(57)【要約】  光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法であって、マイクロレーザの少なくとも一部を濃密媒体中に配置することと、マイクロレーザの一部を濃密媒体中に配置する前、その間、又は後に、光学的キャビティモードの分析により、濃密媒体の条件又は変化を検知することとを含む分析方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法であって、
マイクロレーザの少なくとも一部を前記濃密媒体中に配置することと、
前記マイクロレーザの一部を前記濃密媒体中に配置する前、その間、又は後に、光学的キャビティモードの分析により、前記濃密媒体の条件又は変化を検知すること、
を含む分析方法。
【請求項２】
前記マイクロレーザが光の再循環及び増幅の為の共鳴構造として光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体を用いるレーザであり、
前記光学的キャビティ又は前記マイクロ共鳴体が３次元体積を有する、
請求項１に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項３】
前記３次元体積の最大寸法が、５０μｍ以下の値を有する、
請求項２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項４】
複数の前記マイクロレーザが、少なくとも一部を前記濃密媒体中に配置される、
請求項２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項５】
前記複数のマイクロレーザの少なくとも一部を前記濃密媒体中に配置する前、その間、又は後に、前記複数のマイクロレーザからクラスタを形成する、
請求項４に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項６】
前記複数のマイクロレーザの少なくとも一部を前記濃密媒体中に配置する前、その間、又は後に、前記複数のマイクロレーザから複数のクラスタを形成する、
請求項４に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項７】
前記マイクロレーザのうちの少なくとも一つが、その大きさ、形状、コア、利得材料、及び選択的シェル材料の何れかにおいて他のマイクロレーザとは異なる、
請求項４に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項８】
前記マイクロレーザが、外力により移動するか、又は標的位置にて静止している、
請求項２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項９】
前記マイクロレーザが、検知工程の加速を達成する為に一時的にレーザ閾値を越えて稼動される、
請求項２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１０】
前記マイクロレーザが、前記濃密媒体の少なくとも表面に接触して固定化される、
請求項２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１１】
濃密媒体の一部又は構成物が前記マイクロレーザに吸着する、
請求項１０に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１２】
前記マイクロレーザが少なくとも部分的に前記濃密媒体中に配置される前、その間、又は後に、前記マイクロレーザの一部が分子の捕捉の為に調製され、
前記分子が前記光学的キャビティモードの分析により検知される、
請求項２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１３】
前記分子が生物学的分子である、
請求項１２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１４】
前記捕捉工程が、前記分子及び前記マイクロレーザの間の結合により介される、
請求項１２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１５】
前記捕捉工程が、前記分子及び前記マイクロレーザの間の結合により介される、
請求項１２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１６】
複数の前記マイクロレーザが少なくとも部分的に前記濃密媒体中に配置され、
前記マイクロレーザの少なくとも一部が標的分子の捕捉の為に調製される、
請求項１２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１７】
前記複数のマイクロレーザが少なくとも部分的に前記濃密媒体中に配置される前、その間、又は後に、前記複数のマイクロレーザからクラスタを形成する、
請求項１６に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１８】
前記複数のマイクロレーザが少なくとも部分的に前記濃密媒体中に配置される前、その間、又は後に、前記複数のマイクロレーザから複数のクラスタを形成する、
請求項１６に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項１９】
マイクロレーザのクラスタの構成物である、マイクロレーザが、その光学的キャビティモードの分析の為にレーザ閾値を越えて選択的に稼動される、
請求項１８に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項２０】
前記マイクロレーザの選択的稼動が、前記マイクロレーザの選択的入力、又はその利得材料の選択的稼動により達成される、
請求項１９に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項２１】
前記濃密媒体が、生物学的材料である、
請求項１に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項２２】
前記濃密媒体の前記条件又は前記変化を検知する前、その間、又は後に放射誘導事象が開始される、
請求項１に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項２３】
前記光学的誘導事象が、前記濃密媒体の性質を変化させる、
請求項２２に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【請求項２４】
前記光学的誘導事象が、治療的又は医学的処置の一部である、
請求項２３に記載の光学的キャビティモードを用いる濃密媒体の分析方法。
【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。
２００７年１２月３１日出願の米国仮特許出願第６１／０１８１４４号、２００７年４月２６日出願のＰＣＴ国際公開出願第ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５９４４３号、及び２００８年１１月５日出願の米国仮特許出願第６１／１１１，３６９号は全ての目的の為に、ここに参照として取り入れられる。
【背景技術】
【０００２】
（ファン等（W. Fang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)８５巻(Vol. 85)」pp. 3666-3668, 2004年）は、マイクロレーザ表面のトルエン蒸気の吸着を検出し、得られた波長シフトから表面−吸着分子の濃度を計算した。
（チャン等（Z. Zhang 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. 111119/1-3, 2007年）は、ＩｎＧａＰ／ｌｎＧａＡＩＰ量子井戸構造を用いて作成したサブミクロン・マイクロディスクレーザを組み上げ、それを脱イオン水及び単純なアルコールを使用して屈折率検知に応用した。
（リュ等（M.Lu et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)９３巻(Vol. 93)」pp. 111113/1-3, 2008年）は、分配型フィードバックマイクロレーザを多価電解質多重層及びヒトＩｇＧ抗体の検出の為に利用した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上述した関連技術において起こり得る問題を解決する為になされた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様は、マイクロレーザの少なくとも一部を濃密媒体中に配置する工程、及びマイクロレーザの一部を濃密媒体中に配置する前、その間、若しくはその後に光学的キャビティモードの分析によって、濃密媒体の条件又は変化を検知する工程を含む、光学的キャビティモードによる濃密媒体の分析方法である。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、場合によりマイクロ共鳴体、又はマイクロキャビティのクラスタにおける光学的キャビティモードの励起の為の蛍光物質を含む、単一のマイクロ共鳴体、又はマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタを示し；（ａ）被覆を有さない単一のマイクロ共鳴体；（ｂ）所望の光学的性質を達成する為の被覆を伴う単一のマイクロ共鳴体；（ｃ）被覆を有さないマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタ；（ｄ）それぞれのキャビティが個々に被覆されるように被覆が施されたマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタ；及び（ｅ）隣接するキャビティが互いに光学的に接触するように被覆されたマイクロキャビティの凝集体としてのクラスタである。
【図２】図２は、マイクロ共鳴体における光学的キャビティモードの励起及び検出の為の光学的装置を示し、スキーム（Ｉ）においては励起及び検出が別個の光路にてなされ；スキーム（ＩＩ）においては、マイクロ共鳴体のキャビティモードの励起及び検出の為に同じレンズを使用している。
【図３】図３は、ＰＢＳ緩衝溶液中の１５μｍのナイルレッド埋設（ドープ）ＰＳビーズのその場でのＷＧＭスペクトルを示し、（ａ）は、ビーズのレーザ閾値未満、（ｂ）は、ビーズのレーザ閾値を上回り、（ｂ）の差込図は閾値を越えた非レーザの蛍光的背景の高さを示す。
【図４】図４は、染料を励起させる為に使用したレーザの励起電力に依存する、ＰＢＳ緩衝溶液中の１５μｍのナイルレッドドープＰＳビーズの最も顕著なＷＧＭの平均積分ピーク面積を表わし、ここにおいて白抜きの円は測定値を示し、一方で点線及び破線は、それぞれレーザ閾値の下側及び上側の領域への当てはめを示し、また、ここにおいて差込図は、測定された全体の励起電力範囲に亘る概要（差込図の軸は、主たる図と同じである）を示す。
【図５】図５は、（ａ）染料を励起させる為に使用したレーザの励起電力に依存する、ＰＢＳ緩衝溶液中の１５μｍのナイルレッドドープＰＳビーズの最も顕著なＷＧＭの平均バンド幅、及び（ｂ）対応するクオリティ因子を表わし、ここにおいてレーザの開始は、バンド幅の低下及びクオリティ因子の増加によって明確に示されている。
【図６】図６は、１５μＷの励起電力にて閾値未満で稼動（白抜きの四角）及び５５μＷにて閾値を越えて稼動（白抜きの円）された、１５μｍのＰＳビーズにて測定されたＰＳＳ末端化表面上のＢＳＡ吸着の動力学を示し、対比の為、同じ条件下で行われたＳＰＲ測定の結果が示され（破線）、差込図は、それぞれ、閾値を越えて稼動されたＰＳビーズにより、及びＳＰＲにより測定された吸着工程の初期段階を示す。
【図７】図７は、それぞれ空気中（Ｉ）及び水中（ＩＩ）における１５μｍのナイルレッドドープＰＳビーズの光学的キャビティモードスペクトルを示し、（Ｉ）の上側は、空気中でのレーザ閾値未満でのスペクトル（ａ）、及びレーザ閾値を越えた場合のスペクトル（ｂ）、（ＩＩ）の上側は、水中でのレーザ閾値未満でのスペクトル（ａ）、及びレーザ閾値を越えた場合のスペクトル（ｂ）；（Ｉ）の下側は、（Ｉ）の上側の最も強いピークの拡大、及び（ＩＩ）の下側は、（ＩＩ）の上側の最も強いピークの拡大であり；説明は、顕微鏡対物レンズを励起する平均出力を与え、（Ｉ）（ＩＩ）の上側のスペクトル（ｂ）は、明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図８】図８は、水中においてレーザ条件下で得られた１５μｍのナイルレッドドープＰＳビーズの連続する１０のスペクトル（下から上に）を示し、（Ｉ）は１コマあたり０．０５秒にて連続して得られた連続スペクトル；及び（ＩＩ）は１コマあたり０．０１１秒にて連続して得られた連続スペクトルであり；スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図９】図９は、空気中での１５μｍのＰＳビーズにおけるＷＧＭレーザ励起の為に使用したレーザの繰返し率に対するレーザ閾値の依存性を示し、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図１０】図１０は、水中における２種類の異なった三量体のＷＧＭスペクトルを示し、（ａ）及び（ｂ）はレーザ閾値を越えて励起されたスペクトルであり、（ｃ）は、レーザ閾値未満にて励起されたスペクトルであり、並びに（ｂ）及び（ｃ）は、同じクラスタから得られたスペクトルであり、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図１１】図１１は、水中に浸漬し、三量体の略図に示したように異なる位置にて励起された三量体から得られたＷＧＭスペクトルを示し、（ａ）は中心部の励起；（ｂ）は上部左側のビーズの励起；（ｃ）は下部左側のビーズの励起；及び（ｄ）は右側のビーズの励起であり（全ての他のパラメータ、特には励起強度を一定に保ち、スペクトルはＷＧＭ強度の直接的比較の為に未処理の生データを示す）、また、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図１２】図１２は、１５μｍのＰＳビーズのＷＧＭスペクトルを示し、（ａ）はナイルレッドがドープされたか（上側半分）又は別法としてＣ６Ｇ及びナイルレッドがドープされ（下側半分）、４４２ｎｍ輻射にて励起されたビーズ；又は（ｂ）は５３２ｎｍ輻射により励起されたビーズであり、スペクトル（ｂ）は明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図１３】図１３は、一つのビーズがナイルレッドのみドープされ、他の一つがＣ６Ｇ及びナイルレッドがドープされたビーズからなる混合二量体の正規化ＷＧＭスペクトルを示し、（ａ）は二量体が４４２ｎｍ輻射により中心にて励起され；（ｂ）は二量体が閾値未満の５３２ｎｍ輻射により中心にて励起され；及び（ｃ）は二量体がレーザ閾値を越えた５３２ｎｍ輻射により中心にて励起され、また、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図１４】図１４は、１０％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液中に自由に浮遊するナイルレッドがドープされた１５μｍのＰＳマイクロレーザのＷＧＭスペクトルのリアルタイムの一連（それぞれの表示に示すように１秒の間隔で）を示し、一方においてそれは、図２のスキーム２に従って、励起及び検出の為に適用された４０×対物レンズの焦点を通過し、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてあり、また示されているのは、ピーク強度の直接的比較の為の未処理の生データである。
【図１５】図１５は、１０％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液中に自由に浮遊する（ａ、ｃ）か、同様の溶液中の基材上に静止する（ｂ、ｄ）ナイルレッドがドープされた１５μｍのＰＳマイクロレーザのＷＧＭスペクトルの対比を示し、（Ｉ）は励起レーザ１０ｋＨｚの繰返し率；（ＩＩ）は励起レーザ５００ｋＨｚの繰返し率であって、両者の平均励起電力は約５０μＷであり、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてあり、また示されているのは、ピーク強度の直接的比較の為の未処理の生データである。
【図１６】図１６は、（Ｉ）１０％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液中の、表面吸着にてナイルレッドがドープされた１５μｍのＰＳマイクロレーザのＷＧＭスペクトルであって、図１５において適用されたいずれの条件下でレーザを示さず、これは約５０μＷの平均出力にて励起され、また次の条件に曝され：（ａ）励起レーザの５００ｋＨｚの繰返し率、並びに焦点化及び集光に４０ｘ対物レンズを使用（図２のスキーム２に従った）；（ｂ）５００ｋＨｚ及び１００×対物レンズ；（ｃ）１０ｋＨｚ及び４０×対物レンズ；（ｄ）１０ｋＨ及び１００×対物レンズ；また（ＩＩ）は（Ｉ）のスペクトル（ａ〜ｃ）の拡大であり、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【図１７】図１７は、それぞれ５％（ａ）及び３％（ｂ）のゼラチン／水溶液から調製され、固相ゼラチン中に埋設され、ナイルレッドがドープされた１５μｍＰＳマイクロレーザのレーザ閾値を越えた場合のＷＧＭスペクトルを示し、スペクトルは明確化の為に縦方向にずらしてある。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の例示的実施形態が、添付の図面を参照しつつ、以下に詳細に説明される。
【０００７】
用語の定義
ＢＳＡ：牛血清アルブミン
Ｃ６Ｇ：クマリン６レーザ級
ＦＰＭ：ファブリペロー・モード
ＯＥＧ：オリゴエチレングリコール
ＰＡＡ：ポリアクリル酸
ＰＡＨ：ポリアリルアミン塩酸塩
ＰＢＳ：リン酸塩緩衝食塩水
ＰＥＧ：ポリエチレングリコール
ＰＳ：ポリスチレン
ＰＳＳ：ポリ（４−スチレン硫酸ナトリウム）
Ｑ−因子：クオリティ因子
ＳＰＲ：表面プラズモン共鳴
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
【０００８】
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。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、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。
【０００９】
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、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、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、例えば異なった屈折率又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強度、化学的不活性又は反応性、及び／又は抗汚濁又は異なった生物学的機能性等を含んでもよい。以下において、光学的被覆を「シェル」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、即ちコアとシェルを一緒にして、「（光学的）マイクロ共鳴体」と称する。後者の用語は、シェルの物質が適用されない場合の全システムを記述する為にも使用される。光学的キャビティ及びマイクロ共鳴体の集合体又は凝集体について、「光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体」なる用語は、両方の種類のキャビティ、即ちシェルを有するものと有さないものの任意の個数を指す。このような場合、光学的キャビティのある種のものは、互いに光学的な接触を形成し、あるものは形成しない。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の為の適当な生物学的機能性インターフェイスを与える為の検知工程の一部として、あるいは標的分子がマイクロ共鳴体表面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、シェルの最上部）により被覆されてもよい。
【００１０】
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（ＦＳＲ）δλ（あるいは別法として、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の大きさ及び幾何学形状に関する体積Ｖ）、及び第２にはクオリティ因子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、クオリティ因子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シェルを使用した場合に、シェルにも滲み出し得る。従って、何れの用語（光学的キャビティのＦＳＲ（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為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。
