広帯域光源で励起される誘電体微小空洞蛍光センサ
微小共振器センサ装置は、周波数が自由スペクトル領域（ＦＳＲ）により分離される赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定する微小空洞共振器を有する。ＥＷＧＭは微小空洞共振器軸に垂直な平面にある。光源が光を微小空洞共振器内に注入するように光学的に結合されている。光源は帯域がＥＷＧＭのＦＳＲとほぼ等しいかまたはそれを超える出力スペクトルを有する出力光を生成する。微小空洞共振器内に結合された励起光を用いて１つまたは複数の蛍光物質を励起する。その後１つまたは複数の蛍光物質の蛍光発光から生じる蛍光信号を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光学装置に関し、特に微小共振器を用いる光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体微小球は感知用途における蛍光センサとして近年益々注目を集めている。これらのセンサ内ではセンサ表面は抗体などの分子層で固定されて、その後抗原などの検体を捕捉する。直接分析構成において抗原は蛍光染料分子と接合される。すなわち抗原がセンサ表面上の抗体と結合すると、蛍光分子は微小球表面に十分に近接して保持され、微小球内で循環するエバネセント光により励起される。サンドイッチタイプ構成では、まず抗原をセンサ表面上の抗体に結合し、その後蛍光染料で標識付けした第２の抗体層を加えて捕捉した抗原に結合する。第２の抗体層に結合された蛍光分子は、微小球のウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）内を伝播する光から生じるエバネセント場により励起される。励起染料から得られた蛍光発光を収集して抗原結合イベントのインジケータとして用いる。
【０００３】
微小球のＷＧＭは高Ｑ係数と関連し、そのため光の強度はＷＧＭ内に結合されると入力光と比べて増強される。増強度はＱ係数に比例する。メガヘルツ以下のスペクトル線幅を有する狭帯域波長可変半導体ダイオードレーザが通例、微小球空洞内のＷＧＭを励起する光源として用いられる。レーザ光の帯域は１つのＷＧＭ共振の帯域に匹敵する。そのためレーザが特定のＷＧＭ共振に調整されると、結合光の大部分は共振帯域内に収まるためＷＧＭ共振内への効率的な結合がある。しかしこのようなレーザの高いコストが多くの用途における微小球によるセンサの導入の普及に対して大きな障害であることが分かっている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって本発明の１つの特定の実施形態は、周波数が自由スペクトル領域（ＦＳＲ）により分離される赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定する微小空洞共振器を備える微小共振器センサ装置に関する。ＥＷＧＭは微小空洞共振器軸に垂直な平面にある。光源が光を微小空洞共振器内に入射するように光学的に結合されている。光源は帯域がＥＷＧＭのＦＳＲとほぼ等しいかまたはそれを超える出力スペクトルを有する出力光を生成する。
【０００５】
本発明の他の実施形態は、励起光を第１の微小空洞共振器に結合することを含む、蛍光測定を行う方法に関する。第１の微小空洞共振器は赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定し、励起光は少なくとも２つの隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有する。第１の微小空洞共振器内に結合された励起光を用いて１つまたは複数の蛍光物質を励起する。その後１つまたは複数の蛍光物質の蛍光発光から生じる蛍光信号を検出する。
【０００６】
本発明の上記の概要は本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。図および以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで本発明をより完全に理解されよう。
【０００８】
本発明は様々な変更例および代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに詳細に説明する。しかし本発明を説明する特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の要旨および範囲内にあるすべての変更例、等価物および代替物を網羅しようとするものである。
【０００９】
本発明は微小空洞共振器（microcavity resonator）を用いる光センサに特に適用可能である。このような共振器は微小共振器（microresonator）とも称され得る。
【００１０】
狭帯域波長可変レーザダイオードとは対照的に、より広い線幅を有する半導体光源は比較的安価である。そのような光源からの出力光のわずかな部分しか微小球のウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）共振に重畳せず微小球により生じる強調を受ける可能性があるため、広帯域光源はこれまで高Ｑ係数微小球を用いた用途には適さないと考えられていた。
【００１１】
しかし微小空洞のスペクトルモード密度が高く光が多数のＷＧＭに結合される場合、広帯域光源は微小空洞と共に用いるのに適している。このような条件では広帯域源からの出力の大部分を微小空洞内に結合することが可能であり、そのため広帯域光源と微小空洞との組み合わせは、高感度を有し関連する構成要素のコストが低い蛍光センサをもたらす。
【００１２】
微小共振器を用いる微小空洞導波路システム１００の例が図１Ａに概略的に図示されている。光源１０２は光を導波路１０４に沿って検出ユニット１０６に指向する。微小共振器１１０は導波路１０４に光学的に結合されている。光源１０２からの光１０８は導波路１０４内に発射されて検出ユニット１０６に向かって伝播する。微小共振器１１０は導波路１０４から光１０８の一部分、微小共振器１１０内を微小共振器１１０の共振周波数の１つで伝播する出力結合光１１２をエバネッセント結合する。
【００１３】
光源１０２は任意の好適なタイプの光源であり得る。効率と感度を向上させるため、光源が導波路１０４内に効率的に結合される光を生じることが有利であり、例えば光源はレーザダイオードなどのレーザであってもよく、または光源は発光ダイオードであってもよい。光源１０２は所望の波長または波長領域の光１０８を生じる。例えば微小共振器がセンサ内で用いられる場合、光源１０２は感知対象種と相互作用する波長の光を生じる。感知対象種は通例、ＷＧＭ内を伝播する光が感知対象種と相互作用するように、微小共振器１１０の表面に近接配置される。また光源１０２はランプと、ランプからの光を導波路１０４内に結合する好適な光学部品も一緒に備え得る。
【００１４】
例えばシステム１００が蛍光センサとして用いられる場合、微小共振器１１０内を伝播する光は、検体または検体の存在を示すマーカに対して微小共振器表面上に付着させた蛍光染料などの蛍光分子により吸収される。より特定的な例において、微小共振器の表面に所望の抗原検体に特有の抗体を付着し得る。蛍光染料を接合させた検体抗原分子をセンサシステム１００に導入する。抗原分子は微小共振器１１０上の抗体分子と結合するため、蛍光染料分子を微小共振器１１０に十分近接して保持して、微小共振器１１０内で循環する光が蛍光分子にエバネッセント結合する。吸収された光は蛍光分子を励起して、分子はその後励起波長とは異なる波長で蛍光を放つ。蛍光光の検出は検体抗原の存在を立証する。
【００１５】
他の例において検体抗原分子は蛍光染料に接合されないが、微小共振器表面に付着した抗体に結合できる。蛍光分子に接合したより多くの抗体はその後センサ内に導入されて抗原に結合する。また蛍光分子は微小共振器１１０内を伝播する光とのエバネッセント相互作用により励起されるとともに、その後の蛍光発光の検出を用いて検体抗原の存在および発生量を決定し得る。
【００１６】
光源１０２は光を多数の異なる導波路に指向し得るが、そのうちの導波路１０４はその一例である。導波路１０４は任意の好適なタイプの波長であり得るとともに、例えばシリカ基板内に形成された導波路などの基板内または上に形成された平面導波路またはチャネル導波路であり得る。また導波路１０４は光ファイバであり得る。
【００１７】
検出ユニット１０６は光検出器、例えば光を検出するフォトダイオードまたはフォトトランジスタを含む。また検出ユニット１０６は光検出器に到達する光の波長を選択する波長感知デバイスを含み得る。波長選択デバイスは例えばフィルタまたは分光計であり得る。波長選択デバイスは波長調整可能であるためユーザは光検出器に入射する光の波長を能動的に変更可能である。
【００１８】
