(57)【要約】  光学的キャビティモードの光学的干渉を使用することにより光学的キャビティモードの条件変化の検知又は分析のための装置を含む、少なくともひとつのマイクロキャビティ又は少なくともひとつのマイクロキャビティのクラスターの光学的キャビティモードの分析用システム。
2012501432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的キャビティモードの光学的干渉を使用することにより一つまたはそれ以上の光学的キャビティモードの条件変化の検知又は分析のための装置を含む、少なくともひとつのマイクロキャビティ又は少なくともひとつのマイクロキャビティのクラスターの光学的キャビティモードの分析用システム。
【請求項２】
該装置が干渉計である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
該装置が多ビーム干渉計である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
該装置がファブリペロー干渉計である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
該干渉計が、分析すべき光学的キャビティモードのバンド幅の度合の自由スペクトル範囲を有する干渉計である、請求項１ないし４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
該干渉計が、分析すべき光学的キャビティモードの自由スペクトル範囲の度合の自由スペクトル範囲を有する干渉計である、請求項１ないし４のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
該干渉計が、マイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターのパラメータ変化により誘導される分析すべき光学的キャビティモードシフトの度合の自由スペクトル範囲を有する干渉計である、請求項１ないし４のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
該装置が、一つまたはそれ以上の分析すべき光学的キャビティモードの直接的干渉の一つまたはそれ以上の干渉パターンを使用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
該全体的システムまたは該システムの一部分が手持ち型機器に集積される、請求項１ないし８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
該全体的システムまたは該システムの一部分が携帯電話に集積される、請求項１ないし８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
該全体的システムまたは該システムの一部分が、光学的干渉計出力の検出のためにデジタルカメラ又はその一部を使用する、請求項１ないし８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
該全体的システムまたは該システムの一部分が、光学的干渉計出力の検出のために携帯電話のデジタルカメラ又はその一部を使用する、請求項１ないし８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
該システムが配列形式における感知のために使用される、請求項１ないし１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
一つ又はそれ以上の光学的キャビティモードを、その光学的干渉を使用することにより、条件変化を検知するか、あるいは分析する工程を含む、少なくとも一つのマイクロキャビティ又は少なくとも一つのマイクロキャビティのクラスターの光学的キャビティモードの分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的マイクロキャビティにおいて生成される光学的キャビティモード分析のための技術に関するものである。
【０００２】
２００６年５月１日出願の米国仮出願番号６０／７９６，１６２、２００７年１２月３１日出願の米国仮出願番号６１／０１８，１４４、２００８年１１月５日出願の米国仮出願番号６１／１１１，３６９、２００８年１２月２４日出願の米国仮出願番号６１／１４０，７９０、及び２００９年６月１８日出願の米国仮出願番号６１／２１８，２６０の全ての内容は、参考として取り入れられる。
【背景技術】
【０００３】
光学的マイクロキャビティは、小型レーザー源（J. L. Jewell et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 54, pp. 1400以降., 1989; M. Kuwata-Gonokami et al., Jpn. J. Appl. Phys. (Part 2) Vol. 31, pp. L99以降, 1992; S. M. Spillane et al., Nature (London) Vol. 415, pp. 621以降., 2002; V. N. Astratov et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 85, pp. 5508以降, 2004）、光学的導波器（V. N. Astratov et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 85, pp. 5508以降, 2004）、光学的フィルター（L. Maleki et al., Proc. SPIE VoI 5435, pp. 178以降, 2004）、並びに機械的（M. Gerlach et al., Opt. Express Vol. 15, pp. 3597以降, 2007）又は生物学的センサー（V. S. Ilchenko and L. Maleki, Proc. SPIE Vol. 4270, pp. 120以降, 2001; F. Vollmer et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 80, pp. 4057以降, 2002）等の光学における種々の応用について適用されてきた。多くの最近の総説は、これらのシステムの基礎的及び種々の応用についてより詳細に議論している（A. B. Matsko and V. S. Ilchenko, IEEE J. SeI. Top. Quantum Electron. Vol. 12, pp. 3以降, 2006; V. S. Ilchenko and A. B. Matsko, IEEE J. SeI. Top. Quantum Electron. Vol. 12, pp. 15以降, 2006; K. Vahala, Nature Vol. 424, pp. 839-846, 2003; A. N. Oraevsky, Quant. Electron. Vol. 32, pp. 377-400, 2002; F. Vollmer, S. Arnold, Nature Methods, Vol. 5, pp. 591-596, 2008）。
【０００４】
本発明は、適用される設備及び装置の幾何学的大きさの点で小さくするように実験的な努力を維持しつつ、例えば、位置、バンド幅、及び／又は強度、若しくはその微小な変化等に関して、キャビティモードの正確な特徴付けを要求する既存の技術よりも有用で、かつ優れていることが示される。そのような技術の例は、精密マイクロレーザー、光学フィルター、及び小型装置における光学的検知に関連するであろう。以下に、光学的キャビティモードセンサーの要約が与えられる。
【０００５】
ａ）数マイクロメーターの幾何学的キャビティ長を有する非金属マイクロキャビティを用いた研究：  WO2005116615は、バイオセンシングのための蛍光半導体量子ドットが添加された球状粒子におけるウィスパリング・ギャラリー・モード（Whispering Gallery Mode）（ＷＧＭ）の利用を記述している。Ｗｅｌｌｅｒ等（A. Weller et al., Appl. Phys. B, Vol. 90, pp. 561-567, 2008）は、直径数ミクロンの蛍光ポリマーラテックス粒子を用いたバイオセンシングを報告している。Ｆｒａｎｃｏｉｓ及びＨｉｍｍｅｌｈａｕｓ(A. Francois and M. Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. Vol. 92, pp. 141107/1-3, 2008)は、バイオセンシングのための染料ドープしたポリマーラテックス粒子のクラスターを使用した。Ｗｏｇｇｏｎ及び共同研究者ら（N. Le Thomas et al., J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 23, pp. 2361-2365, 2006)は、タングステンランプ又は光パラメータ式発振器の出力等の鋭く焦点を絞った広帯域光源をエバネセント場との組合せにおいて使用することにより、非蛍光ポリマーラテックス粒子のモードスペクトルが、数十ナノメーターの範囲で射出されうることを示した。
【０００６】
ｂ）数十ないし数百マイクロメーターの幾何学的キャビティ長の誘電性マイクロキャビティを使用する研究：  US2002/0097401A1、WO 02/13337A1、WO 02/01147A1、US 2003/0206693 A1、US2005/022153A1、及びWO 2004/038349A1。
【０００７】
上述した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、金属−被覆又は金属−添加キャビティも使用され得る。WO 02/07113 A1、WO 01/15288 A1、US 2004/0150818A1、及びUS 2003/0218744A1は、場合により中空キャビティの近傍に位置する、即ち場合によりマイクロキャビティの内部にドープされてもよい、金属粒子、金属粒子凝集物、及び浸出閾値に近い半連続的金属フィルムの使用を記述している。金属粒子／フィルムは、レーザー染料等の蛍光物質を更に有してもよい。WO2007129682は、バイオセンシングのための金属被覆内に包み込まれた蛍光誘電性マイクロキャビティの使用を記述している。
【０００８】
上述の先行技術に記述されるような光学的キャビティモードの分析のために、回折格子又はプリズム等の分光性素子を使用する限定的に回折的な方法が使用されてきた。しかしながら、光のスペクトル分析は、別法として、例えばファブリペロー（ＦＰ）干渉計又は高分解能干渉計（固定された鏡分離を有するＦＰ干渉計）によって、干渉効果を用いても遂行されうる。他の種類の干渉計も、用途によっては適用され得る。先行技術の例は次の通りである。
【０００９】
WO2007135244は、ＦＰ干渉法に基づく分光計を報告しており、ここにおいて、干渉計の通過が、干渉の少なくとも２つの異なった順位を検出するために少なくとも２つの分離された波長帯に分光学的に分離される。
【００１０】
WO2007072428は、特には（光）源のスペクトル分析のための、ＦＰ干渉計に基づいた分光光度計を請求している。US2006197958は、多重ＦＰ同調フィルターを有した集積分光法システムを報告している。
【００１１】
US 6747742 Blは、分析対象物による光吸収の増強のために、場合によりＦＰ干渉計又はマイクロキャビティのいずれかを使用するマイケルソン（Michelson）干渉計に基づく吸収分光器を記述している。この増強は、ＦＰ干渉計又はマイクロキャビティのいずれかにおいて輻射が受ける周回の高い回数に基づく。マイケルソン干渉計は、輻射を分析し、しかしてフーリエ変換（赤外）分光器において典型的に実施されるように吸収スペクトルを決定する為に使用される。それは、光学的マイクロキャビティの何らかのキャビティモードの特徴付けには適用されていない。
【００１２】
Ｌｉａｎｇ等（Opt. Lett. Vol. 31, pp. 510-512, 2006）は、微小円錐体に結合したファブリペロー高分解能干渉計の伝達特性について報告している。共鳴のライン形状は、２つの共鳴体間の脱同調及び結合強度における共鳴波長に強く依存する。この結合のために、組合わされたシステムは新規な光学的特性を示し、このことは、分析のために付加的な実験的努力を必要とする。これは、マイクロキャビティ、あるいは干渉計の存在により歪が与えられていないキャビティの光学的特性の分析のために干渉計を使用する本発明とは対照的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述した技術に関連して起こり得る問題を解決すべくなされた。
【００１４】
マイクロキャビティの光学的キャビティモードは、これまでマイクロキャビティの種類に応じて２種類の主要なスキームによって特徴付けられてきた。図１（Ｉ）に示されるように、δλ＞０．０５ｎｍの相対的に大きい自由スペクトル範囲（ＦＳＲ)を有する小さいキャビティ１は、キャビティ放射２を集める光学系、空間−スペクトルの関連性を生成する為の回折格子等の回折光学系５に基づいた分光素子、及び分光された光の強度を波長（より一般的には“光子エネルギー”）の関数として記録する為の光電子倍増管、フォトダイオード、又は電荷結合デバイス（ＣＣＤ)カメラ等の光検出器７を適用する分散型分光計により最も便利に分析され得る。分光モノクロメーター８の入口の開口又はスリット３は、混信を回避するために入口における異なる色の幾何学的大きさを制限する必要がある。このことは、モノクロメーター８の出口焦平面に光学系４及び６によって入射開口又はスリット３を像形成することにより達成される。この出口焦平面に、第２の開口部又はスリットのいずれかが設けられ、光検出器（示していない）が次に続く。別法として、図１に示されるようにＣＣＤカメラ（光検出器７の例として）が、広いスペクトル範囲の平行的集光のために装備される。入射開口部の大きさ及び光学系４及び６が適切に選択された場合に、システムの光学的分解能は、モノクロメーターの分光により、及びＣＣＤカメラのピクセルサイズにより制限される。
【００１５】
例えば、分光器用ＣＣＤカメラ（１３．５μｍのピクセルサイズ）及び高分解能回折格子（２４００ライン／ｍｍのホログラフィー回折格子）を備え、f = ５５０mmの焦点距離を有するモノクロメーターの光学的分解能は、理想的にはΔλ＝０．０１ｎｍである。しかしながら、ＣＣＤチップ上の隣接するピクセル間での幾分の混信を回避することはできず、しかして実際的には解像度は約０．０３ｎｍである。この計算において、解像度がＣＣＤチップのピクセルサイズによってのみ、決定される、即ち入口スリット３が十分に小さく選択されていることを仮定した（データについては、たとえばJobin Yvon, Triax 550のデータシートを参照）。図１（Ｉ）によれば、ｆ１＝ｆ２と仮定するとモノクロメーター８内部の全光学的経路長は、４ｘ５５０ ｍｍ＝２．２ｍであり、これはモノクロメーター出口における入口スリットの１：１の倍率に相当する。ｆ１＜ｆ２の場合、入口スリットの像は、ｆ２／ｆ１の比率を以って拡大され、このことは光学的解像度に影響するために望ましくない。ｆ１ ＞ｆ２については全光路長がｆ１＝ｆ２の場合より一層長くなる。同じ理由で、対象物又は検出器のいずれも、それぞれのレンズ系２及び４の焦点面から外してはならない。
