金属コーティングにてカプセル化された非金属蛍光粒子
本発明は、蛍光物質を有する非金属コアと、非金属コアをカプセル化する金属シェルとを含む粒子に関するもので、金属シェルは、前記蛍光物質を励起させる第１波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質から放射される第２波長を有する電磁放射線に対する反射性を有し、金属シェル内に第２波長を有する電磁放射線を閉じ込める。このシステムによれば、サブミクロン粒子サイズでも、粒子内部に光学空洞モードを励起させることができる。空洞モードは、粒子の誘電体環境の如何なる変化にも非常に敏感である。この感度は、光学ナノバイオセンサの構成のために用いられ得る。前記システムの他の応用としては、球状光波用の微視的ソースがあり、デジタルインラインホログラフィ及びディスプレイ技術で応用を見出すことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属コーティングを有する非金属蛍光粒子を含む光学素子、前記粒子を製造する方法、前記粒子を含む光学装置、及び少量の生物学的又は化学的分子を測定又は検出する分野に適用できる前記粒子を用いる分析方法に関する。
【０００２】
本出願は、２００６年５月１日に出願された米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号に基づく優先権を主張する特許出願である。前記米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号と、２００６年９月２１日に出願された他の米国仮特許出願第６０／８２６，４８３号の全ての内容がここで参照して組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
光学微小空洞は、共振再循環によって光を少量に閉じ込め、可能な用途として、超小型（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ）光エミッタ、レーザー、及びセンサなどがあることが立証された（Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ、ネイチャー 第４２４巻、ｐ．８３９〜８４６、２００４年）。再循環は、微小空洞内に保持される光の波長と伝播方向に、形状に依存する境界条件を与える。これにより、特定の光学モード、いわゆる「空洞モード」のみ許可される。このように許可されたモードのエネルギレベルは微小空洞の形状と光学特性に大きく依存するため、 微小空洞の光学特性は、例えば（例えば、空洞の変形による）力又は（例えば、微小空洞のすぐ近くにおける屈折率の対応する変化による）化学的濃度の変化を検出するために使用できる、非常に敏感な微小光学センサをなす。これと同様に、微小空洞は、例えば、特に微小空洞に又は微小空洞内に分子を閉じ込める表面吸着と、その結果として生じる空洞の周囲又は内部の屈折率の変化によって、生体分子検出のために使用できる。
【０００４】
微小空洞の内部における光の閉じ込めは、微小空洞と周囲との間に高反射性の境界を要求する。これは、例えば、光学導波管の内部で、光の誘導と同様、全反射によって達成できる。図１に示すように、微小空洞の屈折率ｎｃａｖが周囲の屈折率ｎｅｎｖより大きければ、即ちｎｃａｖ＞ｎｅｎｖであれば、全反射が行われ得る。しかし、このような場合にも、いわゆる「臨界角」αｃｒｉｔ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｅｎｖ／ｎｃａｖ）より大きい角度αの場合にのみ全反射が行われる（ここで、αは、反射が行われる空洞の内部に垂直の局部表面から測定される）。このように簡単な考慮事項は、微小空洞の内部に閉じ込められた光の波長に比べて表面粗度が無視できる限り有効である。従って、製造可能な平滑な表面の精度によって、微小空洞の１つの一般的なサイズ下限が与えられる。
【０００５】
微小空洞の利用において他の障害は、微小空洞と周囲との間の高反射性界面が要求されることと直接関連する。光の経路は、無吸着媒体で可逆的であるので、界面は、周囲から界面に衝突する光ビーム２０に対して高反射性である。このため、高反射性という要件を満たして長い光保存力を提供する空洞内部の光学モードは、外部から微小空洞に接近する光のため、容易に達成できない。
【０００６】
Ｖｏｌｌｍｅｒ及び共同研究者（Ｆ．Ｖｏｌｌｍｅｒら、応用物理学レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第８０巻、ｐ．４０５７〜４０５９、２００２年）は、微小球の内部の空洞モードの形成のために、光ファイバの無被覆コアとシリカ微小球との間にエバネセント場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ）カップリングを用いた。この場合、光子は、小さい空気間隙を通じるトンネリングによって、ファイバの高屈折率コアから微小球の高屈折率内部に移動することができる。空気間隙は、数ナノメートル程度でなければならず、正確に制御されなければならない。このため、微小球は、固形マウント（ｓｏｌｉｄ ｍｏｕｎｔ）に固定されなければならず、Ｖｏｌｌｍｅｒらの場合、固形マウントとしてバイオセンシング応用のマイクロ流体装置を使った。Ｖｏｌｌｍｅｒらは、直径３００μｍのシリカ球の外部表面で、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の吸着によって空洞モードバイオセンシングを検証することができた。彼らは、彼らのセンサスケールの感度が１／Ｒであることを示したが、ここで、Ｒは粒径である。
【０００７】
Ｋｕｗａｔａ−Ｇｏｎｏｋａｍｉ及び共同研究者（Ｍ．Ｋｕｗａｔａら、応用物理学の日本ジャーナル 第３１巻、ｐ．Ｌ９９〜Ｌ１０１、１９９２年）は、空洞モードの形成のために、染色ドープされたポリスチレン（ＰＳ）微小球を使った。染料を含む微小球に超短レーザーパルスを照射して、染色分子を励起させた。微小球の表面に小さい入射角αでポンプレーザーパルスを入射することで、光は少ない損失だけで（〜５−１０％）光学的に更に稠密な微小球に貫通することができた。微小空洞の内部の励起された染色分子に任意の方向、即ち全反射条件を満たす方向に蛍光を再照射した。これにより、染色分子の放射波長範囲内に収まる全ての空洞モードが形成された。高いポンプ強度で微小空洞レージングが観察された。
【０００８】
Ｈａｌａｓ及び共同研究者は、非金属コアと光バイオセンシングのための金属シェルとからなる一層小さいサイズのコアシェル粒子を提案した（Ｗｅｓｔら、米国特許第６６９９７２４ Ｂ１号）。彼らは、特に、数十から数百ナノメートルの粒子領域、即ち１μｍ未満の外径を有する粒子を研究した。そのような粒子の導電性シェルは、いわゆる「プラズマ振動数」で光学的に励起できるが、このプラズマ振動数は、シェルの自由電子の集合的な振動に対応する。固体金属粒子のプラズマ振動数は、粒子サイズに単に制限された依存性を示し、基本的に、電子密度と有効電子質量のようなバルク材の物理的特性によって与えられ、Ｈａｌａｓらは、コアシェル粒子の場合、単に粒子のコアとシェル半径の比を変えることで、可視線から近赤外線までの広い範囲でプラズモン振動数の位置が同調できることを立証することができた（Ｎ．Ｈａｌａｓ、光学及びフォトニクスニュース（Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ）、第１３巻、８版、ｐ．２６〜３１、２００２年；Ｓ．Ｊ．Ｏｌｄｅｎｂｕｒｇら、物理化学レター（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第２８８巻、ｐ．２４３〜２４７、１９９８年）。Ｈａｌａｓらは、プラズマ振動数を、外部シェル表面で吸着された有機分子の表面強化ラマン放射を支持することができる振動数範囲内に切り替えることで、そのような粒子をバイオセンサとして使うことを提案した。これにより、ラマン放射は、タンパク質吸着の質的尺度としての役割を果たすことができる。Ｈａｌａｓらは、微小空洞モードの生成又は利用ではなく、プラズマ振動数の同調だけのために、製造された粒子のコアシェル特性を用いたことに留意されたい。そうしているうちに、彼らは、そのようなモードの形成のために、非金属粒子コアに任意の種類の蛍光物質を埋め込むことは提案しなかった。
【０００９】
閉鎖された微小空洞のほかにも、開放された微小空洞の利用がバイオセンシングのために提案された。このような微小空洞は、薄い金属膜の微小空孔を含む。光は、薄い膜の面でのみ閉じ込められ、垂直方向では自由である。Ｂｌａｉｒ及び共同研究者（Ｙ．Ｌｉｕら、ナノ技術 第１５巻、ｐ．１３６８〜１３７４、２００４年；Ｙ．Ｌｉｕ ＆ Ｓ．Ｂｌａｉｒ、ＳＰＩＥ会報、第５７０３巻、ｐ．９９〜１０６、２００５年）は、薄い金膜にパターン化されたナノ空洞に吸着された染色標識されたタンパク質の蛍光強化を研究した。彼らは、２の因子による蛍光強化及び６の因子による量子収率の増加を観察した。以下で説明することと対照的に、分析物に付着された蛍光体標識を除いて、空洞モードの形成のための染色分子又は量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）のような付加的な活性媒体が存在しない。このため、観察された効果が少し弱く、個々の微小空洞の大きいスケール組立体でのみ観察可能である。
【００１０】
Ｓｃｈｅｒｒｅｒ及び共同研究者（Ｏ．Ｐａｉｎｔｅｒら、サイエンス誌第２８４巻、ｐ．１８１９〜１８２１、１９９９年）は、２次元光結晶で単一欠陥を有し、１．５５μｍの波長を有する光を閉じ込める、今まで最も小さい微小空洞体積（０．０３μｍ３）を達成した。しかし、彼らは、この空洞体積の計算において、閉じ込められた光子を保持するのに必要な周期的構造の全体サイズを含まなかった。周期的構造の全体サイズは、光結晶に基づくセンサのサイズをサブミクロン程度に縮小することを妨害する可能性がある。
【００１１】
金属粒子又は薄い金属膜のプラズマ励起に基づく無標識のバイオセンシングのための多様な方法が存在する。これらの場合、入射される光波は、自由伝播又は局部的な表面プラズモン（金属の自由電子の集合的な振動に対応する）を開始させるのに使われる。そうすると、プラズモンは、金属膜又は金属粒子の閉鎖された環境にエバネセント電磁波を生成する。この環境において、例えば、生体分子吸着によって誘電体特性が変更されると、プラズモン振動は、その共振位置を変更させる。これにより、このような移動は、無標識の光学バイオセンサの読出信号として用いられる。
【００１２】
局部的なプラズモン効果を用いる手法の例がＵＳ ２００３／０１７４３８４ Ａ１、ＥＰ ０ ９６５ ８３５ Ａ２及びセンサとアクチュエータ Ｂ ２０００、６３、ｐ．２４〜３０に挙げられている。自由移動プラズモンを用いる例が米国ニュージャジー州ＰｉｓｃａｔａｗａｙにあるＰｈａｒｍａｃｉａ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ社のＢＩＡコアシステムに挙げられている。しかし、これらの何れにも、上述したプラズモン効果の増幅のための微小空洞モードは提案されていない。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６６９９７２４ Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１７４３８４ Ａ１号明細書
【特許文献３】欧州特許第 ０ ９６５ ８３５ Ａ２号明細書
【非特許文献１】Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ，「ネイチャー」，第４２４巻，２００４年，ｐ．８３９−８４６
【非特許文献２】Ｆ．Ｖｏｌｌｍｅｒら，「応用物理学レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，第８０巻，２００２年，ｐ．４０５７−４０５９
【非特許文献３】Ｍ．Ｋｕｗａｔａら，「応用物理学の日本ジャーナル」，第３１巻，１９９２年，ｐ．Ｌ９９−Ｌ１０１
【非特許文献４】Ｎ．Ｈａｌａｓ，「光学及びフォトニクスニュース（Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ）」，第１３巻，８版，２００２年，ｐ．２６−３１
【非特許文献５】「物理化学レター（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，第２８８巻，１９９８年，ｐ．２４３−２４７
【非特許文献６】Ｙ．Ｌｉｕら，「ナノ技術」，第１５巻，２００４年，ｐ．１３６８−１３７４
【非特許文献７】Ｙ．Ｌｉｕ＆Ｓ．Ｂｌａｉｒ，「ＳＰＩＥ会報」，第５７０３巻，２００５年，ｐ．９９−１０６
【非特許文献８】Ｏ．Ｐａｉｎｔｅｒら，「サイエンス誌」，第２８４巻，１９９９年，ｐ．１８１９−１８２１
【非特許文献９】「センサとアクチュエータ Ｂ ２０００」，６３，ｐ．２４−３０
【非特許文献１０】Ｐｈａｒｍａｃｉａ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ社，「ＢＩＡコアシステム」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
つまり、真のナノセンサの開発に有効であり得る１ミクロン未満のサイズを有する微小空洞、即ち「ナノ空洞」の製造試みは今まで成功していない。本発明者らの研究過程において、このような失敗の主原因を慎重に調査した結果、次のように推定した：
（ｉ）金属コーティングのない非金属空洞（この空洞内では全反射によって、いわゆる「ウィスパリングギャラリーモード（Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ Ｍｏｄｅｓ、ＷＧＭ）」のみ励起できる）は、粒子と環境との間の界面における光の平均入射角が徐々に小さくなるため、粒径の減少に伴って損失が急激に増加し、これによって臨界角αｃｒｉｔを超える大きい入射角であるという条件に反するようになる。（ｉｉ）また、粒子が小さくなる場合、表面粗度が更に重要になり、界面に対する低い入射角αｉの方向へ付加的な光の散乱が引き起こされる。
【００１５】
このような問題が発明者の調査で最近主題となり、以下で詳述する蛍光物質を励起させるための手段と共に、金属コーティング及び微小空洞の内部に埋め込まれた蛍光物質を用いることで、前記問題を回避することができる発明を考えるようになった。金属コーティングは、表面に対する光の入射角にほとんど依存しない反射率を示す（図１参照）。しかし、このような理由で、金属コーティングは、外部から空洞に衝突する放射線から空洞全体を遮蔽する。このため、空洞モードの形成のための微小空洞の内部に埋め込まれた蛍光物質を励起させるのは困難であり、このため、今まで試みていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、蛍光物質を有する非金属コア及び非金属コアをカプセル化する金属シェルを含む粒子に関するもので、金属シェルは、前記蛍光物質を励起させる第１波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質から放射される第２波長を有する電磁放射線に対する反射性を有して、金属シェル内に第２波長を有する電磁放射線を閉じ込める。また、前記透過性は、電磁放射線が非金属コアに入ることを可能にする小さい開口を有する金属シェルを用いることで達成できる。金属シェルのそのような小さい開口は、基材又は隣接粒子と接触するシェルの一部に位置したり、又は小さい開口は、π／４λ２未満の最大面積を有したりし、ここで、λは開口を通じて透過させようとする光の波長である。
【００１７】
前記粒子において、非金属コアは、染色分子、量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどからなる群から選ばれる１種以上の蛍光物質を有することができる。蛍光物質は、非金属コア内に又は非金属コアの表面に存在することができる。非金属コアは、前記２種以上の蛍光物質の混合物状態の蛍光物質を有することができる。単一種又は複数種の混合物であり得る蛍光物質は、コアの体積又は表面に均質又は不均質に分布できる。
【００１８】
蛍光物質は、空洞コア又はその表面に整列された、又は、整列されていない方式で配置できる。金属コーティングにてカプセル化された粒子において、空洞コアは、光結晶の全体に周期的に配置された、又は、ランダムに分布された蛍光物質を有する光結晶を含むことができる。
【００１９】
本発明で使われる蛍光物質は、第１範囲の波長λｅｘｃを有する電磁放射線によって励起でき、第２範囲の波長λｅｍを有する電磁放射線を放射することができる。本発明で使われる金属シェルは、少なくとも蛍光物質によって放射される第２範囲の波長のうち一部で高反射性を示す。そして、蛍光物質の放射波長は、金属シェルの表面プラズモン共振の分光範囲をカバーすることができる。
【００２０】
本発明の一実施形態は、金属コーティングにてカプセル化された粒子に関連して説明できるが、ここで、蛍光物質は超短レーザーパルスによって励起され、その結果、基底状態より高い励起状態が形成されて、即ち基本的なレージング条件が少なくとも一時的に満たされる。
また、粒子は、担持基材によって担持でき、金属コーティングの小さい開口は担持基材と接触してのみ存在してもよい。前記金属コーティングの小さい開口は、組立体で隣接空洞と接触してもまた存在してもよい。
【００２１】
本発明の粒子において、空洞コアの体積（Ｖ）、空洞コアの特性因子（Ｑ）、及び蛍光物質の放射波長（λｅｍ）は、空洞内部における関係が不等式（Ｉ）を満たすように選択できる：
【数４】
前記空洞コアの体積は、１０００μｍ３以下であってよく、より好ましくは１００μｍ３以下、最も好ましくは１μｍ３以下であってよい。空洞体積（Ｖｍｉｎ）及び空洞コア内部の蛍光物質の放射波長範囲（λｅｍ）の少なくとも一部は、条件（ＩＩ）を満たすように選択でき、
【数５】
因子ｆは５未満であり、より好ましくは３未満、そして最も好ましくは１未満である。
【００２２】
本発明の粒子において、空洞の特性因子は１より大きくてもよく、より好ましくは３より大きく、更に好ましくは５より大きく、更により好ましくは１０より大きく、最も好ましくは５０より大きくてよい。
【００２３】
また、本発明の粒子において、蛍光物質の放射範囲（λｅｍ）の少なくとも一部は、下記条件、即ち
【数６】
を保持するように選択でき、ここで、ｄはλｅｍに対応する蛍光物質の遷移双極子モーメント、ｎｃａｖは空洞コアの屈折率、Ｑは（λｅｍに対する）空洞コアの特性因子、そしてＶは空洞コアの体積である。
【００２４】
本発明の他の態様は、請求項１による粒子を少なくとも２つ含むカップリングされた粒子システムに関するもので、前記粒子は、金属シェル内の１以上の空洞モードが互いにカップリングされるように、互いにほぼ接触して位置される。前記カップリングされた粒子システムは、光子がある空洞から隣接した空洞へ１０−６より大きい確率でトンネリングできるように、互いにほぼ接触して位置される粒子を含むことができる。トンネリング確率が１０−６未満の場合、観察のための十分な強度のカップリングを達成するのは困難である。本発明のカップリングされた粒子システムにおいて、粒子は、空洞の空洞モードが接触によるモード分裂を示すように、互いにほぼ接触して位置できる。好ましくは、本発明のカップリングされた粒子システムにおいて、以下で説明するように、双方（又は全部）が強いカップリング状況であり得る、互いに接触する空洞のカップリングされたエミッタ／空洞モードは、接触による付加的なカップリングを示す。
【００２５】
本発明の他の態様は、上記粒子を含む標的分子を検知するためのバイオセンサに関する。ここで、本発明のバイオセンサの粒子は、蛍光物質を有する非金属コア及び非金属コアをカプセル化する金属シェルを含み、金属シェルは、前記蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対する反射性を有して、金属シェル内に第２波長を有する電磁放射線を閉じ込める。本発明のバイオセンサは、前記粒子と、粒子の外部表面に固定され、かつ、標的分子を捕獲することができる捕獲分子と、第１範囲の波長を有する電磁放射線を放射するための手段と、第２範囲の波長周囲の電磁放射線を検出するための検出器とを含み、粒子からの電磁放射線の変化が標的分子の捕獲を示す。標的分子を検知するためのバイオセンサにおいて、蛍光物質は、外部電磁放射線、好ましくはレーザービーム、最も好ましくは超短パルスレーザービームによって励起され、レンズシステム、ファイバプローブ又は導波管のような光学システムによって検出が行われる。高解像顕微鏡システム、先鋭化ファイバチップ２７又は回折限界未満の開口を有する他のタイプの開口部が、ナノスケールセンサの場合に好ましく使用できる。
【００２６】
また、本発明は、信号増幅及び／又は内蔵型基準として使われるための上記粒子からなる粒子のアレイ又はクラスタを提供する。表面に吸着された、又は、埋め込まれた粒子のアレイは、例えば、ＣＣＤカメラによって界面パターンのモニタリングに適用できる。界面パターンは、個別粒子の条件に大きく依存するので、多数の粒子の並列読出が可能である。本発明の表面吸着された、又は、埋め込まれた粒子のアレイは、ディスプレイ技術及び関連技術用の多重マイクロ光源にもまた適用できる。
【００２７】
また、本発明は、浮遊自在の粒子システムを提供するが、ここで、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線の波長に対して、透過性である流体に分散されている。このシステムの浮遊自在の粒子は、空洞モードのより幅広い励起のために、２種以上の蛍光物質を含むことができる。このシステムにおいて、蛍光物質は、２以上の電磁放射線によって励起できる。
【００２８】
本発明は、単一基材に担持された粒子システムをまた提供するが、ここで、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線の波長に対して、透過性であるマトリックスに埋め込まれている。単一基材に担持された粒子は、空洞モードのより幅広い励起のために、２種以上の蛍光物質を含むことができる。
【００２９】
前記浮遊自在の粒子システム又は単一基材に担持された粒子システムの実施形態は、球面波用マイクロスコピックソースであり得る。そのような浮遊自在の粒子システム又は単一基材に担持された粒子システムは、生物学的相互作用及び現象のインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）及びインビボ（ｉｎ−ｖｉｖｏ）観察のためのデジタルインラインホログラフィにおける使用に適用できる。これらシステムについてはより詳しく後述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
金属コーティングにてカプセル化された、表面吸着された蛍光非金属粒子における光学空洞モードの励起
光学空洞モードは、図４に示した計画による簡単な方式で励起及び検出できる。
【００３１】
計画（Ｉ）の場合、蛍光物質３を含み、金属コーティング４にてカプセル化された非金属コア２材からなる粒子１が、金属４に完全にコーティングされ、表面に接触した金属コーティング４に吸着されている。金属コーティング４内の蛍光物質３の励起のために使われる光ビーム２０が表面に向かい、基材５の光学特性によって表面で反射及び／又は透過される。空洞の漏洩、即ち空洞の制限された特性因子によって、励起された空洞モードの一部の光２１が粒子１から粒子の外部環境へ出て、これは、適切な光学部品、例えば、凸レンズ２２によって集光され、光検出器２３に導かれる。ナノスケール粒子１の場合、例えば、近接場チップが空洞モードの検出のためにまた使用できる。選択的には、フィルタ又は格子２４のような分散要素を含む装置が検出経路に挿入されて、粒子１から出る光２２をスペクトル分解検出することができる。
【００３２】
計画（ＩＩ）の場合、粒子１の自由表面のみを金属４でコーティングし、表面と接触する表面領域はコーティングしないことで、粒子１のコア２と基材５との間に光学接触を形成する。用語「光学接触」は、計画（Ｉ）に示すように、金属シェル４が基材５と接触している場合に比べて、粒子１のコア２と基材５との間の界面を一方向に横切る光の強化された透過の意味として理解されなければならない。そして、基材５の光学特性を適宜選択すれば、即ち材料が蛍光物質３の励起波長に対して透過性であれば、粒子１内部の蛍光物質の励起がこの接触によって行われ得る。
【００３３】
更に、粒子１は、部分的に又は完全に基材５に埋め込まれることができる。後者の場合、基材５は、蛍光物質３の励起及び放射波長で透過性でなければならない。粒子１が先に表面吸着され、そして、金属コーティングの形成後、追加物質に埋め込まれる場合、粒子１は、上記と同様、周囲基材５に対する光学接触を示すことができる。
【００３４】
本実施形態の計画に使用できる実際の装置が実施例７に記載されており、実施例８〜１１で空洞モード励起及び検出のために用いられている。
【００３５】
金属コーティングにてカプセル化された、表面吸着された蛍光非金属粒子のクラスタにおける光学空洞モードの励起
図５は、金属コーティング４にてカプセル化された２種以上の蛍光非金属粒子２を含む光学空洞モードの励起に適したシステムを示す。図５（ａ）において、個別的にカプセル化され、表面吸着された２つの粒子１が互いにすぐ近くにある。図５（ｂ）において、互いにすぐ近くにある、個別的にカプセル化された２つの粒子１が、基材５と光学接触を形成している。図５（ｃ）において、２つの表面吸着された粒子１が互いに光学接触を形成するが、基材５には光学接触していない。そして、図５（ｄ）において、２つの粒子１が基材５だけでなく、互いに光学接触を形成している。これらの計画は、３以上の粒子１に容易に拡張できる。また、４つの全ての計画の組み合わせも可能である。図４の計画（ＩＩ）と同様、粒子１と基材５との光学接触は、粒子１の内部に取り囲まれた蛍光物質３の励起のために使用できる。
個別粒子１の場合について既に説明したように、ここで説明する粒子１のクラスタも部分的に又は完全に基材５に埋め込まれることができる。
【００３６】
３以上の粒子１を含む構成に関する２つの一般的な例を示すために、図５（ｅ）及び（ｆ）が表面吸着された粒子１の３次元の規則的構造を示す。図５（ｅ）の場合、粒子１は、粒子１らの間又は基材５に対する如何なる光学接触もなしに、個別的に金属コーティング４にてカプセル化されており；図５（ｆ）の場合、粒子１は、基材５だけでなく、隣接した粒子１の間に光学接触を形成しつつ、規則的に配列されている。一般に、粒子１、又は粒子１の（不規則的な又は規則的な）クラスタが、ランダム又は整列された方式で２次元又は３次元構造で表面に分布できる。これにより、光結晶が形成できる。特に、規則的な構造の場合、特定方向の放射、いわゆる構造の「ブラッグ反射」が存在する可能性があり、この場合、個別粒子１の放射は、付加の方式で重畳されて、全体信号を強化する。
【００３７】
図５の計画（ｃ）に従って形成された金属コーティングされた三量体における空洞モード励起の証明が、実施例１０に挙げられている。
【００３８】
バイオセンシングのための金属コーティングにてカプセル化された単一蛍光非金属粒子の利用
図６に示すように、蛍光物質３を含み、金属コーティング４によって取り囲まれた非金属コア２からなる単一粒子１が、次のようにバイオセンサとして利用できる：
粒子１が蛍光物質３の励起及び放射波長に対して透過性である基材５に部分的に埋め込まれる。粒子表面の露出部分が、抗タンパク質マトリックス６及び生物学的認識のための１つ（又はそれ以上）のプローブ分子７でコーティングされる。基材表面は、粒子１の露出されてバイオ機能化された部分が液体セル８に収容されている分析物と接触するように、液体セル８内に設置される。蛍光物質３は、基材５を通じて伝播されて、粒子１を横切る光ビーム２０によって光学的にポンピングされる。空洞の制限されたＱ因子によって蛍光物質３から放射されて、粒子１の金属コーティング４を透過する光２１は、特定の立体角２５内で光ファイバ２６によって集光される。立体角２５は、ファイバ２６の開口数と、粒子１の中心からファイバまでの距離とによって与えられる。１μｍ未満の直径を有する小さい粒子１の場合、光ファイバ２６のチップ２７は、サブ波長分解（光学近接場チップ）がノイズから信号の適宜識別を提供し得るように製造できる。一般に、そのような尖ったチップ２７は、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）によって制御される。
【００３９】
金属コーティングにてカプセル化された単一蛍光非金属粒子による光学検知の証明が、実施例１１に挙げられている。
【００４０】
金属コーティングにてカプセル化された蛍光非金属粒子によるバイオセンシングのための一般的なセットアップ
この章の何れかの実施形態に記載されているように、固体基材５に埋め込まれたり、担持された粒子又は粒子システムが、以下のセットアップによってバイオセンサとして作動できる（図７）。基材５は、粒子１の露出されてバイオ機能化された表面が可能な特定の結合パートナを含む媒体に露出できるように、液体セル内に設置される。図７において、本実施形態の粒子１のサイズがナノサイズに制限されないにもかかわらず、前記粒子１は、ナノ粒子として表示され、より多くの粒子１が、図７に示すような方式でバイオセンシングのために用いられる。蛍光物質３は、レーザー又は他の適切な光源によって生成される光ビーム２０によって励起され、粒子１からの放射は、適切な光学システム、例えば、光ファイバによって集光される。そうすると、ファイバは、光を光学分析システムへ導き、このシステムは、検出される光の強度を波長と時間の関数として記録する。
【００４１】
好ましい実施形態において、蛍光物質３の励起のために使われる光源は、超短パルスレーザーであり、検出ユニットは、ノイズから超短信号を識別することができる。後者は、ゲーティッドＣＣＤカメラ、又はボックスカー積分器のような高速処理の電子装置に連結されている光電子増倍管によって実行できる。ナノ秒、ピコ秒、そしてフェムト秒領域の十分に短いパルスを有する超短パルスレーザーが、商業的に利用可能である。
【００４２】
このような一般的なセットアップの実質的な証明が実施例７に挙げられており、実施例８〜１１で空洞モード励起及び検出のために、そして実施例１１で光学センシングのために用いられている。
【００４３】
バイオセンシングのための金属コーティングにてカプセル化された、カップリングされた蛍光非金属粒子の利用
金属コーティング４にてカプセル化された２つの蛍光非金属粒子２が、次のようにバイオセンシングのために用いられる（図８）。粒子のうち、１つの粒子１Ａが、不活性マトリックス６に埋め込まれたバイオ認識用の１つ（又はそれ以上）の特定の結合プローブ分子７を有する。第２粒子１Ｂは、特定の結合に対して不活性であり、このため、特定の結合を除く条件の変化の尺度である。従って、カップリングされたシステムは、センサの作動の間に環境変化を補正する内部基準を含む。
【００４４】