微小共振器１１０は導波路１０４と物理的に接しているかまたは非常に近接して配置され得るため、導波路１０４に沿って伝播する光１０８の一部は微小共振器１１０内にエバネッセント結合される。導波路１０４は通例微小共振器１１０が導波路１０４に結合する地点でクラッドをほとんど含まないため、微小共振器１１０は導波路１０４のコアに直接結合する。
【００１９】
他のタイプの微小共振デバイス１５０が図１Ｂに概略的に図示されている。このデバイス１５０において微小共振器１１０からの光１５８は第２の導波路１５４内に結合されて検出器１０６に伝播する。
【００２０】
他のタイプの微小共振デバイス１７０が図１Ｃに概略的に図示されている。このデバイス１７０では第２の検出器１７２は微小共振器１１０に近接して配置されて微小共振器１１０からの光を検出する。第２の検出器１７２により検出された光は導波路を介して第２の検出器１７２に通過するのではなく、自由空間を伝播すると言われる。第２の検出器１７２により検出された微小共振器１１０からの光は例えば、光が微小共振器１１０内を循環することにより、微小共振器１１０から散乱し得るまたは微小共振器の表面に付着した蛍光種の励起から生じた蛍光であり得る。第２の検出器１７２は微小共振器１１０からの光のすべての波長を検出し得る。または例えば第２の検出器１７２と微小共振器１１０との間に配置された波長選択素子１７４の利用により、特定の波長領域にある光を検出し得る。波長選択素子１７４は例えば、微小共振器１１０内で共振する励起波長の光を拒絶するとともに蛍光波長の光を透過するフィルタであり得る。また第２の検出器１７２を図１Ｂに示したような構成と共に用い得る。
【００２１】
光はいわゆる「ウィスパリングギャラリモード」の微小共振器内を伝播し、その例が図２に概略的に図示されている。ウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）２０２では、光は多数の全反射により発生源から微小共振器２１０の周囲を伝播した後発生源に戻る。図示の実施形態ではＷＧＭ２０２は１周で８個の全反射を含む。光が異なる数の全反射に対応する他のＷＧＭ内で微小共振器２１０内を伝播し得ることは理解できよう。
【００２２】
さらにまた光が１周後に構造的に干渉するような波長である場合ＷＧＭ２０２は高Ｑ係数を示すに過ぎない。換言すればＷＧＭ２０２の周囲の光路長は整数波長に等しい。図２内に図示された平面ＷＧＭ２０２内の光に対するこの共振条件を以下のように数学的に記述することができる。
ｌλl＝Ｌ （１）
ここでλ1は真空中でｌ番目のモードの波長であり、ＬはＷＧＭの１周の光路長であり、ｌはモード番号と称される整数である。共振条件（１）を満足する導波路１０４からの光は微小共振器に効率的に結合される。微小共振器の共振モードは例えば、Ｂ．Ｒ．ジョンソン著「形態依存共振の理論：形状共振および幅の式（Theory of morphology-dependent resonances:shape resonances and width formulas）」、米国光学会雑誌Ａ（Journal of the Optical Society of America A）１０巻、ｐ．３４３〜３５２（１９９３年）、およびＪ．Ｃ．ナイトら「近接場プローブによる微小球内のウィスパリングギャラリモードのマッピング（Mapping whispering-gallery modes in microspheres with a near-field probe）」、米国学会誌（Optical Letters）２０巻、ｐ．１５１５〜１５１７（１９９５年）にさらに記載されている。
【００２３】
ＷＧＭの電界強度は微小共振器２１０の内面で最大になる。ＷＧＭの電界強度は微小共振器２１０外で指数関数的に減衰し、特徴的減衰長ｄはほぼｄ≒λ／ｎにより与えられ、ここでλは真空中の光の波長であり、ｎは微小共振器２１０外の媒体の屈折率である。電界強度Ｅが断面線ＡＡ’に沿ったＷＧＭ２０２に対して図２に概略的に図示されている。
【００２４】
微小共振器２１０は通例２０μｍ〜数ミリメートルの範囲の直径を有するが、５０μｍ〜５００μｍの範囲であることが多い。さらにまた導波路は、導波路外の光の場強度の強度を増すことにより微小共振器内に結合する光量を増加させるように先細になっていることが多い。光ファイバ導波路の場合、ファイバを加熱およびテーパリングまたはエッチングして約１〜５μｍの全体厚さにし得る。同様に平面またはチャネル導波路では、導波路の厚さを光が微小共振器に結合される領域において低減し得る。導波路の大きさが低減されることに加えて導波路の周囲のクラッドの厚さも低減し得る。微小共振器を導波路またはファイバに結合させる様々な手法は、同一出願人が所有する且つ同時係属中の米国特許出願第１０／６８５，０４９号明細書により詳細に検討されており、本明細書に参照により援用する。
【００２５】
ここで図３Ａ〜４Ｃを参照して異なるタイプの微小空洞共振器を説明する。図３Ａ〜３Ｃに示したＷＧＭ３０６、３１６および３２６の各々は１つの全反射しか有さないＷＧＭに相当する。
【００２６】
図３Ａは円筒状微小共振器３００を概略的に図示し、円筒状微小共振器３００の円形壁３０４に平行に位置する長軸３０２を有する。このような微小共振器は例えば光ファイバを用いて形成し得るが、ここで光はファイバ軸に垂直方向にファイバの側面内に接線方向に結合される。ＷＧＭ３０６は破線で示され、軸３０２に垂直な平面内にある。円筒状微小共振器３００は軸に非平行な平面内にあるＷＧＭモードを支持しないが、それはこのような光は閉経路をたどって共振空洞から逃げるためである。ＷＧＭ３０６は軸３０２に垂直な平面内にあるため、ＷＧＭは赤道ＷＧＭ（ＥＷＧＭ）と称し得る。
【００２７】
従ってＥＷＧＭ３０６の共振スペクトルは図４Ａに示したようなものであり、周波数υの関数としてプロットされた共振を示す。ｌ番目の共振モードは（ｌ＋１）番目の共振モードから、自由スペクトル領域（free spectral range）（ＦＳＲ）とも称されるΔυと等しい分離だけ離間しており、ここでΔυはＥＷＧＭ３０６の周囲の波長の数の１つの増加に対応する。ＦＳＲを以下の式に従って周波数の点から算出し得る。
ＦＳＲ＝Δυ＝ｃ／Ｌ≒ｃ／（πｎＤ） （２）
ここでｃは真空中の光速であり、ｎは微小空洞の屈折率であり、Ｄは円筒径、およびｎπＤはＥＷＧＭの１周の光路長を近似する。ｌ番目および（ｌ＋１）番目のモードは、隣接ＥＷＧＭモードとも称され得る。
【００２８】
なおＦＳＲを波長に関して表わすこともできる。
ＦＳＲ（波長）＝Δυλ2／ｃ＝λ2／（πｎＤ） （３）
ここでλは真空中の光の波長である。ここでＦＳＲの両方の記述は交換的に用いられる。
【００２９】
他のＥＷＧＭは異なる数の全反射を有するため、図示したモードとは異なる光路長を有する。これらの他のＥＷＧＭと関連する共振周波数は図４Ａに示した共振周波数とは異なる。
【００３０】
図３Ｂは軸３１２上に位置する球状微小共振器３１０を概略的に図示する。このような微小共振器は例えば球状壁３１４を有するガラス球を用いて形成し得る。ＥＷＧＭ３１６が軸３１２に垂直な平面にある破線で示されている。ＥＷＧＭ３１６の共振スペクトルが図４Ｂに示したグラフに概略的に図示されている。円筒状共振器のＥＷＧＭ３０６と同様に、隣接する共振間の周波数間隔はΔυ（ＦＳＲ）により与えられ、ここでΔυはＥＷＧＭ３１６の周囲の全体整数波長の数の１つの増加に相当する。ＦＳＲは上記の式（２）により与えられ、ここでＤは球状微小共振器３１０の直径である。
【００３１】
しかし平面微小共振器とは異なり、球状微小共振器３１０は軸３１２に垂直に位置していないＷＧＭを支持している。ＷＧＭ３１６に対して角度θに位置する１つのこのようなＷＧＭ３１８が示されている（破線で）。ＷＧＭ３１８は非赤道モードまたは方位モードと称される。しかし微小共振器３１０が球状であるため、ＷＧＭ３１８の光路長はＥＷＧＭ３１６の光路長と同等であり、そのためＷＧＭ３１８の共振周波数はＥＷＧＭ３１６のものと同等である。非赤道モードの周波数がＥＷＧＭと同じであるため、非赤道モードは周波数が縮退していると言われる。
【００３２】
異なる数の全反射を有するＥＷＧＭに相当する他の共振スペクトルは、図４Ｂに示した共振周波数とは異なる共振周波数を有する。
【００３３】
図３Ｃは円筒状でも球状でもない微小共振器３２０を概略的に示す。図示の実施形態において微小共振器３２０は楕円壁３２４を有する。微小共振器３２０は軸３２２上に位置する。ＥＷＧＭ３２６が軸３２２に垂直な平面にある破線で示されている。赤道ＥＷＧＭ３２６の共振のいくつかが図４Ｃに示すグラフに共振３２７として概略的に示されている。ＥＷＧＭ３２６の隣接する共振３２７間の周波数間隔はΔυ（ＦＳＲ）により与えられ、ここでΔυはＥＷＧＭ３２６の周囲の全体整数波長の数の１つの増加に相当する。ＦＳＲは上記の式（２）および（３）により与えられ、ここでｎπＤはＥＷＧＭの１周の光路長を近似する。