【００１１】
自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）
光学系の自由スペクトル範囲δλ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。ＦＳＲは、考慮される光学的キャビティモードに依存しうる。例えば、それは振動数、伝播の方向及び／又は偏光に依存し得る。同様にして、干渉計については、ＦＳＲは強度最大値（又は各々、最小値）の隣接する順位の間隔である。
【００１２】
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捉する可能性の尺度である。それは次のように定義される。
【００１３】
【数１】
2012508365.tif 000003
【００１４】
ここにおいて、ωｍ及びλｍは、それぞれモード数ｍのキャビティモードの周波数及び（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２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。
【００１５】
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、内部的な幾何学的体積として定義される。
【００１６】
球状体積：  体積は、体積を完全に包み込む任意に選択される直方体の箱の全てのうちで可能な最小のものが、その三次元、即ち長さ、幅及び高さの何れもが他の２次元の寸法の１０％未満の寸法を有さない場合に、「三次元的」又は「球状」であると称される。「最小の箱」なる用語は、この意味において、考慮する体積を完全に包み込む全てのもののうちの最小の体積を有する箱を指す。従って、体積を完全に包み込む任意に選択される直方体の箱の全てのうちで可能な最小のものが、その三次元、即ち長さ、幅及び高さの何れか一つ、又は一つのみが他の二次元のうちの小さいほうの寸法の１０％未満の寸法を有する場合に、体積は、「二次元的」又は「ディスク状」であると称される。最後に、その三次元、即ち長さ、幅及び高さの何れか一つ、体積を完全に包み込む任意に選択される直方体の箱の全てのうちで可能な最小のものの何れか一つが、又は一つのみが他の二次元のうちの大きいほうの寸法の少なくとも１０倍を超える寸法を有する場合に、体積は、「一次元的」又は「直線的」であると称される。簡潔の為に、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体又はそれらのクラスタ又はレーザ又はマイクロレーザは、それらの体積が、それぞれ一次、又は二次又は三次元である場合に、「一次元システム」、又は「二次元システム」又は「三次元システム」と称される。体積の大きさ（例えば、光学的キャビティ、マイクロ共鳴体、共鳴体、又はマイクロレーザ）は、上記に与えられた定義に従って、その最大次元の寸法を指す。
【００１７】
光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の周囲（環境）
光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の「周囲」又は「環境」は、光学的キャビティ、あるいはその光学的シェル（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（又はマイクロ共鳴体）の高度な反射表面は、その周囲の一部分ではない。実際的には、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の高度な反射表面は、周囲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周囲には属さない選択的なシェルについてもいえる。光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の周囲又は環境は、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においては強く吸収しうる。周囲は、不均質であってもよい。包み込む体積が周囲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（マイクロレーザ）の場合、それはマイクロ流体チャネルであってもよい。マイクロ共鳴体（マイクロレーザ）が、濃密媒体中に持ち込まれた場合、それはマイクロレーザの輻射により作用を受け、暴露され、また影響を受ける体積である可能性がある。典型的には、周囲は、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の一部分である。
【００１８】
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又はマイクロ共鳴体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。異なるキャビティモードは、キャビティ又はマイクロ共鳴体の幾何学及び光学的性質に依存して、伝搬の異なる方向、異なる偏光、異なる周波数（波長）、バンド幅、位相、場の強度及び／又は強度を有してよい。これらのモードは、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体により課せられる制限的な境界条件の為に、離散的（即ち、計数可能）であり、例えば整数で番号付けが可能である。従って、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）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。波動解は、不均質、即ち異なる局所にて異なる反射率を与える等の異なった光学的性質を示すような境界領域、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。
【００１９】
所定の光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）についてのマクスウェル方程式の完全解は、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の内部および外部のそれぞれの内部および外部電磁場からなる。外部の場について、即ち、光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の周囲において、２種類の解が区別されなければならない。それらは、周囲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、周囲における伝搬が、例えば光学的キャビティ（マイクロ共鳴体）の表面における全内部反射の為に禁止される波について存在するようになる。周囲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、シェル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、金属シェルの有限の反射率の為に存在し得る自由伝搬する波に加えて、金属／周囲界面において表面プラズモンが励起され得、これも周囲に広がるエバネセント場を示す可能性がある(ヒンメルハウス（M. Himmelhaus）著「ＳＰＩＥ  プロシーディングス（SPIE Proc.）６８６２巻 （Vol. 6862）」pp. 68620Ｕ/1-8, 2008年)。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、エバネセント場を生成する光の波長（例えば、光の波、又は電荷密度の振動）の程度の距離を以って周囲にむけて広がる。
【００２０】
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、換言すれば周囲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為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、プリズム、導波器、又は近接場プローブ等の波の伝搬を許容するナノメータ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。
【００２１】
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、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為に、我々は次のような定常波の境界条件を使用する。
【００２２】
【数２】
2012508365.tif 000004
【００２３】
ＦＰＭについては、これはキャビティ表面における電場が、金属表面又はシェル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、単純な周期的境界条件は、
【００２４】
【数３】
2012508365.tif 000005
【００２５】
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為、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。簡略とする為に、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」と同義語的に使用される。
【００２６】
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。
【００２７】
【数４】
2012508365.tif 000006
【００２８】
光学的キャビティモードは、それが所定の構成、装置又はシステムにおける光学的キャビティモードの励起及び検出（分析）に適用される手段によって励起及び検出が可能である場合に、以下において「操作可能」と称される。
【００２９】
濃密媒体
気体状、液体又は固体であってよく、あるいは液晶等の他の凝集物質を有してもよい、屈折率＞１．１を有する物質又は材料。特には、濃密媒体は異種的であってよく、かつ複数の物質及び材料からなってよい。このような場合、その成分の一つが屈折率＞１．１を有する場合、媒体は濃密媒体である。
【００３０】
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個以上の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の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為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。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。
【００３１】
(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、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作用として研究した。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。より最近では、（シャシャンカ(P. Shashanka) 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。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。
【００３２】
更に、互いに密に近接する光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の光学的キャビティモードは、隣接する光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の存在によって、例えばその近隣物がない場合の単離された光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体に比較して、異なった振動数、バンド幅、及び／又は異なった伝播方向等、相互的に変化され得る。このことは、例えば光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体が、それらのエバネセント場を共有するほどに互いに接近した場合に起こり得る。そのような場合、それらはそれぞれの光学的キャビティモードの相応の変化によって互いに感知しうる。簡略化の為に、以下においてはこの効果も「モード結合」の用語に含められる。
【００３３】
光学的接触
２つの光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体は、光が一方のキャビティ又は共鳴体から他の一つ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個の光学的キャビティ又は共鳴体間でモード結合の可能性を許容する。従って、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体は、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。
【００３４】
クラスタ
クラスタは、１−、２−又は３次元的形式の何れを形成してもよく、任意的又は選択的に異なった幾何及び形状を持った光学的キャビティ及び／又はマイクロ共鳴体の集合体として定義される（図１参照）。個々の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体は、隣接する光学的キャビティ及び／又はマイクロ共鳴体が互いに接触するか、あるいは光学的キャビティモードスペクトル及び／又はモード結合の重ね合せを促進するように密に隣接して配置されうる。接触するマイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティは、物理的な接触、即ち互いに触れ合っているか、あるいは、例えば上述の定義のように光学的に接触してもよい。互いに密に近接するマイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティは、典型的にはそれらの表面から周囲に向けて数百ナノメータの範囲であるようなそれらのエバネセント場の重ね合せに十分な程度に近接するか、あるいは集合的励起及び／又はそれらのキャビティモードスペクトルの検出（そのような集合的励起及び／又は検出のタイミングとは独立して）の為に十分近接しうる。
【００３５】
あるいは、マイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティのクラスタは、マイクロ共鳴体の任意の幾何及び形状の集合体、並びに／又は任意的及び選択的に異なった幾何及び形状の光学的キャビティの集合体であり、これは、例えば光学的キャビティモードが集合的に励起され、及び／又は集合的に検出されるように集合的に操作される。しかしながら、「集合的」なる用語は、励起及び／又は検出の時期には依存しないことを意味し、これは並行的な様式（例えば、検出器アレイ又はＣＣＤカメラ等の並行的に操作される（複数チャンネル）検出器により光学的キャビティモードスペクトルの励起輻射及び／又は検出に、クラスタ全体が同時に曝されることによる）において、あるいは、所望のスペクトル範囲について、光源及び／又は検出器のいずれかで走査することにより連続的な方法において遂行され得る。これらの並行的及び連続的スキームの組合せも、より複雑な時間的序列に加えて適用可能である。この意味において、マイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティのクラスタは、マイクロ共鳴体の任意の幾何及び形状の集合体及び／又は任意的かつ選択的に異なった幾何及び形状の光学的キャビティの集合体としてみることが出来、これは、適切な条件下で精査された場合に（時期及び／又は他の関連する条件に関わらず）、特徴的なスペクトル的指紋を示す。更には、クラスタを構成するマイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティが、異なった光学的、物理的、化学的及び／又は生物学的機能を有してもよく、また異なった機能の異なった種類のシェル、又は他の被覆を持ってもよいことに注意されたい。例えば、それらは異なった光学的機構（例えば、エバネセント場結合を介して、又は１種若しくは異なる種類の蛍光物質の励起による）によって励起されうる光学的キャビティモードスペクトルの異なった種（例えば、ＦＰＭ又はＷＧＭ）を示し得る。既に上述したように、その組成とは独立して、唯一の極めて重要な基準は、クラスタが適切な条件下で精査され、分析された場合に特徴的なスペクトル的指紋を示すことである。
【００３６】
クラスタは更に、クラスタを形成する異なった光学的キャビティ及び／又はマイクロ共鳴体の少なくとも数個の光学的キャビティモードが、互いに独立して分析され得るような方法で調製されてよい。このことは、例えば、クラスタを構成する異なる及び／又は幾つかの光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体を有する一つ以上の活性媒体を使用することにより達成されうる。
【００３７】
クラスタの幾つかの例が、図１に示される。個々の光学的キャビティは、媒体中において表面に付着されるか、あるいは自由に浮遊してよい。更に、それらは少なくとも一時的に表面から脱離され得る。個々の光学的キャビティは、上述したように、それぞれのキャビティが個々に被覆されるか（図１（ｄ））、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））様な、いずれかの方法にて被覆され得る。後者の場合においては、クラスタに含まれる光学的キャビティは、共通のシェルを共有してもよく、一方においてこのシェルは性質的に不均質であり得る。クラスタは、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式で形成されてもよい。更に、クラスタは、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為に、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。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、表面に亘って無作為的又は秩序的に分布してよく、１次元、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、光結晶が形成されてよい。
【００３８】
活性媒体
活性媒体は、光輻射が可能であり、好適な様式で入力及び／又は刺激を受けた際に、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体における光学的キャビティモードを励起（生成）する為に使用され得る媒体である。
【００３９】
利得媒体
利得媒体は、励起輻射を介して光輻射が可能であり、例えば好適な様式で入力を受け及び刺激された場合等、適切な条件下で光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体においてレーザ発生を誘導し得る活性媒体である。
【００４０】
活性（マイクロ）共鳴体（光学的キャビティ）
一般的に、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体又は光学的共鳴体のレーザ発生閾値を越えた稼働の為の利得媒体を伴った光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体又は光学的共鳴体は、「活性光学的キャビティ」、「活性マイクロ共鳴体」又は「活性光学的共鳴体」と称される。
【００４１】
受動的（マイクロ）共鳴体（光学的キャビティ）
一般的に、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体又は光学的共鳴体のレーザ発生閾値を越えた稼働の為の利得媒体を伴わない光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体又は光学的共鳴体は、「受動的光学的キャビティ」、「受動的マイクロ共鳴体」又は「受動的光学的共鳴体」と称される。
【００４２】
レーザ
レーザは、その利得媒体の刺激を受けた輻射によって光を増幅する光学的装置である。活性光学的キャビティ、活性マイクロ共鳴体又は活性光学的共鳴体は、一般的に、例えばレーザ発生閾値に達するか、又は越えるような様式で利得媒体に入力した場合等、適切な条件下で稼働された場合にレーザとなる。
【００４３】
マイクロレーザ