【００１６】
蛍光ポリマーラテックスビーズを使用したバイオセンシングについて（A. Weller et al., Appl. Phys. B, Vol. 90, pp. 561-567, 2008; A. Francois and M. Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. Vol. 92, pp. 141107/1-3, 2008）、タンパク質の吸着におけるモード位置の期待されるシフトは、およそΔλＷＧＭ＝０．２−０．９ｎｍである。十分な解像度を以って検知を達成するためには、検出系の解像度が少なくともΔλＷＧＭ／８＝０．０２５−０．１１ｎｍでなければならない。従って、モノクロメーターの光学経路長は、典型的には０．５−２．２ｍの範囲となろう。明らかにこのような寸法は、例えばポイント・オブ・ケア検査又は他の種類の手持型装置として必要とされるような小型検知装置の設計のためには最適ではない。更に、分散的モノクロメーターを通しての全透過は、焦点距離とは逆に計量され、系の光学的分解能を向上させることは、伝達される光強度を低減させ、また系の検出限界に影響を与える。
【００１７】
対照的に、典型的には数百マイクロメーターまでのキャビティ長を有するより大きいマイクロキャビティは、分散的系が相応の努力、即ち相応の幾何学的大きさ及び光学的透過性を以って達成するであろう光学的分解能よりも低いＦＳＲを示すであろう。上記の例を仮定すると、０．０３ｎｍより優れた光学的分解能については、分散的モノクロメーターがよりかさばったものとなることが明らかとなる。従って、文献においては、異なった読み取りスキームがこれに適用されている。図２に例示するように、マイクロキャビティは、プリズム、導波器又は光ファイバーのエバネセント場と、エバネセント場結合を介して結合される。このような結合器を伝達する光は、次いでキャビティモードの周波数と合致する場合に、結合器とマイクロキャビティとの間の空気間隙をトンネル効果で通り抜ける。而してキャビティモード励起は、結合器の出力側における損失として観測可能であり、また、光検出器により簡単に監視されうる。単一キャビティモードの追跡を可能とするために、適用される励起光源のバンド幅は、マイクロキャビティのＦＳＲよりも小さくなければならず、また、明確な観測可能損失を得るために、それは選択されるキャビティモードのバンド幅よりも小さいか、あるいは少なくとも同程度でなければならない。これは、典型的には分配型帰還レーザー又は格子調整レーザーダイオード等の高度な分解能の調整可能レーザーにより達成される。而して、該レーザー線は、モード位置の正確な決定のために選択されるキャビティモードに亘って調製されうる。
【００１８】
この第２のスキームは、多くの著しい不都合を有している。エバネセント場結合の必要性は、１００ｎｍのオーダーの２つのエバネセント場が、十分に重なり合うことを意味する。従って、結合器とマイクロキャビティとの間の距離は、典型的には数ナノメーターから数十ナノメーターの範囲であり、特には距離の何らかの変化がキャビティモード位置に影響を与える為に、これは長々とした制御のみならず、系の機械的安定性についての厳しい要求を付与する(P. Shashanka et al., Opt. Express Vol. 14, pp. 9460-9466, 2006)。更には、各々の単一キャビティが結合され、かつ個々に読取られなければならないため、例えば配列形式の光学的（生物−）感知に要求されるような、多重的装置を達成することは困難である。最終的には、キャビティの直近の光学的結合器の必要性は、例えばその場での（ｉｎ−ｓｉｔｕ）感知の用途として移動させて又は遠隔的に、このような系を使用する何れの試みをも危ういものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
光学的キャビティモードの特徴付けのための別の検出スキームの可能性を検討するに際し、本発明者は、驚くべきことに干渉計的及び分散型分光計の間の物理的差異を、検出系の開発に使用し得ることを認識したが、この検出系は、より少数でかつより単純な部品を必要とし、また分散型光学系に基づくものよりも幾何学的サイズにおいて顕著に小型化されうる。更に、ＦＰ干渉計のような複式ビーム干渉システムの高い分解能力のために、極めて小さいＦＳＲを持った光学的マイクロキャビティも、それらの光輻射のスペクトル分析のために入手可能となり、而して面倒なエバネセント場結合の必要性を解消するであろう。
【００２０】
更に、干渉計システムが、損失を小さくするように設計され得、検出機構を通しての光学的信号の全伝送の増大をもたらし、このことは測定の感度限界及び全体としての測定の精度に対して有利に影響するであろう。
【００２１】
従って、以下に詳細に説明されるように、干渉分光法は、異なった大きさの範囲のマイクロキャビティを使用することに対する顕著な発展に対して、並びに高精度レーザー、光学フィルター及び光学センサー等の発展のような種々の応用について寄与するであろう。
【００２２】
光学的検知について言えば、それらが農業、食品工業、環境試験、社会的安全及び健康管理において迅速な試験及びスクリーニングの為に必要とされることから、高い感度を有した頑丈で使用しやすい形態又は手持ち型のシステムが、前述のような新規性の為に劇的に促進されるであろう。例えば健康管理においては、コスト削減の必要性の増大は、ポイント・オブ・ケア検査及び自己試験の要求をもたらし、これは多数の異なった検出対象物の同時的（多重的）な検知も可能であるような、単純で手持ち型の標識不使用のバイオセンサーを必要とする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、光学キャビティモードの分析のための基本的な装置を表す概略図であり、ここにおいて図１（Ｉ）は集光器及び集光強度を増大させるための光学的孔部を使用するスキームを示し、及び図１（ＩＩ）は、マイクロキャビティの光輻射の直接的処理のスキームを示す；
【図２】図２は、エバネセント場結合のスキームを表す概略図であり、ここにおいて図２（１）は光学ファイバーに結合するマイクロキャビティを表し、図２（２）はプリズムに結合するマイクロキャビティを表し、及び図２（３）は焦点化レーザービームに結合するマイクロキャビティを表す；
【図３】図３は、ファブリペロー干渉計の原理をあらわす概略図である。
【図４】図４は、１０μｍのクマリン６Ｇ−ドープポリスチレンビーズの光学的キャビティモードスペクトルのグラフを表し、ここにおいて上のグラフは空気中のビーズのスペクトルを表し、及び下のグラフは水（ＰＢＳ緩衝液）中に浸したビーズのスペクトルを表す；
【図５】図５は、グラフを示し、ここにおいて、上のグラフは、透過されるキャビティモードが長波長側にシフトする場合の自己相関関数、即ちＦＰ干渉計的な分光計出力の変調を示し、及び下のグラフは、分析されるべき光学キャビティモードのバンド幅の程度のＦＳＲを持ったＦＰ干渉計のスペクトル的櫛歯構造（ピークは透過最大）を示す；
【図６】図６は、マイクロキャビティの放射的輻射により誘導される干渉パターンを記録するための光学装置を表す概略図である；及び
【図７】図７は、干渉パターン及び対応するマイクロキャビティのキャビティモード放射スペクトルを示し、ここにおいて励起レーザーの焦点は、マイクロキャビティを直射しないように位置されるか（左カラム）、又はマイクロキャビティを直射して後者からの蛍光輻射を生じるように（右カラム）位置される。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の例示的態様が、添付の図面を参照しつつ、詳細に説明される。
【００２５】
４．１用語の定義
Ｃ６Ｇ：クマリン（Coumarin）６レーザー級
ＣＣＤ：荷電結合装置
ＤＦＢレーザー：分配帰還レーザー
ＦＰ：ファブリペロー
ＦＰＭ：ファブリペローモード
ＦＳＲ：自由スペクトル範囲
Ｎ.Ａ.：数値的絞り
ＰＢＳ：リン酸塩緩衝食塩水
ＰＤＭＳ：ポリ（ジメチルシロキサン） 
ＰＥ：多価電解質
ＰＡＨ：ポリ（アリルアミン）塩酸塩
ＰＳＳ：ポリ（４−スチレン硫酸ナトリウム）
ＰＳ：ポリスチレン
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
【００２６】
表面における反射及び伝搬：
一般的に、物質の表面は、当たった光の一部分をその周囲に反射する一方で他の部分を物質中に伝播する能力を有し、それは進行の過程において吸収されるであろう。以下において、入射光に対する反射光の強度比を、周囲／物質界面（又は物質／周囲界面）の“反射能”又は“反射率”Ｒと称する。而して、入射光に対する伝播光の強度比を、この界面の“伝播率”Ｔと称する。Ｒ及びＴは、共に該界面の性質、即ちそれらの値が物質及びその周囲の両方の光学的性質に依存することに注意されたい。更に、それらは、該界面に入射する光の入射角及び偏光に依存する。Ｒ及びＴの両者は、反射及び伝播のフレネル方程式によって、計算され得る。同様の用語が、例えば薄膜干渉計について有効であるように界面の積層配列の全反射及び全伝搬についても適用され得る。
【００２７】
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“表面”）により制限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）及び／又は赤外（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、該局所表面法線に対して該境界領域に入射する光の入射角にも依存的である。更に、反射率は、局所的部位、即ち光が入射する境界領域の位置にも依存し得る。光学的キャビティの内部体積は、真空、空気、又はＵＶ、可視及び／又は赤外において高度に伝播性を示す何れかの物質からなっていてよい。特には、伝播性はキャビティの表面が高い反射率を示す表面について、該電磁スペクトルの領域の少なくとも一部について高くなければならない。光学的キャビティは、該光学的キャビティを形成する物質とは異なる物質により被覆されていてよい。被覆に使用される該物質は、例えば異なった屈折率または吸光係数等の異なった光学的性質を有してよい。更に、それは光学的キャビティの物質とは異なった物理的、化学的又は生物化学的性質、例えば異なった機械的、光学的、電気的及び／又は磁気的性質、化学的不活性又は反応性、及び／又は抗汚濁又は他の生物学的官能性等を含んでもよい。以下において、光学的被覆を“殻”と称し、一方で光学的キャビティを“コア”と称する。更に、全システム、即ちコアと殻を一緒にして、“（光学的）マイクロ共鳴体”と称する。後者の用語は、殻の物質が適用されない場合の全システムを記述するためにも使用される。ここにおいて検討した殻に加えて、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のための適当な生物学的機能性インターフェイスを与えるための検知器の一部として、あるいは標的分子がマイクロ共鳴体表面又はその一部に吸着した場合の検知工程において、付加的な層（例えば、殻の最上部）により被覆されてもよい。
【００２８】
光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）は、２つのパラメータにより特徴付けられる：
第１にはその自由スペクトル範囲δλｍ、及び第２にはクォリティ因子Ｑである。以下において、“光学的キャビティ”（“マイクロ共鳴体”）なる用語は、クォリティ因子Ｑ＞１を有するこれらの光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）を指す。使用される殻の物質に依存して、マイクロ共鳴体内に蓄積される光は、例えば高度に反射性の金属殻を使用した場合に、光学的キャビティ内にのみ蓄積されるか、あるいは例えば誘電性又は半導体殻を使用した場合に、殻にもしみ出し得る。従って、何れの用語（光学的キャビティの体積及びＱ−因子又はマイクロ共鳴体のそれら）が、マイクロ共鳴体の得られる光学的性質を特徴付けるためにより適切であるかは、考慮される特定のシステムに依存する。
【００２９】
自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）
光学系の自由スペクトル範囲δλｍは、その光学的モード間の空間的間隔を指す。光学的キャビティについては、ＦＳＲはモード間隔δλｍ＝λｍ−λｍ＋１として定義され、ここにおいてｍは、モード数であり、またλｍ＞λｍ＋１である。同様にして、干渉計については、強度最大値（または各々、最小値）の隣接する順位の間隔である。
【００３０】
クォリティ因子：
光学的キャビティのクォリティ因子（又は“Ｑ−因子”）は、そのキャビティ内部に光子を補足する可能性の尺度である。それは次のように定義され、
【００３１】
【数１】
2012501432.tif 000003
ここにおいて、ωｍ及びλｍは、それぞれキャビティモードｍの周波数及び（真空）波長であり、Δωｍ及びΔλｍは、対応するバンド幅である。後者の二つの等式は、Ｑ−因子をキャビティ内の光学的モードの位置及びバンド幅に結び付ける。明らかに、キャビティの蓄積能力は、その表面の反射率に依存する。従って、Ｑ−因子は、波長、偏光及び伝播の方向等のキャビティモードの特性に依存し得る。
【００３２】
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、即ち高度に反射的な境界領域により閉じ込められる、内部的な幾何学的体積として定義される。
【００３３】
光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の環境（周囲状況）
光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の“環境”又は“周囲状況”は、光学的キャビティ、あるいはその光学的殻（マイクロ共鳴体の場合）のいずれの一部分でもないキャビティ（マイクロ共鳴体）を包み込む体積である。特には、光学的キャビティ（またはマイクロ共鳴体）の高度に反射的表面は、その環境の一部分ではない。実際的には、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の高度に反射的表面は、環境の一部分ではない有限の厚みを有していることに注意しなければならない。同様のことが、やはり有限の厚さを持ちマイクロ共鳴体の環境には属さない選択的な殻についてもいえる。光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の環境又は周囲状況は、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の物理的及び化学的性質とは全く異なる性質を有し、特には異なった光学的、機械的、電気的、及び（生物−）化学的性質を有しうる。例えば、それは、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）が稼働される電磁的領域を強く吸収しうる。環境は、不均質であってもよい。包み込む体積が環境として考慮される程度は、応用に依存する。マイクロ流体装置に導入されるマイクロ共鳴体の場合、それはマイクロ流体チャネルであろう。典型的には、環境は、例えばその