信号の検出のために使われるファイバチップ２７は、粒子１Ａ，１Ｂのうち１つの粒子から又は２つの粒子の全てから集光することができる。粒子１Ａ，１Ｂは、粒子の空洞モードがスペクトル的に重畳されるように、又は重畳を避けるように製造できる。前者の場合、モード分裂が観察可能になり、後者の場合、環境変化の追跡に更に適した波長で基準が作動できる。従って、両粒子１は、同じ又は異なる蛍光物質３を含むことができ、同じ又は異なる光源によってポンピングできる。また、粒子１は、二量体の形成前に金属コーティング４に個別的に取り囲まれたり（図５参照）、又は全体非金属システムとして全体的な金属コーティング４でコーティングできる。後者の場合、図５の計画（ｃ）に示すように、非金属接触地点が両粒子１の間に形成される。
【００４５】
図５の計画（ｃ）に従って形成された金属コーティングの三量体における空洞モード励起の証明が、実施例１０に挙げられている。
【００４６】
金属コーティングにてカプセル化された、カップリングされた蛍光非金属粒子システム
図９に示すように、粒子カップリングの概念は更に拡張できる。粒子１は、基材５に埋め込まれ、ある空洞から隣接した空洞へ光子がトンネリングできるように、互いにほぼ接触したまま保持される。最上位の粒子１Ｃは、バイオ機能化が可能なように環境に部分的に露出されている。また、ファイバチップ２７への光カップリングを向上させるために、検出ファイバ２６に最も近い粒子１Ｄが部分的に露出できる。図９に示すように、そのような粒子システムは、それぞれ基準なし及び基準ありのバイオセンシングが可能なように、１（Ａ）又は２（Ｂ）の寸法のスタックを形成することができる。そのようなシステムの利点は、（ｉ）光学ポンピングのための断面積が更に広いため、出力信号がより高く、（ｉｉ）表面対体積の比が更に小さいため、損失がより小さく、（ｉｉｉ）ファイバチップ２７と最下位の粒子１Ｄとが近接しているため、検出が向上するということである。実は、最下位の粒子１Ｄが、例えば、屈折率整合液によってファイバチップ２７に直接光学連結できる。
【００４７】
前記実施形態と同じ方式で、粒子１は、粒子クラスタの形成前又は形成後に金属化できる。また、粒子１は、同じ又は異なる種類の蛍光物質３を含むことができる。ファイバチップ２７による検出のために、粒子１又はクラスタ全体が任意に選択できる。
【００４８】
浮遊自在の粒子及び粒子システム
他の実施形態において、粒子１は、固体基材５に固定されず又は埋め込まれず、分析物の中で浮遊自在の状態で用いられる（図１０）。これにより、粒子表面全体がバイオ機能化され、個別粒子１の感度を増加させることができる。粒子１は、独立したり、又はクラスタを形成したりすることができる。また、粒子は、特定の結合プローブ分子７が埋め込まれている不活性マトリックス６を有することができる。特定の結合の検出のために、分析物を含む液体セルは、蛍光物質３の励起及び放射波長で光学接近を提供しなければならない。同じ又は異なる光学窓３０は、放射された光２１の励起及び検出のために、それぞれ使用できる。また、２以上の光源が励起のために使用できる。粒子１が浮遊自在であるため、この場合、超短光パルスを用いる時間分解励起及び検出が好ましい実施形態である。また、粒子１は、空洞の作動スペクトル範囲を拡張するために、２以上の蛍光物質３を含むことができる。これにより、粒子１の外部表面に吸着された生体分子の量の分析及び判定のために、より多数の空洞モードが使用できる。これは、生体分子の吸着前に粒子１で基準測定が行われないため、単一測定の間にシステムに対する向上された情報取得を要求するので、重要である。
【００４９】
基材に安着又は埋め込まれた多くのエミッタの場合の代替検出
金属コーティング４にてカプセル化された多くの蛍光非金属粒子２が、表面５に安着又は（部分的に）埋め込まれてバイオセンシングのために使われる場合、光ファイバ又は光ファイバ束を使った個別信号の検出は、非常に退屈になり得る。そのような場合、代替方法が適用できる（図１１）。個別エミッタによって放射される光２１は、粒子１の干渉縞がイメージ化されてＣＣＤによって記録されるように、凸レンズ２２によって集光され、ＣＣＤカメラのチップ２８にイメージ化される。個別エミッタの任意の状態変化は、干渉縞に即時の変化をもたらす。分析物の露出前に縞を記録して基準を得ることができる。検出システムの時間分解が十分に高いと、結合及び関連効果の変動のインサイチュ・モニタリングがマイクロスケール及びナノスケールで観察可能になる。変化に対する情報は、フーリエ変換及び関連技術のような分析法によって干渉縞から抽出できる。
【００５０】
他の適用
一般に、十〜数百の間の適度なＱ因子によって空洞モードを形成する光が空洞から漏れる可能性があるため、本実施形態によって、金属コーティング４にてカプセル化された蛍光非金属粒子は、新しい種類の微視的光源を形成する。ほとんどファブリペロモードが励起されるので、微小空洞は、新しい種類の微視的な球面波源を形成する。空洞が超短パルスレーザーでポンピングされる場合、空洞モードの少なくとも一部は、レージング条件を満たすことができる。そうすると、このモードの場合、球面波レーザーが形成される。そのような小さい球面波光源は、干渉性、放射力及び全体サイズによって様々な用途に有用である。以下でいくつかの例を提示する。
【００５１】
インラインホログラフィ：インラインホログラフィは、アベ回折限界未満の分解を有する顕微鏡検査において、サブ波長開口から現れる干渉性の球面波を用いる（Ｗ．Ｘｕら、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ 第９８巻、ｐ．１１３０１〜１１３０５、２００１年）。
【００５２】
球面波は、対象物から部分的に散乱される。そうすると、球面波の散乱されたウェーブレットと散乱されていないウェーブレットとの間の干渉によって発生する干渉縞が、ＣＣＤカメラによって記録される。このホログラムは、実際空間イメージに逆変換される。高い空間分解能の外に、前記方法の主な利点は、ホログラムが対象物の３次元情報全体を含むということである。バイオ物質が一般に電磁スペクトルのＵＶ可視線領域で弱く吸収するため、特別な適用分野として生物学及び生化学がある。
【００５３】
前記方法の主な問題は、球面波の形成に要求されるピンホール開口の製造及び制御である。直径が数百ナノメートルであるピンホールは、製造及び操作が困難である。ここで、本発明者らの手法は、この問題に対する独特の解法を提供する。球面波は、粒子１から現れる。粒子１は、バイオ機能化され、例えば、さらに磁気化できる。そうすると、調査対象である生物学的サンプル内の任意の位置に位置されて、特定の相互作用を経験することができる。このような相互作用が進行される間、粒子１から現れる球面波は、生物学的事象のインサイチュイメージ化のために使用できる。
【００５４】
ディスプレイ技術：球面波用サブ波長源は、基礎的なウェーブレットに対するホイヘンス（Ｈｕｙｇｅｎｓ）の原理に類似する。この原理によれば、伝播する全ての光波は、球面波が密に詰め込まれたナノスコピックソースから現れると考えられ、光伝播方向を除く大部分の方向で相殺干渉される。ここで説明する粒子１によって、この原理は、図１１に示す手法と同様、実質的に表面に適用できる。粒子１が励起される方式によって干渉縞が制御でき、これによって、新しい種類の光ディスプレイの開発が可能である。
【実施例】
【００５５】
上述したように、本実施形態は、バイオナノセンサ、デジタルインラインホログラフィシステムなどのような小型装置の光学素子として有用な粒子１を提供するが、この粒子１は、蛍光物質３を有する非金属コア２と、非金属コア２をカプセル化する金属シェル４とを含み、金属シェル４は、前記蛍光物質３を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質３によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対する反射性を有して、金属シェル４内に第２範囲の波長を有する電磁放射線の少なくとも一部を閉じ込める。本明細書において、以下で記述する用語をそれぞれ明記する意味として使う。
【００５６】
用語の定義
表面における反射及び透過：一般に、物質の表面は、衝突する光の一部を更に周囲に反射する能力を有し、他の一部は、物質内に透過されて移動する間に吸収できる。以下で、入射光に対する反射光の出力比を、周囲／物質界面の「反射性」又は「反射率」Ｒと呼ぶ。従って、入射光に対する透過光の出力比をこの界面の「透過率」Ｔと呼ぶ。Ｒ及びＴは、何れも界面の特性であり、即ちその値は、材料とその周囲の双方の光学特性に依存することに留意されたい。また、その値は、入射角及びこの界面に衝突する光の分極に依存する。反射及び伝導に対するフレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）方程式によって、Ｒ及びＴを算出することができる。用語「吸収」は、実施例５で定義される。
【００５７】
光学空洞：光学空洞は、閉じられた境界領域（空洞の「表面」）によって制限される閉鎖された体積であり、これは、電磁スペクトルの紫外線（ＵＶ）、可視線（ｖｉｓ）又は赤外線（ＩＲ）領域の光に対して高反射性である。波長依存性の外にも、この境界領域の反射率は、局部的な表面法線に対して境界領域に衝突する光の入射角に依存し得る（図１参照）。光学空洞の内部体積は、真空、空気、又はＵＶ、ｖｉｓ又はＩＲで高い透過を示す任意の物質からなり得る。特に、透過は、電磁スペクトルのこれら領域の少なくとも一部で高くなければならず、この場合、空洞の表面は、高反射率を示す。
光学空洞は、２つのパラメータ、即ち光学空洞の体積Ｖと光学空洞の特性因子Ｑを特徴とする。以下で、用語「光学空洞」は、特性因子Ｑ＞１である光学空洞を示す。
【００５８】
光学空洞の体積：光学空洞の体積は、幾何学的内部体積によって定義され、この体積は、空洞の表面、即ち高反射性の境界領域によって制限される。
【００５９】
特性因子：光学空洞の特性因子（又はＱ因子）は、空洞内部に光子を閉じ込めることができる潜在力の尺度である。特性因子は、
【数７】
で定義され、ここで、ωｍ及びλｍは、それぞれ空洞モードｍの振動数と波長であり、Δωｍ及びΔλｍは、対応する線幅である。後ろの２つの方程式は、Ｑ因子を空洞内部の光学モードの位置と線幅に連結させる。空洞の貯蔵潜在力は、その表面の反射率に依存することは明らかである。従って、Ｑ因子は、波長に依存する。
【００６０】
光学空洞モード：光学空洞モード又は単に「空洞モード」は、与えられた空洞に対する電磁場方程式（マクスウェル方程式）の波動解である。これらのモードは、不連続であり、空洞表面における制限的な境界条件によって整数ｍで数えることができる。従って、空洞の存在時、電磁スペクトルは、許容領域と禁止領域とに分類できる。マクスウェル方程式の全体解は、それぞれ空洞の内部と外部の内部及び外部電磁場で構成される。以下で、用語「空洞モード」は、特に言及しない限り、空洞内部の内部電磁場を示す。波動解は、境界領域、即ち空洞表面の反射率だけでなく、空洞の形状と体積に依存する。従って、前記解は、空洞のＱ因子に依存し、波長依存性である。
【００６１】
球状空洞の場合、２種の主なタイプの解が存在するが、この場合、波長依存性を容易に推定することができる。単純化のために、以下の考察ではこの推定を使う。図２は、２つの解の間の差を示す。両方とも定常波が形成された。図２（ａ）は、半径方向に形成された定常波を示すが、図２（ｂ）は、球Ｓと環境Ｅとの間に内部境界の円周に沿って形成された定常波（導電性シェルでコーティングされた球Ｓの場合、定常波が内部シェル境界に形成される）を示す。
【００６２】
以下で、ファブリペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計で分析することから、半径モードを「ファブリペロモード」（ＦＰＭ）と呼ぶ。球Ｓの円周に沿って形成されるモードは、ロンドンのセントポール大聖堂のドームで、百年も前にＬｏｒｄ Ｒａｙｌｅｉｇｈが発見した音響現象から類推して「ウィスパリングギャラリーモード」（ＷＧＭ）と呼ぶ。これらモードの波長依存性に対する単純な数学的記述のために、以下で（説明のために、図２参照）定常波境界条件を使う：
ＦＰＭの場合、
【数８】
そして、ＷＧＭの場合、
【数９】
ここで、「ｍ」は整数であり、またモードを数えるために使われ、Ｒは球の半径であり、ｎｃａｖは空洞内部の屈折率である。
【００６３】
空洞モードのモード体積：空洞モードのモード体積は、幾何学的体積で定義され、ここでモードの場強度は消滅されない。一般に、場は、幾何級数的に減少するので、「強度０（ｚｅｒｏ）」を規定する特定のカットオフ値が実際に設定されなければならない。例えば、カットオフは、最大場強度の０．１％に固定できる。
【００６４】
空洞の間の光学カップリング：金属シェルで許容される小さい開口の定義によれば（２９ページ参照）、２つの隣接空洞の間の「光学カップリング」は、偶然の場合に、ある空洞から他の空洞へ得られる光強度が予想されるものより高い場合、両空洞の金属シェルにそれぞれ１つずつあるその２つの開口が互いに接触するようになり、これによって、ある空洞から他の空洞へ光が通過するようになるものと定義する。
【００６５】
ベーテ（Ｂｅｔｈｅ）限界によれば、半径ｒである小さい開口スケールを通じる透過率Ｔｐｈは、
【数１０】
であり、ここで、
【数１１】
は、半径Ｒの空洞に位置した面積Ａｐｈの開口を通じる公称透過率である。物質セクションにおいて、金属シェル４における小さい開口の許容可能な最大面積を
【数１２】
と規定する。最後の方程式から、許容可能な最大開口半径ｒｍａｘ＝λ／２が求められ、そこから小さい開口による許容可能な最大透過率が次のように挙げられる：
【数１３】
【００６６】
そして、隣接した空洞にそれぞれ１つずつ位置した２つの小さい開口が互いに直接接触すると、ある空洞から他の空洞への最大総透過率は、次のように挙げられる：
【数１４】
これに基づいて、用語「互いに光学接触する空洞」を、ある空洞から他の空洞へ透過される光の強度ＴｃｏｕｐｌがＴｔｏｔより大きい場合と定義する。与えられた空洞の１／２空間のみが他の空洞の方向へ光を放射するので、追加の因子１／２を導入して、下記式を得る：
【数１５】
Ｔｐｈ，０の定義を更に置き換えると、最終的に下記式が求められる：
【数１６】
波長が与えられた場合、空洞の屈折率ｎｃａｖ＝１と仮定すると、空洞の最も小さい可能半径Ｒは、式２によって（ｍ＝１で）
【数１７】
となる。従って、全体として、互いに光学接触する２つの粒子の間の最小透過率に対する安全な上限に逹する：
【数１８】
【００６７】
この定義は、全体が示す全ての可能なペアリングを考慮し、各ペアに前記基準を適用することで、３以上の空洞のカップリングに容易に拡張できる。
【００６８】
観察可能な量子効果
本実施形態は、蛍光物質３を有する非金属コア２及びその非金属コア２をカプセル化する金属シェル４を含む粒子１、小型装置におけるその粒子１の使用、及びそのようなシステムで通常的に発見される外部ポンプ放射線の高い反射損失なしに、外部から光学空洞モードが励起できる閉鎖された金属空洞を前記粒子１に製造する方法を提供する。従って、本実施形態によって空洞モードの高形成が達成できる。金属コーティング４の光学特性によって、空洞は、真の「ナノ空洞」を形成するように、サブミクロンサイズ領域に小型化できる。そのような小さいサイズと高いモード形成において、１ミクロンを超える平均サイズを有する大きな空洞で滅多に観察できない量子効果が、このようなシステムで重要となる。第一に、小さい粒径は、分子吸収に対する空洞モードの位置の強い依存性を引き起こし、これは、根本的に「単分子」ナノバイオセンサの開発に使用できる。第二に、ナノ空洞の内部にモード形成のために使われる蛍光物質３の自発放射率のパーセル（Ｐｕｒｃｅｌｌ）強化によって、そのようなナノ空洞の総放射力が大きく強化されて（３０以上の因子）、ナノ空洞の小さいサイズにもかかわらず、空洞モードが容易に検出でき、ノイズレベルを超えてうまく留まることができる。最後に、非常に小さい空洞と非常に高い空洞モード形成の場合、空洞モード分裂のような他の量子効果が観察可能になる。ナノ空洞のすぐ近くにおける屈折率に対するモード分裂の依存性は、絶対的な空洞モード位置の追跡と同様、センシング応用のために用いることができる。
【００６９】
光子を閉じ込める能力を有する空洞は、与えられた空洞モードｍの振動数を満たせば、次のような方式で製造できる：
内部又は表面に染色分子、半導体量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどのような蛍光物質３を有する小さい非金属粒子を、例えば、銀からなる金属シェル４でコーティングする（図３）。ここで、金属シェル４は、上記の定義で紹介した「高反射性の閉鎖された境界領域」として機能する。粒子１のコア２の内部又は表面にある蛍光物質３は、ポンプレーザー又は容易に金属コーティング４に貫通することができる波長で作動する他の強い光源によって励起される。例えば、銀シェルの場合、銀が約３２０ｎｍで最大透過率を示すので、波長は、約３２０ｎｍに位置されるように選択できる。蛍光物質３は、金属コーティング４が高反射性を示す波長を放射するように選択される。従って、放射された光子は、空洞内部に閉じ込められ、空洞は、光子を小さい体積で閉じ込める。本実施形態によれば、以下の量子効果が体積とＱ因子に依存するシステムで原理的に観察可能であり、これら全てはナノスケールの光学センシングに用いることができる：
【００７０】
１．量子干渉
空洞モードは、空洞のＱ因子を実質的に規定する空洞表面の反射率だけでなく、空洞の幾何学的形状（体積及び形状）に依存する。球状金属被覆空洞の内部の光子の場合、空洞モードの許容波長は、式２によって非常に近似して記述できる。この簡単な式は、場強度が常に金属コーティング４で消滅されなければならない（図２）という事実から推定される。空洞モードの正確な位置は、球状空洞のサイズに大きく依存する。簡単な計算によって次が得られる：
【数１９】
【００７１】
１／Ｒ依存性により、例えば、粒子１の外部表面で生体分子の吸着によって引き起こされるなどＲの変化によって、感度は粒径の減少に伴って増加する。同時に、粒子１の表面は、１／Ｒ２に減少するので、増加する移動（ｓｈｉｆｔ）を得るためには、粒子１の外部表面に吸着された生体分子が更に少なくなければならない。ナノスケールで、Ｒが数十ないし数百ナノメートルの範囲内の場合、そのような生体分子の吸着への感度は、最大値に到逹しなければならない。内部で波長λの光子が圧着される空洞の最小体積Ｖｍｉｎによってのみ限界が与えられる。ＣａｌｔｅｃｈのＥｌｉ Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによれば、Ｖｍｉｎは、
【数２０】
で与えられ、ここで、ｎｃａｖは空洞内部の屈折率である（Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ、「光子バンドギャップ工学（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」、公開許可された中間報告書、期間：１９９８年１月１日〜１２月３１日、米陸軍研究庁、ＤＡＡＨ ０４−９６−１−０３８９）。式５ａに基づいて、空洞モードを用いるナノバイオセンサの感度を示すために、簡単な計算を行うことができる（実施例１参照）。λは真空波長を示すので、λ／ｎｃａｖは単に空洞内部光子の波長である。実際に、式５ａによって与えられる限界に到逹するのは難しい。従って、式５ａを一般に次の形、
【数２１】
で書き、ここで、ｆは０．２５以上である。因子ｆは、実験的手法が理論的限界にどれ程近く到逹したかを示す尺度としての役割を果たす。例えば、染色ドープされたポリスチレンビーズにおけるウィスパリングギャラリーモードを使った従来技術の実験は、単にｆ≒１３５まで低めた値を達成した。光子結晶構造において、全体光子結晶に代わってモード体積のみを考慮したとき、今まで最も低いｆ値が得られた。そして、ｆ＝１．２が達成された（Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ、ネイチャー 第４２４巻、ｐ．８３９〜８４６、２００４年）。
【００７２】
２．パーセル強化
高い感度に加え、システムの放射力が結合検出が可能な程度に十分に高くなければならない。ナノ空洞の放射力は、他の量子効果、いわゆる「パーセル強化」によって強化できる。１９４６年に、Ｅｄｗａｒｄ Ｍ．Ｐｕｒｃｅｌｌは、無線周波数で一時的な放射可能性に関する彼の研究において、放射振動数の位置が共振と一致すると、共振器に連結された双極子エミッタが増加した一時的な放射を示すことを言及した。従って、光振動数で作動する双極子エミッタの場合、エミッタが光学空洞の内部に位置すると、自発放射率γＳＥは、
【数２２】
で与えられる。ここで、ｄは双極子エミッタの双極子モーメント、ｎｃａｖは空洞内部の屈折率、Ｖは空洞の体積、Ｑは空洞の特性因子である。ε０は誘電定数であり、ディラック定数はｈ／２π（ここで、ｈはプランク定数）である。空洞内部のγＳＥと自由エミッタの自発放射率γＯとの比が「パーセル因子」ηｃａｖ（＝γＳＥ／γＯ）と呼ばれ、次のように、
【数２３】
で与えられ、ここで、λｅｍはエミッタの放射波長である。空洞内部の自発放射率は、特性因子Ｑの増加に伴って、また空洞体積Ｖの減少に伴って増加する。単純化推定の場合、実施例２参照。式７ａによれば、もし、
【数２４】
であれば、空洞内部の自発放射は、自由エミッタの自発放射を超える。
【００７３】
３．エミッタ空洞カップリング
式５ａによって与えられるサイズ限界に近接したナノ空洞の場合、追加的な量子効果が作用し始める：双極子エミッタと空洞モードとのカップリング（例えば、Ａｎｄｒｅａｎｉら、物理的考察Ｂ、第６０巻、ｐ．１３２７６〜１３２７９）。エミッタの放射振動数が空洞モードの何れかと一致するとλｅｍ＝λｍ、モード分裂が生じる可能性があり、これを次のように書くことができる：
【数２５】
Δωｅｍ及びΔωｍは、それぞれエミッタと空洞モードの線幅を示し、ｇは、いわゆる「カップリング定数」であり、次のように挙げられる：
【数２６】
ここで、ｃは光の真空速度、εｒはマクスウェル関係式εｒ＝ｎ２ｃａｖが保持される場合の空洞物質の誘電関数である。全ての他の文字は、上記で定義したとおりである。式８によれば、Δωｅｍ＝Δωｍの場合、最大モード分裂Δω±が観察され、Δω±＝２ｇとなる。この計算は、空洞内部に単一エミッタの場合に有効である。もし、Ｎ個のエミッタが存在すると、分裂は、Ｎ０．５に増加する。センサ応用の場合、前述したように、粒子半径Ｒの変化の関数としてモード分裂の変化を追跡することができる。Ｒに対するｇの依存性は、次のように挙げられる：
【数２７】
【００７４】
従って、上記１章（量子干渉）で既に説明したように、感度は、空洞サイズの減少に伴って増加する。この効果に基づくナノバイオセンサの予想感度に対する単純化推定の場合、実施例３参照。
【００７５】
式８は、下記不等式
【数２８】
が満たされる場合にのみ、モード分裂が生じることを示す。また、分裂を実験的に観察可能にするために、２ｇは、共振の線幅ω±を超えなければならない。即ち
【数２９】
である。与えられた空洞でエミッタ空洞カップリングの開始のための安全な下限を得るために、
【数３０】
を仮定し、これは、適切なエミッタを選択することで充足できる。そうすると、不等式１１及び１２は何れも下記式となる：
【数３１】
式１及び９を不等式１４に代入し、λｅｍ＝λｍを用いると、最終的に、実験的に観察可能なモード分裂を得ることができるエミッタと空洞パラメータの条件、即ちエミッタ−空洞カップリングが得られる：
【数３２】
【００７６】
実施例４は、金属コーティングされたポリスチレン球に対するこの条件の推定を提供する。
【００７７】
４．エミッタと金属シェルの表面プラズモンとのカップリング
プラズモンは、金属の自由電子の集合的な振動であり、バルク振動の場合、「プラズマ振動数」は、下記式
【数３３】
で簡単に記述され、ここで、ｎは自由電子密度、ｅは電子電荷、そしてｍは電子質量である。
【００７８】
また、そのようなバルク励起の外にも、プラズモンは、表面に沿って（表面プラズモン、ｓｐ、例えば、Ｈ．Ｒａｅｔｈｅｒ、滑らかな表面、粗い表面、そして格子における表面プラズモン（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン、１９８８年）参照）、そして小さい金属粒子内に（局部的な表面プラズモン、ｌｓｐ、例えば、Ｕ．Ｋｒｅｉｂｉｇ及びＭ．Ｖｏｌｌｍｅｒ、金属クラスタの光学特性（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン、１９９５年）参照）生成できる。表面プラズモンの場合、真空／金属界面において、励起振動数は、
【数３４】
であり、バルクナノ粒子に閉じ込められたプラズモンの場合、励起振動数は、次のように挙げられ、
【数３５】
ここで、εｅｎｖは粒子環境の誘電定数である。
【００７９】
数十ナノメートル程度の直径を有する金ナノ粒子の場合、一般に粒子サイズによって５１０〜５５０ｎｍでプラズモン共振が発見される。最近、Ｈａｌａｓ及び共同研究者らは、コアシェル粒子の場合、金属シェル４のプラズモン励起の位置が単に粒子１のコア対シェルの比にのみ依存し、電磁スペクトルのうち、可視線から近赤外線（ＮＩＲ）領域の広い範囲で同調できることを立証した（Ｎ．Ｈａｌａｓ、光学及びフォトニクスニュース、第１３巻、第８版、ｐ．２６〜３１、２００２年；Ｓ．Ｊ．Ｏｌｄｅｎｂｕｒｇら、物理化学レター、第２８８巻、ｐ．２４３〜２４７、１９９８年）。従って、蛍光物質３又は選択的には粒子１のコア対シェルの比は、蛍光物質３の放射波長が粒子の局部的な表面プラズモン、即ち閉じ込め空洞の励起に一致するように、容易に選択できる。そのような場合、表面プラズモンは、例えば、Ｗｅｓｔらの米国特許第６６９９７２４ Ｂ１号に記載されているように、外部からコアシェル粒子に衝突する光を用いる励起に代わって、内部的に、即ち空洞の内部体積から励起できる。そのような新規技術及び光学センシングへの応用に対する立証が、本発明の実施例１０及び１１に挙げられている。
【００８０】
小さい空洞の場合、エミッタ、空洞、及び金属シェル４の表面プラズモンの間のカップリングが予想される。これは、バイオセンシングにおいて重要な関心事であるが、表面プラズモン共振の正確な位置が密接な環境の屈折率に非常に敏感に依存することがよく知られているためである（式１８参照）。この依存性は、様々な光学バイオセンサに既に使われている（ＵＳ ２００３／０１７４３８４ Ａ１、ＥＰ ０ ９６５ ８３５ Ａ２及びセンサとアクチュエータ Ｂ ２０００、６３、ｐ．２４〜３０、Ｇ．Ｂａｕｅｒら、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ、第１３１巻、ｐ．１０７〜１１４、１９９９年）。しかし、ここでは、従来技術に比べて局部的な表面プラズモンのより強い励起を生成するパーセル強化のような量子効果によって、信号対ノイズの比が更に増加すると予想される。
【００８１】
使われる物質とリソース
本実施形態の粒子１は、公衆が利用可能な物質を用いることで製造できる。物質に対する以下の説明は、本技術分野の当業者が本明細書の詳細な説明に従って粒子１を構成することを助けるために提供される。
【００８２】
空洞物質：コア２の製造のために選択できる物質は、電磁スペクトルのうち、空洞が機能されなければならない部分において、低いか又はほとんどない電気伝導性及び低い吸収率を示すものである。実際に、これは、空洞モードの励起のために選択された蛍光物質３の放射スペクトルの領域である。バイオセンシングに関する文献で既に使われているウィスパリングギャラリーモードの励起（Ｆ．Ｖｏｌｌｍｅｒら、応用物理学レター 第８０巻、ｐ．４０５７〜４０５９、２００２年）とは異なり、物質は光を散乱させることができる。また、コア物質の屈折率の実数部に対する制限がなく、即ち空洞の周囲より大きい屈折率が要求されない。ＷＧＭに基づくシステムとのこのような差の原因は、任意の入射角でコア物質の屈折率と無関係に光を反射する空洞の金属コーティングである。従って、従来技術に比べて更に広い範囲の物質が選択できる。例えば、コア物質として光結晶を選択することができ、結晶の外部表面を蛍光物質３でコーティングしたり、又は蛍光物質３を結晶内に均質又は不均質な方式で埋め込むことができる。光結晶は、励起可能な空洞モードの個数を制限することができ、許容されるモードの形成を強化することができ、許容されるモードの極性形成を規定することができる。光結晶における蛍光物質３の分布種類が、不適な光学ポンピングによる所望しないモードを抑制しつつ、所望するモードのみを励起させることを補助することができる。
【００８３】
特定の振動数範囲、いわゆる光結晶の「バンドギャップ」内の光の伝播を許可しない２次元又は３次元の非金属周期的構造を含む光結晶の例が、Ｅ．ＹａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによってＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎ（２００１年１２月発行、ｐ．４７〜５５）に記載されている。周期的非金属構造に分布されたブラッグ（Ｂｒａｇｇ）回折によって光の伝播が妨害され、異なって散乱された光子の相殺的干渉を引き起こす。そのような光子結晶の周期性が、例えば、全体周期的構造から無くなった１つの散乱中心体のような点欠陥によって変形されると、ドープされた半導体のバンドギャップ内で発生する局部的な電子エネルギレベルと同様、バンドギャップ内で空間的に閉じ込められる許容された光学モードが発生できる。
【００８４】
本実施形態において、光学空洞及び非金属コア２は、球状を示す。そのような球状は非常に有用な形状であるが、空洞と非金属コア２は、原理的に偏球状又は長方形のような任意の形状を有することができる。空洞及びコア２の形状のこのような広い許容性によって、金属シェル４及び粒子１の形状も変わることができる。
【００８５】
蛍光物質：蛍光物質３として、励起振動数ωｅｘｃで光を吸収し、その後、放射振動数ωｅｍ≠ωｅｘｃで光を再放射する任意の種類の物質を使うことができる。従って、放射波長範囲の少なくとも一部は、使われなければならない蛍光物質３の励起のための空洞の空洞モードスペクトル内に位置されなければならない。実際に、蛍光染料、半導体量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどを用いることができる。ラマンエミッタは、吸収された光エネルギを部分的に内部振動モードの励起のために用い、励起光の振動数より小さい振動数を有する光を再放射する物質である。励起波長を適宜選択することで、多くの非金属物質がラマン放射を示すことができ、これにより、上述したコア物質が特定の蛍光物質３の付加なしに、ラマン放射のために用いられ得る。本実施形態で使用できる蛍光染料の例を、それぞれのピーク放射波長（単位：ｎｍ）と共に示した：ＰＴＰ（３４３）、ＤＭＱ（３６０）、ブチル−ＰＢＤ（３６３）、ＲＤＣ３６０（３６０）、ＲＤＣ３６０−ＮＥＵ（３５５）、ＲＤＣ３７０（３７０）、ＲＤＣ３７６（３７６）、ＲＤＣ３８８（３８８）、ＲＤＣ３８９（３８９）、ＲＤＣ３９０（３９０）、ＱＵＩ（３９０）、ＢＢＤ（３７８）、ＰＢＢＯ（３９０）、スチルベン３（４２８）、クマリン２（４５１）、クマリン１０２（４８０）、ＲＤＣ４８０（４８０／４７０）、クマリン３０７（５００）、クマリン３３４（５２８）、クマリン１５３（５４４）、ＲＤＣ５５０（５５０）、ローダミン６Ｇ（５８０）、ローダミンＢ（５０３／６１０）、ローダミン１０１（６２０）、ＤＣＭ（６５５／６４０）、ＲＤＣ６５０（６６５）、ピリジン１（７１２／６９５）、ピリジン２（７４０／７２０）、ローダミン８００（８１０／７９８）、及びスチリル９（８５０／８３０）。
