(57)【要約】  少なくとも１つのマイクロ共鳴体と、マイクロ共鳴体に光照射を供給してマイクロ共鳴体の励起レベルを誘導するための発光ダイオードと、発光ダイオードによって誘導されたマイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するための光学検出器とを備える光学的キャビティモード装置。
2012530894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのマイクロ共鳴体と、
前記マイクロ共鳴体に光照射を供給して前記マイクロ共鳴体の光学的励起を誘導するための発光ダイオードと、
前記発光ダイオードによって誘導された前記マイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するための光学検出器と
を備える光学的キャビティモード装置。
【請求項２】
前記マイクロ共鳴体は、実質的に蛍光物質を含まない光学的キャビティの微小粒子、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子、及びその表面が少なくとも１つの蛍光物質で覆われた光学的キャビティの微小粒子からなる群の中から選択される、請求項１に記載の光学的キャビティモード装置。
【請求項３】
複数のマイクロ共鳴体が少なくとも１つのクラスタを構成するように提供されており、
前記発光ダイオードは、前記マイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つの光学的励起を誘導するために前記マイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つに光照射を供給し、
前記光学検出器は前記発光ダイオードによって誘導された前記マイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つのスペクトルを獲得する、請求項１に記載の光学的キャビティモード装置。
【請求項４】
前記クラスタは、実質的に蛍光物質を含まない光学的キャビティの微小粒子、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子、及びその表面が少なくとも１つの蛍光物質で覆われた光学的キャビティの微小粒子からなる群の中から選択された１種類のマイクロ共鳴体又は複数の種類のマイクロ共鳴体の組合せを含む請求項３に記載の光学的キャビティモード装置。
【請求項５】
少なくとも１つのマイクロ共鳴体において光学モード励起を使用して標的物を検知するための方法であって、
前記マイクロ共鳴体を調整するステップと、
前記マイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するために発光ダイオードの照射により前記マイクロ共鳴体を励起するステップと、
前記発光ダイオードによって誘導された前記マイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するステップと
を含む方法。
【請求項６】
前記マイクロ共鳴体は、実質的に蛍光物質を含まない光学的キャビティの微小粒子、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子、及びその表面が少なくとも１つの蛍光物質で覆われた光学的キャビティの微小粒子からなる群の中から選択される請求項５に記載の前記標的物を検知する方法。
【請求項７】
複数のマイクロ共鳴体が少なくとも１つのクラスタを構成するように提供されており、
前記発光ダイオードは、前記マイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つの励起レベルを誘導するために前記マイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つに光照射を供給し、
前記光学検出器は前記発光ダイオードによって誘導された前記マイクロ共鳴体のうちの少なくとも１つのスペクトルを獲得する、請求項５に記載の前記標的物を検知する方法。
【請求項８】
前記クラスタは、実質的に蛍光物質を含まない光学的キャビティの微小粒子、少なくとも１つの蛍光物質でドープされた光学的キャビティの微小粒子、及びその表面が少なくとも１つの蛍光物質で覆われた光学的キャビティの微小粒子からなる群の中から選択された１種類のマイクロ共鳴体又は複数の種類のマイクロ共鳴体の組合せを含む請求項７に記載の前記標的物を検知する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ共鳴体における光学的キャビティモード励起に基づく光学的センサ関連の技術に関するものである。
【０００２】
２００６年５月１日出願の米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号、先ごろ国際公開第ＷＯ２００７１２９６８２号として公開された２００７年４月２６日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５９，４４３号、２００７年１２月３１日出願の米国仮特許出願第６１／０１８，１４４号、２００７年５月１５日出願の米国特許出願第１１／９１８，９４４号、及び２００８年１２月２４日出願の米国仮特許出願第６１／１４０，７９０号は全ての目的のために、ここに参照として取り入れられる。
【背景技術】
【０００３】
光学的マイクロ共鳴体は、共鳴的再循環によって光を小さい体積に閉じ込め、また顕微鏡的な発光体、レーザ、及びセンサとしての利用可能性を示している（バハラ（K. J. Vahala）著「ネイチャー（Nature）４２４巻（Vol. 424）」pp. 839-846, 2003年）。この再循環は、マイクロ共鳴体内部に保たれた光の波長及び伝播方向に対して、幾何形状依存的な境界条件を課する。従って、いわゆる「キャビティモード」である特定の光学モードのみがそこに存在し得る。これらの許容されるモードのエネルギーレベルは、マイクロ共鳴体の幾何及び光学的性質に決定的に依存するため、後者は例えば力（例えばキャビティの変形による（ゲルラッハ等（M. Gerlach et al.）著「オプティクス  エクスプレス（Optics Express）１５巻、６号（Vol. 15, No. 6）」pp. 3597-3606, 2007年））、又は（マイクロ共鳴体の近傍における屈折率の対応する変化などによる）化学的濃度の変化の感知のために使用され得る極めて高感度の顕微鏡的光学センサを含む。同様に、マイクロ共鳴体は、例えば特異的な結合分子のマイクロ共鳴体への、又はその内部への吸収や、キャビティ周囲又は内部における屈折率の結果としての変化の検出により、生体分子検出にも使用され得る。
【０００４】
技術のこの態様において、ポエッター等（Poetter et al.）（国際出願第ＰＣＴ／ＡＵ２００５／０００７４８号（PCT/AU2005/000748）明細書、２００５年）は、ウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）の励起のための化学的蛍光体、染料、量子ドットといった蛍光ラベルで装飾されたマイクロ共鳴体を使用している。蛍光ラベルの励起のために、ポエッター等は、レーザ源及び／又は１００Ｗの水銀アークランプの適用を示唆している。ポエッター等は、原則として、量子ドットはＬＥＤによって励起され得ると述べているが、そのような低出力励起をＷＧＭ励起にうまく適用することができるとは考えていないように思われる。
【０００５】
本願の発明者であるヒンメルハウス（Himmelhaus）は、金属被膜に包まれた蛍光非金属粒子のキャビティモード励起について述べた（国際公開第ＷＯ２００７１２９６８２（Ａ１）号）。ヒンメルハウスは、キャビティモード励起の励起源として「高出力ＬＥＤ」を適用する可能性に言及し、この場合もまた、キャビティモード励起は、キャビティモードの観測のためにある光学的励起出力を必要とすると考えられることを示した。
【０００６】
実際には、ＬＥＤを用いた蛍光ラベルのエネルギーレベルのポンピングは、事実上、キャビティモードから蛍光放出を観測するのに十分な励起を提供することはできないはずであるというのが共通の理解であった。この関連技術のレベルが、当業者がキャビティモード励起のための励起源としてＬＥＤを適用することを妨げた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の発明者は、蛍光ドープされたマイクロキャビティにおいて観測可能な光学的キャビティモードを提供するための閾値は、予期される閾値よりずっと低くすることができるはずであること、及びそれらのモードは、励起源としてのレーザと比べて不利であるにもかかわらず、蛍光物質の励起のための光源として市販の発光ダイオード（ＬＥＤ）を適用することによっても励起し、検出することができることを見出した。
【０００８】
本発明は、上述の関連技術において起こり得る問題を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、少なくとも１つのマイクロ共鳴体と、マイクロ共鳴体に光照射を供給してマイクロ共鳴体の光学的励起を誘導するための発光ダイオードと、発光ダイオードによって誘導されたマイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するための光学検出器とを備える光学的キャビティモード装置である。
【００１０】
