(57)【要約】本発明は、クロモフォア要素を支持するための装置であって、選択される条件で発光するように適合されたクロモフォア要素（５）を上面（２４）に受けるための手段（１）と、各クロモフォア要素（５）によって発された光を、それを包囲する区域の一部に回収し、前記回収した光を集光装置に送るための光を集中させる手段（３）と、を含む装置に関する。
2004525342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのクロモフォア要素を支持するための、前記クロモフォア要素（５）が固着される上面（２４）を有する基板（２）と、クロモフォア要素（５）によって集光装置に向けて発せられる光の量を増強するための手段とを含み、前記手段が、基板の上面から離れたところで基板中に配置された反射手段を含む群の一部を形成する装置であって、この群がまた、
・クロモフォア要素とそれぞれが対応し、かつ、透過状態又は反射状態で機能するマイクロレンズと、
・クロモフォア要素から離れたところに配置され、かつ、透過状態又は反射状態で機能する回折手段と、
・互いに対して平行にかつクロモフォア要素の各側に配置されて非対称共振空洞を画定する第一の反射手段及び第二の反射手段と、
・クロモフォアによって発せられた光の一部を基板中に捕らえるために、及び／又は励起光を供給するために、基板においてクロモフォアを担持する上面の下方に形成された平面導波路と、
・反射性の底を有しかつ適当な屈折率の物質が充填され、それぞれがクロモフォア要素を受けるウェルとして形成された、基板の上面の輪郭構造と、
・基板の上面に形成された平面共振器と、
を含むことと、
クロモフォア要素（５）によって発せられる光の量を増強する手段が、前記群に属する手段の少なくとも一つを含むこととを特徴とする装置。
【請求項２】
基板（２）が、上面（２４）から距離（ｄ）（この距離ｄは、ｄ＞ｎλ／２ＮＡ２の関係を満足する）のところに配置された第一の反射ミラーを含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
各クロモフォア要素（５）から離れたところで基板の層中に形成され、かつ、発光を集光装置に向けて基板中に集束させるように配設されたマイクロレンズを含む、請求項１又は請求項２記載の装置。
【請求項４】
クロモフォア要素（５）から離れたところで基板の層中に形成され、かつ、発光を集光装置に向けて基板中に回折させるように配設された回折手段を含む、請求項１又は請求項２記載の装置。
【請求項５】
基板（２）が、基板と一体化した第一の反射ミラー（３）と、クロモフォア要素（５）に面して配置された第二の半反射ミラー（７）とを含み、第二の半反射ミラー（７）は、第一のミラー（３）に対して実質的に平行に、かつ、特にファブリ−ペロ型の非対称共振空洞を画定するように選択された距離だけ第一のミラーから離れたところに配置され、かつ、発光を透過によって集光装置に送るように配設された、請求項１記載の装置。
【請求項６】
第二のミラー（７）が集光装置の対物レンズの入射面（８）に形成されている、請求項５記載の装置。
【請求項７】
第二のミラー（７）が顕微鏡観察カバースリップの入射面（８）に形成されている、請求項５記載の装置。
【請求項８】
基板（２）が、上面（２４）から距離（ｄ）（この距離（ｄ）は、ｄ＜ｎλ／２ＮＡ２の関係を満足する）のところに、クロモフォア要素（５）を励起するための光を上面（２４）に対する法線（Ｎ）に対して非ゼロの入射角で受けるように配設された第一の反射ミラー（３）を含み、
前記入射角が、励起光（λｅｘｃ）のフィールドアンチノードと発光（λ）のフィールドアンチノードとが一致するように選択され、
光が、基板の上面（２４）に対して実質的に垂直な方向で収集される、請求項１記載の装置。
【請求項９】
基板（２）が、上層の下方に配置された一体化された非対称共振空洞、特にファブリ−ペロ型のものを含み、上層は、共振空洞に対して選択された場所に向かうクロモフォア要素（５）の移動を許すために垂直方向及び／又は横方向に少なくとも部分的に透過性である、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記空洞が二つのミラーによって画定される、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記上層が多孔質材料、特にシリカゲルから製造されている、請求項９及び請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
上層が、前記場所に向かうクロモフォア要素（５）の移動を促進するための孔を選択された位置に含む、請求項９〜１１のいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
ミラーの一つ又は各ミラーが多数の誘電体層によって構成されている、請求項１０〜１２のいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
誘電体層（３）が、半導体、酸化物、ガラス、窒化物、有機ポリマー又は有機金属ポリマーによって形成される群から選択される材料から製造されている、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
ポリマーが、非晶質ポリマー及び「配向」した複屈折ポリマーによって形成される群から選択される、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
基板の上面（２４）がｎ次元構造を有し（ｎは、２以上に等しい整数である）、発された光の波長の関数として次元が選択される、請求項１記載の装置。
【請求項１７】
前記構造が、溝及びうねによって形成される群から選択される多数の平行な線状の三次元構造（６）を含み、溝及びうねは、Ｕ字形又はＶ字形又は放物面形又は楕円形である請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
平行な線状の三次元構造（６）の頂部又は隙間のそれぞれが少なくとも一つのクロモフォア要素（５）を受けることができる、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記平行な線状の三次元構造（６）を分ける空間の少なくとも一部が反射材料を含み、この反射材料の上に選択された屈折率の充填材が配置され、前記クロモフォア要素（５）が前記充填材に又は三次元構造の頂部に配置されるためのものである、請求項１７記載の装置。
【請求項２０】
前記構造が、クロモフォア要素と対応する光子結晶及び共振空洞を画定する孔又はコラムの二次元又は三次元配列を含む、請求項１６記載の装置。
【請求項２１】
前記光子結晶が光子バンドギャップ型である、請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記構造が、高い屈折率の材料（１８）で充填され、反射材料（２０）が底に挿入され、かつ、それぞれが少なくとも一つのクロモフォア要素を前記充填材上に受けることができる多数の三次元ウェル（１９）を含む、請求項１６記載の装置。
【請求項２３】
三次元ウェル（１９）の輪郭構造が、回転放物面、回転楕円面及びｎ次元刻面（ｎは、１又はそれ以上の整数である）によって形成される群から選択される、請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
前記構造が、それが誘発する電磁場から電磁エネルギーを貯蔵することができ、対応するクロモフォア要素（５）が前記電磁場の実質的にアンチノードに位置するように配設された平面共振器（１２）を、クロモフォア要素（５）ごとに含む、請求項１６記載の装置。
【請求項２５】
平面共振器（１２）が少なくとも二つの三次元同心円形通路（１３、１５）を含み、前記クロモフォア要素（５）が前記通路の実質的に中心に配置されている、請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
平面共振器（１２）が、ラメラ格子を画定する多数の三次元通路を含み、クロモフォア要素が前記ラメラ格子の実質的に中心に配置され、かつ、前記通路が、長方形及び平行な線状の形によって形成される群から選択される形状を有する、請求項２４記載の装置。
【請求項２７】
クロモフォア要素（５）の実質的に下方に配置され、かつ、前記クロモフォア要素によって支持手段（１）の方向に発された光を収集しかつそれを平面共振器（１２）の方向に誘導するように配設された平面導波路（１４）を、含む、請求項２４〜２６のいずれか１項記載の装置。
【請求項２８】
前記群が、ナノメートル孔の存在によって誘発される電磁場の局所的強化によって局在化された共振を保証することができる手段を含み、ナノメートル孔は、規則的であっても規則的でなくてもよく、選択された金属、特に銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）で製造された、請求項１記載の装置。
