(57)【要約】  光学的キャビティモード装置は、磁気を有する少なくとも１つのマイクロキャビティと、マイクロキャビティに光照射を供給するための光源と、マイクロキャビティの光学的キャビティモードの検出のための光学装置と、マイクロキャビティの位置を磁気的に制御するための磁気コントローラとを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気を有する少なくとも１つのマイクロキャビティと、
前記マイクロキャビティに光照射を供給するための光源と、
前記マイクロキャビティの光学的キャビティモードの検出のための光学装置と、
前記マイクロキャビティの位置を磁気的に制御するための磁気コントローラと
を備える光学的キャビティモード装置。
【請求項２】
前記マイクロキャビティが、実質的に蛍光物質の存在しない光学的キャビティの微小粒子と、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子と、その表面が少なくとも１つの蛍光物質で被覆されている光学的キャビティの微小粒子と、からなる群より選択される、
請求項１に記載の光学的キャビティモード装置。
【請求項３】
複数のマイクロキャビティが少なくとも１つのクラスタを構成するように与えられ、
前記光源が、前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つの光学的励起を誘導するために前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つに光照射を供給し、
前記光学装置が、前記光源によって誘導された前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つのスペクトルを得、
前記磁気コントローラが、前記マイクロキャビティの光学的励起、光学的検出および処置のうちの少なくとも１つのときに、前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つの位置を制御する、
請求項１に記載の光学的キャビティモード装置。
【請求項４】
前記クラスタが、実質的に蛍光物質の存在しない光学的キャビティの微小粒子と、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子と、その表面が少なくとも１つの蛍光物質で被覆されている光学的キャビティの微小粒子と、からなる群より選択された組み合わせとして１種類のマイクロキャビティまたは複数の前記種類のマイクロキャビティを含み、前記マイクロキャビティに、磁性材料の添加によって磁気が与えられる、
請求項３に記載の光学的キャビティモード装置。
【請求項５】
磁気を有するマイクロキャビティを準備するステップと、
前記マイクロキャビティのスペクトルを得るために光源の照射によって前記マイクロキャビティを励起するステップと、
前記光源によって誘導された前記マイクロキャビティの少なくとも１つの光学的キャビティモードを検出するステップと
を備え、前記マイクロキャビティの位置が磁気コントローラによって制御される、少なくとも１つの前記マイクロキャビティにおいて光学モード励起を使用して標的物を検知するための方法。
【請求項６】
前記マイクロキャビティが、実質的に蛍光物質の存在しない光学的キャビティの微小粒子と、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子と、その表面が少なくとも１つの蛍光物質で被覆されている光学的キャビティの微小粒子と、からなる群より選択される、
請求項５に記載の前記標的物を検知するための方法。
【請求項７】
複数のマイクロキャビティが少なくとも１つのクラスタを構成するように与えられ、
前記光源が、前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つの光学的励起を誘導するために前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つに光照射を供給し、
前記光学装置が、前記光源によって誘導された前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つのスペクトルを得、
前記磁気コントローラが、前記マイクロキャビティの光学的励起、光学的検出および処置のうちの少なくとも１つのときに、前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つの位置を制御する、
請求項５に記載の前記標的物を検知するための方法。
【請求項８】
前記クラスタが、実質的に蛍光物質の存在しない光学的キャビティの微小粒子と、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子と、その表面が少なくとも１つの蛍光物質で被覆されている光学的キャビティの微小粒子と、からなる群より選択された組み合わせとして１種類のマイクロキャビティまたは複数の前記種類のマイクロキャビティを含み、前記マイクロキャビティに、磁性材料の添加によって磁気が与えられる、
請求項７に記載の前記標的物を検知するための方法。
【請求項９】
磁気を有するマイクロキャビティを準備するステップと、
前記マイクロキャビティのスペクトルを得るために光源の照射によって前記マイクロキャビティを励起するステップと、
前記光源によって誘導された前記マイクロキャビティの少なくとも１つの光学的キャビティモードを検出するステップと
を備え、前記マイクロキャビティが磁化材料と相互作用する、少なくとも１つの前記マイクロキャビティにおいて光学モード励起を使用して標的物を検知するための方法。
【請求項１０】
前記マイクロキャビティが、実質的に蛍光物質の存在しない光学的キャビティの微小粒子と、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子と、その表面が少なくとも１つの蛍光物質で被覆されている光学的キャビティの微小粒子と、からなる群より選択される、
請求項９に記載の前記標的物を検知するための方法。
【請求項１１】
複数のマイクロキャビティが少なくとも１つのクラスタを構成するように与えられ、
前記光源が、前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つの光学的励起を誘導するために前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つに光照射を供給し、
前記光学装置が、前記光源によって誘導された前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つのスペクトルを得、
前記磁気コントローラが、前記マイクロキャビティの光学的励起、光学的検出および処置のうちの少なくとも１つのときに、前記マイクロキャビティのうちの少なくとも１つの位置を制御する、
請求項９に記載の前記標的物を検知するための方法。
【請求項１２】
前記クラスタが、実質的に蛍光物質の存在しない光学的キャビティの微小粒子と、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子と、その表面が少なくとも１つの蛍光物質で被覆されている光学的キャビティの微小粒子と、からなる群より選択された組み合わせとして１種類のマイクロキャビティまたは複数の前記種類のマイクロキャビティを含み、前記マイクロキャビティに、磁性材料の添加によって磁気が与えられる、
請求項１１に記載の前記標的物を検知するための方法。
【請求項１３】
前記磁化材料が、そこに少なくとも１つの磁化可能粒子が付着され、または少なくとも１つの磁化可能粒子が組み込まれる材料である、
請求項９に記載の前記標的物を検知するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学マイクロキャビティにおける光学的キャビティモード励起に基づく光センサに関連した技術に関する。
【０００２】
２００６年５月１日出願の米国仮特許出願第６０／７９６１６２号、２００７年４月２６日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５９４４３号、２００７年１２月３１日出願の米国仮特許出願第６１／０１８１４４号、２００７年５月１５日出願の米国特許出願第１１／９１８９４４号、２００８年１１月７日出願の米国仮特許出願第６１／１１１３６９号、および２００８年１２月２４日出願の米国仮特許出願第６１／１４０７９０号は、あらゆる目的のために本明細書に参照として組み入れられるものである。
【背景技術】
【０００３】
光学的マイクロキャビティは、小型レーザ光源（ジュウェル等（J. L. Jewell et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）５４巻（Vol. 54）」pp. 1400ff., 1989年、クワタゴノカミ等（M. Kuwata-Gonokami et al.）著「ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Jpn. J. Appl. Phys.）第２部（Part 2）３１巻（Vol. 31）」pp. L99ff., 1992年、スピレイン等（S. M. Spillane et al.）著「ネイチャー（ロンドン）（Nature (London)）４１５巻（Vol. 415）」pp. 621ff., 2002年、アストラトフ等（V. N. Astratov et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８５巻（Vol. 85）」pp. 5508ff., 2004年、光導波路（アストラトフ等（V. N. Astratov et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８５巻（Vol. 85）」pp. 5508ff., 2004年）、光学フィルタ（マレキ等（L. Maleki et al.）著「プロシーディングズ  オブ  ＳＰＩＥ（Proc. SPIE）５４３５巻（Vol. 5435）」pp. 178ff., 2004年）、および機械センサ（ゲルラッハ等（M. Gerlach et al.）著「オプティクス  エクスプレス（Opt. Express）１５巻（Vol. 15,）」pp. 3597ff., 2007年）またはバイオセンサ（イルチェンコおよびマレキ（V. S. Ilchenko and L. Maleki）著「プロシーディングズ  オブ  ＳＰＩＥ（Proc. SPIE）４２７０巻（Vol. 4270）」pp. 120ff., 2001年、フォルマー等（F. Vollmer et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８０巻（Vol. 80）」pp. 4057ff., 2002年）といった様々な光学における用途にうまく応用されてきた。いくつかの最近の論評が、これらのシステムの原理および様々な用途をより詳細に論じている（マッコおよびイルチェンコ（A. B. Matsko and V. S. Ilchenko）著「ＩＥＥＥ  ジャーナル  オブ  セレクテッド  トピックス  イン  クァンタム  エレクトロニクス（IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.）１２巻（Vol. 12）」pp. 3ff., 2006年、イルチェンコおよびマッコ著「ＩＥＥＥ  ジャーナル  オブ  セレクテッド  トピックス  イン  クァンタム  エレクトロニクス（IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.）１２巻（Vol. 12）」pp. 15ff., 2006年、バハラ（K. Vahala）著「ネイチャー（Nature）４２４巻（Vol. 424）」pp. 839-846, 2003年、オラエフスキー（A. N. Oraevsky）著「クァンタム  エレクトロニクス（Quant. Electron.）３２巻（Vol. 32）」pp. 377-400, 2002年、フォルマーおよびアーノルド（F. Vollmer, S. Arnold）著「ネイチャー  メソッズ（Nature Methods）５巻（Vol. 5）」pp. 591-596, 2008年）。
【０００４】
その結果、光学的マイクロキャビティ操作についての様々な実施形態が利用されてきた。以下に、様々な方式の概要を示す。
【０００５】
ａ）ほんの数マイクロメートルの幾何学的キャビティ長の非金属マイクロキャビティを利用したもの：国際公開第ＷＯ２００５１１６６１５号パンフレットには、バイオセンシングのための蛍光性半導体量子ドットで装飾された球形粒子におけるウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）の利用が記載されている。ウェラー等（ウェラー等（A. Weller et al.）著「アプライド  フィジックス  Ｂ  ９０巻（Vol. 90）」pp. 561-567, 2008年）は、直径わずか数ミクロン（マイクロメートル）の蛍光性高分子ラテックス粒子によるバイオセンシングについて報告している。フランソワおよびヒンメルハウス（フランソワおよびヒンメルハウス（A. Francois and M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９２巻（Vol. 92）」pp. 141107/1-3, 2008年）は、バイオセンシングのために色素でドープされた高分子ラテックス粒子を利用した。ウォゴンおよび共同研究者ら（ウォゴン（Woggon）および共同研究者ら（トーマス等（N. Le Thomas et al.））著「ジャーナル  オブ  ジ  オプティカル  ソサエティ  オブ  アメリカ  Ｂ（J. Opt. Soc. Am. B）２３巻（Vol. 23）」pp. 2361-2365, 2006年）は、タングステンランプや光学パラメータ式発振器の出力といった鋭く集光された広帯域光源を、エバネッセント場結合と組み合わせて使用することにより、非蛍光性高分子ラテックス粒子のモードスペクトルを数十ナノメートルの範囲において励起することができることを証明した。
【０００６】
ｂ）数十から数百マイクロメートルの幾何学的キャビティ長の誘電体マイクロキャビティを利用したもの：米国特許出願公開第２００２／００９７４０１（Ａ１）号明細書、国際公開第０２／１３３３７（Ａ１）号パンフレット、国際公開第０２／０１１４７（Ａ１）号パンフレット、米国特許出願公開第２００３／０２０６６９３（Ａ１）号明細書、米国特許出願公開第２００５／０２２１５３（Ａ１）号明細書、および国際公開第２００４／０３８３４９（Ａ１）号パンフレット。
【０００７】