本発明の別の態様は、少なくとも１つのマイクロ共鳴体において光学モード励起を使用して標的物を検知するための方法であって、マイクロ共鳴体を調整するステップと、マイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するために発光ダイオードの照射によりマイクロ共鳴体を励起するステップと、発光ダイオードによって誘導されたマイクロ共鳴体のスペクトルを獲得するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】任意選択で、マイクロ共鳴体、又はマイクロ共鳴体のクラスタにおける光学的キャビティモードの励起のための蛍光物質を含む、単一のマイクロ共鳴体、又はマイクロ共鳴体の凝集体としてのクラスタであり、（ａ）被覆を伴わない単一のマイクロ共鳴体と、（ｂ）所望の光学的性質を達成するための被覆を伴う単一のマイクロ共鳴体と、（ｃ）被覆を伴わないマイクロ共鳴体の凝集体としてのクラスタと、（ｄ）各キャビティが個々に被覆されるように被覆されたマイクロ共鳴体の凝集体としてのクラスタと、（ｅ）隣接するキャビティが互いに光学的接触を形成するように被覆されたマイクロ共鳴体の凝集体としてのクラスタとを示す図である。
【図２】光学的キャビティモードの励起及び検出のためのマイクロ共鳴体と光カプラとの間のエバネセント場結合の異なる方法であり、（ａ）削り取った光ファイバによる結合と、（ｂ）全内部反射で動作するプリズム面による結合と、（ｃ）集光レーザビームの非均一場による結合とを示す図である。
【図３】２つの異なるマクロビーズから得られた蛍光放射、即ち、（ａ）光学的キャビティモード励起を伴うマクロビーズから得られたスペクトルと、（ｂ）光学的キャビティモード励起を伴わないマクロビーズから得られたスペクトルとの比較を示す図である。
【図４】ＷＧＭ励起のための実施例３における（１に正規化された）相対的スペクトル放射特性、即ち、（Ｉ）レーザ放射及びナイルレッド吸収のスペクトル放射特性と、（ＩＩ）ＬＥＤ放射及びナイルレッド吸収のスペクトル放射特性とを示し、（ａ）は、比較のためのナイルレッドの（１に正規化された）相対的スペクトル吸収を示し、（ｂ）は、レーザの（１に正規化された）スペクトル放射を示し、（ｃ）は、ＬＥＤの（１に正規化された）スペクトル放射を示し、（ｂ’）は、グラフ（ＩＩ）におけるレーザ放射（ｂ）の位置を示す図である。
【図５】（ａ）レーザを用いて得られたスペクトルと、（ｂ）ＬＥＤを用いて得られたスペクトルとを使用して、ＰＢＳ緩衝液に浸漬した１５μｍナイルレッドドープ・ポリスチレン・ビーズから得られたＷＧＭスペクトルを示す図である。
【図６】図５で調べたビーズから、この場合は検出のために高分解能の２４００Ｌ／ｍｍの回折格子を適用して得られたＷＧＭスペクトル、即ち、（Ｉ）獲得された全スペクトル範囲に及ぶ概要と、（ＩＩ）６０３ｎｍ前後のピークの詳細図とを示し、（ａ）はレーザを用いて得られたスペクトルを示し、（ｂ）はＬＥＤを用いて得られたスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下で、本発明に関連する例示的実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
（ｉ）用語の定義
Ｃ６Ｇ：クマリン６レーザ級
ＦＰＭ：ファブリペローモード
ＬＥＤ：発光ダイオード
ＰＢＳ：リン酸塩緩衝食塩水
ＰＳ：ポリ（スチレン）
Ｑ−因子：クオリティ因子
ＴＩＲ：全内部反射
ＴＥ：横軸電気光学モード
ＴＭ：横軸磁気光学モード
ＷＧＭ：ウィスパリング・ギャラリー・モード
【００１３】
表面における反射及び透過
一般的に、物質の表面は、入射する光の一部分をその周囲に反射する一方で、他の部分を物質中に透過する能力を有し、それは進行の過程において吸収される可能性がある。以下において、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。従って、入射光に対する透過光の強度比を、この界面の「透過率」Ｔと称する。Ｒ及びＴは、共に界面の性質、即ちそれらの値が物質とその周囲両方の光学的性質に依存することに注意されたい。更に、それらはこの界面に入射する光の入射角及び偏光に依存する。ＲとＴはどちらも反射及び透過のフレネル方程式によって計算することができる。
【００１４】
光学的キャビティ
光学的キャビティは、閉じた境界領域（キャビティの「表面」）により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、局所表面法線に対して境界領域に入射する光の入射角にも依存し得る。更に、反射率は、位置、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透過性を示す何れかの物質からなっていてよい。特に、透過性は、少なくとも、キャビティの表面が高い反射率を示す電磁スペクトルの領域の一部については高くなければならない。光学的キャビティは、光学的キャビティを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。被覆に使用される物質は、例えば異なる屈折率や吸光係数等の異なる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る物理的、化学的又は生物化学的性質、例えば異なる機械的強度、化学的不活性若しくは反応性、及び／又は防汚機能若しくは関連する生物機能性を含んでもよい。以下においては、この光学的被覆を「シェル」と称し、光学的キャビティを「コア」と称する。更に、全システム、即ちコアとシェルを併せたものを、「（光学的）マイクロ共鳴体」と称する。「（光学的）マイクロ共鳴体」という用語は、シェルの物質が塗布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シェルに加えて、マイクロ共鳴体の表面の一部は、例えば、特異的結合事象の検出に適当な生物機能性界面を与えるための検知工程の一部として、或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ときの検知工程において、（例えば、シェルの最上部などの）付加層で被覆されてもよい。
【００１５】
光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）は以下の２つのパラメータにより特徴付けられる。第１にはその体積Ｖによってであり、第２にはそのクオリティ因子Ｑによってである。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、クオリティ因子Ｑ＞１を有する光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）を指す。使用されるシェルの物質に依存して、マイクロ共鳴体内に蓄積される光は、例えば高度な反射性の金属シェルを使用したときには、光学的キャビティ内にのみ蓄積される場合もあり、例えば誘電性又は半導体シェルを使用したときには、シェル内にも貫通する場合もある。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体積及びＱ−因子）が、マイクロ共鳴体の得られる光学的性質を特徴付けるのにより適切であるかは、考慮される個々のシステムに依存する。
【００１６】
クオリティ因子
光学的キャビティのクオリティ因子（又は「Ｑ−因子」）は、そのキャビティ内部に光子を捕える可能性の尺度である。それは次のように定義される。
【００１７】
【数１】
2012530894.tif 000003
【００１８】
式中、ωｍ及びλｍは、それぞれ、キャビティモードｍの周波数及び波長であり、Δωｍ及びΔλｍは、対応するバンド幅である。後の２つの等式は、Ｑ−因子をキャビティ内の光学モードの位置及びバンド幅に結び付けるものである。明らかに、キャビティの蓄積能力は、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。
【００１９】
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、即ち反射的な境界領域により閉じ込められる、その内部の幾何学的体積として定義される。
【００２０】
光学的キャビティモード
光学的キャビティモード、或いは単に「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）の波解である。これらのモードは、キャビティ表面における制限的境界条件により、離散的であり、整数ｍで番号付けが可能である。従って、キャビティの存在下での電磁スペクトルは、許容帯と禁止帯とに分割され得る。マクスウェル方程式の完全解は、それぞれ、キャビティの内部と外部とにある内部電磁場と外部電磁場とからなる。以下において、「キャビティモード」なる用語は、特に指定しない限り、キャビティ内部の内側電磁場を指す。波解は、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も依存する。
【００２１】
球状キャビティについては、その波長依存性を容易に推定することのできる２つの主な種類の解が存在し、それぞれ、１つは半径方向の光の伝播についての解であり、１つは球体の外周に沿った光の伝播についての解である。以下においては、半径方向のモードを、ファブリペロー干渉計との類似により「ファブリペローモード」（ＦＰＭ）と称する。球体の周囲に沿って形成されるモードを、レイリー卿（Lord Rayleigh）によって発見された音響現象との類似において、「ウィスパリング・ギャラリー・モード」（ＷＧＭ）と称する。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、定在波の境界条件を次のように使用する。
【００２２】
【数２】
2012530894.tif 000004
【００２３】
ＦＰＭについては、この式はキャビティ表面における電場が、例えば金属被覆を有するキャビティの場合のように、常に消滅することを述べている。ＷＧＭについては、その境界条件により、
【００２４】
【数３】
2012530894.tif 000005
【００２５】