【００３４】
あるモードの光路がゼロから角度θまで傾斜して非赤道光路を形成しているが、非赤道光路に関連する共振は赤道モードのものと同じではない。これは楕円微小共振器の周囲の光路長はθがゼロから増加する際に変動するからである。換言すれば赤道モードの光路長は非赤道モードのものとは異なる。このように異なる非赤道ＷＧＭはθの値と共に変動する異なる共振周波数を有する。このため微小共振器３２０の共振スペクトルは、赤道モードの共振３２７間の領域に「割り込む」非赤道モードの多数の共振３２９を含む。なお数個の非赤道共振しか図４Ｃに含まれておらず、図４Ｃ内の非赤道共振３２９の図示は質的目的のためにのみ提供されている。非赤道共振３２９の大きさは、赤道共振と非赤道共振とを区別する目的のため赤道共振３２７の大きさより小さく図４Ｃに示されている。しかし非赤道共振３２９が赤道共振３２７とは異なるＱ係数を有することを示す意図はない。このような場合、広帯域光源を用いると微小空洞内の全反射強度が、１つのＦＳＲ内に割り込むモード数に比例した分だけ強化される。
【００３５】
広範囲な空洞共振周波数を有するあるタイプの微小空洞共振器は、本明細書に参照により援用する、Ｘ．ファンおよびＲ．ウィルソンにより本明細書と同日に出願され且つ代理人整理番号第５９６３２ＵＳ００２号を有する「誘電体微小空洞センサ（DIELECTRIC MICROCAVITY SENSOR）」により詳細に記載されたバルジ状微小空洞である。
【００３６】
微小空洞内に結合された光は比較的広いスペクトルを有し得るとともに、例えば微小空洞のＥＷＧＭのＦＳＲ、Δυとほぼ等しいかまたはそれを超え得る。光の帯域は通例その半値全幅（ＦＷＨＭ）として測定され、図５Ａを参照されたい。光がレーザ内で生成される場合、光スペクトルは、振幅エンベロープ５０４内にあるレーザのファブリー・ペロ共振に相当する多数の個別モード５０２を含み得る。図５Ｂの概略的図示を参照されたい。このような場合光の帯域はエンベロープ５０４のＦＷＨＭ帯域である。
【００３７】
従来の円筒状微小共振器では導波路から微小共振器への光の結合は、導波路と微小共振器との間の位置合わせの影響を受けやすく、光が微小共振器の赤道モード内に注入されない場合には、その光は低Ｑモードに入って急速に失われ得る。しかしバルジ状空洞が三次元の光の閉じ込めを提供し、円筒状微小空洞のような単なる二次元ではないため、光の結合は導波路に対するバルジ状空洞の位置合わせによる影響をそれほど受けない。さらにまた例えば光ファイバで形成されている場合、円筒状微小空洞が円筒軸に沿って大きな横方向範囲を有し得ても、円筒状微小空洞内に光を結合する導波路は通例比較的狭い。比較的広い導波路はより多数の横モードを支持するため、導波路からの光が円筒状微小空洞の非赤道ＷＧＭ内に入って失われる可能性が増す。しかしバルジ状微小空洞の三次元閉じ込め特性が高Ｑを有する非赤道モードの効率的な励起を可能にするため、より広い導波路をバルジ状微小空洞と共に用い得る。より広い導波路の使用が、光源と導波路との間および導波路と微小空洞との間の光の光学的結合効率の向上につながり得る。
【００３８】
このように円筒状ではない微小共振器の使用は、円筒状微小空洞より多くの異なる値の共振周波数を有する空洞共振の存在につながる。加えて球状ではない微小空洞は球状微小空洞と同じ周波数縮退は示さない。その結果非球状微小空洞（非縮退周波数を有する非赤道モードを有する）は、共振が生じる可能性がある異なる周波数の数の増加をもたらす。このような微小空洞共振器は、図３Ａおよび３Ｂの円筒状または球状微小共振器と比べて単位周波数当たりより多数の共振の存在を示すことができる。しかし完全に球状である微小空洞を得ることは困難であるとともに、僅かな微小空洞の非球形度さえも縮退の破断をもたらす。このように広帯域光源からの光は多数の空洞共振モード内に効率的に結合し得る。広帯域光源の例には発光ダイオードおよびファブリ・ペロー空洞を有する半導体レーザなどの半導体レーザがある。このような広帯域光源は１ＭＨｚ未満の出力帯域を有する光を生成する波長可変半導体レーザより相当安価である。そのため一例示的実施形態において、微小共振器のＥＷＧＭの１つのＦＳＲとほぼ同じまたはそれ以上である帯域を有する光源により光を供給し得る。他の例示的実施形態では光の帯域はＦＳＲの５倍を超え得るとともに、他の例示的実施形態ではＦＳＲの１０倍を超え得る。
【実施例】
【００３９】
実験を行って狭周波数波長可変半導体ダイオードレーザによる照明を広帯域源を用いた照明と比較した。実験設定は図１Ｃに図示したものと同様であり、光源は６３０ｎｍ〜６３５ｎｍの領域の光を結合導波路としての先細ファイバ内に向けた。ファイバコアは約１．５μｍ〜２．５μｍの直径まで細くした。第１の検出器を導波路に沿って通過した光を検出するように微小空洞後に配置した。第２の検出器を微小空洞からの光の自由空間発光を検出するように配置した。
【００４０】
ＳＦＭ２８光ファイバの先端をＣＯ2レーザで溶融することによりガラス微小空洞を約１５０μｍの直径で形成した。ガラス微小空洞は球状に近く、ビオチン化ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）が付着された。ストレプトアビジンの試料に蛍光体としてアレクサ・フルオル（Alexa Fluor）６４７で標識付けした。８００ｐＭ（５０ｎｇ／ｍｌ）の濃度を有するストレプトアビジンの試料を微小空洞に導入した。ストレプトアビジンは微小空洞の表面上のビオチンに結合し、それにより蛍光体を微小空洞に結合した。
【００４１】
微小空洞をまず少なくとも６３０ｎｍ〜６３３ｎｍの領域にわたり波長可変である波長可変半導体レーザから結合した光で照明した。図６はレーザを約２５ｐｍの範囲にわたって走査した場合の２つの検出器から得られたスペクトルを示す。６０２と標識付けされた上方の曲線は第１の検出器により検出された信号に相当する。検出信号の低下は微小空洞の共振に対応する。微小空洞の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を式（３）を用いて算出した。
ＦＳＲ（波長）＝Δυλ2／ｃ＝λ2／（πｎＤ） （３）
ここでｃは真空中の光速であり、λは真空中の光の波長であり、ｎは微小空洞の屈折率であり、Ｄはほぼ球状微小空洞の直径を近似する。実験で用いられた微小空洞の場合、ＦＳＲはおよそ５８０ｐｍであった。
【００４２】
６０４と標識付けされた下方の曲線は微小空洞に近接配置された第２の検出器により検出された自由空間蛍光信号に相当する。曲線６０４の蛍光ピークは微小空洞の共振周波数の発光体の励起に対応する。
【００４３】
次の実験では約２５０μｍの直径を有し、約３５０ｐｍの付随ＦＳＲを有する微小空洞を、６３５ｎｍの出力と０．５ｎｍ（５００ｐｍ）の出力帯域とを有するレーザダイオードからの光を用いて照明した。この特定例ではレーザから出力される光の帯域は１つのＦＳＲより大きい。ファイバテーパに結合された光パワーはおよそ２５０μＷであった。
【００４４】
８ｐＭ（５００ｐｇ／ｍｌ）の濃度を有するストレプトアビジンの試料を微小空洞の表面に導入した。自由空間蛍光信号を検出する第２の検出器の応答が時間の関数として図６のグラフに提供されている。励起光は先細ファイバへの入力で最初に遮断されるため、光は微小空洞内に結合されなかった、点Ａ。したがって点Ａにおける信号レベル、およそ０．０３Ｖは第２の検出器からの信号の背景ノイズのレベルに相当する。
【００４５】
点Ｂで励起光が遮断されなかった場合、強い蛍光信号が観察された。これは微小空洞内の光共振により励起された結果として発光する蛍光体に相当する。点Ｂにおける信号はおよそ３Ｖであり、そのため信号対ノイズ比は約１００であった。レーザダイオードからの光を切断するととともに蛍光信号をロックイン増幅器を用いて検出した。
【００４６】
励起時間のおよそ１８０〜２００秒後、蛍光信号は約０．０８Ｖのレベルに降下した。この経時信号強度の低下は染料分子の漂白に起因していた。
【００４７】
これらの実験結果は８ｐＭ（５００ｐｇ／ｍｌ）という低い濃度を有するストレプトアビジン（アレクサ・フルオル６４７で標識付けした）の検出を示し、ここで光源は微小空洞のＦＳＲを超える帯域を有していた。他のことが同じであれば検出限界はおよそ８０ｆＭ（５ｐｇ／ｍｌ）であると予測される。蛍光センサがより効率的な試料放出する液体システムを組み込んでいる場合、さらに低い検出限界が達成され得ることが予想される。
【００４８】
上記の実験は広帯域光源を波長可変狭帯域源の代わりに蛍光感知測定に効率的に用いることができることを示す。広帯域光源、例えば出力光がＷＧＭの自由スペクトル領域より大きい帯域を有する光源の使用は、微小空洞蛍光センサシステムの部品コストの大幅な削減につながり得る。
