック結晶共振器は、このフォトニック結晶共振器内に配置された複数の周期的構造を含み、この光トラップ装置で使用される試料流体によって吸収されない共振波長を有するフォトニック材料を含む。
【００１０】
実施形態による特定の光トラップ方法は、次の要素を含む光トラップ装置を設ける。
（１）基板の上方に配置された流体チャネルと、
（２）上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されたフォトニック導波路と、
（３）上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されると共に、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、このフォトニック結晶共振器の化学的機能化を欠いているもの。
また、この特定の方法は、上記流体チャネル中に粒子含有流体を導入することを含む。また、この特定の方法は、上記フォトニック導波路中に共振フォトニック輻射を導入して、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器との少なくとも一方で、上記粒子含有流体から粒子をトラップすることによって、上記光トラップ装置を作動させることを含む。
【００１１】
実施形態による別の特定の光トラップ方法は、次の要素を含む光トラップ装置を設ける。
（１）基板の上方に配置された流体チャネルと、
（２）上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置された窒化シリコンフォトニック導波路と、
（３）上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されると共に、上記フォトニック導波路と結合された窒化シリコンフォトニック結晶共振器とを備えたもの。
この特定の光トラップ方法は、上記流体チャネル中に粒子含有流体を導入することを含む。上記フォトニック導波路中に共振フォトニック輻射を導入して、上記粒子含有流体を感知可能には加熱することなく、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器との少なくとも一方で、上記粒子含有流体から粒子をトラップすることによって、上記光トラップ装置を作動させることを含む。
【００１２】
本開示内では、特に添付の特許請求の範囲内では、第２の層又は構造に対する第１の層又は構造の配置および位置決めに関する用語「上方（over）」の使用は、上記層又は構造の一方が上記層又は構造の他方よりも上にある（すなわち、平行なベース平面としての基板に対して）が、必ずしも上記層又は構造の他方と接触していない、ということを意味することが意図されている。対照的に、第２の層又は構造に対する第１の層又は構造の配置および位置決めに関する用語「上（upon）」の使用は、特定の層又は構造の間の特定の重なる関係だけでなく、指定された第１の層又は構造と第２の層又は構造との間の接触をも意味することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
実施形態の目的、特徴および利点は、以下に記載される実施形態の詳細な説明の文脈の中で理解される。実施形態の詳細な説明は、本開示の実体部分を形成する添付図面の関連で理解される。
【図１】（１）第１実施形態による、基板の上方に配置され、離間して結合されたシリコンフォトニック導波路とシリコンフォトニック結晶共振器とを含む共振光トラップ装置の概略斜視図、および、（２）第１実施形態により離間して結合されたシリコンフォトニック導波路とシリコンフォトニック結晶共振器とを含む共振光トラップ装置の光場動作の３次元シミュレーションを示す図である。
【図２】第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。
【図３】第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置上のナノ粒子のトラップおよびリリースの、進行するプロセスステップの結果を示す図である。
【図４】第１実施形態による、（１）フォトニック結晶共振器上への粒子トラップとフォトニック導波路上へのリリース、（２）フォトニック結晶共振器上への粒子トラップと流体流へのリリース、を示す一連の平面図である。
【図５】第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置内での、トラップ力の数値解析に関連した、Ｘ、ＹおよびＺ方向におけるトラップ力対Ｘ、ＹおよびＺ方向における粒子位置（すなわち、図５ａ、図５ｂおよび図５ｃ）、および、粒子サイズの関数としてのＺ方向におけるトラップ力（すなわち、図５ｄ）の、一連のグラフである。
【図６】第１実施形態による、ブラウン運動の抑制とトラップされたナノ粒子についてのトラップ剛性決定に関連した、一連の画像（すなわち、図６ａにブラウン運動像、図６ｂにパワー対時間のグラフ（すなわち、粒子のリリースを示す）、図６ｃおよび図６ｄにヒストグラム（トラップ剛性を評価するための）を示す図である。
【図７】第１実施形態による、ナノ粒子についてのブラウン運動の抑制とトラップ剛性決定に関連した、ＸまたはＹ方向におけるトラップ力対位置の一対のグラフを示す図である。
【図８】第２実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の、一連の概略平面図および斜視図である。
【図９】第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器上への、蛍光ポリマーナノ粒子のトラップを示す一連の画像を示す図である。
【図１０】第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器上への、量子ドットとウィルソン病タンパク質のトラップを示す一連の画像を示す図である。