が得られ、この式は基本的に波が一往復した後でその位相が元に戻らなければならないことを述べている。どちらの式においても、「ｍ」は整数であり、モードに番号付けするのにも使用され、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。
【００２６】
モード結合
発明者は、モード結合を、互いに接触するか、或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を通してのモード導波のシミュレーションを行った（デン等（S. Deng et al.）著「オプティクス  エクスプレス（Opt. Express）１２巻（Vol. 12）」pp. 6468-6480, 2004年）によって指摘された。同じ現象は、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（アストラトフ等（Astratov et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）８３巻（Vol. 83）」pp. 5508-5510, 2004年）によって実験的に示された。著者等は、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、これは光がある球体から別の球体へと結合し得ることを意味する。著者等は、このあるマイクロ球体から別の球体への結合を、「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。
【００２７】
(ムカイヤマ等（T. Mukaiyama et al.）著「フィジックス  レビュー  レターズ（Phys. Rev. Lett.）８２巻（Vol. 82）」pp. 4623-4626, 1999年）は、マイクロ球体間の半径不一致の関数としての２個のマイクロ球体間のキャビティモード結合を研究した。ムカイヤマ等は、得られた２球体系のキャビティ・モード・スペクトルが、２個の球体の半径不一致に高度に依存することを見出した。より最近では、（シャシャンカ等（P. Shashanka et al.）著「オプティクス  エクスプレス （Opt. Express）１４巻（Vol. 14）」pp. 9460-9466, 2006年）は、２個のマイクロ球体において生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。シャシャンカ等は、結合効率が２個のマイクロ球体間の離間に強く依存し、結果として共鳴波長の位置もマイクロ球体の離間に依存することを示した。
【００２８】
光学的接触
２つのマイクロ共鳴体は、光が一方の共鳴体から他方の共鳴体に、又はその逆に移動することができる場合に、「光学的接触」を有するという。この意味で、光学的接触は、上記の定義における２個の共鳴体間のモード結合を潜在的に許容する。従って、マイクロ共鳴体は、それが基材と光を交換し得る場合に、基材と光学的接触を持つ。
【００２９】
クラスタ
クラスタは、２次元又は３次元のどちらかとすることのできる、キャビティ（マイクロ共鳴体）の凝集体として定義される（図１（ｃ）〜（ｅ）参照）。個々のキャビティ（マイクロ共鳴体）は、キャビティ・モード・スペクトルの重ね合せ及び／又はキャビティモード結合を助長するために、それらが互いに接触するか、或いは密に隣接するように配置される。個々のキャビティは、表面に付着されても、液体媒体中で自由に浮遊していてもよい。更に、それらは、少なくとも一時的には、表面から脱離されてもよい。個々の光学的キャビティは、上述したように、各キャビティが個々に被覆される（図１（ｄ））ように、又はクラスタ内の隣接するキャビティが、互いに光学的に接触する（図１（ｅ））ように被覆され得る。クラスタは、無作為的に形成されてもよく、或いは、例えばマイクロ操作技術、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式で形成されてもよい。更に、クラスタは、例えば生細胞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／又は生体力学的性質の検知を促進するためにキャビティ（マイクロ共鳴体）を媒体に貫通させた後で、検知工程の過程で形成されてもよい。また、図１に示す全てのスキームの組合せも利用可能である。一般的に、粒子のクラスタは、表面に全体に無作為的に、又は秩序的に分布させることができ、この分布は２次元構造又は３次元構造のいずれかとすることができる。これによって、光結晶が形成され得る。
【００３０】
レーザ閾値
「レーザ閾値」とも称されるマイクロ共鳴体の誘導放射のための閾値は、誘導放射による光増幅が、キャビティ内を対応する光線が伝播する間に発生する損失をちょうど補うキャビティ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の損失よりも小さため、キャビティモードは、典型的には、光学的キャビティの全ての起こり得る光学的励起のうちで最も低いレーザ閾値（これは更にそれぞれのモードの実際の損失に依存して互いに異なり得る）を示す。実際には、レーザ閾値は、（例えば特定の光学的キャビティモードについての）キャビティの光学的出力を、（レーザ物理学では「活性媒質」ともいう）キャビティの蛍光物質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することができる。典型的には、この依存性の傾きは、レーザ閾値をこれら２つの依存性の交点から求めることができるように、レーザ閾値の下よりも上の方が（著しく）高い（例えば、フランソワ、ヒンメルハウス（A. Francois, M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９４巻（Vol. 94）」pp. 031101, 2009年参照）。「光学的マイクロ共鳴体のレーザ閾値」という場合、典型的には、観測された（利用された）スペクトル範囲内の最も低い閾値を有する光学的キャビティモードのレーザ閾値を指す。マイクロ共鳴体のクラスタについても同様の定義が然るべく当てはまる。この場合、「光学的マイクロ共鳴体のクラスタのレーザ閾値」は、観測された（利用された）スペクトル範囲内の最も低い閾値を有する（その構成マイクロ共鳴体のうちの何れか及び／又はその任意の（１つ又は複数の）組合せによって）クラスタ内で生成された光学的キャビティモードのレーザ閾値と想定され得る。
【００３１】
前述のように、光学的マイクロ共鳴体は、共鳴的再循環によって光を小さい体積に閉じ込め、また顕微鏡的な発光体、レーザ、及びセンサとしての利用可能性を示している。この再循環は、マイクロ共鳴体内部に保たれた光の波長及び伝播方向に対して、幾何形状依存的な境界条件を課する。従って、いわゆる「キャビティモード」である特定の光学モードのみがそこに存在し得る。これらの許容されるモードのエネルギーレベルは、マイクロ共鳴体の幾何及び光学的性質に決定的に依存するため、後者は例えば（例えばマイクロ共鳴体の変形による）力、又は（マイクロ共鳴体の近傍における屈折率の対応する変化による）化学的濃度の変化の感知のために使用され得る極めて高感度の顕微鏡的光学センサを含む。同様に、マイクロ共鳴体は、例えば特異的な結合分子のマイクロ共鳴体への、又はその内部への吸着及び／又は吸収や、キャビティ周囲又は内部における屈折率の結果としての変化の検出により、生体分子検出にも使用され得る。
【００３２】
マイクロ共鳴体内部のキャビティモードの励起は簡単なものではない。というのは、共鳴体がそれについて高い蓄積能力を示すまさにその波長、偏光、及び伝播方向を有する光を、外部から共鳴体内部へ高効率で貫通させることができないからである。このために、文献においては２つの異なる種類の励起スキームが適用されている。
【００３３】
図２に示すように、第１のスキームは、図２（ａ）に示す削り取った光ファイバや、図２（ｂ）に示すプリズムカプラや、図２（ｃ）に示す鋭く集光した光ビームなどのように、マイクロ共鳴体のエバネセント場と光カプラのエバネセント場との間のエバネセント場結合を適用する。２つの光学系のエバネセント場が重なり合うとき、光子はナノメートルサイズのギャップを通り抜け、よって光カプラから共鳴体に進入することができる（逆もまた同様）。エバネセント場は、数百ナノメートルの光学的状態（optical regime）における特有の長さスケールを有する光学系からの距離が増大するにつれて指数関数的に減衰するため、この方法は、ある程度の機械的精度及び結合される系の安定性を必要とする。従って、典型的には、数十マイクロメートル以上のサイズを有するあまり小さすぎないマイクロ共鳴体が利用された。そのような相対的に大きな共鳴体においては、λｍとλｍ＋１とを２つの連続する共鳴体モードとする自由スペクトル範囲δλｍ＝λｍ−λｍ＋１が非常に狭く、従って、回折分光法によって分解することは困難である。このために、波長選択は、典型的には分布帰還型レーザといった調整可能な超狭光源を利用して行われる。この技術の例は、（フォルマー及びアーノルド（F. Vollmer and S. Arnold）著「ネイチャー  メソッド（Nature Meth.）５巻（Vol. 5）」pp. 591-596, 2008年等に示されている。
【００３４】
或いは、共鳴体は、エバネセント場結合が回避されるように、内部から励起されてもよい。例えば、マイクロ共鳴体は、波長範囲λｅｘにおいて励起することができ、その際波長範囲λｅｍにおいて発光する、有機染料、ラマン発光体、量子ドット、量子井戸構造などといった一種の蛍光物質で質的に強化されてもよい。その場合、組み込まれた物質は、励起ビームの共鳴体中への有効な貫通を可能にする条件下で外部から励起され得る。例えば誘電共鳴体の場合には、光は、共鳴体表面に対して直角方向に入射し得る。その場合、光は、典型的には＞８０％の効率で共鳴体内に貫通し、よって、共鳴体の内部の蛍光物質を有効に励起する。しかし、この物質はその蛍光放射を無作為的な方向に、即ち、高蓄積能力を有する方向にも放射する。よって、光学的キャビティモードを励起することができる。