前述のシステムにおいて使用される非金属マイクロキャビティの他にさらに、金属被覆または金属装飾されたキャビティを利用することもできる。国際公開第０２／０７１１３（Ａ１）号パンフレット、国際公開第０１／１５２８８（Ａ１）号パンフレット、米国特許出願公開第２００４／０１５０８１８（Ａ１）号明細書、および米国特許出願公開第２００３／０２１８７４４（Ａ１）号明細書には、その浸透閾値に近い金属粒子、金属粒子凝集体、および半連続金属膜の使用が記載されており、これらは、任意選択で、中空のマイクロキャビティの近傍に位置していてもよい。すなわち、これらは、任意選択で、マイクロキャビティの内部に組み込まれていてもよい。金属粒子／膜は、さらに、レーザ色素といった蛍光物質を含有していてもよい。国際公開第２００７／１２９６８２号パンフレットには、バイオセンシング用途のための金属被覆へとカプセル化された蛍光性誘電体マイクロキャビティの使用が記載されている。
【０００８】
触媒作用、環境修復、マイクロフルイディックス、細胞分離、免疫磁気分離、ならびに生物医学分野および（バイオ）センシングにおける関連用途のための磁性粒子およびその複合物が、近年、ナノメートル寸法からマイクロメートル寸法で、様々な表面機能化を伴って、多種類において開発されている（スタンチウ等（L. Stanciu et al.）著「センサーズ（Sensors）９巻（Vol. 9）」pp. 2976-2999, 2009年、リュー等（C. Liu et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）１０５巻（Vol. 105）」pp. 102014/1-11, 2009年、ジャフレシズ−レノート（N. Jaffreciz-Renault）著「センサーズ（Sensors）７巻（Vol. 7）」pp. 589-614, 2007年、パム（N. Pamme）著「ラボ  チップ（Lab Chip）６巻（Vol. 6）」pp. 24-38, 2006年）。大抵の場合、粒子は、粒子の凝集および沈降を考慮してコロイド懸濁液の安定性を改善し、（生）化学的表面機能化の機会を提供する目的で、高分子または無機のマトリックス材料に組み込まれたナノサイズの磁性粒子からなるハイブリッド粒子である。
【０００９】
最近では、蛍光磁性粒子も、例えば蛍光色素をハイブリッド粒子の高分子マトリックスへ組み込むことなどによって製造され、市販されるようにさえなっている（コンペル（Compel）磁気蛍光性小球体、バングズ  ラボラトリーズ社（Bangs Laboratories, Inc.）米国インディアナ州フィッシャー（Fisher, IN））。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前述の技術における問題を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、光学的キャビティモード装置は、磁気を有する少なくとも１つのマイクロキャビティと、マイクロキャビティに光照射を供給するための光源と、マイクロキャビティの光学的キャビティモードの検出のための光学装置と、マイクロキャビティの位置を磁気的に制御するための磁気コントローラとを備える。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つのマイクロキャビティにおいて光学モード励起を使用して標的物を検知するための方法は、磁気を有するマイクロキャビティを調製するステップと、マイクロキャビティのスペクトルを得るために光源の照射によってマイクロキャビティを励起するステップと、光源によって誘導されたマイクロキャビティの少なくとも１つの光学的キャビティモードを検出するステップとを備え、マイクロキャビティの位置は磁気コントローラによって制御される。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つのマイクロキャビティにおいて光学モード励起を使用して標的物を検知するための方法は、磁気を有するマイクロキャビティを調製するステップと、マイクロキャビティのスペクトルを得るために光源の照射によってマイクロキャビティを励起するステップと、光源によって誘導されたマイクロキャビティの少なくとも１つの光学的キャビティモードを検出するステップとを備え、マイクロキャビティは磁化材料と相互作用する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】任意選択で、マイクロキャビティ、またはマイクロキャビティのクラスタにおける光学的キャビティモードの励起のための蛍光物質を含む、マイクロキャビティ、またはマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタであり、（ａ）被覆を伴わない単一のマイクロキャビティと、（ｂ）所望の光学的性質を達成するための被覆を伴う単一のマイクロキャビティと、（ｃ）被覆を伴わないマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタと、（ｄ）各キャビティが個々に被覆されるように被覆されているマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタ、または（ｅ）隣接するキャビティが互いに光学的接触を形成するように被覆されているマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタとを示す図である。
【図２】方式（Ｉ）では磁化可能材料２がハイブリッド粒子のコア１を覆って分布されており、方式（ＩＩ）では磁化可能材料２がコア１の被覆であり、外部被覆３は任意選択である、磁化可能材料を含むハイブリッド粒子の２つの基本方式を示す図である。
【図３】マグネタイトを含む８μｍポリスチレンビーズの水性懸濁液の正規化された光の透過率１と、実施例２および実施例３について選択されるナイルレッドの励起レーザ位置２および蛍光放射３との比較を示す図である。
【図４】蛍光常磁性ビーズの調製のための実験装置を示す図である。
【図５】（ａ）ナイルレッドでドープされた、または（ｂ）ドープされていない、すなわち蛍光色素を含まない、８μｍの公称直径を有するバングズ社（Bangs）コンペル（Compel）磁性マイクロビーズの蛍光放射スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下で、本発明に関連する例示的実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
（ｉ）用語の定義
ＣＣＤ：電荷結合素子
ＦＰＭ：ファブリペローモード
ＬＥＤ：発光ダイオード
ＮＲ：ナイルレッド
ＰＢＳ：リン酸塩緩衝食塩水
ＰＳ：ポリ（スチレン）
ＱＤ：（半導体）量子ドット
Ｑ−因子：クオリティ因子
ＴＩＲ：全内部反射
ＴＥ：横軸電気（光学モード）
ＴＭ：横軸磁気（光学モード）
ＷＧＭ：ウィスパリング・ギャラリー・モード
【００１６】
表面における反射および透過：一般的に、材料の表面は、入射する光の一部分をその周囲に反射する一方で、他の部分を材料中に透過する能力を有し、その場合その部分は進行の過程において吸収される可能性がある。以下においては、入射光に対する反射光の強度比を、周囲／材料界面（または材料／周囲界面）の「反射能」または「反射率」Ｒと呼ぶ。したがって、入射光に対する透過光の強度比を、この界面の「透過率」Ｔと呼ぶ。ＲおよびＴは共に界面の性質であること、すなわちそれらの値が材料と材料の周囲の両方の光学的性質に依存することに留意されたい。さらに、ＲおよびＴは、この界面上に入射する光の入射角および偏光に依存する。ＲとＴはどちらも反射および透過についてのフレネル方程式によって計算することができる。また、同じ用語を、界面の層状の連続の全反射および全透過にも適用することができる。
【００１７】
光学的キャビティ：光学的キャビティは、閉じた境界領域（キャビティの「表面」）により限定された閉じた体積であり、これは、電磁スペクトルの紫外（ＵＶ）、可視（ｖｉｓ）および／または赤外（ＩＲ）領域における光に対して高度に反射的である。その波長依存性に加えて、この境界領域の反射率は、局所表面法線に対する境界領域に入射する光の入射角にも依存し得る。さらに反射率は位置、すなわち光がどこで境界領域に入射するかにも依存し得る。光学的キャビティの内部体積は、真空、空気、またはＵＶ、可視および／もしくは赤外において高度な透過性を示すいずれかの材料からなっていてよい。特に透過性は、少なくとも、キャビティの表面が高い反射率を示す電磁スペクトルの領域の一部については高くなければならない。光学的キャビティは、光学的キャビティを構成する材料とは異なる材料で被覆されていてよい。被覆に使用される材料は、例えば、異なる屈折率や吸光係数といった異なる光学的性質を有してよい。さらに、被覆に使用される材料は、光学的キャビティの材料とは異なる物理的、化学的または生化学的性質、例えば異なる機械的強度、化学的不活性もしくは反応性、および／または防汚機能もしくは関連する生体機能性などを備えていてもよい。以下においては、この任意選択の被覆を「シェル」と呼び、光学的キャビティを「コア」と呼ぶ。全システム、すなわちコアとシェルを併せたものを、「（光学的）マイクロ共鳴体」と呼ぶ。「（光学的）マイクロ共鳴体」という用語は、シェル材料が塗布されない場合の全システムを記述するのにも使用される。ここにおいて論じたシェルに加えて、マイクロ共鳴体の表面の一部は、例えば、特異的結合事象の検出に適当な生体機能性界面を与えるための検知工程の一部として、あるいは標的分子がマイクロ共鳴体表面またはその一部に吸着したときの検知工程において、（例えば、シェルの上部などが）さらに別の層で被覆されていてもよい。
【００１８】
光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）は、以下の２つのパラメータ、すなわち、第１にその体積Ｖ、第２にそのクオリティ因子Ｑによって特徴付けられる。あるいは、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）は、その光学的キャビティモードの（１つもしくは複数の）自由スペクトル範囲δλｍおよび（１つもしくは複数の）バンド幅Δλｍに関して特徴付けられてもよい（定義については以下を参照されたい）。以下において、「光学的キャビティ」（「マイクロ共鳴体」）という用語は、クオリティ因子Ｑ＞１を有する光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）をいう。使用されるシェルの材料に依存して、マイクロ共鳴体内に蓄積される光は、例えば高度に反射的な金属シェルを使用したときなどには、光学的キャビティ内にのみ蓄積される場合もあり、例えば誘電性または半導体シェルを使用したときなどには、シェル内にも貫通する場合もある。したがって、いずれの用語（光学的キャビティの体積およびＱ−因子またはマイクロ共鳴体の体積およびＱ−因子）が、マイクロ共鳴体の結果として得られる光学的性質を特徴付けるのにより適するかは、考慮される個々のシステムに依存する。
【００１９】
クオリティ因子：光学的キャビティのクオリティ因子（または「Ｑ−因子」）は、光学的キャビティがキャビティ内部に光子を捕えることのできる潜在能力の尺度である。それは次のように定義される。
【００２０】
【数１】
2013527428.tif 000003
【００２１】
式中、ωｍおよびλｍは、それぞれ、モード次数ｍを有するキャビティモードの周波数および（真空）波長であり、ΔωｍおよびΔλｍは、対応するバンド幅である。後の２つの等式は、Ｑ−因子をキャビティ内の光学モードの位置およびバンド幅に結び付けるものである。明らかに、キャビティの蓄積潜在能力はその表面の反射率に依存する。したがって、Ｑ−因子は、波長、偏光および伝搬の方向といったキャビティモードの特性に依存し、よって、モードによって異なり得る。
【００２２】
光学的キャビティの体積：光学的キャビティの体積は、キャビティ表面、すなわち反射的境界領域によって閉じ込められる、その内部の幾何学的体積として定義される。
【００２３】
自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）：光学系の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）δλは、その光学モード間の間隔をいう。光学的キャビティでは、ＦＳＲは、モード間隔δλｍ＝λｍ−λｍ＋１として定義され、式中、ｍはモード次数であり、λｍ＞λｍ＋１である。
【００２４】
光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体の周囲（環境）：光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体の「周囲」または「環境」は、光学的キャビティの一部でも、（マイクロ共鳴体の場合の）その任意選択のシェルの一部でもない、キャビティ（マイクロ共鳴体）を囲む体積である。特に、光学的キャビティ（またはマイクロ共鳴体）の高度に反射的な表面はその周囲の一部ではない。実際には、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の高度に反射的な表面は、周囲の一部ではない有限厚を有することに留意しなければならない。同じことが任意選択のシェルについても該当し、任意選択のシェルも有限厚を有し、マイクロ共鳴体の周囲に属さない。光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の周囲または環境は、キャビティ（マイクロ共鳴体）の物理的、化学的性質とは全く異なる物理的、化学的性質、特に、異なる光学的、機械的、電気的、（生）化学的性質を備え得る。例えば、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の周囲または環境は、そこで光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）が動作する電磁領域においてにおいて強い吸収を呈し得る。周囲は不均質であってもよい。囲んでいる体積が周囲とみなされる範囲は用途によって異なる。マイクロ流体素子へ組み入れられたマイクロ共鳴体の場合には、周囲の範囲はそのマイクロ流体チャネルとすることができる。典型的には、周囲は、例えば、光学的キャビティモードの性質、励起、および／または検出を考慮した場合に、キャビティ（マイクロ共鳴体）の光学的キャビティモードに与えるその影響の点で光学的キャビティの（マイクロ共鳴体の）動作について関連性を有する、光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体の囲んでいる体積の当該部分である。
【００２５】