【請求項２９】
前記ナノメートル孔又は構造が、表面増強ラマン散乱で起こるタイプの機構により、発光及び／又は励起を局所的に増強するように配設されている、請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
基板（２）の上面が、不規則な銀の膜又は多数の組織化された銀のナノ構造を含み、前記膜又は前記ナノ構造がクロモフォア要素（５）を受けることができる、請求項２８又は請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
基板（２）が、電荷結合（ＣＣＤ）光検出要素のマトリックスと対応し、これらの検出要素の少なくともいくつかが、少なくとも一つのクロモフォア要素（５）に対応して電子的にアドレスすることができる、請求項２〜３０のいずれか１項記載の装置。
【請求項３２】
クロモフォアに対応する検出要素（１７）と、参照区域に対応する検出要素との間で示差計測を実施することができるよう、特定の検出要素が参照活性信号を有する区域に対応している、請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
少なくとも二つの異なる波長で発光するクロモフォア要素（５）を検出するため、二つの発光波長を検出するための検出要素（１７）と選択的に対応し、前記検出要素からの出口信号を示差処理するための波長フィルタリング手段を含む、請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
マトリックス（１７）と基板（２）との間に、クロモフォア要素を励起するためのものである光を拒絶するために配設された反射手段（３）を含む、請求項３１〜３３のいずれか１項記載の装置。
【請求項３５】
検出要素（１７）のマトリックスと、クロモフォア要素（５）の下方に配設された前記反射手段（３）との間に位置する、入射角に感応しない吸収層（２３）を含む、請求項３１〜３４のいずれか１項記載の装置。
【請求項３６】
集光装置が、クロモフォア（５）を担持し、かつ、クロモフォア（５）によって発された光を、励起光を拒絶するためのフィルタ（２９）に通して受ける基板の面の上方に配設された光検出器（１７）のマトリックス（２７）を含む、請求項１〜８、１３〜２７及び３１〜３５のいずれか１項記載の装置。
【請求項３７】
クロモフォア要素（５）の上方及び下方にそれぞれ配置された二つの前記光検出器マトリックス（１７）を含み、クロモフォア要素によって二つの別個の波長で発された光を受けるための拒絶フィルタ（２３、２９）に対応する、請求項３１と３６とに合わせて記載の装置。
【請求項３８】
クロモフォア要素（５）の実質的に下方に配置され、かつ、前記クロモフォア要素によって基板の方向に発せられた光を収集しかつそれを集光装置の方向に誘導するように配設された平面導波路（１４）を含む、請求項１記載の装置。
【請求項３９】
励起光（λｅｘｃ）をクロモフォア要素（５）に供給するための平面導波路（２５）を含む、請求項１及び３１〜３８のいずれか１項記載の装置。
【請求項４０】
平面導波路（２５）が、励起光（λｅｘｃ）と結合するための薄い厚さ変調の格子（２６）を基板（２）の中間区域に含む、請求項３９記載の装置。
【請求項４１】
導波路（１４、２５）が、各クロモフォア要素（５）に近接する通路（１５）を含み、前記通路が、導波路によって収集された光を集光装置に向けて送るように配設されたブレーズド回折格子を画定する、請求項３８〜４０のいずれか１項記載の装置。
【請求項４２】
クロモフォア要素（５）が、クロモフォア又はクロモゲン信号を発することができる分子と、標的（又はプローブ）と相互作用することができるプローブ（又は標的）を受けることができかつ支持体（１）の上面（４４）に結合した半導体ナノ構造と、によって形成される群から選択される、請求項１〜４１のいずれか１項記載の装置。
【請求項４３】
クロモフォア要素（５）が、支持体（１）の上面（２４）と一体化したプローブ（又は標的）と相互作用した標的（又はプローブ）を含む対である、請求項１〜４２のいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、支持体に固定された化学的又は生物学的細胞、分子又は高分子に直接的又は間接的に接続されたクロモフォア又はクロモゲン信号の検出を改善することに関する。
【０００２】
「クロモフォア信号」又は「クロモゲン信号」とは、適当な光による励起ののち又はクロモゲン基板の酵素転換ののち直接的又は間接的に発せられる光信号をいう。クロモフォア又はクロモゲン信号の範疇は、比色信号、フォトルミネセンス信号、蛍光信号、化学発光信号及び生体発光信号などを含む。このような信号は、対象の分子によって直接発せられるか、そのような分子に付加される要素及び／又はそのような分子にグラフトされる要素、たとえば着色剤分子又は特定種の半導性ナノ構造、たとえば量子細線又は量子箱によって発せられる。
【０００３】
分子の存在を検出しかつ定量するために細胞及び分子生物学で使用される技術は通常、このような信号を利用し、かつ、光電子増倍管を備えた分光計、蛍光計又はルミノメータによって検出される。
【０００４】
本明細書で使用する「分子」は、単離しているか又は構造もしくは別の分子に結合しているかするいかなるタイプの分子又は高分子をもいう。挙げることができる例は、核酸又はオリゴヌクレオチド、タンパク質又はポリペプチド配列及びそれらの抗体又は断片である。「分子」はまた、特定のリガンドに対して特定の親和力を有する化学分子をいうこともできる。挙げることができる例は、コンビナトリアルケミストリー技法を使用する高スループット合成及びそれらの選択から得られる分子である。
【０００５】
生物学的材料の入手性及び複雑な混合物中の特定の分子の存在の探索が、「チップ」、「ミクロアレイ」及び「マクロアレイ」を使用する小型化技術の開発につながった。調査又は定量される分子（標的）が、現在はガラス、シリカ、ナイロン又は金属から形成される支持体又は基板に固定された特定の既知のリガンド（プローブ）の存在に置かれる。標的はクロモフォアを担持するため（プローブがクロモフォアを担持することも可能）、標的が固定プローブ（又は特異的リガンド）に結合すると、その標的が検出される。
【０００６】
本明細書で使用する「支持体」又は「基板」は、クロモフォア要素を支持することができるいかなる手段をもいう。結果として、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。単層又は多層の層の一つは、市販され、おそらくは改質されている基板であることもできる。
【０００７】
標的、プローブ及びクロモフォアのそれぞれの配置は交換可能である。この文言は、標的が相互作用する、支持体と一体化したプローブをいうが、標的が支持体と一体化していることも可能であり、その場合、プローブが標的と相互作用することができる。
【０００８】
プローブは、種々のやり方でその支持体に固定することができる。例は、化学アドレッシング、電気化学アドレッシング又はプリンタで使用されるインクジェット技術に類似した技術を使用するアドレッシングである。
【０００９】
この主題の詳細な考慮は、Ｆ．  Ｂｅｒｔｕｃｃｉらによる論文Ｈｕｍａｎ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｇｅｎｅｔｉｃｓ  （１９９９），  ８，  Ｎｏ．  ９，  ｐｐ．  １７１５−１７２２で見いだすことができる。
【００１０】
現在使用されている検出手段の感度は、有意な応答を得るために一つの範疇の分子少なくとも１０４個の存在を必要とする。さらには、より多くのプローブがより小さな支持体に取り付けられるにつれ、カップリング及び／又はプローブ／標的ハイブリダイゼーションののち発せられるルミネセンス信号又は比色信号の起源を検出することが特に困難になる。
【００１１】
計測感度を改善するための従来の解決方法は、これまで、たとえば放射性標的を使用して発せられる信号を増強すること、又はハイブリダイズもしくはカップリングすることができる物質の量を増強することからなるものであった。しかし、そのような解決方法は不十分である。
【００１２】
他の解決方法は、非常に広い開口数の光学システム及び／又は浸漬システムを要し、これらは大きなアレイの高速走査要件に適合しない。
【００１３】