【００３５】
この後の方のスキームは、そのエバネセント場結合に過度に時間がかかるはずの小さいマイクロ共鳴体には特に有用である。従って、このスキームは主に、先行技術の項に示したように、数マイクロメートル以下のサイズを有するマイクロ共鳴体に適用されている。
【００３６】
原則として、蛍光物質は、蛍光物質の励起波長範囲λｅｘにおいて発光する光源を用いて励起され得る。しかし、実際のところ本発明以前には、この目的で主にレーザが適用されてきた。これには２つの主な理由がある。
【００３７】
まず第１に、マイクロ共鳴体は小さく、観測可能になるには効率のよい励起を必要とする。よって、妥当な出力密度での密な集光が必要とされ、これはレーザビームを当てることにより最も効果的に実現される。レーザを励起源として利用することの別の利点はその狭いバンド幅であり、これは最も効率のよい波長での蛍光物質の励起を可能にする。
【００３８】
第２の理由は、モードは、モードが蛍光背景放射上で強化されているときにのみマイクロ共鳴体の蛍光放射において観測可能になることである。そのような蛍光背景はマイクロ共鳴体内部の励起された蛍光物質から発し、この物質は、キャビティモードに存在するのに適さない方向に、又は波長において発光する。この背景は典型的にはかなり強いため、モードを観測するにはモードの大幅な強化が必要である。実施例１に詳述するように、図３は、４４２ｎｍＨｅＣｄレーザによって励起された水中の１０μｍクマリン６Ｇドープポリスチレン（ＰＳ）粒子の蛍光放射スペクトルを表している。キャビティモードは、この場合にはいわゆる「ウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）」であり、鋭いピークとして蛍光放射全体からはっきりと区別することができる。各ピークが蛍光スペクトルにおいて「ディップ」としてではなくピークとして現れることは幾分直観に反する。というのは、キャビティモードは他の波長より高い蓄積能力を有し、よって、あまり周囲に散乱しないはずだからである。しかし、前述のように、キャビティモード波長における光のうちの少なからぬ部分もまたマイクロ共鳴体の周囲へと散乱する。というのは、その放射方向がキャビティモードでの捕捉を許容しないからである。従って、キャビティモードのために別の増幅機構が付加されなければ、キャビティモード波長位置における蛍光放射と他の波長領域との差はごくわずかとなるはずである。キャビティモードが増強強度のピークとして観測可能になる理由は、その間接的なより高い蓄積能力に関連する。キャビティモードに存在する光子の保持時間がより長いために、そのような光子がそのマイクロ共鳴体内部における移動経路上で励起された蛍光物質の誘導放射を誘発する可能性は、非共鳴光子での可能性よりも大きい。キャビティモードが増幅されるのはこのためである。しかし、誘導放射によるこの増幅は、明らかに、マイクロ共鳴体内部の蛍光物質が十分に励起される場合に限って働く。従って、レーザなどの強い光学的励起源を使用した強い励起が、キャビティモードの励起及び検出のための第２のスキームにおいて求められている。
【００３９】
しかし驚くべきことに、本発明の発明者らは、観測可能な光学的キャビティモードを提供するための閾値は、予期されるものよりずっと低いこと、及びそれらのモードは、励起源としてのレーザと比べて不利であるにもかかわらず、蛍光物質の励起のための光源として、市販の発光ダイオード（ＬＥＤ）を適用することによって励起し、検出することもできることを見出した。レーザと比べて、ＬＥＤはずっと広い放射波長範囲を示し、よって、励起の効率を低下させ、より低い光学的出力を有し、また最も決定的には、かなり不均質なビームプロファイルを伴ってずっと幅広い立体角へと放射する。よって、その放射は、光学的に収集され、集束する際の効率がはるかに低く、従って、マイクロ共鳴体上でもたらされる出力密度がはるかに小さい。従って、実施例１〜３に詳述するように、ＬＥＤがマイクロ共鳴体における有効なキャビティモード励起に適用できることは驚くべきことである。
【００４０】
（ｉｉ）材料の部
本実施形態のマイクロ共鳴体及び／又はマイクロ共鳴体のクラスタは、一般に入手可能な材料を使用して製造することができる。以下の材料の説明は、本願明細書の記述に従って、当業者がマイクロ共鳴体及び／又はマイクロ共鳴体のクラスタを構築することを補助すべく提供するものである。
【００４１】
キャビティ材料
キャビティの製造のために選択され得る材料は、キャビティが動作することになる電磁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。実際的には、これはキャビティモードの励起のために選択される蛍光物質の放射スペクトルの領域である。マイクロ共鳴体のクラスタ、又は１個以上のマイクロ共鳴体が実験に使用される場合には、関与する異なるキャビティ（クラスタを構成するか、又は異なる個々のマイクロ共鳴体のキャビティ）は、異なる材料から作られてよく、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、（１つ又は複数の）キャビティが異質の材料からなっていてもよい。一実施形態では、（１つ又は複数の）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作られ、半導体量子井戸構造は、適当な放射により励起されるときには、キャビティ材料として及び蛍光物質として同時に使用することができる。半導体量子井戸構造の典型的な屈折率は約３以上と高く、対応する真空波長と比べて半導体内部での波長が短縮されるため、（１つ又は複数の）キャビティの小型化が更に助長される。一般的に、（１つ又は複数の）キャビティの小型化を促すためには、高屈折率のキャビティ材料を選択することが有利である。キャビティ材料としてフォトニック結晶を選択し、結晶の外表面を蛍光物質で被覆するか、或いは蛍光物質を結晶中に均質的又は不均質的に組み込むことも可能である。フォトニック結晶は、励起可能なキャビティモードの数を制限し、許容されるモードを存在させ、許容されるモードの偏光を定義することできる。フォトニック結晶全体にわたるような蛍光物質の分布は、所望のモードのみを励起することを更に助長することができ、他方、望ましくないモードは不適切な光学的ポンピングにより抑制される。
【００４２】
ある周波数範囲内での光の伝播を許容しない２次元又は３次元の非金属の周期的構造、フォトニック結晶のいわゆる「バンドギャップ」を含むフォトニック結晶の一例が、（ヤブロノビッチ（E. Yablonovitch）著「サイエンティフィック  アメリカン（Scientific American）１２月号（Dec. issue）」pp. 47-55, 2001年）により示された。光は、周期的非金属構造において分布ブラッグ回折により伝播を妨げられ、これが様々に散乱する光子の破壊的干渉を生じさせる。そのようなフォトニック結晶の周期性が、点欠陥、例えば、周期構造全体における１つの散乱中心の欠落により損なわれた場合、ドープされた半導体のバンドギャップ内で起こる局在化した電子エネルギーレベルと同様の、バンドギャップ内の空間的に制限された許容光学的モードが生じ得る。
【００４３】
本発明では、図示の光学的キャビティは球形を有する。そのような球形は極めて有用なものであるが、キャビティは、原則として、関連技術に示されるように、そのキャビティがキャビティモードに対応し得る限り、偏球形状、円柱、多角形形状等、任意の形状を有してもよい。また形状は、モードの励起をキャビティ体積内の単一の、又は計数可能な数の平面に制限し得る。
【００４４】
蛍光物質
蛍光物質としては、励起波長λｅｘｃの光を吸収し、続いて放射波長λｅｍ≠λｅｘｃの光を再放射する任意の種類の物質を使用することができる。これによって、（1つ又は複数の）放射波長範囲の少なくとも一部は、その励起に蛍光物質が使用されるべきキャビティのモードスペクトル内に位置するはずである。実際には、蛍光染料、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（クロシェ等（J. Crochet et al.）著「ジャーナル  オブ  ジ  アメリカン  ケミカル  ソサエティ  １２９（Journal of the American Chemical Society 129）」pp. 8058-9, 2007年）、ラマン発光体等を利用することができる。ラマン発光体は、吸収した光子エネルギーを部分的に内部振動モードの励起に使用し、励起光よりも高い波長の光を再放射する物質である。振動が既に励起されている場合、放射光もまた入射励起よりも小さい波長を持ち得るため、振動が消滅する（反ストローク放射）。いずれの場合にも、励起波長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発光を示し得、前述のキャビティ材料も、特定の蛍光物質を添加しなくともラマン放射に使用することができる。
【００４５】
以下に本発明において使用され得る蛍光染料の例を、それぞれのピーク放射波長（単位：ｎｍ）と共に示す。ＰＴＰ（３４３）、ＤＭＱ（３６０）、ブチル−ＰＢＤ（３６３）、ＲＤＣ３６０（３６０）、ＲＤＣ３６０−ＮＥＵ（３５５）、ＲＤＣ３７０（３７０）、ＲＤＣ３７６（３７６）、ＲＤＣ３８８（３８８）、ＲＤＣ３８９（３８９）、ＲＤＣ３９０（３９０）、ＱＵＩ（３９０）、ＢＢＤ（３７８）、ＰＢＢＯ（３９０）、スチルベン３（４２８）、クマリン２（４５１）、クマリン１０２（４８０）、ＲＤＣ４８０（４８０／４７０）、クマリン３０７（５００）、クマリン３３４（５２８）、クマリン１５３（５４４）、ＲＤＣ５５０（５５０）、ローダミン６Ｇ（５８０）、ローダミンＢ（５０３／６１０）、ローダミン１０１（６２０）、ＤＣＭ（６５５／６４０）、ＲＤＣ６５０（６６５）、ピリジン１（７１２／６９５）、ピリジン２（７４０／７２０）、ローダミン８００（８１０／７９８）、及びスチリル９（８５０／８３０）。銀被覆マイクロ共鳴体を動作させるためには、３２０ｎｍで励起させることができ、３２０ｎｍより上、例えば約４５０前後で放射するこれらの染料を有する必要がある（国際公開第ＷＯ２００７／１２９６８２号等参照）。