マイクロレーザは、光の再循環及び増幅の為の共鳴構造体として光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体を使用するレーザであって、ここにおいて光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体は三次元的体積を有し、三次元におけるこの体積の最大の寸法は、５０μｍ又はそれ未満の値を有する。この大きさの決定については、体積の特性の決定（用語「球状体積」の定義参照）の為の方法と同じ方法が適用され得、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の体積を完全に包み込む任意に選択される直方体の箱の全てのうちで可能な最小のものの三次元（長さ、幅及び高さ）の何れもが５０μｍを超えない寸法を有する。従って、マイクロレーザのクラスタは、クラスタの少なくとも一つの構成体がマイクロレーザである光学的キャビティ及び／又はマイクロ共鳴体のクラスタである。
【００４４】
レーザ発生：  刺激された輻射による光増幅は、「レーザ発生」と称される。
【００４５】
レーザ閾値
「レーザ閾値」とも称される（活性）光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の誘導放射の為の閾値は、誘導放射による光増幅が、光学的キャビティ又は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丁度補う（活性）光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の（例えば光学的、電気的又は電磁的）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い為、キャビティモードは、光学的キャビティ又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、レーザ閾値は、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体（例えば特定の光学的キャビティについて）の光学的出力を、キャビティ又はマイクロ共鳴体の利得媒体を刺激する為に使用する（例えば光学的、電気的又は電磁的）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、この依存性の傾斜は、本実施形態の実施例１に示されるように、レーザ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。「光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体のレーザ閾値」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閾値を指している。類似的に、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体のクラスタのレーザ閾値は、所定の条件下での最も低い閾値を持ったクラスタ内の光学的キャビティモードのレーザ閾値を指す。
【００４６】
干渉測定法
干渉測定法は、前述した波の性質を検査する為の、２つ以上の波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為の装置は、「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称性を示し、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。中心スポットは、「中心フリンジ」と称される。
【００４７】
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的キャビティ又はマイクロ共鳴体について、キャビティ又はマイクロ共鳴体の幾何学（例えば、それらの振動数、バンド幅、偏光、伝搬の方向及び性質、場の強度、位相、強度等に関して、一般的にＦＳＲ、モード間隔及びモードの性質として表わされる）、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）、並びにキャビティ又はマイクロ共鳴体の物理的条件、その（それらの）周囲及び／又はその（それらの）周囲との相互作用（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、位相又は偏光の変化、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。
【００４８】
この情報は全て、モード位置（振動数）、モード間隔、モードの出現、場の強度、位相、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「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。
【００４９】
実施形態の記述
マイクロ共鳴体（即ち、光学的キャビティ；以下において、後者の用語は、簡略の為に省略されるが、適当な場合において置き換えられるか又は訂正されうる）は、共鳴的循環によって光を小さい体積に閉じ込め、また顕微鏡的光放射体、レーザ、及びセンサとしての利用可能性が示されている（バハラ（K. J. Vahala）著「ネイチャー （Nature）４２４巻 (Vol. 424)」 pp. 839-846, 2003年）。光（輻射）の循環は、マイクロ共鳴体内部に保たれた光の波長、偏光、及び伝播方向に、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」である特定の光学的モードのみがそこに存在しうる。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為、後者は例えば力（例えばキャビティの変形（ゲルラッハ（M. Gerlach et al.）著「オプティクス  エクスプレス （Opt. Express）１５巻、６巻 (Vol. 15,6)」 pp. 3597-3606, 2007年）、又は科学的濃度の変化（ファン等（W. Fang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)８５巻(Vol. 85)」pp. 3666-3668, 2004年）の感知の為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に対する、又は内部への吸着、及び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を検出することにより、生物学的分子の検出に使用され得る（フォルマー等(F. Vollmer et al.)著「アプライド  フィジックス  レターズ (Applied. Physics. Letters)８０巻(Vol. 80)」pp. 4057-4059, 2002年；イルシェンコ及びマレキ(V. S. Ilchenko & L. Maleki)著「ＳＰＩＥ  プロシーディングス（SPIE Proc.）４２７０巻 （Vol. 4270）」pp. 120-130, 2001年）。
【００５０】
マイクロ共鳴体は、例えば外部光源との光学的結合により受動的様式で稼動されるか、あるいは、例えば一旦適切に入力されたマイクロ共鳴体の所望の稼動領域において、光源として働く活性媒体の取込みによる、能動的様式のいずれにおいても稼動されうる。活性媒体が利得媒体である場合、マイクロ共鳴体はレーザ閾値を越えて稼動され得、即ち、少なくとも一つの光学的キャビティモードの少なくとも領域内において光を増幅しうる。図３及び図４に例示されるように、増幅された光学的キャビティモードは、それらの輻射強度について典型的に顕著な増大を示し、信号−ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を改善する。更に、それらは閾値より下で稼動された場合に比べて、典型的にはそれらのバンド幅Δλの減少を示す（図５；詳細には図３〜図５、実施例１参照）。両方の効果は、光学的キャビティモード励起に基づくセンサの検出限界を改善し得ることから、検知的応用の為に有用に利用されうる。
【００５１】
外部的刺激による光学的検知の為の変換機構として、典型的には光学的キャビティモード位置のシフト、又はバンド幅についてのそれらの変化の何れかが使用される。明らかに、増大したＳ／Ｎ比は、両方の効果のより良い決定を可能とする。また、モードのバンド幅の減少は、それらのバンド幅のより希薄な変化に加えてより小さいシフトの検出を可能とし、レーザ領域、即ち改良されたＳ／Ｎ比及び減少したバンド幅に関連する両方の効果は、センサの性能に対して有益に寄与するであろう（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；イルシェンコ及びマレキ(V. S. Ilchenko & L. Maleki)著「ＳＰＩＥ  プロシーディングス（SPIE Proc.）４２７０巻 （Vol. 4270）」pp. 120-130, 2001年）。
【００５２】
改良されたＳ／Ｎ比及びより小さいバンド幅は、レーザ閾値を超えて稼動される活性（即ち利得媒体を含む）光学的共鳴体の一般的な特徴である。従って、一般的にレーザは、距離測定及び位置制御から化学的及び生化学的検知に亘って種々の検知的応用についてこの上なく重要であり、幾つかの例が示される。
【００５３】
しかしながら、今日において多くの検知的応用は、測定における高い精度を求めるのみならず、センサの小型化も要求される。小さくかつ全体のサイズが１ミリメートル未満の顕微鏡的センサは、多くの異なる技術分野にて極めて有用であろう高度に局在化した検出の機会を提供する。燃焼研究においては、例えば反応の流れの挙動は、その初期条件に厳格に依存する。数値的な流れの現場でのシミュレーションと実験との比較の為に、高度な空間的分解能をもっての初期条件の精密な決定が、最も重要である。同様な議論が、液体環境における化学的及び生化学的反応についても成り立つ。
【００５４】
この状況において、他の小さい検知領域の大きい周囲が検知部位の周囲に対し顕著な歪みをもたらし、これにより研究下のシステムの展開を顕著に変化させうることから、「小型センサ」は「小さい検知領域」を意味するのみならず、変換器又はセンサの全体として小型であることをも意味することに注意しなければならない。
【００５５】
これらの理由から、検知的応用の為の活性光学的共鳴体の小型化に対して、多くの努力が注がれてきた。例えば、カニンガム（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ）等（カニンガム等（B. T. Cunningham et al.）著「ジャーナル  オブ  バイオモレキュラー  スクリーニング（J. Biomolecul. Screen.）９巻 （Vol. 9）」pp. 481-490, 2004年）は、生物学的検知の応用の為に、垂直的に輻射する分配型フィードバックレーザを提供した。しかしながら、ＤＦＢレーザ構造が極めて薄く作成可能である一方で、その水平方向の伸長は、レーザモードの十分な利得及び十分に小さいバンド幅を達成する為に周期的な反復単位の最小回数を必要とするブラッグ格子の存在の為に、限定された範囲でのみ小型化が可能である。例えば、カニンガム等（B. T. Cunningham et al.）はその文献中で、システムの稼動の為の回折表面において、直径約２ｍｍの領域で発光したことを述べている（この大きさは、ｍ次の次数で格子定数ｇにて稼動されるＮ本のラインを有する回折格子の解像力Ｒからも計算され、Ｒ＝λ／Δλ＝ｍＮが与えられる。著者等によって示されるようにλ＝５８８．３ｎｍ、Δλ＝０．０９ｎｍ、ｍ＝１及びｇ＝４００ｎｍを用いて（リュ等（M.Lu et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)９３巻(Vol. 93)」pp. 111113/1-3, 2008年）、分配回帰型レーザの最小水平範囲は、Ｌｍｉｎ＝ｇ×Ｎ＝ｇ×λ／Δλ＝２．６ｍｍと計算される）。従って、それらの約１００μｍの厚さで、これらのシステムは、基本的に２次元システムであり、更には、本発明の意味からすれば「小型センサ」ではない。
【００５６】
このようなオープンシステムとは対照的に、本発明の実施形態は、閉鎖共鳴体、即ち共鳴体表面であるところの閉鎖的境界領域により制限された小さい体積を適用し、これは反射により体積内部に光を閉じ込める。共鳴体表面の反射率は、異なった位置について異なり得て、また異なった光学的振動数、偏光、及び入射角について異なり得る。この種の共鳴体は、相当に小型化できるが、主としてそれらの稼動波長、及びその様な小さい共鳴体を例えばその表面の反射率に関して十分な品質を以って作成することの技術的制限によって制限されうる。
【００５７】
最近、多くのグループが、基本的にモノリシック様式における半導体基材中に構造形成した小型の閉鎖体積共鳴体を製作することに成功している。ファン等（W. Fang et al.）は、シリコンウエファーの天然ＳｉＯ２層中にマイクロディスクを構築し、それらを窒素気流中にてトルエン蒸気の検出に使用した（ファン等（W. Fang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)８５巻(Vol. 85)」pp. 3666-3668, 2004年）。（チャン等（Z. Zhang 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. 111119/1-3, 2007年）は、利得媒体としてＩｎＧａＰ量子井戸を含むＩｎＧａＡＩＰ中のサブミクロン・マイクロディスクを作製し、得られたサブミクロンレーザを単純なアルコール類及び脱イオン水の屈折率検知に適用した。
【００５８】
それらの検知の為の利用可能性は、かくして示されたのであるが、これらのマイクロディスクレーザは、形状に加えてそれらが作製された材料の為に、厳しく不利な点を示す。例えば、それらのディスク形状は、自由に浮遊する遠隔センサとして使用する為に基材から取り外すことを許容するものではない。その理由は、ディスクが基本的には２次元的構造であって、その高い体積対表面比、ひいては表面相互作用が優勢である為に、それが接触する任意の表面に対して付着する傾向にあることである。更に、ディスクは、その平面内、即ち２次元においてのみモード励起を許容する。従って、その平面内対称軸に関して任意的に回転及びスピンすると思われる媒体中に自由に浮遊するディスクは、その直近の周囲の異なった部分を頻繁に探査し、その周囲が異種的である場合にはその配向に依存して異なったセンサのシグナルを与える。このようなシグナルの頻繁な変化は、特にはサブミクロンのディスクが追跡困難であるものと思われることから、解釈が困難であるものと思われる。しかしながら、この実際的な問題よりも更に厳しい問題点は、化学反応等の好ましくない工程を誘導するであろう電子−ホール対の存在の為に、それらの典型的に高い反応性に起因する半導体物質の限られた安定性である（カムラー等(V. Kummler et al.)著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)８４巻(Vol. 84)」pp. 2989-2991, 2004年；シェドル及びシュヴァルツ(T. Schoedl and U.T. Schwarz, J.)著「アプライド  フィジックス(Appl. Phys)９７巻(Vol. 97)」pp. 123102/1-8, 2005年）。例えば、文献中に述べられているように、ＩｎＧａＰ／ｌｎＧａＡＩＰマイクロディスク構造は、（チャン等（Z. Zhang 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. 111119/1-3, 2007年）環境空気中においてさえも酸化の影響を受けやすい。バイオセンシングにおいて典型的に要求される水性相等の、より厳しい条件下では、これらの構造はその光学的性質の急速な崩壊にさらされる可能性が高い。
【００５９】
これらの複雑さを克服し、高度に局在化した測定の為の十分に小さいサイズの閉鎖体積の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の使用を可能とする為に、本願発明者等は技術分野における困難が、小さいサイズの３次元共鳴体を使用することにより克服されうることを認識した。これに関連して、３次元体積は、それらの寸法についての座標系が任意に選択された場合においても、長さ、高さ及び幅等の異なる寸法が全て同じオーダーであるような体積である。即ち、体積の範囲が、他の２つの寸法よりも一桁を超えて小さい寸法となることがない（詳細な定義は、「用語の定義」の節を参照）。その様な球状共鳴体の例は、球体である。均一な光学的性質を持った表面の場合には、球体は異なった方向における光学的キャビティモードの励起を支持する。例えば、十分に低い屈折率を有する媒体中の誘電体球体の場合、ＷＧＭが、球体の中心を横断する任意的に選択された平面において、球体内部に励起されうる。従って、媒体中に自由に浮遊するこのような球体は、ＷＧＭ励起の平面の配向についての頻繁な変化による歪みを伴うことなく、均質な状態で媒体を検知する。更に、高い対称性の為に、このような球状の物体は、２次元物体よりも無作為的又はゆらぎの力によりいずれの対称軸の周りでの回転をもたらすことがより困難である。従って、球状の共鳴体は、遠隔検知に使用してもよく、また変換信号を弱めることなく媒体中を自由に浮遊しても良い。
【００６０】
検知の工程は、例えば高い空間的解像度にての媒体の物理的又は化学的性質に関する情報を与えるか、あるいは配列的検知の適用等、測定部位の高い密度を許容する為に、高度に空間的に制限されなければならないことから、発明者等は５０μｍ以下の寸法の球状共鳴体を使用した。光学的キャビティがシェルを有するか否かに依存して、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体からなってよいこのような共鳴体には、適切な利得媒体が付与され、以下のようにマイクロレーザとして使用され得る。
【００６１】
体積が３次元的である限りにおいて、球体体積が唯一の適当なものではないことに注意されなければならない。例えば、楕円、立方体又は他の種類の突出構造は、基体に支持されていない場合にも、例えば光学的ピンセットを用いて容易に安定化され得る。異なる寸法における異なる幾何を、振動数、偏光、エバネセント場の範囲、又は伝播の方向等において異なる励起等、異なった種類の光学的キャビティモード励起に関連付けることさえも、例えば多重検知の為、又は測定の標的である周囲の変化に影響されない対照系の導入の為に望まれることであり得る。
【００６２】
また、本質的に基材の支持を必要としないシステムである球状共鳴体も、例えば、表面の直近の測定を可能とする為、即ち共鳴体を検知されるべき媒体の少なくとも表面に接触させる為、あるいは多重検知を促進する為（例えば、多くの共鳴体が同じ基材上に配置され、順次的又は同時に稼動される場合）に適当な基材上に配置されてもよい。それらの適切な稼動を達成する為にモノリシック様式を以って作成され、表面に向けての距離及び配向に関してあらかじめ規定された様式において表面上に静止される上記の２次元的マイクロディスクとは対照的に、球状共鳴体は、その製作後、及びその検知領域の条件付け又は官能化後に、即ち検知領域がその周囲の所望の性質又は標的を検知可能とした後に、基材上に配置されてもよい。例えば、球状共鳴体は、最初に製作され、所望の標的の特異的結合の為の特異的生物学的分子の捕捉分子により修飾され、及び非特異的相互作用に関して不活化され、次いで最終的に表面に配置されてもよい。このことは、球状共鳴体が、基本的に任意の適当な表面上の任意の適当な部位に、基本的に任意の方向を以って配置されてもよいことを意味する。特には、例えばコロイド状懸濁物からの、例えば滴下被覆による基材上への球体共鳴体の配置は、不随意的配向を以って共鳴体の不随意的分布をもたらす。不随意的配向は、全ての可能性ある配向のうちの少なくとも３種の異なった配向が存在することを意味し、これに基づき共鳴体は表面に付着し得て、このことは顕著な事象を示す。「配向」なる用語は、異なる配向を示す場合に共鳴体表面の異なる領域が基材表面と接触している、という意味においても理解されうる。「基材表面」なる用語は、ここにおいては平坦な表面を指し、即ち、共鳴体の寸法よりも相当に小さいスケール（例えば、一桁又はそれ以下）での表面の粗さ又は波状状態を持った表面をさす。更に、ここにおいては、共鳴体表面及び基材表面は共に相互作用に関して均質的である、即ち、共鳴体表面の異なる領域が、基材表面と例えば同様な程度に反発的又は誘引的に、同じか又は同様な様式で相互作用することを仮定している。
【００６３】
調製後に表面に配置されてもよい球状共鳴体の本質的かつ基本的な性質は、それらの表面の修飾の後において更なる、又は別途の調製工程を排除するものではないことに注意されなければならない。例えば、その機能の改良、修正又は最適化の為、あるいは表面との光学的接触を調製する為に、センサに付加的又は別途の材料を届けることが望まれることもあろう。
【００６４】