【００４９】
したがって本発明は上述した特定の実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に正しく記載されたように本発明のすべての態様を網羅するものと考えるべきものである。本明細書を検討すれば本発明を適用可能な様々な変更例、等価物、方法および多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および装置を網羅しようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】本発明の原理による微小空洞センサの異なる実施形態を概略的に示した図である。
【図１Ｂ】本発明の原理による微小空洞センサの異なる実施形態を概略的に示した図である。
【図１Ｃ】本発明の原理による微小空洞センサの異なる実施形態を概略的に示した図である。
【図２】微小空洞共振器のウィスパリングギャラリモードを概略的に示した図である。
【図３Ａ】円筒状微小空洞を概略的に示した図である。
【図３Ｂ】球状微小空洞を概略的に示した図である。
【図３Ｃ】バジル状微小空洞を概略的に示した図である。
【図４Ａ】図３Ａで図示された微小空洞の共振スペクトルの部分を概略的に示した図である。
【図４Ｂ】図３Ｂで図示された微小空洞の共振スペクトルの部分を概略的に示した図である。
【図４Ｃ】図３Ｃで図示された微小空洞の共振スペクトルの部分を概略的に示した図である。
【図５Ａ】例示的光源の帯域を示した図である。
【図５Ｂ】光を共振モード内に発する光源の帯域を示した図である。
【図６】波長可変半導体レーザからの狭帯域光を用いて測定された微小空洞の共振スペクトルを示した図である。
【図７】広帯域光で励起されたときの微小空洞から得られた蛍光信号の一時的依存を示した図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光学装置に関し、特に微小共振器を用いる光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体微小球は感知用途における蛍光センサとして近年益々注目を集めている。これらのセンサ内ではセンサ表面は抗体などの分子層で固定されて、その後抗原などの検体を捕捉する。直接分析構成において抗原は蛍光染料分子と接合される。すなわち抗原がセンサ表面上の抗体と結合すると、蛍光分子は微小球表面に十分に近接して保持され、微小球内で循環するエバネセント光により励起される。サンドイッチタイプ構成では、まず抗原をセンサ表面上の抗体に結合し、その後蛍光染料で標識付けした第２の抗体層を加えて捕捉した抗原に結合する。第２の抗体層に結合された蛍光分子は、微小球のウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）内を伝播する光から生じるエバネセント場により励起される。励起染料から得られた蛍光発光を収集して抗原結合イベントのインジケータとして用いる。
【０００３】
微小球のＷＧＭは高Ｑ係数と関連し、そのため光の強度はＷＧＭ内に結合されると入力光と比べて増強される。増強度はＱ係数に比例する。メガヘルツ以下のスペクトル線幅を有する狭帯域波長可変半導体ダイオードレーザが通例、微小球空洞内のＷＧＭを励起する光源として用いられる。レーザ光の帯域は１つのＷＧＭ共振の帯域に匹敵する。そのためレーザが特定のＷＧＭ共振に調整されると、結合光の大部分は共振帯域内に収まるためＷＧＭ共振内への効率的な結合がある。しかしこのようなレーザの高いコストが多くの用途における微小球によるセンサの導入の普及に対して大きな障害であることが分かっている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって本発明の１つの特定の実施形態は、周波数が自由スペクトル領域（ＦＳＲ）により分離される赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定する微小空洞共振器を備える微小共振器センサ装置に関する。ＥＷＧＭは微小空洞共振器軸に垂直な平面にある。光源が光を微小空洞共振器内に入射するように光学的に結合されている。光源は帯域がＥＷＧＭのＦＳＲとほぼ等しいかまたはそれを超える出力スペクトルを有する出力光を生成する。
【０００５】
本発明の他の実施形態は、励起光を第１の微小空洞共振器に結合することを含む、蛍光測定を行う方法に関する。第１の微小空洞共振器は赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定し、励起光は少なくとも２つの隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有する。第１の微小空洞共振器内に結合された励起光を用いて１つまたは複数の蛍光物質を励起する。その後１つまたは複数の蛍光物質の蛍光発光から生じる蛍光信号を検出する。
【０００６】
本発明の上記の概要は本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。図および以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで本発明をより完全に理解されよう。
【０００８】
本発明は様々な変更例および代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに詳細に説明する。しかし本発明を説明する特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の要旨および範囲内にあるすべての変更例、等価物および代替物を網羅しようとするものである。
【０００９】
本発明は微小空洞共振器（microcavity resonator）を用いる光センサに特に適用可能である。このような共振器は微小共振器（microresonator）とも称され得る。
【００１０】
狭帯域波長可変レーザダイオードとは対照的に、より広い線幅を有する半導体光源は比較的安価である。そのような光源からの出力光のわずかな部分しか微小球のウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）共振に重畳せず微小球により生じる強調を受ける可能性があるため、広帯域光源はこれまで高Ｑ係数微小球を用いた用途には適さないと考えられていた。
【００１１】
しかし微小空洞のスペクトルモード密度が高く光が多数のＷＧＭに結合される場合、広帯域光源は微小空洞と共に用いるのに適している。このような条件では広帯域源からの出力の大部分を微小空洞内に結合することが可能であり、そのため広帯域光源と微小空洞との組み合わせは、高感度を有し関連する構成要素のコストが低い蛍光センサをもたらす。
【００１２】
微小共振器を用いる微小空洞導波路システム１００の例が図１Ａに概略的に図示されている。光源１０２は光を導波路１０４に沿って検出ユニット１０６に指向する。微小共振器１１０は導波路１０４に光学的に結合されている。光源１０２からの光１０８は導波路１０４内に発射されて検出ユニット１０６に向かって伝播する。微小共振器１１０は導波路１０４から光１０８の一部分、微小共振器１１０内を微小共振器１１０の共振周波数の１つで伝播する出力結合光１１２をエバネッセント結合する。
【００１３】
光源１０２は任意の好適なタイプの光源であり得る。効率と感度を向上させるため、光源が導波路１０４内に効率的に結合される光を生じることが有利であり、例えば光源はレーザダイオードなどのレーザであってもよく、または光源は発光ダイオードであってもよい。光源１０２は所望の波長または波長領域の光１０８を生じる。例えば微小共振器がセンサ内で用いられる場合、光源１０２は感知対象種と相互作用する波長の光を生じる。感知対象種は通例、ＷＧＭ内を伝播する光が感知対象種と相互作用するように、微小共振器１１０の表面に近接配置される。また光源１０２はランプと、ランプからの光を導波路１０４内に結合する好適な光学部品も一緒に備え得る。
【００１４】
例えばシステム１００が蛍光センサとして用いられる場合、微小共振器１１０内を伝播する光は、検体または検体の存在を示すマーカに対して微小共振器表面上に付着させた蛍光染料などの蛍光分子により吸収される。より特定的な例において、微小共振器の表面に所望の抗原検体に特有の抗体を付着し得る。蛍光染料を接合させた検体抗原分子をセンサシステム１００に導入する。抗原分子は微小共振器１１０上の抗体分子と結合するため、蛍光染料分子を微小共振器１１０に十分近接して保持して、微小共振器１１０内で循環する光が蛍光分子にエバネッセント結合する。吸収された光は蛍光分子を励起して、分子はその後励起波長とは異なる波長で蛍光を放つ。蛍光光の検出は検体抗原の存在を立証する。
【００１５】