【００８６】
微小空洞のドープ用蛍光物質３として使用できる半導体量子ドットが、Ｗｏｇｇｏｎ及び共同研究者らによって記載されている（Ｍ．Ｖ．Ａｒｔｅｍｙｅｖ ＆ Ｕ．Ｗｏｇｇｏｎ、応用物理学レター 第７６巻、ｐ．１３５３〜１３５５、２０００年；Ｍ．Ｖ．Ａｒｔｅｍｙｅｖら、ナノレター（Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第１巻、ｐ．３０９〜３１４、２００１年）。これにより、量子ドットは、染色分子の蛍光放射が微小空洞モードの形成のために利用できることを示した、Ｋｕｗａｔａ−Ｇｏｎｏｋａｍｉ及び共同研究者らによって記載されたものと類似する方式において、本実施形態に適用できる。染色分子に比べて量子ドットの主な利点は、漂白のような退化に対する安定性が高いということである。
【００８７】
与えられたエネルギを有する２以上の光子が、２倍以上のエネルギの光子が放射される前に、物質によって吸収されなければならない場合、多重光子プロセスを考えることができるので、蛍光物質３の励起波長λｅｘｃは必ずしも放射波長λｅｍより小さくなければならない（λｅｘｃ＜λｅｍ）ものではない。
【００８８】
一般に、蛍光物質３は、空洞物質に併合されたり、又はその表面に吸着できる。後者の場合、適切な機能を保証するために、金属コーティングは、空洞物質及び蛍光物質３の両方を取り囲まなければならない。空洞物質に蛍光物質３を併合する場合、蛍光物質３は、均質又は不均質に分布できる。分布は、励起される空洞モードの種類を選択するのに利用できる。例えば、蛍光物質３がコア表面の付近に集中されると、ファブリペロモードよりウィスパリングギャラリーモードがより良く励起される。蛍光物質がコア２の中心に集中されると、ファブリペロモードがより良く励起される。不均質分布の他の例として、蛍光物質３が整列された方式で、即ち蛍光物質３の高い濃度を有する体積の間に一定の間隔で整列できる。そのような場合、回折効果が発生して、明白な方向の空洞励起、分極及びモードの助けになることができる。
【００８９】
金属シェル：金属シェル４は、選択された蛍光物質３の励起振動数ωｅｘｃで高い透過率を示し、放射振動数範囲ωｅｍの少なくとも一部で高い反射率を示す任意の金属からなり得る。これは、例えば、金属のプラズマ振動数を用いることで達成できるが、プラズマ振動数未満で任意の種類の金属は、電磁放射線に対して透過性となる。一般の金属は、銀、アルミニウム、金、チタン、コバルトなどのような遷移金属である。シェルは、例えば、蒸着又はスパッタリングによって製造されるように、連続的であったり、又はコロイド金属粒子の沈澱及び以後の無電解メッキによって度々得られるように、隣接していることができる（Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、ラングミューア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）第１４巻、ｐ．７２６〜７２８、１９９８年、Ｊｉら、新素材（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）第１３巻、ｐ．１２５３〜１２５６、２００１年、Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら、新素材 第１５巻、ｐ．１１１３〜１１１８、２００３年参照）。また、シェル４の厚さは、数ナノメートルから数百ナノメートルまで異なり得る。但し、厳格な要求事項は、Ｑ因子が１より大きい値を有し得るように、金属シェル４の反射性が所望するスペクトル範囲で十分に大きくなければならないということである。球状空洞の場合、Ｑ因子は、下記式によって金属シェル４の反射率から算出でき（又は逆にも可能）、
【数３６】
ここで、Ｒｓｈは金属シェル４の反射率、Ｄは空洞の直径、λｍは空洞モードｍの波長である。染色ドープされたポリスチレンビーズがコア物質として使われる場合、厚さ５０ｎｍの銀シェルで得ることができるＱ因子の証明が実施例１２に挙げられている。
【００９０】
また、金属シェル４に含まれ得る小さい穴を検査した。金属コーティングは、一般に数十ないし数百ナノメートルの厚さを有する。実際に、そのような薄い金属膜は、度々小さい欠陥、いわゆるピンホールを有し、このピンホールは、本実施形態による閉鎖された金属シェル４による非金属粒子２のカプセル化条件に実質的に反する。このような問題を実践的観点及び理論的観点で適宜処理するために、次のように処理した：
【００９１】
いわゆる「ベーテ限界」（Ｈ．Ａ．Ｂｅｔｈｅ、物理的考察 第６６巻、ｐ．１６３〜１８２、１９４４年）によれば、理想的に伝導する平面スケールに形成された小さい開口を介する光透過は（ｒ／λ）４となり、ここで、ｒは開口の半径、λは透過される光の波長である。一旦ｒ＜λとなれば、透過率が著しく落ちることは明らかである。従って、ｒ＜λ程度の金属シェル４のサブ波長欠陥は如何なる透過にも現れず、これにより、本実施形態の金属シェル４の閉じ込め特性を妨害しない。従って、サブ波長欠陥のみを含む金属シェルは、本実施形態の観点で依然として閉鎖された金属シェル４としてみなされ得る。そのような小さい欠陥は、金属の多結晶質特性によって、即ち熱蒸着又はスパッタリングによる金属膜の形成によって発生し得る。また、コロイド化学と関連した方法（Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、ラングミューア 第１４巻、ｐ．７２６〜７２８、１９９８年、Ｊｉら、新素材 第１３巻、ｐ．１２５３〜１２５６、２００１年、Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら、新素材 第１５巻、ｐ．１１１３〜１１１８、２００３年参照）は、完全に閉鎖された膜よりは隣接した膜を形成する傾向がある。しかし、このような全ての場合に、一般的な欠陥サイズは、数百ナノメートルよりも小さく、これにより、可視線領域の任意の波長λで条件ｒ＜λが満たされる。
【００９２】
ピンホールの許容可能な最大サイズに対する実際限界を提供するために、球状ではないピンホールを含むようにピンホールの半径に代わって、ピンホールの面積を考慮する。条件ｒ＜λの上限はｒ＝λであり、そこから許容可能な最大ピンホール面積πλ２が算出される。この推定の安全な領域に入るように、許容可能な最大ピンホール面積の上限を多少任意に
【数３７】
と設定する。
【００９３】
分解可能な最小構造長さｄが開口の直径に対応すると仮定すれば、アベ（Ａｂｂｅ）回折限界から同じ結果を導き出すことができる。アベによれば、回折限界光学システムの分解可能な最小構造長さｄは、
【数３８】
と表わされ、ここで、λはイメージ化に使われた光の波長であり、Ｎ．Ａ．は回折限界システムの開口数である。ピンホールの場合、Ｎ．Ａ．＝１である。従って、ｄ＝λになり、ピンホールの許容可能な最大面積Ａｐｈ＝π（λ／２）２が得られ、これは、上記結果と同じである。
【００９４】
励起光源：空洞の励起のために、光源は、光源の放射が蛍光物質３の励起振動数範囲ωｅｘｃ内に収まるように選択されなければならない。放射力は、空洞内部における励起及び放射の損失（放射損失、減衰、吸収、散乱）を過剰補償し得るようにならなければならない。従って、実際に、レーザー又は高出力発光ダイオードのような高出力源が適用されるのが好ましい。特に、高出力密度で単に非常に短い時間に空洞モードを励起させる、超短パルスが使用できる。この場合、上記量子効果は、単に短い時間の間に生成され、好ましくは、時間分解読出技術（ゲーティッド（ｇａｔｅｄ）ＣＣＤカメラ、高速信号処理の電子装置に連結された光電子増倍管など）で検出できる。
【００９５】
実施例１
量子干渉効果に基づく球状空洞に対する感度推定
この実施例は、（式５ａに従って）空洞が作動される波長に対して空洞体積が可能な限り小さく選択される場合、生体分子吸着に対する単一空洞の予想感度に対する推定を提供する。例えば、４００ Ｖａｌｌｅｙ Ｒｏａｄ、Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ、ＰＡ １８９７６に所在のＰｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｉｎｃ．から購入可能な実際材料を選択した。
【００９６】
前提：
１．屈折率ｎｃａｖ＝１．６０であり、染色分子でドープされたポリスチレンビーズ（染色分子は、放射波長λｅｍ＝４２０ｎｍで光を放射する）
２．体積が（１０ｎｍ）３である抗体
【００９７】
他の仮定：感度推定を算出するために、次のように仮定する：
１．実際には抗体の屈折率が空洞周囲の屈折率よりも大きいが、空洞物質の屈折率と等しいと仮定する。空洞の外部表面における生体分子の吸着は、蓄積された体積に従って空洞の有効直径を増加させる。金属コーティングは、十分に薄く製造できるので、金属コーティング４の効果を無視する。
２．単一抗体が空洞の全体表面領域に均質に分布されたと考えられる。この場合、直径の変化が最小化し、空洞形状の対称性変化が発生しないので、これは安全な仮定である。後者は、空洞モードにモード分裂のような追加的な効果をもたらすものと知られている。従って、巨大な抗体の吸着による空洞モードの移動は、一層大きいものと予想できる。
【００９８】
推定：
このような仮定下で、式５ａから得られる最小粒子半径は、Ｒｍｉｎ＝１０２．５ｎｍとなる。そうすると、（抗体が全体表面領域に均質に分布されたと仮定すると）粒子表面に吸着された単一抗体の場合、Ｒの有効な変化δＲはδＲ＝７．５ｐｍとなる。そこから次が得られる：
【数３９】
空洞の作動波長である４２０ｎｍで、これは１．７５cm−１の振動数移動又はΔλ＝０．０３１ｎｍに相応し、従来技術の分光計で容易に検出可能である。従って、単一ナノ空洞による単一抗体検出は、選択された条件下で可能であるとみなされる。センサの入力信号生成のために、多数の抗体が使用できると、空洞は、一層広くなることができる。全体空洞表面に単層の抗体が形成されると仮定すると、δＲ＝１０ｎｍが得られる。従って、Ｒ＝１０μｍである空洞の場合にも、波長移動は４２０ｎｍから０．４２ｎｍ（２３．８cm−１に対応する）になり、これにより、容易に検出可能である。この場合、単層の形成のために、（抗体当たり体積（１０ｎｍ）３が与えられると）約１２，６００，０００個の抗体が要求される。従って、更に小さい表面領域を有する更に小さい粒子１の利用が有利である。
【００９９】
実施例１１において、公称直径が１０μｍである銀コーティング染色ドープされたポリスチレンビーズが空洞モードをモニタリングすることで、光学センシングに適用された。銀表面にヘキサデカンチオール（ＨＤＴ）の単層の形成によるモードの共振位置の移動は３ｎｍに達する。この単層の屈折率が約ｎＨＤＴ＝１．４５であり、これにより、前記計算で抗体に対して予想したものよりも小さい。また、単層の厚さは約２ｎｍに達する。これにより、観察される移動は、前記計算で予想されたものよりも大きく、これは、空洞表面における分子吸着によるサイズの増加のみを説明する。しかし、実施例１１において、銀シェルの厚さは５０ｎｍに達し、このため、「十分に薄く」ない。従って、表面プラズモン励起からの寄与のような付加的な効果が、ここで説明した基本的な依存性に加えられ、後者を、予想される効果に対する安全な下限として考えられる。
【０１００】
実施例２
パーセル強化による単一ナノ空洞の推定放射力
実施例１は、波長（空洞内部に含まれている染料の放射波長）４２０ｎｍで作動される直径２０５ｎｍのナノ空洞の感度が、単一抗体検出のために十分に高くなければならないことを示す。しかし、もし、センサが放射する信号が弱すぎると、高い感度だけではナノバイオセンサの構成に役に立たない。従って、本実施例において、実施例１で考察したシステムの予想放射力に関する推定を提供する。
【０１０１】
他の仮定：
１．空洞内部の染色分子は、０．１／ｎｍ３の密度を有し、有機染色における一般的な双極子モーメントｄ＝２×１０−２９Ｃ×ｍを有する。
２．また、Ｑ因子をＱ＝１００と仮定し、これは、金属コーティングされた空洞の場合、式１９によって金属シェルコーティング４の反射率Ｒｓｈ＝９７％に対応し、他の全てのパラメータは、前記挙げられたものと同じである。
【０１０２】
推定：
このような仮定下で、自発放射率γＳＥは、式６によって染色分子当たり４２０ｎｍでγＳＥ＝７．４２×１０９Ｈｚに達する。空洞内に４５００個の染色分子が存在すると（ｎｍ３当たり０．１個の染色分子に相当する）、これは、総放射力１６μＷに対応し、従来技術の光学検出システムにより容易に検出可能である（例えば、放射される放射線の収集のために、走査型近接場光学顕微鏡が使用でき、光電子増倍管チューブがその後の検出のために使用できる）。空洞の存在による強化、即ちパーセル因子ηｃａｖはηｃａｖ＝３０に達する。従って、パーセル強化なしに、ナノバイオセンサの信号を検出するのは非常に困難である（〜５００ｎＷ総パワー）。
【０１０３】
実施例３
空洞モード分裂によるナノ空洞の感度
式５ａによる最小体積に近い小さい空洞サイズで、空洞モードのモード分裂のような他の量子効果が発生し得る。まさにそのサイズ限界で単一空洞モードのみが励起できるので、この分裂は、単一モードの絶対位置の測定よりも、２つの分裂されたモードの間の相対的な区分の決定が可能であるため、非常に興味深い。前者は、より信頼することができ、ナノ空洞環境の変化（温度変化など）による影響が少ないことが判明し得る。従って、モード分裂は、ナノバイオセンサの安定性及び信頼性の改善に関連し得る。式８〜１０によって、そして全てのパラメータに対して、前記例と同じ値と仮定すると、Ｒ＝１０２．５ｎｍである粒子１の表面に１３０個の抗体（各体積（１０ｎｍ）３）が吸着された場合、約３cm−１のモード分裂の変化を予想することができる。従って、原理的に、モード分裂における変化の利用は、絶対的なピーク位置の観察よりは敏感ではない。しかし、実際には、このような付加的な情報は、空洞モードの絶対位置で検出される移動を解釈するのに役に立ち、ナノバイオセンサの全体的な性能を向上させる。
【０１０４】
実施例４
エミッタ空洞カップリング
上述したように、強いカップリングを得るための空洞とエミッタパラメータとの関係は、不等式１５によって規定される。放射波長λｅｍ＝４２０ｎｍ、空洞コアの屈折率ｎｃａｖ＝１．６０、コア半径Ｒ＝１０２．５ｎｍ、そして蛍光物質３の双極子モーメントｄ＝２×１０−２９Ｃ×ｍである上記例によれば、空洞のＱ因子に対する下限Ｑ＝５５００を算出することができる。
【０１０５】
実施例５
金属の反射率及び銀の光学特性
金属シェル４は、選択された蛍光物質３の励起振動数ωｅｘｃで低い反射性を示し、また放射振動数範囲ωｅｍの少なくとも一部で高い反射率を示す任意の金属からなり得る。この条件を満たす典型的な金属は、銀、アルミニウム、金、チタニウム、コバルト、銅、クロムなどのような遷移金属である。特に、有用性及び取扱性の観点から、銀、金及び銅が金属シェル４としてより適する。更に、約３２０ｎｍの波長における低い反射率と、４００ｎｍを超える波長における高い反射率との間に銀が最も明確な差を示すものが、図１２に示されている。従って、金属シェル４を製造するための材料として銀を選択するのが更に好ましい。
プラズマ振動数で金属反射率の切り替え動作（即ちプラズマ振動数を超える振動数で低い反射率と、プラズマ振動数未満の振動数で高い反射率）の一例として、以下で銀の光学特性を考察する。化学及び物理学のハンドブック（第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ、ｐ．Ｅ−４０１）から垂直入射に対する反射率Ｒ、屈折率ｎ、及び吸収係数ｋに関する表にした値を取る。そうすると、複素屈折率ＮがＮ＝ｎ＋ｉｋと表示される。
図１３（ａ）は、波長の関数として銀の反射率Ｒの表にした値を示している。反射率Ｒは４１５ｎｍを超える波長で８５％を超え、４００ｎｍ未満で非常に急減して、約３２０ｎｍで最小値となることが明らかになり、これは、銀のプラズマ振動数の位置選定に寄与することができる。３１８ｎｍで反射率はただ４％である。これにより、この波長の光は、高比率で銀に貫通することができる。しかし、金属コーティング４による蛍光物質３の励起のためには、金属に貫通した光が完全に吸収されないことが重要である。一般に、下記式、
【数４０】
が保持されるので（ここで、Ｒは物質の反射率、Ａは吸収率、Ｔは透過率）、単に吸収率が低い場合、反射率が低いと透過率が高くなることが明らかになる。吸収率Ａは、物質を介して移動する光の移動距離ｚに依存し、下記式のようであり、
【数４１】
ここで、κはいわゆる「吸収定数」であり、Ｉ（ｚ）は距離ｚだけ移動した光の強度である。式２１は、距離ｚ＝κ−１だけ移動した後、初期の光強度がｅｘｐ（−１）≒３６．８％と相対的な大きさに低下することを示す。
κは、下記式
【数４２】
によって物質の吸収係数ｋから算出でき、ここで、λは移動する光の真空波長である。銀の吸収係数に関する表にした値から算出される貫通深さκ−１を図１３（ｂ）に示した。金属は、示された全体スペクトル範囲の大部分で高い吸収率、即ち小さい貫通深さを示すが、約３２０ｎｍでシャープな最大値が存在する。これは、前述した低い反射率が低くなった吸収率によって達成され、式２０によって、このスペクトル領域で強化された透過率を予想し得ることを意味する。しかし、吸収率が０（ｚｅｒｏ）ではないので、このスペクトル領域でも、金属は、制限された吸収率を示し、従って、巨視的な銀サンプルが不透明になる。しかし、図１３（ｂ）は、厚さ５０ｎｍ程度の銀の薄い膜は、約３７％まで依然として透明でなければならないことを示す。他の波長領域において、即ち可視線領域において、そのような厚さの銀膜は、既に基本的に不透明でなければならない。
銀の光学特性に関する表にした値は、バルクサンプルに対して測定される。従って、厚さが数十ナノメートル程度である銀の薄い膜が、所望する特性、即ち約３２０ｎｍで高い透過率、そして可視線領域で高い反射率を示すかは疑問である。そうすると、銀は、本実施形態の金属シェルとして使用できる。
銀の薄い膜の透過及び反射特性を立証するために、偏平なポリスチレン基材５（細胞培養皿の蓋、ＣＡＴ＃４３０１６５、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．，ニューヨーク）に熱蒸着（Ａｕｔｏ ３０６、Ｅｄｗａｒｄｓ Ｈｉｇｈ Ｖａｃｕｕｍ Ｉｎｔｌ、Ｃｒａｗｌｅｙ、イギリス）によって銀を蒸着させ、ＵＶ−ｖｉｓ分光計（ＤＵＶ−６３０、Ｂｅｃｋｍａｎ−Ｃｏｕｌｔｅｒ、イギリス）へ垂直入射時、ＵＶ可視線領域における透過を測定した。その結果得られる透過及び吸光（吸光＝吸収＋反射）スペクトルを銀膜の異なる厚さについて、図１４に示した。低い厚さで、銀膜は、吸光及び透過でそれぞれ単に弱い波長依存性を示すが、この依存性は、厚さの増加に伴って著しく増加する。表１は、２つの異なる波長に対してポリスチレン基材に蒸着された銀の薄い膜を介する、実験的に決定された透過率を膜厚の関数として示す。２つの波長における透過率の比が更に与えられると、プラズモン共振未満とそれを超えた場合で銀の切り替え動作が得られる。
約３２０ｎｍにおける最大透過率は、銀膜の厚さ１０ｎｍにおける３２７ｎｍから厚さ７０ｎｍにおける３２０．６ｎｍに低くなる青色移動（ｂｌｕｅ−ｓｈｉｆｔ）を示す。表１において、高い透過率を有する波長として３２０．６ｎｍ、及び低い透過率を有する可視線領域内の波長の例として４９６．０ｎｍを選択した。表１で見られるように、薄い銀膜の切り替え動作、即ちＴ（３２０．６ｎｍ）／Ｔ（４９６．０ｎｍ）の比が膜厚３５〜７０ｎｍで著しく増加する。この比は、厚さの増加に伴って更に増加すると予想されるが、吸収損失の増加とそれに伴うシェル内部における加熱効果によって、一層太い銀膜の使用は好ましくない。複素反射率及びバルク銀の反射率に関する表にした値に基づいて、好ましくは１０〜７０ｎｍ、より好ましくは５０〜７０ｎｍの厚さを有する銀膜が、本実施形態の金属シェルとして最も適すると推定する。この過程の証拠として、表にした値から計算された、そして測定された総透過率を、２つの異なる波長（図１４参照）においてポリスチレン基材にそれぞれ蒸着された厚さ２０ｎｍと５０ｎｍの銀膜を通じて実験的に決定された総透過率と比べて表２に示した。容易に見られるように、結果は良好な一致を見せ、これにより、銀の厚さの適切な範囲の外挿法の場合、表にした値の使用が妥当になる。
全体的に見て、前記結果は、銀がプラズマ振動数付近で透過率の著しい切り替え動作を示し、３０〜１００ｎｍ範囲の薄膜の銀は、それぞれ本実施形態の金属シェルとして適用し得る程度に、プラズマ振動数と可視線領域との間で十分に一定した透過率を示すことを見せる。
コア２の製造に好ましい材料は、金属シェル４からなる材料によって異なり得る。特に、コア材料は、金属シェル４の製造過程を経なければならない。例えば、低い真空熱蒸着の使用により、コア材料は、蒸着過程における温度上昇によって退化されない可能性がある。従って、高い融点を有する無機コア材料がそのような場合に更に適する。また、コア材料は、コア粒子２の周囲に金属シェル４の形成を容易にする特定の化学官能性を有することができる。これは、例えば、カルボキシル基、ヒドロキシル基、又はアミノ基のような、イオン基又は官能基であり得る。そして、金属シェル４は、例えば、Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、及びＫａｌｔｅｎｐｏｔｈらによって記載されたように（Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、ラングミューア 第１４巻、ｐ．７２６〜７２８、１９９８年、Ｊｉら、新素材 第１３巻、ｐ．１２５３〜１２５６、２００１年、Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら、新素材 第１５巻、ｐ．１１１３〜１１１８、２００３年参照）、コロイド化学によって形成できる。金属シェル４の電気メッキの場合、コア材料は、要求される電解質の存在下で退化されない可能性がある。実際例として、スルホン化されたポリスチレンビーズがコロイド化学（Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら）によって、隣接した金シェルでコーティングできることが文献に報告されている。しかし、例えば、Ｔｏｌｌｅｎｓ反応（Ａｎｔｉｐｏｖら、ラングミューア 第１８巻、ｐ．６６８７〜６６９３、２００２年）によって、銀シェルを形成する場合、カルボキシル基が化学反応に直接関与できるため、カルボキシル化されたポリスチレンビーズがスルホン化されたものよりも更に適することが判明した。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
【表２】
【０１０８】
実施例６
銀コーティングされたポリスチレンの透過及び吸収
金属シェル４によってカプセル化された非金属コア２物質に埋め込まれた蛍光物質３の励起のために、非金属コア２物質内への金属シェルを通じる蛍光物質３の励起波長における光の総透過率が重要である。また、所望しない熱的効果を回避するために、金属シェル内部における吸収損失が過剰過ぎてはならない。一例として、２つの異なる波長に対して、薄い銀膜でコーティングされたポリスチレン基材５の総透過率と吸収率を計算する。与えられた波長の光が周囲（空気又は真空）から銀膜に衝突して、特定の比率でこの膜を透過し、それからポリスチレン基材５に入っていくと仮定する。ポリスチレンに入っていく強度の比率を以下で「総透過率」と呼ぶ。第１界面及び金属への透過率を減少させる損失機構に対する図解が、図１５（ａ）に示されている。式２０によれば、透過率Ｔは、界面における反射損失Ｒと金属を介する伝播過程における吸収損失Ａによって直接影響を受ける。既に上記で使った銀の複素屈折率に関する表にした値を用い、ポリスチレン基材５の屈折率ｎｐｓ＝１．５９と仮定すれば、反射に対するフレネル公式と式２０及び２１を用いて垂直入射に関する総透過率を計算することができる。その結果を２つの異なる波長について図１５（ｂ）に示した。３２６ｎｍで界面における反射損失が非常に低く、これにより、入射光の約９５％が金属内へ貫通する。金属内部における吸収によって、この強度は、金属を介して伝播する過程で低下し、これにより、点線で表示した銀膜の厚さに依存する。銀／ポリスチレン界面で他の反射損失が発生して、「３２６ｎｍ」と表示した厚い線が得られる。これは、例えば、ポリスチレン基材５への総透過率が銀膜の厚さ２０ｎｍで６３．６％、及び銀膜の厚さ５０ｎｍで４５．２％であることを示す。これら２つの銀膜の厚さに対する吸収損失は、黒矢印で表示したように、それぞれ１９．５％と４１．６％に達する。
【０１０９】
可視波長４９６ｎｍに対して同じ計算を行えば、空気／金属界面で９５％を超える高い反射率と内部吸収による速い減少が得られる。総透過率は、２０ｎｍ銀膜の場合、０．２１％に達し、５０ｎｍ膜の場合、０．０２％に達する。吸収損失は、それぞれ６．８％と８．４％であり、これは、３２６ｎｍの場合よりも小さいが、光の少ない部分のみ金属に貫通するためである。この計算は、銀シェルが可視光に対して高反射性の場合にも、多くの部分のＵＶ光が依然として銀コーティングされたポリスチレン粒子に貫通できることを示す。
【０１１０】
実施例７
微視的粒子における空洞モードの研究のための光学セットアップ
微視的粒子１における空洞モードの励起及び検出に適するセットアップが、図１６に示されている。一般に、基材５、選択的な金属コーティング９、及び蛍光粒子１からなるサンプルが、計画（Ｉ）の場合、逆顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ Ｅｃｌｉｐｓｅ ＴＳ １００）のステージに逆に位置したり、又は計画（ＩＩ）の場合、粒子１が上側に向かうように、即ち顕微鏡の収集レンズ２２（Ｎｉｋｏｎ、１００×、Ｎ．Ａ．１．３オイル）から離れて位置する。このような２つのオプションの主な理由は、収集レンズ２２の小さい作業距離（約０．２ｎｍ）である。このため、粒子１を有する基材５が検出計画（ＩＩ）の使用が可能なように、０．２ｍｍよりも薄くならなければならない。薄い基材５を使うとき、粒子１の空洞モードとして誤解され得る干渉効果が生じないようにするために、検出計画（Ｉ）によって更に厚いサンプルを分析することができる。
【０１１１】
粒子１の蛍光励起のために、レーザー放射２０が凸の１００ｍｍシリカレンズ３１（ＣＡＴ＃ ＬＡ４６００−ＵＶ、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｊａｐａｎ，Ｉｎｃ、日本、東京）を介してサンプルに集中される。ビーム焦点は、数十ミクロンの範囲内であるので、常に単一ビーズより広い。これにより、ビーズを使った基材５のわずかな装飾は、単一ビーズのみの励起に重要である。
粒子１から放射される光は、レンズ２２によって集光され、顕微鏡のカメラポートに設置されたカップリング光学部品３３を通じて、光ファイバ３２（多重モード、２００μｍコア直径）にカップリングされる。ファイバ３２は、その光を検出システムへ導くが、この検出システムは、レーザーの微光を除去するための光吸収フィルタ３４（３１０〜３２５ｎｍのＵＶのためのＧＧ４００、５３２ｎｍ励起のためのＯＧ５５０、Ｓｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓ、Ｍａｉｎｚ、ドイツ）、高分解能単色化装置３５（Ｔｒｉａｘ ５５０、Ｈｏｒｉｂａ Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ、日本、京都、又はＳＰ−２５００、Ｎｉｐｐｏｎ Ｒｏｐｅｒ、Ｋ．Ｋ．、日本、東京）及びＣＣＤカメラ３６（ｉＤｕｓ ＤＶ４２０Ａ−ＢＶ、Ａｎｄｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｂｅｌｆａｓｔ、北アイルランド、又はＰＩ−ＭＡＸ：５１２、Ｎｉｐｐｏｎ Ｒｏｐｅｒ、Ｋ．Ｋ．）からなっている。ＣＣＤカメラ３６は、データ取得及び処理のために、ＵＳＢ連結によってパーソナルコンピュータに連結される。以下で説明する実験で、単色化装置は、３００Ｌ／ｍｍ、６００Ｌ／ｍｍ、及び１２００Ｌ／ｍｍ格子（Ｔｒｉａｘ）又は１５０Ｌ／ｍｍ、１２００Ｌ／ｍｍ、及び１８００Ｌ／ｍｍ（ＳＰ−２５００）を備える。ＣＣＤの一般的な取得時間は、シャッターモード作動（ｉＤｕｓ及びＰＩ−ＭＡＸ）の場合、６０秒、又はゲーティッドモード作動（ＰＩ−ＭＡＸのみ）の場合、２０ｋＨｚ繰り返し率で総８０００００ゲートであった。他の取得時間が使われれば、６０秒間取得したスペクトルと直接比較できるように、強度が線形的に比較される。
【０１１２】
光源として、３２５ｎｍと４４２ｎｍでそれぞれ二重波長放射を有する持続波（ｃｗ）ヘリウム−カドミウム（ＨｅＣｄ）レーザーが使われたり（Ｋｉｍｍｏｎ Ｌａｓｅｒｓ、日本、東京）、又は第２高調波生成（５３２ｎｍ）ステージと注文製作の光学パラメトリック生成器（３１０〜３３０ｎｍ）を備えたパルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（１０ｐｓパルス持続時間、２０ｋＨｚ繰り返し率）が適用された。ｐ−分極として設定された偏光子の前でλ／２プレートをレーザービーム２０内へ回転させて入れることで、レーザー強度を調節することができる。使われるレーザーに関係なく、ビーム２０がサンプルにレンズ３１を介して導かれる前に、ビーム２０は、直径約２ｍｍに設定された絞り開口を介して導かれ、これによりビーム直径は、適切に規定された値に設定される。
レーザー強度を測定するために、ＰＳ１０Ｑパワーヘッドを備えたＣｏｈｅｒｅｎｔ ＦｉｅｌｄＭａｔｅレーザー電力計を使った（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｊａｐａｎ、Ｉｎｃ、日本、東京）。
【０１１３】
実施例８
薄い銀膜を通じる、蛍光ポリスチレンビーズにおける波長依存性空洞モード励起
