(57)【要約】単一のナノ粒子の検出に適したフォトニック結晶センサが開示される。非常に小さな単一の粒子および単一の分子を検出することができる。センサは示差測定が可能となるようになされ得る。
2008533468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置（例えば９００）であって、
光を入力するための導波路（９２０）と、
前記導波路（９２０）に光学的に結合されるフォトニック結晶スラブ（９１８）とを備え、
前記フォトニック結晶スラブ（９１８）は、複数の穴（９０５）から成る２次元の周期的な格子によって貫通され、該複数の穴（９０５）から成る２次元の周期的な格子は、前記単一のナノ粒子を検出するために調整される格子定数および欠陥穴（９１０）を含み、前記フォトニック結晶スラブ（９１８）は、前記導波路（９２０）から前記光を受けるように動作することができ、かつ動作波長において前記欠陥穴（９１０）内に前記光を閉じ込めるように動作することができる、単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項２】
前記欠陥穴（９１０）を除く、前記複数の穴（９０５）から成る２次元の周期的な格子は、低屈折率の材料で満たされる、請求項１に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項３】
前記欠陥穴（９１０）は、前記低屈折率の材料で満たされる、請求項２に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項４】
前記単一のナノ粒子を含むキャリア液体が、前記欠陥穴（９１０）上に流される、請求項３に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項５】
前記キャリア液体は、前記フォトニック結晶スラブ（９１０）上のマイクロ流体チャネル（１１２０、１１２１、１１２２、１１２３）を用いて、前記欠陥穴（９１０）まで流される、請求項４に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項６】
前記単一のナノ粒子を含むキャリア液体が、前記欠陥穴（９１０）の中に通される、請求項１に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項７】
前記キャリア液体は、前記フォトニック結晶スラブ（９１０）上のマイクロ流体チャネル（１１２０、１１２１、１１２２、１１２３）を用いて、前記欠陥穴（９１０）まで流される、請求項６に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項８】
前記導波路（９２０、１１１０）は従来のリッジ導波路である、請求項１に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項９】
前記単一のナノ粒子は高屈折率の粒子でタグ付けされる、請求項１に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【請求項１０】
多重化を用いて、前記タグ付けされた単一のナノ粒子が検出される、請求項９に記載の単一のナノ粒子を検出するための２次元フォトニック結晶センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のナノ粒子を検出するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２００４年３月１１日付け出願の米国特許出願第１０／７９９，０２０号の一部継続出願である。
【０００３】
背景
分析物の光学的特性、電気化学的特性または物理的特性に基づく多数の化学センサおよび生物学センサが存在する。光学センサは通常、非破壊的で、高感度の検出を提供し、分析物と一般的なバックグラウンドである水とを良好に区別することができる。光学的な手法には、表面プラズモン共鳴、２つの導波路分岐を用いる干渉法、および内部反射に基づく屈折率測定が含まれる。検出される光信号は、光体積にわたって平均された屈折率に比例する。
【０００４】
応用形態によっては、濃度が高い場合であっても、分析のための体積を１ｆＬ未満に制限して、１つまたは複数の分子を単離することが望ましいことがある。通常、光学センサのための分析体積は、動作波長の３乗以上であり、それよりもはるかに大きい場合もある。それゆえ、０．５μｍ〜１．５μｍの一般的な動作波長の場合、分析体積は１ｆＬよりも大きい。一般的な光学センサの場合、検査用の光場は指数関数的に減衰し、これが、光学センサの応答度に影響を及ぼす可能性がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明によれば、格子欠陥を導入することによって、２次元のフォトニック結晶格子からフォトニック結晶センサを形成することができる。これらの２次元フォトニック結晶構造によれば、光場を１ｆＬ未満の分析物体積に閉じ込めることができ、感度が単一分子を検出できるまでになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
フォトニック結晶構造によって、光場が、約１μｍ３未満の体積に確実に閉じ込められるようになる。そのフォトニック結晶構造は、その誘電率が周期性を有するようにパターン化された材料であり、その周期性によって、フォトニックバンドギャップと呼ばれる、禁止周波数または禁止波長範囲を生成することができる。バンドギャップ内に存在するエネルギーを有する光子は、その材料の中を伝搬することができない。フォトニック結晶センサは、フォトニック結晶格子構造内に欠陥を導入することによって、２次元フォトニック結晶格子内または３次元フォトニック結晶格子内に形成することができる。本特許出願において用いるための用語「フォトニック結晶センサ」は、フォトニック結晶を用いて、周囲の材料よりも低い平均電気分極率（average dielectric susceptibility）を有する体積内に光場または光を局在させる光学センサと定義される。そのような体積は、例えば、２次元フォトニック結晶センサ内の欠陥穴である（図１を参照）。本出願において定義されるようなフォトニック結晶センサは、光マイクロキャビティセンサとは区別される（例えば、米国特許第６，６６１，９３８号、第３欄の２６〜３８行を参照）。光マイクロキャビティセンサの場合、感度を高めるには、Ｑファクタ（Ｑ値）を高める必要がある。以下に説明されるように、これは、フォトニック結晶センサの場合には当てはまらない。
【０００７】
本発明による２次元フォトニック結晶格子は、例えば、ＳｉまたはＩｎＰから形成される高屈折率材料のスラブ内に同じ半径の穴をエッチングすることによって構成することができる。ただし、欠陥は、残りの穴とは異なる半径を有する穴である。第３次元の中に光を閉じ込めることは、高屈折率のスラブの上下に、低屈折率の被覆層、通常ＳｉＯ２のような酸化物薄膜または空気を用いることにより達成される。広いフォトニックギャップを生み出すために、穴の半径は通常、０．２ａ〜０．４ａの範囲内にある。ただし、ａは格子定数である。通常、六方対称を有する格子構造が、最も大きなバンドギャップを生成する。
【０００８】
本発明によれば、３次元フォトニック結晶格子は、高い屈折率を有する誘電体ロッドの層から構成することができる。その際、全ての３次元内のフォトニックバンドギャップによって、光の閉じ込めが達成される。
【０００９】
図１を参照すると、本発明による一実施形態では、２次元フォトニック結晶格子構造１１０を用いて、フォトニック結晶センサ１００を構成することができる。フォトニック結晶センサ１００の動作周波数は、穴１１５および穴１１８内の材料の実効屈折率または平均屈折率が増加するのに応じて減少する。フォトニック結晶格子構造１１０は、約２６０ｎｍ（０．５９ａ）厚のＳｉスラブ材料内の約４４０ｎｍの格子定数ａを有する三角形の格子上に、約２５５ｎｍ（０．５８ａ）の直径を有する穴１１５をエッチングすることによって、約１３００ｎｍ〜１６００ｎｍのバンドギャップを有するように構成することができる。欠陥穴１１８の直径を約２５５ｎｍ（０．５８ａ）から約１７６ｎｍ（０．４０ａ）に小さくする結果として、フォトニック結晶センサ１００が形成される。
【００１０】