米国特許第６００８８９２号は、反射面を有する剛性ベース、たとえば金属を透明な層、たとえばシリカで覆い、その上にクロモフォア要素を固定したものを含む、クロモフォア要素を支持するための装置を記載している。ベースの反射面と透明な層の上面との間の光路は、入射励起光の定常波がクロモフォア要素のレベルでアンチノードを有するような、クロモフォア要素のための励起光の四分の一波長の奇数倍である。そして、クロモフォア励起は最大値になる。反射ベースはまた、顕微鏡システムによって蛍光が収集される立体角を実質的に倍増することにより、励起に応答して発せられる蛍光の収集を増強することができる。
【００１４】
本発明の目的は、光励起に応答してクロモフォア要素によって発せられる光の検出をさらに改善することである。
【００１５】
このために、本発明は、クロモフォア要素によって発せられる光の少なくとも一部を選択された空間領域に集中させてそれを捕らえることを可能にする、上記で定義したタイプのクロモフォア要素を支持するための装置を提供する。本明細書で使用する「集中」とは、まず、クロモフォア要素によって発せられた光をその周囲の領域の一部に回収し、次いで、その回収した光を強制的に一以上の集中区域に到達させることをいう。
【００１６】
したがって、本発明は、少なくとも一つのクロモフォア要素を支持するための、前記クロモフォア要素が固着される上面を有する基板と、クロモフォア要素によって集光装置に向けて発せられる光の量を増強するための手段とを含み、前記手段が、基板の上面から離れたところで基板中に配置された反射手段を含む群の一部を形成する装置であって、この群がまた、
・クロモフォア要素とそれぞれが対応し、かつ、透過状態又は反射状態で機能するマイクロレンズと、
・クロモフォア要素から離れたところに配置され、かつ、透過状態又は反射状態で機能する回折手段と、
・互いに対して平行にかつクロモフォア要素の各側に配置されて非対称共振空洞を画定する第一の反射手段及び第二の反射手段と、
・クロモフォアによって発せられた光の一部を基板中に捕らえるために、及び／又は励起光を供給するために、基板においてクロモフォアを担持する上面の下方に形成された平面導波路と、
・反射性の底を有しかつ適当な屈折率の物質が充填され、それぞれがクロモフォア要素を受けるウェルとして形成された、基板の上面の輪郭構造と、
・基板の上面に形成された平面共振器と、
を含むことと、
クロモフォア要素によって発せられる光の量を増強する手段が、前記群に属する手段の少なくとも一つを含むこととを特徴とする装置を提供する。
【００１７】
したがって、本発明の装置は、各クロモフォア要素の光学環境を、それが発する光の大きな割合が収集されるように変化させることを意図する。収率が分子検出試験の感度とともに改善される。
【００１８】
加えて、クロモフォア要素のために励起光を要する特定の用途の場合、本発明は、励起強さを減らすことができる。
【００１９】
いくつかの実施態様では、本発明はまた、検出器に収集される励起光の拒絶率を改善することができ、その結果、信号雑音（Ｓ／Ｎ）比を改善する。
【００２０】
いくつかの実施態様では、本発明はまた、クロモフォアによって発せられる光の収集を強化することに加え、そのクロモフォアの光学励起を強化することもできる。
【００２１】
クロモフォアの環境に対する変更が幾何光学効果に頼るのか及び／又は波動光学効果に頼るのかに依存して、多数の実施態様を考えることができる。
【００２２】
たとえば、発光及び／又は入射放射線（励起放射線）の伝播が幾何光学の法則によって支配される幾何光学の分野では、以下を設けることができる。
【００２３】
・クロモフォアから距離（ｄ）のところで基板と一体化した（又は基板中に形成された）第一の「遠い」ミラー（この距離は、発光波長（λ）に対して大きい、すなわち、基準ｄ＞ｎλ／２ＮＡ２（ＮＡは、集光レンズの開口数であり、ｎは、ミラーとクロモフォアとの間の媒体の屈折率である）を満足する）であって、クロモフォア要素によって発せられた光を空間中の選択された領域に向けて反射するためのものであるミラー。第一の遠いミラーは、誘電体層のスタックの形態で製造することができる。
【００２４】
・フレネルミラーを用いる場合と同様に、透過状態又は反射状態で、すなわち、前方又は後方に集束することによって機能することができる、それぞれがクロモフォア要素と対応したマイクロレンズ。
【００２５】
・適当な屈折率（好ましくは高い）の材料が充填され、底が反射性であり、それぞれが少なくとも一つのクロモフォア要素をこの充填材上に受けることができる小さなウェル。
【００２６】
・透過状態又は反射状態で機能し、クロモフォア要素から選択された距離に配置された回折手段。
【００２７】
・クロモフォアが平面導波路中に発光する場合（クロモフォアは必ずしもこの導波路中に配置されるわけではない）、クロモフォア要素によって支持手段の方向に発せられた光を収集し、この光を集光装置に向けて誘導するためのブレーズド回折格子を画定する通路。
【００２８】
・適当な屈折率の材料が充填され、反射性ベースを有し、少なくとも一つのクロモフォア要素をこの充填材上（その間、頂部又は中心）に受けることができる、Ｕ字形、Ｖ字形又は放物面形であってもよい通路（もしくは溝）又はうねの形態で基板の上前面に形成された平行な線状構造。
【００２９】
・隣接媒体へのこの光の拡散を最小限にすることによってクロモフォア励起光を誘導するための平面導波路。
【００３０】
・集光導波路の非存在で、基板の後面と対応する電荷結合検出（ＣＣＤ）要素のマトリックスを提供することが可能であり、検出要素の少なくともいくつかは、少なくとも一つのクロモフォア要素と一致させて電子的にアドレスされる。この場合、マトリックスと基板との間に、クロモフォア要素励起光を拒絶するために、干渉ミラーを形成する層を設けることが有利である。また、ＣＣＤ検出器からの画素を、活性もしくは空のクロモフォア要素又は非活性クロモフォア要素を担持する場所又は参照活性信号を有する場所に結合して、ＣＣＤ検出器からの画素の示差計測により、バックグラウンド雑音及び迷走励起信号を差し引くことによって増大したＳ／Ｎ比を有する活性クロモフォアの信号を得ることが可能である。
【００３１】
たとえば干渉現象を利用して光学波を強化又は減少させる波動光学分野では、以下を有することが可能である。
【００３２】
・幾何光学のためのものと類似しているが、支持体の中に発せられる光の収集を増幅する干渉効果を提供するようにクロモフォアから距離（ｄ）（ｄは、ｄ＜ｎλ／２ＮＡ２の関係を満足する）のところに配置され、支持体に対する法線に対して非ゼロ入射角でクロモフォアに到達する励起波に結合される、「近い」ミラーとして知られる第一の反射体（又はミラー）。この入射角はまた、二重共振が存在するとき、すなわち、二つの励起波長（λｅｘｃ）及び発光波長（λｅｍ）のためのフィールド中のアンチノード同士が一致するとき、励起を強化する。検出は、支持体に対する法線上で中心にとどまる。
【００３３】
・クロモフォア要素の下方に配置されたこの第一のミラーを、これらのクロモフォア要素の上に、第一のミラーに対して実質的に平行に、それから選択された距離のところに配置された第二の半反射ミラーと組み合わせて、特にファブリ−ペロ型の非対称共振空洞を画定して、第二のミラーによって収集された光を送ることができる。変形として、第二のミラー又は出口ミラーが下方にあり、発光波長でもっとも反射性のミラーが上方にあることもできる。この後者のミラーは、おそらくは、励起波長で実質的に透過性である。一般に、これら二つの場合、距離ｄを、もっとも反射性のミラーからクロモフォアを分ける距離とみなして、近いミラーの二重共振条件に類似した二重共振条件を満たすことができる。第二のミラーを基板又は集光器の入射面に直接被着することもできるし、既存の入射面のジオプトリーによって構成することもできる。
【００３４】
・支持体中に発されたクロモフォアから光の大きな画分を捕らえ、好ましくは、捕らえた光を集光装置に向けて導くための上述した手段が設けられた平面導波路。
【００３５】
・各クロモフォア要素の周囲で基板中に形成され、それが誘発する電磁場から電磁エネルギーを貯蔵するためのものであり、対応するクロモフォア要素が電磁場中で実質的にアンチノードに配置されるように配設された平面共振器。これは、中心にクロモフォア要素が配置される同心状の円形通路又は溝（少なくとも二つ）を含むことができる。これはまた、ラメラ格子を画定する長方形又は平行な通路又は溝を含むことができる。
【００３６】
その領域における光伝播を制御する（禁じることさえある）ための好ましくは光子バンドギャップ型の光子結晶を画定する孔又は柱状部の二次元（２Ｄ）又は三次元（３Ｄ）配列。
【００３７】
選択された金属、特に銀（Ａｇ）で製造された、規則的であっても規則的でなくてもよいナノメートル構造（たとえば島状物）又はナノメートル孔の存在によって誘発される電磁場の局所的強化によって局在化共振を生じさせる集光手段。これらのナノメートル島状物又は孔は、たとえば表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）におけるように、発光及び励起を増強することができる。