他の例において検体抗原分子は蛍光染料に接合されないが、微小共振器表面に付着した抗体に結合できる。蛍光分子に接合したより多くの抗体はその後センサ内に導入されて抗原に結合する。また蛍光分子は微小共振器１１０内を伝播する光とのエバネッセント相互作用により励起されるとともに、その後の蛍光発光の検出を用いて検体抗原の存在および発生量を決定し得る。
【００１６】
光源１０２は光を多数の異なる導波路に指向し得るが、そのうちの導波路１０４はその一例である。導波路１０４は任意の好適なタイプの波長であり得るとともに、例えばシリカ基板内に形成された導波路などの基板内または上に形成された平面導波路またはチャネル導波路であり得る。また導波路１０４は光ファイバであり得る。
【００１７】
検出ユニット１０６は光検出器、例えば光を検出するフォトダイオードまたはフォトトランジスタを含む。また検出ユニット１０６は光検出器に到達する光の波長を選択する波長感知デバイスを含み得る。波長選択デバイスは例えばフィルタまたは分光計であり得る。波長選択デバイスは波長調整可能であるためユーザは光検出器に入射する光の波長を能動的に変更可能である。
【００１８】
微小共振器１１０は導波路１０４と物理的に接しているかまたは非常に近接して配置され得るため、導波路１０４に沿って伝播する光１０８の一部は微小共振器１１０内にエバネッセント結合される。導波路１０４は通例微小共振器１１０が導波路１０４に結合する地点でクラッドをほとんど含まないため、微小共振器１１０は導波路１０４のコアに直接結合する。
【００１９】
他のタイプの微小共振デバイス１５０が図１Ｂに概略的に図示されている。このデバイス１５０において微小共振器１１０からの光１５８は第２の導波路１５４内に結合されて検出器１０６に伝播する。
【００２０】
他のタイプの微小共振デバイス１７０が図１Ｃに概略的に図示されている。このデバイス１７０では第２の検出器１７２は微小共振器１１０に近接して配置されて微小共振器１１０からの光を検出する。第２の検出器１７２により検出された光は導波路を介して第２の検出器１７２に通過するのではなく、自由空間を伝播すると言われる。第２の検出器１７２により検出された微小共振器１１０からの光は例えば、光が微小共振器１１０内を循環することにより、微小共振器１１０から散乱し得るまたは微小共振器の表面に付着した蛍光種の励起から生じた蛍光であり得る。第２の検出器１７２は微小共振器１１０からの光のすべての波長を検出し得る。または例えば第２の検出器１７２と微小共振器１１０との間に配置された波長選択素子１７４の利用により、特定の波長領域にある光を検出し得る。波長選択素子１７４は例えば、微小共振器１１０内で共振する励起波長の光を拒絶するとともに蛍光波長の光を透過するフィルタであり得る。また第２の検出器１７２を図１Ｂに示したような構成と共に用い得る。
【００２１】
光はいわゆる「ウィスパリングギャラリモード」の微小共振器内を伝播し、その例が図２に概略的に図示されている。ウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）２０２では、光は多数の全反射により発生源から微小共振器２１０の周囲を伝播した後発生源に戻る。図示の実施形態ではＷＧＭ２０２は１周で８個の全反射を含む。光が異なる数の全反射に対応する他のＷＧＭ内で微小共振器２１０内を伝播し得ることは理解できよう。
【００２２】
さらにまた光が１周後に構造的に干渉するような波長である場合ＷＧＭ２０２は高Ｑ係数を示すに過ぎない。換言すればＷＧＭ２０２の周囲の光路長は整数波長に等しい。図２内に図示された平面ＷＧＭ２０２内の光に対するこの共振条件を以下のように数学的に記述することができる。
ｌλl＝Ｌ （１）
ここでλ1は真空中でｌ番目のモードの波長であり、ＬはＷＧＭの１周の光路長であり、ｌはモード番号と称される整数である。共振条件（１）を満足する導波路１０４からの光は微小共振器に効率的に結合される。微小共振器の共振モードは例えば、Ｂ．Ｒ．ジョンソン著「形態依存共振の理論：形状共振および幅の式（Theory of morphology-dependent resonances:shape resonances and width formulas）」、米国光学会雑誌Ａ（Journal of the Optical Society of America A）１０巻、ｐ．３４３〜３５２（１９９３年）、およびＪ．Ｃ．ナイトら「近接場プローブによる微小球内のウィスパリングギャラリモードのマッピング（Mapping whispering-gallery modes in microspheres with a near-field probe）」、米国学会誌（Optical Letters）２０巻、ｐ．１５１５〜１５１７（１９９５年）にさらに記載されている。
【００２３】
ＷＧＭの電界強度は微小共振器２１０の内面で最大になる。ＷＧＭの電界強度は微小共振器２１０外で指数関数的に減衰し、特徴的減衰長ｄはほぼｄ≒λ／ｎにより与えられ、ここでλは真空中の光の波長であり、ｎは微小共振器２１０外の媒体の屈折率である。電界強度Ｅが断面線ＡＡ’に沿ったＷＧＭ２０２に対して図２に概略的に図示されている。
【００２４】
微小共振器２１０は通例２０μｍ〜数ミリメートルの範囲の直径を有するが、５０μｍ〜５００μｍの範囲であることが多い。さらにまた導波路は、導波路外の光の場強度の強度を増すことにより微小共振器内に結合する光量を増加させるように先細になっていることが多い。光ファイバ導波路の場合、ファイバを加熱およびテーパリングまたはエッチングして約１〜５μｍの全体厚さにし得る。同様に平面またはチャネル導波路では、導波路の厚さを光が微小共振器に結合される領域において低減し得る。導波路の大きさが低減されることに加えて導波路の周囲のクラッドの厚さも低減し得る。微小共振器を導波路またはファイバに結合させる様々な手法は、同一出願人が所有する且つ同時係属中の米国特許出願第１０／６８５，０４９号明細書により詳細に検討されており、本明細書に参照により援用する。
【００２５】
ここで図３Ａ〜４Ｃを参照して異なるタイプの微小空洞共振器を説明する。図３Ａ〜３Ｃに示したＷＧＭ３０６、３１６および３２６の各々は１つの全反射しか有さないＷＧＭに相当する。
【００２６】
図３Ａは円筒状微小共振器３００を概略的に図示し、円筒状微小共振器３００の円形壁３０４に平行に位置する長軸３０２を有する。このような微小共振器は例えば光ファイバを用いて形成し得るが、ここで光はファイバ軸に垂直方向にファイバの側面内に接線方向に結合される。ＷＧＭ３０６は破線で示され、軸３０２に垂直な平面内にある。円筒状微小共振器３００は軸に非平行な平面内にあるＷＧＭモードを支持しないが、それはこのような光は閉経路をたどって共振空洞から逃げるためである。ＷＧＭ３０６は軸３０２に垂直な平面内にあるため、ＷＧＭは赤道ＷＧＭ（ＥＷＧＭ）と称し得る。
【００２７】
従ってＥＷＧＭ３０６の共振スペクトルは図４Ａに示したようなものであり、周波数υの関数としてプロットされた共振を示す。ｌ番目の共振モードは（ｌ＋１）番目の共振モードから、自由スペクトル領域（free spectral range）（ＦＳＲ）とも称されるΔυと等しい分離だけ離間しており、ここでΔυはＥＷＧＭ３０６の周囲の波長の数の１つの増加に対応する。ＦＳＲを以下の式に従って周波数の点から算出し得る。
ＦＳＲ＝Δυ＝ｃ／Ｌ≒ｃ／（πｎＤ） （２）
ここでｃは真空中の光速であり、ｎは微小空洞の屈折率であり、Ｄは円筒径、およびｎπＤはＥＷＧＭの１周の光路長を近似する。ｌ番目および（ｌ＋１）番目のモードは、隣接ＥＷＧＭモードとも称され得る。
【００２８】
なおＦＳＲを波長に関して表わすこともできる。
ＦＳＲ（波長）＝Δυλ2／ｃ＝λ2／（πｎＤ） （３）
ここでλは真空中の光の波長である。ここでＦＳＲの両方の記述は交換的に用いられる。
【００２９】
他のＥＷＧＭは異なる数の全反射を有するため、図示したモードとは異なる光路長を有する。これらの他のＥＷＧＭと関連する共振周波数は図４Ａに示した共振周波数とは異なる。
【００３０】
図３Ｂは軸３１２上に位置する球状微小共振器３１０を概略的に図示する。このような微小共振器は例えば球状壁３１４を有するガラス球を用いて形成し得る。ＥＷＧＭ３１６が軸３１２に垂直な平面にある破線で示されている。ＥＷＧＭ３１６の共振スペクトルが図４Ｂに示したグラフに概略的に図示されている。円筒状共振器のＥＷＧＭ３０６と同様に、隣接する共振間の周波数間隔はΔυ（ＦＳＲ）により与えられ、ここでΔυはＥＷＧＭ３１６の周囲の全体整数波長の数の１つの増加に相当する。ＦＳＲは上記の式（２）により与えられ、ここでＤは球状微小共振器３１０の直径である。
【００３１】
