"光トラップ装置であって、基板の上方に配置されたフォトニック導波路と、上記基板の上方に配置され、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、上記フォトニック結晶共振器は、このフォトニック結晶共振器内に配置された複数の周期的構造を含み、このフォトニック結晶共振器の化学的機能化を欠いている光トラップ装置。請求項1に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器と離間して結合されていることを特徴とする光トラップ装置。。請求項1に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器と一体に結合されていることを特徴とする光トラップ装置。請求項1に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約200ナノメートルから約500ナノメートルまでの厚さを有し、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約200ナノメートルから約1000ナノメートルまでの線幅を有することを特徴とする光トラップ装置。請求項2に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器から、約50ナノメートルから約400ナノメートルまでの分離距離で離間されていることを特徴とする光トラップ装置。請求項1に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、単結晶シリコン材料を含むことを特徴とする光トラップ装置。光トラップ装置であって、基板の上方に配置されたフォトニック導波路と、上記基板の上方に配置され、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、上記フォトニック結晶共振器は、このフォトニック結晶共振器内に配置され、かつこの光トラップ装置で使用される試料流体によって吸収されない共振波長を有するフォトニック材料を含んでいる光トラップ装置。請求項7に記載の光トラップ装置において、上記試料流体は水を含み、上記フォトニック材料は窒化シリコンを含み、上記共振波長は約700ナノメートルから約1200ナノメートルまでであることを特徴とする光トラップ装置。請求項8に記載の光トラップ装置において、上記共振波長は約1064ナノメートルであることを特徴とする光トラップ装置。請求項7に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路は、約50ナノメートルから約400ナノメートルまでの分離距離で、上記フォトニック結晶共振器と離間して結合されていることを特徴とする光トラップ装置。請求項7に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路は、上記フォトニック結晶共振器と一体に結合されていることを特徴とする光トラップ装置。請求項7に記載の光トラップ装置において、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約200ナノメートルから約500ナノメートルまでの厚さを有し、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、約200ナノメートルから約1000ナノメートルまでの線幅を有することを特徴とする光トラップ装置。光トラップ方法であって、光トラップ装置を設け、その光トラップ装置は、基板の上方に配置された流体チャネルと、上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されたフォトニック導波路と、上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されると共に、上記フォトニック導波路と結合されたフォトニック結晶共振器とを備え、このフォトニック結晶共振器の化学的機能化を欠いており、上記流体チャネル中に粒子含有流体を導入し、上記フォトニック導波路中に共振フォトニック輻射を導入して、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器との少なくとも一方で、上記粒子含有流体から粒子をトラップすることによって、上記光トラップ装置を作動させる光トラップ方法。請求項13に記載の光トラップ方法において、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器の各々は、単結晶シリコン材料を含み、上記共振フォトニック輻射は、約1550ナノメートルの波長を有することを特徴とする光トラップ方法。請求項13に記載の光トラップ方法において、上記作動は、上記フォトニック導波路に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。請求項13に記載の光トラップ方法において、上記作動は、上記フォトニック結晶共振器に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。請求項13に記載の光トラップ方法において、上記作動は、上記フォトニック結晶共振器と上記フォトニック結晶共振器との両方に順次粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。