性質、励起及び／又は検出の視点でキャビティ（マイクロ共鳴体）の光学的キャビティモードに対しての効果について、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の稼動に関連する光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の包み込み体積である。
【００３４】
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”は、与えられた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）の波動解である。異なるモードは、該キャビティの幾何学及び光学的性質に依存して、伝搬の異なる方向を有してよい。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のために整数ｍ、いわゆる“モード数”により番号付けされ得る。従って、キャビティの存在下での電磁スペクトルは、許容及び禁止帯に分割され得る。マクスウェル方程式の完全解は、キャビティの内部側及び外部側のそれぞれの内部的及び外部的電磁場からなる。以下において“キャビティモード”なる用語は、別途述べない限りキャビティ内部（上に定義したキャビティ体積内）の内部電磁場を指す。波動解は、境界領域、即ちキャビティ表面の反射率に加えて、キャビティの形状及び体積に依存する。
【００３５】
マクスウェル方程式の解の完全な組は、キャビティ（マイクロ共鳴体）の外部場、即ちキャビティ（マイクロ共鳴体）の環境も含む。ここにおいて、２種類の解が区別されなければならない：それらは、環境を自由に伝播する波を記述する解の種類と、エバネセント場を記述する解の種類とである。後者は、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の表面において全内部反射によって禁止される、環境における伝播についての波に存在するようになる。環境におけるエバネセント場を含んだ光学的キャビティモードについての一つの例は、ＷＧＭである。他の例は、殻として金属被覆を持ったマイクロ共鳴体に関する。これらの場合において、金属／環境界面において励起されうる表面プラズモンが励起され得、これは、また環境に広がるエバネセント場を示すであろう。これらの全ての場合において、エバネセント場は、典型的には大まかに言えば、環境にむけてエバネセント場を生成する光の波長の程度の距離を以って広がる。
【００３６】
実際的には、エバネセント場もいくらかの漏れ、即ちエバネセント場の外部から光学的キャビティの離れた場に向けて、換言すれば環境中へのエバネセント場の拡張を超えての光子の伝搬を示し得ることに注意しなければならない。そのような波は、例えば光子の欠陥での散乱または他の種類の要因での散乱により生じ、これは典型的には後者は平滑な境界面及び境界層を仮定しているために理論的記述においては普通には説明されない。このような迷い出た光子の効果は、以下のように考慮されず、即ち、理想的なエバネセント場のエバネセント場特性を妨げない。同様に、光の伝搬を許容するナノメーターのサイズの間隙を超えてのエバネセント場の媒体中へのトンネリングは、エバネセント場のエバネセント場特性を妨げない。
【００３７】
球体状キャビティについては、波長依存性が容易に評価できる２つのタイプの解が存在し、それぞれ、一つは半径方向の光の伝播についてであり、また、一つは球体の外周に沿っての光の伝播についての解である。以下において、我々は半径方向におけるモードを、ファブリペロー干渉計との類似に従って“ファブリペローモード”（ＦＰＭ）と称する。球体の周囲に沿って形成されるモードを、ロード・レイリー（Lord Rayleigh）により発見された音響学的発見との類似において、“ウィスパリング・ギャラリー・モード”（ＷＧＭ）と称する。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、我々は次のような定常波の境界条件を使用する：
ＦＰＭについては、
【００３８】
【数２】
2012501432.tif 000004
これは内部側粒子表面における電場が、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、境界条件は、
【００３９】
【数３】
2012501432.tif 000005
をもたらし、これは基本的に波が全周伝播後に位相が揃って戻らなければならないことを述べている。両方の式において、“ｍ”は整数であり、モードに番号付けするため、即ちモード番号としても使用され、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。簡略とするために、以下において“キャビティモードｍ”なる用語が“モード番号ｍを有するキャビティモード”を同義語的に使用されるであろう。
【００４０】
式（２）及び（３）から、球体キャビティのＦＰＭ及びＷＧＭのＦＳＲδλｍのそれぞれは、次のように計算され得る。
【００４１】
【数４】
2012501432.tif 000006
【００４２】
光学的キャビティモードの直接的干渉：
光学的キャビティモードは、近接場又は遠隔場のいずれかにおいて、環境と空間的及び一時的に重なることが出来る。このような重ね合わせは、例えばそれらの偏光、伝播方向及び／又はコヒーレンスについて適切な条件が適合すればモード間の干渉を生じ得る。このような適切な条件は、例えばそれらの方向又は変更を変える境界部における重ね合わされたキャビティモードの一つ以上の反射により支持されうる。下記に定義される干渉計のような、付加的な干渉計的要素が適用されないこれらの全ての場合において、干渉は、以下のように“光学的キャビティモードの直接的干渉”と称される。
【００４３】
光学的マイクロキャビティ：
以下において、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体が、稼動のそれぞれのモード下にて環境に拡張するエバネセント場を示す場合には、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体は“光学的マイクロキャビティ”と称される。同様な意味において、クラスターを構成する少なくとも一つの光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体が、稼動のそれぞれのモード下にて環境に拡張するエバネセント場を示す場合には、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体のクラスターは、“光学的マイクロキャビティのクラスター”と称される。
【００４４】
別法として、一つ以上の光学的キャビティモードが、稼動のそれぞれのモード下にて直接的干渉を示す場合には、光学キャビティ又はマイクロ共鳴体は“光学的マイクロキャビティ”と称される。同様な意味において、クラスターを構成する少なくとも一つの光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の少なくとも一つの光学キャビティモードが、稼動のそれぞれのモード下にて直接的干渉を示す場合には、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体のクラスターは、“光学的マイクロキャビティのクラスター”と称される。
【００４５】
更に、マイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターの一つ以上は、光学的素子の別の種を含み、上記に定義されるマイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターより大きい光学システムの一部分でありうる。そのような複合システムも、以下のようにマイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターと称されるであろう。
【００４６】
モード結合：
我々は、モード結合を、互いに接触するか、あるいは光学的な接触を許容するように近接して配置される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と通してのモード導波のシミュレーションを行ったＤｅｎｇ等（Opt. Express Vol. 12, pp. 6468-6480, 2004）によって指摘された。同じ現象は、非蛍光マイクロ球体の鎖を導波器とし、単一の蛍光性マイクロ球体を鎖中に光を結合させるためにマイクロ球体導波器の一端部に配置して使用したＶ．Ｎ．Ａｓｔｒａｔｏｖ等（Appl. Phys. Lett. 83, pp. 5508-5510, 2004）によって実験的に示された。彼等は、励起下の蛍光マイクロ球体により生成されたキャビティモードが、非蛍光マイクロ球体の鎖に沿って伝播し得ることを示し、このことは光が一つの球体から他に結合し得ることを意味する。著者等は、この一つのマイクロ球体から他への結合を、“強く結合した分子モード又は結晶バンド構造の形成”に関連付けている。
【００４７】
Ｔ．Ｍｕｋａｉｙａｍａ等（Phys. Rev. Lett. 82, pp. 4623-4626, 1999）は、２個のマイクロ球体間のキャビティモード結合を、マイクロ球体間の半径の不一致の関数として研究した。彼等は、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。より最近には、Ｐ．Ｓｈａｓｈａｎｋａ等（Opt. Express Vol. 14, pp. 9460-9466, 2006）は、２個のマイクロ球体において生じたキャビティモードの光学的結合が、大きな半径の不一致（８及び５μｍ）にもかかわらず起こり得ることを示した。彼等は、結合効率が２個のマイクロ球体間の離間に強く依存することを示し、そして結果として、共鳴波長の位置がマイクロ球体の離間にも依存することを示した。
【００４８】
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の一つに移動することができ、かつその逆が可能な場合に、“光学的接触”を有するといわれる。この意味において、光学的接触は、上記の定義における２個の共鳴体間でモード結合の可能性を許容する。従って、マイクロ共鳴体は、それが基材と光を交換しうる場合に、基材と光学的接触を持つ。
【００４９】
クラスター：
クラスターは、１−、２−又は３次元的であってよいキャビティ（マイクロ共鳴体）の集合体として定義される。個々のキャビティ（マイクロ共鳴体）は、個々のキャビティが別個に被覆されるか、クラスター内の隣接するキャビティが互いに光学的接触を形成される態様の何れかにて配置される。クラスターは、無作為的に形成されてもよく、あるいは、例えばマイクロ操作技術及び／又はマイクロパターン形成及び／又は自己集合を使用して秩序を持った形態で形成されてもよい。更に、クラスターは、例えば生細胞等の媒体の内部において、所望の物理的、化学的、生化学的及び／又は生物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）の媒体への侵入後に、検知工程の過程で形成されてもよい。一般的に、粒子のクラスターは、表面に亘って無作為的又は秩序的に分布してよく、２次元又は３次元構造のいずれかで有り得る。これによって、光学結晶が形成されてよい。
【００５０】
レーザー閾値：
“レーザー閾値”とも称されるマイクロ共鳴体（光学的キャビティ）の刺激放射のための閾値は、刺激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播する間に起こる損失をちょうど補う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で伝達する光線の損失は、キャビティモードに合致しない光線についてよりも小さため、キャビティモードは、マイクロ共鳴体の全ての起こりうる光学的励起のうちで、典型的には最も低いレーザー閾値（これはそれぞれのモードの実際の損失に依存して互いに異なるものであるが）を示す。実際的には、レーザー閾値は、マイクロ共鳴体の光学的出力（例えば、特定のキャビティモードについて）を、マイクロ共鳴体の蛍光物質（レーザー物理において“活性媒質”とも称される）を刺激するために使用する光学的励起力の関数として監視することにより決定されうる。典型的には、この依存性は、レーザー閾値がそれを上回る場合の方が下回る場合よりも（顕著に）高く、レーザー閾値はこれら２つの依存性の交点から決定され得る。“光学的マイクロ共鳴体のレーザー閾値”に関して述べる場合、典型的には観測されたスペクトル範囲内の最も低い閾値を有する光学的キャビティモードのレーザー閾値を指している。類似的に、マイクロ共鳴体のクラスターのレーザー閾値は、所定の条件下での最も低い閾値を持ったクラスター内の光学的キャビティモードのレーザー閾値を指す。
【００５１】
干渉測定法：
干渉測定法は、前述した波の性質を検査するための、２つ又はそれ以上の並みの重ね合せにより生じる干渉パターンを使用する技術である。波を一緒にして干渉させるための装置は、“干渉計”と称される。観測の平面において、干渉計は、重ね合わされた波の干渉により生じる変化する強度のパターンを生成させる。典型的には、パターンは円形の対象性を示し、輝く（及び暗い）リングにより取巻かれた中心スポットからなる。以下においては、従って“フリンジパターン”と称されるであろう。中心スポットは、“中心フリンジ”と称されるであろう。
【００５２】
ファブリペロー干渉計：
距離ｄを以って離間された２つの平行なプレート間の多重ビーム干渉を使用する干渉計。プレート間の体積は、屈折率ｎｆの誘電性媒体により充填されてよい。従って、光学的距離は、ｄｆ＝ｎｆｄにより与えられる。図３は、基本原理を例示している。スクリーン上に観測される干渉パターンは、（損失のない系について）エアリー（Airy）関数、
【００５３】
【数５】
2012501432.tif 000007
によって制限され、ここにおいてＩｔ及びＩｊは、それぞれ透過及び入射強度であり、
【００５４】
【数６】
2012501432.tif 000008
は、２つの連続した反射間の位相シフトであり、また、
【００５５】
【数７】
2012501432.tif 000009
は、いわゆる“鋭さの係数”である。λ０は、入射光の真空波長を表し、Θｔは、干渉計内部のプレート法線に対する光伝搬の角度である（図３参照）。隣接する最大値間ＦＳＲのは、
【００５６】
【数８】
2012501432.tif 000010
であり、各最大値のバンド幅は、
【００５７】
【数９】
2012501432.tif 000011
（全半値幅）である。Θｔ＝１を有する中心フリンジについては、これは、
【００５８】
【数１０】
2012501432.tif 000012
を与える。この後者の表現は、ＦＰ干渉計の色的分離能としても知られ、またＦＳＲと、
【００５９】
【数１１】
2012501432.tif 000013
によって関連付けられ、ここにおいて、
【００６０】
【数１２】
2012501432.tif 000014
は、ＦＰ干渉計の“精細度”と称される。理想的、即ち損失が無いＦＰ干渉計については、精細度はそのプレートの反射率Ｒ、
【００６１】
【数１３】
2012501432.tif 000015
によってのみ与えられる。干渉パターンの中心フリンジが強度最大であるような波長、
【００６２】
【数１４】
2012501432.tif 000016