プラズマ振動数範囲、そして可視線領域で薄い銀膜の異なる透過率の原理に関する直接証拠として、次の実験を行った。直径１０μｍのポリスチレン（ＰＳ）ビーズ（ポリビーズ（Ｐｏｌｙｂｅａｄ）カルボン酸１０．０ミクロンポリスチレンビーズ、ＣＡＴ＃ １８１３３、Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｉｎｃ、Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ、ペンシルベニア州）を２つの異なる染料で同時ドープし、２つの染料のうち１つは、約３２０ｎｍで高い励起効率を有し（クマリン４５０、ＣＡＳ＃ ２６０７８−２５−１、Ｅｘｃｉｔｏｎ、Ｄａｙｔｏｎ、オハイオ州）、他の１つは、５３２ｎｍで高い励起効率を有する（ナイルレッド、ＣＡＳ＃ ７３８５−６７−３、Ｌａｍｂｄａ Ｆｌｕｏｒｅｓｚｅｎｚ−ｔｅｃｈｎｏ−ｌｏｇｉｅ ＧｍｂＨ、Ｇｒａｚ、オーストリア）。２つの染料の吸収スペクトルを、使われたレーザーの放射波長と共に図１７に示した。ドープのために、２つの染料のそれぞれ２５０μｌの飽和キシレン（ＣＡＴ＃４６００４−７０、Ｋａｎｔｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．、日本）溶液を混合した後、５０ｍｌの茶色ガラスバイアル内に置かれていた６ｍｌの脱イオン水（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ ＭｉｌｌｉＱ＞１８ＭΩｃｍ）の上に置いた。それから、１００μｌの天然ビーズ懸濁液を水副相に導入した。キシレンが完全に蒸発されるまで２相システムを徐々に掻き混ぜた。
【０１１４】
それから、染色ドープされたコロイド粒子１を、銀コーティングされたガラスカバースリップに次のように位置させた。銀膜の形成のために、８０ｎｍの銀（９９．９９％、Ｆｕｒｕｕｃｈｉ、Ｋａｇａｋｕ Ｋ．Ｋ．、日本）を、蒸着前１時間の間、オゾン処理（Ｂｉｏｆｏｒｃｅ Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．、Ａｍｅｓ、アイオワ州）によって洗浄した〜０．１６ｍｍガラスカバースリップ（ＮＥＯマイクロカバーガラス、Ｍａｔｓｕｎａｍｉ Ｇｌａｓｓ，Ｉｎｄ．，Ｌｔｄ．、日本）に蒸着させた。それから、２０μｌのドープされたビーズ懸濁液を少し傾いた基材５上に位置させて乾燥させ、１０μｍのＰＳビーズを有するわずかなカバレージの銀膜を得た。
【０１１５】
そのように用意されたサンプルを、図１６に示す光学セットアップによって、検出計画（ＩＩ）を用いて研究した。蛍光励起のために、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用い、３１３ｎｍ又は５３２ｎｍでそれぞれ作動した。検出のために、Ｔｒｉａｘ５５０単色化装置及びｉＤＵＳ ＣＣＤカメラを適用した。６００Ｌ／ｍｍ格子及び１００μｍの入口スリット開口を有する単色化装置を主に使った。
【０１１６】
実験は、ＵＶ及び可視光に対してそれぞれ薄い銀膜の異なる透過率を立証するように設計された。銀コーティングされたビーズからの蛍光放射はまた、染料の２つの放射波長範囲における銀シェルの反射率の差によって大きく影響を受ける。従って、染色ドープされたＰＳビーズは、コーティングされていないまま保持され、これにより、ビーズの蛍光放射における差を銀膜の透過率における差として残しておく。基準のために、ビーズが無コーティングガラスカバースリップにまた位置される。そのような基準実験は、２つの理由から重要である。第一に、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）が表面吸着されたＰＳビーズで励起でき、また図１６に示すセットアップで検出できることを立証することができる。第二に、以下に示すように、ＵＶ又は可視線レーザー放射で励起されたビーズから同じ程度の蛍光強度を得るのに要求される励起強度が大きく異なる。このような差は、上述したインキング手順及び染料の異なる励起効率によるビーズの染色吸収の差、シリカレンズの色数差、カバースリップにおけるＵＶ光の部分的な吸収、そして染料の２つの異なる放射波長範囲における格子効率及びＣＣＤ感度の差によって生じる。また、顕微鏡とファイバカップリング光学製品の付随的な色数差が作用した可能性がある。このような全ての差を適切な方式で解決するために、２つのレーザー波長（３１３ｎｍ及び５３２ｎｍ）の励起強度は、染料の２つの放射波長範囲で基準サンプルを研究するとき、類似する蛍光強度がＣＣＤカメラによってモニタリングされるように調節される。この調節の結果を図１８に示した。直径が約１０μｍであり、無コーティングクマリン４５０及びナイルレッドドープされたＰＳビーズから得たスペクトルの原データを示した。１．４ｍＷレーザー強度で３１３ｎｍのＵＶ励起でスペクトル（ａ、ｂ、ｆ、ｇ）が得られ、０．００４ｍＷの５３２ｎｍ励起でスペクトル（ｄ、ｅ、ｈ）が得られた。同じ有効ビーム直径を保証するために、１００ｍｍシリカレンズ（ｂ）の前に位置した同じピンホール（〜２ｍｍ直径）を介して２つのビームが導かれたことに留意されたい。球状粒子１からスペクトル（ａ）及び（ｅ）が得られた。２つの場合、ＷＧＭの励起が明確に観察可能である。約６００ｎｍでモードのより高い相対強度は、誘導放射を促し、これにより、空洞モードのより高い形成を促す粒子１内部のナイルレッドのより高い濃度によって説明できる。対照的に、キシレンへの過剰露出によってインキング過程の間に球状から変形された奇妙な形状の粒子１からは、スペクトル（ｂ）及び（ｄ）が得られた。ＷＧＭは、識別できず、スペクトルは、単に２つの染料の蛍光放射プロファイルを反射する。（ＣＣＤで得たスペクトルで度々現れるいくつかの宇宙線の除去を除いて）補正されていない原データを図１８に示したため、ＣＣＤのピクセルツーピクセル感度の変動を観察することができる。一例として、チップにおける減少された感度領域をスペクトルで（ｃ）で表示した。スペクトル（ｆ）及び（ｈ）は、レーザーをオフにした状態のバックグラウンド測定である。ここで、天井灯から一部微光が観察できる。レーザースポットがＰＳビーズに焦点の合っていないＵＶレーザーをオンにした状態で、スペクトル（ｇ）が最後に収集された。これにより、スペクトルは、ＵＶ光の吸収によってガラスカバースリップの放射特性と類似する。明らかに、このバックグラウンドがスペクトル（ｂ）に付加され、そうでない場合、スペクトル（ｄ）と類似した線プロファイルを有する。
【０１１７】
要約すると、基準実験によって２つの結果を得た。第一に、ＷＧＭは、クマリン４５０及びナイルレッドを用いたＰＳビーズのインキング後、それぞれＵＶと可視線放射によって表面吸着されたＰＳビーズで励起できる。第二に、２つの異なる波長領域でＷＧＭの励起及び検出効率における差は、レーザー強度の適宜調節によって解決できる。効率の差は、Ｉ（３１３ｎｍ）／Ｉ（５３２ｎｍ）＝１．４０ｍＷ／０．００４ｍＷ＝３５０に達する。
【０１１８】
次のステップで、ガラスカバースリップにある８０ｎｍ厚さの銀膜に沈澱されたビーズを図１６に示すように研究した。図１８の基準実験で使われたものと同じ条件下で全体セットアップを使った。単にサンプルを交換し、ビーズを選択し、ポンプ効率を最大化するために、レーザービームを少し再設定した。それから、レーザー強度を変化させて、各セットに対してスペクトルを記録した。その結果得られるスペクトルを図１９に示した。０．１２ｍＷ（ａ）、０．５６ｍＷ（ｂ）、１．０５ｍＷ（ｃ）、及び１．４６ｍＷ（ｄ）レーザー強度で、ＵＶ励起によってスペクトル（ａ〜ｄ）がそれぞれ得られた。０．０１ｍＷ（ｇ）、０．０４ｍＷ（ｆ）、及び０．０６ｍＷ（ｅ）レーザー強度で、５３２ｎｍ励起によってスペクトル（ｅ〜ｇ）がそれぞれ得られた。後者の場合、放射強度がレーザー強度の増加に比例しないことに留意しなければならない。このデータセットの場合、算出できる強度比ＩＵＶ／Ｉｖｉｓは、０．１２ｍＷ／０．０６ｍＷ＝２〜１．４６ｍＷ／０．０１ｍＷ＝１４６であり、即ち強度比は、それぞれＵＶ及び可視線励起を通じて同じ蛍光効率に要求される比である３５０より常により小さい。これは、５３２ｎｍ励起を使った励起がこのセットの実験で好ましいが、如何なるＷＧＭ励起も観察できないことを意味する。しかし、ＵＶ励起の場合、予想される要求強度よりも遥かに低い強度でも、モード発達が観察できる。再び、未加工の原データを示した。１．４６ｍＷのＵＶポンプ強度で、約４３０ｎｍの最大蛍光強度（スペクトル（ｄ））は、約３０００ＣＣＤカウントに達し、これは図１８に示した基準サンプルの場合に発見される強度の最大蛍光強度の３３％である。このような減衰は、図１５に示したように、８０ｎｍ厚さの銀膜を介するＵＶ放射線の総透過率における予想された減少と非常に一致する。
【０１１９】
全体的に見て、ここに記載した発見は、ＵＶと可視線領域で薄い銀膜の透過率における上記計算した差を示すだけでなく、８０ｎｍ厚さの銀膜を介して染色ドープされたＰＳビーズを照明することで、空洞モードを励起することができる実現可能性を立証するものである。
【０１２０】
実施例９
銀コーティングされた蛍光ポリスチレンビーズにおける空洞モードの励起
この実施例で、銀シェルにて完全にカプセル化された染色ドープされたＰＳビーズ内部における空洞モードの存在が証明される。
【０１２１】
図８で説明したものと同じ材料及び器具を使った。研究対象サンプルによる２つの構成で、実施例７に記載の光学セットアップを使った。実施例８の実験の間、クマリン４５０の主な放射が約４３０ｎｍに位置するにもかかわらず、クマリン４５０及びナイルレッドにドープされた粒子１がＵＶ放射線で励起されたとき、約６００ｎｍで大きい蛍光を見せることを発見した。これに関する２つの理由を説明する。図１７によれば、ナイルレッドは、約４５０ｎｍだけでなく、約３２０ｎｍで、即ちクマリン４５０の放射範囲で弱い吸収を示す。従って、ＵＶ放射線による直接励起の外に、クマリン４５０から放射される光がナイルレッドによって再吸収できる。２つの効果が約６００ｎｍ領域における蛍光放射を引き起こす。このような発見によって、クマリン４５０及びナイルレッドドープされたＰＳビーズにおける空洞モードの励起は、検出設定の如何なる変化もなく、即ち蛍光放射の同じ波長範囲で励起波長の関数として研究できる。実施例８のように、レーザーラインの励起強度は励起効率の差を解決するために、そしてレンズ（ｂ）の色数差を補正するために、即ち２つの波長の焦点の異なる位置を補正するために、適宜調節されなければならない。
【０１２２】
適切に規定された厚さの銀シェルでＰＳビーズを取り囲むために、実験７で用意したサンプルは、低い真空圧力（２．５×１０−３ｍｂａｒ純窒素大気）でＰＳビーズを有するカバースリップ側に７０ｎｍの銀を蒸着させることで、付加的にコーティングされる。この手順で、蒸発された銀原子が残留ガスと衝突することで、ビーズ表面の自由表面領域全体が金属でコーティングされることが保証される。コーティング手順が本願出願人によって米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号にまた開示されている計画（Ｉ）として図２０に示されている。この計画（Ｉ）で、基材５が配置された後（ステップ１）、薄い膜９が基材５に蒸着又はスパッタリングによって蒸着される（ステップ２）。それから、非金属コア２が、例えば、非常に希薄な懸濁液からの滴下コーティングによって、金属膜９上にわずかに配置される（ステップ３）。最後に、適切に規定された厚さの金属層で自由粒子表面全体をコーティングするように、第２金属層４がスパッタリング又は低真空蒸着によって蒸着される（ステップ４）。
【０１２３】
サンプルは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーのパルス型出力を用いて３２０ｎｍ又は５３２ｎｍでそれぞれ励起された。検出のために、実施例８の場合と同じ設定が適用された。
【０１２４】
図２１は、基準実験を示す。実施例８で用意したクマリン４５０及びナイルレッドドープされたビーズを、６ｍｍ厚さの溶融シリカウィンドウ（ＣＡＴ＃ ＷＧ ４１０５０、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｊａｐａｎ，Ｉｎｃ．）上に置き、懸濁液の乾燥後、ＰＳビーズのわずかな装飾を得た。基材５の高い厚さによって、光学セットアップが図１６の検出計画（Ｉ）に用いられた。３００ｎｍを超えるシリカの吸収は、基本的に無視できるので、ガラスカバースリップと関連した実験に比べて、３２０ｎｍでＷＧＭのＵＶ励起の場合に一層低い励起強度が要求された。０．０４ｍＷを使って、図２１のスペクトル（ｂ）を得た。０．０２ｍＷで５３２ｎｍ放射線によってスペクトル（ａ）を得た。しかし、如何なるビーズもなく、スペクトル（ｂ）と同じ条件下で最終的にスペクトル（ｃ）を得た。シリカは、ＵＶ光を吸収しないので、ガラスカバースリップの場合のように白色光の蛍光は、全く生成されない。従って、スペクトルの基線が基本的に０（ｚｅｒｏ）になり、即ちＣＣＤカメラのダークノイズと類似する。５８０ｎｍを超える、ある小さいピークがシーリングライトのネオン線に割り当てられることができる。絶対強度の差を除けば、ＰＳビーズから得られる２つのスペクトルは同じ共振特色を示す。これは、空洞モードが本質的に空洞の物理的特性であり、これにより、空洞の励起方式と関係ないことを強調する。しかし、２つの異なる波長でポンピングされると、モード線幅の若干の変化が染料の誘導放射の差を発生させることができる。
【０１２５】
全体的に見て、基準実験は、３２０ｎｍと５３２ｎｍ放射線によってそれぞれ約６００ｎｍの領域におけるＷＧＭの励起性を証明する。更に、観察されたモードは、基材５内部の干渉によるものではないことを示す。
【０１２６】
図２２は、上述した低真空熱蒸着によって製造された７０ｎｍ厚さの銀シェルによってカプセル化された、クマリン４５０及びナイルレッドドープされたＰＳビーズから得たスペクトルを示す。ここでは、ガラスカバースリップが実施例８で既に用いられた検出計画（Ｉ）と共に使われた。従って、同じエネルギスケールが適用できる。３２０ｎｍビームに対して２．２０ｍＷ強度を使い、５３２ｎｍ励起のために０．１５ｍＷ強度を使った。従って、強度比は約１５である。３２０ｎｍ励起によって図２２のスペクトル（ａ）を得た。明らかに、モードスペクトルが観察できる。これと対照的に、５３２ｎｍ放射線を使った励起は、この領域で金属コーティング４の高い反射率によって如何なる信号も全く得られない。２つのスペクトルは、基線補正され、即ちレーザーをオフにした状態で同じ条件下における測定が、２つのスペクトルから差し引かれる。これにより、５３２ｎｍ放射線で照明されたとき、銀コーティングされたＰＳビーズが蛍光放射をほとんど示さないことが明らかになる。
【０１２７】
従って、全体的に見れば、本実験は、銀コーティングされた粒子１における空洞モードの存在を立証するだけでなく、銀シェルの切り替え動作の他の例を提示する。
【０１２８】
実施例１０
粒子のクラスタにおける空洞モード励起
この実施例で、銀シェルにて完全にカプセル化された３つの染色ドープされたＰＳビーズからなるクラスタ内部で、空洞モードの存在が証明される。
【０１２９】
実施例８と同じ材料が使われる。しかし、ここでは、それぞれ３μｍと１０μｍの公称直径を有するＰＳビーズは、ナイルレッドとの競争を回避して約４５０ｎｍでビーズの励起性を最適化するために、単にクマリン４５０でドープされる。それから、ビーズは、前のようにオゾン洗浄されたガラスカバースリップに滴下コーティングされて、わずかなカバレージを得る。銀シェルの形成のために、５０ｎｍの銀（９９．９９％、Ｆｕｒｕｕｃｈｉ、Ｋａｇａｋｕ Ｋ．Ｋ．、日本）を、低い真空圧力（５×１０−４ｍｂａｒ）でＰＳビーズを有するカバースリップ側に蒸着させた。上記で既に説明したように、この手順は、ビーズ表面の自由表面領域全体が金属でコーティングされることを保証する。コーティング手順が、米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号にまた開示されている計画（ＩＩ）として図２０に示されている。この計画（ＩＩ）で、基材５が非金属粒子２のわずかな層で装飾され（ステップ１）、それから、第１金属蒸着４が行われ、例えば、スパッタリング又は低真空蒸着によって粒子２の自由表面全体をコーティングし（ステップ２）、接着テープ４０（Ｋｏｋｕｙｏ、日本）が金属コーティングされた粒子２上に固定され（ステップ３）、接着テープ４０を引き出して、長方形フレーム４１に下方から固定させ（ステップ４）、これによって、以前に基材５と接触した粒子表面部分を露出させ、最後に一番目の蒸着と同じ方式の他の金属蒸着４を行って、完全にかつ均質に金属コーティングされた粒子を得る（ステップ５）。長方形フレーム４１は、ポリスチレン細胞培養皿の蓋（ＣＡＴ＃ ４３０１６５、Ｃｏｒｎｉｎｇ）からなってよく、５０ｎｍの銀の低真空蒸着がＰＳフレームの開口を通じて繰り返される。この手順によって、適切に規定された厚さの完全に閉鎖された金属空洞が図５の計画（ｃ）によって製造でき、即ち粒子のクラスタが基材だけでなく、互いに無コーティング接触を形成しつつ、１種粒子が完全にカプセル化される。この手順によって、適切に規定された厚さの完全に閉鎖された金属空洞が製造できる。
【０１３０】
それから、図１６の検出計画（ＩＩ）によってサンプルを研究した。ここでは、励起のために３２５ｎｍ及び０．０２ｍＷ強度で作動するｃｗ−ＨｅＣｄレーザーを使い、検出システムは、ＰＩ−ＭＡＸ：５１２ ＣＣＤカメラを備えたＳＰ−２５００からなる。１５０Ｌ／ｍｍ格子を選択し、入口スリットの幅は１２μｍと設定した。集積時間は、一般に約６０秒であった。図２３は、三角形構成で配置された３μｍビーズからなる三量体（ｂ）だけでなく、１０μｍ公称直径の単一ビーズ（ａ）から蛍光放射を示す。２つのスペクトルで空洞モードの存在は、ピークから蛍光放射における起伏として、明白に観察できる。これにより、本実験は、単一球状ビーズよりも複雑なシステムで空洞モードの存在を例示し、図５、８及び９に概略的に示されたように、更に複雑なセンサを構成することができる。
【０１３１】
実施例１１
銀コーティングされた蛍光ポリスチレンビーズの空洞モードを用いた検知
本実施例で、金属コーティング４にてカプセル化された蛍光非金属粒子２が、光学センシングのために用いられ得ることが立証される。以前の実施例のように、蛍光放射は、金属シェルの表面プラズモン共振励起の領域内に入るように選択される。
【０１３２】
空気と接触する薄い銀膜の表面プラズモン共振は、約
【数４３】
に位置し、ここで、λＰは以前の例で説明したバルク銀のプラズモン共振の波長である。従って、以前の例で使われるクマリン４５０ドープされた粒子１は、薄い銀膜の表面プラズモン励起の範囲で放射する。この範囲で空洞モードが光学センシングのために使用できるかを立証するために、図２３に既に示した単一１０μｍ粒子１にエタノール溶液から単層のヘキサデカンチオール（ＨＤＴ）を吸着させた。５００μｍＨＤＴ溶液への２時間浸漬の前（ａ）と後（ｂ）の粒子１から得られる２つのスペクトルを図２４に示した。吸着後スペクトルの線形は、吸着前スペクトルの線形と非常に類似するが、空洞モードの共振位置における約３ｎｍの明らかな移動を観察することができる。本研究で使われたビーズの公称寸法が標準表面プラズモン共振イメージングの実際分解限界（〜２５μｍ２、例えば、Ｊ．Ｍ．Ｂｒｏｃｋｍａｎら、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．（第５１巻、ｐ．４１〜６３、２０００年）参照）よりも小さいが、ここで得られる移動は同じ程度である。これは、本出願で説明するコアシェル粒子１が光学センシングに適用できることを示すだけでなく、感度と水平分解能の観点から、表面プラズモン共振に基づいて、従来技術の光学バイオセンサの興味深い代案を提供できることを示す。図２５は、基線の差し引き後、図２４のスペクトル（ａ）を拡大して示す。データが点線で表示されている。実線は、ローレンツプロファイルによって個別空洞モード共振にフィットする。その結果得られるピーク位置、線幅及びモードの特性因子を表３に表わした。
【０１３３】
実施例１２
銀コーティングされた蛍光ポリスチレンビーズの空洞モードＱ因子の決定
本実施例で、５０ｎｍ厚さの銀シェルでコーティングされた染色ドープされたポリスチレンビーズで得ることができるＱ因子が決定される。このために、図２４のスペクトル（ａ）を使うが、これは、厚さ５０ｎｍの銀シェルにてカプセル化されたクマリン４５０ドープされたＰＳビーズから、図２０の計画（ＩＩ）によって得られた。同じサンプルで発見される対応粒子のＳＥＭイメージを図２５に示した。
【０１３４】
空洞モードのバンド幅を簡単に決定できるように、スペクトルは、まずバックグラウンド補正され、即ちスペクトル全体を支配する自発的な蛍光放射が（ＯｒｉｇｉｎＰｒｏ ７．５ ＳＲ４（ＯｒｉｇｉｎＬａｂ Ｃｏｒｐ．，Ｎｏｒｔｈａｍｐｔｏｎ、マサチューセッツ州）という基線工具を用いて）差し引かれる。補正されたスペクトルの拡大図が図２５に示されている。次のステップで、まずフィット範囲を単一ピークの２つの隣接最小値に制限し、次にフィット（ＯｒｉｇｉｎＰｒｏ ７．５ ＳＲ４）を行うことで、ローレンツプロファイルが個別共振にフィットする。図２５で、バックグラウンド補正されたスペクトルが点線で表示されており、個別フィット結果は実線で表示されている。データとフィットとの一致は、特にここで最も重要な共振の線幅に対して適当である。
【０１３５】
表３は、評価されたピークに対するピーク位置、線幅、及び式１によって算出されたＱ因子を表わす。Ｑ因子は、平均が１７０±８７である約５０〜３００の範囲を有する。上記計算（実施例２及び３）で、Ｑ因子＝１００と仮定して全ての推定が行われた。従って、本発明者らの実験結果は、空洞モード励起が可能に約３２０ｎｍで依然として十分に透過的な銀シェルで可視線領域で得ることができるＱ因子が、理論的に予見の有効性に要求されるものよりも遥かに高いということを立証する。
【０１３６】
【表３】
【０１３７】
実施例１３
ＳＥＭイメージ
最後に、粒子１のＳＥＭイメージを図２６から図２９に示した。
図２６は、実施例１１で使われたサンプルの粒子のＳＥＭイメージを示す。図面符号５０は、図２０の（ＩＩ）に示す手順によって厚さ５０ｎｍの銀シェルで完全にコーティングされたクマリン４５０ドープされたＰＳビーズを示し、図面符号５１は、図２０の（ＩＩ）によって接着テープ上に置かれた銀を示す。
【０１３８】
図２７は、図５の計画（ｄ）によって製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージを示す。図面符号５２は、低真空蒸着（５×１０−４ｍｂａｒ窒素大気）によって厚さ５０ｎｍの銀シェルでコーティングされた、公称直径７５０ｎｍの２つのクマリン４５０ドープされたＰＳ粒子からなる二量体を示し、２つの粒子を連結する銀ブリッジ５３が形成されたことが明確に見られる。
【０１３９】
図２８は、図５の計画（ｄ）によって製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージを示す。蛍光非金属粒子の金属コーティング光結晶を形成する方法の可能性を示すための、銀コーティングのクマリン４５０ドープされた７５０ｎｍＰＳビーズの６角形に密に詰め込まれたクラスタである。
【０１４０】
図２９は、表面から粒子のうち一部を除去した後、直径が７５０ｎｍである銀コーティングのクマリン４５０ドープされたＰＳビーズのクラスタのＳＥＭイメージを示す。５０ｎｍの銀が低真空条件（５×１０−４ｍｂａｒ窒素大気）で表面固定されたビーズ上に蒸着された。基材の表面にある銀クラスタの配置から除去されたビーズの位置が依然として見られ、前記配置は、粒子の間に、以前に存在していた間隙を通じて蒸着の間に形成されたものである。残部粒子は、銀コーティング５４及び以前に存在していた粒子との接触地点５５を確かに見せる。銀コーティングは、以前の接触地点５５で半円形開口を形成する。また、ビーズの基材５６との以前の接触地点周囲の基材表面で円形銀開口が観察できる。２つの開口５５、５６は、約１９０ｎｍの直径を有し、従って、光子のトンネリングを許可する小さい開口の例である。特に、２つの開口は、Ａｐｈ＜π／４λ２という条件を満たし、ここで、Ａｐｈは開口の面積であり、λは１９０ｎｍを超える光学波長である。
【０１４１】
以上、実施形態を参照して本発明を説明した。しかし、前記実施形態に様々な変形又は改善が加えられ得る。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】空洞表面の可能な反射特性の例。図１（ａ）：非金属空洞の場合、空洞の屈折率ｎｃａｖの実数部が環境の屈折率ｎｅｎｖより大きければ、光は、いわゆる「臨界角」αｃｒｉｔより大きい全ての入射角αｉにおいて、全反射によって閉じ込めることができる。αｃｒｉｔより小さい角度αｉで表面に衝突する光は、容易に表面を透過することができ、これにより、例えば、空洞内部の蛍光物質の光学ポンピングのために必要時に外部（「ｏ」）から空洞に接近することができる。図１（ｂ）：金属コーティングされた空洞の場合、任意の角度で金属コーティングに衝突する光は反射される。これは、空洞内部における光の閉じ込めを容易にするが、例えば、空洞内部の蛍光物質の光学ポンピングのために必要時に外部から空洞への光学接近を妨害する。
【図２】微小空洞の空洞モードに対する単純化推定。図２（ａ）：金属コーティングされた空洞：金属内部の自由電荷キャリアによって、金属コーティングの内部表面における電場は、常に除去されなければならない。従って、そのような空洞モードのみ励起でき、これは、金属コーティングの内部表面に結び目（ｋｎｏｔ）を有する。この条件から、λｍ＝４ｎｃａｖＲ／ｍとして空洞モードが算出でき、ここで、Ｒは空洞の内部半径、ｎｃａｖは空洞の屈折率、ｍは整数である。図２（ｂ）：非金属空洞：光は、臨界角より大きい入射角の場合にのみ、内部空洞表面に閉じ込めることができ、ここで、臨界角は、単に空洞の屈折率ｎｃａｖが環境の屈折率ｎｅｎｖより大きい場合に限り、９０より小さい（図１参照）。このような制限によって、整数ｍは十分に大きく選択されなければならず、一般にｍ≒１００である。そうすると、球の外周２πＲに沿って移動する光は、建設的干渉λｍ＝２πｎｃａｖＲ／ｍの条件を満たせば保存できる。このシステムの直径を１ミクロン未満まで小さくすることは、そのような場合、平均入射角が減少して臨界角未満に落ちるため、今まで達成されなかった。２つの場合において、マクスウェル方程式を用いて厳密に処理すると、空洞モードの半径依存度に対する類似の結果が得られるが、これがここで最も重要である。
【図３】光量子閉じ込め及びナノバイオセンシングのための小さい空洞を製造する新規方法。染色分子、半導体量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどのような蛍光物質を含む非金属粒子が金属シェルでコーティングされる。シェルは、蛍光物質の励起波長λ１に対して高透過性であるが、放射波長範囲λ２の少なくとも一部に対して高反射性である。従って、放射波長範囲のその特定部分内において、蛍光に起因して蛍光物質によって放射される光子は、空洞内に閉じ込められる。
【図４】金属コーティングにてカプセル化された表面吸着された蛍光非金属粒子の光学空洞モードの励起及び検出のための計画。計画（Ｉ）の場合、蛍光物質を含み、金属コーティングにてカプセル化された非金属コア材料からなる粒子が、金属で完全にコーティングされ、表面に接触した金属コーティングで吸着されている。金属コーティング内の蛍光物質の励起のために使われる光ビーム２０が表面に向かい、基材の光学特性によって表面で反射及び／又は透過される。空洞の漏れ、即ち空洞の制限された特性因子によって、励起された空洞モードの一部の光が粒子から粒子の外部環境へ出て、これは、適切な光学部品、例えば、凸レンズによって集光されて、光検出器へ導かれる。選択的には、フィルタ又は格子のような分散要素を含む装置が検出経路に挿入されて、粒子から出る光をスペクトル分解検出することができる。計画（ＩＩ）の場合、粒子の自由表面のみを金属でコーティングし、表面と接触する表面領域は、コーティングしないことで、粒子のコアと基材との間に光学接触を形成する。基材の光学特性を適宜選択すると、粒子内部の蛍光物質の励起がこの接触によって行われ得る。
【図５】金属コーティングにてカプセル化された２種以上の蛍光非金属粒子を含む光学空洞モードの励起に適したシステムの例。（ａ）互いにすぐ近くにあり、個別的にカプセル化され、表面吸着された２つの粒子、（ｂ）基材と光学接触を形成しつつ、互いにすぐ近くにある、個別的にカプセル化された２つの粒子、（ｃ）互いに光学接触を形成するが、基材とは光学接触を形成しない、２つの表面吸着された粒子、（ｄ）基材だけでなく、互いに光学接触を形成する２つの粒子。これらの計画は、３以上の粒子で容易に拡張できる。また、４つの全ての計画を組み合わせることもできる。３以上の粒子を含む構造に対する２つの一般的な例を示すために、図５ｅ及び図５ｆが表面吸着された粒子の３次元の規則的構造を示す。（ｅ）の場合、粒子は、粒子の間、そして基材にも光学接触なしに、金属コーティングにて個別的にカプセル化されており；（ｆ）の場合、粒子は、基材だけでなく、隣接粒子の間に光学接触を形成しつつ、規則的に配列されている。一般に、粒子又は粒子の（不規則的な又は規則的な）クラスタが、ランダム又は整列された方式で２次元又は３次元構造で表面に分布できる。これにより、光結晶が形成できる。
【図６】バイオセンシング応用のための、金属コーティングにてカプセル化された単一蛍光非金属粒子の利用。粒子が基材に部分的に埋め込まれる。粒子表面の露出部分が、抗タンパク質マトリックスと生物学的認識のための１つ（又はそれ以上）のプローブ分子でコーティングされる。基材表面、及び粒子の露出されてバイオ機能化された部分が、プローブ分子７の可能な結合パートナを含む流体を提供する液体セルに設置される。基材は、粒子内部に含まれた蛍光物質の励起及び放射波長に対して透過性である。蛍光物質は、基材を介して伝播する（また、粒子を横切る）光ビーム２０によって光学的にポンピングされる。特定の立体角内で蛍光物質から放射されて粒子の金属コーティングを透過する光は、光ファイバによって集光される。立体角は、ファイバの開口数と、粒子中心からファイバまでの距離とによって与えられる。１μｍ未満の直径を有する小さい粒子の場合、光ファイバのチップは、サブ波長分解（光学近接場チップ）がノイズから信号の適宜識別を保証し得るように製造できる。
【図７】金属コーティングにてカプセル化された蛍光非金属粒子によるバイオセンシングのための一般的なセットアップ。粒子は、図４〜６、８、９及び１１に示すように、基材に吸着されたり、又は埋め込まれる。基材は、粒子の露出されてバイオ機能化された表面が、可能な特定の結合パートナを含む媒体に露出できるように、液体セル内に設置される。蛍光物質が光ビーム２０によって励起され、粒子からの放射は、適切な光ファイバによって収集される。ファイバは、光を光学分析システムへ導き、このシステムは、検出される光の強度を波長と時間の関数として記録する。
【図８】互いにほぼ接触している金属コーティングにてカプセル化された２つの蛍光非金属粒子、及びこれらのバイオセンシングへの利用。粒子のうち１つの粒子のみがバイオ認識のための１つ（又はそれ以上）の特定の結合プローブ分子７を有する。第２粒子は、特定の結合に対して不活性であるので、特定の結合を除く条件変化の尺度である。従って、カップリングされたシステムは、センサの作動の間、環境変化を補正する内部基準を含む。（図面符号は、図６の場合と同じ意味である）