光トラップ方法であって、光トラップ装置を設け、その光トラップ装置は、基板の上方に配置された流体チャネルと、上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置された窒化シリコンフォトニック導波路と、上記基板の上方で、上記流体チャネル内に配置されると共に、上記フォトニック導波路と結合された窒化シリコンフォトニック結晶共振器とを備え、上記流体チャネル中に粒子含有流体を導入し、上記フォトニック導波路中に共振フォトニック輻射を導入して、上記粒子含有流体を感知可能には加熱することなく、上記フォトニック導波路と上記フォトニック結晶共振器との少なくとも一方で、上記粒子含有流体から粒子をトラップすることによって、上記光トラップ装置を作動させる光トラップ方法。請求項18に記載の光トラップ方法において、上記作動は、約700ナノメートルから約1200ナノメートルまでの波長にある上記共振フォトニック輻射を用いることを特徴とする光トラップ方法。請求項18に記載の光トラップ方法において、上記作動は、約1064ナノメートルの波長にある上記共振フォトニック輻射を用いることを特徴とする光トラップ方法。請求項18に記載の光トラップ方法において、上記作動は、上記フォトニック導波路に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。請求項18に記載の光トラップ方法において、上記作動は、上記フォトニック結晶共振器に粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。請求項18に記載の光トラップ方法において、上記作動は、上記フォトニック結晶共振器と上記フォトニック結晶共振器とに順次粒子をトラップすることを特徴とする光トラップ方法。非限定的な例示的実施形態は、同時に共振フォトニック結晶内の光トラップ場の増幅のせいでトラップ剛性を向上させつつ、強化された3次元の光場勾配を生成することができる或るクラスのフォトニック結晶共振器光トラップ装置を提供する。これにより、高度な粒子ハンドリングと光トラップナノマニピュレーションの機能性を可能にする。本実施形態による特定のフォトニック結晶共振器光トラップ装置は、単結晶シリコン材料から、または、その代わりに窒化シリコン材料それは、一般的には単結晶若しくは多結晶ではなく、むしろ一般的にはアモルファスである。から製造される。他の材料は、実例となる非限定的なフォトニック結晶共振器光トラップ装置を製造するために排除されない。本実施形態による特定のフォトニック結晶共振器光トラップ装置は、結合されたフォトニック導波路すなわち、離間して結合されたフォトニック導波路または一体的に結合されたフォトニック導波路のいずれかか又はフォトニック結晶共振器のいずれかの化学的機能化を使用するのではなく、むしろ、化学的機能化なしに、結合されたフォトニック導波路又はフォトニック結晶共振器の少なくとも一方の物理的な近接場光トラップ特性に頼る。本実施形態による更なる特定のフォトニック結晶共振器光トラップ装置は、フォトニック導波路およびフォトニック結晶共振器の構造の材料の選択を提供して、そのフォトニック結晶共振器光トラップ装置によって分析され得る流体によって感知可能には吸収されない或る波長での光共振を提供する。その結果、そのフォトニック結晶共振器光トラップ装置によって分析されたとき、そのフォトニック結晶共振器光トラップ装置によって分析され得るその流体が、感知可能には加熱されないすなわち、約1°C未満の温度上昇になる。I.単結晶シリコン材料から製造された、離間して結合されたフォトニック導波路に基づくフォトニック結晶共振器光トラップ装置図1aに示すように、第1実施形態による特定のフォトニック結晶共振器光トラップ装置は、シリコン基板その上面は、シリコンオンインシュレータ基板内に埋め込まれた酸化物層を含んでいる。上に配置および形成され、単一モードシリコンバスフォトニック導波路にエバネッセント結合された1次元シリコンフォトニック結晶共振器を含んでいる。その共振光トラップ装置の上記シリコンフォトニック結晶共振器内の共振光場の定在波の性質は、3次元の全てにおける強力なフィールド場閉込めで真の静点トラップを可能にする。第1実施形態による典型的なフォトニック結晶共振器光トラップ装置の走査型電子顕微鏡SEM像は、図2に示されている。このようなフォトニック結晶共振器光トラップ装置の製造プロセスは、以下にさらに詳細に説明される。一般に、単一モードシリコンバスフォトニック導波路と1次元シリコンフォトニック結晶共振器の各々は、シリコンオンインシュレータ基板内の表面シリコン層からパターン加工され、約200ナノメートルから約500ナノメートルまでの厚さ、約200ナノメートルから約1000ナノメートルまでの線幅、および、約50ナノメートから約400ナノメートルまでの分離距離を有している。また、1次元シリコンフォトニック結晶共振器は、約2ミクロンから約10ミクロンまでの長さを有し、その1次元シリコンフォトニック結晶共振器の上面を貫通して配置および形成された約6から約30までの開口部即ち、フォトニック結晶共振器を提供する周期的構造、典型的には穴を備える。を含んでいる。上記開口部は、典型的には、約50ナノメートルから約400ナノメートルまでの直径を持ち、均一に寸法設定されるか、可変して寸法設定されるかのどちらかである。約10ナノメートルから約100ナノメートルまでのより小さく寸法設定された開口部または穴が、残りの開口部に対して中央に配置されるのが有利である。共振波長にある光すなわち、フォトニック放射がシリコンバスフォトニック導波路の中へ結合されると、図1bそこでは、矢印は、局所的な光力の方向と大きさを示している。に示すように、静止した干渉パターンがシリコンフォトニック結晶共振器内に形成されて、非常に小さい体積に光場のタイトな閉込めをもたらす。シリコンフォトニック結晶共振器内の光場の共振増幅と相まって、これらの強力な場勾配は、サイズで50nmから500nmまでの範囲のナノ粒子の安定したトラップを可能にする。図3は、第1実施形態による単結晶シリコン系のフォトニック結晶共振器光トラップ装置に関して、62nmのポリスチレンナノ粒子屈折率n=1.59のトラップおよびリリースを示す一連の蛍光顕微鏡画像を示している。