については、中心フリンジを指す（図３参照）最高の干渉次数ｍｍａｘを有する最大値が、
【００６３】
【数１５】
2012501432.tif 000017
から計算され得る。而して、中心フリンジを取巻く最高次数の最小値は、
【００６４】
【数１６】
2012501432.tif 000018
によって見出され得る。スネルの法則を適用して、この最小値がスクリーンに観測される（図３参照）プレートの法線から測定される角度は、
【００６５】
【数１７】
2012501432.tif 000019
によって与えられる。
【００６６】
これらの式の誘導は、例えば、E. Hecht, A. Zajac, Optics, Addison- Wesley Publishing Company, Reading, MA, 4th printing 1979に見出され得る。
【００６７】
光学的キャビティモードの分析：
上記定義に従えば、光学的キャビティモードは、それらが生成される光学キャビティについて、キャビティの幾何学（例えば、ＦＳＲ、モード間隔及び一般的にモードの出現（伝播の偏光、方向及び性質等）として表わされる）、ある波長及び／又は偏光についての光学的捕捉の可能性（例えば、それぞれについてのＱ−因子として表わされる）、並びにキャビティの物理的条件及び／又はその（それらの）環境との相互作用（例えば、キャビティモードの出現、消滅、場の強さ又は強度における増大若しくは減少、偏光、拡大、シフト、及び／又は分離として表わされる）等に関する情報を提供する。
【００６８】
この情報は全て、モード位置、モード間隔、モードの出現、場の強度、強度、バンド幅、Ｑ−因子、偏光、方向及び伝播の性質、並びに／又はそれらの変化の測定に関する光学的キャビティモードの分析により明らかにされ得る。下記において簡略の為に使用されるであろう“光学的キャビティモードの分析”なる用語は、これらのモードの性質又はそれらの変化のひとつ以上の決定を許容する測定の全ての種類を含んでいる。
【００６９】
技術的詳細の記述
本発明は、例えば位置、バンド幅、及び／又は強度、あるいはそれらの微小な変化に関してキャビティモードの厳密な特徴付けを要求される全ての場合において、既存の技術よりも便利かつ優れていることが示される。以下において、多くの基本的な実施態様が、全ての関連する技術の詳細について説明される。これらの例から、干渉分光学の成功裏の適用に関する一般的な手法が明らかとなり、而して、当業者がこれらの結果をここにおいて詳細には議論されていないマイクロキャビティの分析にも転嫁することを可能ならしめるであろう。例えば、我々は、主として２つの理由から球状マイクロキャビティに制限する。第一には、球状キャビティは、これまでのところ文献において最も研究されており、第二にはそれらの数学的処理がよく知られていることである。しかしながら、環状体（D. K. Armani et al., Nature Vol. 421, pp. 925ff., 2003）、柱状体（H. J. Moon et al., Opt. Commun. Vol. 235, pp. 401ff., 2004）、又は反射平面を有するマイクロ−若しくはナノ結晶（T. Nobis et al., Phys. Rev. Lett. Vol. 93, pp. 103903/lff., 2004）等、それぞれのバンド幅より大きいＦＳＲを有するキャビティモードのホストとなり得る何れの他の種のマイクロキャビティが、同様な又は類似する方法にて分析されうる。同じ理由で、我々はＦＰ干渉計を例として、干渉計的分光計を検討する。後者は、その小さい容積及び高い解像能力の為に単純で小型の分析システムを構築するという我々の目的について、明らかに有用である。更に、上記のように、全ての関連する光学的性質の数学的記述が容易に利用可能である。しかしながら、材料の節にて他の部品及び要求される材料と共に検討されるように、適切なＦＳＲ及び解像力等の求められる光学的性質を与える任意の他の干渉計が、類似する様式にて使用され得る。同様のことが、以下に記述されるように、文献中に見出されるように実際のシステムに適合し、記述されるように選択された他の材料にも適用される。将来的に応用されるであろう他の種類の材料は、材料の節にてより詳細に記述されるであろう。
【００７０】
更に、下記の干渉計的検出原理は、例えばＬｉａｎｇ等（Opt. Lett. Vol. 31 , pp. 510-512, 2006）に示唆されるように、マイクロキャビティの光学的キャビティモードにおける結果としての変化と結合するシステムを形成するために、マイクロキャビティに対して光学的に結合することを意図するものではない点に注意しなければならない。例えば、マイクロ流体環境における光学的検知等の種々の応用のためのマイクロキャビティの使用による特筆すべき優位点は、それらの小さいサイズであること、及びそのためにそれらの機能が高度に局在化することに関連する。光学的結合及び光学的結合状態の確立の場合には、マイクロキャビティ及びそれらの分析に使用される干渉計の結合システムにおいては、干渉計の条件もまた、物理的条件、即ち結合システムの光学的モードに影響を与えるため、この局在化が脅かされる。ほとんどの場合において、検知工程の結果は、このような場合の干渉計の条件に影響を受けるであろうことから、このことは望ましくない。従って、好ましい実施態様においては、キャビティモードの分析に使用される干渉計は光学的に結合されず、独立した装置が（干渉計によって）撹乱されないマイクロキャビティ（又はそれらのクラスター）の光学的キャビティモードの分析のためのみに使用される。この意味において、結合された干渉計／光学的キャビティシステムは、本実施態様に記述されるように非結合干渉計的要素によって分析され及び特徴付けられ得る推測的な未知の装置として考慮されなければならない。この視点の一般化において、以下に議論される光学的マイクロキャビティ及び／又は光学的キャビティのクラスターは、他の基本的に任意の光学素子に加えて、１つ以上の光学的マイクロキャビティを含む光学系と考えられる。而して全体のシステムは、如何に記述される干渉計的検出原理によって、全体として分析され、及び特徴付けされ得る。
【００７１】
４．２．１研究される光学的キャビティモードのバンド幅程度の自由スペクトル範囲を有する干渉計を用いたキャビティモードの分析
最初の例は、キャビティモードのバンド幅の程度のＦＳＲ  δλを有する干渉計を用いる光学的キャビティモードの分析のための干渉計的分光計を記述する。上記に示されたように、キャビティモードのバンド幅Δλｍは、モード位置λｍに線形的に依存し、かつマイクロキャビティの質的因子Ｑに反比例する。文献からは、Ｑ−因子がキャビティのサイズと共に劇的に低減することが知られている。数十から数百マイクロメーターのサイズ範囲のシリカ球体については、液体環境中においてさえかなり高い値を生じえる。例えば、Ｖｏｌｌｍｅｒ等は、水性環境中の３００μｍのシリカ球体についてＱ＝２ｘ１０６を報告している（S. Arnold et al., Optics Lett. Vol. 28, pp. 212-21 A, 2003）。数マイクロメーター及びそれ以下の大きさのより小さい粒子は、数千から数十まで下がったより低いＱ−因子を示す（A. Weller et al., Appl. Phys. B, Vol. 90, pp. 561-567, 2008）。従って、それらはキャビティモードのかなり広いバンド幅を示す。
【００７２】
以下において、最初に我々は、直径数マイクロメーターのポリマーラテックスビーズ等の、やや広いバンド幅を持った低いＱの粒子のモード位置における変化を追跡することが出来る装置を記述する。現実的な例を導き出すために、我々は、１０μｍの名目上の直径を有するＣ６Ｇ−ドープＰＳラテックスビーズを使用した、Ｆｒａｎｃｏｉｓ及びＨｉｍｍｅｌｈａｕｓの最近の研究（Appl. Phys. Lett. Vol. 92, pp. 141107/1-3, 2008）を選択した。その文献に議論されているように、個々のビーズのみならず、ビーズのクラスターも光学的検知に使用され得る。１０μｍのビーズについて、著者等はＰＥの一つの２層に関してΔλＰＥ＝０．２ｎｍのスペクトルシフトを見出した。水性環境（ＰＢＳ）中での一次モードのバンド幅は、約Δλｍ＝０．１ｎｍと決定された。同じ著者等により報告されているように（A. Francois et al., Proc. SPIE Intl. Soc. Opt. Eng., Vol. 6862, pp. 68620Q/1-8, 2008）、Ｃ６Ｇ−ドープＰＳビーズの複合キャビティモードスペクトルは、ビーズを水中に持ち込んだ場合に、約５ｎｍのＦＳＲを以って１次の励起を低減する。これは、該文献から採られた図４に例示されている。図４によると、水性環境中では、スペクトルは二重項の連続からなり、ＴＥ及びＴＭモードの励起から上昇している。二重項内のピーク間の間隔は、約２ｎｍである。この例におけるキャビティモードの励起は、カバーガラス上に吸着され、ＰＤＭＳにより作成されたマイクロ流体カバーにて保護された単一粒子又は粒子のクラスターに、ＨｅＣｄレーザーの４４２ｎｍ線の焦点を合わせることにより達成される。
【００７３】
このシステムのために、図１の一般的スキームの一つに従って、単純かつ小型の検出システムが構築されうる。二つの内の何れが選択されるかは、粒子又は粒子のクラスターの大きさ及びその放射強度に依存する。低い放射力を持った粒子については、キャビティ１の蛍光輻射を集めるための集光器２が適用される図１（１）に示されるスキームを使用することが有用であり、而して高い光子流が得られるであろう。しかしながら、典型的にはその様な集光器はビーズの像を拡大し、検出器７にて混信を生じる可能性がある。従って、スリット又は開口３（例えば、球状開口）が、像の大きさを制限するために使用され得る。後者は、レンズ系４及び６の倍率Ｍ＝ｆ２／ｆ１によっても影響を受ける。しかしながら、技術的課題において既に検討したように、小型のシステムを構築するためには、Ｍ＝１、即ちｆ２＝ｆ１を選択することが最善である。レンズ系４の焦点距離ｆ２は、下記に検討される他の因子により決定されるであろう。また、像の拡大は好ましくない。従って、Ｍ＝１が、干渉分光計８の可能な最短の光路を与え、而して最も小型化された設計となる。本実施例においてのように小さいビーズの場合には、図１（１１）に示されるスキームも適用され得る。而して、粒子またはクラスター自体が、開口３の役割を果たす。本実施例のような１０μｍのビーズは、典型的なＣＣＤカメラ（Ｍ＝１について）のピクセルの程度にちょうど合致する。クラスターは、最大で数１０マイクロメーターの全体的大きさに至るように小さい粒子からなる。この第二の研究法は、ビーズの放射力が、高Ｎ.Ａ.集光器３の省略を許容するほどに十分高い全ての場合において良好に機能し、これによって検出システムのN. A.を劇的に減少させ、而して光子流を分析に利用可能とする。
【００７４】
干渉計的分光器８の干渉素子５として使用されるＦＰ干渉計のレイアウトについては、先に与えられる式に従えば、ＦＳＲ  δλＦＰ及びＦＰフリンジのバンド幅、ΔλＦＰが互いに独立的に選択され得ることに注意することが重要である。ＦＳＲは、プレート間の光学的距離ｆｄ及び稼働波長λ０の関数であり、その一方で理想的ＦＰ干渉計のバンド幅は、構成するプレートの反射率Ｒのみによって決まる。本実施例について、我々は、ＦＳＲをキャビティモードのバンド幅の２倍、即ちδλＦＰ＝０．２ｎｍとし、ＦＰフリンジのバンド幅をΔλＦＰ＝０．０７ｎｍとなるように選択する。文献の例と同様に、λ０＝５００ｎｍの稼働波長については、これはｄｆ＝６２５μｍを生じる。ｆｄは、幾何学的長さｄ及びプレート間の屈折率ｎｆから生じたものであることに注意されたい。従って、ＦＰ干渉計を同調させるために、プレート間の媒質を、例えば異なる液体または気体を、間隙を通して送り込むことにより変化させることが可能である。これは、機械的精度についての要求が相当に低くなることから、ｄを変化させることに対して優位性を持つ。
【００７５】
結果において、図５に例示されるように、Θｊ＝Θｔ＝０度における中心フリンジの透過最大値は、波長の関数として密な櫛歯構造を形成する。個々のピークのバンド幅は、キャビティモードのものよりもかなり小さいか、あるいは同程度であり得る。当然のことながら、隣接ピーク間の過大な重なり合いは避けねばならず、このことはピークのバンド幅をＦＳＲより小さい値に制限する。最も重要なこととして、得られる櫛歯構造は、極大と極小との間に明確な変化を示さねばならず、このことは、後の信号評価の過程で識別が可能となる。ここで光学的キャビティモードの輻射がどの程度にこの櫛歯構造を透過すべきかについては、該櫛歯に関するモードの相対位置に依存する。例えば、光学的検知において使用され得るマイクロキャビティの外部的パラメータの変化を原因とする、モード位置の変化の場合においては、モードは該櫛歯構造を超えて動き、これによって干渉計の出力側、即ち光検出器７において、強度プロファイルの周期的変化を生じる。図５に示されるように、測定される強度プロファイルの周期性は、櫛歯の間隔を反映し、例えば単に極小値を計数することにより（例えば、信号のＤＣオフセット線は、電子的にフィルターにかけられる）、モード位置のシフトの決定を許容する。より精巧な分析は、極大と極小、及び／又は変化率の変曲点の決定を含み、これによってキャビティモードのより低い検出限界を改善する。また、分析関数は、同じ目的の為に測定信号にあわせてもよい。この信号が適切に検出できるか否かは、光検出器７の干渉パターンの分布に依存する。例えば、ＣＣＤカメラの場合は、中心最大値がピクセル上に合わなければならず、一方で周囲の最小値は合わなくともよい。１３．５μｍの技術水準におけるＣＣＤチップのピクセルサイズを仮定し、また異なる信号が、混信なしに識別できるように次のピクセル上に当たらねばならないことを考慮すると、中心の最大及び最小には４０．５μｍの最小分離が、検出器の平面にて必要となる。式５に従った、所定のパラメータについての出力角Θｅｍｉｎの計算は、１．１４６度の角度を与え、これは最終的にはレンズシステム４の要求される焦点距離、ｆ２＝２．０ｍｍを与える。干渉分光計８の最小長さは、而して４ｘ２．０ｍｍ＝８．０ｍｍ（先に検討したようにＭ＝１について）である。技術的課題の節で同じパラメータについて計算して２．２ｍの光学的区間長を得た分散的分光計の結果に比べて、これは２７５の因数で、検出系の大きさにおいて驚くべき低減を与えた。この計算において、ＦＰプレート間の間隙が空気で満たされていること、即ちｎｆ＝ｎｉ＝１が仮定されていたことに注意しなければならない。式５から、プレート間に高い屈折率の物質を選択することにより、角Θｅｍｉｎは更に大きくなることが分かる。したがって、光学的距離ｄｆは、光学的距離ｄを変化させることにより一定に保たれる。したがって、干渉計的分光計８の大きさは、同じ性能を維持しつつ、８ｍｍより小さくなる。
【００７６】
０．１ｎｍ又はそれ以下のＦＰ櫛歯ピークのバンド幅を達成するために、ＦＰプレートの反射率は容易に満たされる要求である０．２４以上に選択される。より高い反射率Ｒ、即ちΔλＦＰ＜＜Δλｍの場合、光検知器にて測定される周期的強度パターンは、キャビティモードのバンド幅に似ており、これはそれらの正確な測定を許容し、而して光学的キャビティモードの正確なモード分析に有用でありうる。
【００７７】
注：