【００４６】
しかし、銀のシェルで被覆されていないマイクロ共鳴体については、ＵＶ−ＮＩＲ領域で動作する他の任意の染料も同時に、且つ／又は更に使用することができる。以下にそのような蛍光染料の例を示す。ＤＭＱ、ＱＵＩ、ＴＢＳ、ＤＭＴ、ｐ−テルフェニル、ＴＭＱ、ＢＰＢＤ−３６５、ＰＢＤ、ＰＰＯ、ｐ−クアテルフェニル、エクサライト（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、ＬＤ３９０、α−ＮＰＯ、ＰＢＢＯ、ＤＰＳ、ＰＯＰＯＰ、ビス−ＭＳＢ、スチルベン４２０、ＬＤ４２３、ＬＤ４２５、カルボスチリル１６５、クマリン４４０、クマリン４４５、クマリン４５０、クマリン４５６、クマリン４６０、クマリン４６１、ＬＤ４６６、ＬＤ４７３、クマリン４７８、クマリン４８０、クマリン４８１、クマリン４８５、クマリン４８７、ＬＤ４８９、クマリン４９０、ＬＤ４９０、クマリン４９８、クマリン５００、クマリン５０３、クマリン５０４（クマリン３１４）、クマリン５０４Ｔ（クマリン３１４Ｔ）、クマリン５１０、クマリン５１５、クマリン５１９、クマリン５２１、クマリン５２１Ｔ、クマリン５２２Ｂ、クマリン５２３、クマリン５２５、クマリン５３５、クマリン５４０、クマリン５４０Ａ、クマリン５４５、ピロメテン５４６、ピロメテン５５６、ピロメテン５６７、ピロメテン５６７Ａ、ピロメテン５８０、ピロメテン５９７、ピロメテン５９７−８Ｃ９、ピロメテン６０５、ピロメテン６５０、フルオレセイン５４８、二ナトリウムフルオレセイン、フルオロール５５５、ローダミン３Ｂ過塩素酸塩、塩化ローダミン５６０、ローダミン５６０過塩素酸塩、ローダミン５７５、ローダミン１９過塩素酸塩、塩化ローダミン５９０、ローダミン５９０テトラフルオロボラート、ローダミン５９０過塩素酸塩、塩化ローダミン６１０、ローダミン６１０テトラフルオロボラート、ローダミン６１０過塩素酸塩、キトンレッド６２０、ローダミン６４０過塩素酸塩、スルホローダミン６４０、ヨウ化ＤＯＤＣ、ＤＣＭ、ＤＣＭスペシャル、ＬＤ６８８、ＬＤＳ６９８、ＬＤＳ７２０、ＬＤＳ７２２、ＬＤＳ７３０、ＬＤＳ７５０、ＬＤＳ７５１、ＬＤＳ７５９、ＬＤＳ７６５、ＬＤＳ７９８、ＬＤＳ８２１、ＬＤＳ８６７、スチリル１５、ＬＤＳ９２５、ＬＤＳ９５０、フェノキサゾン６６０、クレシルバイオレット６７０過塩素酸塩、ナイルブルー６９０過塩素酸塩、ナイルレッド、ＬＤ６９０過塩素酸塩、ＬＤ７００過塩素酸塩、オキサジン７２０過塩素酸塩、オキサジン７２５過塩素酸塩、ヨウ化ＨＩＤＣ、オキサジン７５０過塩素酸塩、ＬＤ８００、ヨウ化ＤＯＴＣ、ＤＯＴＣ過塩素酸塩、ＨＩＴＣ過塩素酸塩、ヨウ化ＨＩＴＣ、ヨウ化ＤＴＴＣ、ＩＲ−１４４、ＩＲ−１２５、ＩＲ−１４３、ＩＲ−１４０、ＩＲ−２６、ＤＮＴＰＣ過塩素酸塩、ＤＮＤＴＰＣ過塩素酸塩、ＤＮＸＴＰＣ過塩素酸塩、ＤＭＯＴＣ、ＰＴＰ、ブチル−ＰＢＤ、エクサライト３９８、ＲＤＣ３８７、ＢｉＢｕＱスチルベン３、クマリン１２０、クマリン４７、クマリン１０２、クマリン３０７、クマリン１５２、クマリン１５３、フルオレセイン２７、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、スルホローダミンＢ、ＤＣＭ／ピリジン１、ＲＤＣ６５０、ピリジン１、ピリジン２、スチリル７、スチリル８、スチリル９、アレクサフルオル３５０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。
【００４７】
例えば、（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体の（１つ若しくは複数の）動作波長領域を調整し、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領域を有する異なる染料の組合せを使用してもよい。
【００４８】
大部分のレーザ染料等の水不溶性染料はビーズに組み込むのに特に有用であるが、インビトロジェン（Invitrogen Corp.）カリフォルニア州、カールスバッド（Carlsbad, CA））から入手可能な染料等の水溶性染料は、ビーズの表面を含むビーズの周囲を染色するのに特に有用である。
【００４９】
マイクロ共鳴体にドープするための蛍光物質として使用され得る半導体量子ドットは、ウォゴン及び共同研究者らにより記述されている（アルテミエフ及びウォゴン（M. V. Artemyev and U. Woggon）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Applied Physics Letters）７６巻（Vol. 76）」pp. 1353-1355, 2000年；アルテミエフ等（M. V. Artemyev et al.）著「ナノ  レターズ（Nano Letters）１巻（Vol. 1）」pp. 309-314, 2001年）。それによって量子ドット（例えばＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ）を、染料分子の蛍光放射がマイクロ共鳴体キャビティモードを存在させるために使用され得ることを示したクワタ−ゴノカミ（Kuwata-Gonokami）及び共同研究者（クワタ−ゴノカミ等（M. Kuwata-Gonokami et al.）著「ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Jpn. J. Appl. Phys.）３１巻（Vol. 31）」pp. L99-L101, 1992年）によって記述されるのと同様の方法で本発明に適用することができる。染料分子に優る量子ドットの主な利点は、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のみならず、キャビティ材料としても使用できる。
【００５０】
蛍光物質の励起波長λｅｘｃは、必ずしも、その放射波長λｅｍより小さい、即ちλｅｘｃ＜λｅｍである必要はない。というのは、２倍以上のエネルギーの光子が放射されることになる前に、所与のエネルギーの２個以上の光子が蛍光物質に吸収される多光子工程を想定することもできるからである。また、前述のように、同様な目的でラマン反ストローク工程が使用されてもよい。
【００５１】
上記の例示のように、例えば（１つ若しくは複数の）光学的キャビティ又は（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体の（１つ若しくは複数の）動作波長領域を適合させ、又はシフトさせるために、異なる蛍光物質の組合せを使用してもよい。これは、例えば適用される異なる蛍光物質の励起波長領域と放射波長領域との適切な組合せにより達成され得る。
【００５２】
一般に、蛍光物質は、キャビティ材料中に組み込み、キャビティ若しくはマイクロ共鳴体の表面に吸着させ、且つ／又はキャビティ若しくはマイクロ共鳴体に近接した環境、例えば、励起されるべきキャビティモードのエバネセント場内に配置することができる。分布は、励起される（ことが好ましい）キャビティモードの種類を選択するために利用することができる。例えば、蛍光物質がコア表面の近傍に集中している場合には、ウィスパリング・ギャラリー・モードがファブリペローモードよりも励起される可能性が高い。蛍光物質が光学的キャビティの中心に集中している場合には、ファブリペローモードがより励起しやすい。不均一的分布の別の例は、蛍光物質が秩序を持って、即ち蛍光物質が高度に集中した体積の規則的な２次元又は３次元パターンという意味で分布するものである。そのような場合、回折効果が起こり得て、それは、例えば分布帰還型染料レーザ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のに役立つ。
【００５３】
シェル
キャビティ及び／又はキャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタは、均質的な厚さを有し、又は有さないシェルに組み込まれていてもよい。シェルは、選択された（１つ又は複数の）蛍光物質の（１つ又は複数の）励起波長領域λｅｘｃの少なくとも一部において十分な透過性を示す任意の物質（金属、誘電体、半導体）からなってよい。また、シェルは、例えば（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体及び／又はマイクロ共鳴体の（１つ若しくは複数の）クラスタの表面を、所望の部位及び／又は領域のみ透明にするため、或いは別の例を挙げると、選択的な（生体）官能化を容易にするために、所望の性質を有する異なる材料からなってもよい。半導体の場合には、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励起波長が高いときに、シェルは透明となる。金属については、例えば、それを超えると金属の伝導電子が典型的には電磁放射の吸収に寄与しなくなる、金属のプラズマ振動数を利用することにより高い透明性が達成され得る。有用な金属の中には、アルミニウム、及び銀、金、銅、チタン、クロム、コバルト等の遷移金属がある。シェルは、例えば蒸着やスパッタリングにより作成されるように連続したものとすることができ、或いは、多くの場合、コロイド金属粒子の沈着に続けて無電解メッキを行うことにより達成されるように連続したものとすることもできる（ブラウン及びナタン（Braun and Natan）著「ラングミュア  １４（Langmuir 14）」pp. 726-728, 1998年；ジ等（Ji et al.）著「アドバンスト  マテリアルズ（Advanced Materials）１３巻（Vol. 13）」pp. 1253-1256, 2001年；カルテンポス等(Kaltenpoth et al.)著「アドバンスト  マテリアルズ（Advanced Materials）１５巻（Vol. 15）」pp. 1113-1118, 2003年）。また、シェルの厚さは数ナノメートルから数百ナノメートルまで変化し得る。唯一の厳密な要件は、シェルの反射率を、所望のスペクトル範囲において、Ｑ＞１の値を持つＱ−因子を可能とするのに十分な高さとすることである。球体キャビティにおけるＦＰＭについては、Ｑ−因子はシェル４の反射率から（又はその逆も可）次式により計算することができる。