【図１１】第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた２２ナノメートルのポリスチレンポリマーナノ粒子のブラウン運動に関連した、カウント（計数）対Ｘ変位（図１１ａ）およびＹ変位（図１１ｂ）のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
非限定的な例示的実施形態は、同時に共振フォトニック結晶内の光トラップ場の増幅のせいでトラップ剛性を向上させつつ、強化された３次元の光場勾配を生成することができる或るクラスのフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を提供する。これにより、高度な粒子ハンドリングと光トラップナノマニピュレーションの機能性を可能にする。本実施形態による特定のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、単結晶シリコン材料から、または、その代わりに窒化シリコン材料（それは、一般的には単結晶若しくは多結晶ではなく、むしろ一般的にはアモルファスである。）から製造される。他の材料は、実例となる非限定的なフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を製造するために排除されない。
【００１５】
本実施形態による特定のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、結合されたフォトニック導波路（すなわち、離間して結合されたフォトニック導波路または一体的に結合されたフォトニック導波路のいずれか）か又はフォトニック結晶共振器のいずれかの化学的機能化を使用するのではなく、むしろ、化学的機能化なしに、結合されたフォトニック導波路又はフォトニック結晶共振器の少なくとも一方の物理的な近接場光トラップ特性に頼る。本実施形態による更なる特定のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、フォトニック導波路およびフォトニック結晶共振器の構造の材料の選択を提供して、そのフォトニック結晶共振器・光トラップ装置によって分析され得る流体によって感知可能には吸収されない或る波長での光共振を提供する。その結果、そのフォトニック結晶共振器・光トラップ装置によって分析されたとき、そのフォトニック結晶共振器・光トラップ装置によって分析され得るその流体が、感知可能には加熱されない（すなわち、約１℃未満の温度上昇になる）。
【００１６】
Ｉ．単結晶シリコン材料から製造された、離間して結合されたフォトニック導波路に基づくフォトニック結晶共振器・光トラップ装置
図１ａに示すように、第１実施形態による特定のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、シリコン基板（その上面は、シリコン・オン・インシュレータ基板内に埋め込まれた酸化物層を含んでいる。）上に配置および形成され、単一モードシリコンバスフォトニック導波路にエバネッセント結合された１次元シリコンフォトニック結晶共振器を含んでいる。その共振光トラップ装置の上記シリコンフォトニック結晶共振器内の共振光場の定在波の性質は、３次元の全てにおける強力なフィールド（場）閉込めで真の静点トラップを可能にする。
【００１７】
第１実施形態による典型的なフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像は、図２に示されている。このようなフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の製造プロセスは、以下にさらに詳細に説明される。一般に、単一モードシリコンバスフォトニック導波路と１次元シリコンフォトニック結晶共振器の各々は、シリコン・オン・インシュレータ基板内の表面シリコン層からパターン加工され、約２００ナノメートルから約５００ナノメートルまでの厚さ、約２００ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの線幅、および、約５０ナノメートから約４００ナノメートルまでの分離距離を有している。また、１次元シリコンフォトニック結晶共振器は、約２ミクロンから約１０ミクロンまでの長さを有し、その１次元シリコンフォトニック結晶共振器の上面を貫通して配置および形成された約６から約３０までの開口部（即ち、フォトニック結晶共振器を提供する周期的構造、典型的には穴を備える。）を含んでいる。上記開口部は、典型的には、約５０ナノメートルから約４００ナノメートルまでの直径を持ち、均一に寸法設定されるか、可変して寸法設定されるかのどちらかである。約１０ナノメートルから約１００ナノメートルまでのより小さく寸法設定された開口部または穴が、残りの開口部に対して中央に配置されるのが有利である。
【００１８】
共振波長にある光（すなわち、フォトニック放射）がシリコンバスフォトニック導波路の中へ結合されると、図１ｂ（そこでは、矢印は、局所的な光力の方向と大きさを示している。）に示すように、静止した干渉パターンがシリコンフォトニック結晶共振器内に形成されて、非常に小さい体積に光場のタイトな閉込めをもたらす。シリコンフォトニック結晶共振器内の光場の共振増幅と相まって、これらの強力な場勾配は、サイズで５０ｎｍから５００ｎｍまでの範囲のナノ粒子の安定したトラップを可能にする。
【００１９】
図３は、第１実施形態による単結晶シリコン系のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置に関して、６２ｎｍのポリスチレンナノ粒子（屈折率ｎ＝１．５９）のトラップおよびリリースを示す一連の蛍光顕微鏡画像を示している。なお、上述した６２ｎｍのポリスチレンナノ粒子は、代替の固定アプローチを用いてもっともらしくトラップされ得る粒子のサイズ限界よりも概ね十分に下であることが注記される。図３の画像に関して、波長可変赤外線レーザが、１５４８．１５ｎｍの共振波長にあるＴＥ偏光を、レンズ付き光ファイバを用いて、シリコン結晶バスフォトニック導波路の入力端に結合するのに用いられた。シリコン結晶バスフォトニック導波路出口での出力パワーは１．７ｍＷであると測定された。上記実験の関連で、マイクロ流体流は、粒子を、チャネルに沿ってシリコンフォトニック結晶共振器へ向かって、対流によって移動させる。候補粒子がシリコンフォトニック結晶共振器の表面と共振光場ローブに接近して通過すれば、その候補粒子は強力な局所的場勾配のせいで引き抜く力（tweezing force）を受け、その結果、シリコンフォトニック結晶共振器の表面にトラップされる。続いて、トラップされた粒子は、レーザパワーをオフにすることによってリリースされる（上記６２ｎｍの場合の図３に示されているように）。また、トラップされた粒子は、入力波長を共振波長から離調することによって、または、ＴＥからＴＭへ光の偏光を切り替えることによってのどちらかで、リリースされ得る。