対照的に、上述したマイクロディスクのような２次元共鳴体が、同様な条件（平坦な基材、均質的なマイクロディスク−基材相互作用）でコロイド状懸濁物から表面に配置された場合には、２つの異なった配向のみが配置された共鳴体のうちで顕著な事象を示すであろうことが予想される。明らかにこれらの配向は、基材に接触する大きいディスク面積の何れか一つについて「表側」及び「裏返し」である。この描像は、少なくともディスク−ディスク相互作用が無視できる限り、成り立ち、これは他の点では容易に予想し得ないクラスタ効果をもたらす可能性がある。
【００６５】
マイクロディスクと比べてのこれらの優位点故に、不活化球状共鳴体及びマイクロ共鳴体は、多くのグループにより光学的検知に応用されてきた（ジルストラ等（P. Zijlstra 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. 161101/1-3, 2007年；パン等（S. Pang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)９２巻 (Vol. 92)」 pp. 221108/1-3, 2008年；ウェラー等（A. Weller et al.）著「アプライド  フィジックス  ビー(Appl. Phys. B) ９０巻 (Vol. 90)」 pp. 561-567, 2008年；フォルマー及びアーノルド(Vollmer and Arnold)著「ネイチャー  メソッド(Nature Meth.)５巻(Vol. 5)」pp. 591-596, 2008年）。このような共鳴体は、サイズにおいて極めて大きく、即ち、その最大寸法が５０μｍを超えており、それらのエバネセント場結合の方法、及び／又は何ら利得媒体を有さないこと、及び／又は利得媒体が、マイクロ共鳴体のレーザ閾値を越えての稼動を直ちに許容しない条件下で適用されていることの為に、ミクロスケールでの検知に適当ではないか、及び／又は遠隔検知に適用することが出来ない。このことは、例えば、保持される利得媒体の量が少なすぎるか、あるいは利得媒体の実際的に適用される供給力が、稼動可能な光学的キャビティモードの損失を超える程度で刺激される輻射を促進するのに不十分である場合に起こり得る。これは、例えば、低いクオリティ因子を示し、従って、このような小さいマイクロ共鳴体に保持されるであろう利得媒体が少量である為に埋め合わせ困難な高い損失を示す、数乃至数十マイクロメータのサイズ（直径）を持った小さいマイクロ共鳴体について起こる。
【００６６】
実際に、球状マイクロ共鳴体のレーザ発生は、これまでに環境として気中における場合のみについて例示されており、ここにおいて、ほとんどが染料ドープポリスチレンビーズ（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. L99-101, 1992年）、希金属−ドープ（レフェブレ−セグイン (V. Lefevre-Seguin)著「オプティカル  マテリアルズ（Opt. Mater.）１１巻 (Vol. 11)」 pp. 153-165, 1999年）、
若しくはラマン−輻射稼動（マツェイ等（A. Mazzei et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)８９巻 (Vol. 89)」 pp. 101105/1-3, 2006年）シリカ球体、及び希金属（リギーニ等（G.C. Righini et al.）著「フィジカ  ステータス  ソリディ  エー（Phys. Stat. Solid. A）２０６巻 (Vol. 206)」 pp. 898-903, 2009年）、若しくは量子ドット−ドープ（ル等（S. Lu et al.）著「フィジカ  イー（Physica E）１７巻 (Vol. 17)」 pp. 453-455, 2003年）ガラス球体に基づく活性マイクロ共鳴体が適用された。空気中のマイクロ共鳴体について、その基本的に１である屈折率の為に、キャビティ物質と周囲との間のコントラストが最適化され、これによって各システムについて（例えば、幾何、サイズ、及び物質の選択について）達成可能な最も高いＱ−因子を生じる（ジルストラ等（P. Zijlstra 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. 161101/1-3, 2007年）。
【００６７】
特に生物化学的検知に関連する水性溶液等の他の環境の使用により、光学的キャビティモードのバンド幅について顕著な低減が期待され、これはシステムの能力の損失を伴ってレーザ閾値を上回るものと思われる。空気の屈折率よりも大きい屈折率を持った環境中、即ち確保限界を設定する為に１．１よりも大きい値の屈折率を有する環境中の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体（球状および一般的に）の稼動における複雑さを説明し、また注意を向ける為に、このような環境は、以下において「濃密媒体」と称される。濃密媒体中の稼動は、５０μｍ以下の大きさを有する共鳴体について、特に重要であり、これは、共鳴体の増加する曲率等、本質的な損失の為に光学的キャビティモードの典型的に顕著な広がりを示す。しかしながら、本発明の発明者等は、驚くべきことに僅か１５μｍの公称サイズを有する活性球状マイクロ共鳴体が、なおもレーザ閾値を越えて稼動可能であることを見出し、生理学的水溶液、及び、更に固体の生物学的材料である好ましくない環境下においてさえ、光学的検知の為に採用した（実施例９参照）。この驚くべき知見は、このような小さいサイズのマイクロ共鳴体が水性相中に浸漬された場合に、励起されるモードの数が低減することに関連するものと思われる。従って、後者の全出力がレーザモードの間で分配される為に、モードのより少ない個数は、利得媒体の誘導放出によるより大きい増幅を得るであろう。この付加的利得は、個々の光学的キャビティモードの増大する損失を部分的に補填し、顕著な光の増幅をもたらす。溶質として溶液の屈折率を顕著に増大させるか、又はそれらの固相中への包み込みが知られているウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）等の生物学的分子の存在でさえも、これらのシステムのレーザ生成を妨げない。従って、本発明の発明者等の知見は、屈折率、溶質濃度、機械的力、化学的及び生物化学的反応等々の、種々の検知的応用における応用の為のマイクロレーザに基づく顕微鏡的光学センサの新たなクラスへの道を開くものである。
【００６８】
光増幅に関連する他の重要な特徴は、長い（時間的及び空間的）コヒーレンス長、及び強い電磁場である。本実施形態の発明者等は、驚くべきことにこれまでマイクロ共鳴体の検知的応用に対するそれらの効果の視点から、考慮されていなかったこれらの効果が、特には、例えばセンサ表面への分子の吸着動力学の加速により、分子検出においてこのようなセンサの性能に利点を付加することを見出した（実施例２）。このような加速は、例えば光学的キャビティモードの場により誘導されるマイクロ共鳴体表面の近接部位における分子の強い分極によって起こり得る。こうして誘導された双極子は、振動する光学的場と引力的に相互作用し、分子とセンサ表面との間の引力をもたらす。実施例２において最初に観測されたこの挙動は、最近、Ａｒｎｏｌｄ及び共同研究者らによって、エバネセント場結合を介しての分配型回帰レーザにより稼動される不活化マイクロ共鳴体の場合に見出された(アーノルド等 (S. Arnold et al.) 著「オプティクス  エクスプレス（Opt. Express）１７巻 （Vol. 17）」pp. 6230-6238, 2009年）。著者等は、ナノ粒子（分子）およびマイクロ共鳴体の間の相互作用を、「引力的光学グラジエント力、界面相互作用及び循環モーメント流」により駆動される「カルーセルトラップ」によるものと説明している。これらの効果は、「検知領域への輸送速度を顕著に促進し、これによってこのような小さい面積の検出器上の拡散によりもたらされる限界を克服する。ナノ粒子の半径方向のブラウン運動に起因する共鳴振動数のゆらぎは、半径方向の捕捉能力及びナノ粒子の大きさを明らかにする。引力は、粒子を表面上の最も高いエバネセント強度へと引き寄せることから、結合工程が均一であることが見出された。」
【００６９】
明らかに、同様又は類似の効果は、図３に示され、実施例２に詳細が記されるように、閾値の下及び上にて稼動されるマイクロ共鳴体間の吸着動力学における差異ももたらす。Ａｒｎｏｌｄ等が、ドーナツ型ＷＧＭバイオセンサを使用して結合動力学の加速における約１００の因子を、前記文献において主張した場合においては、彼等が対比の為に拡散及び対流的移送の理論の結果を引用することに注意しなければならない。我々の場合には、レーザ閾値の下及び上でのマイクロ共鳴体稼動を比較し、また閾値未満の共鳴体において誘導された場も結合動力学の顕著な加速をもたらすことを排除できない。この意味において、実施例２は、レーザ閾値を越えたマイクロ共鳴体（光学的キャビティ）の稼動が、結合動力学の付加的な予期できない加速を生ずることを例示している。
【００７０】
結合動力学の加速に加えて、放射−誘導効果又は事象は、この相互作用による物理的、化学的及び／又は生物化学的変化を経験する環境と共に、マイクロレーザにより輻射される放射の相互作用に関連する。例えば、マイクロレーザは、光化学又は光生物化学的反応、捕捉分子及び標的間の特異的結合の形成又は開放、物質の蒸発、除去、並びにプラズマ形成等の、局所過熱、エネルギー導入、又は光誘導反応及び工程の発生及び制御の為に使用され得る。このような技術の応用は、例えば、物質処理、マイクロ及びナノテクノロジー並びに生物医学的分野に関連し、濃密媒体（例えば、生物学的材料）のマイクロレーザ放射への局所的暴露を介しての、局所的に正確に向けられる処理が最小化された侵入及び制御性の関係から有利であり得、而して最小侵襲的手術等の治療的及び／又は医学的処置の為の重要な道具であり得る。このような技術は、組織の処置及び修復、がん治療、制御された薬剤放出、並びに生物学的及び生物医学的工程の局所的刺激及び促進に応用され得る。特異的捕捉分子を保持するマイクロレーザの能力との組合せにおいて、これらの高度に局在化した工程の特異性が更に改善され、標的化治療の為に利用され得る。
【００７１】
レーザ閾値を越えて稼動される光学的キャビティモードのより高い強度に関連する別の態様（実施例１）は、それらの改良されたＳ／Ｎ比を伴っており、これはシグナルスペクトルの取得時間の顕著な低減を可能とする。実施例４は、２０及び９１Ｈｚの高い取得速度にて得た一連のＷＧＭスペクトルを示している。速度の更なる増加は、適用されたＣＣＤカメラの技術的制限によってのみ制限された。対照的に、同じ平均励起電力であるが閾値未満にて稼動されるマイクロ共鳴体のスペクトルの取得時間は、十分な質（例えば、Ｓ／Ｎ比について）を達成する為には、即ち同じ取得システムを使用して、数秒間の範囲、典型的には約０．２Ｈｚである。従って、レーザ閾値を越えて光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体を稼動することは、従来にはこれらのシステムをもってして不可能であった高いデータ取得速度での光学的検知による速い工程の監視への道を開くものである。アーノルド（Ａｒｎｏｌｄ）及び共同研究者等は、光学的検知の為に不活化共鳴体に結合するエバネセント場を使用し、データサンプリング速度を達成し、これはまた彼等の検出システムによってのみ制限された。彼等の場合には、ＷＧＭ位置の順次走査の為に変調可能なレーザ源が不活化共鳴体に結合されたことに注意されなければならない。従って、ナイキスト−シャノン（Ｎｙｑｕｉｓｔ−Ｓｈａｎｎｏｎ）のサンプリング理論に従えば、単一のＷＧＭ位置を同定する為に少なくとも８つのデータポイントが得られなければならない。対照的に、本発明のマイクロレーザは、所定のサンプリング速度にて数個のＷＧＭ位置に亘って完全なスペクトルを集める。従って、約１０倍低い取得速度においてさえも、モード位置及びバンド幅の視点においての全体の情報の内容並びにこれによって低減され得る情報は、本発明のマイクロレーザの場合に大きく上回る。最近、フランソワ及びヒンメルハウスにより詳細が示されたように（フランソワ及びヒンメルハウス（A. Francois and M. Himmelhaus）著「センサーズ （Sensors）９巻 （Vol. 9）」pp. 6836-6852, 2009年）、２つ以上のＷＧＭの位置が測定された場合に、周囲の屈折率に加えて共鳴体の大きさは、対照実験無しにデータから同時に決定されうる。このことは、特に遠隔検知において大きな優位点である。例えば、共鳴体表面への吸着層の検知の為には、吸着物質のある量に対応する波長シフトが、共鳴体の寸法に反比例して決まることから（ウェラー等（Weller et al.）著「アプライド  フィジックス  ビー(Appl. Phys. B) ９０巻 (Vol. 90)」 pp. 561-567, 2008年）、例えば球体共鳴体の場合にその半径等の、共鳴体の大きさを正確に知る必要がある。従って、共鳴体の大きさに関する正確な知識は、システムの全体的信頼性を改善するであろう。それらは本発明の目的物でもあることから、このことは５０μｍ及びそれ未満の寸法の小さい共鳴体について特に重要である。アーノルド及び共同研究者の場合、遠隔検知は、彼等が典型的に単一のＷＧＭのみの位置を測定し、よって共鳴体サイズがモード間隔（ＦＳＲ）から計算できないという事実により妨げられるのみならず、より厳しくは、基本的な観点から本明細書中に示すように、自由な顕微鏡的共鳴体のアイデアに反するエバネセント場結合の要求によって妨害されるのである。エバネセント場結合は、それが光ファイバー、集積導波器、焦点レーザビーム、プリズム、又は他の適当な物体であってもマクロ的な装置であって、即ち、寸法において５０μｍを超える少なくとも一つの次元の寸法を常に示す物理的な物体である。同時に、結合器の存在は、ＷＧＭの正確なモード位置に影響を与え（グオ等（Z. Guo et al.）著「ジャーナル  オブ  フィジックス  Ｄ（J. Phys. D）３９巻 (Vol. 39)」 pp. 5133-5136, 2006年；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）、その結果、検知工程において結合器と共鳴体とは一つの単位としてみなければならない。例えば、結合器と共鳴体との距離の小さい変化でさえもＷＧＭシフトを引き起こし、これは例えば共鳴体表面の吸着層について、測定された信号と比較して顕著である。従って、実際的な検知工程について、稼動の選択されたモードにおける結合器無しでの共鳴体を考察することは不可能である。この意味において、物理的結合器の手段によるエバネセント場結合を介して稼動される共鳴体（活性又は不活化および任意の大きさ）は、本発明における態様としての光学的キャビティでもなく、またマイクロ共鳴体でもない。
【００７２】
実施例１において、マイクロレーザの利得媒体の平均励起電力を変化させることにより、如何にしてマイクロレーザがレーザ閾値未満又はそれを超えて稼動され得るかが示される。これは、例えばマイクロレーザが連続的供給源により入力された場合に適用される必要がある、一つの選択肢である。しかしながら、力のパルスの形状で入力された場合、入力に使用されるパルスの繰返し率を変化させることにより、稼動の非−レーザからレーザモードへ、又はその逆に切り換えることが可能である。このような技術の一例が、実施例５に示されている。その実施例において、入力は、可変の繰返し率を持ったピコ秒レーザ源により、直径１５μｍのポリスチレンマイクロビーズ中に埋設された蛍光色素の光学的励起により達成される。繰返し率の変化の平均レーザ出力への影響は小さく、また、例えば、フィルターの挿入又は効率の変化（例えば、レーザの２次調和振動の生成について）によって適合させて、適用される全ての繰返し率について同じ平均出力を得ることもできる。同じ平均出力を以って、単一パルスのパルスエネルギーは繰返し率に依存し、これは、例えば励起ビームの望ましからぬ散乱等の、又は励起ビームの平均強度に依存し、かつ補正されなければならない励起ビームにより誘導される望ましからぬ蛍光等の副次効果を補足する為の他の手段よりも、レーザを達成する為の励起力レベルを変化させる便利な方法であり得る。
【００７３】
しかしながら、これは一つの例としてのみ理解しなければならない。他の場合、例えば電気的又は電磁的等、力供給の他の手段が有利であり得、これは、レーザ閾値について稼動方法の顕著な依存性を示すであろう。一般的に、マイクロレーザの力供給の方法は、場合により、閾値の下での稼動から上での稼動への、及びその逆のマイクロレーザの切り換え方法であろう。閾値未満でのマイクロレーザの一時的稼動は、以下に詳述するように、例えば調節又は較正手順における稼動の存続期間の増大の為、あるいは特徴的な指紋スペクトルを得る為にクラスタを使用する場合等において有利であり得ることに注意されたい。
【００７４】
本発明の他の態様は、光学的検知の為の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体のクラスタの使用を含む。クラスタは、光学的キャビティモードスペクトルの重ね合せを示す球状共鳴体の１次、２次又は３次元の凝集体である。この重ね合わせは、光学的結合又は他の種類の光学的モードの相互作用によるものであるか、あるいはクラスタ内の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体輻射の記録用検出システムの制限された空間的解像度によりもたらされ得、これは単一の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体より多くを同時に検出する。以前に我々は既に、このようなクラスタが、クラスタの周囲における変化、並びに単一の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体と同程度に付加層の吸着に敏感である特徴的な指紋スペクトルを示すことを、それらがスペクトルの特徴的なライン形状によって識別され得、それは例えば、多重的検知への応用の為の多数のクラスタの並行的稼動を容易にするという付加的な優位点と共に見出した。驚くべきことに、本発明の発明者等は、クラスタが不活化光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体に代えて、マイクロレーザからなる場合に、レーザ形成が必ずしも同じクラスタに属する必要がない多くの光学的キャビティモードで達成されうることを観測した。従って、レーザ閾値を越えるスペクトルは、典型的には閾値未満のものより単純であり、即ち、より少数のレーザ光学的モードを含んでいる一方で、それらの位置は、なおもそれぞれのクラスタの固有の特徴を持ち、而して特徴的な指紋という基本的なアイデアを維持している。これらの知見の詳細は、実施例６に示される。更に、クラスタの励起を、単一のマイクロレーザのみがレーザ閾値に達するか超えるように変化させた場合、そのレーザ光学的キャビティモードはクラスタ内の同じ又は他のマイクロレーザからの全ての別の光学的モードが背景ノイズ中に埋め込まれるほどに強くなり（実施例７）、而して、レーザモードは、クラスタ内に他のものが存在するにもかかわらず、レーザ生成するマイクロレーザを個別に特徴付けする為に使用され得る。この技術は、マイクロレーザのクラスタが、異なる機能を持ったマイクロレーザの集合体が存在するような、例えば滴下被覆又はスポッティング技術により調製された場合に極めて有用となり得る。例えば、クラスタ内の異なるマイクロレーザは、外部刺激に対して異なる様式にて反応する為に異なった官能化を有していてもよい。幾つかのマイクロレーザは、不活化に付され、対照信号として利用されてもよく、一方において他のものは周囲における所望の変化を標的としてもよい。バイオセンシングにおいて、例えば異なるマイクロレーザは異なる種類の生物学的捕捉分子を保持していてもよく、そして異なる程度の光学的キャビティモードスペクトルにおける変化を示してもよい。これらの変化は、特に共鳴体表面の（サブ−）単分子層の形成については典型的に小さい為、指紋スペクトルの特徴的なライン形状は、必ずしも曲げられる必要がなく、しかしながら、なおもクラスタを同定する為に使用され得る。例えば、同定のアルゴリズムは、僅かに幾つかのキャビティモードの位置における僅かな変化を説明することができた。而して複数クラスタの集合中のクラスタは、それらの周囲における変化を複数クラスタの集合に適用した後に同定が可能であった。ある標的の正確な情報は、クラスタの異なる構成体を、個々にレーザ閾値を越えて稼動し、それらの対応するレーザスペクトルを読み取ることによって得ることが出来た。その指紋スペクトルによってクラスタの同定を行う為には、閾値未満でのスペクトル（即ち、クラスタの全て（ほとんど）のマイクロレーザが閾値未満で稼動される）か、あるいは閾値を越えて（即ち、クラスタの全て（ほとんど）のマイクロレーザが閾値を越えて稼動される）の何れかが、同定に使用され得ることに注意しなければならない。クラスタの閾値未満での稼動は、その持続期間について利点がある。しかしながら一般的に、稼動の選択は、それぞれの測定の固有の条件に依存する。
【００７５】