光学的キャビティモード：光学的キャビティモード、あるいは単に「キャビティモード」とは、所与のキャビティについての電磁場方程式（マクスウェル方程式）の波解である。異なるモードは、キャビティの幾何学的形状および光学的性質に応じて、異なる伝搬方向を有し得る。これらのモードは離散的であり、キャビティ表面における制限的境界条件により、整数ｍ、いわゆる「モード次数」で番号を付けることができる。したがって、キャビティの存在下での電磁スペクトルは、許容帯と禁止帯とに分割され得る。マクスウェル方程式の完全解は、それぞれ、キャビティの内部と外部とにある内部電磁場と外部電磁場とからなる。以下において、「キャビティモード」という用語は、特に指定しない限り、（前述のキャビティ体積内の）キャビティ内部の内側電磁場をいう。波解は、境界領域、すなわちキャビティ表面の反射率に加えて、キャビティの形状および体積にも依存する。
【００２６】
また、マクスウェル方程式の全解集合は、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の外部、すなわち、キャビティの（マイクロ共鳴体の）周囲の場も含む。ここでは、解が周囲において自由に伝搬する波を記述する場合と、解がエバネッセント場を記述する場合の２種類の解が区別されなければならない。後者の解は、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の表面における全内部反射などにより、その周囲におけるその伝搬が禁じられる波について発生する。周囲におけるエバネッセント場を備える光学的キャビティモードの一例がＷＧＭである。別の例は、シェルとして金属被覆を有するマイクロ共鳴体に関連したものである。これらの場合には、表面プラズモンが金属／周囲界面において励起される可能性があり、これは周囲へと延在するエバネッセント場を呈する可能性もある。これらすべての場合において、エバネッセント場は、典型的には、おおよそ周囲へのエバネッセント場を生成する光の波長の大きさの距離にわたって延在する。
【００２７】
実際にはエバネッセント場も多少の漏れ、すなわちエバネッセント場から光学的キャビティの遠距離場への、すなわちエバネッセント場の広がりをはるかに越えて周囲へと進む光子の伝搬を示し得ることに留意すべきである。そのような波は、例えば、不具合点における光子の散乱や、別の種類の原因によって生じるが、これらの原因は、通常、理論的記述において説明されない。というのは、理論的記述では、通常、平滑な界面および境界層を仮定するからである。そのような迷光効果は以下では考慮されない。すなわち、そのような迷光効果は理想的なエバネッセント場のエバネッセント場特性を妨げない。同様に、ナノメートルサイズのギャップを横切って媒体に入るエバネッセント場も、その場合は波伝搬が許容され、エバネッセント場のエバネッセント場特性を妨げない。
【００２８】
球状キャビティについては、その波長依存性を容易に推定することのできる２つの主な種類の解が存在し、それぞれ、１つは半径方向の光の伝搬についての解であり、１つは球体の外周に沿った光の伝搬についての解である。以下においては、半径方向のモードを、ファブリペロー干渉計との類似により「ファブリペローモード」（ＦＰＭ）と呼ぶ。球体の周囲に沿って形成されるモードを、レイリー卿（Lord Rayleigh）によって発見された音響現象との類似において、「ウィスパリング・ギャラリー・モード」（ＷＧＭ）と呼ぶ。これらのモードの波長依存性の簡単な数学的記述のために、定在波の境界条件を次のように使用する。
【００２９】
【数２】
2013527428.tif 000004
【００３０】
ＦＰＭについては、この式は内側キャビティ表面における電場が、例えば金属被覆を有するキャビティの場合のように、常に消滅することを述べている。ＷＧＭについては、その境界条件により、
【００３１】
【数３】
2013527428.tif 000005
【００３２】
が得られ、この式は基本的に波が完全に一往復した後で、同相で戻らなければならないことを述べている。どちらの式においても、「ｍ」は整数であり、各モードに番号付けするために、すなわち、各モードのモード次数としても使用され、Ｒは球体の半径であり、またｎｃａｖはキャビティ内部の屈折率である。簡潔にするために、以下では、「キャビティモードｍ」という用語を、「モード次数ｍを有するキャビティモード」という用語と同義で使用する。式（２）および式（３）から、球状キャビティのＦＰＭおよびＷＧＭのＦＳＲδλｍを、それぞれ、次式になるように計算することができる。
【００３３】
【数４】
2013527428.tif 000006
【００３４】
光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体の寸法：光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体の「寸法」または「サイズ」は、その空間的広がりの尺度である。球状の光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体では、その寸法（サイズ）はその直径であり、楕円状の光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体では、その寸法（サイズ）はその最大主軸の長さである。任意の形状の光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体では、その寸法（サイズ）は、光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体を完全に包むことのできる最小の球体の直径によって与えられる。
【００３５】
光学的マイクロキャビティ：以下においては、光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体が１ミリメートル未満の寸法を有する場合に、それを「光学的マイクロキャビティ」と呼ぶ。したがって、それを構成している光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つの寸法が１ミリメートル未満である場合に、光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体のクラスタを、「光学的マイクロキャビティのクラスタ」と呼ぶ。
【００３６】
さらに、１つもしくは複数のマイクロキャビティまたはマイクロキャビティのクラスタを、前述のマイクロキャビティまたはマイクロキャビティのクラスタ以外の種類の光学素子も備えるより複雑な光学系の一部とすることもできる。また、そのようなより複雑な系を、以下においては、それらの系が２つの系のうちのどちらを優先的に含むかに応じて、「マイクロキャビティ」または「マイクロキャビティのクラスタ」とも呼ぶ。
【００３７】
磁気光学マイクロキャビティ：光学的マイクロキャビティまたは光学的マイクロキャビティのクラスタは、光学的マイクロキャビティ、または光学的マイクロキャビティのクラスタを構成している光学的キャビティもしくはマイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つが磁力によって磁性材料と相互作用し得る場合に、「磁気（的）」と呼ばれる。
【００３８】
モード結合：発明者らは、モード結合を、互いに接触するか、あるいは光学的接触を許容するように近接して配置されている２個以上のマイクロ共鳴体により放射されるキャビティモード間の相互作用として定義する。この現象は、一連のマイクロ球体を介したモード導波のシミュレーションを行ったデン等（デン等（S. Deng et al.）著「オプティクス  エクスプレス（Opt. Express）１２巻（Vol. 12）」pp. 6468-6480, 2004年）によって指摘された。同じ現象は、アストラトフ等（アストラトフ等（Astratov et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８３巻（Vol. 83）」pp. 5508-5510, 2004年）によって実験的に証明されており、アストラトフ等は、導波器としての非蛍光性マイクロ球体の鎖と、鎖の中へ光を結合するためにマイクロ球体導波器の一端に位置決めされた単一の蛍光性マイクロ球体とを使用した。アストラトフ等は、励起下の蛍光性マイクロ球体により生成されたキャビティモードが、非蛍光性マイクロ球体の鎖に沿って伝搬し得ることを示し、これは光がある球体から別の球体へと結合され得ることを意味する。著者等は、あるマイクロ球体から別の球体へのこの結合を、「強く結合された分子モードまたは結晶バンド構造の形成」に関連付けている。
【００３９】
ムカイヤマ等（ムカイヤマ等（T. Mukaiyama et al.）著「フィジックス  レビュー  レターズ（Phys. Rev. Lett.）８２巻（Vol. 82）」pp. 4623-4626, 1999年）は、マイクロ球体間の半径不一致の関数としての２個のマイクロ球体間のキャビティモード結合を研究した。ムカイヤマ等は、得られた２球体系のキャビティ・モード・スペクトルが、２個の球体の半径不一致に高度に依存することを見出した。より最近では、シャシャンカ等（シャシャンカ等（P. Shashanka et al.）著「オプティクス  エクスプレス（Opt. Express）１４巻（Vol. 14）」pp. 9460-9466, 2006年）は、２個のマイクロ球体において生成されたキャビティモードの光学的結合が、大きな半径不一致（８μｍと５μｍ）にもかかわらず発生し得ることを示した。シャシャンカ等は、結合効率が２個のマイクロ球体間の間隔に強く依存し、結果として共鳴波長の位置もマイクロ球体の間隔に依存することになることを示した。
【００４０】
光学的接触：２つのマイクロ共鳴体は、光が一方の共鳴体から他方の共鳴体に、またはその逆に移動することができる場合に、「光学的接触」を有するという。この意味で、光学的接触は、上記の意味における２個の共鳴体間のモード結合を潜在的に許容する。したがって、マイクロ共鳴体は、マイクロ共鳴体が基材と光を交換し得る場合に、基材と光学的接触を有する。
【００４１】
クラスタ：クラスタは、２次元または３次元のどちらかとすることのできるキャビティ（マイクロ共鳴体）の凝集体として定義される（図１（ｃ）〜（ｅ）参照）。個々のキャビティ（マイクロ共鳴体）は、それらのキャビティ・モード・スペクトルの重ね合せおよび／またはモード結合を助長するために、それらが互いに接触するか、あるいは近接するように位置決めされる。個々のキャビティは、表面に付着されていても、液体媒体中で自由に浮遊していてもよい。さらに個々のキャビティは、少なくとも一時的に、表面から脱離されてもよい。個々の光学的キャビティは、前述のように、各キャビティが個々に被覆される（図１（ｄ））ように、またはクラスタ内の隣接するキャビティが、互いに光学的に接触する（図１（ｅ））ように被覆され得る。クラスタは、ランダムに形成されてもよく、あるいは、例えばマイクロ操作技術、マイクロパターン形成および／または自己集合を使用して秩序を持つように形成されてもよい。さらに、クラスタは、所望の物理的、化学的、生化学的および／または生体力学的性質の検知を促進するためにキャビティ（マイクロ共鳴体）を媒体に貫通させた後で、例えば、生細胞といった媒体の内部で、検知工程において形成されてもよい。また、図１に示すすべての方式の組み合わせも実行可能である。一般的に、粒子のクラスタは、ランダムに、または秩序的に表面全体に分布させることができ、この分布は２次元構造または３次元構造のいずれかとすることができる。これによって、フォトニック結晶が形成され得る。
【００４２】
レーザ閾値：「レーザ閾値」とも呼ばれるマイクロ共鳴体（光学的キャビティ）の誘導放射のための閾値は、誘導放射による光増幅が、マイクロ共鳴体内を対応する光線が伝搬する間に発生する損失をちょうど補う場合のマイクロ共鳴体の光学的励起力として定義される。キャビティモード内を進む光線についての損失は、キャビティモードに合致しない光線についての損失よりも小さいため、キャビティモードは、典型的には、マイクロ共鳴体のすべての起こり得る光学的励起のうちで最も低いレーザ閾値（これは個別モードの実際の損失に応じて互いにさらに異なり得る）を示す。実際には、レーザ閾値は、（例えば特定の光学的キャビティモードについての）マイクロ共鳴体の光学的出力を、（レーザ物理学では「活性媒質」ともいう）マイクロキャビティの蛍光物質を誘導するために使用される光学的励起力の関数として監視することにより求めることができる。典型的には、この依存性の傾きは、レーザ閾値をこれら２つの依存関係の交点から求めることができるように、レーザ閾値の下よりも上での方が（著しく）高い（例えば、フランソワ、ヒンメルハウス（A. Francois, M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９４巻（Vol. 94）」pp. 031101, 2009年参照）。「光学的マイクロ共鳴体のレーザ閾値」という場合、典型的には、観測された（利用された）スペクトル範囲内の最低閾値を有する当該光学的キャビティモードのレーザ閾値をいう。マイクロ共鳴体のクラスタについても同様の定義が然るべく当てはまる。この場合、「光学的マイクロ共鳴体のクラスタのレーザ閾値」は、観測された（利用された）スペクトル範囲内の最低閾値を有する（その構成マイクロ共鳴体のうちのいずれかおよび／またはその任意の（１つもしくは複数の）組み合わせによって）クラスタ内で生成された当該光学的キャビティモードのレーザ閾値と想定され得る。
【００４３】
光学的マイクロ共鳴体およびマイクロ共鳴体のクラスタは、そのキャビティモード励起が変換機構としてのその直近の環境に影響を及ぼす外部パラメータに依存する小寸法の光センサの開発のための有望なツールであることが示されてきた。
【００４４】
例えば１ミリメートル未満の領域などにおける小型センサの適用の１つの大きな利点は、目標の物理的および／または（生）化学的条件の高度に局在化された検知を可能にすることになるはずである。例えば、マイクロ流体流動系においては、屈折率、温度、圧力、流速、混濁度、検体濃度といった対象となる物理的および／または（生）化学的量を、複数のセンサによって同時に、または走査センサを使用して１つ１つ連続して系内の異なる位置において測定して、流動系の特性への詳細な洞察を得ることができるはずである。そのような情報は、速度およびそのようなシステムの性能の正確さ、ならびにマイクロ流体合成工程の場合などにおける全収率に関して、そのようなシステムのさらなる最適化に鑑みて非常に価値あるものとなるはずである。
【００４５】
小型センサの利益の別の例は、インビトロ用途またはインビボ用途にさえも関連したものである。最近、光学的キャビティ・モード・センサを生細胞に組み込み、エンドサイトーシス時の生体力学的刺激の測定に使用することができることが示されている（２００８年１１月７日出願の米国仮特許出願第６１／１１１３６９号明細書、フランソワおよびヒンメルハウス（A. Francois and M. Himmelhaus）著「バイオセンサーズ  アンド  バイオエレクトロニクス（Biosens. Bioelectron.）２５巻（Vol. 25）」pp. 418-427, 2009年）。これが可能になったのは、総センササイズが、使用される細胞系統の食細胞活動のためのサイズ限界未満の寸法まで縮小されたためにすぎない。