【００３８】
・垂直方向及び／又は横方向に少なくとも部分的に透過性であってクロモフォア要素が共振空洞に対して選択された場所に向けて移動することを許す上層の下方で基板中に一体化された、特にファブリ−ペロ型の非対称共振空洞を含む集光手段。この空洞は、好ましくは、第一及び第二のミラーによって画定され、上層は、好ましくは、多孔質材料、たとえばシリカゲルで製造される。さらには、上層は、場所に向かうクロモフォア要素の移動を促進するため、選択された場所に孔を含むことができる。
【００３９】
上記実施態様のいくつかを組み合わせて集光をさらに改善することができる。
【００４０】
本発明は、上記装置を使用することができるすべての分野、特に生物学、生化学及び化学に関する。
【００４１】
より具体的には、本発明は、上記タイプの装置の使用及び標的とプローブオリゴヌクレオチド、たとえばＤＮＡストランドとの対の検出を可能にするためのものであるバイオチップの使用、クロモフォア又はクロモゲン信号、特にルミネセンス信号、蛍光信号又は比色信号を直接的又は間接的に発することができる分子で標識された標的ポリペプチド配列又はタンパク質と、プローブポリペプチド配列又はタンパク質との間の相互作用の検出ならびにプローブ化学分子と標的化学分子との間の相互作用の検出に関する。
【００４２】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び点添付図面から明らかになるであろう。
【００４３】
添付図面が定義的な実施態様を示す。結果として、これらの実施態様は、本発明を説明するように働くだけでなく、必要ならば、その定義に貢献する。
【００４４】
以下の説明では、標的に結合されるプローブを受けるための多数の区域が形成されている少なくとも一つの支持体を含むクロモファ要素を支持するための装置を参照する。記載する用途では、標的及びプローブは、オリゴヌクレオチド、たとえばＤＮＡストランドである。しかし、本発明はこの用途に限定されず、標的及びプローブは、タンパク質又はポリペプチド配列、より一般的には、いかなるタイプの化学的、生化学的又は生物学的分子であってもよい。
【００４５】
本発明の装置は、クロモフォア要素によって発された光子の少なくとも一部を、それらを包囲する領域の一部に回収して、それが、集光装置が配置された空間中の選択領域、たとえば、光検出器、たとえば光電子倍増管又はたとえばＣＣＤ（電荷結合装置）型の光検出要素のマトリックスに結合された顕微鏡の対物レンズに送られるようにすることを意図する。
【００４６】
光子を回収するために、支持装置は、波動光学の法則にしたがって機能するのか幾何光学の法則にしたがって機能するのかに依存して二つの異なる範疇に分類することができる、光を集中させるための手段を含む。
【００４７】
まず、図１を参照して、幾何光学の法則にしたがって機能する本発明の装置の実施態様を説明する。
【００４８】
装置は、基板２から形成された支持体１を含み、反射ミラー３が支持体１の上面２４から距離（ｄ）のところに形成されている。ミラーは、作動波長（クロモフォアの発光波長）で高い反射性を示す層を被着することによって形成することができる。図示する態様では、ミラーは多数の誘電体層３によって構成されている。基板２及び誘電体層３は、半導体材料又は酸化物もしくはガラスから製造することができる。一例として、６００ナノメートル（ｎｍ）のオーダの発光波長（λｅｍｉｓ）の場合、厚さｅ１＝λ／４ｎ１＝１００ｎｍのＳｉＯ２層（屈折率ｎ１＝１．５）及び厚さｅ２＝λ／４ｎ２＝６０ｎｍのＴｉＯ２層（屈折率ｎ２＝２．５）を選択することができる。この例では、ＳｉＯ２層を第一の層として２〜１０対の層が必要である。
【００４９】
しかし、他の材料、たとえば窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）又は有機もしくは有機金属ポリマーを考えることができる。ポリマーは、おそらく、非晶質（等方向性材料）で又は「配向して」かつ複屈折性である。特に二つの極性を使用する場合の、複屈折ポリマー層の特に有利な反射特性に関するさらなる詳細は、Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ｖｏｌ．  ２８７，  ｐ．  ２４５１，  Ｍａｒｃｈ  ３１ｓｔ，  ２０００におけるＷｅｂｅｒらによる文献を参照することによって見いだすことができる。
【００５０】
例示する実施態様では、ミラーは、幾何光学の法則にしたがって機能するように「遠い」ミラーである。「遠いミラー」とは、クロモフォアからのその距離のせいで、波動光学の法則（干渉現象）ではなく幾何光学の法則にしたがって機能するタイプの反射構造をいう。換言するならば、ミラーは、クロモフォア５から距離ｄであり、距離ｄは、基準ｄ＞ｎλ／２ＮＡ２（「ＮＡ」は、波長（λ）でクロモフォアによって発せられる光を収集する対物レンズの開口数であり、「ｎ」は、ミラーとクロモフォアとの間の媒体の屈折率である）を満足させる。
【００５１】
反射性であるこのような「遠い」ミラーは、支持体１の上面２４に対して垂直な方向Ｎの実質的に周囲で収集される光子の数を約２倍にすることができ、このとき、面２４に対する励起光の入射角はいかなる角度であってもよい。
【００５２】
ひとたび生成されると、支持体１の上面２４は、まず、種々のプローブを選択された位置に受ける。プローブは、当業者には公知であるアドレス技術を使用して支持体１上に固定され、それは、プローブの性質と支持体１の上面２４とに依存する。一例として、化学アドレス技術、又は電気化学アドレシング、又はプリンタで使用されるインクジェット技術に類似した技術を使用することが可能である。
【００５３】
そして、特定の標的が特定のプローブと相互作用するよう、プローブを備えた支持体１をたとえば浸漬によって標的と通じさせる。本明細書で使用する「相互作用」とは、標的／プローブ対を比較的丈夫に形成することができるタイプのカップリング又はハイブリダイゼーション又はペアリングをいう。
【００５４】
一例として、標的は、ルミネセンスマーカを付されたＤＮＡストランドである。本明細書で使用する「ルミネセンス」とは、誘発的であるか自発的であるかを問わず、あらゆるタイプの発光、たとえばフォトルミネセンス、蛍光又はリン光をいう。ルミネセンスマーカを標的又はプローブに固定することができない特定の用途では、ルミネセンスは、標的／プローブ対が固着される構造によって局所的に保証される。これは、特定の半導体構造、たとえば量子細線及び量子箱（Ｂｒｕｃｈｅｚらによる文献Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２８１，  ｐ．  ２０１３，  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２５ｔｈ  １９９８を参照）、又はその上に固着された対がルミネセンス減衰剤又は増幅剤として作用する着色剤で、特に当てはまる。この場合、基板（単又は多層）は、半導性材料から製造することができる。
【００５５】
したがって、本発明では、「クロモフォア要素」とは、適当な光による励起ののち又はクロモゲン基質の酵素転換ののちに、クロモフォア信号又はクロモゲン信号を直接的又は間接的に発することができる要素をいう。したがって、自発的に光子を発する又は誘発されて光子を発することができかつ支持体１の上面２４と一体化した標的／プローブ対か、又はひとたび標的／プローブ対と対応すると、自発的又は誘発的に光を発する三次元構造か、又はひとたび標的／プローブ対と対応すると、その挙動を変化させて、自発的であろうと誘発的であろうと、対の不存在におけるよりもずっと多く又は少なく発光しかつ基材と一体化した要素か、のいずれかであることができる。
【００５６】
したがって、本発明は、クロモフォアによって発せられる光子、特に、支持体１の方向に発せられるであろう光の全部又は一部の収集を奨励することを目指す。ここでは、クロモフォアによって発せられる光の約７０％が基板中に失われ、残り３０％が、収集開口の制限のため、集光装置によって必ずしも捕らえられるわけではないことを覚えておくべきである。
【００５７】
ある態様では、装置の支持体１は、透過状態又は反射状態（マイクロミラー）で機能する、すなわち、特にフレネルミラーに当てはまるように、前方又は後方に集束する、各クロモフォア５の実質的に下方で構造化と位置づけとがされてもされなくてもよいマイクロレンズを含むことができる。また、発光の波長と比較して十分に大きな距離のところに配置された回折装置を使用することが可能である。これらの条件下、幾何光学の法則にしたがう回折手段の機能とそれらの特性（入射角及び射出角）と、は格子の法則によって固定される。
【００５８】