クラスタの個々の構成体の読み取りおよび稼動の為の、この新規な機会は、マイクロレーザを含むクラスタ（又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体：これらの用語は、以下において簡略化の為に省略されるが、適切な場合においては置き換えられるか又は修正される）の使用により、異なるか、又は単一以上の利得媒体を伴って、更に拡大されうる。実施例８に例示されるように、単一のマイクロレーザに２種類の利得媒体（例えば蛍光染料）を取り入れることが可能である。而して、一旦マイクロレーザがクラスタの構成体になった場合、励起源の適切な選択により、なおも個別に選択され得る（例えば、クラスタの全ての他の構成体が単一の利得媒体のみを保持する場合）。このようにして、クラスタは、それぞれが部分集合内のマイクロレーザによって保持される利得媒体によって特徴付けられる２つの部分集合に分割することが可能であり、一方で特徴的な指紋がなおも維持される。このような指紋は、全体のクラスタの指紋スペクトルの部分に似ており、従って、クラスタの非測定部分集合の指紋を決定する為に寄与しうる。より多くの利得媒体の応用のより複雑な組合せ、及び例えばそれらの利得媒体によって選択され得る、選択されたマイクロレーザの閾値未満又はそれを超えた稼動の複雑な組合せは、当業者により容易に達成されうる。この技術の応用の視点において、例えば利得媒体の異なった組合せを保持するマイクロレーザは、異なった特異的捕捉分子を保持してもよい（例えば、１種類のマイクロレーザは１種類の捕捉分子を保持する）。そして、これらの異なって調製されたマイクロレーザの構成体からなるマイクロレーザのクラスタにおいて、指紋スペクトルの異なった部分集合のシグナルは、それぞれの標的分子に関する情報を配信し、こうして種々のセンサシグナルの並行的処理を補助する。この技術は、多重的バイオセンシングに適用されてよく、ここにおいてクラスタは、例えば、スポッティング技術の応用により調製可能である。
【００７６】
更に、レーザ生成の為の活性マイクロディスク又は球状共鳴体の集合体に適用された関連技術とは対照的に、本発明においては、クラスタ内の個々のマイクロレーザは、顕著な範囲で異なった大きさを示しうることに注意しなければならない。関連する研究は、これまでに一致する光学的キャビティモードのモード分離を達成する為にフォトニック分子の作成に焦点が当てられた。しかしながら、このような分離は、関連するマイクロレーザの大きさ分布に高感度で依存し、従って、基本的に同じ大きさの共鳴体の集合体においてのみ、達成されうる。しかしながら、このようなモード分離は、特徴的指紋スペクトルの形成の為には要求されず、本発明の目的の為にはこのような厳密な大きさの制限は緩和される。
【００７７】
また、ボーチャース等（M. A. Borchers et al.）の研究（ボーチャース等（M. A. Borchers et al.）著「オプティクス  レターズ（Opt. Lett.）２６巻 （Vol. 26）」pp. 346-348, 2001年）は、フォトニック分子が彼等の研究に要求されることを明確には述べておらず、それにもかかわらず、彼等の実験に使用した２つの共鳴体の大きさが同じであったことを報告している（前記文献の図２の説明参照）。この場合に同じ大きさの粒子を選択する理由は、モード分離にそれほど関連するものではなく、しかしながら、顕著なエネルギー移動に要求される二つの共鳴体の間の効果的な近接場結合に関連する。而して、この特異な場合においても、フォトニック分子が適用される必要がある。
【００７８】
本実施形態の最も重要な態様は、濃密媒体中の球状マイクロレーザの稼動、あるいは少なくとも遠隔的に制御される様式において、それらの表面の一つに接触する稼動に関連する。このような技術は、まさしく所望の位置での検知や物質の処理における、複数の応用について、非常に有望である。この方法の実現可能性を例示する為に、実施例９は、ナイルレッドをドープした１５μｍＰＳビーズが、極めて高い濃度のタンパク質溶液中において、かつゼラチン等の固体媒体中においてさえもレーザ条件下にて稼動されうることを示す。高濃度タンパク質溶液中にてのマイクロレーザの稼動は、血液、リンパ等の体液と共にそれらを使用することを促進し、一方でゼラチンはコラーゲンから作成され、よって体組織の単純なモデルシステムとしてみなしうる。検知及び放射誘導処理の為の生物学的材料等の濃密媒体内における遠隔制御レーザ発生は、従って、本実施形態によって証明された。これによって、濃密媒体の一部又は構成成分は、例えば捕捉分子を適用する検知工程の過程において、マイクロレーザに吸着しうる。
【００７９】
最終的に、本発明の発明者等は、何れの種類の光学的検知の応用の為のマイクロレーザのクラスタを使用する何れの研究についても知らないことに注意しなければならない。
【００８０】
材料の部
本実施形態のマイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティ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可能である。材料の以下の説明は、本願明細書の記述にしたがって、当業者がマイクロ共鳴体及び／又は光学的キャビティ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される。
【００８１】
キャビティ（コア）物質
光学的キャビティ（コア）の製造の為に選択され得る物質は、キャビティが稼動される電磁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為に選択される活性媒体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／無機又は無機／有機、有機／有機、及び無機／無機等のコア−シェル構造及び異なった物質の組合せも可能である。光学的キャビティ又は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、関与する異なった光学的キャビティ（クラスタを構成するか、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活性媒体がドープされてもよい。また、キャビティは、異種的物質からなっていてもよい。一つの実施形態において、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為に、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為に、半導体等の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。フォトニック結晶をキャビティ物質として選択し、結晶の外表面を蛍光物質にて被覆するか、あるいは蛍光物質を結晶中に均質的又は不均質的に埋設することも出来る。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集団を強制し、かつ許容されるモードの偏光を定義することが出来る。フォトニック結晶を介しての蛍光物質の分布の種類は、更に所望のモードのみを励起することを助け、一方で望ましくないモードは不適切な光学的励起により抑制されうる。
【００８２】
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、（ヤブロノヴィッチ(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）により示されている。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の、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。
【００８３】
本実施形態において、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。
【００８４】
活性媒体
活性媒体としては、光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の所望の稼動のスペクトル状況において、物質が光を輻射し、かつそれが上記光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体におけるレーザ形成を誘導するように（選択的に、電気的又は任意の他の適当な様式で）力を与えられる条件において使用され得る、任意の種類の物質が使用され得る。適切な条件が見出された場合、活性媒体は、マイクロレーザの利得媒体として使用され得る。しかしながら、その様な条件が存在するか否かは、それらの入力の選択された方法に加えて、適用される光学的キャビティ及び／又はマイクロ共鳴体、即ち考慮される全体のシステムに依存する。このような固有性は、その検討は以下の通り省略するが、活性の光学的キャビティ又はマイクロ共鳴体の調整のそれぞれの場合において考慮されなければならない。流体は、固体状態の媒体に加えて活性媒体として知られている。流体の例は、クリプトン、アルゴン、キセノン、窒素、ＣＯ２、ＣＯ、エキシマー又は、ヘリウム−ネオン等の気体混合物、又はヘリウム−カドミウム、ヘリウム−水銀、ヘリウム−セレン、ヘリウム−銀、ネオン−銅、銅蒸気、金蒸気等の金属蒸気である。更に、流体の例は、染料溶液又は他の種類の蛍光物質の溶液等の液体である。固体状態媒体の例は、ルビー、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＥｒｉＹＡＧ、ネオジミウムＹＬＦ、ネオジミウムドープイットリウムオルトバナジウム酸塩、ネオジミウムドープイットリウムカルシウムオキソホウ酸塩、ネオジミウムガラス、チタンサファイア、ツリウムＹＡＧ、イッテルビウムＹＡＧ、イッテルビウム２Ｏ３、イッテルビウムドープガラス、ホルミウムＹＡＧ、セリウムドープリチウムストロンチウム（又はカルシウム）アルミニウムフッ化物、プロメチウム１４７ドープリン酸塩ガラス、クロムドープクリソベリル、エルビウムドープ及びエルビウムイッテルビウム共ドープガラス、３価ウランドープカルシウムフッ化物、２価サマリウムドープカルシウムフッ化物、Ｆ−中心ドープ物質である。他の種類の固体状態活性媒体は、ＧａＮ、ＡＩＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、鉛塩、ハイブリッドシリコン等の半導体及び／又は半導体化合物からなる群から選択される。
【００８５】
活性媒体の他の例は、蛍光物質である。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の光を再放射する条件下で、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（クロシェ等（J. Crochet et al.）著「ジャーナル  オブ  ザ  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。
【００８６】
本実施形態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）。これら全ての染料は、例えば銀被覆マイクロ共鳴体（例えば国際公開公報第２００７１２９６８２号参照）を稼動する為に、ＵＶ（例えば、３２０ｎｍにて）において励起され、３２０ｎｍ以上、例えば約４５０ｎｍを放射し得る。
【００８７】
しかしながら、銀のシェル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−テルフェニル、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、ＬＤ  ４２３、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６、クマリン６レーザ級、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、２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、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パークロレート、ナイルブルー６９０パークロレート、ナイルレッド、ＬＤ６９０パークロレート、ＬＤ７００パークロレート、オキサジン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、ＬＤ８００、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、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。
【００８８】
例えば、光学的キャビティ又は、マイクロ共鳴体（及び／又はマイクロレーザ）の稼働波長形態を広げるか、適合させるか、又はシフトさせる為に、例えば少なくとも部分的に重複する放射及び励起状態を有する異なる染料の組合せを使用してもよい。
【００８９】
ほとんどのレーザ染料等の水不溶性染料は、光学的キャビティ、マイクロ共鳴体、又はマイクロレーザに使用する為に特に有用であり、一方でインビトロジェン  コーポレーション（Invitrogen Corp.）（カリフォルニア州カールスバッド）から入手可能な染料等の水溶性染料は、それらの環境を染色する為に特に有用である。
【００９０】
マイクロ共鳴体にドープする為の蛍光物質として使用されう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；アルテミス等(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）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為に使用し得ることを示したクワタ−ゴノカミ及び共同研究者（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. L99-101, 1992年）によって記述されるのと同様の方法にて本実施形態に適用され得る。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。また、粒子状、フィルム、被覆、及び／又はシェル等の他の形状の半導体（ファン等（W. Fang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)８５巻(Vol. 85)」pp. 3666-3668, 2004年）も、活性又は利得媒体として適用され得る。
【００９１】
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前に多光子工程が想定できる為、その放射波長λｅｍより小さい、即ちλｅｘｃ＜λｅｍである必要はない。この種の工程は、２次調和、３次調和又はより高い調和生成等、２光子（又は多光子）吸収又は非線形光学工程でありうる。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。
【００９２】
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又はマイクロ共鳴体の稼働波長の状態を広げ、適合させ、又はシフトさせる為に使用され得る。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。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、及び／又は光学的キャビティの選択的シェルにドープされるか、及び／又は吸着され、及び／又は一般的に生物学的材料若しくは濃密媒体中に持ち込まれ得る。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為に利用可能である。例えば、蛍光物質が適切な光学的キャビティの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。蛍光物質が光学的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（ウェラー及びヒンメルハウス（A. Weller and M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.) ８９巻 (Vol. 89)」 pp. 241105/1-3, 2006年）。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。
【００９３】
シェル
光学的キャビティ及び／又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタは、均質的な厚さ及び／又は組成を有するか、あるいはそうではないであろうシェルにドープされ得る。シェルは、選択された一つ以上の活性媒体の励起波長λｅｘｃ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、シェルは、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の表面を、所望の部位及び／又は領域のみ透明にする為、一つ以上の活性媒体を持たせる為、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為、所望の性質を有する異なった物質からなってもよい。例えば、シェル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、シェルは透明となる。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。有用な金属のうちには、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。シェルは、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吸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り得る（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タから数百ナノメータまで変化されうる。この目的についての唯一の厳密な要求は、シェルの反射率が、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−因子はシェル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。
【００９４】
【数５】
2012508365.tif 000007
【００９５】
ここにおいて、Ｒｓｈは、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。
【００９６】
生物学的官能性被覆
マイクロ共鳴体又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタは、（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、組織反応を開始させる為、及び／又は標的に対して特異的に結合しうる捕捉分子を適用することにより生物学的力学及び／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。簡略にする為に、マイクロ共鳴体又はマイクロ共鳴体のクラスタを、以下において「センサ」と称する。
【００９７】
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為に、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、また本実施形態のセンサ表面を誘導する為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、本実施形態のセンサは、チオール化学を使用することにより化学的に修飾され得る。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にて修飾する為に、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又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又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。
【００９８】
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。センサ懸濁物を水にて洗浄後、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物学的分子の共有的結合を促す（ダヒント等(R. Dahint et al.)著「アナリティカル  ケミストリー（Anal. Chem.）６６巻(Vol. 66) 」 pp. 2888-2892, 1994年）。センサが、最初に例えばメルカプトウンデカン酸のエタノール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）。
【００９９】