【００４６】
これらの例に共通するのは、空間的に高分解の測定を可能にする小型センサの要件に加えて、位置制御機能も求められることである。これが意味するのは、そのような（１つもしくは複数の）小型センサを、マイクロ流体素子の内部体積や生細胞の内部体積を走査するなどのためのそのような小型センサの精密な位置決めを可能にするように、例えば、電気力、磁気力、および／または電磁力などによって外部から制御することができるならば有利となるはずだということである。少なくとも一時的な位置制御から利益を得る他の用途は、例えば、検体の曝露および／または水洗などのためのいくつかの処置ステップを必要とする検知工程に関連したものとすることができる。そのような場合には、（１つもしくは複数の）センサを（１つもしくは複数の）処置の間に所望の位置へ移動させ、（１つもしくは複数の）センサの性能を最適化するなどのために、異なる処置によって異なる位置を定義することが求められる可能性がある。
【００４７】
電気力、磁気力、および電磁力に基づく技法が、例えば、電気泳動（ラトコおよびクランバック（S. P. Radko and A. Chrambach）著「エレクトロフォレーシス（Electrophoresis）２３巻（Vol. 23）」pp. 1957-1972, 2002年）や、磁気ピンセット（タナセ等（M. Tanase et al.）著「セル  メカニクス（Cell Mechanics）８３巻（Vol. 83）」pp. 473-493, 2007年）または光ピンセット（グルーリッチ等（K. O. Greulich et al.）著「ジャーナル  オブ  マイクロスコピー（J. Microscopy）１９８巻（Vol. 198）」pp. 182-187, 2000年）によるそのような手段について報告されている。これらの方法の中でも特に、磁気ピンセット、すなわち、磁化可能粒子への磁力の印加には、力を比較的強くし得ることにより粒子の高速移動および粒子の良好な制御が可能になり、通常は粒子の誘電環境を妨げないという利点がある。これは特に、測定の結果に対する検知装置のいかなる影響も望ましくない検知では非常に重要である。
【００４８】
以上の理由により、光学的キャビティモード励起に基づく磁化可能マイクロ光センサの開発は考慮すべき目標であるように思われる。しかし、そのようなセンサの実施に際しての１つの問題は、粒子を磁化可能にするのに典型的に使用される物質が、光の吸収および散乱の増大により光学的キャビティモード励起を妨げる可能性のある光学的性質を呈することである。どちらも、キャビティ内部の光子の蓄積時間の尺度であるクオリティ因子の低下を引き起こし、よって、式１によれば、励起された光学的キャビティモードのバンド幅の増大につながる。光学的キャビティモードのバンド幅の増大が望ましくないのは、センサの検出限界に影響を及ぼす可能性があり、または、Δλ＞δλの場合などにモードを観測不能にする可能性さえあるからである。
【００４９】
以下において、これらの問題を、高分子ラテックスビーズにおけるＷＧＭの励起を例としてより詳細に論じる。ポリスチレン（ＰＳ）マイクロ球体といった高分子ラテックスビーズは、様々なサイズ、表面機能化、およびドーパントとして市販されるようになった。特に、蛍光ドープされた粒子、磁化可能粒子、さらには蛍光ドープされた磁化可能な粒子さえも入手することができる。加えて、粒子は、通常、適切な（生体）機能性被膜も有し、この被膜は、特異的抗体および別の種類の特異的に結合するタンパク質でビーズの表面を装飾するなど、後で特異的機能化を行うことを可能にする。
【００５０】
磁化可能な高分子粒子の粒子構造の例が図２に描かれている。磁化に使用される材料２は、図２（Ｉ）に示すように粒子の高分子コア１全体に分布させることもでき、図２（ＩＩ）に示すようにコア１を被包させることもできる。粒子の任意選択の、典型的には有機の［任意選択で、金など金属の（スパソワ等（M. Spasova et al.）著「ジャーナル  オブ  マテリアルズ  ケミストリー（J. Mater. Chem.）１５巻（Vol. 15）」pp. 2095-2098, 2005年）］外部被覆は、粒子の（生体）機能性を媒介し、磁化可能材料２を被包する。磁化可能材料２は、通常、無機であり、コア１および外部被覆３は、通常、有機材料であるため、これらの種類の粒子は多くの場合「ハイブリッド粒子」と呼ばれる。被覆３は任意選択であり、省かれてもよい。そのような場合、磁化可能材料は、保護および（生体）機能化などのために、結晶子ごとなど、個別に被覆されてもよい。考察を簡略化するために、以下では、基本原理を変えることのないそのような詳細を省略する。
【００５１】
そのような粒子を有機色素や半導体量子ドット（ＱＤ）といった蛍光体でさらにドープする場合には、蛍光物質をコア１に、または粒子の外部被覆３に組み込むことができる。また蛍光物質は、被覆３の表面に付着させることもできる。さらに、磁性であると同時に蛍光性でもあるドープされたＱＤの塗布などによって、蛍光性と磁性とを組み合わせることもできる（マガナ等（D. Magana et al.）著「ジャーナル  オブ  ジ  アメリカン  ケミカル  ソサエティ（J. Am. Chem. Soc.）１２８巻（Vol. 128）」pp. 2931-2939, 2006年、ベソンブ等（L. Besombes et al.）著「アクタ  フィス．  ポロニカ  Ａ（Acta Phys. Polonica A）１０８巻（Vol. 108）」pp. 527-540）。そのような場合、蛍光物質を提供するばかりでなく、ＱＤはさらに、図２の磁化可能材料２の役割も果たすことになるはずである。すなわちＱＤは、粒子のコア１全体に分布し、またはコア１を取り囲むシェルを形成し得る。この後者の場合には、磁化可能ＱＤ、すなわち磁化可能材料２を、外部被覆３へ組み込み、または外部被覆３に付着させることもできる。
【００５２】
しかし、これらすべての場合において、磁化可能材料の存在が、光学的キャビティモードのバンド幅や全体の外観などの点で、光学的キャビティモードの発生にどのような影響を及ぼすかが疑問である。文献に記載されているように、ＷＧＭ（ウェラー等（A. Weller et al.）著「アプライド  フィジックス  Ｂ  ９０巻（Vol. 90）」pp. 561-567, 2008年）や、ＦＰＭ（ウェラーおよびヒンメルハウス（A. Weller and M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８９巻（Vol. 89）」pp. 241105/1-3, 2006年）といった光学的キャビティモードは、蛍光物質の光学的励起によって蛍光性高分子マイクロビーズにおいて容易に励起することができる。しかし、ハイブリッド粒子の場合には、その光学的性質がポリマーの光学的性質とは抜本的に異なる磁化可能材料は、そのようなモード発展の大きなゆがみを生じるはずである。マンダール等（S. K. Mandal et al.）著「ラングミュア（Langmuir）２１巻（Vol. 21）」）pp. 4175-4179, 2005年は、例えば、水中における様々な濃度のＱＤおよび磁気ナノ粒子（α−Ｆｅ２Ｏ３）で満たされた油滴を研究した。所与のＱＤ濃度について、マンダール等は、ＱＤ蛍光が磁気ナノ粒子濃度の関数として急激に低下することを発見し（上記論文の図２ｃ参照）、さらにこの減少が主に、磁気ナノ粒子の強吸収断面によるものであることも示すことができた。その内部が磁気ナノ粒子で強化された、高分子ビーズといった固体粒子は、その内部において伝搬する光のために同じ減衰を受けるはずである。
【００５３】
例えば、ポリスチレンコアの場合には、磁化可能材料なしのコアの屈折率は１．５９前後になるはずであるが、可視領域内の光学的吸収は基本的に無視できるほどのものである。市販の超常磁性粒子の製造において最も一般に使用される、マグネタイトやヘマタイトといった酸化鉄誘導体は、典型的には、高い屈折率を有し（マグネタイト  〜２．４２、ヘマタイト  〜２．８７−３．２２）、すでに述べたように、可視領域における著しい光学的吸収を示す（ワン等（J. Wang et al.）著「ジャーナル  オブ  アメリカン  セラミック  ソサエティ（J. Am. Ceram. Soc.）８８巻（Vol. 88）」pp. 3449-3454, 2005年、カーカー等（M. Kerker et al.）著「ジャーナル  オブ  コロイド  アンド  インターフェース  サイエンス（J. Colloid. Interface Sci.）７１巻（Vol. 71）」pp. 176-187, 1979年、キム等（K. J. Kim et al.）著「ジャーナル  オブ  コリアン  フィジックス  ソサエティ（J. Korean Phys. Soc.）５１巻（Vol. 51）」pp. 1138-1142, 2007年、マンダール等（S. K. Mandal et al.）著「ラングミュア（Langmuir）２１巻（Vol. 21）」）pp. 4175-4179, 2005年）。したがって、その体積全体にわたる、マグネタイトやヘマタイトといった酸化鉄でドープされたハイブリッド粒子のコアにおいて励起された光学的キャビティモードの光は、磁性材料における強吸収に加えて、コア全体にわたってランダムに分布したポリマー／ＦｅｘＯｙ界面における著しい散乱を被るはずである。これらの界面のランダムな分布により、散乱は、ほとんどの場合、散乱光をそのキャビティモードの伝搬路から逸れさせ、よって、モードの空乏を生じ、これは基本的には、蓄積寿命の短縮、すなわちＱ−因子の低下として有効であり、よって、モードの広がりとして観測可能になる。実施例１で詳述するように、光の吸収は明らかに同じ効果を有する。光学的キャビティモード励起は、典型的には、１００を上回る数のＱ−因子が蛍光ドープされたマイクロ共鳴体の蛍光背景において観測可能になることを必要とし、したがって、そのような極端に不都合な条件の下では不可能であると想定され得るものであり、実際、これまで成し遂げられことがない。
【００５４】
しかし驚くべきことに、本発明の発明者は、図２の構造（Ｉ）の磁性粒子、すなわち、マグネタイトがポリスチレンコア全体にわたって分布した粒子を蛍光性有機色素でドープしたときに、ＷＧＭ観測が、磁化可能材料を欠く粒子の場合と（モードバンド幅の点で）ほとんど同じ品質で観測可能であることを見出した（詳細については、実施例２および実施例３を参照）。よって、この予期しない観測は、位置制御機能を備えるマイクロＷＧＭセンサをもたらし、このマイクロＷＧＭセンサは、基本的にどんな種類の適切な磁気ピンセットとも一緒に使用することができ、したがって、広範な適用の潜在的可能性を有する新しい種類のマイクロ光センサを具現化するものである。
【００５５】
本発明の発明者は、磁気ハイブリッド粒子における光学的キャビティモード励起の事前に推定される障害は様々なやり方で克服することができることに気付いた。例えば、磁性材料は、化学的組成、結晶構造、ならびに粒子のサイズおよび形状に応じて、多くの異なる色として入荷する（例えば、ワン等（ Wang et al.）著「ジャーナル  オブ  アメリカン  セラミック  ソサエティ（J. Am. Chem . Soc.）８８巻（Vol. 88）」pp. 3449-3454, 2005年参照）。よって、適正に選択された励起および蛍光放射波長範囲を用いれば、磁化可能材料を通る高透過率のおそらくはごく小さい窓が、観測可能な光学的キャビティモード励起、すなわち、光学的キャビティモードを蛍光背景から区別するのに広すぎないバンド幅を有する光学的キャビティモードを可能にするように活用され得る。そのような窓の利用の一例として、図３に、マグネタイトドープ・ポリスチレン・ビーズ、すなわち、実施例２および実施例３において使用されるビーズのコロイド懸濁液の光透過率を表す。ビーズ懸濁液はマグネタイトの存在を示す明確な茶色がかった色を示すが、コロイド懸濁液の透過スペクトル１によれば、５１０ｎｍから６７５ｎｍまでの間に比較的高透過率の窓があることが判明する。よって、蛍光色素としてのナイルレッド（図３の放射スペクトル３を参照）と、色素励起のためのＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（図３の励起波長位置２を参照）とを用いて、超常磁性ビーズによって提供されるこの高透過の窓に適合する蛍光励起および放射のための波長領域を見出した。
【００５６】
あるいは、ハイブリッド粒子の構造も、その内部における光学的キャビティモード励起の限界を克服するために活用され得る。図２に示す例示的構造から明らかになるように、磁性材料は全粒子体積を占めない。したがって、光学的キャビティモード励起の種類に応じて、磁化可能材料を回避する粒子の部分だけが、その励起および伝搬のために選択され得る。例えば、ＷＧＭが粒子の中心に向かって急速に減衰する界分布を有する粒子／周囲界面の間近を進むことは周知である（オラエフスキー（A. N. Oraevsky）著「クァンタム  エレクトロニクス（Quant. Electron.）３２巻（Vol. 32）」pp. 377-400, 2002年などを参照）。したがって、十分な厚さ、均質性、および透明度の適切な外部被覆３を適用することによるなど、適切な条件の下では、ＷＧＭはこの被覆の直ぐ内側で励起され、そこで伝わり得る。あるいは、図２の方式ＩＩが与えられた場合、ＦＰＭは、どんな磁化可能材料も存在しないと想定される粒子のコア１内においてのみ励起され得る。その場合、光学的キャビティモードの励起の方法は、低損失モード励起をサポートするように選択することができる。例えば、被覆３において伝搬する光学的キャビティモードには、エバネッセント場結合方式が適用され得る。コア１におけるＦＰＭ励起では、コアは、適切な蛍光物質でドープされていてよく、適切な蛍光物質は（図２の方式ＩＩに従って）コア表面上の磁化可能材料の被覆を通して励起され得る。一般に蛍光物質は、モードの観測のための十分に低い損失を有するモード励起が達成され得るように粒子内部に分布させることができる。また、そのような問題に対処するために複数の蛍光物質が塗布されてもよい。例えば、コア１および被覆３は、ハイブリッド粒子の光学的性質に応じて、異なる励起および／または放射波長領域を有する異なる蛍光物質を含有していてもよい。コア内の蛍光物質は、粒子の外部からの方がより励起しやすい場合もあり、次いで、その蛍光放射によって被覆内の蛍光物質を励起し、それがさらに光学的キャビティモードを励起し、あるいは逆もまた同様であり、すなわち、被覆内の蛍光放射の方がより励起しやすく、次いで、同じ目的でコアの蛍光物質をさらに励起する。
【００５７】