【００５４】
【数４】
2012530894.tif 000006
【００５５】
式中、Ｒｓｈは、λｍにおけるシェルの反射率であり、λｍは、キャビティモードｍの波長である。
【００５６】
生体機能性被覆
（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体のクラスタは、その（生体）力学的及び／又は（生物）化学的機能を円滑化する（生体）機能性被覆で被覆されてもよい。例えば、これらは所望の細胞反応を開始させ、又は生体力学的及び／又は生化学的検知を円滑化するための特異的分析対象物で官能化されてもよい。簡潔にするために、以下では、マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体のクラスタを「センサ」と称する。
【００５７】
センサ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は、センサ表面を、タンパク質、ペプチド、核酸等といった、分析対象物を（好ましくは可逆的に）結合することのできるカップリング剤により被覆することが好ましい。カップリング剤を接合する方法は、ポリマー、無機物質（シリカ、ガラス、チタン等）、金属表面といった種々の表面について当業者には周知であり、これらの方法は本発明のセンサ表面を誘導体化するのに同等に好適である。例えば、遷移金属被覆（金、銀、銅、チタン、クロム、コバルト、及び／又はそれらの合金及び／又は組成物等）の場合、本発明のセンサは、チオール化学を使用することにより化学的に修飾することができる。例えば金属被覆された非金属コアは、センサ表面をアミノ基で修飾するために、アミノエタンチオール等のアミノ基を有するチオール分子の溶液に懸濁され得る。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懸濁物質に添加される。その結果、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又はストレプトアビジンが、ビオチンに結合され得る。次いで、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、他の任意のリガンド等の任意のビオチン誘導化生体分子が、アビジン修飾金属被覆非金属コアの表面に結合され得る。
【００５８】
別法として、アミノ末端化表面を水性グルタルジアルデヒド溶液と反応させてもよい。センサ懸濁物質を水で洗浄後、タンパク質又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体分子の共有結合を促す（ダヒン等(R.Dahint et al.）著「アナリティカル  ケミストリー（Anal. Chem.）６６巻（Vol. 66）」pp. 2888-2892, 1994年）。センサが、最初に例えばメルカプトウンデカン酸のエタノール溶液に曝すことによりカルボキシ末端化される場合には、その末端官能基をＥＤＣ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することができる。最終的に、タンパク質又はペプチドは、水溶液からそれらのアミノ基を介して活性化表面に共有的に結合される（ヘルウェルズ等（Herrwerth et al.）著「ラングミュア（Langmuir）１９巻（Vol. 19）」pp. 1880-1887, 2003年）。
【００５９】
同様に、アルミニウムといった他の金属で被覆されたセンサ、及び非金属センサも特異的に官能化させることができる。例えば、アルミニウムは、カルボキシル基を含む分子で官能化することができ、その場合カルボキシル基は、前述のチオールと同様に、更なる生体機能化のための結合基の役割を果たし得る。表面官能化のための関連する種類の化学反応が、幅広い金属、半導体、及びその酸化物に利用可能である。遷移金属表面の官能化について上述したチオール化学と同様に、アミノ、メルカプト、ヒドロキシ、又はカルボキシ末端のシロキサン、リン酸、アミン、カルボン酸又はヒドロキサム酸といった適当な種類のカップリング剤を、センサ表面の化学的官能化のために利用することができ、次いでこれに基づいて、生体分子の結合を、前述のように、又は上述の例と同様に達成することができる。適当な表面化学反応は文献において見出すことができる（例えば、ウルマン（A. Ulman）著「ケミカル  レビュー（Chem. Rev.）９６巻（Vol. 96）」pp. 1533-1554, 1996年及びその中の参照文献）。
【００６０】
センサを官能化する別の戦略は、ポリマー被覆の使用に関連するものである。例えば、ＰＳＳ、ＰＡＡ、ＰＡＨ等の高分子電解質（ＰＥ）を、文献（デッチャー（G. Decher）著「サイエンス（Science）２７７巻（Vol. 277）」pp. 1232ff, 1997年；ロッシュ等（M. Losche et al.）著「マクロモレキュールズ（Macromol.）３１巻（Vol. 31）」pp. 8893ff, 1998年）に記載されるように使用して、アミノ（ＰＡＨ）基やカルボキシル（ＰＡＡ）基等の高密度の化学的官能性を有するセンサ表面を実現することができる。次いで、例えば上述したのと同じ結合化学反応をこれらのＰＥ被覆センサに適用することができる。この技法は、一般に、おそらくは前述のような適切なカップリング剤と組み合わせて、金属又は非金属表面を有するあらゆる種類のセンサに適用することができる。
【００６１】
表面及び粒子における生物特異的相互作用を制御し、同定する際の一般的問題は、非特異的吸着である。この障害を克服する一般的技法は、非特異的吸着部位をブロックするために、官能化表面を他の強く付着する生体分子（例えばＢＳＡ）に曝すことに基づくものである。しかし、この手法の効率性は、研究対象の生物系に依存し、溶存種と表面結合種との間で交換が生じ得る。更には、非特異的に吸着した生体分子の除去には多くの洗浄工程が必要とされ、よって親和性の低い特異的結合事象の同定が阻害される。
【００６２】
この問題の解決法は、カップリング剤を、ポリ−（ＰＥＧ）やオリゴ（エチレングリコール）（ＯＥＧ）の被覆のような不活性物質へ組み込むことである。生物特異的認識要素をＯＥＧ末端化被覆に組み込むための最も一般的な技法は、タンパク質耐性ＥＧ分子とカップリング剤の結合に好適な（又はカップリング剤自体を含む）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ものである。別法として、カップリング剤の表面グラフト末端官能化ＰＥＧ分子への直接結合も報告されている。
【００６３】
最近では、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。生物特異的受容体の共有的結合の後、被覆は事実上非特異的相互作用を抑制し、一方で高い特異的認識を示す（ヘルウェルズ等（Herrwerth et al.）著「ラングミュア（Langmuir）１９巻（Vol. 19）」pp. 1880-1887, 2003年）。
【００６４】
表面において固定化される結合体は、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（特定の標的オリゴヌクレオチド又はＤＮＡ、例えば、単一ヌクレオチド多形（ＳＮＰ）を含み得る遺伝子の特定の配列範囲、或いは炭水化物に対合する）ＤＮＡ切片であってよい。非特異的相互作用を低減するために、結合体は好ましくは不活性マトリックス材料中に組み込まれる。
【００６５】
位置制御機能
本発明のセンサは、リモートセンサとして利用されてもよく、従って、例えば、細胞といった選択された標的とのそれらの接触及び／又は相互作用を制御するために、外的手段によるそれらの位置及び／又は移動の制御を必要とし得る。そのような制御は様々な手段によって達成され得る。例えば、センサに磁性が付与され、（１つ又は複数の）センサを方向付けるために電磁気的力が適用されてもよい（リウ等（C. Liu et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９０巻（Vol. 90）」pp. 184109/1-3, 2007年）。例えば、鉄化合物等の磁性材料を含む常磁性及び超常磁性ポリマーラテックス粒子が、様々な供給元から市販されている（例えば、ダイナビーズ（DynaBeads）、インビトロジェン  コーポレーション（Invitrogen Corp.）や、ＢｉｏＭａｇ／ＰｒｏＭａｇマイクロ球体（BioMag/ProMag microspheres）、ポリサイエンス（Polysciences）、ペンシルベニア州ウォリントン（Warrington, PA））。磁性材料が、典型的にはポリスチレンでできている高分子マトリックス材料中に組み込まれているため、そのような粒子は、下記の実施例で説明する非磁性ＰＳビーズとしての光学的キャビティ・モード・センサと同じ、又は類似した方法にて使用され得る。別法として、或いは更に、磁性材料／機能を、（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体のシェル及び／又はそれらの（生体）機能性被覆に含ませてもよい。
【００６６】