【００２０】
少なくともこの第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の設計の興味深い側面は、シリコン（または、可能な他のフォトニック材料）バスフォトニック導波路内での導波光モードが、その表面に沿ってナノ粒子の同時的なトラップと推進（propulsion）を可能にする前方への運動量（momentum）を持っているということである。これとは対照的に、共振では、シリコンフォトニック結晶共振器内の場は、伝搬成分なしで、タイトにトラップされた定在波で構成されている。したがって、マイクロ流体流を調整し、シリコンバスフォトニック導波路と１次元シリコンフォトニック結晶共振器内で、上記光場のこの対照的な性質を活用するとによって、粒子マニピュレーションを実行するための新技術が実証され得る。
【００２１】
図４は、第１実施形態によるフォトニック結晶共振器の光トラップ装置を使用しながら、５００ｎｍのポリスチレンマイクロ球のトラップとマニピュレーションを実証する、一連の経時的な蛍光顕微鏡画像を示している。図４の１番上のパネル（すなわち、図４ａ）では、マイクロ流体チャネル内の流れは左から右へである。５００ｎｍのポリスチレンマイクロ球は、導波光モードのエバネッセント場によってトラップされ、シリコンバスフォトニック導波路に沿って搬送される。入力光は、最初に共振波長に同調される。結果として、或る粒子が、シリコンバスフォトニック導波路に沿って移動し、シリコンフォトニック結晶共振器に近づくと、その粒子は、シリコンフォトニック結晶共振器の中心へ向かって横方向の引き抜く力を受ける。シリコンフォトニック結晶共振器中の場増幅およびシリコンフォトニック結晶共振器内の強い場勾配のせいで、粒子が受ける横方向の引き抜く力は、シリコンバスフォトニック導波路によって及ぼされるトラップ力よりはるかに強い。このことは、粒子がシリコンバスフォトニック導波路からシリコンフォトニック結晶共振器の中央へホッピングする結果を招く。一旦トラップされたら、その粒子は、シリコンフォトニック結晶共振器上に静止して保持される。その粒子をシリコンバスフォトニック導波路上へリリースして戻すために、シリコンバスフォトニック導波路の入力波長は共振波長から離調され得る。このことは、シリコンフォトニック結晶共振器トラップから粒子をリリースし、粒子は、シリコンバスフォトニック導波路へ向かって、流体流で対流によって移動される。上記シリコンバスフォトニック導波路は、波長選択的ではないので、共振から外れた導波光モードのエバネッセント場は、上記粒子が上記シリコンバスフォトニック導波路の表面の上方を通過するとき、上記粒子を再トラップする。上記粒子が上記シリコンバスフォトニック導波路上にトラップされると、続いて、上記粒子は更に上記シリコンバスフォトニック導波路に沿って搬送される。マイクロチャネル内の流体流の方向が反転された場合（図４ｂ）、入力レーザが共振から外されると、シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた粒子は、流体流中へ排斥され得る。
【００２２】
第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置内における３次元全てで、最大トラップ力とともにトラップ剛性を特徴付けるために、市販のソフトウェアパッケージ（ＣＯＭＳＯＬ）を用いて、詳細な３次元有限要素数値解析が行われてきた。共振時の電磁界分布について解きながら、シリコンフォトニック結晶共振器と流体チャネル内の周囲の水媒体の材料特性が考慮に入れられた。或る粒子に及ぼされる力を決定するために、その粒子を囲む仮想の球面が構築され、この表面上の電磁場が計算された。時間非依存のマクスウェル応力テンソルを評価し、粒子を囲む閉曲面上でそれを積分することによって、人は様々な方向でのトラップ力を得ることができる。
【００２３】
図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、入力光トラップパワー１Ｗで、安定したトラップ位置から３次元全てに変位される１００ｎｍのポリスチレンマイクロ球についての、トラップ力プロファイルを示している。人は、上記１００ｎｍ粒子についての最大トラップ力がＺ方向に７００ｐＮ（図５（ｃ）に示すように、シリコンフォトニック結晶共振器の表面から２５ｎｍで評価された。）であることを観察することができる。粒子がシリコンフォトニック結晶共振器の表面に対して２５ｎｍより近いと、マクスウェルの応力テンソルの粒子の周りの表面での必要な配置は、数値的メッシュ制限とともに、力の計算を妨げた。光トラップの質に関連する一般的な性能指数（figure of merit）は、指定された粒子サイズについてのトラップ剛性である。図５のグラフから、人は、１００ｎｍのポリスチレンマイクロ球について、１．９６ｐＮｎｍ−１Ｗ−１の径方向トラップ剛性（ＸＹ面内）に対応して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に沿ってそれぞれ４．８１ｐＮｎｍ−１Ｗ−１、３．３０ｐＮｎｍ−１Ｗ−１および８．５３ｐＮｎｍ−１Ｗ−１のトラップ剛性を評価することができる。
【００２４】