同様の様式において、非金属センサ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（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）、アミノ（ＰＡＨ）又はカルボキシル（ＰＡＡ）基等の化学的官能基の高い密度を有するセンサ表面を達成する（この技術は、金属被覆センサ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、センサ表面の化学的官能化の為に使用され得て、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、ウルマン(A. Ulman)著「ケミカル  レビューズ（Chem. Rev.）９６巻（Vol. 96）」pp. 1533-1554, 1996年参照）。
【０１００】
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為に、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。
【０１０１】
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為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。
【０１０２】
最近、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。生物学的特異性捕捉分子の共有的結合の後、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（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）。
【０１０３】
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為に、結合物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。
【０１０４】
捕捉分子
特異的標的を捕捉する為の分子は、所望の標的に対して親和性を有する任意の分子であってよい。特には、抗体等のタンパク質、及び、関連する特異的結合生物学的分子が、ヌクレオチド、ペプチド配列、及び当業者に既知の関連システムに加えて適用され得る。
【０１０５】
位置制御機能
本実施形態のセンサは、リモートセンサとして使用してもよく、従って、例えば選択された環境、例えば濃密媒体とのそれらの接触及び／又は相互作用を制御する為に、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。例えば、センサに磁性が付与され、磁力又は、電磁力が直接にセンサに適用されてよい（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、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.）又はBioMag/ProMagマイクロ球体、ポリサイエンス（Polysciences）（ペンシルバニア州ワリントン））。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マトリックス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、マイクロ共鳴体のシェル及び／又はそれらの（生物学的）官能性被覆に負わせてもよい。
【０１０６】
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（モフィット等（J.R.Moffitt et al.）著「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、光学的ピンセットのレーザ波長は、センサを稼動する為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。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  インストラメンツ （Rev. Sci. Instr.）７１巻 (Vol. 71)」 pp. 2196-2200, 2000年）。
【０１０７】
他のスキームにおいて、センサの位置及び／又は動きは、音波（タン等（M.K. Tan et al.）著「ラブチップ（LabChip）７巻 (Vol. 7)」 pp. 618-625, 2007年）、（２次元）電気泳動（ダク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）2074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  ナノパーティクルス（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）、電気的湿潤法（チャオ及びチョ(Y. Zhao and S. Cho)著「ラブチップ（LabChip）６巻 (Vol. 6)」 pp. 137-144, 2006年）によって、並びに／又は所望の大きさ及び／又は機能の粒子及び／又は細胞の並べ替え／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（ハート及びシェーンフェルド（S. Hardt, F. Schoenfeld, eds）著「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）」ニューヨーク（New York）2007年）。
【０１０８】
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を使用することにより、センサの位置制御の為に機械的ピンセットも使用され得る（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 Cci.）１１８巻（Vol.118）」 pp. 1789-1797, 2005年）。この方法の利点は、例えば細胞検知実験において、センサ及び細胞が、同じ装置を用いて操作されうることである（ヘラント等（M. Herant et al.）参照）。上述した２種以上のスキームの組合せも、センサ及び／又は細胞、あるいは他の種の濃密媒体の位置制御の為に好適であろう。
【０１０９】
光学的キャビティモードの励起
マイクロレーザ稼動の為に適用され得る利得媒体は、電気的、電磁気的及び／又は光学的に入力されてよい。例えば、半導体技術に基づくマイクロレーザ又はマイクロレーザのクラスタの稼動力供給は、例えば大きさ及び要求される構成要素の観点での励起システムの小型化について便利であるものと思われる一方で、利得媒体の光学的励起等の輻射−制御稼動力供給は、とりわけマイクロレーザ及び／又はそのクラスタの遠隔稼動に関して有利であると思われる。このような輻射−制御励起の為に、放射（光）源が、その放射が少なくとも部分的に１つ以上の活性媒体の励起周波数範囲ωｅｘｃと重複するように適切に選択され得る。１以上の活性媒体の励起の為に多光子吸収又は調和振動生成等の多光子過程を使用する場合には、光源の輻射振動数範囲は、所望の多光子過程が１以上の活性媒体の励起振動範囲ωｅｘｃに入る（又は部分的に重なる）ように、適切に選択され得る。輻射出力は、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）を上回って補充し得るものでなければならない。励起スキームに関わらず好適な光源は、タングステン又は水銀ランプ等の熱的光源、ガスレーザ、固体レーザ、レーザダイオード、ＤＦＢレーザ、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等の非熱的光源である。より狭い輻射性能を有するレーザ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とする為に好適に適用される。同じ目的の為に、短パルス光源及びウルトラ短パルス光源が利用されうる。後者は、励起及び検出実験、又は光学的キャビティモード検知及び分析の為のロックイン技術と共に使用することも可能とする。このような短パルス光源は、上述した何れの光源であってもよいが、ここにおいては、パルス発熱ランプ、パルスＬＥＤ、若しくはレーザダイオード、又はパルスレーザ等の一時的に変調された輻射強度態様を持つものである。更には、光源の低い平均出力においても、パルス内のピーク出力（強度）は、レーザ閾値を越えうることから、パルス光源は、マイクロ共鳴体、又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタにおけるレーザ発生を達成する為に有利に使用され得る（例えば、フランソワ及びヒンメルハウス（A. Francois and M. Himmelhaus）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.)９４巻(Vol. 94)」pp. 031101/1-3, 2009年参照）。
【０１１０】
数ナノメータ又はそれ以上にわたるスペクトル的輻射を有する広域光源は、焦点光ビームによるマイクロ共鳴体へのエバネセント場結合の為に特に有用であり得る（例えば、オラエフスキー（Oraevsky）著「クウォンタム  エレクトロニクス（Quant. Electronics）３２巻(Vol. 32)」pp. 377-400, 2002年参照）。そのような場合、光源の広いスペクトルは、各々のマイクロ共鳴体の単一光学的キャビティモード以上の同時的励起を可能としうる。このような広域光源は、パルス光源であってもよく、例えば、光学的キャビティモードのロックイン検出と組み合わせてもよい。
【０１１１】
数種の活性媒体が適切に選択されて使用された場合、例えば非重複、励起振動数範囲、一個以上の光源、又は切替可能な輻射波長範囲を持った単一光源等は、例えば、更に読み取り工程を容易にする為、又は参照測定の為に、個々のマイクロ共鳴体又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタが選択的に向けられるように、選択されてよい。更に、少なくとも１つの光源の励起出力は、使用される少なくとも一つのマイクロ共鳴体又は、光学的キャビティ、若しくはマイクロ共鳴体のクラスタが、少なくとも一時的に励起される少なくとも一つの光学的キャビティモードのレーザ閾値を越えて稼動されるように（それぞれの条件下において）選択されてもよい。最終的に、励起放射の結合の為に、焦点化ビーム、導波器、プリズム、近接場プローブ、又は他の種類の光学的結合器を介して自由ビーム結合、エバネセント場結合等の任意の適切な結合光学系が使用され得ることに注意すべきである。特に、遠隔場及び近接場光学系は、適用して組合されうる。また、結合光学系は、光学的キャビティモードの分析に使用されるものと同様であるか、又は同様な方法及び技術が適用され得る。
【０１１２】
光学的キャビティモードの分析
光学的キャビティモードから散乱される光を集める為には、当業者に既知の任意の種類の適当な集光光学系が使用され得る。例えば、輻射は、適切な数値の開口部を有する顕微鏡対物レンズ、及び／又は光ファイバー、導波構造、集積光学装置、近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）、若しくはそれらの何れかの適切な組合せによる任意の種類の適当な遠隔場光学系によって集光されうる。特に、集光光学系は、例えばエバネセント場結合を適用することにより、遠隔場、及び／又は近接場の信号収集を使用しうる。次いで、集光は、分散及び／又は干渉計要素若しくはそれらの組合せを適用して任意の適切な種類の顕微鏡装置により分析されうる。簡略の為に、集光光学系及び分光学的装置を含む光学的キャビティモードの分析の為の全体システムを、以下においては「検出系」と称し、また実在する光学的、光学機械的及び／又は光学電子的な適当な部品も含んでよい。検出系の最も重要な特徴は、それぞれの目的に十分なように正確な振動数、バンド幅、伝播の方向及び性質、偏光、場の強さ、位相及び／又は強度あるいはそれらの変化等、光学的キャビティモードの所望の性質の決定を可能とすることである。２つ以上のマイクロ共鳴体又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタの並行的操作の場合、２つ以上の検出系が使用されてもよい。別法として、単一のマイクロ共鳴体又は光学的キャビティ若しくはマイクロ共鳴体のクラスタの輻射以上を同時的に処理可能な検出系、又は（高速の）連続系が適用されてもよい。例えば、共焦点蛍光顕微鏡が、高開口数をもって蛍光輻射の集光器を有するレーザ光による蛍光励起と組合わされ、次いで蛍光輻射のフィルター及びスペクトル分析が行われる。そのような装置は細胞研究においてしばしば使用される為、それらは本実施形態の装置の為に、便利な道具として提供されうる。他の便利な装置は、例えば、レーザ励起源及び顕微鏡的対象からの光信号を、スペクトル分析を伴って集光する高開口数と組合わされる、ラマン顕微鏡である。更に、両種の装置は、マイクロ共鳴体、そのミッション中の相互作用の追跡を容易にする、同時的なスペクトル分析及びイメージ生成を可能とする。そのようなイメージ生成の必要がない場合に、蛍光プレートリーダ等の他の種の装置も適用可能である。
【０１１３】
実施形態
実施形態１：遠隔光学的検知の為のマイクロレーザ
マイクロレーザは、少なくとも部分的に濃密媒体中に配置され、ここにおいて光学的キャビティモードの分析により、任意の好適な種類の媒体の物理的、化学的、及び／又は生物化学的条件、あるいはその変化の光学的検知の為に使用される。マイクロレーザは、自由に浮遊するか、外力（磁気的又は光学的ピンセット等）により動かされるか、あるいは標的位置に静止する。動きの種類（自由、強制又は静止）は、時間の経過において変化してよい。マイクロレーザの力供給は、任意の種類の適切な光学的、電気的又は電磁的励起により達成され、これによりマイクロレーザはそのレーザ閾値未満及びそれを超えて稼動されうる。光学的キャビティモードの分析は、典型的にはマイクロレーザにより散乱される光学的又は電磁的放射の幾らかを集め、次いで適当な検出システムにより分析することにより達成される。この分析の時期は、自由に選択することが出来、また、時間の経過の中で変化させてもよい。
【０１１４】
実施形態２：遠隔光学的検知の為の多重的マイクロレーザ
複数のマイクロレーザは、少なくとも部分的に濃密媒体中に配置され、ここにおいて光学的キャビティモードの分析により、任意の好適な種類の媒体の物理的、化学的、及び／又は生物化学的条件、あるいはその変化の光学的検知の為に使用される。マイクロレーザは、自由に浮遊するか、外力（磁気的又は光学的ピンセット等）により動かされるか、あるいは標的位置に静止する。異なったマイクロレーザは、異なった機構によって動くか又は静止してもよく、更に時間の経過において変化してよい。マイクロレーザの力供給は、任意の種類の適切な光学的、電気的又は電磁的励起により達成され、これにより幾つかのマイクロレーザはそのレーザ閾値未満及びそれを超えて稼動されうる。これによってあるマイクロレーザはレーザ閾値を越えて稼動され、他が閾値未満にて稼動されてもよく、更にこの条件は、時間の経過において変化してもよい。光学的キャビティモードの分析は、典型的にはマイクロレーザにより散乱される光学的又は電磁的放射の幾らかを集め、次いで適当な検出システムにより分析することにより達成され、これは複数のマイクロレーザを並行的又は連続的な様式で処理してもよい。また、複数の検出システムも適用可能である。マイクロレーザの光学的キャビティモードの分析のタイミングは、自由に選択することが出来、異なるマイクロレーザについて異なってもよく、また、時間の経過の中で変化させてもよい。
【０１１５】
実施形態３：遠隔光学的検知の為のマイクロ共鳴体のクラスタ
クラスタが複数のマイクロレーザから、クラスタ及び／又はマイクロレーザが少なくともその一部を濃密媒体中に配置する前、その間、又は後の何れかにて形成される。クラスタ形成の前、その間又は後に、クラスタ及び／又は単一のマイクロレーザは、光学的キャビティモードの分析により、任意の好適な種類の媒体の物理的、化学的、及び／又は生物化学的条件、あるいはその変化の光学的検知の為に使用される。クラスタ及びマイクロレーザは、自由に浮遊するか、外力（磁気的又は光学的ピンセット等）により動かされるか、あるいは標的位置に静止する。クラスタ及び異なったマイクロレーザは、異なった機構によって動くか又は静止してもよく、更に時間の経過において変化してよい。クラスタ及びマイクロレーザの力供給は、任意の種類の適切な光学的、電気的又は電磁的励起により達成され、これによりクラスタ及びマイクロレーザはそのレーザ閾値未満及びそれを超えて稼動されうる。これによってクラスタは閾値未満又はそれを越えて、自由に選択された様式にて稼動される。また、幾つかのマイクロレーザはレーザ閾値を越えて稼動され、他が閾値未満にて稼動されてもよく、更にこの条件は、時間の経過において変化してもよい。光学的キャビティモードの分析は、典型的にはクラスタ及び／又はマイクロレーザにより散乱される光学的又は電磁的放射の幾らかを集め、次いで適当な検出システムにより分析することにより達成され、これはクラスタと複数のマイクロレーザを並行的又は連続的な様式で処理してもよい。また、複数の検出システムも適用可能である。クラスタ及びマイクロレーザの光学的キャビティモードの分析のタイミングは、自由に選択することが出来、クラスタ及び、異なるマイクロレーザについて異なってもよく、また、時間の経過の中で変化させてもよい。
【０１１６】
実施形態４：遠隔光学的検知の為の単一マイクロレーザ及びマイクロレーザのクラスタ
実施形態１〜３に従えば、複数のマイクロレーザ及びマイクロレーザのクラスタは、少なくとも部分的に濃密媒体中に配置してもよく、これによって、配置の時期は、自由に選択され得、またクラスタは構成するマイクロレーザの（部分的）配置の前、その間又は後において、形成されてもよい。マイクロレーザ及びマイクロレーザのクラスタは、光学的キャビティモードの分析により、任意の好適な種類の媒体の物理的、化学的、及び／又は生物化学的条件、あるいはその変化の光学的検知の為に使用される。それらの稼動のモードは、実施形態１〜３に詳細を示すものに類似する。
【０１１７】
実施形態５：分子の光学的検知の為のマイクロレーザ
マイクロレーザは、媒体中に少なくとも部分的に配置され、それは分子の光学的検知に使用される。マイクロレーザの稼動は、実施形態１において示した方法と同様である。マイクロレーザの表面の一部又は他の好適な領域（例えばシェル又はコア）は、分子の受容の為に（例えば、捕捉分子の適用により）調製されてもよく、これは光学的キャビティモードの分析により検知されうる。これによって、マイクロレーザは、検知工程の加速を達成する為、又は他の種の好適な放射誘導工程を誘導する為に、少なくとも一時的にレーザ閾値を越えて稼動されうる。光学的キャビティモードの分析による、マイクロレーザの検知についてのこの実施形態の方法は、実施形態２〜４、即ち、複数のマイクロレーザを使用する分子の検知、及びマイクロレーザのクラスタ、並びにそれらの好適な組合せについてにも適用可能である。
【０１１８】
実施形態６：表面上の光学的検知の為のマイクロレーザ
濃密媒体の少なくとも一表面に接触するマイクロレーザは、ここにおいて光学的キャビティモードの分析により、任意の好適な種類の媒体の物理的、化学的、及び／又は生物化学的条件、あるいはその変化の光学的検知の為に使用される。マイクロレーザは、それが、例えば標的分子の収集の為に標的位置に静止していない場合、また一時的に自由に浮遊するか、あるいは外力（磁気的又は光学的ピンセット等）により動かされてよい。動きの種類（自由、強制又は静止）は、時間の経過において変化してよい。マイクロレーザの力供給は、任意の種類の適切な光学的、電気的又は電磁的励起により達成され、これによりマイクロレーザはそのレーザ閾値未満及びそれを超えて稼動されうる。光学的キャビティモードの分析は、典型的にはマイクロレーザにより散乱される光学的又は電磁的放射の幾らかを集め、次いで適当な検出システムにより分析することにより達成される。この分析のタイミングは、自由に選択することが出来、また、時間の経過の中で変化させてもよい。
【０１１９】
実施例
実施例１：ナイルレッドドープＰＳビーズのレーザ閾値の決定
図２は、マイクロキャビティにおける光学的キャビティモードの励起及び検出の為の光学的装置の例を示す。図２（Ｉ）において、励起及び検出は、異なった光経路を通して実行される。即ち、選択的被覆２により被覆された蛍光マイクロ共鳴体１は、基材３に配置される。選択的被覆２を有する蛍光マイクロ共鳴体１は、マイクロ流体の流れ環境４中に位置される。光源５は、励起光ビーム６を蛍光マイクロ共鳴体１に輻射する。光ビーム６によって励起された蛍光放射１５はレンズ７によって集められ、光フィルター９を介し、光ファイバー８を通ってモノクロメータ及び光検出器（ＣＣＤ等）１０まで伝播される。図２（ＩＩ）では、キャビティモードの励起と検出とに同じレンズ７が使用されている。即ち、光源５からの光ビーム６は、ビームスプリッター１１によって反射され、レンズ７によって蛍光マイクロ共鳴体１に放射される。光ビーム６によって励起された蛍光放射１５は同じレンズ７に集められ、ビームスプリッター１１及びミラー誘導検出路１２によって光検出器１０へと誘導される（図２（ＩＩ）では、マイクロ共鳴体１の蛍光放射１５は、検出に最も関係のある方向にのみ指示されており、散乱及び／又は反射による寄与は無視されている）。これら２つのスキームは例にすぎない。例えばミラーによる自由ビーム誘導を光ファイバー若しくは別種の導波器で置き換える、又は集光レンズ７を蛍光放射１５の検出の為の光ファイバー集光装置若しくは近接場プローブで置き換える代替のスキームも実施可能であり、当業者により容易に達成され得る。キャビティモードの観測のスキームとは独立して、検討されるマイクロ共鳴体は、フローセルにおいて、表面に付着させる等固定されてもよく、液状媒体中等に自由に浮遊していてもよい。またフローセル内に存在する物体内への内在化も可能である。例えば、生体細胞内へのマイクロ共鳴体の内在化は、マイクロ共鳴体の少なくとも一部を細胞内に配置し、マイクロ共鳴体の一部を細胞内に配置する前、その間、若しくはその後に、マイクロ共鳴体及び／又は細胞に蛍光物質を適用してマイクロ共鳴体及び／又は細胞に光学的にラベル付けし、マイクロ共鳴体と相互に作用し合う蛍光物質の光学的観測により細胞の経過を検知することによって達成され得る。この方法の詳細は、前述のように参照により取り入れられる米国仮特許出願第６１／１１１３６９号に開示されている。