【図９】金属コーティングにてカプセル化された、カップリングされた蛍光非金属粒子システム。粒子は、基材に埋め込まれ、互いにほぼ接触している。最上位の粒子は、バイオ機能化が可能なように環境に部分的に露出されている。また、ファイバチップへの光カップリングを向上させるために、検出ファイバに最も近い粒子が部分的に露出できる。（Ａ）基準線のないシステム；（Ｂ）基準線のあるシステム。（図面符号は、図６の場合と同じ意味である）
【図１０】溶液で浮遊自在の、金属コーティングにてカプセル化された蛍光非金属粒子。粒子表面に閉じ込められたプローブ分子（ｂ）の可能な特定の結合パートナを含む液体セル（ａ）に、粒子が浮遊している。液体セルは、粒子内部の蛍光物質の励起のために使われるポンプ光に透過性である入射窓及び検出窓（ｏ）を通じて粒子１への光学接近を許容し、検出窓は、蛍光物質の放射波長に対して透過性である。放射される光（ｑ）は、凸レンズ（ｐ）によって集光され、光学分析及び検出システムへ導かれる。（図面符号は、図６の場合と同じ意味である）
【図１１】基材に埋め込まれた多くのエミッタ（センサ）の場合の代替検出。個別エミッタによって放射される光（ｃ）は、粒子の干渉縞がモニタリングできるように、凸レンズ（ｂ）によって集光され、ＣＣＤカメラのチップ（ａ）にイメージ化される。個別エミッタの任意の状態変化は、干渉縞に即時の変化を引き起こし、この変化を分析することができる。
【図１２】異なる波長における金属の反射率（化学及び物理学のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ）からのデータ）。
【図１３】（ａ）バルク銀の反射率を波長の関数として表にした値；出所：化学及び物理学のハンドブック、第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ、１９８９年；（ｂ）屈折率に関する表にされたデータと化学及び物理学のハンドブック（第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ、１９８９年）に挙げられている吸収係数から算出した、バルク銀への光の貫通深さの波長依存性。
【図１４】厚さ１ｍｍのプレーンポリスチレン基材に熱蒸着によって蒸着された薄膜の銀の測定された吸光度（ａ）及び透過率（ｂ）。同じタイプの無コーティングポリスチレン基材を基準として使った。
【図１５】（ａ）空気／金属界面における反射、吸収及び透過の間の関係に関する計画；（ｂ）銀膜厚の関数として、外部から銀コーティングポリスチレン基材に衝突する可視光のこの基材への総透過率。算出は、屈折率に関する表にされたデータ、化学及び物理学のハンドブックに挙げられている銀の吸収係数、及びポリスチレンの公知された屈折率１．５９に基づく。
【図１６】例で使われた光学セットアップ。（Ｉ）０．２ｍｍの作業距離で１００×顕微鏡対物レンズによって、厚い基材に置かれた粒子から放射される蛍光の集光が可能なように、倒立顕微鏡のサンプルステージに逆に位置されたサンプル；（ＩＩ）十分に薄い基材の場合、直立位置に位置されたサンプル。
【図１７】ナイルレッド（Ｎｉｌｅ Ｒｅｄ）（ａ）及びクマリン（Ｃｏｕｍａｒｉｎ）４５０（ｂ）の吸収スペクトル；例として、２つの染料の励起のために使われたレーザー波長を示した：５３２ｎｍにおけるＮｄ：ＹＡＧ（ｃ）、３２５ｎｍにおけるＨｅＣｄレーザー（ｄ）、及び３１３〜３２０ｎｍ範囲におけるＮｄ：ＹＡＧポンピングされたパラメトリック共振器（ｅ）。
【図１８】３１３ｎｍ及び５３２ｎｍ励起によるクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおける、ウィスパリングギャラリーモード励起。
【図１９】厚さ８０ｎｍの銀膜を通じる３１３ｎｍ及び５３２ｎｍ励起によるクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおける、ウィスパリングギャラリーモード励起。５３２ｎｍで高い反射と吸収損失によって、ＷＧＭ励起は、銀膜を通じる透過が相変らず重要な場合であるＵＶ励起（ａ〜ｄ）の場合にのみ観察できる。
【図２０】適切に規定された厚さの金属シェルで完全に取り囲まれた非金属蛍光粒子の製造計画。
【図２１】それぞれ５３２ｎｍ（ａ）及び３２０ｎｍ（ｂ）放射線で励起されるため、ナイルレッドの放射波長範囲でクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおけるウィスパリングギャラリーモード励起。
【図２２】厚さ７０ｎｍの銀シェルで取り囲まれた染料塗りのポリスチレンビーズの空洞モード励起；（ａ）３２０ｎｍ放射線を使った励起；（ｂ）５３２ｎｍ放射線を使った励起。
【図２３】厚さ５０ｎｍの銀コーティングで取り囲まれたクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおける空洞モード励起；（ａ）公称直径１０μｍの単一ビーズ；（ｂ）公称直径３μｍの３つのビーズからなるクラスタ。
【図２４】銀表面プラズモン共振の領域で厚さ５０ｎｍの銀コーティングで取り囲まれたクマリン４５０ドープされたポリスチレンビーズにおける空洞モード励起。ビーズは、公称直径１０μｍを有し、銀シェルに単層のヘキサデカンチオールの吸着前（ａ）と吸着後（ｂ）の２つのスペクトルを記録し、この吸収は、約３ｎｍの空洞モード位置の移動を引き起こす。
【図２５】基線を差し引いた後、図２４のスペクトル（ａ）の拡大図。データを点線で表示した。実線は、ローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）プロファイルによって個別空洞モード共振に適合する。その結果得られるピーク位置、線幅及びモードの特性因子を表３に表わした。
【図２６】実施例１１で使われたサンプルの粒子の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージ。
【図２７】図５の計画（ｄ）に従って製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージ。
【図２８】図５の計画（ｄ）に従って製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージ。
【図２９】表面から粒子のうち一部を除去した後、直径７５０ｎｍの銀コーティングのクマリン４５０ドープされたＰＳビーズのクラスタのＳＥＭイメージ。
【符号の説明】
【０１４３】
１ 粒子
１Ａ 粒子
１Ｂ 粒子
１Ｃ 最上位の粒子
１Ｄ 最下位の粒子
２ コア
３ 蛍光物質
４ 金属
５ 基材
６ 抗タンパク質マトリックス
７ プローブ分子
８ 液体セル
９ 金属コーティング
２０ 光ビーム
２１ 光
２２ 凸レンズ
２３ 光検出器
２４ 格子
２５ 立体角
２６ 光ファイバ
２７ ファイバチップ
２８ チップ
３０ 光学窓
３１ レンズ
３２ 光ファイバ
３３ カップリング光学部品
３４ 光吸収フィルタ
３５ 高分解能単色化装置
３６ ＣＣＤカメラ
４０ 接着テープ
４１ 長方形フレーム
５０ ＰＳビーズ
５１ 銀
５２ ＰＳ粒子からなる二量体
５３ 銀ブリッジ
５４ 銀コーティング
５５ 接触地点
５６ ビーズの基材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属コーティングを有する非金属蛍光粒子を含む光学素子、前記粒子を製造する方法、前記粒子を含む光学装置、及び少量の生物学的又は化学的分子を測定又は検出する分野に適用できる前記粒子を用いる分析方法に関する。
【０００２】
本出願は、２００６年５月１日に出願された米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号に基づく優先権を主張する特許出願である。前記米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号と、２００６年９月２１日に出願された他の米国仮特許出願第６０／８２６，４８３号の全ての内容がここで参照して組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
光学微小空洞は、共振再循環によって光を少量に閉じ込め、可能な用途として、超小型（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ）光エミッタ、レーザー、及びセンサなどがあることが立証された（Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ、ネイチャー 第４２４巻、ｐ．８３９〜８４６、２００４年）。再循環は、微小空洞内に保持される光の波長と伝播方向に、形状に依存する境界条件を与える。これにより、特定の光学モード、いわゆる「空洞モード」のみ許可される。このように許可されたモードのエネルギレベルは微小空洞の形状と光学特性に大きく依存するため、 微小空洞の光学特性は、例えば（例えば、空洞の変形による）力又は（例えば、微小空洞のすぐ近くにおける屈折率の対応する変化による）化学的濃度の変化を検出するために使用できる、非常に敏感な微小光学センサをなす。これと同様に、微小空洞は、例えば、特に微小空洞に又は微小空洞内に分子を閉じ込める表面吸着と、その結果として生じる空洞の周囲又は内部の屈折率の変化によって、生体分子検出のために使用できる。
【０００４】
微小空洞の内部における光の閉じ込めは、微小空洞と周囲との間に高反射性の境界を要求する。これは、例えば、光学導波管の内部で、光の誘導と同様、全反射によって達成できる。図１に示すように、微小空洞の屈折率ｎｃａｖが周囲の屈折率ｎｅｎｖより大きければ、即ちｎｃａｖ＞ｎｅｎｖであれば、全反射が行われ得る。しかし、このような場合にも、いわゆる「臨界角」αｃｒｉｔ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｅｎｖ／ｎｃａｖ）より大きい角度αの場合にのみ全反射が行われる（ここで、αは、反射が行われる空洞の内部に垂直の局部表面から測定される）。このように簡単な考慮事項は、微小空洞の内部に閉じ込められた光の波長に比べて表面粗度が無視できる限り有効である。従って、製造可能な平滑な表面の精度によって、微小空洞の１つの一般的なサイズ下限が与えられる。
【０００５】
微小空洞の利用において他の障害は、微小空洞と周囲との間の高反射性界面が要求されることと直接関連する。光の経路は、無吸着媒体で可逆的であるので、界面は、周囲から界面に衝突する光ビーム２０に対して高反射性である。このため、高反射性という要件を満たして長い光保存力を提供する空洞内部の光学モードは、外部から微小空洞に接近する光のため、容易に達成できない。
【０００６】
Ｖｏｌｌｍｅｒ及び共同研究者（Ｆ．Ｖｏｌｌｍｅｒら、応用物理学レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第８０巻、ｐ．４０５７〜４０５９、２００２年）は、微小球の内部の空洞モードの形成のために、光ファイバの無被覆コアとシリカ微小球との間にエバネセント場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ）カップリングを用いた。この場合、光子は、小さい空気間隙を通じるトンネリングによって、ファイバの高屈折率コアから微小球の高屈折率内部に移動することができる。空気間隙は、数ナノメートル程度でなければならず、正確に制御されなければならない。このため、微小球は、固形マウント（ｓｏｌｉｄ ｍｏｕｎｔ）に固定されなければならず、Ｖｏｌｌｍｅｒらの場合、固形マウントとしてバイオセンシング応用のマイクロ流体装置を使った。Ｖｏｌｌｍｅｒらは、直径３００μｍのシリカ球の外部表面で、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の吸着によって空洞モードバイオセンシングを検証することができた。彼らは、彼らのセンサスケールの感度が１／Ｒであることを示したが、ここで、Ｒは粒径である。
【０００７】
Ｋｕｗａｔａ−Ｇｏｎｏｋａｍｉ及び共同研究者（Ｍ．Ｋｕｗａｔａら、応用物理学の日本ジャーナル 第３１巻、ｐ．Ｌ９９〜Ｌ１０１、１９９２年）は、空洞モードの形成のために、染色ドープされたポリスチレン（ＰＳ）微小球を使った。染料を含む微小球に超短レーザーパルスを照射して、染色分子を励起させた。微小球の表面に小さい入射角αでポンプレーザーパルスを入射することで、光は少ない損失だけで（〜５−１０％）光学的に更に稠密な微小球に貫通することができた。微小空洞の内部の励起された染色分子に任意の方向、即ち全反射条件を満たす方向に蛍光を再照射した。これにより、染色分子の放射波長範囲内に収まる全ての空洞モードが形成された。高いポンプ強度で微小空洞レージングが観察された。
【０００８】
Ｈａｌａｓ及び共同研究者は、非金属コアと光バイオセンシングのための金属シェルとからなる一層小さいサイズのコアシェル粒子を提案した（Ｗｅｓｔら、米国特許第６６９９７２４ Ｂ１号）。彼らは、特に、数十から数百ナノメートルの粒子領域、即ち１μｍ未満の外径を有する粒子を研究した。そのような粒子の導電性シェルは、いわゆる「プラズマ振動数」で光学的に励起できるが、このプラズマ振動数は、シェルの自由電子の集合的な振動に対応する。固体金属粒子のプラズマ振動数は、粒子サイズに単に制限された依存性を示し、基本的に、電子密度と有効電子質量のようなバルク材の物理的特性によって与えられ、Ｈａｌａｓらは、コアシェル粒子の場合、単に粒子のコアとシェル半径の比を変えることで、可視線から近赤外線までの広い範囲でプラズモン振動数の位置が同調できることを立証することができた（Ｎ．Ｈａｌａｓ、光学及びフォトニクスニュース（Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ）、第１３巻、８版、ｐ．２６〜３１、２００２年；Ｓ．Ｊ．Ｏｌｄｅｎｂｕｒｇら、物理化学レター（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第２８８巻、ｐ．２４３〜２４７、１９９８年）。Ｈａｌａｓらは、プラズマ振動数を、外部シェル表面で吸着された有機分子の表面強化ラマン放射を支持することができる振動数範囲内に切り替えることで、そのような粒子をバイオセンサとして使うことを提案した。これにより、ラマン放射は、タンパク質吸着の質的尺度としての役割を果たすことができる。Ｈａｌａｓらは、微小空洞モードの生成又は利用ではなく、プラズマ振動数の同調だけのために、製造された粒子のコアシェル特性を用いたことに留意されたい。そうしているうちに、彼らは、そのようなモードの形成のために、非金属粒子コアに任意の種類の蛍光物質を埋め込むことは提案しなかった。
【０００９】
閉鎖された微小空洞のほかにも、開放された微小空洞の利用がバイオセンシングのために提案された。このような微小空洞は、薄い金属膜の微小空孔を含む。光は、薄い膜の面でのみ閉じ込められ、垂直方向では自由である。Ｂｌａｉｒ及び共同研究者（Ｙ．Ｌｉｕら、ナノ技術 第１５巻、ｐ．１３６８〜１３７４、２００４年；Ｙ．Ｌｉｕ ＆ Ｓ．Ｂｌａｉｒ、ＳＰＩＥ会報、第５７０３巻、ｐ．９９〜１０６、２００５年）は、薄い金膜にパターン化されたナノ空洞に吸着された染色標識されたタンパク質の蛍光強化を研究した。彼らは、２の因子による蛍光強化及び６の因子による量子収率の増加を観察した。以下で説明することと対照的に、分析物に付着された蛍光体標識を除いて、空洞モードの形成のための染色分子又は量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）のような付加的な活性媒体が存在しない。このため、観察された効果が少し弱く、個々の微小空洞の大きいスケール組立体でのみ観察可能である。
【００１０】
Ｓｃｈｅｒｒｅｒ及び共同研究者（Ｏ．Ｐａｉｎｔｅｒら、サイエンス誌第２８４巻、ｐ．１８１９〜１８２１、１９９９年）は、２次元光結晶で単一欠陥を有し、１．５５μｍの波長を有する光を閉じ込める、今まで最も小さい微小空洞体積（０．０３μｍ３）を達成した。しかし、彼らは、この空洞体積の計算において、閉じ込められた光子を保持するのに必要な周期的構造の全体サイズを含まなかった。周期的構造の全体サイズは、光結晶に基づくセンサのサイズをサブミクロン程度に縮小することを妨害する可能性がある。
【００１１】
金属粒子又は薄い金属膜のプラズマ励起に基づく無標識のバイオセンシングのための多様な方法が存在する。これらの場合、入射される光波は、自由伝播又は局部的な表面プラズモン（金属の自由電子の集合的な振動に対応する）を開始させるのに使われる。そうすると、プラズモンは、金属膜又は金属粒子の閉鎖された環境にエバネセント電磁波を生成する。この環境において、例えば、生体分子吸着によって誘電体特性が変更されると、プラズモン振動は、その共振位置を変更させる。これにより、このような移動は、無標識の光学バイオセンサの読出信号として用いられる。
【００１２】
局部的なプラズモン効果を用いる手法の例がＵＳ ２００３／０１７４３８４ Ａ１、ＥＰ ０ ９６５ ８３５ Ａ２及びセンサとアクチュエータ Ｂ ２０００、６３、ｐ．２４〜３０に挙げられている。自由移動プラズモンを用いる例が米国ニュージャジー州ＰｉｓｃａｔａｗａｙにあるＰｈａｒｍａｃｉａ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ社のＢＩＡコアシステムに挙げられている。しかし、これらの何れにも、上述したプラズモン効果の増幅のための微小空洞モードは提案されていない。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６６９９７２４ Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１７４３８４ Ａ１号明細書
【特許文献３】欧州特許第 ０ ９６５ ８３５ Ａ２号明細書
【非特許文献１】Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ，「ネイチャー」，第４２４巻，２００４年，ｐ．８３９−８４６
【非特許文献２】Ｆ．Ｖｏｌｌｍｅｒら，「応用物理学レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，第８０巻，２００２年，ｐ．４０５７−４０５９
【非特許文献３】Ｍ．Ｋｕｗａｔａら，「応用物理学の日本ジャーナル」，第３１巻，１９９２年，ｐ．Ｌ９９−Ｌ１０１
【非特許文献４】Ｎ．Ｈａｌａｓ，「光学及びフォトニクスニュース（Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ）」，第１３巻，８版，２００２年，ｐ．２６−３１
【非特許文献５】「物理化学レター（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，第２８８巻，１９９８年，ｐ．２４３−２４７
【非特許文献６】Ｙ．Ｌｉｕら，「ナノ技術」，第１５巻，２００４年，ｐ．１３６８−１３７４
【非特許文献７】Ｙ．Ｌｉｕ＆Ｓ．Ｂｌａｉｒ，「ＳＰＩＥ会報」，第５７０３巻，２００５年，ｐ．９９−１０６
【非特許文献８】Ｏ．Ｐａｉｎｔｅｒら，「サイエンス誌」，第２８４巻，１９９９年，ｐ．１８１９−１８２１
【非特許文献９】「センサとアクチュエータ Ｂ ２０００」，６３，ｐ．２４−３０
【非特許文献１０】Ｐｈａｒｍａｃｉａ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ社，「ＢＩＡコアシステム」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
つまり、真のナノセンサの開発に有効であり得る１ミクロン未満のサイズを有する微小空洞、即ち「ナノ空洞」の製造試みは今まで成功していない。本発明者らの研究過程において、このような失敗の主原因を慎重に調査した結果、次のように推定した：
（ｉ）金属コーティングのない非金属空洞（この空洞内では全反射によって、いわゆる「ウィスパリングギャラリーモード（Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ Ｍｏｄｅｓ、ＷＧＭ）」のみ励起できる）は、粒子と環境との間の界面における光の平均入射角が徐々に小さくなるため、粒径の減少に伴って損失が急激に増加し、これによって臨界角αｃｒｉｔを超える大きい入射角であるという条件に反するようになる。（ｉｉ）また、粒子が小さくなる場合、表面粗度が更に重要になり、界面に対する低い入射角αｉの方向へ付加的な光の散乱が引き起こされる。
【００１５】
このような問題が発明者の調査で最近主題となり、以下で詳述する蛍光物質を励起させるための手段と共に、金属コーティング及び微小空洞の内部に埋め込まれた蛍光物質を用いることで、前記問題を回避することができる発明を考えるようになった。金属コーティングは、表面に対する光の入射角にほとんど依存しない反射率を示す（図１参照）。しかし、このような理由で、金属コーティングは、外部から空洞に衝突する放射線から空洞全体を遮蔽する。このため、空洞モードの形成のための微小空洞の内部に埋め込まれた蛍光物質を励起させるのは困難であり、このため、今まで試みていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、蛍光物質を有する非金属コア及び非金属コアをカプセル化する金属シェルを含む粒子に関するもので、金属シェルは、前記蛍光物質を励起させる第１波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質から放射される第２波長を有する電磁放射線に対する反射性を有して、金属シェル内に第２波長を有する電磁放射線を閉じ込める。また、前記透過性は、電磁放射線が非金属コアに入ることを可能にする小さい開口を有する金属シェルを用いることで達成できる。金属シェルのそのような小さい開口は、基材又は隣接粒子と接触するシェルの一部に位置したり、又は小さい開口は、π／４λ２未満の最大面積を有したりし、ここで、λは開口を通じて透過させようとする光の波長である。
【００１７】
前記粒子において、非金属コアは、染色分子、量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどからなる群から選ばれる１種以上の蛍光物質を有することができる。蛍光物質は、非金属コア内に又は非金属コアの表面に存在することができる。非金属コアは、前記２種以上の蛍光物質の混合物状態の蛍光物質を有することができる。単一種又は複数種の混合物であり得る蛍光物質は、コアの体積又は表面に均質又は不均質に分布できる。
【００１８】
蛍光物質は、空洞コア又はその表面に整列された、又は、整列されていない方式で配置できる。金属コーティングにてカプセル化された粒子において、空洞コアは、光結晶の全体に周期的に配置された、又は、ランダムに分布された蛍光物質を有する光結晶を含むことができる。
【００１９】
本発明で使われる蛍光物質は、第１範囲の波長λｅｘｃを有する電磁放射線によって励起でき、第２範囲の波長λｅｍを有する電磁放射線を放射することができる。本発明で使われる金属シェルは、少なくとも蛍光物質によって放射される第２範囲の波長のうち一部で高反射性を示す。そして、蛍光物質の放射波長は、金属シェルの表面プラズモン共振の分光範囲をカバーすることができる。
【００２０】
本発明の一実施形態は、金属コーティングにてカプセル化された粒子に関連して説明できるが、ここで、蛍光物質は超短レーザーパルスによって励起され、その結果、基底状態より高い励起状態が形成されて、即ち基本的なレージング条件が少なくとも一時的に満たされる。
また、粒子は、担持基材によって担持でき、金属コーティングの小さい開口は担持基材と接触してのみ存在してもよい。前記金属コーティングの小さい開口は、組立体で隣接空洞と接触してもまた存在してもよい。
【００２１】
本発明の粒子において、空洞コアの体積（Ｖ）、空洞コアの特性因子（Ｑ）、及び蛍光物質の放射波長（λｅｍ）は、空洞内部における関係が不等式（Ｉ）を満たすように選択できる：
【数４】
前記空洞コアの体積は、１０００μｍ３以下であってよく、より好ましくは１００μｍ３以下、最も好ましくは１μｍ３以下であってよい。空洞体積（Ｖｍｉｎ）及び空洞コア内部の蛍光物質の放射波長範囲（λｅｍ）の少なくとも一部は、条件（ＩＩ）を満たすように選択でき、
【数５】
因子ｆは５未満であり、より好ましくは３未満、そして最も好ましくは１未満である。
【００２２】
本発明の粒子において、空洞の特性因子は１より大きくてもよく、より好ましくは３より大きく、更に好ましくは５より大きく、更により好ましくは１０より大きく、最も好ましくは５０より大きくてよい。
【００２３】
また、本発明の粒子において、蛍光物質の放射範囲（λｅｍ）の少なくとも一部は、下記条件、即ち
【数６】
を保持するように選択でき、ここで、ｄはλｅｍに対応する蛍光物質の遷移双極子モーメント、ｎｃａｖは空洞コアの屈折率、Ｑは（λｅｍに対する）空洞コアの特性因子、そしてＶは空洞コアの体積である。
【００２４】
本発明の他の態様は、請求項１による粒子を少なくとも２つ含むカップリングされた粒子システムに関するもので、前記粒子は、金属シェル内の１以上の空洞モードが互いにカップリングされるように、互いにほぼ接触して位置される。前記カップリングされた粒子システムは、光子がある空洞から隣接した空洞へ１０−６より大きい確率でトンネリングできるように、互いにほぼ接触して位置される粒子を含むことができる。トンネリング確率が１０−６未満の場合、観察のための十分な強度のカップリングを達成するのは困難である。本発明のカップリングされた粒子システムにおいて、粒子は、空洞の空洞モードが接触によるモード分裂を示すように、互いにほぼ接触して位置できる。好ましくは、本発明のカップリングされた粒子システムにおいて、以下で説明するように、双方（又は全部）が強いカップリング状況であり得る、互いに接触する空洞のカップリングされたエミッタ／空洞モードは、接触による付加的なカップリングを示す。
【００２５】
本発明の他の態様は、上記粒子を含む標的分子を検知するためのバイオセンサに関する。ここで、本発明のバイオセンサの粒子は、蛍光物質を有する非金属コア及び非金属コアをカプセル化する金属シェルを含み、金属シェルは、前記蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対する反射性を有して、金属シェル内に第２波長を有する電磁放射線を閉じ込める。本発明のバイオセンサは、前記粒子と、粒子の外部表面に固定され、かつ、標的分子を捕獲することができる捕獲分子と、第１範囲の波長を有する電磁放射線を放射するための手段と、第２範囲の波長周囲の電磁放射線を検出するための検出器とを含み、粒子からの電磁放射線の変化が標的分子の捕獲を示す。標的分子を検知するためのバイオセンサにおいて、蛍光物質は、外部電磁放射線、好ましくはレーザービーム、最も好ましくは超短パルスレーザービームによって励起され、レンズシステム、ファイバプローブ又は導波管のような光学システムによって検出が行われる。高解像顕微鏡システム、先鋭化ファイバチップ２７又は回折限界未満の開口を有する他のタイプの開口部が、ナノスケールセンサの場合に好ましく使用できる。
【００２６】
また、本発明は、信号増幅及び／又は内蔵型基準として使われるための上記粒子からなる粒子のアレイ又はクラスタを提供する。表面に吸着された、又は、埋め込まれた粒子のアレイは、例えば、ＣＣＤカメラによって界面パターンのモニタリングに適用できる。界面パターンは、個別粒子の条件に大きく依存するので、多数の粒子の並列読出が可能である。本発明の表面吸着された、又は、埋め込まれた粒子のアレイは、ディスプレイ技術及び関連技術用の多重マイクロ光源にもまた適用できる。
【００２７】
また、本発明は、浮遊自在の粒子システムを提供するが、ここで、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線の波長に対して、透過性である流体に分散されている。このシステムの浮遊自在の粒子は、空洞モードのより幅広い励起のために、２種以上の蛍光物質を含むことができる。このシステムにおいて、蛍光物質は、２以上の電磁放射線によって励起できる。
【００２８】
本発明は、単一基材に担持された粒子システムをまた提供するが、ここで、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線の波長に対して、透過性であるマトリックスに埋め込まれている。単一基材に担持された粒子は、空洞モードのより幅広い励起のために、２種以上の蛍光物質を含むことができる。
【００２９】
前記浮遊自在の粒子システム又は単一基材に担持された粒子システムの実施形態は、球面波用マイクロスコピックソースであり得る。そのような浮遊自在の粒子システム又は単一基材に担持された粒子システムは、生物学的相互作用及び現象のインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）及びインビボ（ｉｎ−ｖｉｖｏ）観察のためのデジタルインラインホログラフィにおける使用に適用できる。これらシステムについてはより詳しく後述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
金属コーティングにてカプセル化された、表面吸着された蛍光非金属粒子における光学空洞モードの励起
光学空洞モードは、図４に示した計画による簡単な方式で励起及び検出できる。
【００３１】
計画（Ｉ）の場合、蛍光物質３を含み、金属コーティング４にてカプセル化された非金属コア２材からなる粒子１が、金属４に完全にコーティングされ、表面に接触した金属コーティング４に吸着されている。金属コーティング４内の蛍光物質３の励起のために使われる光ビーム２０が表面に向かい、基材５の光学特性によって表面で反射及び／又は透過される。空洞の漏洩、即ち空洞の制限された特性因子によって、励起された空洞モードの一部の光２１が粒子１から粒子の外部環境へ出て、これは、適切な光学部品、例えば、凸レンズ２２によって集光され、光検出器２３に導かれる。ナノスケール粒子１の場合、例えば、近接場チップが空洞モードの検出のためにまた使用できる。選択的には、フィルタ又は格子２４のような分散要素を含む装置が検出経路に挿入されて、粒子１から出る光２２をスペクトル分解検出することができる。
【００３２】
計画（ＩＩ）の場合、粒子１の自由表面のみを金属４でコーティングし、表面と接触する表面領域はコーティングしないことで、粒子１のコア２と基材５との間に光学接触を形成する。用語「光学接触」は、計画（Ｉ）に示すように、金属シェル４が基材５と接触している場合に比べて、粒子１のコア２と基材５との間の界面を一方向に横切る光の強化された透過の意味として理解されなければならない。そして、基材５の光学特性を適宜選択すれば、即ち材料が蛍光物質３の励起波長に対して透過性であれば、粒子１内部の蛍光物質の励起がこの接触によって行われ得る。
【００３３】
更に、粒子１は、部分的に又は完全に基材５に埋め込まれることができる。後者の場合、基材５は、蛍光物質３の励起及び放射波長で透過性でなければならない。粒子１が先に表面吸着され、そして、金属コーティングの形成後、追加物質に埋め込まれる場合、粒子１は、上記と同様、周囲基材５に対する光学接触を示すことができる。
【００３４】