（ｉ）この手法において、中心フリンジの周期的強度変調をかすませるであろう望ましくない混信の可能性ゆえに、過剰な個数のキャビティモードの同時測定を避けることは助けになるであろう。より少数、あるいは単一のモードが、例えばマイクロキャビティ（１）と干渉計的分光計（８）の入口との間にバンドパスフィルターを置くことによって選択され得る。例えばＵＶ、可視又はＩＲ範囲の数ナノメターのスペクトル透過を持ったバンドパスフィルターが商業的に入手できる。典型的には、このようなフィルターも干渉効果に基づくものであって、従って干渉計的分光計（８）の一部分と単にみなしうる。
【００７８】
（ii）この例は、文献から取ってきたものであり、従って検知事象の解像度に関して最適化されていない。光検知器の周期的信号における最小と最大とが区別可能であるとすると、検出系の解像度は０．１ｎｍである。これは、マイクロキャビティ表面のＰＥの一つの二層の吸着について期待される値の約半分であり、即ちそれはＰＥの一つの炭層に対応する。装置の単純性からすると、このことは既に満足すべき結果である。更に感度を改良するためには、マイクロキャビティのＱ−因子が改善される必要がある。これは、他の種類の材料、例えばＰＳに代えてキャビティ材料としてチタンを選択することにより達成されうる。更なる詳細は、材料の節にて検討されるであろう。
【００７９】
（iii）上述のシステムは、成功裏の検知事象に関して報告する単純な“イエス−ノー”センサーとして使用され得る。その様な場合、光検知器は、干渉パターンの中心フリンジのみを通過させる選択的開口部を備えた単純なフォトダイオードであり得る。このようなシステムは、更なるＡＤ変換器なしでセンサー信号を直ちにデジタル化するであろう。約８ｍｍの全長を以ってすれば、分析システムは、デジタルカメラ、携帯電話、リモートコントローラー、ＭＰ３プレイヤー、及び更に腕時計等の任意の手持ち型又は携帯型装置に提供することが出来るほどに小さい。携帯型装置自体が、例えばデジタルカメラ又は技術水準の携帯電話の場合のようにある種の光検出光学系を含む場合、そのような装備は、干渉計出力の検出に使用され得て、集積の程度を向上させるであろう。例えば、デジタルカメラの光学系は、レンズ系４及び／又は６の役割を、またそのＣＣＤチップは検出器７の役割をはたすであろう。本実施例は、表面プラズモン共鳴装置の感度に比肩される分子吸着に対する感度を有することが見出された点を想起すれば（A. Francois et al., Proc. SPIE, Vol. 6862, pp. 68211/1-8, 2008）、これは極めて興味深い見通しを与える。応用としては、生乳又は他の農産物の迅速試験のような農業分野、食品工業、環境試験、民生的安全、及び保健衛生の領域があるであろう。例えば、保険衛生においては、糖尿病に必要とされるような、あるいは透析患者の場合等、体調の頻繁な管理が要求されるような患者は、携帯、手持型又は更に高度に集積された監視及び／又は検知装置から利益を受けるであろう。センサーは、“イエス−ノー”型であり得、又はそれらのパラメータ、特にはマイクロキャビティのＱ−因子の最適化後には、定量分析にも使用され得る。
【００８０】
（iv）本実施例は、分析されるべきマイクロキャビティの程度のＦＳＲを有するＦＰ干渉計の、公称直径１０μｍを有する低いＱのＰＳビーズの分析への応用を検討する。ここにおいて得られる結果は、より高いか、又は小さいＱ−因子を有する他のシステムに直接に適用され得ることに注意しなければならない。その理由は、分子吸着による波長シフトおよびシステムのＦＳＲの両者が、Ｒが球体キャビティの粒子半径である場合に、粒子サイズの広い範囲にわたって１／Ｒと共に増減することが見出されたことにある（S. Arnold et al., Optics Lett. Vol. 28, pp. 272-274, 2003; Weller et al. , Appl. Phys. B, Vol. 90, pp. 561-567, 2008）。従って、ＦＰ干渉計の光学距離ｄｆは、検知及びデータ処理の全ての基本的な側面を変更することなく維持したまま、キャビティモードスペクトルのスケールに合うように調整されうる。式５に従えば、分離角Θｅｍｉｎのみが変化し、従って、干渉計的分光器８の全光学経路をある程度変化させる。しかしながら、このことはＦＰプレート間の間隙について高率の物質を選択することによって少なくとも部分的には補填される。いくつか例をあげると、櫛歯のＦＳＲをδλＦＰ＝０．０１ｎｍのピーク間隙に減少することは、干渉計的分光器８の３６．３ｍｍの光学経路長をもたらし、一方でδλＦＰ＝１ｎｍへの増加は、３．６３ｍｍの全光学経路長を与える。更には、異なる形状を持つか、あるいは異なる材料から調製された異なる種類のマイクロキャビティについては、可能性として他の種類の励起スキームが適用されなければならないかもしれない。しかしながら、このことは、それらの分析に使用したスキームに影響を与えるものではない。その様な問題は、後述の材料の節においてより詳細に述べる。
【００８１】
（ｖ）この例においては、中心フリンジが検出及び分析のために選択されている。中心フリンジはＦＰ干渉計の最も高い解像力を示すことから、このことには優位性がある一方で、原理的には何れかの他の干渉次数が同じ目的に適用され得ることに注意すべきである。而して、可能的には検出器の大きさは、検出器７の平面におけるそれぞれのフリンジパターンの範囲にて調整される必要がある。
【００８２】
４．２．２研究されるべき光学的キャビティモードのＦＳＲの次元のＦＳＲを有する干渉計の手段によるキャビティモードの分析
例えば、スペクトルモードの位置、即ちエネルギーレベル、バンド幅及び／又は輻射強度、即ち密度の視点において、光学的キャビティモードの分析に適用される干渉計の他の基本的な例においては、干渉計のＦＳＲは、分析されるべき光学的キャビティモードのＦＳＲの時限にあるように選択される。４．２．１節の最初の例にあるように、我々は、文献から取り上げた例として１０μｍのＰＳビーズから離れることなく検討し、干渉計用紙５としてＦＰ干渉計を再度適用する。しかしながら、上記に既に述べたように、識別可能なキャビティモード、即ちΔλＦＰ＜＜δλｍ、並びに干渉計の適切に選択されたＦＳＲ及びピークバンド幅等の幾つかの基本的要求に合致する全ての他の種類のマイクロキャビティ及び干渉計が、同じ目的に応用されうる。
【００８３】
４．２．１節に詳細に示したように、図１の２つの基本的スキームは、分析システムの構築に適用され得る。何れの一つがより良く適用されるかは、前述と同じ議論が成り立つ。本実施例、即ち５ｎｍのキャビティモードのＦＳＲについては、ＦＰ干渉計の光学的距離はｄｆ＝２５μｍである。別法として、単一のモードのみが分析される場合には、一つの二重項内の２ｎｍのスペクトル分離が考慮されえて、ｄｆ＝６２．５μｍをもたらす。このことは、標準的な構成スキームに加えて、例えば、より高い光学的伝達及び／又はより高い解像力、及び全体的分析システムへのより高い集積度を有して、古典的なものよりも優れた性能を有する干渉計を達成する薄フィルム沈着、リソグラフィー及びマイクロ−／ナノパターン形成等のマイクロ形成技術もまた当業者によって適用されるであろう更なる機会を開くＦＰ構成の薄フィルム体制にあることを意味する。集積化は、干渉計的分光計の集積化光学装置、例えば導波構造、結合光学系等への接続について、特に有用でありうる。ＦＰ最大値のバンド幅は、より大きいＦＳＲの視点からはより重要ではない役割を演じる。しかしながら、例えばスペクトル位置及び又はバンド幅の視点でのキャビティモードの分析の最適化の視点からは、高い解像力（細密さ）、即ちδλＦＰ＞＞ΔλＦＰを持つシステムが好ましくは適用される。第１の最小値の出力角Θｅｍｉｎは、既に相当に大きく（δλＦＰ＝５ｎｍについて５．７３度、δλＦＰ＝２ｎｍについて３．６２度）、而して数ミリから数十ミリメートルの小型装置においてさえ、異なった干渉順序の分離が利用可能である。最初の実施例との主な差異は、適用される検出スキームである。最初の実施例においては、キャビティモード位置のスペクトルシフトにおいて、周期的なパターンが、例えば中心フリンジの領域において追跡されるが、強度変調は、ここではほとんど明言されず、及びスペクトルシフトの方向に依存して、異なる干渉最大値、即ちフリンジの中心スポットに向けて、又はそこからの移動を基本的にはもたらす。従って、ここでは光学的解像度は、最小値の識別可能なフリンジの移動により決定される。一つの好ましい実施態様において、フリンジパターンは、干渉順序の広い範囲にわたってＣＣＤカメラにより記録される。システムの球体対称性に依存し、完全な２Ｄパターンが記録されるか、あるいは一つの線形交点が記録されるかのいずれかである。また、イメージスクリーンの選択された点のみを監視し、全体的パターンを分析的に再構築することも可能である。これらのシステムの低い解像力のため、干渉計的分光計８の全体サイズは、先の節において記述したものより典型的には大きくなる。しかしながら、優位点としては、干渉パターンのより大きい部分を記録することにより、絶対キャビティモード位置が、何れのスペクトルシフトを起こすことなく決定されうることであろう。また、ホログラフィーと同様に、複雑な干渉パターンさえも、例えばヘルムホルツ−キルヒホッフ（Helmholtz-Kirchhoff）理論により、数的に処理されうる。従って、より大きい個数のキャビティモードが同時に追跡され得、大きさ及び環境の屈折率等のマイクロキャビティの幾つかのパラメータの正確な決定を容易にする。���って、ここにおいて適用される方法は、好ましくは実験台上の応用に適している。
【００８４】
４．２．３研究されるべき光学キャビティモードの直接的重ね合せによるキャビティモードの分析
第３の基本的スキームにおいて、波の干渉は、光学的キャビティモードの直接的干渉によって、付加的な干渉計的素子５なしでも達成されうる。ここにおいて、例えば図４に示されるような上側のスペクトルの二重項輻射は、一つの特定の二重項を選択することにより使用され得る。二重項モードは、ＴＥ及び引続くモード数のＴＥモードに帰属され、またマイクロキャビティの外部パラメータの変化により異なった程度でシフトすることが知られている（I. Teraoka and S. Arnold, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 24, pp. 653-659, 2007）。従って、キャビティモードを支配するパラメータの何れかの変化は、重ねあわされる波の鑑賞パターンの変化をもたらし、例えばこれは干渉計的分光計８のイメージ平面において光検知器７により記録されうる。このような目的のため、光検知器は例えば、空間的に高度に分離するＣＣＤカメラであり得る。このような直接的干渉を達成するためには、偏光及び／又はモードの伝播方向が、上述した手段によって調節されねばならないであろうことに注意しなければならない。
【００８５】
この第３のスキームは、何れの光学的素子も使用しない光学的及びＸ線領域における高分解造影の有効な手段として、最近再発見された球状波束を使用するデジタル直列ホログラフィー（CA2376395, CA2450973）等のホログラフィーに関する。同様に、及び供給源の再構築のために適用される数値的アルゴリズム（例えば、ヘルムホルツ−キルヒホッフ理論）を使用して、デジタル造影装置のキャビティモードの重ね合せは、光学キャビティモードの迅速、低価格、かつ小型の分析のための有用な手段であり得る。また、一つ以上のキャビティモード、あるいは一般的にマイクロキャビティ、又はマイクロキャビティのクラスターの輻射の直接的干渉により生じる干渉パターンのある部分は、先行技術（CA2376395, CA2450973）に記載されているように、可能性として光学的検知事象と同時的に、ホログラフィー的造影の為に利用されうる。光学的キャビティモードの直接的干渉を適用するこれら全ての異なるスキームの応用は、４．２．１節のものと同様でありえて、即ち、例えば、農業、食品工業、環境試験、民生的安全、及び保健衛生の領域に位置付けられるであろう。また、データ収集のため、及び分析器の更なる小型化の努力のために、デジタルカメラ及び携帯電話等のある種の手持ち型装置の組込みＣＣＤチップを使用することも可能であろう。
【００８６】
４．２．４キャビティモード分析の他の手段
最後に、上記４．２．１−３節に記述したスキームは、分析されるべきマイクロキャビティの種類、そのスペクトル的な稼動範囲、及び／又はその環境等の研究下における特定の場合に適用され得る基本的なスキームであることを述べなければならない。例えば、処理のためにはある程度の数のキャビティモードを選択することが求められる。そのような場合、適合する干渉バンドパスフィルターが適用されるか、あるいは例えば、４．２．２節に記述した干渉計が、そのような先行する選択の為に使用され得るであろう。透過するキャビティモードは、次いで４．２．１−４．２．３節に記述されたシステムによって、更に分析されうる。
【００８７】
従って、実施態様は、本実施例に制限されるものではなく、当業者によって異なる様式で組み合わされ、及び使用され得るような道具として理解されなければならない。
【００８８】
４．３材料の部
以下において、上述したスキームまたはそれらの組合せの実施に使用され得る異なった材料が記述される。
【００８９】
４．３．１マイクロキャビティ
本実施態様のマイクロキャビティ及び／又はマイクロキャビティのクラスターは、一般に入手可能な材料を使用することにより製造することができる。材料の以下の説明は、当業者が本明細書の記述に従ってマイクロキャビティを構築する手助けのために提供される。
【００９０】
キャビティ物質：
キャビティの製造のために選択され得る物質は、該キャビティが稼動される電磁気的スペクトルの部分において低い吸収を示すものである。例えば、キャビティモードの蛍光励起のためには、これはキャビティの稼働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。典型的な物質は、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリメラミン等のポリマーラテックス、及びガラス、シリカ、チタニア、塩類、半導体等の異なった種類の無機物質である。また、有機／無機または無機／有機、有機／有機、及び無機／無機等のコア−各構造及び異なった物質の組合せも可能である。マイクロキャビティのクラスター、又は１個以上のマイクロキャビティが実験に使用される場合には、関与する異なったキャビティ（クラスターを構成するか、あるいは異なった個々のマイクロキャビティ）は、異なる物質から調製されてよく、また、例えば選択的励起を許容すべく異なる蛍光物質がドープされてもよい。また、キャビティは、異種的物質から成っていてもよい。一つの態様において、キャビティはＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰ量子井戸構造等の半導体量子井戸構造から調製され、これは、キャビティ物質として、及び適当な放射により励起される場合の蛍光物質として同時に使用され得る。約３以上の半導体量子井戸構造の典型的に高い屈折率は、対応する真空中波長に比べて半導体内での波長短縮のために、更にキャビティの小型化を可能とする。一般的に、キャビティの小型化を促すために、高い屈折率のキャビティ物質を選択することは有利である。
【００９１】