更に、位置制御は、光ピンセットによって媒介されてもよい（モフィット等（J.R.Moffitt et al.）「アニュアル  レビュー  オブ  バイオケミストリー（Annu. Rev. Biochem.）７７巻（Vol. 77）」pp. 205-228, 2008年）。そのような場合において、光ピンセットの（１つ若しくは複数の）レーザ波長は、センサを動作させるのに使用される（１つ若しくは複数の）蛍光物質の（１つ若しくは複数の）励起及び／又は放射波長範囲に一致するように選択されても、一致しないように選択されてよい。例えば、（１つ若しくは複数の）蛍光物質（の一つ）の（選択的）励起のためにも光ピンセットの動作波長を使用することが望ましい場合もある。磁気的ピンセットに優る光ピンセットの１つの利点は、いくつかの異なるセンサが同時に個別的に制御され得ることである（ミオ等（C. Mio et al.）著「レビュー  オブ  サイエンティフィック  インストルメンツ（Rev. Sci. Instr.）７１巻（Vol. 71）」pp. 2196-2200, 2000年）。
【００６７】
他のスキームでは、センサの位置及び／又は動きは、音波（タン等（M.K. Tan et al.）著「ラボチップ（LabChip）７巻（Vol. 7）」pp. 618-625, 2007年）、（２次元）電気泳動（デューヒン及びデルジャグイン（S. S. Dukhin and B. V. Derjaguin）著「エレクトロキネティック  フェノミナ（Electrokinetic Phenomena）」ジョン  ワイリー  アンド  サンズ（John Wiley & Sons）、ニューヨーク（New York）1974年；モーガン及びグリーン（H. Morgan and N. Green）著「ＡＣ  エレクトロキネティクス（AC Electrokinetics）：コロイド  アンド  ナノパーティクルズ（colloids and nanoparticles）」、リサーチ  スタディ  プレス（Research Studies Press）、バルドック（Baldock）、2003年；ポール（H. A. Pohl）著「ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（J. Appl. Phys.）２２巻（Vol. 22）」pp. 869-671, 1951年、液滴駆動（チャオ及びチョ（Y. Zhao and S. Cho）著「ラボチップ（LabChip）６巻（Vol. 6）」pp. 137-144, 2006年）によって、並びに／又は所望の寸法及び／又は機能の粒子及び／又は細胞の選別／採集も可能とし得るマイクロ流体装置によっても制御され得る（ハート、シェーンフェルド（S. Hardt, F. Schoenfeld）編「マイクロフルイディック  テクノロジーズ  フォー  ミニチュアライズド  アナリシス  システムズ（Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems）」、スプリンガー（Springer）、ニューヨーク（New York）、2007年）。
【００６８】
また、例えば圧力差の適用により粒子を固定したり解放したりすることのできるマイクロキャピラリを用いて、（１つ若しくは複数の）センサの位置制御のために機械的ピンセットを使用してもよい（ヘラント等（M. Herant et al.）著「ジャーナル  オブ  セルサイエンス（J. Cell Sci.）１１８巻（Vol.1 18）」pp. 1789-1797, 2005年）。この手法の利点は、例えば細胞検知実験において、同じ器具を使用してセンサ及び細胞を操作し得ることである（ヘラント等（M. Herant et al.）参照）。また、上述のスキームのうちの２種以上の組合せが、（１つ若しくは複数の）センサ及び／又は（１つ若しくは複数の）標的の位置制御に適する場合もある。
【００６９】
励起光源
（ａ）（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体の（１つ若しくは複数の）クラスタの励起のためには、ＬＥＤの発光が、少なくとも一部は、適用される（１つ若しくは複数の）蛍光物質の（少なくとも１つの）励起周波数範囲ωｅｘｃに該当するようにＬＥＤが選択されなければならない。放射出力は、マイクロ共鳴体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）を補って余りある程度のものとすべきである。いくつかの蛍光物質が、適切に選択された、例えば非オーバーラップの、又は一部オーバーラップする励起周波数範囲を用いて利用される場合には、例えば、読出しプロセスを更に円滑化するためや、基準測定を目的として個々のマイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体のクラスタに選択的に対処するように、複数のＬＥＤが選択され得る。例えば、クラスタ内のただ１つのマイクロ共鳴体だけに対処することが望ましい場合もある。更に、ＬＥＤのうちの少なくとも１つの励起出力が、利用される（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体の（１つ若しくは複数の）クラスタのうちの少なくとも１つが、少なくとも時間的に、励起される光学的キャビティモードのうちの少なくとも１つのレーザ閾値より上で動作するように選択されてもよい。
【００７０】
蛍光放射の検出
（１つ若しくは複数の）マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体のクラスタの近傍において蛍光物質によって発せられる放射の検出のためには、当業者に公知の任意の種類の集光光学系が利用され得る。例えば、放射は、適切な開口数の顕微鏡対物レンズ及び／又は他の任意の種類の適切な遠視野光学系や、光ファイバ、導波路構造、集積光学デバイス、近接場顕微鏡（ＳＮＯＭ）の開口、或いはこれらの適切な組合せによって集めることができる。特に、集光光学系は、信号の検出のための遠視野及び／又は近接場の態様を利用し得る。その場合、集められた光は、任意の種類の適切な分光学的装置によって分析することができる。例えば、共焦点蛍光顕微鏡は、レーザ光による蛍光励起を高開口数の蛍光放射の集合体と組み合わせた後で、蛍光放射のフィルタリング及びスペクトル解析を行う。そのような計器は生化学及び生物学の研究において使用されることが多いため、本発明を実施するのに好都合なツールを提供し得る。別の好適な計器は例えばラマン顕微鏡であり、これもやはりレーザ励起及び顕微鏡からの高開口数の光信号の集合体をスペクトル解析と組み合わせる。更に、どちらの種類の計器も、スペクトル解析とイメージングとを同時に可能にし、そのため、マイクロ共鳴体の動作の過程におけるその（１つ若しくは複数の）位置の追跡を容易にする。そのようなイメージング情報が不要である場合には、蛍光プレートリーダ等、別の種類の装置も適用できる。
【００７１】
（ｉｉｉ）実施形態
以下で本発明の実施形態を説明する。
各実施形態における光センサは、単一のマイクロ共鳴体、マイクロ共鳴体の集合体、マイクロ共鳴体の配列、マイクロ共鳴体のクラスタ又はマイクロ共鳴体のクラスタの配列を含む。１つ若しくは複数のマイクロ共鳴体の（１つ若しくは複数の）キャビティモードが、励起源としての適切なＬＥＤによってレーザ閾値の下又は上で励起される。
本発明の別の実施形態は、液体環境における光学的キャビティモードの生成のためにＬＥＤによって励起されるマイクロ共鳴体を含む。液体環境では、空気環境と比べて観測可能なキャビティモードの数が低減され、それによって、残りのモードの検出、追跡、及び／又は励起が円滑化される。
【００７２】
（ｉｖ）実施例
実施例１：誘導放射によるキャビティモードの増幅
この実施例では、蛍光物質の励起により蛍光マイクロ共鳴体において生成される光学的キャビティモードが、他、即ち、非共鳴放射波長と比べてマイクロ共鳴体の蛍光放射スペクトルの増強を示すことを実証する。
【００７３】
材料及び方法
１０μｍの公称直径を有するＣ６ＧドープＰＳマクロビーズ（ポリサイエンス  インコーポレーテッド（Polysciences, Inc.）、ペンシルベニア州ウォリントン（Warrington, PA））の少量の懸濁液を顕微鏡カバーガラス上に置いた。試料は、適切なマクロビーズの観測及び選択、並びにその励起及び検出に使用するニコン（Nikon）ＴＳ１００倒立顕微鏡の試料台に載せた。励起には、４４２ｎｍで動作するｃｗ−ＨｅＣｄレーザ（株式会社金門光波（Kimmon Koha Co., Ltd.）東京、日本）を適用した。励起及び検出に使用した顕微鏡対物レンズ（ニコン（Nikon）１００×）におけるレーザ出力は、約２０μｍの焦点で２４．７μＷであった。マクロビーズの蛍光放射の検出のために、顕微鏡のカメラポートを通して、冷却ＣＣＤカメラ（アンドール  テクノロジーズ（Andor Technologies）、ベルファスト（Belfast）、モデルＤＵ４４０  ＢＵ）を装着した高分解能モノクロメータ（堀場ジョバンイボン、トライアックス５５０（Triax 550）、６００Ｌ／ｍｍ回折格子、入口スリット幅１０μｍ）の入口スリットまで光を誘導した。取得設定は、１秒間の露光時間、２０回の蓄積であった。詳細については文献（フランソワ、ヒンメルハウス（A. Francois, M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ（Appl. Phys. Lett.）９４巻（Vol. 94）」pp. 031101, 2009年）を参照するものとする。
【００７４】
結果