Ｘ，Ｙ軸におけるトラップ剛性についての実験値を取得し、それらを理論的推定値と比較するために、トラップされた２００ｎｍ粒子についての抑圧されたブラウン運動が検討された。上記ナノ粒子とシリコンフォトニック結晶共振器の表面との間の静止摩擦を最小化するために、トリトン（Triton）Ｘ−１００（１％）が界面活性剤として使用された。図６ａは、導波路の出力で測定された出力パワーが１４０μＷであったときの、２００ｎｍ粒子の位置軌跡の散布図を示している。その散布図は、シリコンフォトニック結晶共振器（スケール）内の場分布の上に重畳されている。このような低い光パワーでは、トラップが弱く、共振光場の２つの中央ローブの間で粒子がホップすることが明らかである。
また、人は、粒子が、短い継続時間の間、サイドローブにあるより弱いトラップへホップすることを観察することができる。導導波路の出力で測定されたパワーが１７５μＷになるまでパワーが上昇されると、トラップの強度が増加し、粒子が単一のサイトに安定してトラップされたままで留まることが観察される。図６ｃおよび図６ｄは、トラップされた２００ｎｍ粒子の変位についてのヒストグラムを示し、それらの各々がガウス分布を示している。これらのプロットから、人は、一方は２．８６ｐＮｎｍ−１Ｗ−１の径方向トラップ剛性を決定することができる。それは、２００ｎｍ粒子についての５．３８ｐＮｎｍ−１Ｗ−１という数値予測よりやや低い（下記の追加情報を参照）。実験的に観測されたトラップ剛性が数値予測と合理的に良く一致していることから、人は、粒子とフォトニック結晶共振器の表面との間の表面相互作用がトラップの特性を支配していないことを推論することができる。一般的に、人はより大きな粒子についてより高いトラップ剛性を観察するかも知れない。より大きな粒子は、光トラップ場のより大きな部分によって影響されるからである。
【００２５】
第１実施形態による共振光トラップ装置についての推定トラップ剛性は、スロット導波路のそれよりも１桁高く（１００ｎｍ粒子について０．２ｐＮｎｍ−１Ｗ−１；ヤン（Yang）ら、ネイチャー（Nature）２００９年、４５７、７１−７５９参照。）、プラズモンピンセット（plasmonic tweezer）（２００ｎｍビーズについて０．０１３ｐＮｎｍ−１Ｗ−１；グリゴレンコ（Grigorenko）ら、ネイチャー・フォトニクス（Nat. Photonics）、２００８年、２、３６５−３７０参照。）、従来の高ＮＡ光ピンセット（５００ｎｍビーズについて０．１６ｐＮｎｍ−１Ｗ−１；ノイマン（Neuman）ら、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ（Rev. Sci. Instrum.）、２００４年、７５、２７８７−２８０９参照。）、およびフレネルゾーンプレート光ピンセット（２μｍビーズについて０．１ｐＮｎｍ−１Ｗ−１；ションブルン（Schonbrun）ら、アプライド・フィジクス・レターズ（Appl. Phys. Lett.）、２００８年、９２、０７１１１２−３参照。）のような他の最近の光トラップ技術より数桁高い。トラップ剛性の粒子サイズへの依存性のせいで、これらの異なるトラップ技術の間で明確な比較をすることは困難であるが、少なくともこの第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置内のトラップ剛性が、最先端を少なくとも１桁だけ超えていることは、明らかである。
【００２６】
トラップされた粒子の存在は、シリコンフォトニック結晶共振器の共振波長に少量だけ影響を与える。従って、トラップ粒子がトラップから脱出するとき、共振波長における僅かなシフトを引き起こす。それは、結合されたフォトニック導波路からの出力パワーにおける離散ジャンプとして現れる。図６ｂに示すように、結合されたフォトニック導波路の出力端でレーザパワーを監視することによって、光学トラップからの粒子のリリースを推測することができる。この効果はより大きなナノ粒子の場合にはより顕著であることを注記することが重要である。ナノ粒子の大きさが減少するにつれて、共振波長における誘起されたシフトも減少する。
【００２７】
Ａ．実験の詳細
上記第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップデバイスおよび装置は、２５０ｎｍのデバイス層厚を有するシリコン・オン・インシュレータウェハから製造された。ＸＲ−１５４１電子ビームレジスト（ＨＳＱ、ダウ・コーニング社（Dow-Corning Corporation））が上記ウェハ上にスピンされ、上記デバイスはライカ（Leica）ＶＢ６−ＨＲ電子ビームリソグラフィ装置を用いてパターン加工された。
【００２８】
これらの装置の製造手順に関する詳細は、ほぼ従来のものであるが、しかし、特にナノテーパクラッド（nanotaper cladding）として、電子ビーム蒸着されたシリコン酸化物の使用を含む。波長可変赤外レーザは、これらの光トラップの実験を行うのに十分な光パワーを生成するために、エルビウムドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を介して、テーパが施されたファイバレンズに連結された。５０ｎｍから５００ｎｍまでの範囲内の直径と屈折率１．５９を有する蛍光ポリスチレンナノ粒子（デューク・サイエンティフィック（Duke Scientific））は１００ｍＭリン酸緩衝液中に混合された。１％トリトンＸ−１００界面活性剤が、ポリスチレンナノ粒子とマイクロ流体チャネル表面（チップの基板も同様）との間の粘着性や静止摩擦の問題を最小限に抑えるために、添加された。ＰＤＭＳマイクロ流体チャネルは、１５秒間のプラズマ処理後にチップに接着された。チャネルは幅１２０μｍ、高さ５μｍだった。シリンジポンプがマイクロ流体チャネル内の流体流を制御するために使用された。粒子の位置とブラウン運動の測定は、ビデオスポット追跡（Video Spot Tracker）ソフトウェアパッケージを用いて行われた。
【００２９】
Ｂ．抑圧されたブラウン運動およびトラップ剛性の測定
上記の開示によれば、第１実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の径方向トラップ剛性が、シリコンバスフォトニック導波路の出力におけるパワーが１７５μＷであると測定された時に、トラップされた２００ｎｍポリスチレンナノ粒子の抑圧されたブラウン運動を解析することによって評価された。剛性（ばね定数）ｋｘをもつ調和ポテンシャル内にある粒子について、等分配の原理は、