キャビティ物質としてフォトニック結晶を選択し、該結晶の外部表面を蛍光物質により被覆するか、あるいは該結晶中に均質的又は不均一的様式で蛍光物質をドープすることもできる。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、許容されるモードの総数を制限し、また許容されるモードの偏光を規定することが出来る。フォトニック結晶の全体にわたる蛍光物質の分布の性質は、所望のモードのみの励起を促し、一方で望まないモードを不適当な光学的励起により抑制することが出来る。
【００９２】
ある周波数範囲の光の伝播を許容しない、いわゆるフォトニック結晶の“バンドギャップ”を持つ２又は３次元非金属の周期的構造からなるフォトニック結晶の例は、Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈにより示されている（Scientific American, Dec. issue, pp. 47-55, 2001）。光は、周期的非金属構造において分布するブラッグ回折により伝播を妨げられ、これは異なって散乱される光子の破壊的干渉を招く。例えば、全体の周期構造中の一つの失われた散乱中心等の点欠陥により、フォトニック結晶の周期性が損なわれた場合には、ドープされた半導体のバンドギャップ内で起こる局在化した電子的エネルギーレベルのものと同様な、バンドギャップ内の空間的に閉じ込められた許容される光学的モードが起こりうる。
【００９３】
本実施態様において、示される光学的キャビティは球体形状を有する。そのような球体形状は極めて有用なものであるが、基本的にはキャビティは、先行技術に示されるようにキャビティモードを維持することが出来る限り、偏球形状、円柱又は多角形形状等、何れの形状を有してもよい。形状は、また、キャビティ体積内の単一又は計数可能な平面中にモードの励起を制限する。
【００９４】
蛍光材料：
蛍光物質として、励起波長λｅｘｃの光を吸収し、続いて輻射波長λｅｍ≠λｅｘｃの光を再放射する物質の何れかのタイプのものが使用されうる。これによって、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キャビティのモードスペクトル内に位置しなければならない。実際的には、蛍光染料、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（J. Crochet et al., Journal of the American Chemical Society, 129, pp. 8058-9, 2007）、ラマン放射体等が使用されうる。ラマン放射体は、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、励起光よりも大きい波長の光を再放射する物質である。振動が既に励起されている場合、放射される光は入射励起光よりも小さい波長を持ち得、これによって振動を消滅させる（反ストローク放射）。いずれの場合においても、励起波長を適切に選択することにより、多くの非金属物質がラマン放射を示し得、上述したキャビティ物質は、特定の蛍光物質を添加しなくともラマン放射に使用されうる。本実施態様において使用されうる蛍光染料の例が、それぞれのピーク放射波長（単位：ｎｍ）と共に示される：  PTP (343)、DMQ (360)、ブチル−PBD (363)、RDC 360 (360)、RDC 360-NEU (355)、RDC 370 (370)、RDC 376 (376)、RDC 388 (388)、RDC 389 (389)、RDC 390 (390)、QUI (390)、BBD (378)、PBBO (390)、スチルベン（Stilbene）3 (428)、 クマリン 2 (451)、クマリン 102 (480)、RDC 480 (480/470)、クマリン 307 (500)、クマリン 334 (528)、クマリン 153 (544)、RDC 550 (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)、RDC 650 (665)、ピリジン1 (712/695)、ピリジン2 (740/720)、ローダミン 800 (810/798)、及びスチリル 9 (850/830)。これら全ての染料は、例えば銀被覆マイクロ共鳴体（例えばWO 2007129682参照）を稼動するために、ＵＶ（例えば、３２０ｎｍにて）において励起され、３２０ｎｍ以上、例えば約４５０を放射し得る。銀の殻によって被覆されていないマイクロ共鳴体については、ＵＶ−ＮＩＲ領域で稼動する任意の他の染料が使用され得る。そのような蛍光染料の例が示される： DMQ、QUI、TBS、DMT、ｐ−ターフェニル、TMQ、BPBD-365、PBD、PPO、ｐ−クォーターフェニル、エクサライト（Exalite）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、LD 390、α−NPO、PBBO、DPS、POPOP、ビス−MSB、スチルベン420、LD 423、LD 425、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、LD 466、LD 473、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、LD 489、クマリン 490、LD 490、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 52 IT、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、ピロロメテン 546、ピロロメテン 556、ピロロメテン 567、ピロロメテン 567A、ピロロメテン 580、ピロロメテン 597、ピロロメテン 597-8C9、ピロロメテン 605、ピロロメ���ン 650、フルオレセイン（Fluorescein）548、二ナトリウムフルオレセイン、フルオロール（Fluorol） 555、 ローダミン 3B パークロレート、 ローダミン 560 クロライド、 ローダミン 560 パークロレート、 ローダミン 575、ローダミン 19 パークロレート、ローダミン 590 クロライド、ローダミン 590テトラフルオロボレート、ローダミン 590 パークロレート、ローダミン 610 クロライド、ローダミン 610 テトラフルオロボレート、ローダミン 610 パークロレート、キトンレッド（Kiton Red） 620、 ローダミン 640 パークロレート、スルホローダミン 640、 DODC アイオダイド、DCM、DCM スペシャル、LD 688、LDS 698、LDS 720、LDS 722、LDS 730、LDS 750、LDS 751、LDS 759、LDS 765、LDS 798、LDS 821、LDS 867、スチリル 15、LDS 925、LDS 950、フェノキサゾン（Phenoxazone） 660、クレシルバイオレット（Cresyl Violet） 670 パークロレート、ナイルブルー（Nile Blue） 690 パークロレート、ナイルレッド（Nile red）、 LD 690 パークロレート、LD 700 パークロレート、オキサジン（Oxazine） 720 パークロレート、オキサジン 725 パークロレート、HIDC アイオダイド、オキサジン 750 パークロレート、LD 800、DOTC アイオダイド、DOTC パークロレート、HITC パークロレート、HITC アイオダイド、DTTC アイオダイド、IR- 144、IR- 125、IR-143、IR-140、IR-26、DNTPC パークロレート、DNDTPC パークロレート、DNXTPC パークロレート、DMOTC、PTP、ブチル-PBD、エクサライト 398、RDC 387、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、RDC 650、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（Alexa Fluor） 350 染料、アレクサフルオル 405 染料、アレクサフルオル 430 染料、アレクサフルオル 488 染料、アレクサフルオル 500及びアレクサフルオル 514 染料、アレクサフルオル 532 染料、アレクサフルオル 546 染料、アレクサフルオル 555 染料、アレクサフルオル 568 染料、アレクサフルオル 594 染料、アレクサフルオル 610 染料、アレクサフルオル 633 染料、アレクサフルオル 647 染料、アレクサフルオル 660 染料、アレクサフルオル 680 染料、アレクサフルオル 700 染料、及びアレクサフルオル 750 染料。
【００９５】
例えば、マイクロ共鳴体の稼働波長形態を適合させるか、又はシフトさせるために、例えば少なくとも部分的に重複する放射及び励起型を有する異なる線量の組合せを使用してもよい。
【００９６】
ほとんどのレーザー染料等の水不溶性染料は、マイクロキャビティ（例えば、ポリマーラテックスビーズの場合）に取り入れるために特に有用であり、一方でインビトロジェン（Invitrogen Corp., Carlsbad, CA）から入手可能な染料等の水溶性染料は、それらの環境又は外部表面を染色するために特に有用である。
【００９７】
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うる半導体量子ドットは、Ｗｏｇｇｏｎ及び共同研究者らにより記述されている（M. V. Artemyev & U. Woggon, Applied Physics Letters 76, pp. 1353-1355, 2000; M. V. Artemyev et al., Nano Letters 1, pp. 309-314, 2001）。それによって、量子ドット（例えばＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ）は、染料分子の蛍光放射がマイクロ共鳴体のキャビティモードの集団のために使用し得ることを示したＫｕｗａｔａ−Ｇｏｎｏｋａｍｉ及び共同研究者（M. Kuwata-Gonokami et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31, pp. L99- LlOl, 1992）によって記述されるのと同様な方法にて本実施態様に適用され得る。染料分子に対する量子ドットの主たる優位点は、退色等の減成に対して安定性がより高いことである。同様な議論が、例えばＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰから生成され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使用できるのみならず、キャビティ物質としても使用できる。
【００９８】
蛍光物質の励起波長λｅｘｃは、所定のエネルギーを有する２個以上の光子が物質に吸収され、２倍以上のエネルギーの光子が放射される多光子工程が想定できるため、その放射波長λｅｍより小さい、即ちλｅｘｃ＜λｅｍである必要はない。又、上述したように、ラマン非ストローク工程が同様な目的で使用され得るであろう。
【００９９】
上記に例示したような異なった蛍光物質の組合せは、例えば光学的キャビティ（若しくは複数のキャビティ）又はマイクロ共鳴体の稼働波長の状態を適合させる、又はシフトさせるために使用され得る。このことは、例えば適用される異なった蛍光物質の励起及び輻射波長状態の適切な組合せにより達成され得る。
【０１００】
一般的に、蛍光物質は、キャビティ物質中に組み込まれ得るか、あるいは表面に吸着される。分布は、励起されるキャビティモードのタイプを選択するために利用可能である。例えば、蛍光物質がコア表面近傍に濃縮される場合、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やすい。蛍光物質がキャビティの中心に濃縮される場合には、ファブリペローモードがより励起されやすい。不均一的分布の他の例は、蛍光物質が秩序を持った様式で分布されるもの、即ち蛍光物質の高い濃度を持った体積の規則的な２次元又は３次元的パターンの視点での規則性を持つものである。そのような場合、回折効果が起こり得て、それは、例えば分配回帰染料レーザーに見出されるのと同様に、キャビティを異なった方向、偏光及び／又はモードにおいて励起させる。
【０１０１】
励起光源：
光学的キャビティモード励起のための抗原の選択は、適用される励起スキームに依存する。光学カップラー又は焦点光ビームによるエバネセント場を介した励起（例えば、Oraevsky, Quant. Electron. Vol. 32, pp. 377-400, 2002参照）については、輻射波長範囲がキャビティ稼働の所望のスペクトル型に合致しなければならない。蛍光輻射による励起については、抗原はその輻射が蛍光物質の励起振動数範囲ωｅｘｃに相当するように選択されなければならない。輻射出力は、マイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターの励起の過程において起こり得る損失（放射損失、減衰、吸収、散乱）を上回って補充し得るものでなければならない。実際的には、タングステン又は水銀ランプ等の熱的光源が適用され得る。より狭い放射プロフィールを持ったレーザー又は高出力発光ダイオードは、試料及び環境の加熱を最小化するために好適に適用され得る。数種の蛍光物質が、例えば非重複的な励起振動範囲等、適切に選択されて使用された場合、個々のマイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターが選択的に指定され、例えば更に読取り工程を容易にする、あるいは対照測定の為に、１個以上の光源、又は放射波長範囲が切替可能な単一の光源が選択され得る。更に、蛍光マイクロキャビティは、該キャビティの励起放射のための閾値を越えて稼動され得る。このような場合、稼動キャビティモードのバンド幅は更に狭く、而してそれらのクオリティ因子を改善するであろう（M. Kuwata-Gonokami et al., Jpn. J. Appl. Phys. (Part 2) Vol. 31, pp. L99ff.）。この種の稼動は、４．２．１−３節の基本的スキームの為にとりわけ有用であろう。
【０１０２】
励起スキームに関わらず、好ましい光源は、タングステン及び水銀等の熱的光源、及びガスレーザー、固体状態レーザー、レーザーダイオード、ＤＦＢレーザー、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等の非熱的光源である。マイクロ共鳴体（１個若しくは複数）又はマイクロ共鳴体のクラスターの励起のために、輻射が、少なくとも部分的に適用される蛍光物質の（少なくとも一つの）励起振動数範囲ωｅｘｃに該当するようにして、ＬＥＤが好適に選択され得る。輻射出力は、マイクロ共鳴体の励起過程において起こり得る損失（放射損失、減衰、吸収、散乱）を超えて補い得るようにされなければならない。数種の蛍光物質が、例えば非重複的あるいは部分的に重複的な励起振動範囲等、適切に選択されて使用された場合、個々のマイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターが選択的に指定され、例えば更に読取り工程を容易にする、あるいは対照測定の為に、１個以上の光源、又は放射波長範囲が切替可能な単一の光源が選択され得る。例えば、クラスター中の単一のマイクロ共鳴体のみを指定することが好ましいであろう。更に、ＬＥＤの少なくとも１個の励起出力は、使用されるマイクロ共鳴体（１個若しくは複数）又はマイクロ共鳴体のクラスターの少なくとも一つが、励起される光学的キャビティの少なくとも一つのレーザー閾値を、少なくとも一時的に、越えて稼動されるように選択され得る。