穴１１５および欠陥穴１１８が約１．００の屈折率の空気で満たされるとき、その動作波長は約１３５０ｎｍである。本特許出願において用いるための用語「動作波長」または「動作周波数」は、光場または光が局在する波長または周波数と定義される。フォトニック結晶センサ１００が、通常約１．５の屈折率と約１０ｎｍの厚みとを有する薄膜でコンフォーマルコーティングされる場合には、通常、穴１１５および欠陥穴１１８内の平均屈折率が増加して、動作波長が約１３６０ｎｍにシフトされる。対象となる大部分の一般的な薄膜はコンフォーマルである。フォトニック結晶センサ１００の表面が親水性であることを保証することによって、水溶液分析のためのコンフォーマル性を助長することができる。タンパク質分析の場合、高分子電解質薄膜堆積技術を用いて、ポリ−ｄ−リシンの連続したコンフォーマルコーティングを作成することができ、それにより表面へのタンパク質の結合が高められる。しかしながら、その薄膜は、薄膜材料が穴１１５および欠陥穴１１８に入りさえすれば、コンフォーマルである必要はない。通常、動作波長のシフトは、穴１１５の半径および欠陥穴１１８の半径による。マサチューセッツ工科大学から市販されるＭＩＴフォトニックバンド（ＭＰＢ）パッケージのようなソフトウエアパッケージを用いて、動作波長を予測することができる。全ての穴１１５および欠陥穴１１８は、スラブ材料の厚み、この例では約２６０ｎｍに相当する深さを有することに留意されたい。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、約０．７５ｍｍ長の２つの従来のリッジ導波路１７５が、フォトニック結晶センサ１００の内外に光を結合するために用いられ、フォトニック結晶格子構造１１０内の導波路伝搬のために典型的に用いられる方向に対して垂直な方向において、フォトニック結晶格子構造１１０に取り付けられる。従来のリッジ導波路１７５は、図１に示されるようなモードプロファイルに一致させるために、約２μｍ幅から、約０．６μｍに相当する約１．４ａの幅に徐々に細くされる。従来のリッジ導波路１７５の外面は通常、ファブリー・ペロー共振を抑えるために、一対のＴｉＯ２およびＳｉＯ２層で反射防止コーティングされる。導波路を徐々に細くして、光学モードを、空気界面において反射率が高くない低屈折率（通常約１．５）の導波路に拡張することによって、反射防止コーティングを使用するのを避けることができる。フォトニック結晶格子構造１１０上の２つの個別の方向は、最隣接方向（ΓＫ）および第２の最隣接方向（ΓＭ）である。従来のリッジ導波路１７５間に、フォトニック結晶センサ１００は、ΓＭ方向に沿って通常６層のフォトニック結晶を有し、垂直なΓＫ方向に沿って通常１１〜１２層を有する。本発明の一実施形態によれば、ΓＭ方向に沿った結合効率が通常、ΓＫ方向よりも少なくとも４倍だけ高いので、光は、ΓＭ方向に沿ってフォトニック結晶センサ１００に結合される。これらの種類の双極子モードにおける限られた寸法効果によって平面内の漏れが主にΓＭ方向において存在するので、結合効率の差が生じる。
【００１２】
透過スペクトルは通常、自由空間または導波路光学系を用いてフォトニック結晶格子構造１１０に結合される波長可変狭帯域光源を用いて測定される。例えば、波長可変ＴＥ偏光レーザビームを、例えば顕微鏡対物レンズを用いて、従来のリッジ導波路１７５内に合焦させることができる。従来のリッジ導波路１７５は、それに関連付けられる開口数（ＮＡ）または受光角を有する。顕微鏡対物レンズから到来する集光レーザビームのＮＡが従来のリッジ導波路１７５のＮＡよりも小さい限り、その光は従来のリッジ導波路１７５に結合される。従来のリッジ導波路１７５のＮＡは、導波路コア屈折率ｎ１と、導波路被覆屈折率ｎ２との間の屈折率差に関連付けられる。すなわち、ＮＡ＝（ｎ１２−ｎ２２）１／２が成り立つ。導波路被覆の屈折率に比べて導波路コアの屈折率が大きくなると、ＮＡまたは受光角が大きくなる。
【００１３】
例えば、ｎ１≒３．４およびｎ２≒１．５である場合には、受光角は概ね９０°であり、入射角の関数としての反射率／透過率が考慮される必要がある。図２Ａは、ＴＭ偏波の場合のグラフ２８０を示しており、曲線２８１は入射角の関数としての反射率を示し、一方、曲線２８２は入射角の関数としての透過率を示す。図２Ｂは、ＴＥ偏波の場合のグラフ２８５を示しており、曲線２８７は入射角の関数としての反射率を示し、一方、曲線２８６は入射角の関数としての透過率を示す。全ての波の偏光は、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の一次結合として表すことができる。フォトニック結晶センサ１００の場合、ＴＥ偏波だけがフォトニックバンドギャップを有する。
【００１４】
広帯域の光源によって照明されるスペクトロメータまたはモノクロメータを用いて、透過スペクトルを測定することもできる。従来のリッジ導波路１７５から出射する透過電力は通常、較正されたＩｎＧａＡｓ検出器または他の適当な光検出器（図示せず）を用いて測定される。診断装置として赤外線カメラを用いて、透過した光のモードプロファイルをモニタし、導波路モードからの信号だけが確実に光検出器に入るようにすることができる。狭帯域光源の光学波長が、フォトニック結晶センサ１００の動作波長に一致するとき、最大の光出力がフォトニック結晶センサ１００を透過する。曲線のあてはめを用いて、フォトニック結晶センサ１００の動作周波数または波長を求めるための感度を改善することができる。
【００１５】
図２Ｇを参照して、本発明の一実施形態によれば、ディザシステム２３３において、狭帯域光源２６０がフォトニック結晶センサ１００に光学的に結合される。狭帯域光源２６０の光周波数は、信号発生器２６９から徐々に変化する正弦波信号を加えるとともに、光周波数または波長を徐々に変化させる（「ディザリング」と呼ばれる場合もある）ことにより変調することができる。狭帯域光源２６０として選択されるのは通常、注入電流に小さな変調をかけることによって変調することができる半導体レーザである。狭帯域光源２６０の光周波数または波長が、動作波長または周波数の中央周波数または波長に近いとき、徐々に変化する光周波数または波長に応答する光検出器２６１からの電圧も変調される。光検出器２６１からの電圧の振幅は、徐々に変化する光周波数または波長が、動作周波数または波長からいかに離れているかに関係する。通常、例えばロックイン増幅器２６３のようなデバイスを用いて、狭帯域光源２６０およびプロセッサ２６５に進む誤差信号を生成することができる。光検出器２６１上のディザ信号の振幅は、狭帯域光源２６０の光周波数がフォトニック結晶センサ１００の動作周波数または波長であるときに最小値であるので、その誤差によって、フィードバックループを用いて動作周波数のピークにロックできるようになる。それゆえ、フォトニック結晶センサ１００の動作周波数または波長を、プロセッサ２６５によって求めることができる。
【００１６】
図２Ｈを参照して、本発明の一実施形態によれば、同期式走査システム２３４を用いて、動作周波数または波長を求めることができる。光検出器２６１からの光電流を時間の関数として測定するとともに、波長可変レーザ（チューナブルレーザ）のような、時間とともに変化する波長可変狭帯域光源２４５に同期させることによって、動作周波数または波長を時間遅延δとして符号化することができる。例えば、フォトニック結晶センサ１００に結合される波長可変狭帯域光源２４５の波長を一定の割合で変更して、約２０ｍ秒で１４９０ｎｍから１５１０ｎｍまで走査し、走査の開始時に、クロック２４６によって、ピークキャプチャ回路（peak capture circuit）２６８にパルスが送出される場合には、ピーク電流が生じる時刻を判定することによって、動作周波数または波長を求められるようになる。例えば、波長走査の開始を指示するパルスがピークキャプチャ回路２６８に送出された１０ｍ秒後にピーク電流が生じる場合には、動作波長は１５００ｎｍである。
【００１７】