一つの具体的な格子の実施態様は、合成したホログラフィー格子（すなわち、当業者に公知の方法を使用して光学伝達関数を計算することから得られる）を使用して光の向きを直すことからなる。平面の中へ又は平面の外に誘導された波の向きを直すこれらのホログラフィー格子の能力に関するさらなる詳細は、Ｍａｒｔｉｎｓｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｔｅｃｈ．  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １１，  ５０３，  １９９９及びＬａｒｓｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，  ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃ．  ３６２６，  １９９９を参照することによって得ることができる。
【００５９】
次に、図２Ａ及び２Ｂを参照して、特に有利なさらなる実施態様を記載する。この実施態様では、小さなウェル１９（又は三次元レリーフ）が支持体１の上部１０に形成されている。これらのレリーフは、パターンを画定するための種々の技術（たとえばリソグラフィー及びセリグラフィー、電子ビーム露光）を使用したのち、レリーフを形成するための技術（たとえば、プラズマ、イオンビーム、プラズマ及び／又は反応性イオンビームを使用する化学的又は乾式彫刻）及び直接エンボス加工によっても形成することができる。
【００６０】
反射層２０（又は対象波長で反射性を有する多層アセンブリ）を各ウェル１９の底に被着したのち、それを屈折率ｎ２、好ましくは高い屈折率の充填材１８で満たし、次いでクロモフォア５を、充填材１８の上面で実質的にウェル１９の焦点（中心）に配置する。場合によっては、複数（少なくとも二つ）のクロモフォアを同じウェルの上に配置することもできる。
【００６１】
三次元構造の反射性は、金属又は誘電体被着物によって生じる。ウェルは、所望の材料に適した方法、好ましくは誘電法によって充填される。たとえば平坦に凝固するエポキシ樹脂の場合又は凸状被着物の場合には平坦化によって、又は凹状誘電体の場合には介在物なしで、平坦な充填を考えることができる。
【００６２】
好ましくは、図２Ｂに示すように、ウェル１９は、回転放物面であり、幾何学的焦点は、クロモフォアのために用意された位置（充填材１８上の）に位置づけられて、最大値の発光の理想的な収集を可能にする。ｎ１／ｎ２界面から数ナノメートル（ｎｍ）のところに配置されたクロモフォアからの発光は、主に、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）〜θｃ＋１０゜又は２０゜の範囲の角度の円錐として光を送り出す。この機構に関するさらなる詳細は、Ｌｕｋｏｓｚ  Ｗ．及びＫｕｎｚ，  Ｒ．  Ｅ．による論文Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｖｏｌ．  ６７，  ｐｐ．  １６１５−１６１９  （１９７７）、Ｌｕｋｏｓｚ  Ｗ．，  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｖｏｌ．  ６９，  ｐｐ．  １４９５−１５０３  （１９７９）及びＬｕｋｏｓｚ  Ｗ．，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ．  ｖｏｌ．  ２２，  ｐｐ．  ３０３０−３０３８  （１９８０）から得ることができる。ウェルはまた、回転楕円であって、下流の焦点に位置するクロモフォアの上流の実像を形成することもできる。刻面を付けた回転ウェルを考えることもでき、その場合、刻面付けはｎ次元である（ｎは１以上である）。また、材料が、好ましい結晶面を出現させる化学彫刻に適するとき、三次元刻面付け（ｎ＝３）によってウェルを形成することも可能である。
【００６３】
また、たとえばＵ字又はＶ字又は放物面又は楕円の形態の簡単な溝によって発光を集中させることが可能である。
【００６４】
上記実施態様では、特定の角度θ（三つの次元を含む）で照射されるウェルの領域を反射性にすることを省くことにより、励起光の拒絶を改善することが可能である。一例として、クロモフォアの位置に焦点を位置づけ角度θの回転円錐のビームの場合、反射処理は、環２１の上、回転放物面の上では省略されなければならず、可能ならば、この領域２は、非反射性、非拡散性にされなければならず、たとえば、むしろ吸収性にされなければならない。これらの条件下、この角度範囲にない励起角を固定することによってウェルに対するこの角度領域の投射だけを反射性にすることにより、強い拒絶を高い信号と組み合わせて得ることが可能である。
【００６５】
クロモフォア５によって自発的又は誘発的に発する光の絶対量は、ｎ２のベキに比例する放射通路のより高い確率のせいで、充填材１８の屈折率ｎ２とともに増加するため、高い屈折率ｎ２を有する材料を選択することが好ましい。
【００６６】
導かれる光子を検出するためには、電子的にアドレスされる光検出要素のマトリックスの使用が特に有利であり、たとえば電荷結合要素又は金属酸化物半導体（ＭＯＳ）技術を使用して形成される要素であり、現在利用しうるもっとも廉価なマトリックス検出器である。
【００６７】
好ましくは、これらの検出器は、支持体１又は基板２を直接形成するために使用され、それが光の損失を防ぎ、支持体−空気界面の臨界角を超えて傾斜した放射線を保持する。低い屈折率の媒体、たとえば空気によって検出器が支持体から分けられた状態では、これらの光線は完全に反射され、検出器には達しない。
【００６８】
ＣＣＤマトリックスは、可視波長、近赤外又は近紫外でさえも機能するよう、たとえばケイ素基板上に形成することができる。これらのマトリックスは、本発明の装置の製造に必要な特定の熱処理、流体又はその他に対して耐性がある。さらに、このような光検出器は、感光要素（又は画素）（図７の例に示すようなもの）を含み、その寸法は、５マイクロメートル（μｍ）〜５０μｍの範囲にあることができ、その結果、非常に高いプローブ密度をその支持体で使用することを可能にする。
【００６９】
ルミネセンスが誘発されるとき、光検出要素を飽和（又はブラインド）又は破壊さえもするおそれのある光励起光を処理することが必要になるかもしれない。二つの解決方法を考えることができる。第一の解決方法は、ルミネセンスが二つの取得の間の期間よりもゆっくりと低下する場合に適している。これらの場合、取得の前にパルス急速光励起を実施してＣＣＤマトリックスの検出画素を空にすることが可能である。第二の解決方法は、ミラー、たとえば干渉ミラー又は別のタイプのミラー（たとえば色付きフィルタ）又は異なるタイプのミラーの組み合わせ、励起放射線の強い拒絶体（１０−４未満、可能ならば１０−５未満の典型的な数値を有する）を加えると同時に、クロモフォア５からの放射線のための透過窓を設けることからなる。明らかに、これら二つの解決方法を組み合わせて収集結果をさらに改善することができる。
【００７０】
これは、集光装置で波長フィルタリングタイプの補足的な機能を実施する可能性を保持しながらも、マイクロレンズ又はミラーなしで済ますことができることを意味する。
【００７１】
また、以下に記すタイプの示差方法を使用して信号雑音（Ｓ／Ｎ）比を改善することもできる。第一の検出画素を各クロモフォアに対面させながら配置し、一以上の他の検出画素をこの第一の画素の側に配置して、本発明の手段によって集中されなかった発光の残り、すなわち迷光を収集する。クロモフォアに対応する画素によって受けられる信号と、隣接画素によって受けられる信号との示差的計測が、よりよいＳＮ比を生成し、雑音及び迷走信号の種々のソースをなくすことができる。
【００７２】
次に図３Ａ〜３Ｃを参照して、波動光学の法則にしたがって機能する本発明の装置のさらなる実施態様を説明する。
【００７３】
より正確には、この実施態様では、二重共振を生成して、収集される光及び励起光を強化する。第一の共振は発光波長に関し、第二の共振は励起波長に関する。この二重共振は、励起及び発光の二つの波長の電場中のアンチノードの一致を決定することによって生成される。
【００７４】
図１について上記したタイプの支持体、すなわち、誘電体層又は金属層から形成された反射ミラー３を含む支持体が使用される。しかし、ミラーが遠いミラーである図１の例とは対照的に、この実施態様では、ミラーは「近い」ミラーである。換言するならば、基準ｄ＜ｎλ／２ＮＡ２を満たして、クロモフォアからの距離（ｄ）のところに配置されている。
【００７５】
これらの条件下、収集されるエネルギーを４倍に増強することができる干渉効果が生じる。この機構に関するさらなる詳細は、Ｂｅｎｉｓｔｙらによる論文ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，  ｖｏｌ．  ３４，  １６１２，  １９９８から得ることができる。
【００７６】