【０１２０】
水環境におけるナイルレッドドープ１５μｍＰＳビーズのレーザ発生閾値は以下の様に決定した。光学的キャビティモードの励起の為に、図２（ＩＩ）に図示される光学的設定を適用した。即ち、同じレンズ（集光光学系）７を使用してキャビティモードの励起及び検出を達成した。
【０１２１】
実験
センサ製作：  １５μｍの公称サイズを有するスルホン化ポリスチレンマイクロビーズをポリサイエンス  インコーポレーティド（Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．）（ペンシルバニア州ワリントン）から購入した。ビーズは、文献、例えば（ウェラー等（A. Weller et al.）著「アプライド  フィジックス  ビー(Appl. Phys. B) ９０巻 (Vol. 90)」 pp. 561-567, 2008年等参照）に記載されているのと同様のプロトコルによりナイルレッドでドープした。このプロトコルで使用される材料は以下の通りである。ポリマー（ポリスチレン）ビーズの水性懸濁液（２５０μｌ）、水不溶性染料、キシレン（２０００μｌ）、ミリポア水（８ｍｌ）、ガラス瓶（２０ｍｌ）、遠心バイアル（２ｍｌ）、及び摂氏１００度での稼働用の密閉ガラス瓶。ビーズをプロトコルに従って以下のように調整した。１）飽和限界に達するまで染料をキシレンに溶かし、２）８ｍｌのミリポア水と２５０μｌのビーズ懸濁液を２０ｍｌガラス瓶に入れ、３）この溶液に撹拌磁石を入れ、瓶を撹拌機上に置き、速度を３５０〜４００ｒｐｍに調整し（溶液は均質に見えなければならない）４）２ｍＬの飽和染料溶液を静かに加え、その結果生じる二相系をキシレンが蒸発するまで撹拌し、任意選択で、瓶を加熱して蒸発工程を加速し、５）キシレンが蒸発した後で、ビーズ溶液の表面に形成されている可能性のある染料の薄膜を除去し、次いで、ビーズをピペットで取って、密閉することのできるガラス瓶に入れ、６）ビーズが瓶の底に沈むまで瓶を摂氏１００度の炉に約２時間入れてビーズから残留するキシレンを除去し（キシレンを多く含みすぎるビーズは引き続き懸濁液の表面に留まり、従って容易に分離することができる）、７）ビーズをピペットに取り、回収した水性懸濁液を遠心分離器にかけることによって数回洗浄し（典型的には、５〜７０００ｒｐｍ、ＲＴ摂氏１０度まで、１０−１５分；パラメータはビーズのサイズに依存；より大きい粒子（１μｍを上回る）では、より低速で、より低温で行うことが好ましい）、上澄み液を除去し、除去した液体体積をミリポア水で置換する（ビーズ懸濁液はすでに２回ピペットで取られている為、これらの洗浄ステップには数ｍＬの容量の小型の遠心バイアルで十分である）。
【０１２２】
次いで、ドープされた粒子の希釈された懸濁液をＵＶオゾン洗浄されたカバーガラスに散布し、凝集体（「クラスタ」）を含む粒子の無作為的な二次元分布を生じるように乾燥させた。次いで、粒子を適切な位置に固定する為に、粒子及び表面を数層のＰＥの二分子層で被覆した。次いで、ＰＤＭＳ成形されたマイクロ流体チャネルをガラスの上に載せて密閉されたマイクロ流体チャネルシステムを得た。
【０１２３】
光学系
光学的キャビティモードの励起及び検出の為に、１００×油浸対物レンズを備えるニコン（Ｎｉｋｏｎ）製顕微鏡（ＴＳ１００）を適用した。励起光源として、可変繰返し率及び９ピコ秒の単一パルス幅を有する周波数二倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用した（ラピッド，ルメラレーザ  ゲーエムベーハー，カイザースラウテム、ドイツ（Ｒａｐｉｄ，Ｌｕｍｅｒａ  Ｌａｓｅｒ  ＧｍｂＨ，Ｋａｉｓｅｒｓｌａｕｔｅｒｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ））。特に指定しない限り、システムは１０ｋＨｚの繰返し率で稼働させた。平均出力はレーザ出力計（ＰＳ１０電力センサ付きフィールドメイト、コヒレント インコーポレーティド（Ｆｉｅｌｄｍａｔｅ  ｗｉｔｈ  ＰＳ  １０  ｐｏｗｅｒ  ｓｅｎｓｏｒ，Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｎｃ．）、カリフォルニア州サンタクララ）によって測定した。検出は、顕微鏡のカメラポートを、３００Ｌ／ｍｍ、６００Ｌ／ｍｍ、及び２４００Ｌ／ｍｍの回折格子を備える、高分解能モノクロメータ（トライアックス５５０，ホリバ・ジョバンイボン（Ｔｒｉａｘ  ５５０，Ｈｏｒｉｂａ  Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ）、日本）に結合することにより行った。モノクロメータのカメラポートにＣＣＤカメラ（ＤＵ４４０、アンドール・テクノロジー（Ａｎｄｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、北アイルランドベルファスト）を取り付け、パーソナルコンピュータによってディジタル化されたスペクトルを記録した。光学系の保護の為に、基本のレーザ線をレーザ出力ポートにおいて５３２ｎｍレーザ線フィルターを利用してフィルタリングし、５３２ｎｍ励起を切断する適切なカラーフィルターを顕微鏡のカメラポートに位置決めした。
【０１２４】
レーザ発生閾値の決定
マイクロ流体チャネルを顕微鏡に取り付け、チャネルをＰＢＳ緩衝液で満たした。次いで、適切なビーズ又はビーズのクラスタを選択し、レンズ（検出光学系）７の焦点に合わせた。励起レーザを、励起が最適な蛍光検出の最適値になるように位置合わせした。続いて、レーザ出力を変化させ、個々の放射スペクトルを記録した。以下に示す値は、顕微鏡対物レンズ７によって放射されたレーザ出力を表す。反射損失及びビーム直径と球体サイズ（典型的にはビーム直径より小さい）との断面積の差は無視され、よって、これらの値は閾値の安全な上限を示す。典型的なカメラ及び検出設定：完全垂直ビニング、１秒の取得時間；モノクロメータ入口のスリット幅４０μｍ。
【０１２５】
結果
図３に、それぞれ、レーザ発生閾値より下（図３（ａ））とレーザ発生閾値より上（（図３（ｂ））での励起におけるナイルレッドドープ１５μｍＰＳビーズのＷＧＭスペクトルを示す。これらのスペクトルは、未処理の生データを示しており、ＷＧＭの励起に使用されたピコ秒レーザパルスの繰返し率を除いては、位置合わせ、励起及び検出の設定に関して同一の条件下で数分以内に続けて記録した。図３（ａ）では、レーザを、５００ｋＨｚのパルス繰返し率において準連続モードで稼働させ、図３（ｂ）では、１０ｋＨｚの繰返し率においてパルスモードで稼働させた。平均出力は約３０μＷで一定に保ち、図３（ａ）の場合には１レーザパルス当たり〜６０ｐＪ、図３（ｂ）の場合には１レーザパルス当たり〜３ｎＪを得た。レーザの特殊な設計により、繰返し率の変化はビームプロファイルにもパルス幅にもほとんど影響を及ぼさないことに注意すべきである（例えば、基本では１０６４ｎｍ：５００ｋＨｚで８．４ピコ秒及び１０ｋＨｚで９．１ピコ秒など）。
【０１２６】
レーザ発生閾値より下では、幅広い蛍光的背景の上に連続するほぼ等間隔を置いたＷＧＭスペクトルが認められる。レーザ発生閾値より上では、数本の非常に強く狭い線がスペクトルを特徴付けている。蛍光的背景は、レーザ発生閾値より下ではその強さの約３０％まで落ち込んでおり（図３（ｂ）の差込図参照）、蛍光強度の大部分がレーザ発生モード中に放射されていることを示している。レーザ発生閾値より上の稼働での信号対雑音比の大幅な改善がはっきりと認められる。両スペクトルの取得時間は０．０１１秒にすぎず、この技術による検知では高時間分解能が達成できることに注意すべきである。
【０１２７】
レーザ発生の開始に関する手がかりを得る為に、１０ｋＨｚの一定のパルス繰返し率で励起電力を変化させた。スペクトルごとに、特徴的なレーザ発生モードを選択し、均質及び不均質な広がりに適応するようにフォークトプロフィルによってフィッティングした。ピーク強度の尺度として、対応するピークの積分ピーク面積が図４に示されている。図４には、４つの異なる実験の平均値が示されており、エラーバーは、フィッティングルーチンによって与えられる面積の標準偏差のガウス伝搬誤りを示す。
【０１２８】
励起電力によるピーク強度の発展は、一方の状態は約０．０２５ｍＷまでの低い傾きを有し、他方の状態はその値を上回るより高い傾きを有するはっきりと２つの異なる線形領域を呈する。図４に示すようなこれら２つの領域を線形フィッティングし、結果的に生じる２つの線形方程式を等しいとおくと、２本の線形フィットの交点によって図４に示されるように３２μＷのレーザ発生閾値が得られる。
【０１２９】
図４の差込図はより広い測定範囲を示す。非常に高い励起電力では、染料があまりに速く退色する為、ピーク強度は線形挙動から外れる。従って、レーザ発生閾値の決定には、図４の主要図に示すデータを評価した。
レーザ発生の開始は、典型的には、対応するモードの帯域幅の狭小化、従って更には、モードのクオリティ因子の増加を伴う。観測されるスペクトルの変化は実際にはレーザ発生の開始によって引き起こされるというのが実際には事実である、即ちより正確であるということが、図５に示すように励起電力の増加と共に帯域幅が発展することから分かる。３０μＷより下では、各モードのＦＷＨＭ幅は約０．４５ｎｍであり、その値より上では約０．１２ｎｍまで急激に低下し、その場合これらのＦＷＨＭ幅は、励起電力がそれ以上増加してもほとんど影響を受けない（図５（ａ））。従って、各モードのクオリティ因子は、レーザ発生閾値より下での約１５００から上での約５０００まで増加する。文献（アーノルド等 (S. Arnold et al.) 著「オプティクス  エクスプレス（Opt. Express）２８巻 （Vol. 28）」pp. 272-274, 2003年;リン等 (Y. Lin et al.) 著「プロシーディングス  オブ  ＳＰＩＥ  ザ  インターナショナル  ソサイエティ  フォー  オプティカル  エンジニアリング(Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering)６４５２巻 （Vol. 6452）」pp. 64520Ｕ/1-8, 2007年）で指摘されているように、光学的検知に使用されるときにＷＧＭ共鳴体の検出限界には高いクオリティ因子が重要であり、その為、レーザ発生閾値より上でマイクロ共鳴体を稼働すると、３倍を上回る感度限界の改善がなされる。
【０１３０】
以下の実施例２〜９は、上述したのと同じ実験設備を使用して行った。
【０１３１】
実施例２：レーザ発生閾値の上と下とでそれぞれ稼働されたＷＧＭセンサによるＢＳＡ吸着のモニタリング
レーザ発生閾値より上で光学的マイクロ共鳴体を稼動させるときの光学的検知における感度及び性能の期待される改善を解明する為に、ビーズ表面上へのＢＳＡ吸着に関する以下の検討を行った。
【０１３２】
実施例１において検討したナイルレッドドープＰＳビーズをＰＤＭＳから製作されたマイクロ流体チャネル中に配置し、次いで、ＰＢＳ緩衝液の一定の流れに曝した。ＷＧＭ位置が安定したことが判明した後で、この流れを０．０１％のＢＳＡを含むＰＢＳ緩衝液に変更した。次いで、ビーズ表面へのＢＳＡ吸着に反応したＷＧＭモード位置の変化をその場で、リアルタイムでモニターした。
【０１３３】
実験
上述の実施例の場合と同様にセンサの製作、励起及び検出を行った。ＰＢＳ中の０．０１％ＢＳＡ溶液を、３３．７５μＬ／分の一定の流量でマイクロ流体フローセルに流した。励起レーザを１０ｋＨｚの固定された繰返し率に設定し、レーザ発生閾値より下（１５μＷ）又は上（５５μＷ）のどちらかの電力で稼動させた。スペクトルの取得時間は、１回の蓄積で、閾値より下での測定では５秒、閾値より上での測定では０．１秒に設定した。また、測定される吸着動力学の参照として、この実験を、ＰＳＳ末端化金チップ及びＷＧＭ実験で使用したのと同じ質量流量をもたらす流量を使用して、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）装置（ＢｉａｃｏｒｅＸ、ビアコア株式会社、日本、東京）によっても行った。
【０１３４】
結果
ＢＳＡ吸着実験の結果が図６に示されており、図６では、（ｉ）レーザ発生閾値より下の１５μＷ励起電力で稼動されたビーズ（白抜きの四角）、（ｉｉ）閾値より上の５５μＷで稼動されたビーズ（白抜きの円）、及び（ｉｉｉ）検討された２つのＰＳビーズと同じ連続するＰＥ層で被覆された金表面上でのＳＰＲ測定から得られる参照動力学について得られた動力学を比較している。異なるチャネル断面積の為、ＳＰＲ流量を、ＷＧＭ実験の場合と同様に同じ体積流束が達成されるように設定した。個々のスペクトルの取得時間は、閾値より上のＷＧＭスペクトルでは０．１秒に、閾値より下のＷＧＭスペクトルでは５秒に設定した。この５０倍の差にもかかわらず、閾値より下の動力学は高雑音を呈し、閾値より上の動力学は、２秒間隔でデータ収集を行うＳＰＲの信号品質に匹敵する程のわずかな雑音しか伴わない非常にスムーズな進展を示している。しかしながら、ＳＰＲ計器は、約０．４ｍｍ２の顕微鏡的表面積に亘ってサンプリングし、センサは５００分の１の面積に亘って検知を行うものであり、そのこともまた閾値より下の測定における雑音を説明し得ることに留意すべきである。
【０１３５】
明らかに、閾値より上の動力学は他の２つの動力学よりずっと速い。この差の原因はまだ明らかになっていないが、熱の影響に起因する可能性もあり、又は、分子を分極させ、ビーズ表面へと向かう動きを生じさせる可能性のある、ＰＳビーズの近傍におけるより高い場の強さに関連するものである。何れにしても、分子の生体分子機能がそのような影響を受けない限り、それ以外については拡散律速される吸着の加速が、特に生物医学的診断用途においては望ましいはずである。従って、発明者等は、将来これらの影響をより詳細に検討するつもりである。
【０１３６】
更に、初期吸着段階においては、レーザ発生閾値より下と上とで得られるＷＧＭ動力学はどちらも、図３の差込図から分かるように、ＳＰＲと比べて発展が遅延する。ＳＰＲは基本的にはラングミュア吸着動力学（ｋａｄｓ＝（０．０１２４±５  １０−５）１／ｓ）に似ているが、ＷＧＭセンサの場合のより遅い反応は、ＢＳＡ濃度の漸進的変化を示し、その原因は、ＷＧＭ実験でのマクロ的値のバルブ及び管の使用にある可能性も考えられる。
そのような未解決の問題にもかかわらず、測定は、Ｓ／Ｎ比を考慮した低ＱのＷＧＭバイオセンサの性能、取得の速度、及び検出限界の改善をはっきりと示している。
【０１３７】
実施例３：液体におけるレーザ発生
マイクロキャビティにおけるレーザ発生は、関連技術（クワタ−ゴノカミ及びタケダ(M. Kuwata-Gonokami and K. Takeda)著「オプティカル  マテリアルズ（Opt. Mater.）９巻 (Vol.9)」 pp. 12-17, 1998年））においてすでに達成されているが、液体においてはまだ達成されていない。図７に、空気中におけるレーザ発生と水中におけるレーザ発生との比較の結果を示す。空気中では、文献中に見出されるように、キャビティモードスペクトルは、様々な次数のキャビティモードが励起される為、かなり複雑に見える（図７上側（Ｉ）参照）。これとは対照的に、水中では、最低次のモードだけが励起され、十分に分離された非常に狭い帯域をもたらす（図７上側（ＩＩ）参照）。これは、マイクロレーザの稼動に有利である。というのは、（ｉ）全放射電力がより少ないモード間で共用され、よって、個々のモードのレーザ発生閾値への到達が円滑化され；（ｉｉ）隣接するモード間にオーバーラップが生じず、検知用途では重要なピークシフトの検出が容易になるからである。後者の一例として、図７の下側（Ｉ）（ＩＩ）に、幾つかの励起電力について、図７の上側（Ｉ）（ＩＩ）の小さいピーク領域を拡大したものを示す。乾燥状態では、２つの近くに位置するモードがレーザ発生を開始し、それによって、それらの位置の決定がより難しくなることが分かる。右側では、単一のモードだけが見られ、よって、（検知の）応用が容易になる。
【０１３８】
実施例４：高速取得
レーザ発生の別の重要な特徴が、各モードのより高い強度、即ち、各モードのより高い放射電力である（非レーザ発生とレーザ発生とを比較したときの図３及び図７からも見て取ることができる）。この高電力の為に、液体環境におけるＷＧＭの高速取得が可能になる。図８に、（図８（Ｉ）の）１コマあたり０．０５秒と、（図８（ＩＩ）の）１コマあたり０．０１１秒のＣＣＤカメラの最高速度とで続けて取得された連続する１０スペクトルを示す水中における１５μｍＰＳビーズに関する高速取得実験の結果を示す。パルス繰返し率１０ｋＨｚ、顕微鏡対物レンズをそのままにした平均出力４６μＷ（スペクトルは下から上へと続いて測定される）。図８に示すように、ＣＣＤカメラは、約１０ミリ秒である、その最速の取得速度で稼動させることができ、それでもなお有用なスペクトルを取得することができる。これは、信号対雑音比がずっと低い為、レーザ発生なしでは不可能であった。従って、キャビティモードセンサをレーザ発生閾値より上で稼動させることは、以前には実現できなかった、高速でのリアルタイムのモニタリングを可能にする。
【０１３９】
実施例５：レーザ発生閾値のパルス繰返し率への依存性
レーザ発生を達成する為には、典型的には、ＰＳビーズに組み込まれた染料の励起の為にパルスレーザを当てる。９ピコ秒の単一パルス幅及び可変繰返し率を有する５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用した。繰返し率、即ち、パルス系列（それぞれ９ピコ秒の持続期間を有する連続したパルス）は、５００ｋＨｚから１０ｋＨｚ以下まで変化させることができる。図９に、空気中で顕微鏡カバーガラス上に置かれた１５μｍＰＳビーズにおけるＷＧＭレーザ発生の励起の為に使用されたレーザの繰返し率に対するレーザ発生閾値の依存性を示す。図９では、全スペクトルを、９．２μＷの平均出力で、ただし５００ｋＨｚ（図９（ａ））、２００ｋＨｚ（図９（ｂ））、１００ｋＨｚ（図９（ｃ））、５０ｋＨｚ（図９（ｄ））、２０ｋＨｚ（図９（ｅ））及び１５ｋＨｚ（図９（ｆ））のパルス繰返し率で取得した。明らかに、レーザ発生閾値には、２０ｋＨｚと１５ｋＨｚの２つの最低繰返し率についてのみ到達しており、これらの場合においてのみ、個々のレーザパルスのパルスエネルギーが、所与の実験条件下でのビーズのレーザ発生閾値を克服するのに十分な高さであることを示している。よって、単に、実験の他の全てのパラメータを一定にしたままでポンプレーザの繰返し率を切り換えることによって、マイクロキャビティを非レーザ発生からレーザ発生状態に容易に切り換えることができ、その逆も同様である。
【０１４０】
実施例６：誘導放射状態で稼動されるマイクロ共鳴体のクラスタ
上記の実施例では、他の蛍光マイクロ共鳴体と（光学的に）接触しない個々の蛍光マイクロ共鳴体をレーザ発生閾値より下と上とで検討し、稼動させた。以下の実施例では、分離されたマイクロ共鳴体ではなくマイクロ共鳴体のクラスタを使用することの影響を説明する。
【０１４１】
実験
１５μｍの公称直径を有するＰＳビーズをナイルレッドでドープし、水環境においてカバーガラス上に配置した。マイクロ共鳴体及びそのクラスタを、可変繰返し率（１０〜５００ｋＨｚ）及び９ピコ秒のパルス幅を有するＮｄ：ＹＡＧピコ秒レーザの第２高調波によって励起した。レーザ放射は、マイクロ共鳴体の励起及び検出が同じ顕微鏡対物レンズ（ニコン１００×）によって媒介されるように、内蔵式蛍光フィルターブロックを介して倒立顕微鏡内に結合した。パルスエネルギーは、第２高調波発生に使用される非線形光結晶の前のラムダ・ハーフ・プレートを回転させることによって、又は単に、平均出力を一定に保ちながらレーザパルスの繰返し率を変化させることによって変化させることができるはずである。検出には、上述の実施例の場合と同じシステムを適用した（アンドール製冷却ＣＣＤカメラを備えるホリバ・ジョバンイボン製Ｔｒｉａｘ  ５５０）。
【０１４２】
結果