2013541736.tif 000003
ここで、ｋｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、［ｘ２］はトラップされた粒子の位置の分散である。粒子の瞬時位置を測定することにより、光トラップの剛性を決定することが可能である。しかし、ビデオカメラなどの検出システムは、粒子の瞬時位置を測定しない。その代わりに、それらは、デバイスの有限な積分時間Ｗのせいで測定にバイアスを導入する。ウォン（Wong）ら、オプティクス・エクスプレス（Opt. Express）、２００６年、１４、１２５１７−１２５３１は、ビデオ画像のモーションブラー（motion blur）のせいで測定に導入されるこれらの体系的なバイアスを説明する新規な方法を実証するために、詳細な実験と理論解析を行った。真の分散ｖａｒ(Ｘ)と測定された分散ｖａｒ(Ｘｍｅａｓ)とは、
ｖａｒ(Ｘｍｅａｓ)＝ｖａｒ(Ｘ)Ｓ(α)  （２）
によって関連付けられている。ここで、Ｓ(α)はモーションブラー訂正関数である。αはＷｋｘ／２πγで与えられ、γはストークス（Stokes）の抗力係数、Ｗは５１．１７ｍｓである。式（１）および式（２）を組み合わせることによって、人は、
ｖａｒ(Ｘｍａｘ)＝［（ｋｂＴ）Ｗ／２πγ］［Ｓ(α)／(α)］  （３）
を取得することができる。
【００３０】
式（３）は、図６ｃおよび図６ｄから決定されるｖａｒ(Ｘｍｅａｓ)とｖａｒ(Ｙｍｅａｓ)とについての値を用いて、αについて数値的に解くことができる。したがって、人は、Ｘ軸、Ｙ軸に沿ってトラップ剛性値をそれぞれ３．７３×１０−３ｐＮ／ｎｍ、３．５０×１０−３ｐＮ／ｎｍと得ることができる。また、人は、Ｘ軸、Ｙ軸に沿ってブラウン運動の真の標準偏差をそれぞれ３３．２ｎｍ、３４．３ｎｍと決定することができる。
【００３１】
フォトニック結晶共振器についての共振出力スペクトルが記録された。非共振波長についての出力パワーに対する共振波長での出力パワーの比は０．４４であると決定された。また、ＨＳＱ／ＸＲ−１５４１（ダウ・コーニング社）を使用して製造されるシリコン結晶バスフォトニック導波路は、典型的には２ｄＢ／ｃｍ程度の伝搬損失を示す。これらの事情を踏まえて、人は、シリコン結晶バスフォトニック導波路における対応する入力パワーを６３０．４μＷであると評価することができる。したがって、上記第１実施形態による共振光トラップ装置についてのパワー正規化された剛性は、Ｘ軸、Ｙ軸に沿ってそれぞれ５．９０ｐＮｎｍ−１Ｗ−１、５．５５ｐＮｎｍ−１Ｗ−１であると決定される。こうして、２．８６ｐＮｎｍ−１Ｗ−１という最終的な径方向トラップ剛性が得られる。
【００３２】
詳細な３次元有限要素数値解析を行うことにより、人は、１５．８５ｐＮｎｍ−１Ｗ−１（Ｘ軸）、８．１４ｐＮｎｍ−１Ｗ−１（Ｙ軸）という理論的なトラップ剛性値を取得することができる。これは、５．３８ｐＮｎｍ−１Ｗ−１という正味の径方向トラップ剛性をもたらす。これらの計算の結果は、図７ａおよび図７ｂに示されている。
【００３３】
図７ａおよび図７ｂ中では、全ての力は、導波路内の入力パワーの１Ｗに正規化されている。図７ａ中では、力が２００ｎｍのトラップされたポリスチレンナノ粒子によって受けられ、その粒子がシリコンフォトニック結晶共振器（Ｘ軸）の長さに沿って変位する。ゼロＸ軸値は、ローブの中心で、安定したトラップ位置に対応する。プロットの線形領域での傾きは、Ｘ軸に沿って１５．８５ｐＮｎｍ−１Ｗ−１のトラップ剛性を示す。図７ｂ中では、２００ｎｍの粒子上の復元力は、シリコンフォトニック結晶共振器の長さに垂直なＹ軸方向に変位する。ゼロＹ軸値は、ローブの中心で、安定したトラップ位置に対応する。プロットの線形領域の傾きは、Ｙ軸に沿って８．１４ｐＮｎｍ−１Ｗ−１のトラップ剛性を示す。
【００３４】
II．窒化シリコンの材料から製造された、一体的に結合されたフォトニック導波路に基づくフォトニック結晶共振器・光トラップ装置
従来の光ピンセットは１０年以上用いられてきたが、集光スポットのサイズが回折によって制限されることから、それらは、概ね、直径が約１００ｎｍよりも大きい誘電体粒子をトラップするのに制限されている。様々な種類の近接場光トラップデバイスの中で、フォトニック結晶共振器は、特にさらに小さいナノ粒子と生体分子をトラップすることが期待されている。それらは、非常に小さな体積にタイトに電界を閉じ込めることができるからである。しかしながら、場勾配を高めるために共振器の設計を最適化することに加えて、小さな生体分子をトラップするためにフォトニック結晶共振器を利用するためには、トラップされた生体分子が通常通りに機能できるようにデバイスの近傍で発生する熱を最小限に抑えること、および、熱的加熱に起因する浮力駆動流と熱泳動がホットスポットへの生体分子の輸送に影響を与えないこと、が重要である。
【００３５】
熱的加熱を低減するために、これまでに実証された殆ど全ての近接場光トラップデバイス（主にシリコンから作られている）は１５５０ｎｍ程度の波長で動作するように設計されているけれども、本実施形態による第２実施形態のフォトニック結晶共振器・光トラップ装置は、フォトニック結晶共振器の動作波長として１０６４ｎｍ（あるいは、約７００ナノメートルから約１２００ナノメートルまでの範囲の波長）を使用する。１５５０ｎｍの光と比較して、この波長の光は、顕著に、水によってあまり吸収されないからである。特に生体分子をトラップするために１０６４ｎｍの光を使用することのもう１つの利点は、生体分子は７５０ｎｍ〜１２００ｎｍ付近のスペクトルにおいて比較的より透明であるということである。そのことは、上述のスペクトル内の光をトラップするために使用されるときに生体分子の光損傷が最小化されることを意味する。一つには動作波長の選択が理由で、第２実施形態によるフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を製造するために、シリコンの代わりに窒化シリコンが使用されている。窒化シリコンは、可視および近赤外スペクトルにおいて透明であり、近接場光トラップ用途に適した光学的および材料特性を有する。