これらの検討により、様々な異なる粒子構造および形状が可能であることが示され、その場合それらの構造および形状では、選択される特定の材料の組み合わせを利用する。以下においては、適切な組み合わせのいくつかの例を、基本方針として図２の２つの主要な方式を用いてさらに説明する。
【００５８】
ａ）図２の方式１または方式２によるハイブリッド粒子、外部被覆３は、光学的キャビティモードを外部からの光の近接場結合によってマイクロ共鳴体内部で生成することができるように選択される。
【００５９】
ｂ）図２の方式１または方式２によるハイブリッド粒子、外部被覆３は蛍光物質を含有し、蛍光物質は適切な励起光によって励起することができる。被覆３は、マイクロ共鳴体内部の、ＷＧＭといった光学的キャビティモードの励起を円滑化するように選択される。
【００６０】
ｃ）図２の方式２によるハイブリッド粒子、コア１は蛍光物質を含み、蛍光物質は磁化可能材料２を通した適切な励起光によって励起することができる。例えば、励起光の波長は、磁化可能材料２がこの波長について低吸収を示すように選択することができる。コア１は、ＦＰＭなど、光学的キャビティモードをマイクロ共鳴体内部で励起することができるように選択される。動作可能波長範囲は、コア１を被包する磁化可能材料２が高い反射率を示し、それによってコア１内部の光学的キャビティモードの発生を促進するように選択することができる。
【００６１】
ｄ）図２の方式１によるハイブリッド粒子、コア１は蛍光物質を含み、蛍光物質は適切な励起光によって励起することができる。コア１および磁化可能材料２は、ＦＰＭなど、光学的キャビティモードをマイクロ共鳴体内部で励起することができるように選択される。吸収を回避し、または少なくとも最小限に抑えるために、蛍光物質の励起および放射の波長範囲は、それらが磁化可能材料２の低吸収の窓に含まれるように選択することができる。
【００６２】
ｅ）図２の方式１または方式２によるハイブリッド粒子、コア１および外部被覆３は蛍光物質を含有し、さらに蛍光物質がコア１と被覆３とで異なり得る。例えば、コア１内の蛍光物質の放射波長範囲の少なくとも一部が外部被覆３の蛍光物質の励起波長範囲と重なっていてよく、逆もまた同様である。
【００６３】
ｆ）図２の方式１または方式２によるハイブリッド粒子、磁化可能材料２は蛍光物質でもある。この場合、磁化可能材料２は外部被覆３にも含有され得る。
【００６４】
ｇ）図２の方式１または方式２によるハイブリッド粒子、磁化可能材料２は蛍光物質でもあり、コアおよび／または外部被覆はさらに別の蛍光物質を含有する。コア１の蛍光物質と外部被覆３の蛍光物質とは相互に異なっていてよく、磁化可能材料２と異なっていてよい。
【００６５】
ｈ）少なくとも１つの構成光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体が方式（ａ）〜（ｇ）のうちの１つに基づくものである光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体のクラスタ。
【００６６】
（ｉｉ）材料の部
本実施形態のマイクロ共鳴体および／またはマイクロ共鳴体のクラスタは、広く入手可能な材料を使用して製造することができる。以下の材料の説明は、本明細書の記述に従って、当業者がマイクロ共鳴体およびマイクロ共鳴体のクラスタを構成することを補助すべく提供するものである。
【００６７】
キャビティ材料：キャビティの製造のために選択され得る材料は、キャビティが動作することになる電磁スペクトルの部分において低吸収を示すものである。蛍光励起の場合には、これはキャビティモードの励起のために選択される蛍光物質の放射スペクトルの領域である。エバネッセント場結合の場合には、これは適用される光源のスペクトル範囲の少なくとも一部である。マイクロ共鳴体のクラスタ、または１個以上のマイクロ共鳴体が実験において使用される場合には、（クラスタを構成する、または異なる単一のマイクロキャビティの）関与する異なるキャビティは、異なる材料から作られていてよく、また、例えばそれらのキャビティの選択的励起を許容すべく異なる蛍光物質でドープされていてよい。また、（１つもしくは複数の）キャビティが不均質の材料で構成されていてもよい。例えば、（１つもしくは複数の）キャビティは磁化可能材料を含有していてもよい。磁化可能材料（またはキャビティの別の種類の目的または機能のために導入された他の任意の材料）は、キャビティ全体にわたって不均質に分布していてもよい。例えば、磁化可能材料（または他の任意の材料）は、高屈折率、散乱断面、吸収といった潜在的に不都合な光学的性質にもかかわらず、キャビティがそれによって動作することになっている光学的キャビティモードの生成をゆがめないように分布していてもよい。一実施形態では、（１つもしくは複数の）キャビティはＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰ量子井戸構造などの半導体量子井戸構造でてきており、半導体量子井戸構造は、適切な放射により励起されるときには、同時にキャビティ材料と蛍光物質として使用することができる。半導体量子井戸構造の典型的な屈折率は約３以上と高く、対応する真空波長と比べて半導体内部の波長が低減されるために、（１つもしくは複数の）キャビティの小型化がさらに助長される。一般に、（１つもしくは複数の）キャビティの小型化を助長するためには、高屈折率のキャビティ材料を選択することが有利である。キャビティ材料としてフォトニック結晶を選択し、結晶の外表面を蛍光物質で被覆するか、あるいは蛍光物質を結晶中に均質的または不均質的に組み込むことも可能である。フォトニック結晶は、励起可能なキャビティモードの数を制限し、許容されるモードを存在させ、許容されるモードの偏光を定義することができる。フォトニック結晶全体にわたるような蛍光物質の分布は、所望のモードのみを励起することをさらに助長することができ、他方、望ましくないモードは不適切な光学的ポンピングにより抑制される。
【００６８】
ある周波数範囲内での光の伝搬を許容しない２次元または３次元の非金属の周期的構造、フォトニック結晶のいわゆる「バンドギャップ」を含むフォトニック結晶の一例が、ヤブロノビッチ（E. Yablonovitch）著「サイエンティフィック  アメリカン（Scientific American）１２月号（Dec. issue）」pp. 47-55, 2001年により示された。光は、周期的非金属構造において分布ブラッグ回折により伝搬を妨げられ、これが様々に散乱する光子の破壊的干渉を生じさせる。そのようなフォトニック結晶の周期性が、点欠陥、例えば、周期構造全体における１つの散乱中心の欠落などにより損なわれた場合、ドープされた半導体のバンドギャップ内で発生する局在化した電子エネルギーレベルと同様の、バンドギャップ内の空間的に制限された許容光学モードが生じ得る。
【００６９】
本発明では、図示の光学的キャビティは球形を有する。そのような球形は極めて有用なものであるが、キャビティは、原則として、関連技術に示されるように、そのキャビティがキャビティモードに対応し得る限り、偏球形状、円柱、多角形形状など、任意の形状を有していてよい。また形状は、モードの励起をキャビティ体積内の単一の、または可算数の平面に制限し得る。
【００７０】
蛍光物質：蛍光物質としては、励起波長λｅｘｃの光を吸収し、続いて放射波長λｅｍ≠λｅｘｃの光を再放射する任意の種類の物質を使用することができる。これによって、（１つもしくは複数の）放射波長範囲の少なくとも一部は、その励起に蛍光物質が使用されることになるキャビティのモードスペクトル内に位置するはずである。実際には、蛍光色素、半導体量子ドット、半導体量子井戸構造、カーボンナノチューブ（クロシェ等（J. Crochet et al.）著「ジャーナル  オブ  ジ  アメリカン  ケミカル  ソサエティ  １２９（Journal of the American Chemical Society 129）」pp. 8058-9, 2007年）、ラマン発光体などを利用することができる。ラマン発光体は、吸収した光子エネルギーを部分的に内部振動モードの励起に使用し、励起光よりも高い波長の光を再放射する物質である。振動がすでに励起されている場合には、放射光もまた入射励起光よりも小さい波長を持ち得るため、振動が消滅する（反ストローク放射）。いずれの場合にも、励起波長の適正な選択により、多くの非金属材料がラマン放射を示し得、そのため、前述のキャビティ材料も、特定の蛍光物質を添加しなくともラマン放射に使用することができる。
【００７１】
以下に本発明において使用され得る蛍光色素の例を、それぞれのピーク放射波長（単位：ｎｍ）と共に示す。ＰＴＰ（３４３）、ＤＭＱ（３６０）、ブチル−ＰＢＤ（３６３）、ＲＤＣ３６０（３６０）、ＲＤＣ３６０−ＮＥＵ（３５５）、ＲＤＣ３７０（３７０）、ＲＤＣ３７６（３７６）、ＲＤＣ３８８（３８８）、ＲＤＣ３８９（３８９）、ＲＤＣ３９０（３９０）、ＱＵＩ（３９０）、ＢＢＤ（３７８）、ＰＢＢＯ（３９０）、スチルベン３（４２８）、クマリン２（４５１）、クマリン１０２（４８０）、ＲＤＣ４８０（４８０／４７０）、クマリン３０７（５００）、クマリン３３４（５２８）、クマリン１５３（５４４）、ＲＤＣ５５０（５５０）、ローダミン６Ｇ（５８０）、ローダミンＢ（５０３／６１０）、ローダミン１０１（６２０）、ＤＣＭ（６５５／６４０）、ＲＤＣ６５０（６６５）、ピリジン１（７１２／６９５）、ピリジン２（７４０／７２０）、ローダミン８００（８１０／７９８）、およびスチリル９（８５０／８３０）。銀被覆マイクロ共鳴体を動作させるためには、３２０ｎｍで励起し、３２０ｎｍより上、例えば約４５０ｎｍ前後などで放射することができるこれらの色素を有することが必要である（国際公開第ＷＯ２００７／１２９６８２号パンフレットなどを参照）。
【００７２】
しかし、銀のシェルで被覆されていないマイクロ共鳴体については、ＵＶ−ＮＩＲ領域で動作する他の任意の色素も同時に、かつ／またはさらに加えて使用することができる。以下にそのような蛍光色素の例を示す。ＤＭＱ、ＱＵＩ、ＴＢＳ、ＤＭＴ、ｐ−テルフェニル、ＴＭＱ、ＢＰＢＤ−３６５、ＰＢＤ、ＰＰＯ、ｐ−クアテルフェニル、エクサライト３７７Ｅ、エクサライト３９２Ｅ、エクサライト４００Ｅ、エクサライト３４８、エクサライト３５１、エクサライト３６０、エクサライト３７６、エクサライト３８４、エクサライト３８９、エクサライト３９２Ａ、エクサライト３９８、エクサライト４０４、エクサライト４１１、エクサライト４１６、エクサライト４１７、エクサライト４２８、ＢＢＯ、ＬＤ３９０、α−ＮＰＯ、ＰＢＢＯ、ＤＰＳ、ＰＯＰＯＰ、ビス−ＭＳＢ、スチルベン４２０、ＬＤ４２３、ＬＤ４２５、カルボスチリル１６５、クマリン４４０、クマリン４４５、クマリン４５０、クマリン４５６、クマリン４６０、クマリン４６１、ＬＤ４６６、ＬＤ４７３、クマリン４７８、クマリン４８０、クマリン４８１、クマリン４８５、クマリン４８７、ＬＤ４８９、クマリン４９０、ＬＤ４９０、クマリン４９８、クマリン５００、クマリン５０３、クマリン５０４（クマリン３１４）、クマリン５０４Ｔ（クマリン３１４Ｔ）、クマリン５１０、クマリン５１５、クマリン５１９、クマリン５２１、クマリン５２１Ｔ、クマリン５２２Ｂ、クマリン５２３、クマリン５２５、クマリン５３５、クマリン５４０、クマリン５４０Ａ、クマリン５４５、ピロメテン５４６、ピロメテン５５６、ピロメテン５６７、ピロメテン５６７Ａ、ピロメテン５８０、ピロメテン５９７、ピロメテン５９７−８Ｃ９、ピロメテン６０５、ピロメテン６５０、フルオレセイン５４８、二ナトリウムフルオレセイン、フルオロール５５５、ローダミン３Ｂ過塩素酸塩、塩化ローダミン５６０、ローダミン５６０過塩素酸塩、ローダミン５７５、ローダミン１９過塩素酸塩、塩化ローダミン５９０、ローダミン５９０テトラフルオロボラート、ローダミン５９０過塩素酸塩、塩化ローダミン６１０、ローダミン６１０テトラフルオロボラート、ローダミン６１０過塩素酸塩、キトンレッド６２０、ローダミン６４０過塩素酸塩、スルホローダミン６４０、ヨウ化ＤＯＤＣ、ＤＣＭ、ＤＣＭスペシャル、ＬＤ６８８、ＬＤＳ６９８、ＬＤＳ７２０、ＬＤＳ７２２、ＬＤＳ７３０、ＬＤＳ７５０、ＬＤＳ７５１、ＬＤＳ７５９、ＬＤＳ７６５、ＬＤＳ７９８、ＬＤＳ８２１、ＬＤＳ８６７、スチリル１５、ＬＤＳ９２５、ＬＤＳ９５０、フェノキサゾン６６０、クレシルバイオレット６７０過塩素酸塩、ナイルブルー６９０過塩素酸塩、ナイルレッド、ＬＤ６９０過塩素酸塩、ＬＤ７００過塩素酸塩、オキサジン７２０過塩素酸塩、オキサジン７２５過塩素酸塩、ヨウ化ＨＩＤＣ、オキサジン７５０過塩素酸塩、ＬＤ８００、ヨウ化ＤＯＴＣ、ＤＯＴＣ過塩素酸塩、ＨＩＴＣ過塩素酸塩、ヨウ化ＨＩＴＣ、ヨウ化ＤＴＴＣ、ＩＲ−１４４、ＩＲ−１２５、ＩＲ−１４３、ＩＲ−１４０、ＩＲ−２６、ＤＮＴＰＣ過塩素酸塩、ＤＮＤＴＰＣ過塩素酸塩、ＤＮＸＴＰＣ過塩素酸塩、ＤＭＯＴＣ、ＰＴＰ、ブチル−ＰＢＤ、エクサライ���３９８、ＲＤＣ３８７、ＢｉＢｕＱスチルベン３、クマリン１２０、クマリン４７、クマリン１０２、クマリン３０７、クマリン１５２、クマリン１５３、フルオレセイン２７、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、スルホローダミンＢ、ＤＣＭ／ピリジン１、ＲＤＣ６５０、ピリジン１、ピリジン２、スチリル７、スチリル８、スチリル９、アレクサフルオル３５０色素、アレクサフルオル４０５色素、アレクサフルオル４３０色素、アレクサフルオル４８８色素、アレクサフルオル５００、およびアレクサフルオル５１４色素、アレクサフルオル５３２色素、アレクサフルオル５４６色素、アレクサフルオル５５５色素、アレクサフルオル５６８色素、アレクサフルオル５９４色素、アレクサフルオル６１０色素、アレクサフルオル６３３色素、アレクサフルオル６４７色素、アレクサフルオル６６０色素、アレクサフルオル６８０色素、アレクサフルオル７００色素、およびアレクサフルオル７５０色素。
【００７３】
例えば少なくとも部分的に重複する放射および励起領域を有する異なる色素の組み合わせが、例えば、（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体の（１つもしくは複数の）動作波長領域を調整し、またはシフトさせるために使用されてもよい。
【００７４】
大部分のレーザ色素などの水不溶性色素はビーズに組み込むのに特に有用であるが、インビトロジェン（インビトロジェン社（Invitrogen Corp.）、米国カリフォルニア州カールスバッド（Calsbad, CA））から入手可能な色素などの水溶性色素は、ビーズの表面を含むビーズの環境を染色するのに特に有用である。
【００７５】