この近いミラーの条件が、支持体１の上面に対する法線Ｎに対する励起光の入射角θに関する条件と組み合わされる（集められた光は、支持体１の上面に対して実質的に垂直に収集される）。
【００７７】
屈折率ｎｅｘｔの外部媒体における入射がθである波によって照射される屈折率ｎの媒体における波長λのフィールドアンチノードの間隔ａは、
ａ＝（λ／２ｎ）／ｃｏｓ（ａｒｃｓｉｎ（（ｎｅｘｔ／ｎ）＊ｓｉｎ（θ））
によって与えられる。
【００７８】
ａｅｘｃは、角度θにおける励起のためのアンチノードの間隔であり、ａｆｌｕｏは、θｆｌｕｏ（一般に、約０度。しかし、この角度は、レンズの収集窓の中央に対して偏らせることができる。すなわちｓｉｎ（θｆｌｕｏ）＝ＮＡ／２）で検出される蛍光のアンチノードの間隔である。
【００７９】
励起角θ（円錐形ビームの場合）の選択が、励起光（λｅｘｃ）のアンチノードの空間位置を調節し、発光（λｆｌｕｏ）のアンチノードとの十分な空間一致を達成することを可能にする。
【００８０】
より正確には、θは、以下の条件を満たすことによって見いだされなければならない。
（ｐ＋１／２）＊ａｅｘｃ＝（ｍ＋１／２）＊ａｆｌｕｏ
【００８１】
ここでｐ及びｍは、可能な最小の整数である。これは、好都合な２０未満の低いｍの値から出発し、ｐ０＝ｍ＊（λｆｌｕｏ／λｅｘｃ）以下のｐの値か、又は、ミラーの浸透深さが対象領域の波長とともに急速に変化するならば、わずかに高めのｐの値か、を試すことによって達成される。θの値は、ｐが小さくなるにつれて増大することがわかった。支持体製造に対する他の制約を考慮しながら、もっとも好都合かつ最小の対（ｍ、ｐ）で終了する。
【００８２】
よりよい調節のためには、ミラーが理想的なミラーではないため、ミラーへの浸透深さａｐｅｎをも考慮しなければならない。これらの深さは、金属の場合にはλの小さな一部分にしかすぎないが、多層ブラッグミラー型スタックの場合には（λ／２ｎｍｅａｎ）＊（ｎｍｅａｎ／２△ｎ））によって与えられる。ｎｍｅａｎは、二つの層の屈折率の平均であり、△ｎは、それらの屈折率の差である。
【００８３】
そこで、θを見いだすために満たすべき正確な条件は、
（ｐ＋１／２）＊ａｅｘｃ＋ａｐｅｎ（λｅｘｃ）＝（ｍ＋１／２）＊ａｆｌｕｏ＋ａｐｅｎ（λｆｌｕｏ）
である。
【００８４】
この場合、強化吸収層の厚さ及び組成の最適化が、実際には、考慮される開口数に依存しないということが注目されるべきである。
【００８５】
また、層のアセンブリがクロモフォア５の平面に関して反誘導性であってもよい、すなわち、このアセンブリ中を伝播するモードが発光を捕らえる傾向がこれらの層と同じ平均屈折率を有する基板よりも低いということを考えることも可能である。そして、この層のアセンブリ中で発せられない光子は、実質的に収集円錐中で見いだされ、特にこの円錐が非常に大きいときに見いだされる。
【００８６】
次に、図４Ａを参照して、波動光学の法則にしたがって機能する本発明の装置のさらなる実施態様を記載する。
【００８７】
この実施態様では、図３Ａを参照して上記したタイプの支持体１が、すなわち、たとえば誘電体層３から形成された反射性の近いミラーと、第一のミラーの上面４から一定の距離（ｄ）のところでクロモフォアの上方に配置された半反射性の第二のミラー７と、を含む基板２が、提供される。第一のミラーのこの上面４と、それに面する第二のミラー７の下面８との距離ｄは、これら二つのミラーがファブリ−ペロ型の非対称共振空洞を画定するように選択される。
【００８８】
第一のミラーとクロモフォアとの距離（ｄ１）は、クロモフォア５におけるフィールドアンチノードの存在を保証するように選択され、したがって、実質的にｄ１＝（ｍ＋１／２）＊λｆｌｕｏ＋ａｐｅｎ（λｆｌｕｏ）である。励起角θは、簡単なミラーに関して上述した同じ方法で選択することができ、もっとも好ましいθの値は、第二のミラーの性質を考慮しながら選択される。
【００８９】
第二の半反射ミラー７は、第一のミラー３の上面４に配置されたクロモフォア５によって発せられる光子がそれを横切り、その結果、集光装置（第二のミラー７の上方に配置）によって検出されることを可能にする。このような第二の半反射ミラー７は、有利には、集光装置の対物レンズの下面によって形成することができる。その面そのものであってもよいし、その上に被着された被膜であってもよい。発光波長に関する共振波長の調節（同調）は非常に正確（約１％のオーダ）でなければならないため、共振の光学的なその場計測によって制御される圧電型の調節装置を装置の要素の一つ（たとえば、支持体又は外部ミラー）に設けることができる。さらには、この調節装置を集光装置に結合する、すなわち、支持体１の表面を走査することができるように取り付けることを考えることができる。
【００９０】
ある態様では、第二の半反射ミラー７を、顕微鏡観察に使用されるタイプのカバースリップの下面に形成することができる。共振ファブリ−ペロ型空洞の非常に小さな寸法、通常はλ／２のおかげで、流体（たとえば生物学的試料そのもの又は湿潤液によって構成される）を間にはさむ状態でカバースリップをクロモフォア５の上に配置することができ、その場合、空洞厚さは、場合によっては自動光学制御装置に結合されてもよいカバースリップに加わる圧力を制御することによって制御される。
【００９１】
図４Ｂに示す本発明のさらなる実施態様では、共振空洞はすべて一部品でできており、上層及び上ミラー７が基板２と一体化し、クロモフォア５を配置するための場所が、構造の内部で、共振空洞に対して光学的に適当な上記の位置に位置づけられている。共振空洞は、好ましくは非対称ファブリ−ペロ型であり、より一般的には、作動波長及び使用される材料の関数として主に選択される距離（ｄ）だけ離隔した二つのミラーによって画定される。これらの二つのミラーは、好ましくは上記タイプ、すなわち、多層誘電体構造の形態にある。
【００９２】
クロモフォア５による内部の場所へのアクセスは、上層２２を垂直方向及び／又は横方向に少なくとも部分的に透過性にする手段によって達成される。一例として、シリカゲルのような多孔質材料を使用することができる。これらの材料はまた、内部の場所に向かうクロモフォアの移動を促進するための孔を含むことができる。
【００９３】
次に、図５を参照して、光集中手段が波動光学の原則にしたがって機能する本発明の装置のさらなる実施態様を説明する。
【００９４】
この実施態様では、支持体１は、それぞれが標的を受けるためのものである多数の孔１１を含む上面２４を有する基板２から形成されている。これらの孔は、共振器のフィールドが最大になる場所にクロモフォアを配置することを可能にする。孔の深さは、ゼロから以下に記す共振器の溝の深さまでである。これらの孔は、規則的に配設されていることが好ましい。孔１１に収まった標的とプローブとの相互作用によって形成されるクロモフォア５によって発せられる光を収集するために、各孔１１の周囲に平面共振器１２が形成されている。
【００９５】
このような共振器は、たとえば、中心で発生した光を閉じ込めかつ抽出する特性を提供するように選択された幅及び深さを有する、上面２４が開口した一連の同心通路（又は溝）１３によって構成することができる。より正確には、この共振器は、電場がクロモフォア５を含む孔１１のレベルでアンチノードを有し、かつ、それが電磁エネルギーを貯蔵し、光が通路（又は溝）１３で回収されたのち、矢印を（ほぼ）たどりながら表面４上に位置する部分に伝送されて適当な集光装置によって捕らえられるように配設される。
【００９６】
溝は、深さ数マイクロメートルであることもできるし、半径以上であることもできる。溝の幅は、発せられる波長のおよそ一部、通常は０．１μｍのオーダに等しくなければならない。
【００９７】
円形共振器のサイズは以下の条件によって決定される。
半径＝（λ／２πｎｅｆｆ）＊ｚｍ，ｎ
【００９８】
ここで、ｚｍ，ｎは、オーダｍ、Ｊｍ（ｚ）のベッセル関数のｎ番目のゼロである。これは、完璧な側方ミラーを有する共振器を表すものである。ｎｅｆｆは、基礎にある平面導波路が存在するならば、その平面導波路のモードであり、存在しないならば、共振器が画定される固体の屈折率である。
【００９９】
多層ミラーの場合、完璧なミラー共振器の縁におけるフィールドノードの代わりに共振器の縁におけるアンチノードの存在を考慮に入れなければならない。したがって、四分の一波長が実質的に加えられなければならない。
半径＝（λ／２πｎｅｆｆ）＊ｚｍ，ｎ＋λ／（４ｎｅｆｆ）
【０１００】
好ましくは、溝ピッチは、（λ／２πｎｅｆｆ）の倍数に実質的に等しいか、非常にわずか高めである（５％〜２０％）。この選択は、非常に薄い多層λ／８〜λ／５０に適し、下限は通常、技術によって決まる。この溝幅が円形「ミラー」への波の浸透深さを制御する。
【０１０１】