なお、上述した62nmのポリスチレンナノ粒子は、代替の固定アプローチを用いてもっともらしくトラップされ得る粒子のサイズ限界よりも概ね十分に下であることが注記される。図3の画像に関して、波長可変赤外線レーザが、1548.15nmの共振波長にあるTE偏光を、レンズ付き光ファイバを用いて、シリコン結晶バスフォトニック導波路の入力端に結合するのに用いられた。シリコン結晶バスフォトニック導波路出口での出力パワーは1.7mWであると測定された。上記実験の関連で、マイクロ流体流は、粒子を、チャネルに沿ってシリコンフォトニック結晶共振器へ向かって、対流によって移動させる。候補粒子がシリコンフォトニック結晶共振器の表面と共振光場ローブに接近して通過すれば、その候補粒子は強力な局所的場勾配のせいで引き抜く力tweezingforceを受け、その結果、シリコンフォトニック結晶共振器の表面にトラップされる。続いて、トラップされた粒子は、レーザパワーをオフにすることによってリリースされる上記62nmの場合の図3に示されているように。また、トラップされた粒子は、入力波長を共振波長から離調することによって、または、TEからTMへ光の偏光を切り替えることによってのどちらかで、リリースされ得る。少なくともこの第1実施形態によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置の設計の興味深い側面は、シリコンまたは、可能な他のフォトニック材料バスフォトニック導波路内での導波光モードが、その表面に沿ってナノ粒子の同時的なトラップと推進propulsionを可能にする前方への運動量momentumを持っているということである。これとは対照的に、共振では、シリコンフォトニック結晶共振器内の場は、伝搬成分なしで、タイトにトラップされた定在波で構成されている。したがって、マイクロ流体流を調整し、シリコンバスフォトニック導波路と1次元シリコンフォトニック結晶共振器内で、上記光場のこの対照的な性質を活用するとによって、粒子マニピュレーションを実行するための新技術が実証され得る。図4は、第1実施形態によるフォトニック結晶共振器の光トラップ装置を使用しながら、500nmのポリスチレンマイクロ球のトラップとマニピュレーションを実証する、一連の経時的な蛍光顕微鏡画像を示している。図4の1番上のパネルすなわち、図4aでは、マイクロ流体チャネル内の流れは左から右へである。500nmのポリスチレンマイクロ球は、導波光モードのエバネッセント場によってトラップされ、シリコンバスフォトニック導波路に沿って搬送される。入力光は、最初に共振波長に同調される。結果として、或る粒子が、シリコンバスフォトニック導波路に沿って移動し、シリコンフォトニック結晶共振器に近づくと、その粒子は、シリコンフォトニック結晶共振器の中心へ向かって横方向の引き抜く力を受ける。シリコンフォトニック結晶共振器中の場増幅およびシリコンフォトニック結晶共振器内の強い場勾配のせいで、粒子が受ける横方向の引き抜く力は、シリコンバスフォトニック導波路によって及ぼされるトラップ力よりはるかに強い。このことは、粒子がシリコンバスフォトニック導波路からシリコンフォトニック結晶共振器の中央へホッピングする結果を招く。一旦トラップされたら、その粒子は、シリコンフォトニック結晶共振器上に静止して保持される。その粒子をシリコンバスフォトニック導波路上へリリースして戻すために、シリコンバスフォトニック導波路の入力波長は共振波長から離調され得る。このことは、シリコンフォトニック結晶共振器トラップから粒子をリリースし、粒子は、シリコンバスフォトニック導波路へ向かって、流体流で対流によって移動される。上記シリコンバスフォトニック導波路は、波長選択的ではないので、共振から外れた導波光モードのエバネッセント場は、上記粒子が上記シリコンバスフォトニック導波路の表面の上方を通過するとき、上記粒子を再トラップする。上記粒子が上記シリコンバスフォトニック導波路上にトラップされると、続いて、上記粒子は更に上記シリコンバスフォトニック導波路に沿って搬送される。マイクロチャネル内の流体流の方向が反転された場合図4b、入力レーザが共振から外されると、シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた粒子は、流体流中へ排斥され得る。第1実施形態によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置内における3次元全てで、最大トラップ力とともにトラップ剛性を特徴付けるために、市販のソフトウェアパッケージCOMSOLを用いて、詳細な3次元有限要素数値解析が行われてきた。共振時の電磁界分布について解きながら、シリコンフォトニック結晶共振器と流体チャネル内の周囲の水媒体の材料特性が考慮に入れられた。或る粒子に及ぼされる力を決定するために、その粒子を囲む仮想の球面が構築され、この表面上の電磁場が計算された。時間非依存のマクスウェル応力テンソルを評価し、粒子を囲む閉曲面上でそれを積分することによって、人は様々な方向でのトラップ力を得ることができる。図5a、図5bおよび図5cは、入力光トラップパワー1Wで、安定したトラップ位置から3次元全てに変位される100nmのポリスチレンマイクロ球についての、トラップ力プロファイルを示している。人は、上記100nm粒子についての最大トラップ力がZ方向に700pN図5cに示すように、シリコンフォトニック結晶共振器の表面から25nmで評価された。であることを観察することができる。粒子がシリコンフォトニック結晶共振器の表面に対して25nmより近いと、マクスウェルの応力テンソルの粒子の周りの表面での必要な配置は、数値的メッシュ制限とともに、力の計算を妨げた。