マイクロ共鳴体にドープするための蛍光物質として使用され得る半導体量子ドットは、ウォゴンおよび共同研究者らにより記述されている（アルテミエフおよびウォゴン（M. V. Artemyev and U. Woggon）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Applied Physics Letters）７６巻（Vol. 76）」pp. 1353-1355, 2000年；アルテミエフ等（M. V. Artemyev et al.）著「ナノ  レターズ（Nano Letters）１巻（Vol. 1）」pp. 309-314, 2001年）。それによって量子ドット（例えばＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅなど）を、色素分子の蛍光放射がマイクロ共鳴体キャビティモードを存在させるために利用され得ることを示したクワタゴノカミおよび共同研究者（クワタゴノカミ等（M. Kuwata-Gonokami et al.）著「ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Jpn. J. Appl. Phys.）３１巻（Vol. 31）」pp. L99-L101, 1992年）によって記述されるのと同様の方法で本発明に適用することができる。色素分子に優る量子ドットの主な利点は、退色などの劣化に対する安定性がより高いことである。同じ議論が、例えばＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰでてきている半導体量子井戸構造にも当てはまり、これは退色に対して高い安定性を示し、また蛍光物質としてのみならず、キャビティ材料としても使用できる。
【００７６】
蛍光物質の励起波長λｅｘｃは、必ずしも、その放射波長λｅｍより小さい、すなわちλｅｘｃ＜λｅｍである必要はない。というのは、２倍以上高いエネルギーの光子が放射されることになる前に、所与のエネルギーの２個以上の光子が蛍光物質に吸収される多光子工程を想定することもできるからである。また、前述のように、同様な目的でラマン反ストローク工程が使用されてもよいはずである。
【００７７】
上記の例示のように異なる蛍光物質の組み合わせが、例えば（１つもしくは複数の）光学的キャビティまたは（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体の（１つもしくは複数の）動作波長領域を適合させ、またはシフトさせるために使用されてもよい。これは、例えば適用される異なる蛍光物質の励起波長領域と放射波長領域との適切な組み合わせにより達成され得る。
【００７８】
一般に、蛍光物質は、キャビティ材料中に組み込み、キャビティもしくはマイクロ共鳴体の表面に吸着させ、かつ／またはキャビティもしくはマイクロ共鳴体に近接した環境、例えば、励起されるべきキャビティモードのエバネッセント場内などに配置することができる。分布は、励起される（ことが好ましい）キャビティモードの種類を選択するために使用することができる。例えば、蛍光物質がコア表面の近傍に集中している場合には、ウィスパリング・ギャラリー・モードがファブリペローモードよりも励起される可能性が高い。蛍光物質が光学的キャビティの中心に集中している場合には、ファブリペローモードがより励起しやすい。不均質分布の別の例は、蛍光物質が秩序を持って、すなわち蛍光物質が高度に集中した体積の規則的な２次元または３次元パターンという意味で秩序を持って分布するものである。そのような場合、回折効果が起こり得て、それは、例えば分布フィードバック色素レーザに見出されるのと同様の、キャビティを異なった方向、偏光および／またはモードにおいて励起するのに役立つ。
【００７９】
蛍光物質は、例えば、遷移金属でドープされたＱＤや蛍光ドープされた磁化可能材料についての場合と同様に、さらに磁気機能を持ち得る。蛍光ドープされた磁化可能材料は、例えば、ヘマタイトやマグネタイト粒子といった磁化可能粒子を、蛍光色素や（１つもしくは複数の）ＱＤといった蛍光物質で装飾することによって達成され得る。
【００８０】
磁化可能材料：磁化可能材料は、遷移金属、アルミニウム、それらの複合物といった任意の適切な常磁性材料、超常磁性材料、または強磁性材料とすることができる。さらに、適切な常磁性材料、超常磁性材料、および／または強磁性材料でドープされた他の任意の種類の材料が適用されてもよい。所望の光学的性質と磁気的性質とを同時に提供するのにマナガニーズ（managanese）でドープされた量子ドットが使用されてもよい（マガナ等（D. Magana et al.）著「ジャーナル  オブ  ジ  アメリカン  ケミカル  ソサエティ（J. Am. Chem. Soc.）１２８巻（Vol. 128）」pp. 2931-2939, 2006年、ベソンブ等（L. Besombes et al.）著「アクタ  フィス．  ポロニカ  Ａ（Acta Phys. Polonica A）１０８巻（Vol. 108）」pp. 527-540）。磁化可能材料は、微粒子または粒子、隣接した、または連続した膜または被覆の形で導入され得る。磁化可能材料は、蛍光、ルミネセンス、特異的結合能力、および／または非特異的結合に対する抵抗性といった所望の光学的または生体機能的性質を導入するために、（１つもしくは複数の）蛍光物質、（１つもしくは複数の）生体機能的材料といった他の種類の材料を用いてさらに被覆され、または機能化され得る。
【００８１】
シェル：キャビティおよび／またはキャビティもしくはマイクロ共鳴体のクラスタはシェルに組み込まれていてもよく、シェルは、均一な厚さを有していても、均一な厚さを有していなくてもよい。シェルは、図３に示す磁性粒子の任意選択の被覆３の一部、そのコア１、磁化可能材料２の一部とすることもでき、追加して導入されてもよい。シェルは、磁化可能材料を含有していてよく、選択された（１つもしくは複数の）蛍光物質の（１つもしくは複数の）励起波長領域λｅｘｃの少なくとも一部において十分な透過性を示す任意の材料（金属、誘電体、半導体）からなってよい。また、シェルは、例えば（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体および／またはマイクロ共鳴体の（１つもしくは複数の）クラスタの表面を、所望の位置および／または領域のみにおいて透明にするため、あるいは、別の例を挙げると、選択的な（生体）機能化を容易にするために、所望の性質を有する異なる材料からなってもよい。シェルが磁化可能材料を含有する場合には、シェルは、その光学的または生体機能的な性質や（１つもしくは複数の）機能といった他のシェル機能をゆがめることのないように、位置決めされ、または分散され得る。半導体の場合には、シェルは、励起波長が考慮される半導体のバンドギャップに対応する波長よりも高いときに透明になる。金属については、例えば、それを超えると金属の伝導電子が通常は電磁放射の吸収に寄与しなくなる、金属のプラズマ振動数を利用することなどにより高い透明性が達成され得る。有用な金属の中には、アルミニウム、および銀、金、銅、チタン、クロム、コバルトなどの遷移金属がある。シェルは、例えば蒸着やスパッタリングにより製造されるような連続したものとすることができ、あるいは、多くの場合、コロイド金属粒子の沈着に続けて無電解メッキを行うことにより達成されるような隣接したものとすることもできる（ブラウンおよびナタン（Braun and Natan）著「ラングミュア  １４（Langmuir 14）」pp. 726-728, 1998年、ジ等（Ji et al.）著「アドバンスト  マテリアルズ（Advanced Materials）１３巻（Vol. 13）」pp. 1253-1256, 2001年、カルテンポス等（Kaltenpoth et al.）著「アドバンスト  マテリアルズ（Advanced Materials）１５巻（Vol. 15）」pp. 1113-1118, 2003年）。またシェルの厚さも、数ナノメートルから数百ナノメートルまで変化し得る。唯一の厳しい要件は、シェルの反射能を、所望のスペクトル範囲において、Ｑ＞１の値を持つＱ−因子を可能とするのに十分な高さとすることである。球体キャビティにおけるＦＰＭについては、Ｑ−因子はシェル４の反射率から（またはその逆も可）次式により計算することができる。
【００８２】
【数５】
2013527428.tif 000007
【００８３】
式中、Ｒｓｈは、λｍにおけるシェルの反射率であり、λｍは、キャビティモードｍの波長である。
【００８４】
生体機能性被覆：（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体またはマイクロ共鳴体のクラスタは、その（生体）力学的および／または（生）化学的機能を円滑化する（生体）機能性被覆で被覆されていてもよい。例えば、これらは所望の細胞反応を開始させ、または生体力学的および／もしくは生化学的検知を円滑化するための特異的検体で機能化されていてもよい。生体機能性被覆は、（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体のシェルまたは図３に示す磁性粒子の任意選択の被覆３の一部とすることもでき、追加して導入されてもよい。したがって、生体機能性被覆は、生体機能的な性質または（１つもしくは複数の）機能であることに加えてさらに、少なくとも一時的に、光学的または磁気的性質も帯び得る。これも、例えば、光学的に（例えば蛍光やルミネセンスによって）、かつ／または磁気的にラベル付けされた（生体）分子を使用することによって達成され得る。簡潔にするために、以下では、マイクロ共鳴体またはマイクロ共鳴体のクラスタを「センサ」と呼ぶ。
【００８５】
センサに特異的検体についての選択性を持たせるためには、センサ表面を、タンパク質、ペプチド、核酸といった、検体を（好ましくは可逆的に）結合することのできるカップリング剤で被覆することが好ましい。カップリング剤を接合させる方法は、ポリマー、無機材料（シリカ、ガラス、チタンなど）、金属表面といった種々の表面について当業者には周知であり、これらの方法は本発明のセンサ表面を誘導体化するのにも同等に好適である。例えば、遷移金属被覆（金、銀、銅、チタン、クロム、コバルト、ならびに／またはそれらの合金および／もしくは組成物など）の場合、本発明のセンサは、チオール化学を使用することにより化学的に修飾することができる。例えば金属被覆された非金属コアは、センサ表面をアミノ基で修飾するために、アミノエタンチオールといったアミノ基を有するチオール分子の溶液中に懸濁させることができる。次いで、ｐＨ７〜９の緩衝溶液に懸濁されたＮ−ヒドロキシスクシンイミドで修飾されたビオチンが、ＥＤＣにより活性化され、あらかじめアミノ基により修飾されたセンサ懸濁液に添加される。その結果、金属被覆された非金属コアがビオチンで修飾されるようにアミド結合が形成される。次いで、４つの結合部位を備えるアビジンまたはストレプトアビジンをビオチンに結合することができる。次いで、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、他の任意のリガンドといった任意のビオチン誘導化生体分子を、アビジン修飾金属被覆非金属コアの表面に結合することができる。
【００８６】
別法として、アミノ末端化表面を水性グルタルジアルデヒド溶液と反応させてもよい。センサ懸濁液を水で洗浄した後、タンパク質またはペプチドの水溶液に曝し、それらのアミノ基を介した生体分子の共有結合を促す（ダヒント等（R. Dahint et al.）著「アナリティカル  ケミストリー（Anal. Chem.）６６巻（Vol. 66）」pp. 2888-2892, 1994年）。センサが、最初に例えばメルカプトウンデカン酸のエタノール溶液に曝すことによりカルボキシ末端化される場合には、その末端官能基をＥＤＣおよびＮ−ヒドロキシスクシンイミドの水溶液を用いて活性化することができる。最終的に、タンパク質またはペプチドは、水溶液からそれらのアミノ基を介して活性化表面に共有的に結合される（ヘルウェルズ等（Herrwerth et al.）著「ラングミュア２００３（Langmuir 2003）１９巻（Vol. 19）」pp. 1880-1887, 2003年）。
【００８７】
同様に、アルミニウムといった他の金属で被覆されたセンサ、および非金属センサも特異的に機能化することができる。例えばアルミニウムは、カルボキシル基を含む分子で機能化することができ、その場合カルボキシル基は、前述のチオールと同様に、さらなる生体機能化のための結合基の役割を果たし得る。表面機能化のための関連する種類の化学反応が、幅広い金属、半導体、およびその酸化物に利用可能である。遷移金属表面の機能化について前述したチオール化学と同様に、アミノ、メルカプト、ヒドロキシ、またはカルボキシ末端のシロキサン、リン酸、アミン、カルボン酸またはヒドロキサム酸といった適当な種類のカップリング剤を、センサ表面の化学的機能化のために利用することができ、次いでこれに基づいて、生体分子の結合を、前述のように、または上記の例と同様に達成することができる。適当な表面化学反応は文献において見出すことができる（例えば、ウルマン（A. Ulman）著「ケミカル  レビュー（Chem. Rev.）９６巻（Vol. 96）」pp. 1533-1554, 1996年および同文献の参照文献を参照）。
【００８８】
センサを機能化する別の戦略は、高分子被覆の使用に関連するものである。例えば、ＰＳＳ、ＰＡＡ、ＰＡＨといった高分子電解質（ＰＥ）を、文献（デッチャー（G. Decher）著「サイエンス（Science）２７７巻（Vol. 277）」pp. 1232ff, 1997年、ロッシュ等（M. Losche et al.）著「マクロモレキュールズ（Macromol.）３１巻（Vol. 31）」pp. 8893ff, 1998年）に記載されるように使用して、アミノ（ＰＡＨ）基やカルボキシル（ＰＡＡ）基といった高密度の化学的官能価を備えるセンサ表面を実現することができる。次いで、例えば前述したのと同じ結合化学反応をこれらのＰＥ被覆センサに適用することができる。この技法は、一般に、おそらくは前述のような適切なカップリング剤と組み合わせて、金属または非金属表面を有するあらゆる種類のセンサに適用することができる。
【００８９】
表面および粒子における生体特異的相互作用を制御し、同定する際の一般的問題は、非特異的吸着である。この障害を克服する一般的技法は、非特異的吸着部位をブロックするために、機能化表面を他の強く付着する生体分子（例えばＢＳＡなど）に曝すことに基づくものである。しかし、この手法の効率性は、研究対象の生体系に依存し、溶存種と表面結合種との間で交換が発生し得る。さらには、非特異的に吸着した生体分子の除去には多くの洗浄ステップが必要とされ、よって親和性の低い特異的結合事象の同定が阻害される可能性がある。
【００９０】
この問題の解決法は、カップリング剤を、ポリ−（ＰＥＧ）やオリゴ（エチレングリコール）（ＯＥＧ）の被覆のような不活性材料へ組み込むことである。生体特異的認識要素をＯＥＧ末端化被覆へ組み込むための最も一般的な技法は、タンパク質耐性ＥＧ分子とカップリング剤の結合に好適な（またはカップリング剤自体を含む）第２の機能化分子種からなる２元溶液からの共吸着に基づくものである。別法として、カップリング剤の表面グラフト末端機能化ＰＥＧ分子への直接結合も報告されている。