本実施形態の計画に使用できる実際の装置が実施例７に記載されており、実施例８〜１１で空洞モード励起及び検出のために用いられている。
【００３５】
金属コーティングにてカプセル化された、表面吸着された蛍光非金属粒子のクラスタにおける光学空洞モードの励起
図５は、金属コーティング４にてカプセル化された２種以上の蛍光非金属粒子２を含む光学空洞モードの励起に適したシステムを示す。図５（ａ）において、個別的にカプセル化され、表面吸着された２つの粒子１が互いにすぐ近くにある。図５（ｂ）において、互いにすぐ近くにある、個別的にカプセル化された２つの粒子１が、基材５と光学接触を形成している。図５（ｃ）において、２つの表面吸着された粒子１が互いに光学接触を形成するが、基材５には光学接触していない。そして、図５（ｄ）において、２つの粒子１が基材５だけでなく、互いに光学接触を形成している。これらの計画は、３以上の粒子１に容易に拡張できる。また、４つの全ての計画の組み合わせも可能である。図４の計画（ＩＩ）と同様、粒子１と基材５との光学接触は、粒子１の内部に取り囲まれた蛍光物質３の励起のために使用できる。
個別粒子１の場合について既に説明したように、ここで説明する粒子１のクラスタも部分的に又は完全に基材５に埋め込まれることができる。
【００３６】
３以上の粒子１を含む構成に関する２つの一般的な例を示すために、図５（ｅ）及び（ｆ）が表面吸着された粒子１の３次元の規則的構造を示す。図５（ｅ）の場合、粒子１は、粒子１らの間又は基材５に対する如何なる光学接触もなしに、個別的に金属コーティング４にてカプセル化されており；図５（ｆ）の場合、粒子１は、基材５だけでなく、隣接した粒子１の間に光学接触を形成しつつ、規則的に配列されている。一般に、粒子１、又は粒子１の（不規則的な又は規則的な）クラスタが、ランダム又は整列された方式で２次元又は３次元構造で表面に分布できる。これにより、光結晶が形成できる。特に、規則的な構造の場合、特定方向の放射、いわゆる構造の「ブラッグ反射」が存在する可能性があり、この場合、個別粒子１の放射は、付加の方式で重畳されて、全体信号を強化する。
【００３７】
図５の計画（ｃ）に従って形成された金属コーティングされた三量体における空洞モード励起の証明が、実施例１０に挙げられている。
【００３８】
バイオセンシングのための金属コーティングにてカプセル化された単一蛍光非金属粒子の利用
図６に示すように、蛍光物質３を含み、金属コーティング４によって取り囲まれた非金属コア２からなる単一粒子１が、次のようにバイオセンサとして利用できる：
粒子１が蛍光物質３の励起及び放射波長に対して透過性である基材５に部分的に埋め込まれる。粒子表面の露出部分が、抗タンパク質マトリックス６及び生物学的認識のための１つ（又はそれ以上）のプローブ分子７でコーティングされる。基材表面は、粒子１の露出されてバイオ機能化された部分が液体セル８に収容されている分析物と接触するように、液体セル８内に設置される。蛍光物質３は、基材５を通じて伝播されて、粒子１を横切る光ビーム２０によって光学的にポンピングされる。空洞の制限されたＱ因子によって蛍光物質３から放射されて、粒子１の金属コーティング４を透過する光２１は、特定の立体角２５内で光ファイバ２６によって集光される。立体角２５は、ファイバ２６の開口数と、粒子１の中心からファイバまでの距離とによって与えられる。１μｍ未満の直径を有する小さい粒子１の場合、光ファイバ２６のチップ２７は、サブ波長分解（光学近接場チップ）がノイズから信号の適宜識別を提供し得るように製造できる。一般に、そのような尖ったチップ２７は、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）によって制御される。
【００３９】
金属コーティングにてカプセル化された単一蛍光非金属粒子による光学検知の証明が、実施例１１に挙げられている。
【００４０】
金属コーティングにてカプセル化された蛍光非金属粒子によるバイオセンシングのための一般的なセットアップ
この章の何れかの実施形態に記載されているように、固体基材５に埋め込まれたり、担持された粒子又は粒子システムが、以下のセットアップによってバイオセンサとして作動できる（図７）。基材５は、粒子１の露出されてバイオ機能化された表面が可能な特定の結合パートナを含む媒体に露出できるように、液体セル内に設置される。図７において、本実施形態の粒子１のサイズがナノサイズに制限されないにもかかわらず、前記粒子１は、ナノ粒子として表示され、より多くの粒子１が、図７に示すような方式でバイオセンシングのために用いられる。蛍光物質３は、レーザー又は他の適切な光源によって生成される光ビーム２０によって励起され、粒子１からの放射は、適切な光学システム、例えば、光ファイバによって集光される。そうすると、ファイバは、光を光学分析システムへ導き、このシステムは、検出される光の強度を波長と時間の関数として記録する。
【００４１】
好ましい実施形態において、蛍光物質３の励起のために使われる光源は、超短パルスレーザーであり、検出ユニットは、ノイズから超短信号を識別することができる。後者は、ゲーティッドＣＣＤカメラ、又はボックスカー積分器のような高速処理の電子装置に連結されている光電子増倍管によって実行できる。ナノ秒、ピコ秒、そしてフェムト秒領域の十分に短いパルスを有する超短パルスレーザーが、商業的に利用可能である。
【００４２】
このような一般的なセットアップの実質的な証明が実施例７に挙げられており、実施例８〜１１で空洞モード励起及び検出のために、そして実施例１１で光学センシングのために用いられている。
【００４３】
バイオセンシングのための金属コーティングにてカプセル化された、カップリングされた蛍光非金属粒子の利用
金属コーティング４にてカプセル化された２つの蛍光非金属粒子２が、次のようにバイオセンシングのために用いられる（図８）。粒子のうち、１つの粒子１Ａが、不活性マトリックス６に埋め込まれたバイオ認識用の１つ（又はそれ以上）の特定の結合プローブ分子７を有する。第２粒子１Ｂは、特定の結合に対して不活性であり、このため、特定の結合を除く条件の変化の尺度である。従って、カップリングされたシステムは、センサの作動の間に環境変化を補正する内部基準を含む。
【００４４】
信号の検出のために使われるファイバチップ２７は、粒子１Ａ，１Ｂのうち１つの粒子から又は２つの粒子の全てから集光することができる。粒子１Ａ，１Ｂは、粒子の空洞モードがスペクトル的に重畳されるように、又は重畳を避けるように製造できる。前者の場合、モード分裂が観察可能になり、後者の場合、環境変化の追跡に更に適した波長で基準が作動できる。従って、両粒子１は、同じ又は異なる蛍光物質３を含むことができ、同じ又は異なる光源によってポンピングできる。また、粒子１は、二量体の形成前に金属コーティング４に個別的に取り囲まれたり（図５参照）、又は全体非金属システムとして全体的な金属コーティング４でコーティングできる。後者の場合、図５の計画（ｃ）に示すように、非金属接触地点が両粒子１の間に形成される。
【００４５】
図５の計画（ｃ）に従って形成された金属コーティングの三量体における空洞モード励起の証明が、実施例１０に挙げられている。
【００４６】
金属コーティングにてカプセル化された、カップリングされた蛍光非金属粒子システム
図９に示すように、粒子カップリングの概念は更に拡張できる。粒子１は、基材５に埋め込まれ、ある空洞から隣接した空洞へ光子がトンネリングできるように、互いにほぼ接触したまま保持される。最上位の粒子１Ｃは、バイオ機能化が可能なように環境に部分的に露出されている。また、ファイバチップ２７への光カップリングを向上させるために、検出ファイバ２６に最も近い粒子１Ｄが部分的に露出できる。図９に示すように、そのような粒子システムは、それぞれ基準なし及び基準ありのバイオセンシングが可能なように、１（Ａ）又は２（Ｂ）の寸法のスタックを形成することができる。そのようなシステムの利点は、（ｉ）光学ポンピングのための断面積が更に広いため、出力信号がより高く、（ｉｉ）表面対体積の比が更に小さいため、損失がより小さく、（ｉｉｉ）ファイバチップ２７と最下位の粒子１Ｄとが近接しているため、検出が向上するということである。実は、最下位の粒子１Ｄが、例えば、屈折率整合液によってファイバチップ２７に直接光学連結できる。
【００４７】
前記実施形態と同じ方式で、粒子１は、粒子クラスタの形成前又は形成後に金属化できる。また、粒子１は、同じ又は異なる種類の蛍光物質３を含むことができる。ファイバチップ２７による検出のために、粒子１又はクラスタ全体が任意に選択できる。
【００４８】
浮遊自在の粒子及び粒子システム
他の実施形態において、粒子１は、固体基材５に固定されず又は埋め込まれず、分析物の中で浮遊自在の状態で用いられる（図１０）。これにより、粒子表面全体がバイオ機能化され、個別粒子１の感度を増加させることができる。粒子１は、独立したり、又はクラスタを形成したりすることができる。また、粒子は、特定の結合プローブ分子７が埋め込まれている不活性マトリックス６を有することができる。特定の結合の検出のために、分析物を含む液体セルは、蛍光物質３の励起及び放射波長で光学接近を提供しなければならない。同じ又は異なる光学窓３０は、放射された光２１の励起及び検出のために、それぞれ使用できる。また、２以上の光源が励起のために使用できる。粒子１が浮遊自在であるため、この場合、超短光パルスを用いる時間分解励起及び検出が好ましい実施形態である。また、粒子１は、空洞の作動スペクトル範囲を拡張するために、２以上の蛍光物質３を含むことができる。これにより、粒子１の外部表面に吸着された生体分子の量の分析及び判定のために、より多数の空洞モードが使用できる。これは、生体分子の吸着前に粒子１で基準測定が行われないため、単一測定の間にシステムに対する向上された情報取得を要求するので、重要である。
【００４９】
基材に安着又は埋め込まれた多くのエミッタの場合の代替検出
金属コーティング４にてカプセル化された多くの蛍光非金属粒子２が、表面５に安着又は（部分的に）埋め込まれてバイオセンシングのために使われる場合、光ファイバ又は光ファイバ束を使った個別信号の検出は、非常に退屈になり得る。そのような場合、代替方法が適用できる（図１１）。個別エミッタによって放射される光２１は、粒子１の干渉縞がイメージ化されてＣＣＤによって記録されるように、凸レンズ２２によって集光され、ＣＣＤカメラのチップ２８にイメージ化される。個別エミッタの任意の状態変化は、干渉縞に即時の変化をもたらす。分析物の露出前に縞を記録して基準を得ることができる。検出システムの時間分解が十分に高いと、結合及び関連効果の変動のインサイチュ・モニタリングがマイクロスケール及びナノスケールで観察可能になる。変化に対する情報は、フーリエ変換及び関連技術のような分析法によって干渉縞から抽出できる。
【００５０】
他の適用
一般に、十〜数百の間の適度なＱ因子によって空洞モードを形成する光が空洞から漏れる可能性があるため、本実施形態によって、金属コーティング４にてカプセル化された蛍光非金属粒子は、新しい種類の微視的光源を形成する。ほとんどファブリペロモードが励起されるので、微小空洞は、新しい種類の微視的な球面波源を形成する。空洞が超短パルスレーザーでポンピングされる場合、空洞モードの少なくとも一部は、レージング条件を満たすことができる。そうすると、このモードの場合、球面波レーザーが形成される。そのような小さい球面波光源は、干渉性、放射力及び全体サイズによって様々な用途に有用である。以下でいくつかの例を提示する。
【００５１】
インラインホログラフィ：インラインホログラフィは、アベ回折限界未満の分解を有する顕微鏡検査において、サブ波長開口から現れる干渉性の球面波を用いる（Ｗ．Ｘｕら、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ 第９８巻、ｐ．１１３０１〜１１３０５、２００１年）。
【００５２】
球面波は、対象物から部分的に散乱される。そうすると、球面波の散乱されたウェーブレットと散乱されていないウェーブレットとの間の干渉によって発生する干渉縞が、ＣＣＤカメラによって記録される。このホログラムは、実際空間イメージに逆変換される。高い空間分解能の外に、前記方法の主な利点は、ホログラムが対象物の３次元情報全体を含むということである。バイオ物質が一般に電磁スペクトルのＵＶ可視線領域で弱く吸収するため、特別な適用分野として生物学及び生化学がある。
【００５３】
前記方法の主な問題は、球面波の形成に要求されるピンホール開口の製造及び制御である。直径が数百ナノメートルであるピンホールは、製造及び操作が困難である。ここで、本発明者らの手法は、この問題に対する独特の解法を提供する。球面波は、粒子１から現れる。粒子１は、バイオ機能化され、例えば、さらに磁気化できる。そうすると、調査対象である生物学的サンプル内の任意の位置に位置されて、特定の相互作用を経験することができる。このような相互作用が進行される間、粒子１から現れる球面波は、生物学的事象のインサイチュイメージ化のために使用できる。
【００５４】
ディスプレイ技術：球面波用サブ波長源は、基礎的なウェーブレットに対するホイヘンス（Ｈｕｙｇｅｎｓ）の原理に類似する。この原理によれば、伝播する全ての光波は、球面波が密に詰め込まれたナノスコピックソースから現れると考えられ、光伝播方向を除く大部分の方向で相殺干渉される。ここで説明する粒子１によって、この原理は、図１１に示す手法と同様、実質的に表面に適用できる。粒子１が励起される方式によって干渉縞が制御でき、これによって、新しい種類の光ディスプレイの開発が可能である。
【実施例】
【００５５】
上述したように、本実施形態は、バイオナノセンサ、デジタルインラインホログラフィシステムなどのような小型装置の光学素子として有用な粒子１を提供するが、この粒子１は、蛍光物質３を有する非金属コア２と、非金属コア２をカプセル化する金属シェル４とを含み、金属シェル４は、前記蛍光物質３を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質３によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対する反射性を有して、金属シェル４内に第２範囲の波長を有する電磁放射線の少なくとも一部を閉じ込める。本明細書において、以下で記述する用語をそれぞれ明記する意味として使う。
【００５６】
用語の定義
表面における反射及び透過：一般に、物質の表面は、衝突する光の一部を更に周囲に反射する能力を有し、他の一部は、物質内に透過されて移動する間に吸収できる。以下で、入射光に対する反射光の出力比を、周囲／物質界面の「反射性」又は「反射率」Ｒと呼ぶ。従って、入射光に対する透過光の出力比をこの界面の「透過率」Ｔと呼ぶ。Ｒ及びＴは、何れも界面の特性であり、即ちその値は、材料とその周囲の双方の光学特性に依存することに留意されたい。また、その値は、入射角及びこの界面に衝突する光の分極に依存する。反射及び伝導に対するフレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）方程式によって、Ｒ及びＴを算出することができる。用語「吸収」は、実施例５で定義される。
【００５７】
光学空洞：光学空洞は、閉じられた境界領域（空洞の「表面」）によって制限される閉鎖された体積であり、これは、電磁スペクトルの紫外線（ＵＶ）、可視線（ｖｉｓ）又は赤外線（ＩＲ）領域の光に対して高反射性である。波長依存性の外にも、この境界領域の反射率は、局部的な表面法線に対して境界領域に衝突する光の入射角に依存し得る（図１参照）。光学空洞の内部体積は、真空、空気、又はＵＶ、ｖｉｓ又はＩＲで高い透過を示す任意の物質からなり得る。特に、透過は、電磁スペクトルのこれら領域の少なくとも一部で高くなければならず、この場合、空洞の表面は、高反射率を示す。
光学空洞は、２つのパラメータ、即ち光学空洞の体積Ｖと光学空洞の特性因子Ｑを特徴とする。以下で、用語「光学空洞」は、特性因子Ｑ＞１である光学空洞を示す。
【００５８】
光学空洞の体積：光学空洞の体積は、幾何学的内部体積によって定義され、この体積は、空洞の表面、即ち高反射性の境界領域によって制限される。
【００５９】
特性因子：光学空洞の特性因子（又はＱ因子）は、空洞内部に光子を閉じ込めることができる潜在力の尺度である。特性因子は、
【数７】
で定義され、ここで、ωｍ及びλｍは、それぞれ空洞モードｍの振動数と波長であり、Δωｍ及びΔλｍは、対応する線幅である。後ろの２つの方程式は、Ｑ因子を空洞内部の光学モードの位置と線幅に連結させる。空洞の貯蔵潜在力は、その表面の反射率に依存することは明らかである。従って、Ｑ因子は、波長に依存する。
【００６０】
光学空洞モード：光学空洞モード又は単に「空洞モード」は、与えられた空洞に対する電磁場方程式（マクスウェル方程式）の波動解である。これらのモードは、不連続であり、空洞表面における制限的な境界条件によって整数ｍで数えることができる。従って、空洞の存在時、電磁スペクトルは、許容領域と禁止領域とに分類できる。マクスウェル方程式の全体解は、それぞれ空洞の内部と外部の内部及び外部電磁場で構成される。以下で、用語「空洞モード」は、特に言及しない限り、空洞内部の内部電磁場を示す。波動解は、境界領域、即ち空洞表面の反射率だけでなく、空洞の形状と体積に依存する。従って、前記解は、空洞のＱ因子に依存し、波長依存性である。
【００６１】
球状空洞の場合、２種の主なタイプの解が存在するが、この場合、波長依存性を容易に推定することができる。単純化のために、以下の考察ではこの推定を使う。図２は、２つの解の間の差を示す。両方とも定常波が形成された。図２（ａ）は、半径方向に形成された定常波を示すが、図２（ｂ）は、球Ｓと環境Ｅとの間に内部境界の円周に沿って形成された定常波（導電性シェルでコーティングされた球Ｓの場合、定常波が内部シェル境界に形成される）を示す。
【００６２】
以下で、ファブリペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計で分析することから、半径モードを「ファブリペロモード」（ＦＰＭ）と呼ぶ。球Ｓの円周に沿って形成されるモードは、ロンドンのセントポール大聖堂のドームで、百年も前にＬｏｒｄ Ｒａｙｌｅｉｇｈが発見した音響現象から類推して「ウィスパリングギャラリーモード」（ＷＧＭ）と呼ぶ。これらモードの波長依存性に対する単純な数学的記述のために、以下で（説明のために、図２参照）定常波境界条件を使う：
ＦＰＭの場合、
【数８】
そして、ＷＧＭの場合、
【数９】
ここで、「ｍ」は整数であり、またモードを数えるために使われ、Ｒは球の半径であり、ｎｃａｖは空洞内部の屈折率である。
【００６３】
空洞モードのモード体積：空洞モードのモード体積は、幾何学的体積で定義され、ここでモードの場強度は消滅されない。一般に、場は、幾何級数的に減少するので、「強度０（ｚｅｒｏ）」を規定する特定のカットオフ値が実際に設定されなければならない。例えば、カットオフは、最大場強度の０．１％に固定できる。
【００６４】
空洞の間の光学カップリング：金属シェルで許容される小さい開口の定義によれば（２９ページ参照）、２つの隣接空洞の間の「光学カップリング」は、偶然の場合に、ある空洞から他の空洞へ得られる光強度が予想されるものより高い場合、両空洞の金属シェルにそれぞれ１つずつあるその２つの開口が互いに接触するようになり、これによって、ある空洞から他の空洞へ光が通過するようになるものと定義する。
【００６５】
ベーテ（Ｂｅｔｈｅ）限界によれば、半径ｒである小さい開口スケールを通じる透過率Ｔｐｈは、
【数１０】
であり、ここで、
【数１１】
は、半径Ｒの空洞に位置した面積Ａｐｈの開口を通じる公称透過率である。物質セクションにおいて、金属シェル４における小さい開口の許容可能な最大面積を
【数１２】
と規定する。最後の方程式から、許容可能な最大開口半径ｒｍａｘ＝λ／２が求められ、そこから小さい開口による許容可能な最大透過率が次のように挙げられる：
【数１３】
【００６６】
そして、隣接した空洞にそれぞれ１つずつ位置した２つの小さい開口が互いに直接接触すると、ある空洞から他の空洞への最大総透過率は、次のように挙げられる：
【数１４】
これに基づいて、用語「互いに光学接触する空洞」を、ある空洞から他の空洞へ透過される光の強度ＴｃｏｕｐｌがＴｔｏｔより大きい場合と定義する。与えられた空洞の１／２空間のみが他の空洞の方向へ光を放射するので、追加の因子１／２を導入して、下記式を得る：
【数１５】
Ｔｐｈ，０の定義を更に置き換えると、最終的に下記式が求められる：
【数１６】
波長が与えられた場合、空洞の屈折率ｎｃａｖ＝１と仮定すると、空洞の最も小さい可能半径Ｒは、式２によって（ｍ＝１で）
【数１７】
となる。従って、全体として、互いに光学接触する２つの粒子の間の最小透過率に対する安全な上限に逹する：
【数１８】
【００６７】
この定義は、全体が示す全ての可能なペアリングを考慮し、各ペアに前記基準を適用することで、３以上の空洞のカップリングに容易に拡張できる。
【００６８】
観察可能な量子効果
本実施形態は、蛍光物質３を有する非金属コア２及びその非金属コア２をカプセル化する金属シェル４を含む粒子１、小型装置におけるその粒子１の使用、及びそのようなシステムで通常的に発見される外部ポンプ放射線の高い反射損失なしに、外部から光学空洞モードが励起できる閉鎖された金属空洞を前記粒子１に製造する方法を提供する。従って、本実施形態によって空洞モードの高形成が達成できる。金属コーティング４の光学特性によって、空洞は、真の「ナノ空洞」を形成するように、サブミクロンサイズ領域に小型化できる。そのような小さいサイズと高いモード形成において、１ミクロンを超える平均サイズを有する大きな空洞で滅多に観察できない量子効果が、このようなシステムで重要となる。第一に、小さい粒径は、分子吸収に対する空洞モードの位置の強い依存性を引き起こし、これは、根本的に「単分子」ナノバイオセンサの開発に使用できる。第二に、ナノ空洞の内部にモード形成のために使われる蛍光物質３の自発放射率のパーセル（Ｐｕｒｃｅｌｌ）強化によって、そのようなナノ空洞の総放射力が大きく強化されて（３０以上の因子）、ナノ空洞の小さいサイズにもかかわらず、空洞モードが容易に検出でき、ノイズレベルを超えてうまく留まることができる。最後に、非常に小さい空洞と非常に高い空洞モード形成の場合、空洞モード分裂のような他の量子効果が観察可能になる。ナノ空洞のすぐ近くにおける屈折率に対するモード分裂の依存性は、絶対的な空洞モード位置の追跡と同様、センシング応用のために用いることができる。
【００６９】
光子を閉じ込める能力を有する空洞は、与えられた空洞モードｍの振動数を満たせば、次のような方式で製造できる：
内部又は表面に染色分子、半導体量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどのような蛍光物質３を有する小さい非金属粒子を、例えば、銀からなる金属シェル４でコーティングする（図３）。ここで、金属シェル４は、上記の定義で紹介した「高反射性の閉鎖された境界領域」として機能する。粒子１のコア２の内部又は表面にある蛍光物質３は、ポンプレーザー又は容易に金属コーティング４に貫通することができる波長で作動する他の強い光源によって励起される。例えば、銀シェルの場合、銀が約３２０ｎｍで最大透過率を示すので、波長は、約３２０ｎｍに位置されるように選択できる。蛍光物質３は、金属コーティング４が高反射性を示す波長を放射するように選択される。従って、放射された光子は、空洞内部に閉じ込められ、空洞は、光子を小さい体積で閉じ込める。本実施形態によれば、以下の量子効果が体積とＱ因子に依存するシステムで原理的に観察可能であり、これら全てはナノスケールの光学センシングに用いることができる：
【００７０】
１．量子干渉
空洞モードは、空洞のＱ因子を実質的に規定する空洞表面の反射率だけでなく、空洞の幾何学的形状（体積及び形状）に依存する。球状金属被覆空洞の内部の光子の場合、空洞モードの許容波長は、式２によって非常に近似して記述できる。この簡単な式は、場強度が常に金属コーティング４で消滅されなければならない（図２）という事実から推定される。空洞モードの正確な位置は、球状空洞のサイズに大きく依存する。簡単な計算によって次が得られる：
【数１９】
【００７１】
１／Ｒ依存性により、例えば、粒子１の外部表面で生体分子の吸着によって引き起こされるなどＲの変化によって、感度は粒径の減少に伴って増加する。同時に、粒子１の表面は、１／Ｒ２に減少するので、増加する移動（ｓｈｉｆｔ）を得るためには、粒子１の外部表面に吸着された生体分子が更に少なくなければならない。ナノスケールで、Ｒが数十ないし数百ナノメートルの範囲内の場合、そのような生体分子の吸着への感度は、最大値に到逹しなければならない。内部で波長λの光子が圧着される空洞の最小体積Ｖｍｉｎによってのみ限界が与えられる。ＣａｌｔｅｃｈのＥｌｉ Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによれば、Ｖｍｉｎは、
【数２０】
で与えられ、ここで、ｎｃａｖは空洞内部の屈折率である（Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ、「光子バンドギャップ工学（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」、公開許可された中間報告書、期間：１９９８年１月１日〜１２月３１日、米陸軍研究庁、ＤＡＡＨ ０４−９６−１−０３８９）。式５ａに基づいて、空洞モードを用いるナノバイオセンサの感度を示すために、簡単な計算を行うことができる（実施例１参照）。λは真空波長を示すので、λ／ｎｃａｖは単に空洞内部光子の波長である。実際に、式５ａによって与えられる限界に到逹するのは難しい。従って、式５ａを一般に次の形、
【数２１】
で書き、ここで、ｆは０．２５以上である。因子ｆは、実験的手法が理論的限界にどれ程近く到逹したかを示す尺度としての役割を果たす。例えば、染色ドープされたポリスチレンビーズにおけるウィスパリングギャラリーモードを使った従来技術の実験は、単にｆ≒１３５まで低めた値を達成した。光子結晶構造において、全体光子結晶に代わってモード体積のみを考慮したとき、今まで最も低いｆ値が得られた。そして、ｆ＝１．２が達成された（Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ、ネイチャー 第４２４巻、ｐ．８３９〜８４６、２００４年）。
【００７２】
２．パーセル強化
高い感度に加え、システムの放射力が結合検出が可能な程度に十分に高くなければならない。ナノ空洞の放射力は、他の量子効果、いわゆる「パーセル強化」によって強化できる。１９４６年に、Ｅｄｗａｒｄ Ｍ．Ｐｕｒｃｅｌｌは、無線周波数で一時的な放射可能性に関する彼の研究において、放射振動数の位置が共振と一致すると、共振器に連結された双極子エミッタが増加した一時的な放射を示すことを言及した。従って、光振動数で作動する双極子エミッタの場合、エミッタが光学空洞の内部に位置すると、自発放射率γＳＥは、
【数２２】
で与えられる。ここで、ｄは双極子エミッタの双極子モーメント、ｎｃａｖは空洞内部の屈折率、Ｖは空洞の体積、Ｑは空洞の特性因子である。ε０は誘電定数であり、ディラック定数はｈ／２π（ここで、ｈはプランク定数）である。空洞内部のγＳＥと自由エミッタの自発放射率γＯとの比が「パーセル因子」ηｃａｖ（＝γＳＥ／γＯ）と呼ばれ、次のように、
【数２３】
で与えられ、ここで、λｅｍはエミッタの放射波長である。空洞内部の自発放射率は、特性因子Ｑの増加に伴って、また空洞体積Ｖの減少に伴って増加する。単純化推定の場合、実施例２参照。式７ａによれば、もし、
【数２４】
であれば、空洞内部の自発放射は、自由エミッタの自発放射を超える。
【００７３】
３．エミッタ空洞カップリング
式５ａによって与えられるサイズ限界に近接したナノ空洞の場合、追加的な量子効果が作用し始める：双極子エミッタと空洞モードとのカップリング（例えば、Ａｎｄｒｅａｎｉら、物理的考察Ｂ、第６０巻、ｐ．１３２７６〜１３２７９）。エミッタの放射振動数が空洞モードの何れかと一致するとλｅｍ＝λｍ、モード分裂が生じる可能性があり、これを次のように書くことができる：
【数２５】
Δωｅｍ及びΔωｍは、それぞれエミッタと空洞モードの線幅を示し、ｇは、いわゆる「カップリング定数」であり、次のように挙げられる：
【数２６】
ここで、ｃは光の真空速度、εｒはマクスウェル関係式εｒ＝ｎ２ｃａｖが保持される場合の空洞物質の誘電関数である。全ての他の文字は、上記で定義したとおりである。式８によれば、Δωｅｍ＝Δωｍの場合、最大モード分裂Δω±が観察され、Δω±＝２ｇとなる。この計算は、空洞内部に単一エミッタの場合に有効である。もし、Ｎ個のエミッタが存在すると、分裂は、Ｎ０．５に増加する。センサ応用の場合、前述したように、粒子半径Ｒの変化の関数としてモード分裂の変化を追跡することができる。Ｒに対するｇの依存性は、次のように挙げられる：
【数２７】
【００７４】
従って、上記１章（量子干渉）で既に説明したように、感度は、空洞サイズの減少に伴って増加する。この効果に基づくナノバイオセンサの予想感度に対する単純化推定の場合、実施例３参照。
【００７５】
式８は、下記不等式
【数２８】
が満たされる場合にのみ、モード分裂が生じることを示す。また、分裂を実験的に観察可能にするために、２ｇは、共振の線幅ω±を超えなければならない。即ち
【数２９】
である。与えられた空洞でエミッタ空洞カップリングの開始のための安全な下限を得るために、
【数３０】
を仮定し、これは、適切なエミッタを選択することで充足できる。そうすると、不等式１１及び１２は何れも下記式となる：
【数３１】
式１及び９を不等式１４に代入し、λｅｍ＝λｍを用いると、最終的に、実験的に観察可能なモード分裂を得ることができるエミッタと空洞パラメータの条件、即ちエミッタ−空洞カップリングが得られる：
【数３２】
【００７６】
実施例４は、金属コーティングされたポリスチレン球に対するこの条件の推定を提供する。
【００７７】
４．エミッタと金属シェルの表面プラズモンとのカップリング
プラズモンは、金属の自由電子の集合的な振動であり、バルク振動の場合、「プラズマ振動数」は、下記式
【数３３】
で簡単に記述され、ここで、ｎは自由電子密度、ｅは電子電荷、そしてｍは電子質量である。
【００７８】
また、そのようなバルク励起の外にも、プラズモンは、表面に沿って（表面プラズモン、ｓｐ、例えば、Ｈ．Ｒａｅｔｈｅｒ、滑らかな表面、粗い表面、そして格子における表面プラズモン（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン、１９８８年）参照）、そして小さい金属粒子内に（局部的な表面プラズモン、ｌｓｐ、例えば、Ｕ．Ｋｒｅｉｂｉｇ及びＭ．Ｖｏｌｌｍｅｒ、金属クラスタの光学特性（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン、１９９５年）参照）生成できる。表面プラズモンの場合、真空／金属界面において、励起振動数は、
【数３４】
であり、バルクナノ粒子に閉じ込められたプラズモンの場合、励起振動数は、次のように挙げられ、
【数３５】
ここで、εｅｎｖは粒子環境の誘電定数である。
【００７９】