光トラップの質に関連する一般的な性能指数figureofmeritは、指定された粒子サイズについてのトラップ剛性である。図5のグラフから、人は、100nmのポリスチレンマイクロ球について、1.96pNnm-1W-1の径方向トラップ剛性XY面内に対応して、X,Y,Z軸に沿ってそれぞれ4.81pNnm-1W-1、3.30pNnm-1W-1および8.53pNnm-1W-1のトラップ剛性を評価することができる。X,Y軸におけるトラップ剛性についての実験値を取得し、それらを理論的推定値と比較するために、トラップされた200nm粒子についての抑圧されたブラウン運動が検討された。上記ナノ粒子とシリコンフォトニック結晶共振器の表面との間の静止摩擦を最小化するために、トリトンTritonX-1001が界面活性剤として使用された。図6aは、導波路の出力で測定された出力パワーが140μWであったときの、200nm粒子の位置軌跡の散布図を示している。その散布図は、シリコンフォトニック結晶共振器スケール内の場分布の上に重畳されている。このような低い光パワーでは、トラップが弱く、共振光場の2つの中央ローブの間で粒子がホップすることが明らかである。また、人は、粒子が、短い継続時間の間、サイドローブにあるより弱いトラップへホップすることを観察することができる。導導波路の出力で測定されたパワーが175μWになるまでパワーが上昇されると、トラップの強度が増加し、粒子が単一のサイトに安定してトラップされたままで留まることが観察される。図6cおよび図6dは、トラップされた200nm粒子の変位についてのヒストグラムを示し、それらの各々がガウス分布を示している。これらのプロットから、人は、一方は2.86pNnm-1W-1の径方向トラップ剛性を決定することができる。それは、200nm粒子についての5.38pNnm-1W-1という数値予測よりやや低い下記の追加情報を参照。実験的に観測されたトラップ剛性が数値予測と合理的に良く一致していることから、人は、粒子とフォトニック結晶共振器の表面との間の表面相互作用がトラップの特性を支配していないことを推論することができる。一般的に、人はより大きな粒子についてより高いトラップ剛性を観察するかも知れない。より大きな粒子は、光トラップ場のより大きな部分によって影響されるからである。第1実施形態による共振光トラップ装置についての推定トラップ剛性は、スロット導波路のそれよりも1桁高く100nm粒子について0.2pNnm-1W-1;ヤンYangら、ネイチャーNature2009年、457、71-759参照。、プラズモンピンセットplasmonictweezer200nmビーズについて0.013pNnm-1W-1;グリゴレンコGrigorenkoら、ネイチャーフォトニクスNatPhotonics、2008年、2、365-370参照。、従来の高NA光ピンセット500nmビーズについて0.16pNnm-1W-1;ノイマンNeumanら、レビューオブサイエンティフィックインスツルメンツRevSciInstrum、2004年、75、2787-2809参照。、およびフレネルゾーンプレート光ピンセット2μmビーズについて0.1pNnm-1W-1;ションブルンSchonbrunら、アプライドフィジクスレターズApplPhysLett、2008年、92、071112-3参照。のような他の最近の光トラップ技術より数桁高い。トラップ剛性の粒子サイズへの依存性のせいで、これらの異なるトラップ技術の間で明確な比較をすることは困難であるが、少なくともこの第1実施形態によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置内のトラップ剛性が、最先端を少なくとも1桁だけ超えていることは、明らかである。トラップされた粒子の存在は、シリコンフォトニック結晶共振器の共振波長に少量だけ影響を与える。従って、トラップ粒子がトラップから脱出するとき、共振波長における僅かなシフトを引き起こす。それは、結合されたフォトニック導波路からの出力パワーにおける離散ジャンプとして現れる。図6bに示すように、結合されたフォトニック導波路の出力端でレーザパワーを監視することによって、光学トラップからの粒子のリリースを推測することができる。この効果はより大きなナノ粒子の場合にはより顕著であることを注記することが重要である。ナノ粒子の大きさが減少するにつれて、共振波長における誘起されたシフトも減少する。A.実験の詳細上記第1実施形態によるフォトニック結晶共振器光トラップデバイスおよび装置は、250nmのデバイス層厚を有するシリコンオンインシュレータウェハから製造された。XR-1541電子ビームレジストHSQ、ダウコーニング社DowCorningCorporationが上記ウェハ上にスピンされ、上記デバイスはライカLeicaVB6-HR電子ビームリソグラフィ装置を用いてパターン加工された。これらの装置の製造手順に関する詳細は、ほぼ従来のものであるが、しかし、特にナノテーパクラッドnanotapercladdingとして、電子ビーム蒸着されたシリコン酸化物の使用を含む。波長可変赤外レーザは、これらの光トラップの実験を行うのに十分な光パワーを生成するために、エルビウムドープファイバ増幅器EDFAを介して、テーパが施されたファイバレンズに連結された。50nmから500nmまでの範囲内の直径と屈折率1.59を有する蛍光ポリスチレンナノ粒子デュークサイエンティフィックDukeScientificは100mMリン酸緩衝液中に混合された。1トリトンX-100界面活性剤が、ポリスチレンナノ粒子とマイクロ流体チャネル表面チップの基板も同様との間の粘着性や静止摩擦の問題を最小限に抑えるために、添加された。PDMSマイクロ流体チャネルは、15秒間のプラズマ処理後にチップに接着された。チャネルは幅120μm、高さ5μmだった。シリンジポンプがマイクロ流体チャネル内の流体流を制御するために使用された。