図２Ｉを参照して、本発明の一実施形態によれば、複数の素子から構成される広帯域の非波長可変光源システム（マルチプルエレメント・ノンチューナブル光源システム）２３５が、比較的低コストで用いることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、相対的に広帯域で、非波長可変の光源（ノンチューナブル光源）を用いる。例えば、それぞれ異なる波長１４８０ｎｍ、１５００ｎｍおよび１５２０ｎｍを中心にする約４０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）スペクトル幅を有する３つのＬＥＤ２４１、２４２、２４３を用いることができる。各ＬＥＤ２４１、２４２、２４３はクロック２４６によって順次にオンに切り替えられ、フォトニック結晶センサ１００に光学的に結合される。光検出器２６１が、各ＬＥＤ２４１、２４２、２４３からの透過電力を順次に測定する。光検出器２６１によって生成される電流は、ＬＥＤの電力分布およびフォトニック結晶１００のための透過曲線の畳み込みによって支配される。３つのＬＥＤ２４１、２４２、２４３を使用することによって、動作波長または周波数が光源のピーク周波数に一致しないときに、波長または周波数が曖昧であることがなくなり、システムのダイナミックレンジが大きくなる。光源の周波数の広がりが大きくなると、より多くの動作周波数に対処することができ、それにより、薄膜厚の範囲を欠陥穴１１８の大きさまで広げることができるようになる。ＬＥＤのＦＷＨＭが約４０ｎｍであり、センサスペクトルプロファイルのＦＷＨＭが約２ｎｍである場合には、十分な波長識別が得られる。
【００１８】
図２Ｊを参照して、本発明の一実施形態によれば、勾配に基づくピーク検出システム２３６が、フォトニック結晶センサ１００に光学的に結合される波長可変狭帯域光源２４７を使用し、波長可変狭帯域光源２４７の周波数または波長は、周波数ｆ０において２つの光波長間で切り替わる。２つの光波長間の差は、波長可変狭帯域光源２４７内の電子回路によって一定に保持されており、波長可変狭帯域光源２４７は「ディザ」モードにおいて動作している。光検出器２６１は、２つの異なる波長において透過する相対電力を測定し、ｆ０を中心に持つバンドパスフィルタ２４９からの誤差信号が低い方の周波数または波長を調整して、光検出器２６１からの電流が両方の波長の場合に等しくなるようにする。その際、動作波長は、低い方の波長と高い方の波長との間の中間にある。
【００１９】
較正された市販のシリコーン流体の液滴が、注射器によって、フォトニック結晶センサ１００の表面に滴下され、その結果として通常、フォトニック結晶センサ１００の表面にわたる薄膜厚が約数百μｍになり、被覆面積が約５ｍｍ２になるようにする。フォトニック結晶センサ１００の表面上のシリコーン流体の体積は、検出体積よりも数桁大きいので、シリコーン流体は、空気の代わりになる、無限の均質なバックグラウンドであると見なすことができる。フォトニック結晶センサ１００はアセトンおよびイソプロパノール内で洗浄され、その後、乾燥された後に、異なる屈折率を有する次のシリコーン流体の液滴が滴下される。
【００２０】
図２Ｃのグラフ２００は、図１に示される本発明による実施形態の場合の、穴１１５および穴１１８における周囲屈折率ｎの関数としての動作波長のシフトΔλ＝λ（ｎ）−λ（空気）を示す。測定データ２０１および計算データ２０２の両方に二次のあてはめ（quadratic fit）２０３が適用される。計算データ２０２および測定データ２０１が概ね一致することは、シリコーン流体が穴１１５および１１８を完全に満たしていることを示す。
【００２１】
図２Ｄは、それぞれ、Δｎ＝０．００２の増分で、おおよそｎ＝１．４４６〜１．４５４までの５つの異なる屈折率を用いて得られる、正規化された透過スペクトル２７１、２７２、２７３、２７４、２７５を示す。図２Ｄの動作波長は、Δｎ＝０．００２の屈折率増分の場合に約０．４ｎｍだけ増加する。透過データを数値的に平滑化して、従来のリッジ導波路１７５の端面における残留反射率に起因するファブリー・ペロー共振が除去される。動作ピーク波長は、データをローレンツ型関数にあてはめることによって求められる。透過スペクトル２７１、２７２、２７３、２７４、２７５は、フォトニック結晶センサ１００の表面に市販のシリコーン流体の液滴を段階的に滴下することによって得られた。用いられた市販のシリコーン流体は、Δｎ＝±０．０００２の較正された屈折率精度と、Δｎ＝０．００２の屈折率増分とを有する。
【００２２】
図２Ｅのグラフ２５０は、本発明による一実施形態の場合の、薄膜厚の関数としての動作波長のシフトΔλを示す。グラフ２５０は、タンパク質および抗体（約１．４〜１．５の範囲内の屈折率ｎ）に類似の屈折率を有する例示的な材料を用いるときの動作波長シフトを示す。ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリ（４−スチレンスルホン酸ナトリウム）（ＰＳＳ）およびポリ（ｄ−リシン臭化水素酸塩）（ＰＬＳ−ＨＢＲ）を用いて、帯電したポリマーの層状の静電的作用による組立が実行される。薄膜層はそれぞれ、通常２〜３ｎｍ厚の範囲内にある。ＰＥＩおよびＰＬＳ−ＨＢＲ上の実効的な電荷は正であり、一方、ＰＳＳ上の実効的な電荷は負である。ＰＥＩは、通常、ＳｉＯ２表面に容易に接着するので、表面調整化学物質（surface preparation chemical）としての役割も果たす。ＰＳＳおよびＰＬＳ−ＨＢＲは、むらがなく、均一な単分子膜として堆積する弱電解質である。
【００２３】
フォトニック結晶センサ１００を用いて、薄膜の厚みを測定することができる。ただし、薄膜厚は穴１１８の半径未満である。一旦、欠陥穴１１８および穴１１５が満たされたなら、光場または光がフォトニック結晶センサ１００の平面内に閉じ込められるので、動作波長または周波数はシフトしないであろう。穴１１５の前に、欠陥穴１１８が満たされる場合には、依然として、動作波長または周波数のシフトが生じる。一般的な動作では、欠陥穴１１８は完全には満たされない。
【００２４】
フォトニック結晶センサ１００は、現場での時間分解検出を実行するための役割も果たすことができる。一例として、先に説明されたシリコーン流体液滴程度の体積を有する、脱イオン水内に５パーセントのグリセロールを含む液滴が、フォトニック結晶センサ１００の表面に滴下される。その後、フォトニック結晶センサ１００は加熱され、結果として、脱イオン水が蒸発する。図２Ｆのグラフ２９９は、時間の関数としての動作波長の変化を示しており、右側の縦軸は、図２Ａからの二次のあてはめを用いて得られる対応する屈折率ｎを示す。脱イオン水が蒸発するとき、動作波長は、約１４８０．８２ｎｍから約１５０１．４５ｎｍにシフトし、それは、おおよそｎ＝１．３３８〜１．４５１への屈折率変化に相当する。最初および最後の屈折率はそれぞれ、グリセロール脱イオン水混合物内のそれぞれ５パーセントおよび８５パーセントのグリセロールに対応する。グリセロール脱イオン水混合物は、約９００秒後に定常状態に達する。
【００２５】
フォトニック結晶センサ１００の場合のノイズ源には温度変動が含まれる。例えば、水の屈折率は水温に依存する。約２０℃〜５０℃の範囲の温度の場合、水の屈折率の温度依存性は、約１５００ｎｍにおいてｄｎ／ｄＴ≒３×１０−４である。それゆえ、温度が１℃変化すると、屈折率が約３×１０−４だけ変化し、フォトニック結晶センサ１００の場合の動作周波数または波長の変化は約０．０６ｎｍである。
【００２６】
種々の度合いの感度を有する、図１のフォトニック結晶センサ１００の変形形態を構成することができる。図３Ａ〜図３Ｅは、図１に示されるフォトニック結晶センサ１００の変形形態を示す。３００、３０１、３０２、３０３、３０４は、ＳｉまたはＧａＡｓのような材料に相当する約３．４の屈折率ｎと、約０．６ａの厚みとを有する高屈折率のスラブ、それぞれ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４を用いる。ただし、ａは格子定数である。スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４はそれぞれ、ＳｉＯ２のような材料に相当する約１．４の屈折率を有する低屈折率の材料上に配置される。スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４にそれぞれ対応する穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９の５つの層が伝搬方向に沿って配置され、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４において用いられる。幅１．４ａを有する従来のリッジ導波路３７５を用いて、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４の内外に光が結合される。穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９は、格子定数ａの三角形の格子上にある、それぞれ高屈折率のスラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４内に形成される。穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９は、空気で満たされるか、約１．４の屈折率を有する低屈折率の材料で満たされるようになされる。高屈折率のスラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４上のエリアは、空気、または、約１．４の屈折率を有する低屈折率の材料のいずれかである。フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４のための動作周波数の変化Δνを、空気中の動作周波数νａｉｒで割った値は、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４の感度の指標を与える。Δν／νａｉｒが大きくなると、個々のフォトニック結晶センサの感度が高くなり、結果としてセンサが高性能になる。