他のタイプの平面共振器を考えることもできる。上述したものに類似した寸法の長方形の溝又は平行な溝によって層状配列を生成することができる。基板の上部１０の選択された場所に孔又は中空のコラムを形成することによって二次元又は三次元の光子結晶を製造することもできる。一例として、孔を丸くし、三角形の配列を形成することができ、孔の一定数を省くと共振空洞を形成することができる。
【０１０２】
このような平面共振器（同心状の溝及び光子結晶）は、文献「Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎ．，  ｖｏｌ．  １７，  ｐｐ．  ２０６３−２０７７，  １９９９，  Ｈ．  Ｂｅｎｉｓｔｙ，  Ｃ．  Ｗｅｉｓｂｕｃｈ，  Ｄ．  Ｌａｂｉｌｌｏｙ，  Ｍ．  Ｒａｔｔｉｅｒ，  Ｃ．  Ｊ．  Ｍ．  Ｓｍｉｔｈ，  Ｔ．  Ｆ．  Ｋｒａｕｓｓ，  Ｒ．  Ｍ．  Ｄｅ  Ｌａ  Ｒｕｅ，  Ｒ．  Ｈｏｕｄｒｅ，  Ｕ．  Ｏｅｓｔｅｒｌｅ  ａｎｄ  Ｄ．  Ｃａｓｓａｇｎｅに記載されている。
【０１０３】
寸法がクロモフォア５での共振のために選択されるならば、これらの平面共振器は、発光の大きな部分をこのクロモフォアから取り除くことができる共振モードを有する。これらの共振モードは、図５で点線として示されている。さらには、これらの平面共振器は、共振モードのエネルギーを集光装置に向け直すことができる、ブラッグ型回折に類似したコヒーレント回折を保証する。
【０１０４】
ある態様では、非常に小さな共振器、通常は２λ／ｎ又は３λ／ｎを使用することができる。この場合、共振器は、クロモフォア５の全波長範囲にわたって反共振性であることができ、これが、平面における発光を抑止し、垂直方向、すなわち、上面２４に対して垂直な発光を促進する。そして、光検出要素の結合が光を収集することを可能にする。
【０１０５】
光子結晶型構造の場合、クロモフォア５が光子結晶の内部からいくつかの波長（λ）分の距離のところに位置する場合でさえ、その中を通過する光の伝播を禁じ、クロモフォア５によって発せられる光の電磁エネルギーの全部をその外に押しやる性質を有する光子バンドギャップ型結晶として知られるものを使用することが可能である。
【０１０６】
もはや共振しないとき、すなわち、約１０λを超えるサイズ又は半径を有するとき、溝構造又は光子結晶型構造は、クロモフォアから誘導される光を回折させるために使用することができる。これらの構造は、幾何光学の傾向を有し、ある種の入射波長に関しては十分に機能するが、一以上のオーバライドモードに関してはもはや十分に機能しない。この構造は、水平位置でそれほど厳密なプローブの寸法公差を要しない利点を有するが、共振器の場合、電場中のアンチノードのサイズは通常、約λ／２ｎ、すなわち約２００ナノメートル未満でなければならない。
【０１０７】
同心状の溝、ラメラ格子（長方形、平行又はＶ字形の溝など）及び光子結晶はすべて、それらの挙動が反射性ではなく、抽出性にすることができるスペクトル／角ウィンドウを有する。場合によっては、抽出は、基板を介して実施することができ、この基板の背面にマイクロレンズ（幾何光学の法則にしたがって機能）を配置して、収集される光の量を増すことができる。
【０１０８】
本発明のさらなる実施態様では、表面増強ラマン散乱で発生するタイプの局在化した共振が生成される。これらの共振は、特定の金属、たとえば銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）から形成されるナノメートル構造、たとえばナノメートル島状物又はナノメートル孔の存在によって誘発される電磁場の局所的強化の結果として発生する。局所的強化は主に発光及び励起に関する。より正確には、共振を使用して励起光（λｅｘｃ）を強化するか、又はクロモフォアによって発された光（λｅｍｉｓ）を集光手段に結合するかいずれかが可能である。このため、簡単な基板の上に又は上記のように構造化された基板の上に不規則な銀膜（又は組織化された銀ナノ構造）を被着し、その上にプローブを配置することが可能である。これらのナノメートル構造又は孔のさらなる詳細は、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｖｏｌ．  １７，  ｐ．  ２１−８３，  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９９で発表された、Ｗ．  Ｌ．  Ｂａｒｎｅｓ及びＶ．  Ａ．  Ｓｈｕｂｉｎらによる論文を参照することによって得ることができる。
【０１０９】
次に、図６を参照して、光集中手段が同じく波動光学の法則にしたがって機能する本発明の装置のさらなる実施態様を説明する。
【０１１０】
この実施態様では、平面導波路が、支持体のうちクロモフォア５が固定されている部分の下方に設けられている。このためには、たとえば、高屈折率層１４を基板２の上面に被着させることが可能であり、このとき、高屈折率層の屈折率は、クロモフォア５を担持する上層１６の屈折率よりも高い。しかし、当業者が知るように、構造は、上層１６が存在しない場合には誘導構造のままでいることができる。
【０１１１】
クロモフォアによって発された光の誘導モードを、たとえば電磁場が表面でできるだけ強くなるような特定のやり方で位置づけるために、より複雑な誘導構造を考えることができる。そのような構造は、たとえば、非常に低い屈折率の基板２（上層１６なし）と、モードカットオフ条件の限界で選択された屈折率及び厚さを有する誘導層と、を含む。このカットオフ条件のさらなる詳細は、Ｄ．  Ｍａｒｃｕｓｅによる「Ｌｉｇｈｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９７２）の第８章を参照することによって得ることができる。
【０１１２】
このような導波路は、単一モード又はマルチモードのタイプにすることができる。この後者（マルチモード）の場合、モードの数が本当に高く、その結果として、導波路が非常に厚いならば、構造は、幾何光学の法則にしたがって機能する。さらには、このタイプの誘導構造は、周囲の層の間で屈折率の差が大きいか小さいかに依存して、非常に制限的であることもできるし、それほど制限的ではないこともできる。さらには、これらの誘導構造は、光の大きな部分を、シングルモードで、又はマルチモードである場合にはそれらのモードのオーバライド部分で、捕らえて、光抽出を促進するように最適化することができる。
【０１１３】
光集中手段が誘導構造１４のみからなるとき、誘導されるモードは、構造の前面に導かれる。すると、導波路の端部を適当な集光装置、たとえば光ファイバ又は顕微鏡対物レンズに結合することにより、光を集めることが可能になる。
【０１１４】
また、誘導構造中、異なる深さで集光装置を集束させてクロモフォア５の連続した線を分離することが可能である。このタイプの集束の一例は、文献「Ｕｓｅ  ｏｆ  ｇｕｉｄｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｔｏ  ｐｒｏｂｅ  ｔｈｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．  ７１，  ｐｐ．  ７３８−７４０，  １９９７，  Ｄ．  Ｌａｂｉｌｌｏｙ，  Ｈ．  Ｂｅｎｉｓｔｙ，  Ｃ．  Ｗｅｉｓｂｕｃｈ，  Ｔ．  Ｆ．  Ｋｒａｕｓｓ，  Ｒ．  Ｈｏｕｄｒｅ及びＵ．  Ｏｅｓｔｅｒｌｅに記載されている。
【０１１５】
支持体１の片側での誘導モードの収集を可能にするため、誘導構造に通じる溝又は通路化構造を各クロモフォアの周囲に設けて、発光を誘導構造の運用側（検出が実施される）に導く１種のブレーズド回折格子を生成することができる。
【０１１６】
また、図６に示すように、図５に関して記載したタイプの平面共振器を形成するさらなる構造を誘導構造１４に加えることが可能である。一例として、クロモフォア５の周囲に同心状の溝（又は通路）１５を形成して、誘導構造１４を介して、前記クロモフォア５の上方に位置する区域に誘導モードを向け直すことが可能である。
【０１１７】
ある態様では、上記のように孔又は柱状部によって構成される二次元又は三次元のフォトニック結晶を溝又は通路１５に代えて用いることが可能である。
【０１１８】
次に図７を参照して、同じく波動光学の法則にしたがって機能する本発明の装置のさらなる実施態様を説明する。
【０１１９】
この実施態様では、本発明の装置は基板２を含み、その上部１０には、リセス又はボスによってレリーフ構造６が形成されている。好ましくは、これらの構造６は、線状であり互いに対して平行な、たとえばＵ字又はＶ字（図示するとおり）の形の通路又はうねである。これらの構造のサイズは作動波長のオーダである。プローブは、構造の上に（図示するとおり）又は構造の下に、すなわち、構造６の下部同士をつなぐ空間のいずれかに配置することができる。また、たとえば金属のパターンをうね又は溝の全部又は一部の上に被着させることにより、金属を誘電体支持体と対応させることが可能である。