【００３６】
図８ａおよび図８ｂは、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の概略平面図を示している。図１ａおよび図２とは対照的に、窒化シリコン１次元フォトニック結晶共振器は、導波路と一体であり、空洞の両側での少なくとも約５３までの穴（また、わずか約１０の穴）と、空洞の中央での小さな穴とを含むことができる。上記空洞に上記小さな穴を加えることにより、その穴の位置での窒化シリコンフォトニック結晶共振器内での光場強度、および、したがってトラップ剛性は、著しく増加される。他の穴の大きさは、他の従来の設計原理に基づいて調節され得る。上記フォトニック結晶共振器と上記一体のフォトニック導波路は、窒化シリコン（屈折率ｎ＝２．０）からなり、また、上記フォトニック結晶共振器の底部にあるクラッド層と導波管は、二酸化シリコン（屈折率ｎ＝１．４５）からなる。上記穴や上記フォトニック結晶共振器の上部は、典型的な光トラップ実験に使用される水溶液に晒されている。図８ｃは、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器・光トラップ装置のイメージを示しており、その上に、２２ナノメートルのポリスチレンポリマーナノ粒子がトラップされている。最後に、図８ｄは、流体流セルに一体化された窒化シリコンフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を示している。３次元有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）のシミュレーションによれば、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振波長は１０６４ｎｍ程度である。Ｑ値は５０００程度であり、モード体積は４．４（λ／η）３程度である。そのような窒化シリコンフォトニック結晶共振器のＱ値がこれまで実証された他の高Ｑフォトニック結晶共振器に比べて高くないけれども、実験結果は、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器・光トラップ装置が、部分的に伸張されたラムダＤＮＡ分子だけでなく、２２ｎｍポリスチレンポリマー粒子、量子ドットおよびウィルソン病タンパク質をも、効果的にトラップできることを示している。それら全ては従来の光ピンセットを用いて光学的にトラップすることが非常に困難である。なお、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の優れた光トラップ能力は、予想された実験条件下で窒化シリコンフォトニック結晶共振器には熱加熱が殆ど無いという観察に強く関連している、と考えられる。
【００３７】
図９は、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器上の２２ｎｍ蛍光ポリマー粒子のトラップとリリースを図示する一連の蛍光顕微鏡画像を示している。各実験において、シリンジポンプが、カバースリップと製造されたチップとの間にパラフィルムスペーサを配置することによって作製された流れチャンバ内に流れを生成するために使用された。上記製造されたチップの表面は、非特異的結合を最小限に抑えるためにカゼインで覆われた。図９に示すように、２２ｎｍのポリマー粒子は、１０６４ｎｍのレーザ光（それはＴＥ偏光であった。）が窒化シリコンフォトニック導波路（窒化シリコンフォトニック結晶共振器に一体的に結合され連結された）に結合されたとき、窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた。窒化シリコンフォトニック結晶共振器に結合されたレーザパワーは１０ｍＷ未満であった。レーザダイオードの温度はレーザ波長を微調整するように調整され、その結果、励起波長は窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振波長に一致した。
【００３８】
この特定の実施形態の中で、上記トラップされた２２ｎｍのポリマー粒子は、それらが窒化シリコンフォトニック結晶共振器の表面上をレーザ方向に移動していたとき、或る場所から別の場所へジャンプした。空洞の中央にある穴を除いて、電界が穴の中でよりも２つの隣り合う穴の間で非常に強いからである。レーザがオフにされた後、上記トラップされた粒子は、窒化シリコンフォトニック結晶共振器からリリースされた。このことは、ポリマー粒子の捕集は、非特異的結合よりもむしろ、光の力によって引き起こされたことを示唆している。同様の光学トラップ実験が、ストレプトアビジンで被覆されたＣｄＳｅ／ＺｎＳの量子ドット（ＱＤ）について実施された。その量子ドットのコアは、直径１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度であった。窒化シリコンの内在蛍光のせいで、量子ドットの蛍光を観察することによってそれらが窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされたかどうかを判断することは、困難であった。それゆえ、量子ドットのトラップを観察するために、ＣＣＤカメラの前にある１０６４ｎｍレーザ光を遮断する光学フィルタが除去された。その結果、光学的にトラップされた量子ドットによって散乱されたレーザ光が、ＣＣＤカメラによって見られた。図１０ａに示すように、量子ドットは上記空洞の中および付近にトラップされた。そのことは、窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振時に、１０６４ｎｍの光のかなりの散乱をもたらした。しかしながら、蛍光のみが通過できるように１０６４ｎｍの光を遮断するためのレーザフィルタがカメラの前に戻されたとき、観察されたのは、流れチャンバ内で流れている量子ドットのみであり、窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた量子ドットではなかった。１つの可能な説明は、或る種の蛍光消光効果（fluorescence quenching effect）が、窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた量子ドットの蛍光が消えるのを引き起こすかもしれないということである。