【００２７】
図３Ａは、フォトニック結晶センサ３００を示しており、穴３１５は、本発明による一実施形態では約０．２９ａの半径を有し、本発明による代替の実施形態では約０．３６ａの半径を有する。ただし、ａは格子定数である。穴３１５が約０．２９ａの半径を有するとき、穴３５５は約０．１７ａの半径を有し、穴３１５が約０．３６ａの半径を有するとき、穴３５５は約０．２１ａの半径を有する。フォトニック結晶センサ３００の場合、この結果として、穴３１５が約０．２９ａの半径を有するとき、感度指標はΔν／νａｉｒ＝０．０４４になり、穴３１５が約０．３６ａの半径を有するとき、感度指標はΔν／νａｉｒ＝０．０６５になる。
【００２８】
図３Ｂは、フォトニック結晶センサ３０１を示しており、本発明による一実施形態では、穴３１６は約０．２９ａの半径を有し、本発明による代替の実施形態では、穴３１６は約０．３６ａの半径を有する。中央層の穴３９１および穴３５６は、伝搬方向において約０．１２５ａだけ延長され、結果として、約０．２９ａまたは０．３６ａの半径を有する穴３１６に対応する、それぞれ約０．７０５ａまたは０．８４５ａの長軸を有する楕円形の穴３９１になる。楕円形の穴３５６は、穴３１６が約０．２９ａの半径を有するときに、約０．４６５ａの長軸を有し、穴３１６が約０．３６ａの半径を有するときに、約０．５４５の長軸を有する。フォトニック結晶センサ３１０の場合、この結果として、穴３１６が約０．２９ａの半径を有するとき、感度指標はΔν／νａｉｒ＝０．０３８になり、穴３１６が約０．３６ａの半径を有するとき、Δν／νａｉｒ＝０．０５６になる。
【００２９】
図３Ｃは、フォトニック結晶センサ３０２を示しており、本発明による一実施形態では、穴３１７は約０．２９ａの半径を有し、本発明による代替の実施形態では、穴３１７は約０．３６ａの半径を有する。中央層の穴３９２および穴３５７は、伝搬方向において約０．１２５ａだけ延長され、結果として、約０．２９ａまたは０．３６ａの半径を有する穴３１７に対応する、それぞれ約０．７０５ａまたは０．８４５ａの長軸を有する楕円形の穴３９２になる。楕円形の穴３５７は、穴３１７が約０．２９ａの半径を有するときに、約０．５２５ａの長軸を有し、穴３１７が約０．３６ａの半径を有するときに、約０．６２５ａの長軸を有する。フォトニック結晶センサ３０２の場合、この結果として、穴３１７が約０．２９ａの半径を有するとき、感度指標はΔν／νａｉｒ＝０．０４４になり、穴３１７が約０．３６ａの半径を有するとき、Δν／νａｉｒ＝０．０６３になる。
【００３０】
図３Ｄは、フォトニック結晶センサ３０４を示しており、本発明による一実施形態では、穴３１９は約０．２９ａの半径を有し、本発明による代替の実施形態では、穴３１９は約０．３６ａの半径を有する。円形の穴３５９は約０．５７ａの半径を有する。フォトニック結晶センサ３０４の場合、この結果として、穴３１９が約０．２９ａの半径を有するとき、感度指標はΔν／νａｉｒ＝０．０４５になり、穴３１９が約０．３６ａの半径を有するとき、Δν／νａｉｒ＝０．０７３になる。
【００３１】
図３Ｅは、フォトニック結晶センサ３０３を示しており、本発明による一実施形態では、穴３１８は約０．２９ａの半径を有し、本発明による代替の実施形態では、穴３１８は約０．３６ａの半径を有する。楕円形の穴３５８は、約０．６６ａの短軸と、約１．４８ａの長軸とを有する。フォトニック結晶センサ３０３の場合、この結果として、穴３１８が約０．２９ａの半径を有するとき、感度指標はΔν／νａｉｒ＝０．０５１になり、穴３１８が約０．３６ａの半径を有するとき、Δν／νａｉｒ＝０．０７７になる。それゆえ、フォトニック結晶センサ３０３は屈折率変化に対して最も高い感度を有し、一方、高屈折率材料内の光場がさらに大きく局在することに起因して、フォトニック結晶センサ３０１および３０２は、より高いＱファクタを有するが、それは感度を下げるように作用する。
【００３２】
約０．２９ａと比べると、穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９が約０．３６ａの半径を有する場合には、フォトニック結晶センサ３００〜３０４の透過は低く、それは、従来のリッジ導波路３７５と高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４との間の結合が弱くなることによる。例えば、フォトニック結晶センサ３０３は、穴３１８が約０．３６ａの半径を有する場合の０．１１の透過と比べて、穴３１８が約０．２９ａの半径を有する場合には０．３１の透過を有する。穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９の半径が約０．３６ａのときの、高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、の平均誘電率は、約０．２９ａに比べて、小さくなる。それゆえ、高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４と従来のリッジ導波路３７５との間の屈折率の不連続が大きくなり、結果として結合が弱くなる。先に説明されたように、従来の導波路３７５を徐々に細くすることによって、結合を改善することができる。高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４の上下に金属層を配置し、光の閉じ込めを強くすることによって、感度を高めることができる。吸収性が低い、金、銀またはアルミニウムのような金属を用いることができる。金属層の厚みは通常、格子定数ａ程度、またはそれ以下である。詳しくは、参照により本明細書に援用される米国特許公報第２００２０１５９１２６Ａ１号を参照されたい。金属層は、２次元フォトニック結晶スラブに対して垂直な方向に光を閉じ込める役割を果たすので、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、ＳｉＮまたはＳｉＯ２のような、Ｓｉ以外の材料を用いることができる。これは、フォトニック結晶センサ３０３のようなフォトニック結晶センサの感度を高める。しかしながら、通常、金属による光吸収（特に可視波長および近赤外線波長）が、そのようなフォトニック結晶センサの透過およびＱファクタを減少させる。
【００３３】
図４Ａおよび図４Ｂはそれぞれ、本発明による３次元フォトニック結晶センサ４００の側面図および上面図を示す。フォトニック結晶センサ４００は２１の層を有する。フォトニック結晶センサ４００は３次元であるので、欠陥領域４３５に起因する透過のピークは、光の任意の入射角の場合に現われる。それゆえ、例えば、従来のリッジ導波路４５２および４５３をそれぞれ用いて、動作波長において、一方からフォトニック結晶センサ４００に光が結合することができ、反対側から光が出射する（outcouple）ことができる。３次元フォトニック結晶格子４０１の層に対して光が垂直に結合されることになる場合には、通常光ファイバ導波路が用いられる。３次元フォトニック結晶センサ４００は、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４よりも良好な感度を与えるが、通常、形成するのが難しい。本発明による一実施形態では、３次元フォトニック結晶センサ４００は、約３．６の屈折率を有する誘電体ロッド４５０の層から構成され、３次元フォトニック結晶格子４０１を形成し、通常Ｓｉ、ＧａＡｓまたはＩｎＰである。例えば、誘電体ロッド４５０は、約０．２２ｃ×０．２５ｃの断面寸法を有する。ただし、ｃは積重ね方向に沿った１つの単位セルの厚みであり、４本の誘電体ロッド４５０の厚みに等しい。誘電体ロッド４５０は、各層内で、互いから約０．６８７５ａだけ離間される。ロッド４５１の中央部分の約０．６２５ａを除去することにより、欠陥領域４３５が形成される。フォトニック結晶センサ４００の場合の感度指標は、Δν／νａｉｒ＝０．１１２である。