しかし平面微小共振器とは異なり、球状微小共振器３１０は軸３１２に垂直に位置していないＷＧＭを支持している。ＷＧＭ３１６に対して角度θに位置する１つのこのようなＷＧＭ３１８が示されている（破線で）。ＷＧＭ３１８は非赤道モードまたは方位モードと称される。しかし微小共振器３１０が球状であるため、ＷＧＭ３１８の光路長はＥＷＧＭ３１６の光路長と同等であり、そのためＷＧＭ３１８の共振周波数はＥＷＧＭ３１６のものと同等である。非赤道モードの周波数がＥＷＧＭと同じであるため、非赤道モードは周波数が縮退していると言われる。
【００３２】
異なる数の全反射を有するＥＷＧＭに相当する他の共振スペクトルは、図４Ｂに示した共振周波数とは異なる共振周波数を有する。
【００３３】
図３Ｃは円筒状でも球状でもない微小共振器３２０を概略的に示す。図示の実施形態において微小共振器３２０は楕円壁３２４を有する。微小共振器３２０は軸３２２上に位置する。ＥＷＧＭ３２６が軸３２２に垂直な平面にある破線で示されている。赤道ＥＷＧＭ３２６の共振のいくつかが図４Ｃに示すグラフに共振３２７として概略的に示されている。ＥＷＧＭ３２６の隣接する共振３２７間の周波数間隔はΔυ（ＦＳＲ）により与えられ、ここでΔυはＥＷＧＭ３２６の周囲の全体整数波長の数の１つの増加に相当する。ＦＳＲは上記の式（２）および（３）により与えられ、ここでｎπＤはＥＷＧＭの１周の光路長を近似する。
【００３４】
あるモードの光路がゼロから角度θまで傾斜して非赤道光路を形成しているが、非赤道光路に関連する共振は赤道モードのものと同じではない。これは楕円微小共振器の周囲の光路長はθがゼロから増加する際に変動するからである。換言すれば赤道モードの光路長は非赤道モードのものとは異なる。このように異なる非赤道ＷＧＭはθの値と共に変動する異なる共振周波数を有する。このため微小共振器３２０の共振スペクトルは、赤道モードの共振３２７間の領域に「割り込む」非赤道モードの多数の共振３２９を含む。なお数個の非赤道共振しか図４Ｃに含まれておらず、図４Ｃ内の非赤道共振３２９の図示は質的目的のためにのみ提供されている。非赤道共振３２９の大きさは、赤道共振と非赤道共振とを区別する目的のため赤道共振３２７の大きさより小さく図４Ｃに示されている。しかし非赤道共振３２９が赤道共振３２７とは異なるＱ係数を有することを示す意図はない。このような場合、広帯域光源を用いると微小空洞内の全反射強度が、１つのＦＳＲ内に割り込むモード数に比例した分だけ強化される。
【００３５】
広範囲な空洞共振周波数を有するあるタイプの微小空洞共振器は、本明細書に参照により援用する、Ｘ．ファンおよびＲ．ウィルソンにより本明細書と同日に出願され且つ代理人整理番号第５９６３２ＵＳ００２号を有する「誘電体微小空洞センサ（DIELECTRIC MICROCAVITY SENSOR）」により詳細に記載されたバルジ状微小空洞である。
【００３６】
微小空洞内に結合された光は比較的広いスペクトルを有し得るとともに、例えば微小空洞のＥＷＧＭのＦＳＲ、Δυとほぼ等しいかまたはそれを超え得る。光の帯域は通例その半値全幅（ＦＷＨＭ）として測定され、図５Ａを参照されたい。光がレーザ内で生成される場合、光スペクトルは、振幅エンベロープ５０４内にあるレーザのファブリー・ペロ共振に相当する多数の個別モード５０２を含み得る。図５Ｂの概略的図示を参照されたい。このような場合光の帯域はエンベロープ５０４のＦＷＨＭ帯域である。
【００３７】
従来の円筒状微小共振器では導波路から微小共振器への光の結合は、導波路と微小共振器との間の位置合わせの影響を受けやすく、光が微小共振器の赤道モード内に注入されない場合には、その光は低Ｑモードに入って急速に失われ得る。しかしバルジ状空洞が三次元の光の閉じ込めを提供し、円筒状微小空洞のような単なる二次元ではないため、光の結合は導波路に対するバルジ状空洞の位置合わせによる影響をそれほど受けない。さらにまた例えば光ファイバで形成されている場合、円筒状微小空洞が円筒軸に沿って大きな横方向範囲を有し得ても、円筒状微小空洞内に光を結合する導波路は通例比較的狭い。比較的広い導波路はより多数の横モードを支持するため、導波路からの光が円筒状微小空洞の非赤道ＷＧＭ内に入って失われる可能性が増す。しかしバルジ状微小空洞の三次元閉じ込め特性が高Ｑを有する非赤道モードの効率的な励起を可能にするため、より広い導波路をバルジ状微小空洞と共に用い得る。より広い導波路の使用が、光源と導波路との間および導波路と微小空洞との間の光の光学的結合効率の向上につながり得る。
【００３８】
このように円筒状ではない微小共振器の使用は、円筒状微小空洞より多くの異なる値の共振周波数を有する空洞共振の存在につながる。加えて球状ではない微小空洞は球状微小空洞と同じ周波数縮退は示さない。その結果非球状微小空洞（非縮退周波数を有する非赤道モードを有する）は、共振が生じる可能性がある異なる周波数の数の増加をもたらす。このような微小空洞共振器は、図３Ａおよび３Ｂの円筒状または球状微小共振器と比べて単位周波数当たりより多数の共振の存在を示すことができる。しかし完全に球状である微小空洞を得ることは困難であるとともに、僅かな微小空洞の非球形度さえも縮退の破断をもたらす。このように広帯域光源からの光は多数の空洞共振モード内に効率的に結合し得る。広帯域光源の例には発光ダイオードおよびファブリ・ペロー空洞を有する半導体レーザなどの半導体レーザがある。このような広帯域光源は１ＭＨｚ未満の出力帯域を有する光を生成する波長可変半導体レーザより相当安価である。そのため一例示的実施形態において、微小共振器のＥＷＧＭの１つのＦＳＲとほぼ同じまたはそれ以上である帯域を有する光源により光を供給し得る。他の例示的実施形態では光の帯域はＦＳＲの５倍を超え得るとともに、他の例示的実施形態ではＦＳＲの１０倍を超え得る。
【実施例】
【００３９】
実験を行って狭周波数波長可変半導体ダイオードレーザによる照明を広帯域源を用いた照明と比較した。実験設定は図１Ｃに図示したものと同様であり、光源は６３０ｎｍ〜６３５ｎｍの領域の光を結合導波路としての先細ファイバ内に向けた。ファイバコアは約１．５μｍ〜２．５μｍの直径まで細くした。第１の検出器を導波路に沿って通過した光を検出するように微小空洞後に配置した。第２の検出器を微小空洞からの光の自由空間発光を検出するように配置した。
【００４０】
ＳＦＭ２８光ファイバの先端をＣＯ2レーザで溶融することによりガラス微小空洞を約１５０μｍの直径で形成した。ガラス微小空洞は球状に近く、ビオチン化ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）が付着された。ストレプトアビジンの試料に蛍光体としてアレクサ・フルオル（Alexa Fluor）６４７で標識付けした。８００ｐＭ（５０ｎｇ／ｍｌ）の濃度を有するストレプトアビジンの試料を微小空洞に導入した。ストレプトアビジンは微小空洞の表面上のビオチンに結合し、それにより蛍光体を微小空洞に結合した。
【００４１】
微小空洞をまず少なくとも６３０ｎｍ〜６３３ｎｍの領域にわたり波長可変である波長可変半導体レーザから結合した光で照明した。図６はレーザを約２５ｐｍの範囲にわたって走査した場合の２つの検出器から得られたスペクトルを示す。６０２と標識付けされた上方の曲線は第１の検出器により検出された信号に相当する。検出信号の低下は微小空洞の共振に対応する。微小空洞の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を式（３）を用いて算出した。
ＦＳＲ（波長）＝Δυλ2／ｃ＝λ2／（πｎＤ） （３）
ここでｃは真空中の光速であり、λは真空中の光の波長であり、ｎは微小空洞の屈折率であり、Ｄはほぼ球状微小空洞の直径を近似する。実験で用いられた微小空洞の場合、ＦＳＲはおよそ５８０ｐｍであった。
【００４２】
６０４と標識付けされた下方の曲線は微小空洞に近接配置された第２の検出器により検出された自由空間蛍光信号に相当する。曲線６０４の蛍光ピークは微小空洞の共振周波数の発光体の励起に対応する。
【００４３】
次の実験では約２５０μｍの直径を有し、約３５０ｐｍの付随ＦＳＲを有する微小空洞を、６３５ｎｍの出力と０．５ｎｍ（５００ｐｍ）の出力帯域とを有するレーザダイオードからの光を用いて照明した。この特定例ではレーザから出力される光の帯域は１つのＦＳＲより大きい。ファイバテーパに結合された光パワーはおよそ２５０μＷであった。
【００４４】
８ｐＭ（５００ｐｇ／ｍｌ）の濃度を有するストレプトアビジンの試料を微小空洞の表面に導入した。自由空間蛍光信号を検出する第２の検出器の応答が時間の関数として図６のグラフに提供されている。励起光は先細ファイバへの入力で最初に遮断されるため、光は微小空洞内に結合されなかった、点Ａ。したがって点Ａにおける信号レベル、およそ０．０３Ｖは第２の検出器からの信号の背景ノイズのレベルに相当する。
【００４５】