【０１０３】
殻：
キャビティ及び／又はマイクロキャビティのクラスターは、均質的又はそうではない厚さを有するであろう殻にドープされ得る。殻は、蛍光輻射の場合には選択された蛍光物質の励起波長λｅｘｃについて、あるいはエバネセント場結合の場合には稼動波長λｍについて十分な透過性を示す任意の物質（金属、誘電性物質、半導体）からなってよい。また、殻は、例えばマイクロ共鳴体及び／又はマイクロ共鳴体のクラスターの表面を、所望の部位及び／又は領域のみ透明にするため、あるいは他の例をあげれば選択的な（生物学的−）官能化を容易にするため、所望の性質を有する異なった物質からなってもよい。
【０１０４】
例えば、殻の物質として半導体を適用する場合には、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、殻は透明となる。金属については、例えば、典型的にはそれを超えると金属の伝導電子が電磁輻射の吸収にもはや寄与しないような、金属のプラズマ振動数の優位点を取ることにより高い透明性が達成されうる。有用な金属に内には、アルミニウム、及び銀、金、チタン、クロム、コバルト等の遷移金属がある。殻は、例えば蒸着又はスパッタリングにより作成されるように連続的であるか、あるいはしばしばコロイド金属粒子の沈着と後続の非電気的メッキにより達成されるように連続的であってよい（Braun & Natan, Langmuir 14, pp. 726-728, 1998; Ji et al., Advanced Materials 13, pp. 1253-1256, 2001; Kaltenpoth et al., Advanced Materials 15, pp. 11 13-1118, 2003)）。また、殻の厚さは数ナノメーターから数百ナノメーターまで変化されうる。この目的についての唯一の厳密な要求は、殻の反射率が、Ｑ＞１の値を持つＱ−因子を可能とする所望のスペクトル範囲において十分に高いことである。球体キャビティにおけるＦＰＭについては、Ｑ−因子は殻４の反射率から（又はその逆も可）次式により計算されうる
【０１０５】
【数１８】
2012501432.tif 000020
ここにおいて、Ｒｓｈは、殻の反射率であり、λｍは、キャビティモードｍの波長である。
【０１０６】
生物学的官能性被覆：
マイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターは、（生物学的−）力学及び／又は（生物学的−）化学機能を容易にする（生物学的−）官能性被覆により被覆されてもよい。例えば、それらは所望の細胞応答を開始させる為、あるいは生物学的力学及び／又は生化学的検知を容易にする為に、特異的分析対象物を以って官能化されてもよい。
簡略にするために、マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体のクラスターを、以下において“センサー”と称する。
【０１０７】
該センサーに特異的分析対象物についての選択性を持たせるために、タンパク質、ペプチド及び核酸等の分析対象物を（好ましくは可逆的に）結合することが出来る結合剤により、センサー表面を被覆することが好ましい。結合剤を付ける方法は、ポリマー、無機物質（例えばシリカ、ガラス、チタン）及び金属表面等の種々の表面について当業者には周知であり、また本実施態様のセンサー表面を誘導するために同様に好適である。例えば、遷移金属被覆（例えば、金、銀、銅及び／又はそれらの合金及び／又は組成物）の場合、本実施態様のセンサーは、チオール化学を使用することにより化学的に修飾され得る。例えば金属被覆された非金属コアは、センサー表面をアミノ基にて修飾するために、アミノエタンチオール等のアミノ基を有するチオール分子の溶液に懸濁されうる。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により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ー懸濁物に添加される。結果として、アミド結合が形成されて、金属被覆された非金属コアがビオチンにより修飾される。次いで、４つの結合部位を含むアビジンまたはストレプトアビジンが、ビオチンに結合されうる。次いで、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡまたは他の任意のリガンド等の任意のビオチン−誘導生物学的分子が、アビジン−修飾金属被覆非金属コアの表面に結合されうる。
【０１０８】
別法として、アミノ−末端化表面は、水性グルタルジアルデヒド溶液と反応させてもよい。センサー懸濁物を水にて洗浄後、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ての生物学的分子の共有的結合を促す（R. Dahint et al., Anal. Chem., 1994, Vol. 66, pp. 2888-2892）。センサーが、最初に例えばメルカプトウンデカン酸のエタノール性溶液に曝すことによりカルボキシ末端化された場合には、末端官能基はＥＤＣ及びＮ−ヒドロキシスクシンイミドの水溶液を用いて活性化され得る。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（Herrwerth et al., Langmuir 2003, Vol. 19, pp. 1880-1887）。
【０１０９】
同様な様式において、非金属センサーも特異的に官能化され得る。例えば、ＰＰＳ、ＰＡＡ及びＰＡＨ等の多電解質（ＰＥ）は、文献に記載されるように使用され得て（G. Decher, Science Vol. 277, pp. 1232ff., 1997; M. Losche et al., Macromol. Vol. 31, pp. 8893ff., 1998）、アミノ（ＰＡＨ）またはカルボキシル（ＰＡＡ）基等の化学的官能基の高い密度を有するセンサー表面を達成する（この技術は、金属被覆センサーにも適用可能である）。次いで、例えば上述した方法と同じ結合化学がＰＥ被覆センサーに適用され得る。別法として、また金属表面の官能化について上述したチオール化学との類似において、アミノ−、メルカプト−、ヒドロキシ−、又はカルボキシ−末端化シロキサン、リン酸、アミン、カルボン酸又はヒドロキサム酸等の適当な種の結合剤が、センサー表面の化学的官能化のために使用され得て、これに基づいて、次いで生物学的分子の結合が、上述の例に記述したように達成され得る。適当な表面化学が、文献に見出され得る（例えば、A. Ulman, Chem. Rev. Vol. 96, pp. 1533-1554, 1996参照）。
【０１１０】
表面及び粒子における生物学的特異的相互作用の制御及び同定についての一般的問題は、非特異的吸着である。この障害を抑える一般的技術は、非特異的吸着部位をブロックするために、官能化表面を他の強く付着する生物学的分子（例えばＢＳＡ）に曝すことに基づく。しかしながら、この方法の効率は、研究対象の生物学的システムに依存し、また交換プロセスが、解離及び表面結合分子種間で起こり得る。更には、非特異的吸着した生物学的分子の除去には多くの洗浄工程が要求され、而して低い親和性による特異的結合事象の同定を阻害する。
【０１１１】
この問題の解決法は、ポリ−（ＰＥＧ）及びオリゴ（エチレングリコール）（ＯＥＧ）の被覆のような、結合剤の不活性物質への組込みである。生物学的特異的認識要素をＯＥＧ−末端化被覆に組み込むための最も一般的技術は、タンパク質抵抗性ＥＧ分子及び結合剤の結合に好適な（又は結合剤自体を含む）第２の官能化分子種からなる２元溶液からの共吸着に基づく。別法として、結合剤の表面−移植化末端−官能化ＰＥＧ分子への直接結合も報告されている。
【０１１２】
最近に、ＣＯＯＨ−官能化ポリ（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。生物学的特異性レセプターの共有的結合の後、被覆は効果的に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（Herrwerth et al., Langmuir 2003, Vol. 19, pp. 1880-1887）。
【０１１３】
表面に不動化された結合物は、抗体等のタンパク質、（オリゴ−）ペプチド、オリゴヌクレオチド及び／又はＤＮＡ切片であってよい（これらは、例えば、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である特異的標的オリゴヌクレオチド又はＤＮＡにハイブリダイズするものや、あるいは炭水化物であってよい）。非特異的相互作用を低減するために、結合物は好ましくは不活性担体材料中に組み込まれるであろう。
【０１１４】
位置制御機能：
本実施態様のセンサーは、リモートセンサーとして使用してもよく、従って、例えば選択されたセルとのそれらの接触及び／又は相互作用を制御するために、それらの位置及び／又は移動の外的手段による制御が必要とされ得る。そのような制御は、異なった手段により行われてよい。例えば、センサーに磁性が付与され、電磁気的力が直接にセンサーに適用されてよい（C. Liu et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 90, pp. 184109/1-3, 2007）。例えば、鉄化合物等の磁気的物質を含む常磁性及び強常磁性ポリマーラテックス粒子が、異なる供給者から商業的に入手可能である（例えば、DynaBeads、Invitrogen Corp.又はBioMag/ProMagマイクロ球体、Polysciences, Warrington, PA）。磁気的物質が、典型的にはポリスチレンからなるポリマー性担体物質中にドープされていることから、このような粒子は、下記の実施例に記述される非磁気的ＰＳビーズとしての光学的キャビティモードセンサーと同様又は類似した方法にて使用されてよい。別法として、あるいは付加的には、磁気的物質／機能は、マイクロ共鳴体の殻及び／又はそれらの（生物学的−）官能性被覆に負わせてもよい。
【０１１５】
更に、位置制御は、光学的ピンセットの手段により行われてもよい（J. R. Moffitt et al., Annu. Rev. Biochem. Vol. 77, pp. 205-228, 2008）。そのような場合において、光学的ピンセットのレーザー波長は、センサーを稼動するために使用される蛍光物質の励起及び／又は放射波長範囲に一致するか、又はしないように選択されてよい。例えば、蛍光物質（の一つ）の（選択的）励起用でもあるような、光学的ピンセットの稼動波長を使用することが好ましいであろう。磁気的ピンセットに対する光学的ピンセットの一つの優位点は、多くの異なるセンサーが、同時に個別的に制御され得ることである（C. Mio et al., Rev. Sci. Instr. Vol. 71, pp. 2196-2200, 2000）。
【０１１６】
他のスキームにおいて、センサーの位置及び／又は動きは、音波（M. K. Tan et al., Lab Chip Vol. 7, pp. 618-625, 2007）、（２次元）電気泳動（S. S. Dukhin and B. V. Derjaguin, "Electrokinetic Phenomena", John Wiley & Sons, New York, 1974; H. Morgan and N. Green, "AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles", Research Studies Press, Baldock, 2003; H. A. Pohl, J. Appl. Phys. Vol. 22, pp. 869-671, 1951）、電気的湿潤法（Y. Zhao and S. Cho, Lab Chip Vol. 6, pp. 137-144, 2006）によって、並びに／又は所望の大きさ及び／若しくは機能の粒子及び／若しくは細胞の並べ替え／取り出しが可能であるようなマイクロ流体装置によって制御されてもよい（S. Hardt, F. Schoenfeld, eds., "Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems", Springer, New York, 2007）。
【０１１７】
また、例えば圧力差の適用によって粒子を固定及び放出可能なマイクロキャピラリーを使用することにより、センサーの位置制御のために機械的ピンセットも使用され得る（M. Herant et al., J. Cell Sci. Vol. 1 18, pp. 1789-1797, 2005）。この方法の利点は、例えば細胞検知実験において、センサー及び細胞が、同じ装置を用いて操作されうることである（M. Herant et al.参照）。上述した２種以上のスキームの組合せも、センサー及び／又は細胞の位置制御のために好適であろう。
【０１１８】
４．３．２干渉計的分光計
集光光学系２：
マイクロキャビティの輻射の集光のために、任意の種類の技術水準にある光学系が適用され得る。好ましくは、集光光学系は、集めた光の強度を至適化するためにその入口側にて高いＮＡを有し、かつ引続く光検知器７条の像形成の要求に合わせるために、可能であれば低いＮＡを有する。好ましくは、顕微鏡の対物レンズが適用でき、加えて十分な光学的解像度、即ち十分に大きいＮＡを有する任意の顕微鏡システムが適用可能である。また、特には高度に集積された装置の使用のために、集光光学系は、集積光学系、導波器、光ファイバー及び／又は光学的近接場プローブを（付加的に、又は別法として）使用し得る。このような場合、集光光学系とマイクロキャビティとの間の光学的結合は、光学的近接場結合及び／又はエバネセント場結合により仲介されてよい。また、十分に大きいＮ.Ａ.は、別のやり方では達成及び制御がより困難であろう故、マイクロキャビティと集光光学系との間に達成される接近した幾何学的近接によって達成されてよい。
【０１１９】
干渉計要素５：
上記に既に検討したように、４．２．１−３節に従った構成の要求に合致する干渉計的原理の何れの種類も適用可能である。好ましい実施態様において、その様な干渉計的原理は、ファブリペロー、フィゾー（Fizeau）−、ジャミン（Jamin）−、コスターズ（Kosters）−、ルマー−ゲルク（Lummer-Gehrke）−、マッハ−ツェンダー（Mach-Zehnder）−、マイケルソン（Michelson）−干渉計等に基づいている。特に、薄フィルム又は薄プレート干渉計は、それらの小さい次元のため有用である。また、多ビーム干渉計は、それらの高い解像力のため、二重ビーム干渉計より好ましいであろう。薄フィルム及び／又は薄プレート干渉計の内では、高い伝達性のもの、特には低い放射力を有するマイクロキャビティ及び図１（１１）に示されるスキームに基づいた構成のものに対する干渉計が好適に適用され得る。而して、誘電体干渉計が、金属反射器を適用するものよりもそれらの低い反射損失のためにより好ましいであろう。ＦＰ干渉計等のほとんどの干渉計要素が、異なった精細度及びＵＶから中間ＩＲまでの異なった稼働のスペクトル範囲について商業的に入手可能である。