図１０に、レーザ発生閾値より上と下とで励起された、どちらも基本的に等しい辺の長さの三角形を形成する（図１１の略図参照）、１５μｍＰＳビーズの２つの異なる三量体から得られたＷＧＭスペクトルを示す。ＷＧＭスペクトル（ｃ）は、レーザ発生閾値より下で取得され、上述の実施例で見られる指紋線形に似ている。この三量体が閾値より上で励起されるとき（スペクトル（ｂ））、この線形は大幅に変化する。というのは、必ずしも全てのＷＧＭが同じ条件の下で、同じ効率でレーザ発生閾値に達するとは限らないからである。相対強度の変化に加えて、スペクトル（ｂ）では特に少数のモードが観測できる。とはいえ、これら２つのスペクトルを比較すると、スペクトル（ｂ）で観測される全てのモードが閾値より下（ｃ）のＷＧＭスペクトルのピークに関連付けられ得ることが示される。しかしながら、「失われた」ピークはスペクトル（ｂ）には依然として存在し、これらのピークは、レーザ発生モードに比べてその強度がずっと低い為に背景に「埋め込まれる」ことに注意すべきである（図１０のスペクトルは、モード位置及び一般線形の比較を容易にする為にその個々の最大強度に正規化し、明確化の為に縦方向にずらすように正規化した）。
【０１４３】
これらの閾値より下と上でそれぞれ線形が明らかに異なる為に、本実施形態についての最重要課題は、モードの数がより少ないにもかかわらず、スペクトルの指紋特性が誘導放射状態においても維持され得るかどうかである。これが当てはまることは、第二の三量体からのレーザ発生条件の下で得られたスペクトル（ａ）で例示される。ＰＳビーズのサイズ分布により、異なるレーザ発生モードはスペクトル（ｂ）と比べて異なる位置に現れる。また線形も、更に多くのモードが存在する為に異なる。これは、マイクロ共鳴体のクラスタに基づくセンサが、ずっと良好な信号対雑音比及びレーザ発生モードのより狭い線幅を活かしつつ、幾分変更されるとはいえ、その個々の指紋を失わずにレーザ発生閾値より上で稼動され得ることを示す（２００８年１１月７日出願の米国仮特許出願第６１／１１２，４１０号参照）。特に、より狭い線幅は、更に一層小さい波長シフトがより狭いモードで解決され得る為、センサの感度を更に改善する。
【０１４４】
実施例７：選択的レーザ発生によるクラスタ内のマイクロ共鳴体の選択的分析
この実施例は、レーザ発生閾値より上でマイクロ共鳴体のクラスタを稼動させる可能性を更に探求する。レーザ発生モードと非レーザ発生モードとの放射強度の著しい差により、クラスタ内の個々のマイクロ共鳴体をレーザ発生閾値より上で別々に稼動させることができれば、個々のマイクロ共鳴体のＷＧＭスペクトルを個別に考慮して分析することができる。そのような場合、そのクラスタの他の非レーザ発生メンバーから現れる指紋スペクトルは、上述の実施例（図１０）に示すように、単に背景に埋め込まれるにすぎない。
【０１４５】
図１１にこの手順を例示する（実験の詳細は実施例６と同じ）。図１１の略図で示すように、レーザビームを異なる領域に合わせることにより三量体を異なる方法で励起させた。ビーム焦点の直径は約３０μｍであり、よって、公称粒子直径の約２倍であったが、ビーム中心では約４倍高い強度を有し、これによりレーザ発生閾値より上で三量体内の個々のマイクロ共鳴体の選択的ポンピングが可能になった。スペクトル（ａ）は、ビーム中心を三量体の中心に位置合わせすることにより、よって、閾値より上で３ビームすべてをポンピングすることにより取得した。次いで、スペクトル（ｂ）〜（ｄ）を、ビーム中心を略図に示される異なるビーズ上に位置合わせすることにより得た。スペクトル（ｂ）及び（ｄ）は、個々のビーズのレーザ発生をはっきりと示し、スペクトル（ｃ）は閾値より下である。図１１は、達成された異なるＷＧＭ達成強度の直接比較の為に、ＣＣＤカメラを用いて取得された非正規化生データ（０．１秒の取得時間を１０回の取得に亘って累積した）を示すものであることに注意すべきである。スペクトル（ｃ）はその強度が低い為、図１１（ｃ’）の上半分にその拡大図が示されている。スペクトル（ｂ）〜（ｄ）は全て、水中の個々のビーズから得られたＷＧＭの特性を示し（図３ａ、及び例えば、ジルストラ等（P. Zijlstra 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. 161101/1-3, 2007年；パン等（S. Pang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.) ９２巻 (Vol. 92)」 pp. 221108/1-3, 2008年参照）、よって、選択されたビーズの個々の分析を可能にするものである。しかしながら同時に、このクラスタは、特徴的な指紋スペクトルを呈し、それによってその識別を容易にするものでもある（２００７年１２月３１日出願の米国仮特許出願第６１／０１８１４４号、２００７年４月２６日出願のＰＣＴ国際公開出願第ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５９４４３号、及び２００８年１１月５日出願の米国仮特許出願第６１／１１１，３６９号参照）。これら２つの結果を組み合わせて、まず、（クラスタの全（大部分の）メンバーの閾値より上での励起による）その特徴的な指紋スペクトルによってそのホストクラスタを識別し、それに続いて求められるビーズのみの閾値より上での選択的励起を行うことによって、表面上の個々のマイクロ共鳴体に対処することができる。１つのクラスタ内のマイクロ共鳴体の数は通常は少ない（典型的には、２〜８）為に、そのクラスタ内の個々のマイクロ共鳴体は、同じクラスタ内の懸濁液中の何千もの粒子の中からの（検出システムの分解能内での）同一サイズの２つの粒子を有する可能性を非常に低くする、個々のマイクロ共鳴体のサイズのばらつきに起因するその単一粒子スペクトルによって区別し得ることに注意すべきである。クラスタ内の個々のマイクロ共鳴体に対処するこの方法は、例えば、ビーズ半径及び／又は他のパラメータ、例えば、周囲の屈折率及び／又は吸着物質の特性等が正確に決定される必要があるときに、関心対象となり得る。そのような場合には、異なるマイクロ共鳴体サイズ及び異なるモード偏光（ＴＥ、ＴＭ）に起因するＷＧＭモードシフトのわずかな差が正確に測定され、測定のより���度な分析の為に使用され得る。また、同じクラスタ内の異なるマイクロ共鳴体が、例えば、異なる（生物）分子を標的とし、又は参照目的で不活性化層を持つ為に異なる官能化を有する場合にも、クラスタ内のマイクロ共鳴体の個々の読み取りが求められ得る。そのような場合には、指紋スペクトルの基本的な考え方が、クラスタを構成する個々のマイクロ共鳴体の波長シフトのわずかな差の為に、又はクラスタのマイクロ共鳴体の部分の指紋スペクトルの分析によって維持され得る。後者の場合には、部分スペクトルを、（例えば、異なる部分について測定された個々の波長シフトに従って波長軸を補正し、続いて補正された部分スペクトルを数値的に重ね合わせるなどにより）その指紋全体が維持されるように、数値的にオーバーラップさせてもよい。
【０１４６】
実施例８：複数の蛍光物質を適用するクラスタ内のマイクロ共鳴体の選択的分析
上述の実施例では、クラスタ内のマイクロ共鳴体の選択的分析を、それぞれレーザ発生閾値より上と下とでのモード強度の著しい差を利用して達成した。より一般的には、そのようなモード強度の著しい差は、クラスタの異なるメンバーに異なる励起スキームを利用することによって達成され得る。染料ドープされたＰＳビーズを適用するこれらの実施例では、そのような異なる励起スキームは、粒子を異なる蛍光染料でドープし、選択的染料励起を可能にする適切な励起波長を有する励起光源を利用することにより容易に達成され得る。そのような異なるやり方でドープされた粒子の放射波長範囲は、用途によってオーバーラップする場合もオーバーラップしない場合もある。オーバーラップする放射波長範囲は、上述の実施例で論じたようにオーバーラップ領域において指紋スペクトルを生成するという選択肢を提供し、従って、多重化用途などにおいて好ましい適用を見出し得る（上記２００８年１２月３１日出願の米国仮特許出願第６１／０１８１４４号参照）。また、これらの範囲は、適用されるあらゆる種類のマイクロ共鳴体からの信号の検出に同じ設定を使用することができる為、検出設定を円滑化することもできる。以下では、選択的マイクロ共鳴体励起の為のこの代替のスキームが、レーザ発生閾値より上でのマイクロ共鳴体の選択的励起に基づくスキームと有益に組み合わせることができることを示す。
【０１４７】
実験
オーバーラップする放射波長領域で異なる励起を用いてＰＳビーズを得る為に、１５μｍＰＳビーズをＣ６Ｇとナイルレッドの混合物でドープした。実施例１及び２に示すように、Ｃ６Ｇは４４２ｎｍで励起することができ、ナイルレッドはこの領域ではほとんど吸収しない。Ｃ６Ｇは４９０〜５５０ｎｍの範囲で放射し、これは基本的にはナイルレッド励起の範囲である。従って、両方の染料を含むビーズは、その放射がビーズ中に存在するナイルレッドを励起するＣ６Ｇによる４４２ｎｍでも、ナイルレッドが直接ポンピングされる５３２ｎｍでも励起することができる。どちらの場合にも、放射波長範囲は約５８０ｎｍから６５０ｎｍまでであり、よって基本的には、ナイルレッドだけでドープされたＰＳビーズの放射波長範囲と一致する。
【０１４８】
粒子励起の為に、４４２ｎｍで稼働されるＨｅＣｄレーザ及び５３２ｎｍで稼働されるＮｄ：ＹＡＧピコ秒レーザを上述の実施例の場合と同様に当てた。２つのレーザビームのビーム誘導に異なる光学的装置を使用した為（ＨｅＣｄレーザは図５に示すサンプルの上から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは顕微鏡対物レンズを通して）、クラスタを、両方のビームに同時に、且つ／又はビームの一方だけに苦も無く曝すことができた。
【０１４９】
サンプル（ＰＳビーズのクラスタ）を、一部はＣ６Ｇ及びナイルレッドでドープされ、一部はナイルレッドだけでドープされた１５μｍＰＳビーズの混合物を水中で分散させることによって調製し、洗浄された顕微鏡カバーガラス上に載せた。クラスタは、実際にはクラスタ内の一部のビーズだけを４４２ｎｍ放射によって励起することができ、それ以外は励起することができないことを検証することによる分析の為に選択した。以下ではそのような「混合された」クラスタを検討する。
【０１５０】
結果
第１のステップで、使用した２種類のビーズ（ナイルレッドだけでドープ：「タイプＩ」；Ｃ６Ｇ及びナイルレッドでドープ：「タイプＩＩ」）が実際にはオーバーラップする放射波長領域において異なる放射強度を達成することを検証した。これは、２種類の単一のマイクロ共鳴体を２つの異なる励起源に曝すことにより検証した。図１２に典型的な結果を示す。上側半分では、タイプＩの単一のＰＳビーズが、それぞれ、４４２ｎｍ放射（ａ）と５３２ｎｍ放射（ｂ）とに曝されている。明らかに、５３２ｎｍ放射はＷＧＭを励起するのにずっと有効である。図１２のスペクトルは、そのＷＧＭ強度の直接比較の為にＣＣＤカメラから得られた非正規化生データを示すものであることに注意すべきである（スペクトル（ｂ）は明確化の為にわずかにずらした）。また、レーザ強度は、同様の強度のＷＧＭスペクトルを達成するように設定した。ＨｅＣｄレーザは中程度の出力のｃｗレーザである為、レーザ発生は達成することができなかった。従って、ピコ秒Ｎｄ：ＹＡＧレーザも閾値より下で稼働した。
【０１５１】
図１２の下側半分には、タイプＩＩビーズから得られたスペクトルが、それぞれ、４４２ｎｍ放射（ａ）と、５３２ｎｍ放射（ｂ）とを用いた励起について示されている。このビーズにはＣ６Ｇが存在する為、ナイルレッドは、Ｃ６Ｇ放射によって実質的に励起することができ、この為、ビーズから得られるＷＧＭスペクトルは基本的に励起源とは無関係である。
【０１５２】
従って、クラスタの指紋スペクトルは、５３２ｎｍでのクラスタの励起によって得られ、その場合、利用される全てのビーズを効果的に励起し、４４２ｎｍ放射を使用することによって個々のビーズ（タイプＩＩのみ）に対処することができる。
【０１５３】
この原理を実証するものとして、図１３に、４４２ｎｍ放射（ａ）と５３２ｎｍ放射（ｂ）とでそれぞれ励起された混合二量体（タイプＩのビーズ１とタイプＩＩのビーズ１）から得られた正規化スペクトルを示す。スペクトル（ａ）では、（おそらくはタイプＩビーズに由来する）他のモードからのわずかな寄与があるにもかかわらず、水環境における単一ビーズの一次ＴＭ／ＴＥ対特性（図３ａ、及び、例えば、ジルストラ等（P. Zijlstra 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. 161101/1-3, 2007年；パン等（S. Pang et al.）著「アプライド  フィジックス  レターズ (Appl. Phys. Lett.) ９２巻 (Vol. 92)」 pp. 221108/1-3, 2008年）がはっきりと識別され、よって、タイプＩＩビーズの分析に使用され得る。次いで、タイプＩビーズに関する情報が、例えば、スペクトル（ｂ）からスペクトル（ａ）を差し引くことによって得られる。しかしながら、この場合には、タイプＩビーズに関する情報にアクセスするのに、励起レーザの異なる放射特性を利用する。スペクトル（ｃ）に示すように、５３２ｎｍ放射のポンプ強度はレーザ発生閾値より上に上昇し、よって、タイプＩビーズのみのレーザ発生スペクトルをもたらした（実施例６及び７参照）。この場合もやはり、スペクトルは特有のＴＭ／ＴＥ対を呈するが、しかしながらこの場合には、タイプＩビーズのみのＷＧＭを示す（他の全ての非レーザ発生モードは上述の実施例で論じたように背景に埋め込まれる）。タイプＩビーズだけがレーザ発生する理由は、使用された粒子群においては、Ｃ６Ｇ／ナイルレッドでドープされたビーズは、ナイルレッドだけでドープされたビーズ（図１２参照）よりも幾分広い帯域幅を、而して低いＱ−因子を呈したという知見に関連するものである。この差の理由は目下のところ明確ではないが、タイプＩビーズの選択的レーザ発生には使用され得る。というのは、一般に、最高のＱ−因子を有するモードは最低のレーザ発生閾値を示すからである。従って、ポンプ強度の適切な選択により、タイプＩビーズのみのレーザ発生を達成することができるはずである。
【０１５４】
後者の手順は、クラスタ内の個々のマイクロ共鳴体に関する情報を得るのに選択的励起の為の異なるスキーム（それぞれ異なる蛍光染料及びレーザ発生の使用）が組合わされてもよいこと、並びに個々のスペクトルが、その励起に利用されるスキームに応じて、レーザ発生閾値より下及び上で獲得され得ることを示している。
【０１５５】
この実施例に示す手順の用途は、基本的には、実施例７の最後で論じた用途と同じである。即ち、改善された分析と、クラスタ内の異なる官能化を有するマイクロ共鳴体の適用とに関連するものである。
【０１５６】
実施例９：濃密媒体におけるマイクロレーザ
この実験は、濃密媒体中に自由に浮遊するマイクロレーザとしての本実施形態のマイクロレーザの適用性の試験として設計した。濃密媒体の例としては、それぞれ、高濃度タンパク質溶液と組織等の固体の生物学的材料とのモデルシステムとして１０％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液と凝固ゼラチンとを選択した。
【０１５７】
実験
ＷＧＭセンサ、即ちナイルレッドドープ１５μｍＰＳビーズ、励起の為のレーザ、及び検出システムは上述の実施例の場合と同じとした。モノクロメータを、６００Ｌ／ｍｍ回折格子、１０μｍの入口スリット幅で利用した。ＣＣＤカメラの露光時間設定は、それぞれ、閾値より上のスペクトルでは０．１秒間、閾値より下のスペクトルで１秒間であった。顕微鏡対物レンズ（１００×）における５３２ｎｍピコ秒放射の平均出力は１０ｋＨｚで５１μＷ、５００ｋＨｚで５３μＷであった。ニコン倒立顕微鏡は、検討されるマイクロビーズ上の出力密度を変更する為に４０×顕微鏡と１００×顕微鏡とで切り換えた。選択されたマイクロビーズがサンプルの表面にではなく、検討される濃密媒体の体積中に位置することを証明する為に、まず、低倍率の顕微鏡対物レンズの焦点を媒体の上側境界と下側境界とに（例えば、媒体を含むカバーガラス上に）合わせ、次いで、体積を通してゆっくりと調整した。それによって個々の物質の内部体積中に位置するビーズを識別した。ゼラチンはビーディー・ディフコ（ＢＤ  Ｄｉｆｃｏ）から得、ＰＢＳ中のＢＳＡ１０％溶液はエムピー  バイオケミカルズ（ＭＰ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ）から得た。ＢＳＡ溶液は受け取ったものを使用し、ゼラチンは、（３ｗｔ％及び５ｗｔ％の）脱イオン水と混合し、撹拌し、摂氏４５度まで３０分間加熱し、次いで、ビーズ懸濁液（１５μＬビーズ懸濁液／１９８５μｌ水）と混合し、ファルコン（Ｆａｌｃｏｎ）製１．５インチＰＳペトリ皿の蓋に注ぎ、摂氏４度で凝固させた。凝固後、ペトリ皿を逆さまにして倒立顕微鏡の台に載せ、内部体積中のビーズを選択し、検討した。
【０１５８】
結果
濃密媒体中の自由に浮遊するマイクロレーザの稼働性の第１の証拠として、図１４に、１０％ＢＳＡ溶液中で自由に浮遊するマイクロビーズに４０×対物レンズの焦点を交差させることにより得た一連のＷＧＭスペクトルを示す。スペクトルは、１秒間の時間間隔（０．１秒の取得時間）においてリアルタイムで得た。レーザは、顕微鏡対物レンズの焦点の中心にある場合のレーザ発生閾値より上でのマイクロビーズの稼働を可能にするように１０ｋＨｚの繰返し率に設定した。図から明らかになるように、ＷＧＭはまず閾値より下で励起され、次いで、ビーズが焦点を通る間に、閾値より上でも励起される（レーザ発生モードのガウス強度分布から明らかである。図３参照）。次いで、ビーズはレーザ放射の励起領域を離れ、蛍光信号が消える。ビーズが内部体積中に位置決めされたことは、実験開始前に上述の方法によって判定し、実験終了直後に再度確認した。よって、本実施形態の球状マイクロレーザとして使用されたマイクロビーズは、実際に、その光学的キャビティモード（この場合にはＷＧＭ）の分析によって光学的検知に利用され得る、自由に浮遊する遠隔制御マイクロレーザとして適用され得ることが証明される。また、これらの本質的に遠隔操作可能なシステムは、１０％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液中に浸漬された自由に浮遊する（ａ、ｃ）マイクロレーザ及び表面吸着された（ｂ、ｄ）マイクロレーザの、レーザ発生閾値より上（Ｉ）と下（ＩＩ）とのＷＧＭスペクトルを比較する図１５に示すように、表面に吸着されたときにも稼働され得る。閾値より上と下での稼働を切り換える為に、励起レーザの繰返し率を変更した（閾値より上の稼働では１０ｋＨｚ、閾値より下の稼働では５００ｋＨｚ）。図示のスペクトルは個々の場合の典型的な代表例である。典型的には、表面吸着マイクロレーザはより高いレーザ発生閾値を示し、その一部は、選択の条件の下ではレーザ発生を全く示さなかった。しかしながら、図１６に示すように、４０×対物レンズから１００×対物レンズに切り換えることによりマイクロレーザ上の出力密度が増加すると、これらのビーズにおいてもレーザ発生が達成され得る。これは、表面吸着マイクロレーザが、表面相互作用により高い損失を被り、よって、稼働させるのがより難しいという先験的な仮定を証明するものである。しかしながら驚くべきことに、一次ＷＧＭの一部のＱ−因子は、それでもなお、十分に高い励起電力でのレーザ発生を可能にするのに十分な高さである。詳細には、図１６のＷＧＭスペクトル（ｃ）に、４０×対物レンズを用いて１０ｋＨｚで、即ち、図１５に示す条件の下で得られたスペクトルが示されている。明らかに、このビーズは、５００ｋＨｚ（４０×対物レンズ（ａ）、１００×対物レンズ（ｂ））で得られたスペクトルとの比較から分かるように、レーザ発生していない。しかしながら、１０ｋＨｚ繰返し率で１００ｘ対物レンズに切り換わると、各モードのガウス強度分布から結論付けられ得るように、このビーズはレーザ発生を開始する。これは、本実施形態の球状マイクロレーザが、濃密媒体中で自由に浮遊する状態でも、その表面の少なくとも１つに接触していても使用され得ることを証明するものである。
【０１５９】
別の重要な予期されない結果が、固体媒体中の球状マイクロレーザの稼働に関連するものである。この可能性の第１の証明として、ナイルレッドドープ１５μｍＰＳマイクロビーズを、それぞれ、３ｗｔ％と５ｗｔ％の固形分を有するゼラチンに埋め込んだ。ゼラチンの内部体積中のビーズを上述のように識別した。図１７に、２種類のゼラチン（５％（ａ）、３％（ｂ））中のそのようなビーズのレーザ発生閾値より上でのＷＧＭスペクトルをそれぞれ示す。明らかに、特にレーザ発生モードのＷＧＭは、依然として優れた品質を有し、よって、固体濃密媒体内の検知用途に利用され得る。ゼラチンは、主要な組織成分であるコラーゲンからなる。よって、本実施形態の球状マイクロレーザは、組織に関連するもののといった固体材料中でさえも稼働され、よって例えば、上述のような生物医学的用途などに適用され得ることが証明される。
【０１６０】
付加的な優位点及び変更は、当業者には容易に行われるであろう。従って、より広い側面における本発明は、ここにおいて示し、記述した特定の詳細及びそれぞれの実施形態に限定されることがない。従って、種々の変更は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物により定義される一般的な発明の概念の精神又は範囲から離れることなくなされてもよい。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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