点Ｂで励起光が遮断されなかった場合、強い蛍光信号が観察された。これは微小空洞内の光共振により励起された結果として発光する蛍光体に相当する。点Ｂにおける信号はおよそ３Ｖであり、そのため信号対ノイズ比は約１００であった。レーザダイオードからの光を切断するととともに蛍光信号をロックイン増幅器を用いて検出した。
【００４６】
励起時間のおよそ１８０〜２００秒後、蛍光信号は約０．０８Ｖのレベルに降下した。この経時信号強度の低下は染料分子の漂白に起因していた。
【００４７】
これらの実験結果は８ｐＭ（５００ｐｇ／ｍｌ）という低い濃度を有するストレプトアビジン（アレクサ・フルオル６４７で標識付けした）の検出を示し、ここで光源は微小空洞のＦＳＲを超える帯域を有していた。他のことが同じであれば検出限界はおよそ８０ｆＭ（５ｐｇ／ｍｌ）であると予測される。蛍光センサがより効率的な試料放出する液体システムを組み込んでいる場合、さらに低い検出限界が達成され得ることが予想される。
【００４８】
上記の実験は広帯域光源を波長可変狭帯域源の代わりに蛍光感知測定に効率的に用いることができることを示す。広帯域光源、例えば出力光がＷＧＭの自由スペクトル領域より大きい帯域を有する光源の使用は、微小空洞蛍光センサシステムの部品コストの大幅な削減につながり得る。
【００４９】
したがって本発明は上述した特定の実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に正しく記載されたように本発明のすべての態様を網羅するものと考えるべきものである。本明細書を検討すれば本発明を適用可能な様々な変更例、等価物、方法および多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および装置を網羅しようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】本発明の原理による微小空洞センサの異なる実施形態を概略的に示した図である。
【図１Ｂ】本発明の原理による微小空洞センサの異なる実施形態を概略的に示した図である。
【図１Ｃ】本発明の原理による微小空洞センサの異なる実施形態を概略的に示した図である。
【図２】微小空洞共振器のウィスパリングギャラリモードを概略的に示した図である。
【図３Ａ】円筒状微小空洞を概略的に示した図である。
【図３Ｂ】球状微小空洞を概略的に示した図である。
【図３Ｃ】バジル状微小空洞を概略的に示した図である。
【図４Ａ】図３Ａで図示された微小空洞の共振スペクトルの部分を概略的に示した図である。
【図４Ｂ】図３Ｂで図示された微小空洞の共振スペクトルの部分を概略的に示した図である。
【図４Ｃ】図３Ｃで図示された微小空洞の共振スペクトルの部分を概略的に示した図である。
【図５Ａ】例示的光源の帯域を示した図である。
【図５Ｂ】光を共振モード内に発する光源の帯域を示した図である。
【図６】波長可変半導体レーザからの狭帯域光を用いて測定された微小空洞の共振スペクトルを示した図である。
【図７】広帯域光で励起されたときの微小空洞から得られた蛍光信号の一時的依存を示した図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が自由スペクトル領域（ＦＳＲ）により分離される赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定する微小空洞共振器であって、前記ＥＷＧＭが微小空洞共振器軸に垂直な平面にあり、
光を前記微小空洞共振器内に入射するように光学的に結合された光源であって、前記光源が帯域がＥＷＧＭのＦＳＲとほぼ等しいかまたはそれを超える出力スペクトルを有する出力光を生成する、
を有することを特徴とする微小共振器センサ装置。
【請求項２】
前記微小空洞がバルジ状微小空洞共振器を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記バルジ状微小空洞共振器が軸に沿って細長く、前記光源からの前記出力光を前記微小空洞共振器に結合する導波路をさらに有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光源からの光を前記微小空洞共振器に結合するように配置された第１の光導波路をさらに有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の光導波路が先細光ファイバを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の光導波路が基板上に平面導波路を有する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の微小空洞共振器に関連する光を検出するように配置された少なくとも第１の光検出器をさらに有する、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の光検出器が、前記微小空洞共振器から前記第１の光導波路に沿って伝播する光を受け取るように光学的に結合されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の光検出器が前記微小空洞共振器に近接して配置されて、前記微小空洞共振器から自由空間内を伝播する光を検出する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記微小空洞共振器に光学的に結合された第２の光導波路をさらに有し、前記第１の光検出器が前記微小空洞共振器から前記第２の光導波路に沿って伝播する光を受け取るように光学的に結合されている、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の光検出器に伝播する光を波長選択するように配置された波長選択素子をさらに有する、請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記光源が半導体レーザを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光源が発光ダイオードを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記帯域が少なくとも前記ＦＳＲの５倍と等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記帯域が少なくとも前記ＦＳＲの１０倍と等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
励起光を第１の微小空洞共振器内に結合し、前記第１の微小空洞共振器が赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定し且つ前記励起光が少なくとも２つの隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有するものであり、
前記第１の微小空洞共振器内に結合された前記励起光を用いて１つまたは複数の蛍光物質を励起し、
前記１つまたは複数の蛍光物質の蛍光発光から生じる蛍光信号を検出する、
ことを有する蛍光測定方法。
【請求項１７】
前記励起光の結合が、光源を用いて前記励起光を生成することと、前記励起光を前記光源から光導波路を介して前記微小空洞共振器へ通過させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記励起光の生成が、レーザ内で前記励起光を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記励起光の生成が、発光ダイオード内で前記励起光を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記光導波路が先細ファイバを有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記光導波路が基板上に平面導波路を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記蛍光信号の検出が、前記微小空洞共振器から自由空間内を伝播する光を検出することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記蛍光信号の検出前に、前記蛍光信号を光学的に濾波することをさらに有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記光源が半導体レーザを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