【００３９】
直径わずか１０ｎｍ程度であるウィルソン病タンパク質も、この第２実施形態による共振器の窒化シリコンフォトニック結晶を用いてトラップされた。これらのタンパク質は、Ｃｙ３およびＣｙ５色素に結合し得る２つのサイトを持っている。蛍光顕微鏡で使用されるフィルタ立方体が、Ｃｙ３ではなく、Ｃｙ５を観察するためのものであったので、ＣＣＤカメラによって見られる各タンパク質は、１つまたは２つのいずれかのＣｙ５色素を持っていた。図１０ｂに示すように。ウィルソン病タンパク質は、それらが窒化シリコンフォトニック結晶共振器の表面に近接していたとき、トラップされた。そして、Ｃｙ５色素は１０秒程度以内に徐々に退色した。図１０ｃに示す蛍光強度の一段崩壊は、トラップされたタンパク質は、タンパク質の集合体よりもむしろ単一のタンパク質であることを示唆している。有限要素解析は、用いられた実験条件下で、第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振器空洞内の温度上昇が０．１Ｋ未満である示している。それは、生物活動に影響を与えない程度に十分小さい。対照的に、数値計算および実験結果によると、先の第１実施形態によるシリコンフォトニック結晶共振器（１５５０ｎｍの光によって励起され、３０００程度のＱ値を持つ）の温度上昇は、類似の実験条件下で、６０Ｋのオーダである。２つのフォトニック結晶共振器・光トラップ装置の間の温度上昇における著しい差は、小さい生体分子をトラップするための、１５５０ｎｍで動作するシリコンフォトニック結晶共振器に対して、１０６４ｎｍで動作する窒化シリコンフォトニック結晶共振器を使用する利点を強調している。
【００４０】
第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器のトラップ剛性を決定するために、トラップされた２２ｎｍ蛍光ポリスチレンポリマー粒子の抑圧されたブラウン運動が測定された。図１１ａおよび図１１ｂは、それぞれ、共振器に結合されたレーザパワーが６ｍＷ程度であったときの、Ｘ方向、Ｙ方向におけるトラップされた粒子の変位のヒストグラムを示している。粒子運動の測定上のＣＣＤカメラの積分時間の影響を補正した後、人は、Ｘ方向、Ｙ方向におけるブラウン運動の標準偏差を、それぞれ７５．７ｎｍ、９４．４ｎｍと決定することができる。Ｘ方向、Ｙ方向における光トラップの剛性は、それぞれ０．１２ｐＮｎｍ−１Ｗ−１、０．０８ｐＮｎｍ−１Ｗ−１であると決定された。トラップ剛性は、再度言うが、粒径に依存するので、異なる光トラップデバイスの光トラップ能力を比較することは困難である。けれども、第２実施形態によるフォトニック結晶共振器は、１５ｎｍの量子ドット、２２ｎｍのポリマー粒子、および１０ｎｍのウィルソン病タンパク質をトラップすることができるという観察は、既に第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器の優れたトラップ能力を示している。
【００４１】
本研究で実証されたように、近赤外または可視波長で動作する窒化シリコンフォトニック結晶共振器は、多量の熱を発生させることなく、高い光トラップ剛性を提供することができる。著しく低減された発熱は、トラップされた生体分子が通常通りに機能できること、および、流れチャンバ内の生体分子の輸送が熱効果によって影響されないことを保証する。一方、本研究で使用されたような第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器は、単一分子研究のために、小さすぎて他の光トラップ技術を用いて容易にはトラップすることができない小さな生体分子をトラップするために使用され得る。
【００４２】
実験
Ａ．デバイス製造
第２実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器・光トラップデバイスおよび装置が、３．５μｍ厚の熱酸化物層を含んだシリコンウェハを用いて作製された。２５０ｎｍ厚の化学量論的窒化シリコン層が、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）プロセスを用いて、上記熱酸化物層の上に堆積された。次いで、例えばｍａ−Ｎ２４０３電子ビームフォトレジストがウエハ上にスピンされ、それから、ＪＥＯＬ９３００電子ビームリソグラフィシステムを用いてパターン加工された。次いで、上記窒化シリコン層が、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ  ＲＩＥ）システム、オックスフォード（Oxford）１００を用いて、上記ｍａ−Ｎ２４０３のマスクでエッチングされた。次いで、リフトオフプロセスが用いられて、パターン化された二酸化シリコン層が創生された。その二酸化シリコン層は、３μｍ厚であり、マグネトロンスパッタリング成膜装置、ＣＶＣ６０１を用いて、窒化シリコンフォトニック結晶共振器が配置されている領域を除いて、ウェハ全体を覆うように堆積された。
【００４３】
Ｂ．ナノ粒子サンプル調製
２２ｎｍの蛍光ポリスチレン粒子（サーモ・サイエンティフィック(Thermo Scientific)）が１×リン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）に懸濁され、また、ストレプトアビジンで被覆された量子ドット（ライフ・テクノロジィズ（Life Technologies））が５０ｍＭのホウ酸緩衝液（ｐＨ７．４）に懸濁された。ウィルソン病タンパク質は、ＨＥＰＥＳ緩衝液（６０ｍＭのＨＥＰＥＳ、１１０ｍＭのＮａＣｌ、１ｍＭのＥＤＴＡ、ｐＨ７．４）中に懸濁された。また、上記３つの緩衝液の各々は、非特異的結合を低減するための、０．０５％（ｖ／ｖ）のトゥイーン（Tween）２０界面活性剤を含んだ。さらに、５０ｎＭのプロトカテク酸−３，４−ジオキシゲナーゼ（ＰＣＤ）と２．５ｍＭのプロトカテク酸（ＰＣＡ）とからなる脱酸素剤が、上記蛍光色素の安定性を高めるために、各光トラップ実験の直前に上記緩衝溶液中に導入された。