【００９１】
最近では、ＣＯＯＨ−機能化ポリ（エチレングリコール）アルカンチオールが合成され、これは金表面に密充填単一層を形成する。生体特異的受容体の共有的結合の後、被覆は事実上非特異的相互作用を抑制し、一方で高い特異的認識を示す（ヘルウェルズ等（Herrwerth et al.）著「ラングミュア（Langmuir）１９巻（Vol. 19）」pp. 1880-1887, 2003年）。
【００９２】
表面において固定化される結合体は、（特定の標的オリゴヌクレオチドまたはＤＮＡ、例えば、単一ヌクレオチド多形（ＳＮＰ）を含み得る遺伝子の特定の配列範囲など、あるいは炭水化物に対合する）抗体などのタンパク質、（オリゴ−）ペプチド、オリゴヌクレオチドおよび／またはＤＮＡ切片とすることができる。非特異的相互作用を低減するために、結合体は好ましくは不活性マトリックス材料中に組み込まれる。
【００９３】
位置制御機能：本発明のセンサは、リモートセンサとして利用されてもよく、したがって、例えば、細胞といった選択された標的とのそれらの接触および／または相互作用を制御するために、外的手段によるそれらの位置および／または移動の制御を必要とし得る。そのような制御は様々な手段によって達成され得る。例えば、センサに磁性が付与され、（１つもしくは複数の）センサを方向付けるために電磁力が印加されてもよい（リュー等（C. Liu et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９０巻（Vol. 90）」pp. 184109/1-3, 2007年）。例えば、鉄化合物といった磁性材料を含む常磁性および超常磁性高分子ラテックス粒子が、様々な供給元から市販されている（ダイナビーズ（DynaBeads）、インビトロジェン社（Invitrogen Corp.）や、ＢｉｏＭａｇ／ＰｒｏＭａｇマイクロ球体（BioMag/ProMag microspheres）、ポリサイエンス社（Polysciences）、米国ペンシルベニア州ウォリントン（Warrington, PA）など）。磁性材料が、典型的にはポリスチレンでできている高分子マトリックス材料中に組み込まれているため、そのような粒子は、下記の実施例で説明する非磁性ＰＳビーズとしての光学的キャビティ・モード・センサと同じ、または類似した方法にて使用され得る。別法として、あるいはこれに加えて、磁性材料／機能を、（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体のシェルおよび／またはそれらの（生体）機能性被覆に持たせてもよい。
【００９４】
さらに、位置制御は、光ピンセットによって媒介されてもよい（モフィット等（J.R.Moffitt et al.）「アニュアル  レビュー  オブ  バイオケミストリー（Annu. Rev. Biochem.）７７巻（Vol. 77）」pp. 205-228, 2008年）。そのような場合、光ピンセットの（１つもしくは複数の）レーザ波長は、センサを動作させるのに使用される（１つもしくは複数の）蛍光物質の（１つもしくは複数の）励起および／または放射波長範囲に一致するように選択されても、一致しないように選択されてもよい。例えば、（１つもしくは複数の）蛍光物質（の一つ）の（選択的）励起のためにも光ピンセットの動作波長を使用することが望ましい場合もあるはずである。磁気的ピンセットに優る光ピンセットの１つの利点は、いくつかの異なるセンサが同時に個別的に制御され得ることである（ミオ等（C. Mio et al.）著「レビュー  オブ  サイエンティフィック  インストルメンツ（Rev. Sci. Instr.）７１巻（Vol. 71）」pp. 2196-2200, 2000年）。
【００９５】
他の方式では、センサの位置および／または動きは、音波（タン等（M.K. Tan et al.）著「ラボチップ（LabChip）７巻（Vol. 7）」pp. 618-625, 2007年）、（２次元）電気泳動（デューヒンおよびデリャーギン（S. S. Dukhin and B. V. Derjaguin）著「エレクトロキネティック  フェノミナ（Electrokinetic Phenomena）」ジョン  ワイリー  アンド  サンズ（John Wiley & Sons）、ニューヨーク（New York）1974年、モーガンおよびグリーン（H. Morgan and N. Green）著「ＡＣ  エレクトロキネティクス（AC Electrokinetics）：コロイド  アンド  ナノパーティクルズ（colloids and nanoparticles）」、リサーチ  スタディ  プレス（Research Studies Press）、バルドック（Baldock）、2003年；ポール（H. A. Pohl）著「ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（J. Appl. Phys.）２２巻（Vol. 22）」pp. 869-671, 1951年、液滴駆動（チャオおよびチョ（Y. Zhao and S. Cho）著「ラボチップ（LabChip）６巻（Vol. 6）」pp. 137-144, 2006年）によって、ならびに／または所望の寸法および／または機能の粒子および／または細胞の選別／採集もおそらくは可能とし得るマイクロ流体装置によっても制御され得る（ハート、シェーンフェルド（S. Hardt, F. Schoenfeld）編「マイクロフルイディック  テクノロジーズ  フォー  ミニチュアライズド  アナリシス  システムズ（Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems）」、スプリンガー（Springer）、ニューヨーク（New York）、2007年）。
【００９６】
また、機械的ピンセットを、例えば圧力差の適用により粒子を固定したり解放したりすることのできるマイクロキャピラリを用いて、（１つもしくは複数の）センサの位置制御のために使用してもよい（ヘラント等（M. Herant et al.）著「ジャーナル  オブ  セルサイエンス（J. Cell Sci.）１１８巻（Vol.118）」pp. 1789-1797, 2005年）。この手法の利点は、例えば細胞検知実験において、センサおよび細胞が同じ器具を使用してを操作され得ることである（ヘラント等（M. Herant et al.）参照）。また、前述の方式のうちの２つ以上の組み合わせが、（１つもしくは複数の）センサおよび／または（１つもしくは複数の）標的の位置制御に適する場合もある。
【００９７】
励起光源：光学的キャビティモード励起のための光源の選択は適用される励起方式に依存する。光カプラまたは集光ビームによるエバネッセント場結合による励起（オラエフスキー（A. N. Oraevsky）著「クァンタム  エレクトロニクス（Quant. Electron.）３２巻（Vol. 32）」pp. 377-400, 2002年参照）では、放射波長範囲は、キャビティの動作の所望のスペクトル領域と一致すべきである。蛍光放射による励起では、光源は、その放射が蛍光物質の励起周波数範囲ωｅｘｃ内に含まれるように選択される必要がある。放射出力は、マイクロキャビティまたはマイクロキャビティのクラスタの励起の過程で発生し得る損失（放射損、減衰、吸収、散乱）を過補償し得るようなものとすべきである。実際には、タングステンランプや水銀ランプといった熱源が適用され得る。その放射分布がより狭いレーザまたは高出力発光ダイオードが、好ましくは、試料および環境の加熱を最小限に抑えるために適用される。例えば、エバネッセント場結合方式の場合などには、光学的キャビティモードの検出を容易にするために狭帯域の同調可能な光源が適用され得る。適正に選択された、例えばオーバーラップしない励起周波数範囲を有するいくつかの蛍光物質が利用される場合には、複数の単一光源または切換え可能な放射波長範囲を有する単一光源が、個々のマイクロキャビティまたはマイクロキャビティのクラスタが、例えば、読出し工程をさらに円滑化するためや、基準測定のためなどに、選択的に対処されるように選択され得る。さらに、蛍光性マイクロキャビティは、キャビティの誘導放射のために閾値より上で動作し得る。そのような場合、動作キャビティモードのバンド幅はさらに狭くなり、よって、そのクオリティ因子が改善される（クワタゴノカミ等（M. Kuwata-Gonokami et al.）著「ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Jpn. J. Appl. Phys.）第２部（Part 2）３１巻（Vol. 31）」pp. L99ff.）。この種の動作は、セクション４．２．１〜３の基本方式に特に有用となる。
【００９８】
励起方式にかかわらず、好ましい光源は、タングステンランプや水銀ランプといった熱源、およびガスレーザ、固体レーザ、レーザダイオード、ＤＦＢレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった非熱源である。（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体またはマイクロ共鳴体の（１つもしくは複数の）クラスタの励起では、ＬＥＤは、好ましくは、その放射の少なくとも一部が、適用される（１つもしくは複数の）蛍光物質（のうちの少なくとも１つ）の励起周波数範囲ωｅｘｃ内に含まれるように選択することができる。放射出力は、マイクロ共鳴体の励起の過程で発生し得る損失（放射損、減衰、吸収、散乱）を過補償し得るようなものとすべきである。適切に選択された、例えばオーバーラップしない、または一部オーバーラップする励起周波数範囲を有するいくつかの蛍光物質が利用される場合には、複数のＬＥＤが、個々のマイクロ共鳴体またはマイクロ共鳴体のクラスタが、例えば、読出し工程をさらに円滑化するためや、基準測定のためなどに、選択的に対処されるように選択され得る。例えば、クラスタ内の単一のマイクロ共鳴体だけに対処することが望ましい場合もある。さらに、ＬＥＤのうちの少なくとも１つの励起出力が、利用される（１つもしくは複数の）マイクロ共鳴体またはマイクロ共鳴体の（１つもしくは複数の）クラスタのうちの少なくとも１つが、少なくとも一時的には、励起される光学的キャビティモードのうちの少なくとも１つのレーザ閾値より上で動作するように選択されてもよい。
【００９９】
光学的キャビティモードの光学的検出：（１つもしくは複数の）マイクロキャビティまたはその（１つもしくは複数の）クラスタの光学的キャビティモードの検出は、適用される励起方式に依存する。エバネッセント場結合方式の場合には、当業者に公知のように励起光の損失がモニタされ得る（フォルマー等（F. Vollmer et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８０巻（Vol. 80）」pp. 4057ff., 2002年などを参照）。あるいは、（１つもしくは複数の）マイクロキャビティまたはその（１つもしくは複数の）クラスタから放射され、または散乱する光が、１つもしくは複数の分散素子、例えば回折素子および／または干渉素子によってスペクトル分析されてもよい。任意選択で、その分析の前に、放射され、または散乱する光は、当業者に公知の任意の種類の集光光学系によって収集されてもよい。例えば、放射は、適切な開口数の顕微鏡対物レンズおよび／または他の任意の種類の適切な遠視野光学系や、光ファイバ、導波路構造、集積光学デバイス、近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）の開口、あるいはこれらの適切な組み合わせによって集めることができる。特に、集光光学系は、信号の検出のための遠視野および／または近接場の態様を利用し得る。その場合、集められた光は、回折素子および／または干渉素子に基づく任意の種類の適切な分光学的装置によって分析することができる。また、放射され、または散乱する光の直接干渉が、例えば、ＣＣＤカメラまたは別の種類の空間分解検出器によって記録された干渉パターンなどによって分析されてもよい。例えば、共焦点蛍光顕微鏡は、レーザ光による蛍光励起を高開口数の蛍光放射の集合体と組み合わせた後で、蛍光放射のフィルタリングおよびスペクトル解析を行う。そのような計器は生化学および生物学の研究において使用されることが多いため、本発明を実施するのに好都合なツールを提供し得る。別の好適な計器は例えばラマン顕微鏡であり、これもやはりレーザ励起および顕微鏡からの高開口数の光信号の集合体をスペクトル解析と組み合わせる。さらに、どちらの種類の計器も、スペクトル解析とイメージングとを同時に可能にし、そのため、マイクロ共鳴体の動作の過程におけるその（１つもしくは複数の）位置の追跡を容易にする。そのようなイメージング情報が不要である場合には、蛍光プレートリーダといった別の種類の装置も適用できる。
【０１００】
（ｉｉｉ）実施形態
以下で本発明の実施形態を説明する。
【０１０１】
Ｉ．磁力による位置制御を備える自由に移動できる光学的マイクロキャビティ
磁化可能材料を含有する光学的マイクロキャビティであり、マイクロキャビティは、流体といった適切な媒体中を（自由に）移動することができ、その位置は、少なくとも一時的には、磁気ピンセットによるなど、外部の磁力によるその磁化可能材料の磁化によって制御され得る。光学的マイクロキャビティは、その内部における光学的キャビティモード励起によって生成された光を所望の位置へ送るためなど、様々な目的で使用することができる。また、光学的マイクロキャビティは、所望の位置における、または所望の位置間での光学的検知の工程を媒介するのに使用することもできる。光学的マイクロキャビティの別の用途（イルチェンコおよびマッコ著「ＩＥＥＥ  ジャーナル  オブ  セレクテッド  トピックス  イン  クァンタム  エレクトロニクス（IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.）１２巻（Vol. 12）」pp. 15ff., 2006年、オラエフスキー（A. N. Oraevsky）著「クァンタム  エレクトロニクス（Quant. Electron.）３２巻（Vol. 32）」pp. 377-400, 2002年などを参照）によれば、光学的マイクロキャビティは、所望の位置においてレーザ、光学フィルタ、スイッチ、および変調器として使用されてもよい。この位置は、マイクロキャビティの適用の過程で変更されてもよく、マイクロキャビティを使用する目的が変更されてもよい。よって、マイクロキャビティは、ある位置で１つもしくは複数の目的で使用され、別の位置で同じ目的または別の目的で使用されてもよい。
【０１０２】
ＩＩ．磁力による位置制御を備える自由に移動できる光学的マイクロキャビティのクラスタ