【００３４】
実際には、フォトニック結晶センサ４００の欠陥領域４３５内にある検出体積はリソグラフィによって画定される。光場または光が欠陥領域４３５内に局在するので、欠陥の周囲の体積だけを、分析物で満たすために利用できるようにすることが重要である。空気を、例えばＳｉＯ２で置き換えることにより、フォトニック結晶センサ４００の性能を維持しながら、製造し、動作させるのが簡単になる。参照により本明細書に援用される、Fleming, J. G.およびLin, S.Y.（Journal of Lightwave Technology, v17(11), p. 1956-1962, 1999）を参照されたい。フォトニック結晶センサ４００の３次元の層を完成した後に、フォトレジストにある開口部が、フォトニック結晶センサ４００の欠陥領域４３５に重ね合わせられる。フッ化水素酸エッチング、またはＳｉＯ２をエッチングする他の選択性エッチングを用いることにより、検出体積内のＳｉＯ２を除去することができる。これにより、フォトニック結晶４００の小さく、正確に画定された体積内に分析物を制御しながら流し込むことができるため、必要とされる分析物が少なくて済む。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、図５Ａに示されるように、フォトニック結晶構造５００内に２次元フォトニック結晶センサを配置して、図５Ｂに示されるような複数の欠陥穴に対処できるようにする。欠陥穴５１５は、フォトニック結晶導波路５２０からの光を結合することができる。欠陥穴５１５の動作波長では、フォトニック結晶導波路５２０に沿った透過は、フォトニック結晶導波路５２０から光が結合されるのに応じて減少し、フォトニック結晶構造５００の平面の上から電力が消失するピークが生じる。欠陥穴５１５の大きさおよび／または形状を変更することにより、動作波長が変化する。図５Ｂの概念図に示されるように、一連の欠陥穴５２５、５３５、５４５をフォトニック結晶導波路５５０の長さに沿って配列することができる。可変波長光源（図示せず）が或る波長帯を掃引するのに応じて、欠陥穴５２５、５３５、５４５の異なる動作波長において、フォトニック結晶導波路５７５の平面からの信号漏れに対する信号ピーク５８１、５８２、５８３が生じる。信号ピーク５８１、５８２、５８３（図５Ｂを参照）は通常、欠陥穴５２５、５３５、５４５上にそれぞれ配置される光検出器（図示せず）を用いて測定される。通常、マイクロレンズ（図示せず）を用いて、信号を各光検出器上に合焦させる。
【００３６】
例えば、図５Ａに関して、本発明による一実施形態では、フォトニック結晶構造５００の穴５６０は、ＳｉＯ２基板上に配置されるシリコンスラブ５６１内に約０．２９ａの半径、および０．５ａの深さを有する。ただし、ａは格子定数である。穴５６０の１つの行が、約０．６６ａの短軸および約１．４８ａの長軸を有する楕円形の穴５６２によって置き換えられる。欠陥穴５１５は、約０．４１ａの半径を有する。図５Ｃは、フォトニック結晶導波路５２０に沿った透過対周波数、およびフォトニック結晶構造５００の平面の上から漏れた光信号のグラフ５９９を示す。ｃを真空中の光の速さであるとすると、欠陥穴５１５の動作周波数、０．２５４ｃ／ａでは、線５９０によって示されるフォトニック結晶導波路５２０に沿った透過において約８ｄＢの減少があり、線５９１によって示される、平面からの電力漏れにおいてピークがある。漏れのうちの約８％は下にあるＳｉＯ２基板内に漏れ、漏れのうちの約７％は平面から上方の空中に漏れる。
【００３７】
図５Ｂに関して、欠陥穴５２５、５３５、５４５は通常、フォトニック結晶導波路５２０に、より強く結合する欠陥穴が、透過信号が弱くなるフォトニック結晶導波路５２０の下流に配置されるような順序で配列される。これは、出力効率が、平面内のＱファクタと、その平面に対して垂直なＱファクタとの比に依存するためである。出力効率は、その比が１になるときに最大になる。Ｑファクタは、欠陥穴５２５、５３５、５４５の形状および大きさの両方、欠陥穴５２５、５３５、５４５とフォトニック結晶導波路５５０との間の離間、フォトニック結晶スラブ５６２の厚み、並びにフォトニック結晶スラブ５６２および基板（図５Ｂには示されない）の屈折率に依存する。フォトニック結晶導波路５５０は損失が大きいので、欠陥穴５２５、５３５、５４５のうちの出力効率が低い欠陥穴は、フォトニック結晶導波路５５０への入口の近くに配置され、欠陥穴５２５、５３５、５４５のうちの出力効率が高い欠陥穴は、フォトニック結晶導波路５５０の出口の近くに配置される。出力効率に関する詳細は、参照により本明細書に援用される、M. Imada他（Journal of Lightwave Technology 20, 873, 2002）から入手することができる。
【００３８】
本発明の一実施形態によれば、図６Ａに簡単な形で示されるように、センサチップ６００上にフォトニック結晶センサ６１０のアレイを配置することができる。フォトニック結晶センサ６１０毎に１つの導波路６１５を含む、導波路６１５のアレイを、センサチップ６００の端部に光学的に結合することができる。導波路６１５のアレイのピッチは通常約４μｍである。本発明による高ＮＡの合焦レンズの焦点距離は通常１ｍｍであり、合焦レンズの口径は通常０．５ｍｍである。アレイ内で指定可能な導波路６１５の数は、一定の入力電力の場合に、導波路６１５内の十分な透過率を維持しながら、いかに大きな入射角を達成することができるかによって、実効的に制限される（図２Ａおよび図２Ｂを参照）。
【００３９】
回折型アレイジェネレータ６４０を用いて、フォトニック結晶センサ６１０のアレイを指定して、導波路６１５のアレイを同時に指定、すなわち結合することができる。回折型アレイジェネレータ６４０のような回折型アレイジェネレータは、例えば、参照により本明細書に援用される、Gmitro, A. F. およびColeman, C. L.（Optoelectronic Interconnects and Packaging, Proceeding SPIE, v. CR62, 88, 1996）に記述される。市販の回折型アレイジェネレータは２０次の回折次数を生成し、約９５％の効率である。回折型アレイジェネレータ６４０は、隣接する回折次数間またはビームレット間に所定の分離角を与えるように設計される。例えば、焦点距離が１ｍｍであり、導波路６１５のアレイのピッチが４μｍである場合には、必要とされる分離角は０．００４ラジアンである。回折型アレイジェネレータ６４０は通常、回折スーパーセル６９０に分割される。分離角は、回折スーパーセル６９０の大きさを決定し（図６Ｂ参照）、それはλ／ｓｉｎθによって決定される。ただし、λは光の波長であり、θは分離角である。θ＝０．００４かつλ＝１５００ｎｍの場合、回折スーパーセル６９０の大きさは約３７５μｍである。回折スーパーセル６９０は通常いくつかのピクセル６９５に分割され、各ピクセル６９５は、或る位相遅れを与える。各ピクセル６９５によって生成される位相遅れは、回折スーパーセル６９０の表面６８７に深さｄをエッチングすることによって決定され、結果として、位相遅れは（ｎ１−ｎ２）２ｄπ／λによって与えられる。ただし、ｎ１は回折スーパーセル６９０の屈折率であり、ｎ２は周囲の媒質の屈折率であり、λは光波長である。
【００４０】
ピクセル６９５の数が増えると、より高い回折次数を指定することができ、回折次数にわたる電力の均一性がさらに良好になる。ピクセル６９５が約１μｍの大きさを有するものとし、回折スーパーセル６９０が３７５μｍの大きさを有するものとすると、光を約１００次に回折できるようになり、各次数の強度は約２０％以内まで等しくなる。
【００４１】