粒子の位置とブラウン運動の測定は、ビデオスポット追跡VideoSpotTrackerソフトウェアパッケージを用いて行われた。B.抑圧されたブラウン運動およびトラップ剛性の測定上記の開示によれば、第1実施形態によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置の径方向トラップ剛性が、シリコンバスフォトニック導波路の出力におけるパワーが175μWであると測定された時に、トラップされた200nmポリスチレンナノ粒子の抑圧されたブラウン運動を解析することによって評価された。剛性ばね定数kxをもつ調和ポテンシャル内にある粒子について、等分配の原理は、ここで、kbはボルツマン定数、Tは絶対温度、[x2]はトラップされた粒子の位置の分散である。粒子の瞬時位置を測定することにより、光トラップの剛性を決定することが可能である。しかし、ビデオカメラなどの検出システムは、粒子の瞬時位置を測定しない。その代わりに、それらは、デバイスの有限な積分時間Wのせいで測定にバイアスを導入する。ウォンWongら、オプティクスエクスプレスOptExpress、2006年、14、12517-12531は、ビデオ画像のモーションブラーmotionblurのせいで測定に導入されるこれらの体系的なバイアスを説明する新規な方法を実証するために、詳細な実験と理論解析を行った。真の分散varと測定された分散varとは、var=varS2によって関連付けられている。ここで、Sはモーションブラー訂正関数である。αはWkx/2πγで与えられ、γはストークスStokesの抗力係数、Wは51.17msである。式1および式2を組み合わせることによって、人は、var=[kbTW/2πγ][S/]3を取得することができる。式3は、図6cおよび図6dから決定されるvarとvarとについての値を用いて、αについて数値的に解くことができる。したがって、人は、X軸、Y軸に沿ってトラップ剛性値をそれぞれ3.73×10-3pN/nm、3.50×10-3pN/nmと得ることができる。また、人は、X軸、Y軸に沿ってブラウン運動の真の標準偏差をそれぞれ33.2nm、34.3nmと決定することができる。フォトニック結晶共振器についての共振出力スペクトルが記録された。非共振波長についての出力パワーに対する共振波長での出力パワーの比は0.44であると決定された。また、HSQ/XR-1541ダウコーニング社を使用して製造されるシリコン結晶バスフォトニック導波路は、典型的には2dB/cm程度の伝搬損失を示す。これらの事情を踏まえて、人は、シリコン結晶バスフォトニック導波路における対応する入力パワーを630.4μWであると評価することができる。したがって、上記第1実施形態による共振光トラップ装置についてのパワー正規化された剛性は、X軸、Y軸に沿ってそれぞれ5.90pNnm-1W-1、5.55pNnm-1W-1であると決定される。こうして、2.86pNnm-1W-1という最終的な径方向トラップ剛性が得られる。詳細な3次元有限要素数値解析を行うことにより、人は、15.85pNnm-1W-1X軸、8.14pNnm-1W-1Y軸という理論的なトラップ剛性値を取得することができる。これは、5.38pNnm-1W-1という正味の径方向トラップ剛性をもたらす。これらの計算の結果は、図7aおよび図7bに示されている。図7aおよび図7b中では、全ての力は、導波路内の入力パワーの1Wに正規化されている。図7a中では、力が200nmのトラップされたポリスチレンナノ粒子によって受けられ、その粒子がシリコンフォトニック結晶共振器X軸の長さに沿って変位する。ゼロX軸値は、ローブの中心で、安定したトラップ位置に対応する。プロットの線形領域での傾きは、X軸に沿って15.85pNnm-1W-1のトラップ剛性を示す。図7b中では、200nmの粒子上の復元力は、シリコンフォトニック結晶共振器の長さに垂直なY軸方向に変位する。ゼロY軸値は、ローブの中心で、安定したトラップ位置に対応する。プロットの線形領域の傾きは、Y軸に沿って8.14pNnm-1W-1のトラップ剛性を示す。II.窒化シリコンの材料から製造された、一体的に結合されたフォトニック導波路に基づくフォトニック結晶共振器光トラップ装置従来の光ピンセットは10年以上用いられてきたが、集光スポットのサイズが回折によって制限されることから、それらは、概ね、直径が約100nmよりも大きい誘電体粒子をトラップするのに制限されている。様々な種類の近接場光トラップデバイスの中で、フォトニック結晶共振器は、特にさらに小さいナノ粒子と生体分子をトラップすることが期待されている。それらは、非常に小さな体積にタイトに電界を閉じ込めることができるからである。しかしながら、場勾配を高めるために共振器の設計を最適化することに加えて、小さな生体分子をトラップするためにフォトニック結晶共振器を利用するためには、トラップされた生体分子が通常通りに機能できるようにデバイスの近傍で発生する熱を最小限に抑えること、および、熱的加熱に起因する浮力駆動流と熱泳動がホットスポットへの生体分子の輸送に影響を与えないこと、が重要である。熱的加熱を低減するために、これまでに実証された殆ど全ての近接場光トラップデバイス主にシリコンから作られているは1550nm程度の波長で動作するように設計されているけれども、本実施形態による第2実施形態のフォトニック結晶共振器光トラップ装置は、フォトニック結晶共振器の動作波長として1064nmあるいは、約700ナノメートルから約1200ナノメートルまでの範囲の波長を使用する。1550nmの光と比較して、この波長の光は、顕著に、水によってあまり吸収されないからである。特に生体分子をトラップするために1064nmの光を使用することのもう1つの利点は、生体分子は750nm~1200nm付近のスペクトルにおいて比較的より透明であるということである。