数十ナノメートル程度の直径を有する金ナノ粒子の場合、一般に粒子サイズによって５１０〜５５０ｎｍでプラズモン共振が発見される。最近、Ｈａｌａｓ及び共同研究者らは、コアシェル粒子の場合、金属シェル４のプラズモン励起の位置が単に粒子１のコア対シェルの比にのみ依存し、電磁スペクトルのうち、可視線から近赤外線（ＮＩＲ）領域の広い範囲で同調できることを立証した（Ｎ．Ｈａｌａｓ、光学及びフォトニクスニュース、第１３巻、第８版、ｐ．２６〜３１、２００２年；Ｓ．Ｊ．Ｏｌｄｅｎｂｕｒｇら、物理化学レター、第２８８巻、ｐ．２４３〜２４７、１９９８年）。従って、蛍光物質３又は選択的には粒子１のコア対シェルの比は、蛍光物質３の放射波長が粒子の局部的な表面プラズモン、即ち閉じ込め空洞の励起に一致するように、容易に選択できる。そのような場合、表面プラズモンは、例えば、Ｗｅｓｔらの米国特許第６６９９７２４ Ｂ１号に記載されているように、外部からコアシェル粒子に衝突する光を用いる励起に代わって、内部的に、即ち空洞の内部体積から励起できる。そのような新規技術及び光学センシングへの応用に対する立証が、本発明の実施例１０及び１１に挙げられている。
【００８０】
小さい空洞の場合、エミッタ、空洞、及び金属シェル４の表面プラズモンの間のカップリングが予想される。これは、バイオセンシングにおいて重要な関心事であるが、表面プラズモン共振の正確な位置が密接な環境の屈折率に非常に敏感に依存することがよく知られているためである（式１８参照）。この依存性は、様々な光学バイオセンサに既に使われている（ＵＳ ２００３／０１７４３８４ Ａ１、ＥＰ ０ ９６５ ８３５ Ａ２及びセンサとアクチュエータ Ｂ ２０００、６３、ｐ．２４〜３０、Ｇ．Ｂａｕｅｒら、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ、第１３１巻、ｐ．１０７〜１１４、１９９９年）。しかし、ここでは、従来技術に比べて局部的な表面プラズモンのより強い励起を生成するパーセル強化のような量子効果によって、信号対ノイズの比が更に増加すると予想される。
【００８１】
使われる物質とリソース
本実施形態の粒子１は、公衆が利用可能な物質を用いることで製造できる。物質に対する以下の説明は、本技術分野の当業者が本明細書の詳細な説明に従って粒子１を構成することを助けるために提供される。
【００８２】
空洞物質：コア２の製造のために選択できる物質は、電磁スペクトルのうち、空洞が機能されなければならない部分において、低いか又はほとんどない電気伝導性及び低い吸収率を示すものである。実際に、これは、空洞モードの励起のために選択された蛍光物質３の放射スペクトルの領域である。バイオセンシングに関する文献で既に使われているウィスパリングギャラリーモードの励起（Ｆ．Ｖｏｌｌｍｅｒら、応用物理学レター 第８０巻、ｐ．４０５７〜４０５９、２００２年）とは異なり、物質は光を散乱させることができる。また、コア物質の屈折率の実数部に対する制限がなく、即ち空洞の周囲より大きい屈折率が要求されない。ＷＧＭに基づくシステムとのこのような差の原因は、任意の入射角でコア物質の屈折率と無関係に光を反射する空洞の金属コーティングである。従って、従来技術に比べて更に広い範囲の物質が選択できる。例えば、コア物質として光結晶を選択することができ、結晶の外部表面を蛍光物質３でコーティングしたり、又は蛍光物質３を結晶内に均質又は不均質な方式で埋め込むことができる。光結晶は、励起可能な空洞モードの個数を制限することができ、許容されるモードの形成を強化することができ、許容されるモードの極性形成を規定することができる。光結晶における蛍光物質３の分布種類が、不適な光学ポンピングによる所望しないモードを抑制しつつ、所望するモードのみを励起させることを補助することができる。
【００８３】
特定の振動数範囲、いわゆる光結晶の「バンドギャップ」内の光の伝播を許可しない２次元又は３次元の非金属周期的構造を含む光結晶の例が、Ｅ．ＹａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによってＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎ（２００１年１２月発行、ｐ．４７〜５５）に記載されている。周期的非金属構造に分布されたブラッグ（Ｂｒａｇｇ）回折によって光の伝播が妨害され、異なって散乱された光子の相殺的干渉を引き起こす。そのような光子結晶の周期性が、例えば、全体周期的構造から無くなった１つの散乱中心体のような点欠陥によって変形されると、ドープされた半導体のバンドギャップ内で発生する局部的な電子エネルギレベルと同様、バンドギャップ内で空間的に閉じ込められる許容された光学モードが発生できる。
【００８４】
本実施形態において、光学空洞及び非金属コア２は、球状を示す。そのような球状は非常に有用な形状であるが、空洞と非金属コア２は、原理的に偏球状又は長方形のような任意の形状を有することができる。空洞及びコア２の形状のこのような広い許容性によって、金属シェル４及び粒子１の形状も変わることができる。
【００８５】
蛍光物質：蛍光物質３として、励起振動数ωｅｘｃで光を吸収し、その後、放射振動数ωｅｍ≠ωｅｘｃで光を再放射する任意の種類の物質を使うことができる。従って、放射波長範囲の少なくとも一部は、使われなければならない蛍光物質３の励起のための空洞の空洞モードスペクトル内に位置されなければならない。実際に、蛍光染料、半導体量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどを用いることができる。ラマンエミッタは、吸収された光エネルギを部分的に内部振動モードの励起のために用い、励起光の振動数より小さい振動数を有する光を再放射する物質である。励起波長を適宜選択することで、多くの非金属物質がラマン放射を示すことができ、これにより、上述したコア物質が特定の蛍光物質３の付加なしに、ラマン放射のために用いられ得る。本実施形態で使用できる蛍光染料の例を、それぞれのピーク放射波長（単位：ｎｍ）と共に示した：ＰＴＰ（３４３）、ＤＭＱ（３６０）、ブチル−ＰＢＤ（３６３）、ＲＤＣ３６０（３６０）、ＲＤＣ３６０−ＮＥＵ（３５５）、ＲＤＣ３７０（３７０）、ＲＤＣ３７６（３７６）、ＲＤＣ３８８（３８８）、ＲＤＣ３８９（３８９）、ＲＤＣ３９０（３９０）、ＱＵＩ（３９０）、ＢＢＤ（３７８）、ＰＢＢＯ（３９０）、スチルベン３（４２８）、クマリン２（４５１）、クマリン１０２（４８０）、ＲＤＣ４８０（４８０／４７０）、クマリン３０７（５００）、クマリン３３４（５２８）、クマリン１５３（５４４）、ＲＤＣ５５０（５５０）、ローダミン６Ｇ（５８０）、ローダミンＢ（５０３／６１０）、ローダミン１０１（６２０）、ＤＣＭ（６５５／６４０）、ＲＤＣ６５０（６６５）、ピリジン１（７１２／６９５）、ピリジン２（７４０／７２０）、ローダミン８００（８１０／７９８）、及びスチリル９（８５０／８３０）。
【００８６】
微小空洞のドープ用蛍光物質３として使用できる半導体量子ドットが、Ｗｏｇｇｏｎ及び共同研究者らによって記載されている（Ｍ．Ｖ．Ａｒｔｅｍｙｅｖ ＆ Ｕ．Ｗｏｇｇｏｎ、応用物理学レター 第７６巻、ｐ．１３５３〜１３５５、２０００年；Ｍ．Ｖ．Ａｒｔｅｍｙｅｖら、ナノレター（Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第１巻、ｐ．３０９〜３１４、２００１年）。これにより、量子ドットは、染色分子の蛍光放射が微小空洞モードの形成のために利用できることを示した、Ｋｕｗａｔａ−Ｇｏｎｏｋａｍｉ及び共同研究者らによって記載されたものと類似する方式において、本実施形態に適用できる。染色分子に比べて量子ドットの主な利点は、漂白のような退化に対する安定性が高いということである。
【００８７】
与えられたエネルギを有する２以上の光子が、２倍以上のエネルギの光子が放射される前に、物質によって吸収されなければならない場合、多重光子プロセスを考えることができるので、蛍光物質３の励起波長λｅｘｃは必ずしも放射波長λｅｍより小さくなければならない（λｅｘｃ＜λｅｍ）ものではない。
【００８８】
一般に、蛍光物質３は、空洞物質に併合されたり、又はその表面に吸着できる。後者の場合、適切な機能を保証するために、金属コーティングは、空洞物質及び蛍光物質３の両方を取り囲まなければならない。空洞物質に蛍光物質３を併合する場合、蛍光物質３は、均質又は不均質に分布できる。分布は、励起される空洞モードの種類を選択するのに利用できる。例えば、蛍光物質３がコア表面の付近に集中されると、ファブリペロモードよりウィスパリングギャラリーモードがより良く励起される。蛍光物質がコア２の中心に集中されると、ファブリペロモードがより良く励起される。不均質分布の他の例として、蛍光物質３が整列された方式で、即ち蛍光物質３の高い濃度を有する体積の間に一定の間隔で整列できる。そのような場合、回折効果が発生して、明白な方向の空洞励起、分極及びモードの助けになることができる。
【００８９】
金属シェル：金属シェル４は、選択された蛍光物質３の励起振動数ωｅｘｃで高い透過率を示し、放射振動数範囲ωｅｍの少なくとも一部で高い反射率を示す任意の金属からなり得る。これは、例えば、金属のプラズマ振動数を用いることで達成できるが、プラズマ振動数未満で任意の種類の金属は、電磁放射線に対して透過性となる。一般の金属は、銀、アルミニウム、金、チタン、コバルトなどのような遷移金属である。シェルは、例えば、蒸着又はスパッタリングによって製造されるように、連続的であったり、又はコロイド金属粒子の沈澱及び以後の無電解メッキによって度々得られるように、隣接していることができる（Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、ラングミューア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）第１４巻、ｐ．７２６〜７２８、１９９８年、Ｊｉら、新素材（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）第１３巻、ｐ．１２５３〜１２５６、２００１年、Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら、新素材 第１５巻、ｐ．１１１３〜１１１８、２００３年参照）。また、シェル４の厚さは、数ナノメートルから数百ナノメートルまで異なり得る。但し、厳格な要求事項は、Ｑ因子が１より大きい値を有し得るように、金属シェル４の反射性が所望するスペクトル範囲で十分に大きくなければならないということである。球状空洞の場合、Ｑ因子は、下記式によって金属シェル４の反射率から算出でき（又は逆にも可能）、
【数３６】
ここで、Ｒｓｈは金属シェル４の反射率、Ｄは空洞の直径、λｍは空洞モードｍの波長である。染色ドープされたポリスチレンビーズがコア物質として使われる場合、厚さ５０ｎｍの銀シェルで得ることができるＱ因子の証明が実施例１２に挙げられている。
【００９０】
また、金属シェル４に含まれ得る小さい穴を検査した。金属コーティングは、一般に数十ないし数百ナノメートルの厚さを有する。実際に、そのような薄い金属膜は、度々小さい欠陥、いわゆるピンホールを有し、このピンホールは、本実施形態による閉鎖された金属シェル４による非金属粒子２のカプセル化条件に実質的に反する。このような問題を実践的観点及び理論的観点で適宜処理するために、次のように処理した：
【００９１】
いわゆる「ベーテ限界」（Ｈ．Ａ．Ｂｅｔｈｅ、物理的考察 第６６巻、ｐ．１６３〜１８２、１９４４年）によれば、理想的に伝導する平面スケールに形成された小さい開口を介する光透過は（ｒ／λ）４となり、ここで、ｒは開口の半径、λは透過される光の波長である。一旦ｒ＜λとなれば、透過率が著しく落ちることは明らかである。従って、ｒ＜λ程度の金属シェル４のサブ波長欠陥は如何なる透過にも現れず、これにより、本実施形態の金属シェル４の閉じ込め特性を妨害しない。従って、サブ波長欠陥のみを含む金属シェルは、本実施形態の観点で依然として閉鎖された金属シェル４としてみなされ得る。そのような小さい欠陥は、金属の多結晶質特性によって、即ち熱蒸着又はスパッタリングによる金属膜の形成によって発生し得る。また、コロイド化学と関連した方法（Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、ラングミューア 第１４巻、ｐ．７２６〜７２８、１９９８年、Ｊｉら、新素材 第１３巻、ｐ．１２５３〜１２５６、２００１年、Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら、新素材 第１５巻、ｐ．１１１３〜１１１８、２００３年参照）は、完全に閉鎖された膜よりは隣接した膜を形成する傾向がある。しかし、このような全ての場合に、一般的な欠陥サイズは、数百ナノメートルよりも小さく、これにより、可視線領域の任意の波長λで条件ｒ＜λが満たされる。
【００９２】
ピンホールの許容可能な最大サイズに対する実際限界を提供するために、球状ではないピンホールを含むようにピンホールの半径に代わって、ピンホールの面積を考慮する。条件ｒ＜λの上限はｒ＝λであり、そこから許容可能な最大ピンホール面積πλ２が算出される。この推定の安全な領域に入るように、許容可能な最大ピンホール面積の上限を多少任意に
【数３７】
と設定する。
【００９３】
分解可能な最小構造長さｄが開口の直径に対応すると仮定すれば、アベ（Ａｂｂｅ）回折限界から同じ結果を導き出すことができる。アベによれば、回折限界光学システムの分解可能な最小構造長さｄは、
【数３８】
と表わされ、ここで、λはイメージ化に使われた光の波長であり、Ｎ．Ａ．は回折限界システムの開口数である。ピンホールの場合、Ｎ．Ａ．＝１である。従って、ｄ＝λになり、ピンホールの許容可能な最大面積Ａｐｈ＝π（λ／２）２が得られ、これは、上記結果と同じである。
【００９４】
励起光源：空洞の励起のために、光源は、光源の放射が蛍光物質３の励起振動数範囲ωｅｘｃ内に収まるように選択されなければならない。放射力は、空洞内部における励起及び放射の損失（放射損失、減衰、吸収、散乱）を過剰補償し得るようにならなければならない。従って、実際に、レーザー又は高出力発光ダイオードのような高出力源が適用されるのが好ましい。特に、高出力密度で単に非常に短い時間に空洞モードを励起させる、超短パルスが使用できる。この場合、上記量子効果は、単に短い時間の間に生成され、好ましくは、時間分解読出技術（ゲーティッド（ｇａｔｅｄ）ＣＣＤカメラ、高速信号処理の電子装置に連結された光電子増倍管など）で検出できる。
【００９５】
実施例１
量子干渉効果に基づく球状空洞に対する感度推定
この実施例は、（式５ａに従って）空洞が作動される波長に対して空洞体積が可能な限り小さく選択される場合、生体分子吸着に対する単一空洞の予想感度に対する推定を提供する。例えば、４００ Ｖａｌｌｅｙ Ｒｏａｄ、Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ、ＰＡ １８９７６に所在のＰｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｉｎｃ．から購入可能な実際材料を選択した。
【００９６】
前提：
１．屈折率ｎｃａｖ＝１．６０であり、染色分子でドープされたポリスチレンビーズ（染色分子は、放射波長λｅｍ＝４２０ｎｍで光を放射する）
２．体積が（１０ｎｍ）３である抗体
【００９７】
他の仮定：感度推定を算出するために、次のように仮定する：
１．実際には抗体の屈折率が空洞周囲の屈折率よりも大きいが、空洞物質の屈折率と等しいと仮定する。空洞の外部表面における生体分子の吸着は、蓄積された体積に従って空洞の有効直径を増加させる。金属コーティングは、十分に薄く製造できるので、金属コーティング４の効果を無視する。
２．単一抗体が空洞の全体表面領域に均質に分布されたと考えられる。この場合、直径の変化が最小化し、空洞形状の対称性変化が発生しないので、これは安全な仮定である。後者は、空洞モードにモード分裂のような追加的な効果をもたらすものと知られている。従って、巨大な抗体の吸着による空洞モードの移動は、一層大きいものと予想できる。
【００９８】
推定：
このような仮定下で、式５ａから得られる最小粒子半径は、Ｒｍｉｎ＝１０２．５ｎｍとなる。そうすると、（抗体が全体表面領域に均質に分布されたと仮定すると）粒子表面に吸着された単一抗体の場合、Ｒの有効な変化δＲはδＲ＝７．５ｐｍとなる。そこから次が得られる：
【数３９】
空洞の作動波長である４２０ｎｍで、これは１．７５cm−１の振動数移動又はΔλ＝０．０３１ｎｍに相応し、従来技術の分光計で容易に検出可能である。従って、単一ナノ空洞による単一抗体検出は、選択された条件下で可能であるとみなされる。センサの入力信号生成のために、多数の抗体が使用できると、空洞は、一層広くなることができる。全体空洞表面に単層の抗体が形成されると仮定すると、δＲ＝１０ｎｍが得られる。従って、Ｒ＝１０μｍである空洞の場合にも、波長移動は４２０ｎｍから０．４２ｎｍ（２３．８cm−１に対応する）になり、これにより、容易に検出可能である。この場合、単層の形成のために、（抗体当たり体積（１０ｎｍ）３が与えられると）約１２，６００，０００個の抗体が要求される。従って、更に小さい表面領域を有する更に小さい粒子１の利用が有利である。
【００９９】
実施例１１において、公称直径が１０μｍである銀コーティング染色ドープされたポリスチレンビーズが空洞モードをモニタリングすることで、光学センシングに適用された。銀表面にヘキサデカンチオール（ＨＤＴ）の単層の形成によるモードの共振位置の移動は３ｎｍに達する。この単層の屈折率が約ｎＨＤＴ＝１．４５であり、これにより、前記計算で抗体に対して予想したものよりも小さい。また、単層の厚さは約２ｎｍに達する。これにより、観察される移動は、前記計算で予想されたものよりも大きく、これは、空洞表面における分子吸着によるサイズの増加のみを説明する。しかし、実施例１１において、銀シェルの厚さは５０ｎｍに達し、このため、「十分に薄く」ない。従って、表面プラズモン励起からの寄与のような付加的な効果が、ここで説明した基本的な依存性に加えられ、後者を、予想される効果に対する安全な下限として考えられる。
【０１００】
実施例２
パーセル強化による単一ナノ空洞の推定放射力
実施例１は、波長（空洞内部に含まれている染料の放射波長）４２０ｎｍで作動される直径２０５ｎｍのナノ空洞の感度が、単一抗体検出のために十分に高くなければならないことを示す。しかし、もし、センサが放射する信号が弱すぎると、高い感度だけではナノバイオセンサの構成に役に立たない。従って、本実施例において、実施例１で考察したシステムの予想放射力に関する推定を提供する。
【０１０１】
他の仮定：
１．空洞内部の染色分子は、０．１／ｎｍ３の密度を有し、有機染色における一般的な双極子モーメントｄ＝２×１０−２９Ｃ×ｍを有する。
２．また、Ｑ因子をＱ＝１００と仮定し、これは、金属コーティングされた空洞の場合、式１９によって金属シェルコーティング４の反射率Ｒｓｈ＝９７％に対応し、他の全てのパラメータは、前記挙げられたものと同じである。
【０１０２】
推定：
このような仮定下で、自発放射率γＳＥは、式６によって染色分子当たり４２０ｎｍでγＳＥ＝７．４２×１０９Ｈｚに達する。空洞内に４５００個の染色分子が存在すると（ｎｍ３当たり０．１個の染色分子に相当する）、これは、総放射力１６μＷに対応し、従来技術の光学検出システムにより容易に検出可能である（例えば、放射される放射線の収集のために、走査型近接場光学顕微鏡が使用でき、光電子増倍管チューブがその後の検出のために使用できる）。空洞の存在による強化、即ちパーセル因子ηｃａｖはηｃａｖ＝３０に達する。従って、パーセル強化なしに、ナノバイオセンサの信号を検出するのは非常に困難である（〜５００ｎＷ総パワー）。
【０１０３】
実施例３
空洞モード分裂によるナノ空洞の感度
式５ａによる最小体積に近い小さい空洞サイズで、空洞モードのモード分裂のような他の量子効果が発生し得る。まさにそのサイズ限界で単一空洞モードのみが励起できるので、この分裂は、単一モードの絶対位置の測定よりも、２つの分裂されたモードの間の相対的な区分の決定が可能であるため、非常に興味深い。前者は、より信頼することができ、ナノ空洞環境の変化（温度変化など）による影響が少ないことが判明し得る。従って、モード分裂は、ナノバイオセンサの安定性及び信頼性の改善に関連し得る。式８〜１０によって、そして全てのパラメータに対して、前記例と同じ値と仮定すると、Ｒ＝１０２．５ｎｍである粒子１の表面に１３０個の抗体（各体積（１０ｎｍ）３）が吸着された場合、約３cm−１のモード分裂の変化を予想することができる。従って、原理的に、モード分裂における変化の利用は、絶対的なピーク位置の観察よりは敏感ではない。しかし、実際には、このような付加的な情報は、空洞モードの絶対位置で検出される移動を解釈するのに役に立ち、ナノバイオセンサの全体的な性能を向上させる。
【０１０４】
実施例４
エミッタ空洞カップリング
上述したように、強いカップリングを得るための空洞とエミッタパラメータとの関係は、不等式１５によって規定される。放射波長λｅｍ＝４２０ｎｍ、空洞コアの屈折率ｎｃａｖ＝１．６０、コア半径Ｒ＝１０２．５ｎｍ、そして蛍光物質３の双極子モーメントｄ＝２×１０−２９Ｃ×ｍである上記例によれば、空洞のＱ因子に対する下限Ｑ＝５５００を算出することができる。
【０１０５】
実施例５
金属の反射率及び銀の光学特性
金属シェル４は、選択された蛍光物質３の励起振動数ωｅｘｃで低い反射性を示し、また放射振動数範囲ωｅｍの少なくとも一部で高い反射率を示す任意の金属からなり得る。この条件を満たす典型的な金属は、銀、アルミニウム、金、チタニウム、コバルト、銅、クロムなどのような遷移金属である。特に、有用性及び取扱性の観点から、銀、金及び銅が金属シェル４としてより適する。更に、約３２０ｎｍの波長における低い反射率と、４００ｎｍを超える波長における高い反射率との間に銀が最も明確な差を示すものが、図１２に示されている。従って、金属シェル４を製造するための材料として銀を選択するのが更に好ましい。
プラズマ振動数で金属反射率の切り替え動作（即ちプラズマ振動数を超える振動数で低い反射率と、プラズマ振動数未満の振動数で高い反射率）の一例として、以下で銀の光学特性を考察する。化学及び物理学のハンドブック（第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ、ｐ．Ｅ−４０１）から垂直入射に対する反射率Ｒ、屈折率ｎ、及び吸収係数ｋに関する表にした値を取る。そうすると、複素屈折率ＮがＮ＝ｎ＋ｉｋと表示される。
図１３（ａ）は、波長の関数として銀の反射率Ｒの表にした値を示している。反射率Ｒは４１５ｎｍを超える波長で８５％を超え、４００ｎｍ未満で非常に急減して、約３２０ｎｍで最小値となることが明らかになり、これは、銀のプラズマ振動数の位置選定に寄与することができる。３１８ｎｍで反射率はただ４％である。これにより、この波長の光は、高比率で銀に貫通することができる。しかし、金属コーティング４による蛍光物質３の励起のためには、金属に貫通した光が完全に吸収されないことが重要である。一般に、下記式、
【数４０】
が保持されるので（ここで、Ｒは物質の反射率、Ａは吸収率、Ｔは透過率）、単に吸収率が低い場合、反射率が低いと透過率が高くなることが明らかになる。吸収率Ａは、物質を介して移動する光の移動距離ｚに依存し、下記式のようであり、
【数４１】
ここで、κはいわゆる「吸収定数」であり、Ｉ（ｚ）は距離ｚだけ移動した光の強度である。式２１は、距離ｚ＝κ−１だけ移動した後、初期の光強度がｅｘｐ（−１）≒３６．８％と相対的な大きさに低下することを示す。
κは、下記式
【数４２】
によって物質の吸収係数ｋから算出でき、ここで、λは移動する光の真空波長である。銀の吸収係数に関する表にした値から算出される貫通深さκ−１を図１３（ｂ）に示した。金属は、示された全体スペクトル範囲の大部分で高い吸収率、即ち小さい貫通深さを示すが、約３２０ｎｍでシャープな最大値が存在する。これは、前述した低い反射率が低くなった吸収率によって達成され、式２０によって、このスペクトル領域で強化された透過率を予想し得ることを意味する。しかし、吸収率が０（ｚｅｒｏ）ではないので、このスペクトル領域でも、金属は、制限された吸収率を示し、従って、巨視的な銀サンプルが不透明になる。しかし、図１３（ｂ）は、厚さ５０ｎｍ程度の銀の薄い膜は、約３７％まで依然として透明でなければならないことを示す。他の波長領域において、即ち可視線領域において、そのような厚さの銀膜は、既に基本的に不透明でなければならない。
銀の光学特性に関する表にした値は、バルクサンプルに対して測定される。従って、厚さが数十ナノメートル程度である銀の薄い膜が、所望する特性、即ち約３２０ｎｍで高い透過率、そして可視線領域で高い反射率を示すかは疑問である。そうすると、銀は、本実施形態の金属シェルとして使用できる。
銀の薄い膜の透過及び反射特性を立証するために、偏平なポリスチレン基材５（細胞培養皿の蓋、ＣＡＴ＃４３０１６５、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．，ニューヨーク）に熱蒸着（Ａｕｔｏ ３０６、Ｅｄｗａｒｄｓ Ｈｉｇｈ Ｖａｃｕｕｍ Ｉｎｔｌ、Ｃｒａｗｌｅｙ、イギリス）によって銀を蒸着させ、ＵＶ−ｖｉｓ分光計（ＤＵＶ−６３０、Ｂｅｃｋｍａｎ−Ｃｏｕｌｔｅｒ、イギリス）へ垂直入射時、ＵＶ可視線領域における透過を測定した。その結果得られる透過及び吸光（吸光＝吸収＋反射）スペクトルを銀膜の異なる厚さについて、図１４に示した。低い厚さで、銀膜は、吸光及び透過でそれぞれ単に弱い波長依存性を示すが、この依存性は、厚さの増加に伴って著しく増加する。表１は、２つの異なる波長に対してポリスチレン基材に蒸着された銀の薄い膜を介する、実験的に決定された透過率を膜厚の関数として示す。２つの波長における透過率の比が更に与えられると、プラズモン共振未満とそれを超えた場合で銀の切り替え動作が得られる。
約３２０ｎｍにおける最大透過率は、銀膜の厚さ１０ｎｍにおける３２７ｎｍから厚さ７０ｎｍにおける３２０．６ｎｍに低くなる青色移動（ｂｌｕｅ−ｓｈｉｆｔ）を示す。表１において、高い透過率を有する波長として３２０．６ｎｍ、及び低い透過率を有する可視線領域内の波長の例として４９６．０ｎｍを選択した。表１で見られるように、薄い銀膜の切り替え動作、即ちＴ（３２０．６ｎｍ）／Ｔ（４９６．０ｎｍ）の比が膜厚３５〜７０ｎｍで著しく増加する。この比は、厚さの増加に伴って更に増加すると予想されるが、吸収損失の増加とそれに伴うシェル内部における加熱効果によって、一層太い銀膜の使用は好ましくない。複素反射率及びバルク銀の反射率に関する表にした値に基づいて、好ましくは１０〜７０ｎｍ、より好ましくは５０〜７０ｎｍの厚さを有する銀膜が、本実施形態の金属シェルとして最も適すると推定する。この過程の証拠として、表にした値から計算された、そして測定された総透過率を、２つの異なる波長（図１４参照）においてポリスチレン基材にそれぞれ蒸着された厚さ２０ｎｍと５０ｎｍの銀膜を通じて実験的に決定された総透過率と比べて表２に示した。容易に見られるように、結果は良好な一致を見せ、これにより、銀の厚さの適切な範囲の外挿法の場合、表にした値の使用が妥当になる。
全体的に見て、前記結果は、銀がプラズマ振動数付近で透過率の著しい切り替え動作を示し、３０〜１００ｎｍ範囲の薄膜の銀は、それぞれ本実施形態の金属シェルとして適用し得る程度に、プラズマ振動数と可視線領域との間で十分に一定した透過率を示すことを見せる。
コア２の製造に好ましい材料は、金属シェル４からなる材料によって異なり得る。特に、コア材料は、金属シェル４の製造過程を経なければならない。例えば、低い真空熱蒸着の使用により、コア材料は、蒸着過程における温度上昇によって退化されない可能性がある。従って、高い融点を有する無機コア材料がそのような場合に更に適する。また、コア材料は、コア粒子２の周囲に金属シェル４の形成を容易にする特定の化学官能性を有することができる。これは、例えば、カルボキシル基、ヒドロキシル基、又はアミノ基のような、イオン基又は官能基であり得る。そして、金属シェル４は、例えば、Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、及びＫａｌｔｅｎｐｏｔｈらによって記載されたように（Ｂｒａｕｎ ＆ Ｎａｔａｎ、ラングミューア 第１４巻、ｐ．７２６〜７２８、１９９８年、Ｊｉら、新素材 第１３巻、ｐ．１２５３〜１２５６、２００１年、Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら、新素材 第１５巻、ｐ．１１１３〜１１１８、２００３年参照）、コロイド化学によって形成できる。金属シェル４の電気メッキの場合、コア材料は、要求される電解質の存在下で退化されない可能性がある。実際例として、スルホン化されたポリスチレンビーズがコロイド化学（Ｋａｌｔｅｎｐｏｔｈら）によって、隣接した金シェルでコーティングできることが文献に報告されている。しかし、例えば、Ｔｏｌｌｅｎｓ反応（Ａｎｔｉｐｏｖら、ラングミューア 第１８巻、ｐ．６６８７〜６６９３、２００２年）によって、銀シェルを形成する場合、カルボキシル基が化学反応に直接関与できるため、カルボキシル化されたポリスチレンビーズがスルホン化されたものよりも更に適することが判明した。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
【表２】
【０１０８】
実施例６
銀コーティングされたポリスチレンの透過及び吸収
金属シェル４によってカプセル化された非金属コア２物質に埋め込まれた蛍光物質３の励起のために、非金属コア２物質内への金属シェルを通じる蛍光物質３の励起波長における光の総透過率が重要である。また、所望しない熱的効果を回避するために、金属シェル内部における吸収損失が過剰過ぎてはならない。一例として、２つの異なる波長に対して、薄い銀膜でコーティングされたポリスチレン基材５の総透過率と吸収率を計算する。与えられた波長の光が周囲（空気又は真空）から銀膜に衝突して、特定の比率でこの膜を透過し、それからポリスチレン基材５に入っていくと仮定する。ポリスチレンに入っていく強度の比率を以下で「総透過率」と呼ぶ。第１界面及び金属への透過率を減少させる損失機構に対する図解が、図１５（ａ）に示されている。式２０によれば、透過率Ｔは、界面における反射損失Ｒと金属を介する伝播過程における吸収損失Ａによって直接影響を受ける。既に上記で使った銀の複素屈折率に関する表にした値を用い、ポリスチレン基材５の屈折率ｎｐｓ＝１．５９と仮定すれば、反射に対するフレネル公式と式２０及び２１を用いて垂直入射に関する総透過率を計算することができる。その結果を２つの異なる波長について図１５（ｂ）に示した。３２６ｎｍで界面における反射損失が非常に低く、これにより、入射光の約９５％が金属内へ貫通する。金属内部における吸収によって、この強度は、金属を介して伝播する過程で低下し、これにより、点線で表示した銀膜の厚さに依存する。銀／ポリスチレン界面で他の反射損失が発生して、「３２６ｎｍ」と表示した厚い線が得られる。これは、例えば、ポリスチレン基材５への総透過率が銀膜の厚さ２０ｎｍで６３．６％、及び銀膜の厚さ５０ｎｍで４５．２％であることを示す。これら２つの銀膜の厚さに対する吸収損失は、黒矢印で表示したように、それぞれ１９．５％と４１．６％に達する。