【００４４】
Ｃ．流体チャンバの準備
流れチャンバを調製するために、ＣＯ２レーザシステムを用いて、カバースリップ上に二つのアクセス穴が製作された。次いで、タイゴン（Tygon）チューブがエポキシ接着剤でアクセス穴に貼り付けられた。次いで、カバースリップ、製作されたチップ、およびパラフィルムスペーサ（穴の間の流れチャネルのための切り欠きを有している）が一緒に挟持され、短時間焼かれて、密封された流れチャンバが創生された。シリンジポンプによって駆動されるシリンジが使用されて、タイゴンチューブを介して流体チャンバ内に上記緩衝液が注入された。上記流体チャンバ内に粒子を導入する前に、上記流体チャンバは、非特異的結合を防ぐために、まず、１ｍｇ／ｍｌのカゼインを有するＰＢＳ溶液で２０分間程度温置された。
【００４５】
Ｄ．光トラップ実験
１０６４ｎｍのファイバ結合の高出力ダイオードレーザが、光トラップのための光源を提供するために使用された。レーザ光は、レンズ付き光ファイバを通して、窒化シリコンフォトニック導波路内に結合された。レーザダイオードの温度は、レーザダイオードの中心波長（それは、１℃につき０．３ｎｍずれた。）を微調整するように調整された。画像は、浜松ＯＲＣＡ−ＥＲ・ＣＣＤカメラを用いてキャプチャされた。
【００４６】
Ｅ．シミュレーションとデータ解析
２２ｎｍポリスチレンポリマーナノ粒子のブラウン運動の解析は、ノースカロライナ大学チャペルヒル校（ＵＮＣ Chapel Hill）でＣＩＳＭＭ（顕微鏡および操作のためのコンピュータ統合システム）によって開発されたビデオスポット追跡（Video Spot Tracker）ソフトウェアを用いて行われた。また、３次元ＦＤＴＤシミュレーションは、ＦＤＴＤソリューション（ルメリカル・ソリューションズ社（Lumerical Solutions, Inc.））を用いて行われた。ビデオスポット追跡ソフトウェアのＦＩＯＮＡカーネルが、粒子追跡のために使用された。ウィルソン病タンパク質の蛍光強度の減衰は、イメージＪ（ImageJ）ソフトウェア（米国国立衛生研究所）を用いて決定された。
【００４７】
本明細書で引用された刊行物、特許出願、および特許を含む全ての参考文献は、許容される範囲で、各参考文献が個別具体的に参照により組み込まれることが示され、かつ、その全体が本明細書に開示されたかのように同程度に、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【００４８】
本発明を説明する関連で（特に後述の請求項の関連で）、用語「或る（aとan）」、「その（the）」および類似の指示の使用は、本明細書で特に反する指示がなければ、または明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数と複数の両方を包含すると解釈されるべきである。用語「備える（comprising）」、「有する（having）」、「含む（including）」および「含有する（containing）」は、特に断りのない限り、無制限の用語（すなわち、含むが、それに限定されないことを意味する。）として解釈されるべきである。用語「連結され（connected）」は、たとえ介在するものがあっても、部分的または完全に含まれ、取り付けられ、または一緒に結合されていると解釈されるべきである。
【００４９】
本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書に特に反する指示がなければ、その範囲内に入る各値を個々に言及する簡略方法として働くように意図されている。各々分離された値は、それが個別に本明細書に列挙されたかのように本明細書に組み込まれる。
【００５０】
本明細書に記載された全ての方法は、本明細書で特に反する指示がなければ、または、明らかに文脈と矛盾しない限り、如何なる適切な順序でも行うことができる。本明細書で提供された、あらゆる且つ全ての例、または例示的な言葉（例えば「のような（such as）」）の使用は、本発明の実施形態のより良く説明するためだけに意図されたものであり、特に断らない限り、本発明の範囲に限定を課すものではない。
【００５１】
明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠な非クレーム要素を示すものとして、解釈されるべきではない。
【００５２】
この発明の精神および範囲から逸脱することなく、実施形態に対して様々な修正および変形例がなされ得ることが、当業者には明らかであろう。明細書に開示された特定の形態または複数の形態に本発明を限定する意図はなく、それとは逆に、意図は、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲内に入る、全ての修正、代替構造および均等物をカバーするものである。従って、本発明は、本発明の修正および変形例を、それらが添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入ることを条件として、包含することが意図される。
【００５３】
したがって、実施形態は、本発明を限定するよりもむしろ、本発明の例示である。改訂および修正が、フォトニック結晶共振器・光トラップ装置の方法、材料、構造、および寸法、並びに、上記フォトニック結晶共振器・光トラップ装置を用いた光トラップのための方法に対してなされ得る。依然として、本実施形態、更には添付の特許請求の範囲によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置およびそのフォトニック結晶共振器・光トラップ装置を用いた光トラップのための方法を提供しながら、である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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