そのことは、上述のスペクトル内の光をトラップするために使用されるときに生体分子の光損傷が最小化されることを意味する。一つには動作波長の選択が理由で、第2実施形態によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置を製造するために、シリコンの代わりに窒化シリコンが使用されている。窒化シリコンは、可視および近赤外スペクトルにおいて透明であり、近接場光トラップ用途に適した光学的および材料特性を有する。図8aおよび図8bは、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器光トラップ装置の概略平面図を示している。図1aおよび図2とは対照的に、窒化シリコン1次元フォトニック結晶共振器は、導波路と一体であり、空洞の両側での少なくとも約53までの穴また、わずか約10の穴と、空洞の中央での小さな穴とを含むことができる。上記空洞に上記小さな穴を加えることにより、その穴の位置での窒化シリコンフォトニック結晶共振器内での光場強度、および、したがってトラップ剛性は、著しく増加される。他の穴の大きさは、他の従来の設計原理に基づいて調節され得る。上記フォトニック結晶共振器と上記一体のフォトニック導波路は、窒化シリコン屈折率n=2.0からなり、また、上記フォトニック結晶共振器の底部にあるクラッド層と導波管は、二酸化シリコン屈折率n=1.45からなる。上記穴や上記フォトニック結晶共振器の上部は、典型的な光トラップ実験に使用される水溶液に晒されている。図8cは、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器光トラップ装置のイメージを示しており、その上に、22ナノメートルのポリスチレンポリマーナノ粒子がトラップされている。最後に、図8dは、流体流セルに一体化された窒化シリコンフォトニック結晶共振器光トラップ装置を示している。3次元有限差分時間領域FDTDのシミュレーションによれば、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振波長は1064nm程度である。Q値は5000程度であり、モード体積は4.4λ/η3程度である。そのような窒化シリコンフォトニック結晶共振器のQ値がこれまで実証された他の高Qフォトニック結晶共振器に比べて高くないけれども、実験結果は、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器光トラップ装置が、部分的に伸張されたラムダDNA分子だけでなく、22nmポリスチレンポリマー粒子、量子ドットおよびウィルソン病タンパク質をも、効果的にトラップできることを示している。それら全ては従来の光ピンセットを用いて光学的にトラップすることが非常に困難である。なお、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器光トラップ装置の優れた光トラップ能力は、予想された実験条件下で窒化シリコンフォトニック結晶共振器には熱加熱が殆ど無いという観察に強く関連している、と考えられる。図9は、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器上の22nm蛍光ポリマー粒子のトラップとリリースを図示する一連の蛍光顕微鏡画像を示している。各実験において、シリンジポンプが、カバースリップと製造されたチップとの間にパラフィルムスペーサを配置することによって作製された流れチャンバ内に流れを生成するために使用された。上記製造されたチップの表面は、非特異的結合を最小限に抑えるためにカゼインで覆われた。図9に示すように、22nmのポリマー粒子は、1064nmのレーザ光それはTE偏光であった。が窒化シリコンフォトニック導波路窒化シリコンフォトニック結晶共振器に一体的に結合され連結されたに結合されたとき、窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた。窒化シリコンフォトニック結晶共振器に結合されたレーザパワーは10mW未満であった。レーザダイオードの温度はレーザ波長を微調整するように調整され、その結果、励起波長は窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振波長に一致した。この特定の実施形態の中で、上記トラップされた22nmのポリマー粒子は、それらが窒化シリコンフォトニック結晶共振器の表面上をレーザ方向に移動していたとき、或る場所から別の場所へジャンプした。空洞の中央にある穴を除いて、電界が穴の中でよりも2つの隣り合う穴の間で非常に強いからである。レーザがオフにされた後、上記トラップされた粒子は、窒化シリコンフォトニック結晶共振器からリリースされた。このことは、ポリマー粒子の捕集は、非特異的結合よりもむしろ、光の力によって引き起こされたことを示唆している。同様の光学トラップ実験が、ストレプトアビジンで被覆されたCdSe/ZnSの量子ドットQDについて実施された。その量子ドットのコアは、直径10nm~15nm程度であった。窒化シリコンの内在蛍光のせいで、量子ドットの蛍光を観察することによってそれらが窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされたかどうかを判断することは、困難であった。それゆえ、量子ドットのトラップを観察するために、CCDカメラの前にある1064nmレーザ光を遮断する光学フィルタが除去された。その結果、光学的にトラップされた量子ドットによって散乱されたレーザ光が、CCDカメラによって見られた。図10aに示すように、量子ドットは上記空洞の中および付近にトラップされた。