波長が変更されるとき、波長可変光源の影響が考慮される必要がある。例えば、波長可変範囲が約１０ｎｍであり、中心波長が１５００ｎｍである波長可変光源を考えると、５０次の回折次数は、１５００ｎｍにおいて約１１．５７°の角度で回折され、１５１０ｎｍにおいて約１１．６２°の角度で回折される。その際、回折次数の横方向への変位は、１５００ｎｍにおいて約２００μｍであり、１５１０ｎｍにおいて約２０１μｍである。結合効率は低下するが、依然として、かなりの部分が、波長可変光源の１０ｎｍの波長可変範囲にわたって導波路６１５に結合される。水の存在時に、フォトニック結晶センサ６１０への生体分子付着を検出するためのフォトニック結晶センサ６１０のダイナミックレンジ全体を網羅するには、通常、１０ｎｍの波長可変範囲が適している。より広い波長可変範囲を得るためには、通常、回折次数の数、それゆえ指定可能な導波路６１５の数を減らす必要がある。回折型アレイジェネレータ６４０のための静的な回折素子は通常、石英、或いはポリメチルメタクリレートまたはポリカーボネートのようなポリマー等の誘電体材料から形成される。
【００４２】
回折型アレイジェネレータに対する代替形態は、動的に再構成可能な回折型アレイジェネレータとして用いることができる空間光変調器（ＳＬＭ）（例えば、Kirk, A. 他、Optical Communications, vol. 105, 302-308, 1994を参照されたい）、およびＭＥＭｓベースの動的に再構成可能なミラーアレイ（例えば、Yamamoto, T他、IEEE Photonics Technology Letters, 1360-1362, 2003を参照されたい）を含む。通常、ＳＬＭにより、各導波路６１５を順次に個別に指定できるようになる。
【００４３】
図７は、材料スタック７００を用いる、本発明による一実施形態を示す。Ｓｉ単結晶材料またはＧｅ単結晶材料等、或いはＧａＡｓ化合物半導体材料またはＩｎＰ化合物半導体材料等の、３〜４の範囲の屈折率を有する高屈折率コア層７１０が、被覆層７２０および７３０によって囲まれる。被覆層７２０および７３０は通常、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはスピンオンガラス等の、約１．５の屈折率を有する材料から形成される。Ｓｉ単結晶材料を用いるとき、上側被覆層７２０および下側被覆層７３０は通常、ＳｉＯ２またはスピンオンガラス等の、約１．５の屈折率を有する材料から形成される。ＩＩＩ−Ｖ材料等の化合物半導体材料を用いるとき、下側被覆層７２０は通常、アルミニウム含有化合物を有するエピタキシャル層を容易に形成できることに起因して、Ａｌ２Ｏ３（約１．７６の屈折率）から形成される。アルミニウム層は横方向酸化を用いて、後に酸化される。光が材料スタック２００の平面外から結合されることになる場合には、上側被覆層７３０は通常、下側被覆層７２０よりも高い屈折率を有し、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４または２未満の屈折率を有する他の適当な材料から形成することができる。
【００４４】
本発明による２次元フォトニック結晶センサのための一般的な出発構造は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ、ＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙまたはＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌｘＯｙ材料である。２次元フォトニック結晶センサは、例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のために開発されたウエット酸化技術を用いることによりＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ材料またはＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌｘＯｙ材料において、および伝搬損失を低減するために垂直方向の側壁を保持しながら、深いエッチングを必要とする、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料のような低屈折率コントラスト材料において実現することができる。
【００４５】
本発明の一実施形態によれば、図８Ａを参照すると、２次元フォトニック結晶センサがＳＯＩウェーハから製造され、約２６０ｎｍの厚みを有するＳｉスラブ８０１が、約１μｍの厚みを有するＳｉＯ２層８１０によって、Ｓｉ基板８１６から離間される。図８Ａは、低温プラズマ化学気相成長を用いて、ＳＯＩウェーハ８１０上に堆積する１００ｎｍ厚のＳｉＯ２ハードマスク８１５を示す。Ｓｉスラブ８１６の厚みは、Johnson, S. G. 他（Physics Review B, vol. 60, 8, p. 5751, 1999）によって記述されるような大きなフォトニックバンドギャップを与えるように選択される。約２６０ｎｍよりも厚いＳｉスラブ８１６の厚みは、実効屈折率法を用いて見いだされ、結果として多モード導波路が形成される。それに応じて、種々の被覆層を用いて、Ｓｉスラブ８１６の厚みが調整される。
【００４６】
フォトニック結晶格子構造１１０およびリッジ導波路１７５（図１を参照）が、電子ビームリソグラフィ手段を用いて、１回のリソグラフィステップでパターニングされる。フォトニック結晶格子構造１１０は通常、分解能が高くなるように約５ｎｍのグリッド上に画定され、リッジ導波路１７５は通常、約５０ｎｍの粗いグリッド上に画定される。フォトニック結晶格子構造１１０とリッジ導波路１７５との間の位置合わせは、フォトニック結晶格子構造１１０とリッジ導波路１７５の両方を、先行するリソグラフィステップにおいて形成される金属アライメントマーク（図示せず）に関連付けることによって保持される。穴１１８は通常、リッジ導波路１７５の伝搬方向に対して垂直な２〜４格子周期によって取り囲まれる。電子ビームリソグラフィパターンは通常、ＣＨＦ３／Ｈｅ／Ｏ２化学作用を用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で、ＳｉＯ２ハードマスク８１５（図８Ｂを参照）に転写される。Ｓｉスラブ８１６（図８Ｃを参照）のエッチングは、ＨＢｒ化学作用を用いて実行され、厳密に垂直で、滑らかな側壁が形成される。参照により本明細書に援用される、Painter他（Journal of Lightwave Technology, 17(11) p. 2082, 1999）を参照されたい。フォトニック結晶格子構造１１０上に良好な品質の小平面を得るために、フォトニック結晶格子構造１１０の上側表面１４５は、熱安定性の有機媒体（通常フォトレジスト）によって保護され、その有機媒体は、堆積後に、フォトニック結晶格子構造１１０がダイシングされ、研磨されるときに、容易に除去することができる。研磨は通常、ＳＹＴＯＮ（登録商標）、コロイドシリカ研磨剤を用いて実行される。
【００４７】
欠陥穴１１８および穴１１５の適切な大きさは、レイアウトへの幾何学的配慮と、電子ビーム照射量とのバランスをとることによって達成される。ナノスケール機構のための照射量を規定する実験では、近接効果が考慮されなければならない。照射量は、ＳｉＯ２およびＳｉエッチング工程後の最終的な穴寸法に関連する。穴１１５および欠陥穴１１８の最終的な寸法は通常、電子ビームリソグラフィによって画定されるような機構よりも小さく、これはエッチング工程が通常、垂直ではない側壁を形成することを示している。
【００４８】
ＳｉＯ２層８１５にパターンを転写するために用いられる特定のエッチング工程が、穴１１５および欠陥穴１１８の直径に影響を及ぼす。穴１１５および欠陥穴１１８の直径は、特定のエッチング条件によって、増加または減少する場合がある。エッチング工程中の反応器圧力が下がると、設計寸法から、穴１１５および欠陥穴１１８の最終的な寸法にまで直径が変化して小さくなる。最初のリソグラフィパターンからフォトニック結晶格子構造１１０までの一般的な製造許容範囲は、２％未満である。さらに機械的な支持を与えるために、下層のＳｉＯ２層８１０が保持される。
【００４９】