【０１２０】
光検出器７：
検出スキームに依存して（４．２．１−３節参照）、光電子倍増管、光素子、及びフォトダイオード等の空間的に非分離のもの、又はＣＣＤチップ及びフォトダイオードの配列等の空間的に分離するもののいずれかの異なった種類の検出器が適用され得る。４．２．１節に記載したような単純な“イエス−ノー”検知器については、単純なフォトダイオードが好ましくは使用され得る。フリンジパターンのより広い領域の造影、及び特には４．２．３節に検討した自由波については、高分解能ＣＣＤカメラ又はＣＣＤチップが好ましい選択であろう。
【０１２１】
干渉計の解像力：
精細度Ｆ＞２０の高い解像力を有する干渉計が、分析システムにおいて使用され得る。更に、精細度Ｆ＜２０の低い解像力を有する干渉計が、分析システムにおいて使用され得る。
【０１２２】
光学的検出経路の幾何学長：
干渉計は、２５ｃｍ又はそれ未満の経路、１０ｃｍ又はそれ未満の経路、４ｃｍ又はそれ未満の経路、あるいは１ｃｍ又はそれ未満の経路を含む、光学的検出経路のいずれかの幾何学長を有してよい。
【０１２３】
５．発明の使用例
本発明は、一方において適用される装置及び構成の幾何学的サイズを小さくすることについて、実験的な努力を継続しつつ、キャビティモードの正確な特徴付け、例えば、位置（エネルギー水準）、バンド幅、及び／又は強度（密度）、あるいはそれらの小さい変化等の特徴付けを必要とする全ての場合における既存技術よりも、有用かつ利点があることを証明している。これらの考察ゆえに、干渉計分光学は、異なったサイズの態様及び、高精度マイクロレーザー、光学フィルター、及び光学センサーの開発等の種々の応用について、マイクロキャビティの使用の顕著な発展に寄与するであろう。
【０１２４】
光学的検知に関しては、農業、食品工業、環境試験、民生的安全及び保健医療における迅速試験およびスクリーニングの為に必要とされていることから、高感度の光学的バイオセンシングである頑丈で使い勝手がよく携帯又は手持ち型のシステムが、劇的に促進されるであろう。農業においては、正に現場での迅速試験が可能な野外計器は、たとえば、生乳の管理並びに他の品質及び健康関連事項の為に有用であろう。食品工業は、品質管理および食品処理の間の監視の為に同様な要求を有している。環境試験については、小型の手持ち型及び選択的に太陽電池駆動の水質監視又は試験装置が、特には清浄な水がますます見出し難い地域において、基本的な道具となり得る。民生的安全も、特に急速に広がるウイルス性又は細菌性疾患の視点で、現場においての迅速かつ信頼性がある迅速試験に強く依存する。保険衛生においては、費用削減の増大する必要性は、簡単で手持型であり、また多数の異なる分析対象物を同時に検出可能（多重的）な非標識バイオセンサーを必要とするポイント・オブ・ケア検査及び自己試験の要求を推進している。可能性のある応用の他の例は、医薬スクリーニング、生体分子スクリーニング、タンパク質スクリーニング、ヌクレオチドスクリーニング、プロテオミクス、ジェノミクス、及び健康産業に関連する。特に後者の応用において、多数の分析対象物の並行的検出の為の任意の配列様式でのスクリーニングは、極めて興味深い。このことは、装置の大きさの劇的な減少、その構成の単純さ、並びに処理速度によって、本実施態様により促進され得る。これによって、多重性は、同じ又は異なる光検出器７上の異なった干渉パターンを同時的に追跡することにより、あるいは別法として対物平面において試料１の走査により実施され得る。更に、分析システムは、農業又は食品工業における現場試験、生乳又は肉の現場試験、獣医学における迅速試験、保険衛生又は医療診断における迅速試験、糖尿病又は透析患者のポイント・オブ・ケア検査、民生的安全における迅速試験、ウイルス感染の迅速試験、Ｂ型肝炎の迅速試験、インフルエンザの迅速試験、ヒト免疫不全ウイルス（ＨＩＶ）の迅速試験、ウシ海綿状脳症（ＢＳＥ）の迅速試験、細菌の迅速試験、レジオネラの迅速試験、ライム病の迅速試験環境分析の迅速試験、及び／又は水試料の迅速試験等を含む種々の分野において種々の試験のために使用され得る。
【０１２５】
実現され得る干渉計的分光器８の小さい次元ゆえに、小型で感度良く非標識の光学的センサーが得られうる。４．２．１節の例について計算したように、約８ｍｍの全長によって、分析システムは、その全体のシステム又はいずれかの部分が、デジタルカメラ、携帯電話、リモートコントローラー、ＭＰ３プレイヤー、腕時計、及びこれらの装置の光学的干渉計出力の検出の為の部分等、いずれかの種類の手持型又は携帯装置に埋め込まれ得る。例えばデジタルカメラ又は技術水準にある携帯電話の場合のように、携帯装置自体が何らかの光検知光学系を含んでいる場合には、その様な内蔵部が干渉計出力の検出に使用されてよく、而して集積度を向上させる。
【０１２６】
別の実施態様において、干渉計的分析器を含むマイクロキャビティは、集積光学装置、導波構造、光学結晶、又は他の好適な光電子装置に完全に集積され得る。このことは、光学的に稼働される情報バスシステムまたは量子処理の為に必要とされるため、例えば、小型の高精度光源の構築に必要とされ得る。
【０１２７】
また、ホログラフィー素子、特には４．２．３節において導入した基本スキームとの組合せは、スペクトル分析を（ホログラフィー的）造影と結び付け得る。例えば、光学的キャビティモードの直接的干渉により形成される干渉パターンは、（生物学的）検知事象の結果を与えるために利用され得る。同時に、マイクロキャビティ又はマイクロキャビティのクラスターの放射の干渉パターンのある部分（実施例参照）は、感知事象の間に環境のホログラフィーイメージ（３Ｄイメージ）の計算のために、デジタル直列ホログラフィーにより利用され得る。このような技術は、例えば、マイクロ流体技術においてその場での（in-situ）検知に向けて、並びに可能性として更に生細胞における検知及び造影等のイン−ビトロ又はイン−ビボの応用への道を進む（例えば、米国特許仮出願番号61/111,369参照）リモート検知の可能性のために、とりわけ小さい次元（数マイクロメータまたはそれ以下）の蛍光マイクロキャビティとの関連で極めて有用となるであろう。
【０１２８】
実施例
染料ドープポリスチレンマイクロキャビティの蛍光放射による干渉パターンの記録
４．２．３節において詳細に述べた付加的な干渉計的素子５を使用しないマイクロキャビティの輻射の直接適干渉の可視化及び記録の利用可能性に関する最初の例示として、以下の実験を実施した。
【０１２９】
図６に示されるように、光学的キャビティ２１、例えば蛍光的にドープしたポリスチレンマイクロビーズを適当な基材２０に載置する。マイクロキャビティは、例えばヴィトンにより作成されたＯリング２４を表面２０上に置き、次いで上から光学的カラーフィルター２５を取り付けることによって封じ込められる。基材２０、Ｏリング２４及びカラーフィルター２５により制限された閉鎖体積２３は、封止前に例えば水又は緩衝溶液当の流体によって満たされうる。カラーフィルターの上部には、商業的に入手可能なウェブカム等の単純なＣＣＤカメラの回路板を、例えば柔軟で電気的に隔離するスペーサーとしての第２のＯリング２４を使用することにより設置されうる。焦点レンズ等のビーム回折の為の更なる光学素子を伴わないカメラのＣＣＤチップを支える回路版は、ＣＣＤチップが鉛直方向においてマイクロキャビティの上に中心が位置するように配置されなければならない。全体のシステムは、例えば２枚の適当な板及び適当なネジ（示していない）によって、一緒に固定されうる。カラーフィルターは、透過する放射を回折しない平行な表面を持った平板形状を有し、また蛍光染料を励起させるためのレーザー放射を〜３．７５ｘ１０５の減衰因子により抑制し、一方において蛍光放射が関連する範囲（５８０〜６５０ｎｍ）にわたって＞７５％の透過率でフィルターを透過し得るように選択されたことに注意しなければならない。更に、マイクロビーズを支持するために使用される基材は、マイクロビーズからＣＣＤチップの方向への蛍光輻射の反射を助け、而して全強度を増大させるために、薄いフィルム（約１５−２０ｎｍの厚さ）を以ってスパッター被覆されている。
【０１３０】
底面側から、マイクロビーズを顕微鏡的に観測することが出来、また顕微鏡対物レンズ２２によって光学的に励起することが出来る。後者は、マイクロキャビティから放出される光を集めるためにも使用され得る。これは、例えば顕微鏡対物レンズを転置顕微鏡（例えばＮｉｋｏｎＴＳ１００）にマウントし、顕微鏡のカメラポートをスペクトル分析システムに接続するために使用することによって達成されうる。光学的キャビティモードの励起及び検出についてのこのような技術の例は、先行技術に見出されうる（Francois & Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 031101 及びその追補資料E-APPLAB-94-019901）。
【０１３１】
この例において、マイクロキャビティとして、公称直径１５ｎｍのナイルレッドドープポリスチレンビーズが使用された。染料は、１０ｋＨｚの反復速度及び顕微鏡対物レンズの出口における平均出力５０ｍＪにて稼動される振動数−二重化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによって励起された。蛍光励起でのマイクロビーズから取り出された光のスペクトル分析は、冷却ＣＣＤカメラを取り付けた高分解能モノクロメータにより行われた。図７に示されるスペクトルについては、カメラの露光設定は０．２秒の１回捕捉であった。ビーズの蛍光輻射のスペクトル分析に使用されるシステムの更なる詳細については、文献を引用する（Francois & Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 031101 及びその追補資料E-APPLAB-94-019901）。
【０１３２】
この実験において使用されたＣＣＤチップは、Ｂｕｆｆａｌｏ ＵＳＢウェブカム、モデルBSW3K03HSV（Buffalo Kokuyo Supply Inc., Japan）を分解して得た。焦点レンズを除去し、回路版上のＣＣＤチップを取巻く光保護用の黒色プラスチック遮蔽を広げて、カラーフィルター２５の取り付け、及びＣＣＤチップへの自由な光学的出入りを可能とした。チップの稼動のために、１回撮影、連続撮影及びビデオ取得を可能とするフリーソフトウエア（webcamXP Free, v5.3.4.252, www.webcamXP.com）を適用した。以下に示される画像は、励起レーザー焦点の適切な位置及び配列の後の１回撮影によって得た。
【０１３３】
図７は、励起レーザーの焦点をビーズに当てた場合と当てない場合のそれぞれについて、単一のナイルレッドドープマイクロビーズから得たスペクトル及び画像を示す。これは、最初に転置顕微鏡のｘｙｚ−平行移動を使用して蛍光複写を最適化し（“ビーズ上にレーザー焦点”）、次いで各スペクトル及びＣＣＤチップ映像の取得後に、ステージを蛍光輻射が落ちるまでｘｙ方向に移動（“ビーズから外れたレーザー焦点”）することによって得られた。次いで、第２のデータの組を得た。
【０１３４】
対応する蛍光輻射が、図７の第１行に示すスペクトルに見られる。“外れた”場合においては、レーザーがマイクロビーズに達しないために蛍光が検出されず、“当たった”場合には刺激された輻射状態、即ちレーザー条件におけるマイクロキャビティ稼動について特徴的なＷＧＭスペクトルを示す。このことは、観測されたキャビティモードのガウス形強度分布から知られる（例えば、Francois & Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 031101参照）。我々は、干渉効果の観測を助けるより高い強度、及びより高い空間的および時間的なモードのコヒーレンスの為にレーザー条件を選択した。しかしながら、このことは、レーザー閾値未満でマイクロキャビティを稼動した場合に干渉が達成されないことを意味するものではなく、むしろこのような場合、それが発生するための適切な条件に合致しなければならない。従って、ここで選択された方法は、単に例示であると見なければならない。
【０１３５】
使用したＣＣＤチップの一つの特徴は、それがカラーチップ、即ちチップ領域を照らす光のカラー映像を作ることである。このことは、検出される放射を異なる波長領域（青、緑、赤）に大まかに分類することを可能とすることから、興味深い特徴である。我々は、図７に示されるこの分類を、商業的に入手可能なソフトウエア（Corel Photo-Paint 12）を使用して、カラー映像を対応するカラーチャンネルに分離することにより行った。蛍光輻射は、光学スペクトルの緑／赤部分にのみ位置することから、青のチャンネルは参照チャンネルとして使用され得、これによって励起レーザーの散乱による影響、カラーチャンネルの間又は結果の誤った解釈をもたらす他の発生源との混信を区別した。
【０１３６】
励起レーザーは、光学スペクトルの緑の部分に位置し、従って緑チャンネルにおける弱いスポットとして“外れた”条件において観察されうる。スポットの低い強度は、その抑制に使用したカラーフィルターの選択の有効性を示す。青及び赤のチャンネルの映像において、レーザースポットは極めて微かに認められる。このことは、カラーフィルターに当たるピコ秒の放射は、吸収過程において望ましからぬ自己蛍光を生じないこと、及び異なるカラーチャンネル間の混信をもたらさないことを示している。レーザー焦点が蛍光励起を刺激するためにビーズ上に置かれた場合、青のチャンネルは暗く均質のまま残る。しかしながら、緑及び赤のチャンネルは、多くの円状干渉パターンを示す。ＣＣＤチップの搭載電子機器は、常に像のコントラストおよび輝度を安定化しようとするが、チップは、調節電子機器がチップ上への光子流における強度の増大に対抗して平衡化するまで、ビーズの蛍光の開始持の数秒間は光遮断されることに注意しなければならない。従って、“当たる”場合の青のチャンネルの暗い見かけは、絶対的な尺度であるよりもむしろ、緑及び赤のチャンネルに関する相対的な尺度である。
【０１３７】
赤のチャンネルの像における黒い矢印は、最も重要な干渉の特徴の幾つかを示している。長い矢印は、マイクロビーズの位置を指し、而してその直近の蛍光輻射の干渉を示すが、他の干渉パターンは、他のマイクロビーズ又は表面の夾雑物等、表面の障害物における蛍光輻射の散乱に起因する。このことを我々は、レーザー焦点を表面上の他の部分に移動させ、これが蛍光輻射から結論されるようにほとんどのマイクロビーズがこれらの位置に存在することを示すことから結論づけることが出来た。
【０１３８】
本実験は、多くの技術的側面において確実に改良されうる単純な例であるが、それはマイクロキャビティの光学的キャビティモード輻射が長距離場においてさえも干渉をもたらし得、また対応する干渉パターンが比較的単純な手段により記録されうることを例示する。最も重要なことには、干渉は何れの光学要素を使用することなく、蛍光の直接的輻射並びに／又は表面及び／若しくはその上の障害物からのその反射によって達成されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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