図３には、２つの異なるマクロビーズから得た２つのスペクトル（ａ）及び（ｂ）が表されており、第１のスペクトル（ａ）は、光学的キャビティモードの励起を可能とするための球形を有するマクロビーズからのものであり、第２のスペクトル（ｂ）は、異形であり、よって光学的キャビティモードの励起を抑制するマクロビーズからのものである。スペクトル（ａ）はＣＣＤカメラによって得たものとして示されており、スペクトル（ｂ）は、特にモードが観測できない領域において、スペクトル（ａ）の蛍光放射の全般的線形に一致するように縮尺されている。これが必要なのは、２つの異なる粒子の絶対蛍光強度がそのサイズ及び染料含有率に応じて変動し得るためであった。しかし、この再正規化の後、スペクトル（ｂ）の線形はスペクトル（ａ）の非共鳴部分の線形を正確にたどり、共鳴モードはこの非共鳴背景に優って増強されることが見て取れる。この非共鳴背景蛍光に優る光学的キャビティモードの増強の理由は、これらのモードに存在する光子の蓄積時間がより長いことに関連するものであり、このため誘導放射のモードへの、よって増強の確率が高まる。蛍光スペクトルにおける光学的キャビティモードの視覚化のためのこの誘導放射の必要性により、蛍光物質はある閾値より上で励起される必要があり、そのため、蛍光物質を励起源としてのレーザによって励起することが好都合であると考えられてきた。
【００７５】
実施例２：レーザとＬＥＤとのビーム特性の比較
この実施例では、蛍光ドープＰＳビーズにおけるＷＧＭの励起のために実施例３において使用される光源のビーム特性を比較する。
【００７６】
本実施形態に対する２つの光源の放射特性の最も重要な違いは、その放射スペクトル範囲、コヒーレンス、及びビームプロファイルである。レーザ（ルメラレーザ（Lumera Lasers）、ドイツ（Germany）、モデルラピッド（Rapid））は、ほぼ理想的なガウス形（ＴＥ００)プロファイルを有する単色の高コヒーレントビームを放射するが、ＬＥＤ（オプトサプライ  リミテッド（OptoSupply, Ltd.）、日本、モデルＯＳＧ３ＤＡ５１１１Ａ−ＶＷ）は、様々な方向への変動する強度分布を伴う広帯域のインコヒーレント放射を送り、照射立体角内に不規則なプロファイルを生じさせる。ＬＥＤ放射のこれらの性質が集光、導光、特に集束を困難な作業にするのは、特に、典型的にそのような目的で使用される光学系の色収差及び空間収差のためである。これと対照的に、レーザ放射は、ガウス形で、単色で、コヒーレントなビームの極めて低い発散により、容易に誘導し、集束させることができる。２つの光源の最も重要な性質を比較のために表１に記載する。
【００７７】
図４にスペクトル放射特性を示す。この図において、（Ｉ）はレーザ放射及びナイルレッド吸収からのものであり、（ＩＩ）はＬＥＤ放射及びナイルレッド吸収からのものである。ＷＧＭ励起についての実施例３における（１に正規化された）相対的スペクトル放射特性が示されている。図４（Ｉ）には、レーザ放射及びナイルレッド吸収のスペクトル放射特性が示されており、図４（ＩＩ）には、ＬＥＤ放射及びナイルレッド吸収のスペクトル放射特性が示されている。比較のために、ナイルレッドの（１に正規化された）相対的吸収（ａ）がどちらのグラフにも記入されており、（ｂ’）は、（ＩＩ）におけるレーザ放射（ｂ）の位置を表す。
【００７８】
この光学的変換挙動の違いにより、レーザは、約３０μｍの焦点直径を生じる顕微鏡対物レンズ（ニコン（Nikon）１００×）によりセンサ上に容易に集束させることができるが、ＬＥＤ放射は、使用される光路の自由開口全体を照射する。従って、微視的センサの励起のために利用できる強度は、レーザの場合よりずっと低い。また、ＬＥＤの全光学的出力もレーザの出力と比べて著しく低いため、この出力は、試料に当たるより大きいビームサイズを補償するのに十分なほど上げることができない。従って、実施例３では、ＬＥＤの強度と同程度のセンサ上の強度を与えるためにレーザ出力を極度に低下させ、それによって、２つの異なる光源によるＷＧＭ励起の直接比較を可能にしている。実際には、レーザ強度は、任意に選択したマクロビーズがＬＥＤとレーザ両方の励起で同様の蛍光強度をもたらすように低減された（図５参照）。
【００７９】
【表１】
2012530894.tif 000007
【００８０】
集光及び導光の複雑さに加えて、ＬＥＤの幅広いスペクトル範囲は、図４から見て取れるように、染料励起にも影響を及ぼす。図４では、１に正規化されたナイルレッド吸収曲線が２つの光源の放射プロファイルと同じグラフに記入されている。ＬＥＤ放射は染料のピーク吸収に合致するように選択されたにもかかわらず、その高い波長側面（wavelength flank）は、この領域における染料吸収の急速な低下のために、染料励起にほとんど寄与しない。このため、ＬＥＤの励起効率は、（ＬＥＤのスペクトル放射範囲全体にわたり一定の染料吸収率１が与えられた場合に）その最大値の約７７．５％を占めるにすぎないが、レーザは、吸収曲線の最大値に厳密に合致しないにもかかわらず、その極めて狭いバンド幅により８９．０％の効率を達成する。
【００８１】
要約すると、ＬＥＤの放射特性は、レーザの性能と比べて、微視的粒子におけるＷＧＭ励起のための光源として利用するのにほとんど適さないように思われる。従って、これまでＬＥＤについては、これに関していかなる用途も見出されなかった。
実施例３：蛍光マイクロ共鳴体における光学的キャビティ・モード・スペクトルの生成のための励起源としてのレーザとＬＥＤとの比較
【００８２】
この実施例では、レーザとＬＥＤとをそれぞれ用いて励起したときに蛍光マイクロ共鳴体から得られる光学的キャビティ・モード・スペクトルを相互に比較する。
【００８３】
材料及び方法
１５μｍの公称直径を有するナイルレッドドープＰＳマクロビーズ（ポリサイエンス  インコーポレーテッド（Polysciences, Inc.）、ペンシルベニア州ウォリントン（Warrington, PA））の少量の懸濁液（〜１０μｌ）を顕微鏡カバーガラス上に置き、ビトンシールによって側方に制限し、ボイド容量をＰＢＳ緩衝液で満たした後で、溶融石英ガラスで覆った。試料は実施例１の場合と同様にニコン（Nikon）倒立顕微鏡に取り付けた。ＷＧＭ励起のために、実施例２で詳細に論じた２つの光源、即ち、（ｉ）パルス繰返し率５００ｋＨｚ及びパルス幅９ピコ秒のＮｄ：ＹＡＧピコ秒レーザ（ルメラレーザ（Lumera Lasers）、ドイツ（Germany）、モデルラピッド（Rapid））と、（ｉｉ）グリーンＬＥＤ（オプトサプライ  リミテッド（OptoSupply, Ltd.）、モデルＯＳＧ３ＤＡ５１１１Ａ−ＶＷ）を適用した。２つの光源の光ビームを、単に１枚のミラーを切り換えるだけでそれらの光ビームを選択的に顕微鏡に結合することができるように、空間的に重ね合わせ、整合させた。ＬＥＤの集束挙動が不十分であり、またその全般的な放射出力が低いために、同じビーズのＬＥＤ励起はレーザによる励起よりずっと弱かった。従って、レーザ出力を、中性濃度ガラスフィルタによって、（マイクロ共鳴体としての）プローブビーズから検出される全般的蛍光放射が、励起に使用される光源とは無関係に同程度の強度を有するように低減させた。これは、０．１１μＷの顕微鏡対物レンズ（ニコン（Nikon）、１００×）のレーザ出力において達成し、ＬＥＤの出力はこれらの条件下では１０．８μＷであった。この総出力の差は、２つの光ビームのスポットサイズの差（実施例２参照）に起因するものであった。検出には、実施例１で使用した設定を適用し、この場合には、６００Ｌ／ｍｍの回折格子に加えて、高分解能ホログラフィック２４００Ｌ／ｍｍの回折格子も用いた。モノクロメータ入口スリットの幅は１０μｍで一定に保った。取得設定は２０秒間の露光時間、完全垂直ビニング、１回の取得であった。
【００８４】
結果
ＰＢＳ緩衝液中に浸漬され、２つの光源のうちの１つの放射で選択的に励起された１５μｍナイルレッドドープＰＳビーズの獲得ＷＧＭスペクトルを図５及び図６に示す。図５では、スペクトル概形を収集するために６００Ｌ／ｍｍ回折格子を適用した。スペクトルの短波長側での急激な強度低下は、励起光の抑制に使用されたカラーフィルタによって生じたものである。図６（ｂ）に示すＬＥＤで得られたＷＧＭスペクトルは、図６（ａ）に示すレーザで得られたＷＧＭスペクトルと比べて幾分高い強度を有し、これはこの場合、出力調整が不完全であったことを示すものであり、通常は、スペクトルは基本的に同一に見え、モードの変化は正確に似せられる。
【００８５】
図６では、同じビーズが、この場合は、高分解能２４００Ｌ／ｍｍの回折格子を用いて調べられている。図６（Ｉ）には、取得された全スペクトル範囲が示されており、ＬＥＤ励起を用いて得られたスペクトル（ｂ）は、明確にするためにわずかに縦方向にずらしてある。この場合もやはり、２つのスペクトルにおけるスペクトル特徴は非常に正確に一致しており、図６（ＩＩ）の６０３ｎｍのところの鋭いピークの詳細図に見て取れるように、各モードのバンド幅も、励起源には全く依存していない。
【００８６】
要約すると、実験は、極めて弱い励起の下でさえも、ＷＧＭは蛍光ドープＰＳ粒子の蛍光放射スペクトルにおいて増強強度のピークとして見分けられ、この弱い励起はレーザでもＬＥＤでも同様に達成され得ることを示している。
【００８７】
本実施形態及び前述の実施例から理解されるように、光源としてのレーザと比べて、ＬＥＤはずっと幅広い放射波長範囲を示し、よって、励起の効率を低下させ、より低い光学的出力を有し、最も決定的には、かなり不均質なビームプロファイルを伴ってずっと幅広い立体角へと放射する。よって、その放射は、光学的に収集され、集束する際の効率がはるかに低く、従って、マイクロ共鳴体上でもたらされる出力密度がはるかに小さい。従って、ＬＥＤがマイクロ共鳴体における有効なキャビティモード励起に適用できることは驚くべきことである。
【図１】
2012530894.tif 000008
【図２】
2012530894.tif 000009
【図３】
2012530894.tif 000010
【図４】
2012530894.tif 000011
【図５】
2012530894.tif 000012
【図６】
2012530894.tif 000013
【国際調査報告】
2012530894.tif 000014
2012530894.tif 000015