光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体のクラスタであり、光学的キャビティまたはマイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つが磁化可能材料を含有する光学的マイクロキャビティである。クラスタは、流体といった適切な媒体中を（自由に）移動することができ、その位置は、少なくとも一時的には、磁気ピンセットによるなど、外部の磁力によるその磁化可能材料の磁化によって制御され得る。クラスタまたはそれを構成する光学的キャビティもしくはマイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つは、その内部における光学的キャビティモード励起によって生成された光を所望の位置へ送るためなど、様々な目的で使用することができる。また、クラスタまたはその構成要素のうちの少なくとも１つは、所望の位置における、または所望の位置間での光学的検知の工程を媒介するのに使用することもできる。クラスタまたはその構成要素のうちの少なくとも１つは、所望の位置において（１つもしくは複数の）レーザ、光学フィルタ、スイッチ、および変調器としてさらに使用されてもよい。この位置は、クラスタの適用の過程で変更されてもよく、クラスタを使用する目的が変更されてもよい。よって、クラスタは、ある位置で１つもしくは複数の目的で使用され、別の位置で同じ目的または別の目的で使用されてもよい。
【０１０３】
ＩＩＩ．磁力により自由に移動できる光学的マイクロキャビティによって形成された光学的マイクロキャビティのクラスタ
磁化可能材料を含有する光学的マイクロキャビティのクラスタ。異なる光学的マイクロキャビティの磁化可能材料は異なり得る。クラスタは、磁力の印加によりその構成光学的マイクロキャビティから形成される。例えば、個々のマイクロキャビティは、例えば所望の検体の収集などのための検知工程の過程などにおいて、流体中に自由に浮遊していてもよい。磁力の切換え（例えば、オン・オフ、増加、減少、交番磁界、変動磁界、ＤＣオフセットを用いた交番磁界など）の後で、個々の光学的マイクロキャビティは集まってクラスタを形成する。この工程は可逆的とすることもでき、印加される（１つもしくは複数の）磁界に依存し得る。
【０１０４】
ＩＶ．磁化材料と相互作用する光学的マイクロキャビティまたは光学的マイクロキャビティのクラスタ
磁力によりその環境中の磁化材料と相互作用する光学的マイクロキャビティまたはそのクラスタ。光学的マイクロキャビティまたはそのクラスタは移動することも、静止することもある。例えば光学的マイクロキャビティまたはそのクラスタは表面上で静止し得る。磁化材料との相互作用は、（１つもしくは複数の）変換機構（のうちの１つ）として光学的キャビティモード励起を適用する検知工程を助長し、またはその一部とすることができる。磁化材料との相互作用は、検知工程のキネティックスおよび／または感度を変更し得る。例えば磁化材料との相互作用は、例えば、非特異的結合の抑制によって、かつ／または特異的結合を補助することによって、特異的検知工程の特異性を助長し得る。例えば磁化材料との相互作用は、所望の検知工程を動力学的に有利にし得る。そのような関連した機能が、例えば、所望の材料に付着させた、または所望の材料に組み込まれた磁化可能粒子の適用などによって促進され得る。
【０１０５】
上記実施形態は基本例にすぎず、当業者によって容易に変更され、組み合わされ得る。
【０１０６】
（ｉｖ）実施例
実施例１
マグネタイト結晶子を横断する光学的キャビティモードのＱ−因子
この実施例は、厚さわずか１０ｎｍの単一のマグネタイト結晶子が、結晶子を通る軌道で光学的キャビティモードのＱ−因子をどのようにして損ない得るかを示すものである。
【０１０７】
可視領域におけるマグネタイト結晶子の吸収に関するデータについて、キム等（K. J. Kim et al.）著「ジャーナル  オブ  コリアン  フィジックス  ソサエティ（J. Korean Phys. Soc.）５１巻（Vol. 51）」pp. 1138-1142, 2007年の最近の発表を参照する。前記論文の図４に、スペクトル偏光解析法によって求められたマグネタイト薄膜の誘電関数ε２の虚部が表されている。これにより、２〜３ｅＶの光子エネルギーについて、ε２＞３であることがわかる。これらの光子エネルギーは、６２０〜４１３ｎｍの真空波長に対応し、よって、対象とするスペクトル領域に対応する。
【０１０８】
マグネタイトの屈折率の実部は２．４２になる（http://www.mindat.orgなどを参照）。
誘電関数ε２の虚部と複素屈折率
【０１０９】
【数６】
2013527428.tif 000008
【０１１０】
との関係は、光学の教則本によれば、次式で与えられる。
【０１１１】
【数７】
2013527428.tif 000009
【０１１２】
その場合、ランベルト・ベールの法則の吸光係数Λは、
【０１１３】
【数８】
2013527428.tif 000010
【０１１４】
で与えられ、式中、λ０は、考察対象の真空波長である。例えば、２ｅＶの光子エネルギーでは、λ０≒６２０ｎｍである。
【０１１５】
したがって、対象とするスペクトル領域についての最悪の場合としてε２＝３＠６２０ｎｍを仮定すると（４１３〜６２０ｎｍ、キム等（K. J. Kim et al.）の図４を参照）、０．０１２６／ｎｍの最小吸光係数が与えられる。これは、わずか１０ｎｍの厚さのマグネタイト結晶子における１１．８％の波長λ０＝６２０ｎｍの光ビームの減衰に対応する。
【０１１６】
そのような結晶子が６２０ｎｍのモード位置を有する光学的キャビティモードの軌道内へ配置されると仮定した場合、また他のすべての損失源（他のキャビティ損失ならびに結晶子表面における反射率）を無視した場合に、モードは、一往復後に、ＷＧＭでは１１．８％、ＦＰＭでは２３．６％減衰されるはずである。というのは、ＦＰＭでは、完全に往復するのに結晶子を２回通過するはずだからである。クオリティ因子の定義（式１）によれば、これは、最善で、ＷＧＭでは１／０．１１８＝８．５の、ＦＰＭでは１／０．２３６＝４．２のクオリティ因子を与える。式１によれば、対応するモードバンド幅は、それぞれ、ΔλＷＧＭ＝７３．２ｎｍと、ΔλＦＰＭ＝１４６．３ｎｍとになるはずである。
【０１１７】
光学的キャビティモード動作のために適用される典型的な蛍光物質の蛍光放射のバンド幅は、典型的には、（大部分のＱＤについては）二三十ナノメートルから（大部分の有機色素については）数十ナノメートルの範囲内である。よって、その軌道内にマグネタイト結晶子が存在することによって生じる、モードのバンド幅は、蛍光物質の蛍光背景全体のバンド幅に匹敵し、またはそれを上回りさえするものになるはずであり、よって、もはや識別できなくなるはずである。
【０１１８】
エバネッセント場結合といった代替の励起方式は、典型的には、例えばＦＳＲ＜１ｎｍなど、非常に小さいＦＳＲを有する光学的マイクロキャビティに適用される。そのような場合には、明らかに、前述のモードの広がりが、異なる光学的キャビティモードをオーバーラップさせ、よって、それらの光学的キャビティモードを識別できなくするはずである。
【０１１９】
総じて、結果の示すところによれば、マグネタイトまたは関連した磁化可能材料でドープされたマイクロキャビティにおける光学的キャビティモード励起は、先験的には、無益な試みであるように思われる。
【０１２０】
実施例２
蛍光ドープされた超常磁性マイクロ球体の調製
この実施例は、蛍光ドープされた超常磁性ビーズが、市販の超常磁性高分子ビーズからどのようにして調製され得るかを示すものである。
非蛍光性高分子ビーズからの蛍光ドープされた高分子ビーズの調製のための手順は文献に記載されている（フランソワおよびヒンメルハウス（ネットワーク上で入手可能な、A. Francois and M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス（Appl. Phys.）９４巻（Vol. 94）」pp. 031101/1-3, 2009年の実験の項などを参照）。それによって、微小粒子を含む水相と飽和に近い濃度の色素を含む非水相とからなる液二相系を形成する。色素溶液の溶媒が蒸発するとき、残りの溶液は過飽和し、よって、粒子が溶媒／水界面と短時間ランダムに接触する間に色素が粒子中へ押し込まれ、粒子が押し込まれるのは主に対流およびブラウン運動によるものである。
【０１２１】
水相中の粒子を撹拌し続けるために、典型的には磁気撹拌機を利用するが、これは常磁性ビーズの場合には利用できない。というのは、磁気撹拌機は、撹拌機の近傍においてビーズを凝集させ、それによって、ビーズと色素溶液／水界面との接触を妨げるからである。
【０１２２】
この問題を克服するために、図２に示す非磁気撹拌機を設置し、バングズ  ラボラトリーズ社（Bangs Laboratories, Inc.）、米国インディアナ州フィッシャー（Fisher, IN）製の８μｍコンペル（Compel）常磁性ポリスチレンビーズのインキング工程に適用した。
【０１２３】
長さ約１．２５ｍｍの２４個の歯を備える外径約１３ｍｍの黄銅歯車１を軸５に取り付け、軸５をさらに連結器６を介して、電気接点８を有する直流マイクロモータ７（モデルHS-GM21-ALG、エス・ティー・エル・ジャパン（S.T.L.Japan））の軸に接続する。接点８は、モータを駆動するのに適した電源（０．７〜７．２Ｖ直流）に接続する。モータはさらにギアボックスを含み、ギアボックスは、モータ速度を、電圧設定に応じて４５００〜１４２５０回転／分から６０〜１９０回転／分へ低減し、ビーカー４がモータ７の下に配置され、歯車１がビーカー４の内側底部の約１０〜２０ｍｍ上方に位置決めされるように、機械式ホルダ９に固定される。軸５の不適切なアラインメントによる、よって二相界面の望ましくないゆがみによるモータ動作時の歯車１の歳差運動を抑制するために、ナイロンでできたさらに別の軸受１０を、ビーカーの直ぐ上に配置し、軸５の安定化のために機械式ホルダに固定する。
【０１２４】
ビーカーを、まず、超常磁性マイクロ球体（コンペル（Compel）常磁性ビーズ、公称直径８μｍ、５ｗｔ％固形分、カタログコードＵＭＣ４Ｎ、ロット８６１０、バングズ  ラボラトリーズ社（Bangs Laboratories, Inc.）、米国インディアナ州フィッシャー（Fishers, IN））の高希釈懸濁液２（１０ｍＬの脱イオン水中の１５０ｍＬのネイティブビーズ懸濁液）で満たし、次いで、水性懸濁液の上に飽和ＮＲ／キシレン溶液３を入れて前述の二相系を形成する。電源を５Ｖ直流に設定し、その結果、軸受１０内の軸５の多少の摩擦により歯車１が適当な速度になった。
【０１２５】
溶液を、キシレンが蒸発するまで終夜撹拌する。次いで、先行技術（ネットワーク上で入手可能なフランソワおよびヒンメルハウス（A. Francois and M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス（Appl. Phys.）９４巻（Vol. 94）」pp. 031101/1-3, 2009年の実験の項）に記載されているように、超常磁性ビーズだけがさらに使用され、さらに処理されるようにするために、強いネオジム磁石によってビーズ懸濁液をビーカーから集めた。
【０１２６】
実施例３
蛍光ドープされた超常磁性マイクロ球体におけるＷＧＭの励起
この実施例では、実施例としてのＷＧＭを有する光学的キャビティモードを、強吸収散乱磁性材料の存在にもかかわらず蛍光超常磁性高分子ビーズにおいて生成し得ることを証明する。
【０１２７】
材料および方法。８μｍの公称直径を有する実施例１に従って調製されたＮＲドープ超常磁性マイクロビーズの懸濁液１滴を、顕微鏡カバーガラス上に置いた。試料を、ニコン（Nikon）ＴＳ１００倒立顕微鏡の試料台に載せ、これを適切なマイクロビーズの観測および選択、ならびにその励起および検出に使用した。励起には、５３２ｎｍで動作するピコ秒Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（モデルラピッド（Rapid）、ルメラレーザ社（Lumera Lasers）、ドイツ（Germany））を利用した。励起および検出に使用した顕微鏡対物レンズ（ニコン（Nikon）１００×）におけるレーザ出力は、約２０μｍの焦点で２４．７μＷであった。マイクロビーズの蛍光放射の検出では、光を、顕微鏡のカメラポートを通して、冷却ＣＣＤカメラ（アンドール  テクノロジーズ（Andor Technologies）、ベルファスト（Belfast）、モデルＤＵ４４０  ＢＵ）を装着した高分解能モノクロメータ（堀場ジョバンイボン（Horiba Yobin-Ivon）、トライアックス５５０（Triax 550）、６００Ｌ／ｍｍ回折格子、入口スリット幅１０μｍ）の入口スリットまで誘導した。取得設定は、１秒間の露光時間、２０回の蓄積であった。詳細については文献（フランソワ、ヒンメルハウス（A. Francois, M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９４巻（Vol. 94）」pp. 031101, 2009年）を参照するものとする。
【０１２８】
結果。図３には、２つの異なるマクロビーズから得た２つのスペクトル（ａ）および（ｂ）が表されており、第１のスペクトル（ａ）は、光学的キャビティモードの励起を可能とするためのＮＲドープマイクロビーズからのものであり、第２のスペクトル（ｂ）は、ネイティブのマイクロビーズ、すなわち非蛍光超常磁性ビーズ懸濁液からのものである。明らかに、ドープされたビーズは、このサイズ領域における粒子について先行技術（フランソワおよびヒンメルハウス（A. Francois and M. Himmelhaus）著「センサーズ（Sensors）９巻（Vol. 9）」pp. 6836-6852, 2009年）に記載されているものと同様の非常に良いＷＧＭ励起を示しているが、ドープされていない粒子は蛍光放射を全く示していない。これは予測することができたが、茶色がかったビーズによるピコ秒レーザ励起のおそらくは強い吸収が何らかの予期しない影響を生じ得るかどうか若干の懸念があった。しかし、明らかにこれは当てはまらない。
【０１２９】
実施例は、超常磁性ビーズの茶色がかった色にもかかわらず、その内部においてＷＧＭを励起することが可能であることをはっきりと示している。
【符号の説明】
【０１３０】
１  黄銅歯車
２  懸濁液
３  溶液
４  ビーカー
５  軸
６  連結器
７  直流マイクロモータ
８  電気接点
９  機械式ホルダ
１０  軸受
【図１】
2013527428.tif 000011
【図２】
2013527428.tif 000012
【図３】
2013527428.tif 000013
【図４】
2013527428.tif 000014
【図５】
2013527428.tif 000015
【国際調査報告】
2013527428.tif 000016
2013527428.tif 000017