本発明によれば、単一のナノ粒子検出を達成することができる。本出願の目的のためのナノ粒子は、例えば分子のような、その実効半径が約１〜２５０ナノメートルである粒子と定義される。例えば、薄膜が測定されている場合のフォトニック結晶センサ３０３、３０４のための動作波長の選択は、フォトニック結晶センサが単一のナノ粒子のような一定の体積を測定するために用いられる場合とは異なる。通常、２次元フォトニック結晶センサの感度はΔλ／λ（またはΔν／ν）であり、分析物の体積を光学モード体積で割った値に比例する。光学モード体積は動作波長の３乗（λ３）に比例する。ただし、光学モード体積は、光強度の９０％を囲む体積と定義することができる。薄膜を測定する際に、分析物の体積は、動作波長の２乗（λ２）に比例するので、測定される応答度（Δλ）は厚みに比例し、動作波長には無関係である。しかしながら、単一のナノ粒子検出の場合、分析物の体積は一定である。それゆえ、測定される絶対応答度Δλは、λ２に反比例する。それゆえ、測定される絶対波長応答度Δλは、動作波長が減少するのに応じて増加する。動作波長を減少させることへの物理的な障害は、材料吸収、および適当な波長可変光源の存在を含む。例えば、Ｓｉは、約１μｍ未満の波長の光源を吸収する。それらの問題は、ＧａＮまたはＧａＡｓのような、約１μｍより短い波長において透過性の材料に変更するとともに、検出方式を、波長可変光源を必要としない上記の検出方式のうちの１つに変更することによって対処することができる。
【００５０】
図９は、単一のナノ粒子を検出できるようにする、本発明によるフォトニック結晶センサ９００を示す。同じ半径の穴９０５が通常、フォトニック結晶スラブ９１８、通常Ｓｉ、ＧａＮ、ＩｎＰまたはＧａＡＳ或いは他の適当な高屈折率材料を貫通してエッチングされる。フォトニック結晶スラブ９１８は、フォトニック結晶センサ９００に光を入力するための導波路（図９には図示せず）に光学的に結合される。フォトニック結晶センサ９００は、それ以外は一様な２次元の周期的な格子内の１つの穴の寸法を変更して、欠陥穴９１０を形成することにより、２次元フォトニック結晶格子構造から形成される。領域９１５は、実効的な検出体積を示す。３次元内の光の閉じ込めは通常、通常ＳｉＯ２から成る低屈折率支持体９２０、および通常Ｓｉである基板９２２上にある空気層９２５によって与えられる。フォトニック結晶センサ９００を用いて、欠陥穴９１０内の、または欠陥穴９１０を通過するナノ粒子の存在を測定することができる。本発明によれば、ナノ粒子は通常、例えば水のようなキャリア液体（分散媒液、carrier liquid）内に懸濁される。
【００５１】
フォトニック結晶センサ９００の動作周波数は、穴９０５および穴９１０の内側の材料の実効屈折率または平均屈折率が増加するのに応じて減少する。フォトニック結晶センサ９００のための応答度は、屈折率の変化Δｎに対する、波長の変化と定義される。シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）材料を用いて製造されるフォトニック結晶センサ９００の場合、応答度Δλ／Δｎは通常、約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲にある。欠陥穴９１０においてのみ屈折率が変化するとき、応答度Δλ／Δｎは通常、約７５ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲にある。本発明によるフォトニック結晶センサ９００の一実施形態の一般的な寸法は、格子定数ａが約４４０ｎｍであり、穴９０５の半径ｒが約０．２５ａ〜約０．４ａの範囲にあり、欠陥穴９１０の半径ｒ´が約０．１５ａ〜約０．２５ａの範囲にあり、フォトニック結晶スラブ９１８の厚みｔが約０．６ａである。欠陥穴９１０の一般的な体積は約１×１０−１７リットル（Ｌ．）または６×１０６ｎｍ３である。それゆえ、分子のような１０ｎｍの直径のナノ粒子は、約１０−４の部分体積を占める。タンパク質、抗体またはウイルス等の、最も一般的な有機分子は、約１．５の屈折率を有し、一方、水の屈折率は約１．３である。それゆえ、欠陥穴９１０内に１０ｎｍの分子が存在することにより、約２×１０−５の屈折率変化が生じ、結果として、フォトニック結晶センサ９００の動作波長が約３ｐｍシフトする。波長可変レーザを用いて先に説明された検出方式は、要求される感度を有する。
【００５２】
フォトニック結晶センサ９００のための設計は通常、ｒおよびｒ´をそれぞれ穴９０５および欠陥穴９１０の半径とし、ａを格子定数として、ｒ／ａおよびｒ´／ａを変更するとともに、欠陥穴９１０の体積に対して正規化された、欠陥穴９１０においてのみ屈折率が変化する場合の動作周波数の変化を求めることによって、単一ナノ粒子の応答度のために調整される。先に言及されたように、穴９０５および欠陥穴９１０の大きさが増すと、動作波長が増加し、それは波長可変光源の波長可変範囲が一定であるときに重要である。動作波長を光源の一定の波長可変範囲内に保持するためには、格子定数も調節する必要がある。調整の一例は、欠陥穴９１０の半径を小さくして、一定の波長において検出するための動作波長のシフトを大きくすることである。例えば、約１０ｎｍの半径を有する単一のナノ粒子を検出するときに、欠陥穴９１０の半径ｒ´が約１０７ｎｍから約６７．５ｎｍに小さくされる場合に、動作波長において測定される応答が、Δλ≒０．０１２ｎｍ〜０．０１８ｎｍに約５０％増加することが計算によって示される。
【００５３】
生体分子の場合の一般的な寸法は、タンパク質の場合に約２ｎｍ〜４ｎｍ、抗体の場合に約４ｎｍ〜１０ｎｍ、ウイルスの場合に約４０ｎｍ〜１００ｎｍである。マイクロ流体チャネルを用いて、個々の分子を欠陥穴９１０に運ぶことができる。マイクロ流体チャネルは、例えば、ガラス、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイミドまたは他の光学的に規定可能な有機物（photodefinable organics）のような種々の材料上に製造することができる。所望であれば、フォトニック結晶センサ９００は、低屈折率支持体９２５を除去することにより、膜構造に変更することができる。膜構造を作り出すことは、分析物がフォトニック結晶センサ９００の欠陥穴９１０の中に移動することが求められるときに、分析物の流れを制御する際に有用な場合がある。センサ上ではなく、膜構造の中を流れるように向きを変更することにより、欠陥穴９１０の中への液体の流れが改善されるであろう。分析物とセンサ場との相互作用は高められるが、その時点で液体が流れる直径が小さくなることにより、マイクロ流体チャネル内の流れ全体の流速が落ちるか、または同じ全流量を得るために高い圧力が必要とされる。
【００５４】
本発明によるいくつかの実施形態では穴９０５を通る流れ、または、穴９０５の中への流れが遮断され、欠陥穴９１０を通って流れる、または欠陥穴９１０の中に流れ込むことができるようにする。ポリメチルメタクリレートおよび二酸化シリコンのような約１〜約１．７の屈折率を有する材料を用いて、フォトニック結晶センサ９００の十分な性能を確保しながら、穴９０５を塞ぐことができる。穴９０５を通過する粒子に対する、フォトニック結晶センサ９００の本発明による実施形態の応答度は通常、欠陥穴９０５を通過する粒子に対するフォトニック結晶センサ９００の応答度よりも、少なくとも２倍低下する。それゆえ、分析物粒子の濃度が高い場合にのみ、通常穴９０５を塞ぐ必要がある。
【００５５】
本発明によれば、図１０に示されるように、欠陥穴９１０付近の光場がフォトニック結晶スラブ９１８の上下に延在するので、穴９０５および欠陥穴９１０はいずれも、低屈折率の材料で満たすことができる。図１０は、本発明によるλ≒１３５０ｎｍの場合の一般的な平面外光場分布１０００を示しており、欠陥穴９１０の中心軸を中心にして示される。それゆえ、フォトニック結晶センサ９００の動作周波数は、粒子が欠陥穴９１０上に置かれるときにも変化するであろう。この検出モードは通常、水と分析物との間に屈折率の差があるため、分析物上にいかなるラベルまたはタグも必要とせず、それゆえ、サンプル作成の労力を軽減するが、その一方で特異性は低下する。
【００５６】