【０１２０】
当業者には公知であるように、このような構造は、特定の場所、特に上部で、光に対してチャネリング効果を誘発する（図７の矢印を参照）。結果として、クロモフォア５が固着されているレリーフ構造６の下方に光検出要素（又は画素）１７を配置することにより、クロモフォアによって構造中に発せられ、それによって導かれた光子を取り入れることが可能である。導かれる光の方向に対して実質的に対向する方向に発せられる光は、クロモフォア５の上方に配置された他の光検出器によって収集することができる。上記で指摘したように、これらの光検出画素は、たとえば検出マトリックスを形成するＣＣＤ要素であることができる。
【０１２１】
基板２が、クロモフォア５の下方に、多層構造化を有する反射手段３と、反射層３と光検出器１７との間に位置して入射角に対して非感応性である吸収層２３と、を含むことを示す図８には、ＣＣＤ光検出マトリックス１７と、クロモフォア５を担持する基板２との一体化がさらに完全に示されている。反射層３は、クロモフォアにおける最大励起発光フィールドを保証し、励起光が簡単な透過及び拡散によって光検出マトリックス１７に向かって伝播することを防ぐ。写真撮影及びカラーＣＣＤアレイにおけるＲＧＢフィルタに使用されるような吸収層２３は、光検出器１７においてクロスカラーを減らすように及び／又は信号雑音比を増強するように選択される吸収バンド及び厚さを有する。これは、クロモフォア５によって発せられる蛍光の収集を大幅に低下させることなく、励起光の消光に関して１０又は１００倍の利得を生じさせる。
【０１２２】
これらの改善はまた、ＣＣＤ検出器が、クロモフォアを担持する基板２と一体ではなく、各クロモフォア要素が十分に明確に画定された画素に面するのに十分に小さな距離のところに配置される本発明の実施態様に当てはまる。
【０１２３】
図９に示す態様では、基板２によって担持されるクロモフォア５は減衰波によって励起される。このためには、基板２は、図６の層１４に類似した誘導層２５を含み、誘導層２５は、周囲の層よりも高い屈折率を有し、かつ、その上面は誘導波の減衰波の波長のスケールでクロモフォア５に非常に近くなる。誘導層２５は、エッジライティングされるか（劈開又は削り出し及び研磨ののち）、格子（たとえば、１〜１００ｎｍの低い厚さ変調の、基板２の中間区域における誘導層上の感光性樹脂の薄い層２６により、格子の法則を適用することによって決定される適当な結合角でレーザを使用する照射によって光を結合させることができる。他の部分に関し、図９の装置は、図８についてすでに説明した反射層３及び吸収層２３を含む。
【０１２４】
ある態様では、異なる色を有するクロモフォアを検出する。クロモフォアは、一以上の励起波長λｅｘｃ１及びおそらくはλｅｘｃ２によって照射され、応答すると、二つの波長それぞれλｆｌｕｏ１、λｆｌｕｏ２を発する。この場合、上記したもののような、ただし各画素又は画素群に個別化した波長フィルタを使用して、すべてクロモフォア５に面する画素又は近接した画素群における各色の信号を別々に回収することが可能である。二つの色を検出することに加えて、これは、二つの色からの信号の示差的処理を利用することができる。この原則はいくつかの色に及ぶ。
【０１２５】
図１０に示すさらなる実施態様は、基板２上の各点５における異なる色のクロモフォアの検出を可能にする。この装置は図９の装置を思い起こさせるが、クロモフォアの上方に配置されたＣＣＤ光検出器１７の第二のマトリックス２７をさらに含み、対物レンズ２８及び拒絶フィルタ２９をクロモフォアと第二のマトリックス２７との間にはさんでいる。クロモフォア５は、二つの励起波長λｅｘｃ１及びλｅｘｃ２によって照射され、応答すると、二つの波長それぞれλｆｌｕｏ１、λｆｌｕｏ２を発する。基板２の吸収層２３は、励起波長及びクロモフォア５によって発せられる一つの波長λｆｌｕｏ２を拒絶し、クロモフォア５によって発せられる他方の波長λｆｌｕｏ１を透過させることにより、スペクトルフィルタを形成する。第二のマトリックス２７に対応するフィルタ２９は、励起波長及びクロモフォア５によって発せられる波長λｆｌｕｏ１を阻止し、波長λｆｌｕｏ２を透過させる。必要ならば、上記タイプの吸収層２３をフィルタ２９と対応させてもよい。
【０１２６】
多様な集光装置を例としてのみ図１１〜１５に示す。
【０１２７】
図１１の集光装置は、支持体１によって担持されるクロモフォアによって発せられて、励起光と支持体１によって発せられる迷走ルミネセンスとを拒絶するためのフィルタ２９を通過するルミネセンスを受けるＣＣＤ型光検出マトリックス２７などを含む。波長λｅｘｃによるクロモフォアの励起は、支持体１とフィルタ２９との間に配置された、エピスコープ法及び金属組織学で日常的に使用される暗視野型カプラにより、支持体１に対する法線に対して非ゼロの入射角で起こる。これは、側面から励起光を受け、対物レンズ３１の開口数よりも高い入射角で支持体に向けてそれを戻す。対物レンズ３１は、クロモフォアによって支持体１に対して垂直な方向に発されたルミネセンスを収集する。
【０１２８】
図１２に示す態様では、図１１の装置の光検出器マトリックス２７及びフィルタ２９が見られ、支持体１は、矢印によって示すように支持体１に対する法線に対して非ゼロ角で検出を促進するカセグレン型（カセグレン・シュミット）のミラー対物レンズ３３に対応するセパレータキューブ３２によって照射される。励起は、対物レンズの反射ミラーに形成された中央孔を通過し、ほぼ垂直な入射角で支持体１に当たる。
【０１２９】
図１３の集光装置は、図４Ａの共振空洞に関して上記した装置に対応する。この装置では、第二のミラー７は集光装置の対物レンズ３５の入射レンズ３４の下面に形成されている。ミラー３及び７の間の光路はλｆｌｕｏ／２の倍数である。
【０１３０】
図６の実施態様に対応する図１４及び１５の装置では、クロモフォア５によって基板２の上側誘導層２５中に発せられるルミネセンスは、一端で対物レンズ３６によって回収される。図１５は、検出器と合致する誘導点が、発光が焦点面になく、かつ、検出器（又は検出器マトリックス中の画素）に集中しない他のものと比較して集束がより正確であり、導波路の縁から異なる距離に位置するクロモフォア同士の区別を可能にするクロモフォアの一つの選択的検出を促進する状況を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】
誘電体層のみから形成された「遠い」ミラー又は誘電体層と金属層とのハイブリッドを有する本発明による装置の断面図である。
【図２Ａ】
ミラー付きウェルを有する本発明の装置の断面図である。
【図２Ｂ】
ミラー付きウェルを有する本発明の装置の断面図である。
【図３Ａ】
「近い」ミラーを非ゼロ入射角励起に結合させた本発明による装置の断面図である。
【図３Ｂ】
「近い」ミラーを非ゼロ入射角励起に結合させた本発明による装置の側面（又は厚さ）ｚの関数としてルミネセンス強さ（｜Ｅｆｌｕｏ（Ｚ）｜２）のグラフを示す。
【図３Ｃ】
「近い」ミラーを非ゼロ入射角励起に結合させた本発明による装置の側面（又は厚さ）ｚの関数として励起強さ（｜Ｅｅｘｃ（Ｚ）｜２）のグラフを示す。
【図４Ａ】
共振空洞を有する本発明による装置の断面図である。
【図４Ｂ】
共振空洞を有する本発明による装置の断面図である。
【図５】
溝を有する平面共振器を有する本発明による装置の断面図である。
【図６】
平面共振器及び導波路を有する本発明による装置の断面図である。
【図７】
ＣＣＤ型検出要素と結合した溝構造を有する本発明による装置の断面図である。
【図８】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図９】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図１０】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図１１】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図１２】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図１３】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図１４】
本発明の装置の種々の態様の断面図である。
【図１５】
図１４の装置の上部の断面図である。
【図１】
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【図４Ａ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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