そのことは、窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振時に、1064nmの光のかなりの散乱をもたらした。しかしながら、蛍光のみが通過できるように1064nmの光を遮断するためのレーザフィルタがカメラの前に戻されたとき、観察されたのは、流れチャンバ内で流れている量子ドットのみであり、窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた量子ドットではなかった。1つの可能な説明は、或る種の蛍光消光効果fluorescencequenchingeffectが、窒化シリコンフォトニック結晶共振器上にトラップされた量子ドットの蛍光が消えるのを引き起こすかもしれないということである。直径わずか10nm程度であるウィルソン病タンパク質も、この第2実施形態による共振器の窒化シリコンフォトニック結晶を用いてトラップされた。これらのタンパク質は、Cy3およびCy5色素に結合し得る2つのサイトを持っている。蛍光顕微鏡で使用されるフィルタ立方体が、Cy3ではなく、Cy5を観察するためのものであったので、CCDカメラによって見られる各タンパク質は、1つまたは2つのいずれかのCy5色素を持っていた。図10bに示すように。ウィルソン病タンパク質は、それらが窒化シリコンフォトニック結晶共振器の表面に近接していたとき、トラップされた。そして、Cy5色素は10秒程度以内に徐々に退色した。図10cに示す蛍光強度の一段崩壊は、トラップされたタンパク質は、タンパク質の集合体よりもむしろ単一のタンパク質であることを示唆している。有限要素解析は、用いられた実験条件下で、第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器の共振器空洞内の温度上昇が0.1K未満である示している。それは、生物活動に影響を与えない程度に十分小さい。対照的に、数値計算および実験結果によると、先の第1実施形態によるシリコンフォトニック結晶共振器1550nmの光によって励起され、3000程度のQ値を持つの温度上昇は、類似の実験条件下で、60Kのオーダである。2つのフォトニック結晶共振器光トラップ装置の間の温度上昇における著しい差は、小さい生体分子をトラップするための、1550nmで動作するシリコンフォトニック結晶共振器に対して、1064nmで動作する窒化シリコンフォトニック結晶共振器を使用する利点を強調している。第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器のトラップ剛性を決定するために、トラップされた22nm蛍光ポリスチレンポリマー粒子の抑圧されたブラウン運動が測定された。図11aおよび図11bは、それぞれ、共振器に結合されたレーザパワーが6mW程度であったときの、X方向、Y方向におけるトラップされた粒子の変位のヒストグラムを示している。粒子運動の測定上のCCDカメラの積分時間の影響を補正した後、人は、X方向、Y方向におけるブラウン運動の標準偏差を、それぞれ75.7nm、94.4nmと決定することができる。X方向、Y方向における光トラップの剛性は、それぞれ0.12pNnm-1W-1、0.08pNnm-1W-1であると決定された。トラップ剛性は、再度言うが、粒径に依存するので、異なる光トラップデバイスの光トラップ能力を比較することは困難である。けれども、第2実施形態によるフォトニック結晶共振器は、15nmの量子ドット、22nmのポリマー粒子、および10nmのウィルソン病タンパク質をトラップすることができるという観察は、既に第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器の優れたトラップ能力を示している。本研究で実証されたように、近赤外または可視波長で動作する窒化シリコンフォトニック結晶共振器は、多量の熱を発生させることなく、高い光トラップ剛性を提供することができる。著しく低減された発熱は、トラップされた生体分子が通常通りに機能できること、および、流れチャンバ内の生体分子の輸送が熱効果によって影響されないことを保証する。一方、本研究で使用されたような第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器は、単一分子研究のために、小さすぎて他の光トラップ技術を用いて容易にはトラップすることができない小さな生体分子をトラップするために使用され得る。実験A.デバイス製造第2実施形態による窒化シリコンフォトニック結晶共振器光トラップデバイスおよび装置が、3.5μm厚の熱酸化物層を含んだシリコンウェハを用いて作製された。250nm厚の化学量論的窒化シリコン層が、減圧化学気相成長LPCVDプロセスを用いて、上記熱酸化物層の上に堆積された。次いで、例えばma-N2403電子ビームフォトレジストがウエハ上にスピンされ、それから、JEOL9300電子ビームリソグラフィシステムを用いてパターン加工された。次いで、上記窒化シリコン層が、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングICPRIEシステム、オックスフォードOxford100を用いて、上記ma-N2403のマスクでエッチングされた。次いで、リフトオフプロセスが用いられて、パターン化された二酸化シリコン層が創生された。その二酸化シリコン層は、3μm厚であり、マグネトロンスパッタリング成膜装置、CVC601を用いて、窒化シリコンフォトニック結晶共振器が配置されている領域を除いて、ウェハ全体を覆うように堆積された。B.ナノ粒子サンプル調製22nmの蛍光ポリスチレン粒子サーモサイエンティフィックが1×リン酸緩衝食塩水PBSに懸濁され、また、ストレプトアビジンで被覆された量子ドットライフテクノロジィズLifeTechnologiesが50mMのホウ酸緩衝液pH7.4に懸濁された。