特定の分子を、例えばＡｕまたはＡｇのような高屈折率の材料から成る、半径が約１ｎｍ〜５ｎｍ程度の非常に小さな粒子でタグ付けすることができる。詳しくは、例えば、参照により本明細書に援用される、J. F. Hainfeld著「Labeling with nanogold and undecagold: techniques and results」（Scanning Microscopy Supplement, 10, 309-325, 1996）並びにJ. F. HainfeldおよびR. D. Powell著「New Frontiers in Gold Labeling」（Journal of Histochemistry and Cytochemistry, 48, 471-480, 2000）を参照されたい。この際、フォトニック結晶センサ９００は、タグとしての役割を果たす高屈折率の粒子の存在に応答し、タグ付けされる特定の分子を検出できるようになる。本発明によれば、非常に小さな屈折率変化を検出することができるので、多数の異なるタグを用いて、高度に多重化することができる。タグのための一般的な高屈折率材料は、ＣｄＳ、ＩｎＰ、または上記のＡｕまたはＡｇのような金属を含む。
【００５７】
特定の生体分子がビーズ表面に接着できるようにするために、直径が約３０ｎｍ〜１００ｎｍの小さなビーズを機能化することができる。通常、ビーズは水溶液中のポリスチレンラテックスビーズである。ポリスチレンラテックスビーズは通常、約１０Å〜５０Å程度の厚みを有するＣＶＤ化学気相成長堆積ＳｉＯ２薄膜でコーティングされる。このコーティングの次には通常、例えばフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）またはデシルトリクロロシラン（Ｃ−１０）のような、ＣＶＤ堆積疎水性シラン化合物がコーティングされる。ビーズ表面は通常、例えばタンパク質、ビオチン標識タンパク質または抗体で機能化することができる。ビーズ表面がタンパク質で機能化される場合には、特定のタンパク質のための抗体との結合が生じる。ビーズ表面が抗体で機能化される場合には、特定の抗体のためのタンパク質との結合が生じる。ビーズ表面がビオチン標識タンパク質で機能化される場合には、タンパク質の表面上にあるビオチンとの抗体結合が生じる。特定のタンパク質のための抗体は、結果として生成される疎水性表面上に固定化されることができ、特定のビーズサイズのための特異結合の情報を与えることができる。ビーズサイズを良好に制御することにより、１つのビーズがフォトニック結晶センサ９００の欠陥穴９１０を通過するときに、ビーズ表面に結合される生体分子の数を測定することができる。動作波長の変化Δλ、または動作周波数の変化Δνは、欠陥穴９１０の体積または屈折率の部分的な変化に比例する：Δλ≒αρ３、ただしαはセンサの応答度を含み、ρは球の半径である。これは、Δλ／Δρ≒３αρ２のビーズ半径に対する応答度を与える。例えば、５０ｎｍ径のビーズを考えると、生体分子の付着に起因する、半径の変化に対する動作波長の変化はΔλ／Δρ≒０．２３であり、半径が１ｎｍシフトする度に、それに対応して、動作波長が０．２３ｎｍシフトする。異なるサイズのビーズを含む溶液を、異なる化学物質で機能化して、溶液中でいくつかの異なる結合実験を実行し、その後、フォトニック結晶センサ９００の欠陥穴９１０にビーズを通すことにより結合係数を分析することができる。
【００５８】
図１１は本発明による一実施形態を示しており、フォトニック結晶センサ１１０６、１１０７、１１０８および１１０９が単一の基板１１０４上に集積され、差を測定できるようにする。フォトニック結晶センサ１１０６、１１０７、１１０８および１１０９のためのフォトニック結晶格子は必ずしも同じである必要はないことに留意されたい。光導波路１１１０によって、フォトニック結晶センサ１１０６および１１０７の両方にそれぞれ光学的に応答させることができ、一方、光導波路１１１５によって、フォトニック結晶センサ１１０８および１１０９の両方にそれぞれ光学的に応答させることができるようになる。マイクロ流体チャネル１１２０、１１２１、１１２１および１１２３（概略的に示される）はそれぞれ、フォトニック結晶センサ１１０６、１１０７、１１０８および１１０９に流体成分を供給する。マイクロ流体チャネル１１２１および１１２２内のフォトニック結晶センサ１１０７および１１０８の上流には、それぞれ、分析物を生成するか、または所望の分析物と相互作用するための構造１１５５および１１５０が配置される。例えば、構造１１５０および１１５５がそれぞれ正常な細胞および異常な細胞である場合には、それらの細胞はインキュベートされ、チップ上に固定化される。例えば、参照により本明細書に援用される、H. AnderssonおよびA. Van den Berg著「Microfabrication and microfluidics for tissue engineering: state of the art and future opportunities」（Lab on a Chip, 4, 98-103, 2004）を参照されたい。フォトニック結晶センサ１１０６および１１０９とともに、マイクロ流体チャネル１１２０および１１２３はそれぞれ、基準信号を与え、温度変動、キャリア流体内の緩衝液および溶媒等を補償できるようにする。外部マイクロ流体入口ポート１１９９を用いて、それらの細胞のための薬物、水、栄養物が挿入され、フォトニック結晶センサ１１０６、１１０７、１１０８および１１０９の下流にある対応する出口ポート（図示せず）を用いて、余分な流体が収集される。フォトニック結晶センサ１１０６、１１０７、１１０８および１１０９を用いて、例えば、細胞の薬物消費量を測定することができるか、或いは薬物または他の分子が存在する中で細胞から排出されるタンパク質の変化を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による一実施形態を示す図である。
【図２Ａ】入射角の関数としてのＴＭ偏光のための透過率／反射率を示す図である。
【図２Ｂ】入射角の関数としてのＴＥ偏光のための透過率／反射率を示す図である。
【図２Ｃ】本発明による一実施形態の場合の、屈折率の関数としての波長のシフトを示す図である。
【図２Ｄ】本発明による一実施形態の場合の、波長の関数としての正規化された透過スペクトルを示す図である。
【図２Ｅ】本発明による一実施形態の場合の、薄膜厚の関数としての動作波長のシフトΔλを示す図である。
【図２Ｆ】本発明による一実施形態の場合の、時間の関数としての動作波長／屈折率の変化を示す図である。
【図２Ｇ】本発明による一実施形態のディザシステムを示す図である。
【図２Ｈ】本発明による一実施形態の同期式走査システムを示す図である。
【図２Ｉ】本発明による一実施形態の、複数の素子から構成される広帯域の非波長可変光源システムを示す図である。
【図２Ｊ】本発明による一実施形態の、勾配に基づくピーク検出システムを示す図である。
【図３Ａ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図３Ｄ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図３Ｅ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図５Ａ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】本発明による一実施形態の概略図である。
【図５Ｃ】図５の実施形態の場合の透過対周波数、およびフォトニック結晶構造の平面の上から漏れる光信号を示す図である。
【図６Ａ】本発明による一実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】本発明による回折スーパーセルの一実施形態を示す図である。
【図７】材料スタックを用いる、本発明による一実施形態を示す図である。
【図８Ａ】本発明による一実施形態を形成するためのステップを示す図である。
【図８Ｂ】本発明による一実施形態を形成するためのステップを示す図である。
【図８Ｃ】本発明による一実施形態を形成するためのステップを示す図である。
【図９】本発明による一実施形態を示す図である。
【図１０】本発明による一実施形態の場合の平面外の光場を示す図である。
【図１１】本発明による単一のナノ粒子における示差測定のためのシステムを示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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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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