検体を前記微小共振器空洞に付着させることをさらに有し、前記蛍光物質が前記検体と関連している、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記検体を前記微小共振器空洞に付着させる前に、前記蛍光物質を前記検体に付着させることをさらに有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記検体を前記微小共振器空洞に付着させた後に、前記蛍光物質を前記検体に付着させることをさらに有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記励起光が、少なくとも５個の隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記励起光が、少なくとも１０個の隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１】
周波数が自由スペクトル領域（ＦＳＲ）により分離される赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定する微小空洞共振器であって、前記ＥＷＧＭが微小空洞共振器軸に垂直な平面にあり、
光を前記微小空洞共振器内に入射するように光学的に結合された光源であって、前記光源が帯域がＥＷＧＭのＦＳＲとほぼ等しいかまたはそれを超える出力スペクトルを有する出力光を生成する、
を有することを特徴とする微小共振器センサ装置。
【請求項２】
前記微小空洞がバルジ状微小空洞共振器を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記バルジ状微小空洞共振器が軸に沿って細長く、前記光源からの前記出力光を前記微小空洞共振器に結合する導波路をさらに有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光源からの光を前記微小空洞共振器に結合するように配置された第１の光導波路をさらに有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の光導波路が先細光ファイバを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の光導波路が基板上に平面導波路を有する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の微小空洞共振器に関連する光を検出するように配置された少なくとも第１の光検出器をさらに有する、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の光検出器が、前記微小空洞共振器から前記第１の光導波路に沿って伝播する光を受け取るように光学的に結合されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の光検出器が前記微小空洞共振器に近接して配置されて、前記微小空洞共振器から自由空間内を伝播する光を検出する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記微小空洞共振器に光学的に結合された第２の光導波路をさらに有し、前記第１の光検出器が前記微小空洞共振器から前記第２の光導波路に沿って伝播する光を受け取るように光学的に結合されている、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の光検出器に伝播する光を波長選択するように配置された波長選択素子をさらに有する、請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記光源が半導体レーザを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光源が発光ダイオードを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記帯域が少なくとも前記ＦＳＲの５倍と等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記帯域が少なくとも前記ＦＳＲの１０倍と等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
励起光を第１の微小空洞共振器内に結合し、前記第１の微小空洞共振器が赤道ウィスパリングギャラリモード（ＥＷＧＭ）を規定し且つ前記励起光が少なくとも２つの隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有するものであり、
前記第１の微小空洞共振器内に結合された前記励起光を用いて１つまたは複数の蛍光物質を励起し、
前記１つまたは複数の蛍光物質の蛍光発光から生じる蛍光信号を検出する、
ことを有する蛍光測定方法。
【請求項１７】
前記励起光の結合が、光源を用いて前記励起光を生成することと、前記励起光を前記光源から光導波路を介して前記微小空洞共振器へ通過させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記励起光の生成が、レーザ内で前記励起光を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記励起光の生成が、発光ダイオード内で前記励起光を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記光導波路が先細ファイバを有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記光導波路が基板上に平面導波路を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記蛍光信号の検出が、前記微小空洞共振器から自由空間内を伝播する光を検出することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記蛍光信号の検出前に、前記蛍光信号を光学的に濾波することをさらに有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記光源が半導体レーザを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
検体を前記微小共振器空洞に付着させることをさらに有し、前記蛍光物質が前記検体と関連している、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記検体を前記微小共振器空洞に付着させる前に、前記蛍光物質を前記検体に付着させることをさらに有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記検体を前記微小共振器空洞に付着させた後に、前記蛍光物質を前記検体に付着させることをさらに有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記励起光が、少なくとも５個の隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記励起光が、少なくとも１０個の隣接ＥＷＧＭ内に結合可能であるように十分に広い帯域を有する、請求項１６に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５００５３４（Ｐ２００８−５００５３４Ａ）
【公表日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１５０７８（Ｐ２００７−５１５０７８）
【出願日】平成１７年４月１５日（２００５．４．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１２７４４
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１９２１７
【国際公開日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（５９９０５６４３７）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (1,802)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１５日（２００５．４．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１２７４４
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１９２１７
【国際公開日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（５９９０５６４３７）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (1,802)
【Ｆターム（参考）】
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