ウィルソン病タンパク質は、HEPES緩衝液60mMのHEPES、110mMのNaCl、1mMのEDTA、pH7.4中に懸濁された。また、上記3つの緩衝液の各々は、非特異的結合を低減するための、0.05v/vのトゥイーンTween20界面活性剤を含んだ。さらに、50nMのプロトカテク酸-3,4-ジオキシゲナーゼPCDと2.5mMのプロトカテク酸PCAとからなる脱酸素剤が、上記蛍光色素の安定性を高めるために、各光トラップ実験の直前に上記緩衝溶液中に導入された。C.流体チャンバの準備流れチャンバを調製するために、CO2レーザシステムを用いて、カバースリップ上に二つのアクセス穴が製作された。次いで、タイゴンTygonチューブがエポキシ接着剤でアクセス穴に貼り付けられた。次いで、カバースリップ、製作されたチップ、およびパラフィルムスペーサ穴の間の流れチャネルのための切り欠きを有しているが一緒に挟持され、短時間焼かれて、密封された流れチャンバが創生された。シリンジポンプによって駆動されるシリンジが使用されて、タイゴンチューブを介して流体チャンバ内に上記緩衝液が注入された。上記流体チャンバ内に粒子を導入する前に、上記流体チャンバは、非特異的結合を防ぐために、まず、1mg/mlのカゼインを有するPBS溶液で20分間程度温置された。D.光トラップ実験1064nmのファイバ結合の高出力ダイオードレーザが、光トラップのための光源を提供するために使用された。レーザ光は、レンズ付き光ファイバを通して、窒化シリコンフォトニック導波路内に結合された。レーザダイオードの温度は、レーザダイオードの中心波長それは、1°Cにつき0.3nmずれた。を微調整するように調整された。画像は、浜松ORCA-ERCCDカメラを用いてキャプチャされた。E.シミュレーションとデータ解析22nmポリスチレンポリマーナノ粒子のブラウン運動の解析は、ノースカロライナ大学チャペルヒル校UNCChapelHillでCISMM顕微鏡および操作のためのコンピュータ統合システムによって開発されたビデオスポット追跡VideoSpotTrackerソフトウェアを用いて行われた。また、3次元FDTDシミュレーションは、FDTDソリューションルメリカルソリューションズ社LumericalSolutionsIncを用いて行われた。ビデオスポット追跡ソフトウェアのFIONAカーネルが、粒子追跡のために使用された。ウィルソン病タンパク質の蛍光強度の減衰は、イメージJImageJソフトウェア米国国立衛生研究所を用いて決定された。本明細書で引用された刊行物、特許出願、および特許を含む全ての参考文献は、許容される範囲で、各参考文献が個別具体的に参照により組み込まれることが示され、かつ、その全体が本明細書に開示されたかのように同程度に、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。本発明を説明する関連で特に後述の請求項の関連で、用語或るaとan、そのtheおよび類似の指示の使用は、本明細書で特に反する指示がなければ、または明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数と複数の両方を包含すると解釈されるべきである。用語備えるcomprising、有するhaving、含むincludingおよび含有するcontainingは、特に断りのない限り、無制限の用語すなわち、含むが、それに限定されないことを意味する。として解釈されるべきである。用語連結されconnectedは、たとえ介在するものがあっても、部分的または完全に含まれ、取り付けられ、または一緒に結合されていると解釈されるべきである。本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書に特に反する指示がなければ、その範囲内に入る各値を個々に言及する簡略方法として働くように意図されている。各々分離された値は、それが個別に本明細書に列挙されたかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載された全ての方法は、本明細書で特に反する指示がなければ、または、明らかに文脈と矛盾しない限り、如何なる適切な順序でも行うことができる。本明細書で提供された、あらゆる且つ全ての例、または例示的な言葉例えばのようなsuchasの使用は、本発明の実施形態のより良く説明するためだけに意図されたものであり、特に断らない限り、本発明の範囲に限定を課すものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠な非クレーム要素を示すものとして、解釈されるべきではない。この発明の精神および範囲から逸脱することなく、実施形態に対して様々な修正および変形例がなされ得ることが、当業者には明らかであろう。明細書に開示された特定の形態または複数の形態に本発明を限定する意図はなく、それとは逆に、意図は、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲内に入る、全ての修正、代替構造および均等物をカバーするものである。従って、本発明は、本発明の修正および変形例を、それらが添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入ることを条件として、包含することが意図される。したがって、実施形態は、本発明を限定するよりもむしろ、本発明の例示である。改訂および修正が、フォトニック結晶共振器光トラップ装置の方法、材料、構造、および寸法、並びに、上記フォトニック結晶共振器光トラップ装置を用いた光トラップのための方法に対してなされ得る。依然として、本実施形態、更には添付の特許請求の範囲によるフォトニック結晶共振器光トラップ装置およびそのフォトニック結晶共振器光トラップ装置を用いた光トラップのための方法を提供しながら、である。"