【０１０９】
可視波長４９６ｎｍに対して同じ計算を行えば、空気／金属界面で９５％を超える高い反射率と内部吸収による速い減少が得られる。総透過率は、２０ｎｍ銀膜の場合、０．２１％に達し、５０ｎｍ膜の場合、０．０２％に達する。吸収損失は、それぞれ６．８％と８．４％であり、これは、３２６ｎｍの場合よりも小さいが、光の少ない部分のみ金属に貫通するためである。この計算は、銀シェルが可視光に対して高反射性の場合にも、多くの部分のＵＶ光が依然として銀コーティングされたポリスチレン粒子に貫通できることを示す。
【０１１０】
実施例７
微視的粒子における空洞モードの研究のための光学セットアップ
微視的粒子１における空洞モードの励起及び検出に適するセットアップが、図１６に示されている。一般に、基材５、選択的な金属コーティング９、及び蛍光粒子１からなるサンプルが、計画（Ｉ）の場合、逆顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ Ｅｃｌｉｐｓｅ ＴＳ １００）のステージに逆に位置したり、又は計画（ＩＩ）の場合、粒子１が上側に向かうように、即ち顕微鏡の収集レンズ２２（Ｎｉｋｏｎ、１００×、Ｎ．Ａ．１．３オイル）から離れて位置する。このような２つのオプションの主な理由は、収集レンズ２２の小さい作業距離（約０．２ｎｍ）である。このため、粒子１を有する基材５が検出計画（ＩＩ）の使用が可能なように、０．２ｍｍよりも薄くならなければならない。薄い基材５を使うとき、粒子１の空洞モードとして誤解され得る干渉効果が生じないようにするために、検出計画（Ｉ）によって更に厚いサンプルを分析することができる。
【０１１１】
粒子１の蛍光励起のために、レーザー放射２０が凸の１００ｍｍシリカレンズ３１（ＣＡＴ＃ ＬＡ４６００−ＵＶ、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｊａｐａｎ，Ｉｎｃ、日本、東京）を介してサンプルに集中される。ビーム焦点は、数十ミクロンの範囲内であるので、常に単一ビーズより広い。これにより、ビーズを使った基材５のわずかな装飾は、単一ビーズのみの励起に重要である。
粒子１から放射される光は、レンズ２２によって集光され、顕微鏡のカメラポートに設置されたカップリング光学部品３３を通じて、光ファイバ３２（多重モード、２００μｍコア直径）にカップリングされる。ファイバ３２は、その光を検出システムへ導くが、この検出システムは、レーザーの微光を除去するための光吸収フィルタ３４（３１０〜３２５ｎｍのＵＶのためのＧＧ４００、５３２ｎｍ励起のためのＯＧ５５０、Ｓｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓ、Ｍａｉｎｚ、ドイツ）、高分解能単色化装置３５（Ｔｒｉａｘ ５５０、Ｈｏｒｉｂａ Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ、日本、京都、又はＳＰ−２５００、Ｎｉｐｐｏｎ Ｒｏｐｅｒ、Ｋ．Ｋ．、日本、東京）及びＣＣＤカメラ３６（ｉＤｕｓ ＤＶ４２０Ａ−ＢＶ、Ａｎｄｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｂｅｌｆａｓｔ、北アイルランド、又はＰＩ−ＭＡＸ：５１２、Ｎｉｐｐｏｎ Ｒｏｐｅｒ、Ｋ．Ｋ．）からなっている。ＣＣＤカメラ３６は、データ取得及び処理のために、ＵＳＢ連結によってパーソナルコンピュータに連結される。以下で説明する実験で、単色化装置は、３００Ｌ／ｍｍ、６００Ｌ／ｍｍ、及び１２００Ｌ／ｍｍ格子（Ｔｒｉａｘ）又は１５０Ｌ／ｍｍ、１２００Ｌ／ｍｍ、及び１８００Ｌ／ｍｍ（ＳＰ−２５００）を備える。ＣＣＤの一般的な取得時間は、シャッターモード作動（ｉＤｕｓ及びＰＩ−ＭＡＸ）の場合、６０秒、又はゲーティッドモード作動（ＰＩ−ＭＡＸのみ）の場合、２０ｋＨｚ繰り返し率で総８０００００ゲートであった。他の取得時間が使われれば、６０秒間取得したスペクトルと直接比較できるように、強度が線形的に比較される。
【０１１２】
光源として、３２５ｎｍと４４２ｎｍでそれぞれ二重波長放射を有する持続波（ｃｗ）ヘリウム−カドミウム（ＨｅＣｄ）レーザーが使われたり（Ｋｉｍｍｏｎ Ｌａｓｅｒｓ、日本、東京）、又は第２高調波生成（５３２ｎｍ）ステージと注文製作の光学パラメトリック生成器（３１０〜３３０ｎｍ）を備えたパルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（１０ｐｓパルス持続時間、２０ｋＨｚ繰り返し率）が適用された。ｐ−分極として設定された偏光子の前でλ／２プレートをレーザービーム２０内へ回転させて入れることで、レーザー強度を調節することができる。使われるレーザーに関係なく、ビーム２０がサンプルにレンズ３１を介して導かれる前に、ビーム２０は、直径約２ｍｍに設定された絞り開口を介して導かれ、これによりビーム直径は、適切に規定された値に設定される。
レーザー強度を測定するために、ＰＳ１０Ｑパワーヘッドを備えたＣｏｈｅｒｅｎｔ ＦｉｅｌｄＭａｔｅレーザー電力計を使った（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｊａｐａｎ、Ｉｎｃ、日本、東京）。
【０１１３】
実施例８
薄い銀膜を通じる、蛍光ポリスチレンビーズにおける波長依存性空洞モード励起
プラズマ振動数範囲、そして可視線領域で薄い銀膜の異なる透過率の原理に関する直接証拠として、次の実験を行った。直径１０μｍのポリスチレン（ＰＳ）ビーズ（ポリビーズ（Ｐｏｌｙｂｅａｄ）カルボン酸１０．０ミクロンポリスチレンビーズ、ＣＡＴ＃ １８１３３、Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｉｎｃ、Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ、ペンシルベニア州）を２つの異なる染料で同時ドープし、２つの染料のうち１つは、約３２０ｎｍで高い励起効率を有し（クマリン４５０、ＣＡＳ＃ ２６０７８−２５−１、Ｅｘｃｉｔｏｎ、Ｄａｙｔｏｎ、オハイオ州）、他の１つは、５３２ｎｍで高い励起効率を有する（ナイルレッド、ＣＡＳ＃ ７３８５−６７−３、Ｌａｍｂｄａ Ｆｌｕｏｒｅｓｚｅｎｚ−ｔｅｃｈｎｏ−ｌｏｇｉｅ ＧｍｂＨ、Ｇｒａｚ、オーストリア）。２つの染料の吸収スペクトルを、使われたレーザーの放射波長と共に図１７に示した。ドープのために、２つの染料のそれぞれ２５０μｌの飽和キシレン（ＣＡＴ＃４６００４−７０、Ｋａｎｔｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．、日本）溶液を混合した後、５０ｍｌの茶色ガラスバイアル内に置かれていた６ｍｌの脱イオン水（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ ＭｉｌｌｉＱ＞１８ＭΩｃｍ）の上に置いた。それから、１００μｌの天然ビーズ懸濁液を水副相に導入した。キシレンが完全に蒸発されるまで２相システムを徐々に掻き混ぜた。
【０１１４】
それから、染色ドープされたコロイド粒子１を、銀コーティングされたガラスカバースリップに次のように位置させた。銀膜の形成のために、８０ｎｍの銀（９９．９９％、Ｆｕｒｕｕｃｈｉ、Ｋａｇａｋｕ Ｋ．Ｋ．、日本）を、蒸着前１時間の間、オゾン処理（Ｂｉｏｆｏｒｃｅ Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．、Ａｍｅｓ、アイオワ州）によって洗浄した〜０．１６ｍｍガラスカバースリップ（ＮＥＯマイクロカバーガラス、Ｍａｔｓｕｎａｍｉ Ｇｌａｓｓ，Ｉｎｄ．，Ｌｔｄ．、日本）に蒸着させた。それから、２０μｌのドープされたビーズ懸濁液を少し傾いた基材５上に位置させて乾燥させ、１０μｍのＰＳビーズを有するわずかなカバレージの銀膜を得た。
【０１１５】
そのように用意されたサンプルを、図１６に示す光学セットアップによって、検出計画（ＩＩ）を用いて研究した。蛍光励起のために、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用い、３１３ｎｍ又は５３２ｎｍでそれぞれ作動した。検出のために、Ｔｒｉａｘ５５０単色化装置及びｉＤＵＳ ＣＣＤカメラを適用した。６００Ｌ／ｍｍ格子及び１００μｍの入口スリット開口を有する単色化装置を主に使った。
【０１１６】
実験は、ＵＶ及び可視光に対してそれぞれ薄い銀膜の異なる透過率を立証するように設計された。銀コーティングされたビーズからの蛍光放射はまた、染料の２つの放射波長範囲における銀シェルの反射率の差によって大きく影響を受ける。従って、染色ドープされたＰＳビーズは、コーティングされていないまま保持され、これにより、ビーズの蛍光放射における差を銀膜の透過率における差として残しておく。基準のために、ビーズが無コーティングガラスカバースリップにまた位置される。そのような基準実験は、２つの理由から重要である。第一に、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）が表面吸着されたＰＳビーズで励起でき、また図１６に示すセットアップで検出できることを立証することができる。第二に、以下に示すように、ＵＶ又は可視線レーザー放射で励起されたビーズから同じ程度の蛍光強度を得るのに要求される励起強度が大きく異なる。このような差は、上述したインキング手順及び染料の異なる励起効率によるビーズの染色吸収の差、シリカレンズの色数差、カバースリップにおけるＵＶ光の部分的な吸収、そして染料の２つの異なる放射波長範囲における格子効率及びＣＣＤ感度の差によって生じる。また、顕微鏡とファイバカップリング光学製品の付随的な色数差が作用した可能性がある。このような全ての差を適切な方式で解決するために、２つのレーザー波長（３１３ｎｍ及び５３２ｎｍ）の励起強度は、染料の２つの放射波長範囲で基準サンプルを研究するとき、類似する蛍光強度がＣＣＤカメラによってモニタリングされるように調節される。この調節の結果を図１８に示した。直径が約１０μｍであり、無コーティングクマリン４５０及びナイルレッドドープされたＰＳビーズから得たスペクトルの原データを示した。１．４ｍＷレーザー強度で３１３ｎｍのＵＶ励起でスペクトル（ａ、ｂ、ｆ、ｇ）が得られ、０．００４ｍＷの５３２ｎｍ励起でスペクトル（ｄ、ｅ、ｈ）が得られた。同じ有効ビーム直径を保証するために、１００ｍｍシリカレンズ（ｂ）の前に位置した同じピンホール（〜２ｍｍ直径）を介して２つのビームが導かれたことに留意されたい。球状粒子１からスペクトル（ａ）及び（ｅ）が得られた。２つの場合、ＷＧＭの励起が明確に観察可能である。約６００ｎｍでモードのより高い相対強度は、誘導放射を促し、これにより、空洞モードのより高い形成を促す粒子１内部のナイルレッドのより高い濃度によって説明できる。対照的に、キシレンへの過剰露出によってインキング過程の間に球状から変形された奇妙な形状の粒子１からは、スペクトル（ｂ）及び（ｄ）が得られた。ＷＧＭは、識別できず、スペクトルは、単に２つの染料の蛍光放射プロファイルを反射する。（ＣＣＤで得たスペクトルで度々現れるいくつかの宇宙線の除去を除いて）補正されていない原データを図１８に示したため、ＣＣＤのピクセルツーピクセル感度の変動を観察することができる。一例として、チップにおける減少された感度領域をスペクトルで（ｃ）で表示した。スペクトル（ｆ）及び（ｈ）は、レーザーをオフにした状態のバックグラウンド測定である。ここで、天井灯から一部微光が観察できる。レーザースポットがＰＳビーズに焦点の合っていないＵＶレーザーをオンにした状態で、スペクトル（ｇ）が最後に収集された。これにより、スペクトルは、ＵＶ光の吸収によってガラスカバースリップの放射特性と類似する。明らかに、このバックグラウンドがスペクトル（ｂ）に付加され、そうでない場合、スペクトル（ｄ）と類似した線プロファイルを有する。
【０１１７】
要約すると、基準実験によって２つの結果を得た。第一に、ＷＧＭは、クマリン４５０及びナイルレッドを用いたＰＳビーズのインキング後、それぞれＵＶと可視線放射によって表面吸着されたＰＳビーズで励起できる。第二に、２つの異なる波長領域でＷＧＭの励起及び検出効率における差は、レーザー強度の適宜調節によって解決できる。効率の差は、Ｉ（３１３ｎｍ）／Ｉ（５３２ｎｍ）＝１．４０ｍＷ／０．００４ｍＷ＝３５０に達する。
【０１１８】
次のステップで、ガラスカバースリップにある８０ｎｍ厚さの銀膜に沈澱されたビーズを図１６に示すように研究した。図１８の基準実験で使われたものと同じ条件下で全体セットアップを使った。単にサンプルを交換し、ビーズを選択し、ポンプ効率を最大化するために、レーザービームを少し再設定した。それから、レーザー強度を変化させて、各セットに対してスペクトルを記録した。その結果得られるスペクトルを図１９に示した。０．１２ｍＷ（ａ）、０．５６ｍＷ（ｂ）、１．０５ｍＷ（ｃ）、及び１．４６ｍＷ（ｄ）レーザー強度で、ＵＶ励起によってスペクトル（ａ〜ｄ）がそれぞれ得られた。０．０１ｍＷ（ｇ）、０．０４ｍＷ（ｆ）、及び０．０６ｍＷ（ｅ）レーザー強度で、５３２ｎｍ励起によってスペクトル（ｅ〜ｇ）がそれぞれ得られた。後者の場合、放射強度がレーザー強度の増加に比例しないことに留意しなければならない。このデータセットの場合、算出できる強度比ＩＵＶ／Ｉｖｉｓは、０．１２ｍＷ／０．０６ｍＷ＝２〜１．４６ｍＷ／０．０１ｍＷ＝１４６であり、即ち強度比は、それぞれＵＶ及び可視線励起を通じて同じ蛍光効率に要求される比である３５０より常により小さい。これは、５３２ｎｍ励起を使った励起がこのセットの実験で好ましいが、如何なるＷＧＭ励起も観察できないことを意味する。しかし、ＵＶ励起の場合、予想される要求強度よりも遥かに低い強度でも、モード発達が観察できる。再び、未加工の原データを示した。１．４６ｍＷのＵＶポンプ強度で、約４３０ｎｍの最大蛍光強度（スペクトル（ｄ））は、約３０００ＣＣＤカウントに達し、これは図１８に示した基準サンプルの場合に発見される強度の最大蛍光強度の３３％である。このような減衰は、図１５に示したように、８０ｎｍ厚さの銀膜を介するＵＶ放射線の総透過率における予想された減少と非常に一致する。
【０１１９】
全体的に見て、ここに記載した発見は、ＵＶと可視線領域で薄い銀膜の透過率における上記計算した差を示すだけでなく、８０ｎｍ厚さの銀膜を介して染色ドープされたＰＳビーズを照明することで、空洞モードを励起することができる実現可能性を立証するものである。
【０１２０】
実施例９
銀コーティングされた蛍光ポリスチレンビーズにおける空洞モードの励起
この実施例で、銀シェルにて完全にカプセル化された染色ドープされたＰＳビーズ内部における空洞モードの存在が証明される。
【０１２１】
図８で説明したものと同じ材料及び器具を使った。研究対象サンプルによる２つの構成で、実施例７に記載の光学セットアップを使った。実施例８の実験の間、クマリン４５０の主な放射が約４３０ｎｍに位置するにもかかわらず、クマリン４５０及びナイルレッドにドープされた粒子１がＵＶ放射線で励起されたとき、約６００ｎｍで大きい蛍光を見せることを発見した。これに関する２つの理由を説明する。図１７によれば、ナイルレッドは、約４５０ｎｍだけでなく、約３２０ｎｍで、即ちクマリン４５０の放射範囲で弱い吸収を示す。従って、ＵＶ放射線による直接励起の外に、クマリン４５０から放射される光がナイルレッドによって再吸収できる。２つの効果が約６００ｎｍ領域における蛍光放射を引き起こす。このような発見によって、クマリン４５０及びナイルレッドドープされたＰＳビーズにおける空洞モードの励起は、検出設定の如何なる変化もなく、即ち蛍光放射の同じ波長範囲で励起波長の関数として研究できる。実施例８のように、レーザーラインの励起強度は励起効率の差を解決するために、そしてレンズ（ｂ）の色数差を補正するために、即ち２つの波長の焦点の異なる位置を補正するために、適宜調節されなければならない。
【０１２２】
適切に規定された厚さの銀シェルでＰＳビーズを取り囲むために、実験７で用意したサンプルは、低い真空圧力（２．５×１０−３ｍｂａｒ純窒素大気）でＰＳビーズを有するカバースリップ側に７０ｎｍの銀を蒸着させることで、付加的にコーティングされる。この手順で、蒸発された銀原子が残留ガスと衝突することで、ビーズ表面の自由表面領域全体が金属でコーティングされることが保証される。コーティング手順が本願出願人によって米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号にまた開示されている計画（Ｉ）として図２０に示されている。この計画（Ｉ）で、基材５が配置された後（ステップ１）、薄い膜９が基材５に蒸着又はスパッタリングによって蒸着される（ステップ２）。それから、非金属コア２が、例えば、非常に希薄な懸濁液からの滴下コーティングによって、金属膜９上にわずかに配置される（ステップ３）。最後に、適切に規定された厚さの金属層で自由粒子表面全体をコーティングするように、第２金属層４がスパッタリング又は低真空蒸着によって蒸着される（ステップ４）。
【０１２３】
サンプルは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーのパルス型出力を用いて３２０ｎｍ又は５３２ｎｍでそれぞれ励起された。検出のために、実施例８の場合と同じ設定が適用された。
【０１２４】
図２１は、基準実験を示す。実施例８で用意したクマリン４５０及びナイルレッドドープされたビーズを、６ｍｍ厚さの溶融シリカウィンドウ（ＣＡＴ＃ ＷＧ ４１０５０、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｊａｐａｎ，Ｉｎｃ．）上に置き、懸濁液の乾燥後、ＰＳビーズのわずかな装飾を得た。基材５の高い厚さによって、光学セットアップが図１６の検出計画（Ｉ）に用いられた。３００ｎｍを超えるシリカの吸収は、基本的に無視できるので、ガラスカバースリップと関連した実験に比べて、３２０ｎｍでＷＧＭのＵＶ励起の場合に一層低い励起強度が要求された。０．０４ｍＷを使って、図２１のスペクトル（ｂ）を得た。０．０２ｍＷで５３２ｎｍ放射線によってスペクトル（ａ）を得た。しかし、如何なるビーズもなく、スペクトル（ｂ）と同じ条件下で最終的にスペクトル（ｃ）を得た。シリカは、ＵＶ光を吸収しないので、ガラスカバースリップの場合のように白色光の蛍光は、全く生成されない。従って、スペクトルの基線が基本的に０（ｚｅｒｏ）になり、即ちＣＣＤカメラのダークノイズと類似する。５８０ｎｍを超える、ある小さいピークがシーリングライトのネオン線に割り当てられることができる。絶対強度の差を除けば、ＰＳビーズから得られる２つのスペクトルは同じ共振特色を示す。これは、空洞モードが本質的に空洞の物理的特性であり、これにより、空洞の励起方式と関係ないことを強調する。しかし、２つの異なる波長でポンピングされると、モード線幅の若干の変化が染料の誘導放射の差を発生させることができる。
【０１２５】
全体的に見て、基準実験は、３２０ｎｍと５３２ｎｍ放射線によってそれぞれ約６００ｎｍの領域におけるＷＧＭの励起性を証明する。更に、観察されたモードは、基材５内部の干渉によるものではないことを示す。
【０１２６】
図２２は、上述した低真空熱蒸着によって製造された７０ｎｍ厚さの銀シェルによってカプセル化された、クマリン４５０及びナイルレッドドープされたＰＳビーズから得たスペクトルを示す。ここでは、ガラスカバースリップが実施例８で既に用いられた検出計画（Ｉ）と共に使われた。従って、同じエネルギスケールが適用できる。３２０ｎｍビームに対して２．２０ｍＷ強度を使い、５３２ｎｍ励起のために０．１５ｍＷ強度を使った。従って、強度比は約１５である。３２０ｎｍ励起によって図２２のスペクトル（ａ）を得た。明らかに、モードスペクトルが観察できる。これと対照的に、５３２ｎｍ放射線を使った励起は、この領域で金属コーティング４の高い反射率によって如何なる信号も全く得られない。２つのスペクトルは、基線補正され、即ちレーザーをオフにした状態で同じ条件下における測定が、２つのスペクトルから差し引かれる。これにより、５３２ｎｍ放射線で照明されたとき、銀コーティングされたＰＳビーズが蛍光放射をほとんど示さないことが明らかになる。
【０１２７】
従って、全体的に見れば、本実験は、銀コーティングされた粒子１における空洞モードの存在を立証するだけでなく、銀シェルの切り替え動作の他の例を提示する。
【０１２８】
実施例１０
粒子のクラスタにおける空洞モード励起
この実施例で、銀シェルにて完全にカプセル化された３つの染色ドープされたＰＳビーズからなるクラスタ内部で、空洞モードの存在が証明される。
【０１２９】
実施例８と同じ材料が使われる。しかし、ここでは、それぞれ３μｍと１０μｍの公称直径を有するＰＳビーズは、ナイルレッドとの競争を回避して約４５０ｎｍでビーズの励起性を最適化するために、単にクマリン４５０でドープされる。それから、ビーズは、前のようにオゾン洗浄されたガラスカバースリップに滴下コーティングされて、わずかなカバレージを得る。銀シェルの形成のために、５０ｎｍの銀（９９．９９％、Ｆｕｒｕｕｃｈｉ、Ｋａｇａｋｕ Ｋ．Ｋ．、日本）を、低い真空圧力（５×１０−４ｍｂａｒ）でＰＳビーズを有するカバースリップ側に蒸着させた。上記で既に説明したように、この手順は、ビーズ表面の自由表面領域全体が金属でコーティングされることを保証する。コーティング手順が、米国仮特許出願第６０／７９６，１６２号にまた開示されている計画（ＩＩ）として図２０に示されている。この計画（ＩＩ）で、基材５が非金属粒子２のわずかな層で装飾され（ステップ１）、それから、第１金属蒸着４が行われ、例えば、スパッタリング又は低真空蒸着によって粒子２の自由表面全体をコーティングし（ステップ２）、接着テープ４０（Ｋｏｋｕｙｏ、日本）が金属コーティングされた粒子２上に固定され（ステップ３）、接着テープ４０を引き出して、長方形フレーム４１に下方から固定させ（ステップ４）、これによって、以前に基材５と接触した粒子表面部分を露出させ、最後に一番目の蒸着と同じ方式の他の金属蒸着４を行って、完全にかつ均質に金属コーティングされた粒子を得る（ステップ５）。長方形フレーム４１は、ポリスチレン細胞培養皿の蓋（ＣＡＴ＃ ４３０１６５、Ｃｏｒｎｉｎｇ）からなってよく、５０ｎｍの銀の低真空蒸着がＰＳフレームの開口を通じて繰り返される。この手順によって、適切に規定された厚さの完全に閉鎖された金属空洞が図５の計画（ｃ）によって製造でき、即ち粒子のクラスタが基材だけでなく、互いに無コーティング接触を形成しつつ、１種粒子が完全にカプセル化される。この手順によって、適切に規定された厚さの完全に閉鎖された金属空洞が製造できる。
【０１３０】
それから、図１６の検出計画（ＩＩ）によってサンプルを研究した。ここでは、励起のために３２５ｎｍ及び０．０２ｍＷ強度で作動するｃｗ−ＨｅＣｄレーザーを使い、検出システムは、ＰＩ−ＭＡＸ：５１２ ＣＣＤカメラを備えたＳＰ−２５００からなる。１５０Ｌ／ｍｍ格子を選択し、入口スリットの幅は１２μｍと設定した。集積時間は、一般に約６０秒であった。図２３は、三角形構成で配置された３μｍビーズからなる三量体（ｂ）だけでなく、１０μｍ公称直径の単一ビーズ（ａ）から蛍光放射を示す。２つのスペクトルで空洞モードの存在は、ピークから蛍光放射における起伏として、明白に観察できる。これにより、本実験は、単一球状ビーズよりも複雑なシステムで空洞モードの存在を例示し、図５、８及び９に概略的に示されたように、更に複雑なセンサを構成することができる。
【０１３１】
実施例１１
銀コーティングされた蛍光ポリスチレンビーズの空洞モードを用いた検知
本実施例で、金属コーティング４にてカプセル化された蛍光非金属粒子２が、光学センシングのために用いられ得ることが立証される。以前の実施例のように、蛍光放射は、金属シェルの表面プラズモン共振励起の領域内に入るように選択される。
【０１３２】
空気と接触する薄い銀膜の表面プラズモン共振は、約
【数４３】
に位置し、ここで、λＰは以前の例で説明したバルク銀のプラズモン共振の波長である。従って、以前の例で使われるクマリン４５０ドープされた粒子１は、薄い銀膜の表面プラズモン励起の範囲で放射する。この範囲で空洞モードが光学センシングのために使用できるかを立証するために、図２３に既に示した単一１０μｍ粒子１にエタノール溶液から単層のヘキサデカンチオール（ＨＤＴ）を吸着させた。５００μｍＨＤＴ溶液への２時間浸漬の前（ａ）と後（ｂ）の粒子１から得られる２つのスペクトルを図２４に示した。吸着後スペクトルの線形は、吸着前スペクトルの線形と非常に類似するが、空洞モードの共振位置における約３ｎｍの明らかな移動を観察することができる。本研究で使われたビーズの公称寸法が標準表面プラズモン共振イメージングの実際分解限界（〜２５μｍ２、例えば、Ｊ．Ｍ．Ｂｒｏｃｋｍａｎら、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．（第５１巻、ｐ．４１〜６３、２０００年）参照）よりも小さいが、ここで得られる移動は同じ程度である。これは、本出願で説明するコアシェル粒子１が光学センシングに適用できることを示すだけでなく、感度と水平分解能の観点から、表面プラズモン共振に基づいて、従来技術の光学バイオセンサの興味深い代案を提供できることを示す。図２５は、基線の差し引き後、図２４のスペクトル（ａ）を拡大して示す。データが点線で表示されている。実線は、ローレンツプロファイルによって個別空洞モード共振にフィットする。その結果得られるピーク位置、線幅及びモードの特性因子を表３に表わした。
【０１３３】
実施例１２
銀コーティングされた蛍光ポリスチレンビーズの空洞モードＱ因子の決定
本実施例で、５０ｎｍ厚さの銀シェルでコーティングされた染色ドープされたポリスチレンビーズで得ることができるＱ因子が決定される。このために、図２４のスペクトル（ａ）を使うが、これは、厚さ５０ｎｍの銀シェルにてカプセル化されたクマリン４５０ドープされたＰＳビーズから、図２０の計画（ＩＩ）によって得られた。同じサンプルで発見される対応粒子のＳＥＭイメージを図２５に示した。
【０１３４】
空洞モードのバンド幅を簡単に決定できるように、スペクトルは、まずバックグラウンド補正され、即ちスペクトル全体を支配する自発的な蛍光放射が（ＯｒｉｇｉｎＰｒｏ ７．５ ＳＲ４（ＯｒｉｇｉｎＬａｂ Ｃｏｒｐ．，Ｎｏｒｔｈａｍｐｔｏｎ、マサチューセッツ州）という基線工具を用いて）差し引かれる。補正されたスペクトルの拡大図が図２５に示されている。次のステップで、まずフィット範囲を単一ピークの２つの隣接最小値に制限し、次にフィット（ＯｒｉｇｉｎＰｒｏ ７．５ ＳＲ４）を行うことで、ローレンツプロファイルが個別共振にフィットする。図２５で、バックグラウンド補正されたスペクトルが点線で表示されており、個別フィット結果は実線で表示されている。データとフィットとの一致は、特にここで最も重要な共振の線幅に対して適当である。
【０１３５】
表３は、評価されたピークに対するピーク位置、線幅、及び式１によって算出されたＱ因子を表わす。Ｑ因子は、平均が１７０±８７である約５０〜３００の範囲を有する。上記計算（実施例２及び３）で、Ｑ因子＝１００と仮定して全ての推定が行われた。従って、本発明者らの実験結果は、空洞モード励起が可能に約３２０ｎｍで依然として十分に透過的な銀シェルで可視線領域で得ることができるＱ因子が、理論的に予見の有効性に要求されるものよりも遥かに高いということを立証する。
【０１３６】
【表３】
【０１３７】
実施例１３
ＳＥＭイメージ
最後に、粒子１のＳＥＭイメージを図２６から図２９に示した。
図２６は、実施例１１で使われたサンプルの粒子のＳＥＭイメージを示す。図面符号５０は、図２０の（ＩＩ）に示す手順によって厚さ５０ｎｍの銀シェルで完全にコーティングされたクマリン４５０ドープされたＰＳビーズを示し、図面符号５１は、図２０の（ＩＩ）によって接着テープ上に置かれた銀を示す。
【０１３８】
図２７は、図５の計画（ｄ）によって製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージを示す。図面符号５２は、低真空蒸着（５×１０−４ｍｂａｒ窒素大気）によって厚さ５０ｎｍの銀シェルでコーティングされた、公称直径７５０ｎｍの２つのクマリン４５０ドープされたＰＳ粒子からなる二量体を示し、２つの粒子を連結する銀ブリッジ５３が形成されたことが明確に見られる。
【０１３９】
図２８は、図５の計画（ｄ）によって製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージを示す。蛍光非金属粒子の金属コーティング光結晶を形成する方法の可能性を示すための、銀コーティングのクマリン４５０ドープされた７５０ｎｍＰＳビーズの６角形に密に詰め込まれたクラスタである。
【０１４０】
図２９は、表面から粒子のうち一部を除去した後、直径が７５０ｎｍである銀コーティングのクマリン４５０ドープされたＰＳビーズのクラスタのＳＥＭイメージを示す。５０ｎｍの銀が低真空条件（５×１０−４ｍｂａｒ窒素大気）で表面固定されたビーズ上に蒸着された。基材の表面にある銀クラスタの配置から除去されたビーズの位置が依然として見られ、前記配置は、粒子の間に、以前に存在していた間隙を通じて蒸着の間に形成されたものである。残部粒子は、銀コーティング５４及び以前に存在していた粒子との接触地点５５を確かに見せる。銀コーティングは、以前の接触地点５５で半円形開口を形成する。また、ビーズの基材５６との以前の接触地点周囲の基材表面で円形銀開口が観察できる。２つの開口５５、５６は、約１９０ｎｍの直径を有し、従って、光子のトンネリングを許可する小さい開口の例である。特に、２つの開口は、Ａｐｈ＜π／４λ２という条件を満たし、ここで、Ａｐｈは開口の面積であり、λは１９０ｎｍを超える光学波長である。
【０１４１】
以上、実施形態を参照して本発明を説明した。しかし、前記実施形態に様々な変形又は改善が加えられ得る。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】空洞表面の可能な反射特性の例。図１（ａ）：非金属空洞の場合、空洞の屈折率ｎｃａｖの実数部が環境の屈折率ｎｅｎｖより大きければ、光は、いわゆる「臨界角」αｃｒｉｔより大きい全ての入射角αｉにおいて、全反射によって閉じ込めることができる。αｃｒｉｔより小さい角度αｉで表面に衝突する光は、容易に表面を透過することができ、これにより、例えば、空洞内部の蛍光物質の光学ポンピングのために必要時に外部（「ｏ」）から空洞に接近することができる。図１（ｂ）：金属コーティングされた空洞の場合、任意の角度で金属コーティングに衝突する光は反射される。これは、空洞内部における光の閉じ込めを容易にするが、例えば、空洞内部の蛍光物質の光学ポンピングのために必要時に外部から空洞への光学接近を妨害する。
【図２】微小空洞の空洞モードに対する単純化推定。図２（ａ）：金属コーティングされた空洞：金属内部の自由電荷キャリアによって、金属コーティングの内部表面における電場は、常に除去されなければならない。従って、そのような空洞モードのみ励起でき、これは、金属コーティングの内部表面に結び目（ｋｎｏｔ）を有する。この条件から、λｍ＝４ｎｃａｖＲ／ｍとして空洞モードが算出でき、ここで、Ｒは空洞の内部半径、ｎｃａｖは空洞の屈折率、ｍは整数である。図２（ｂ）：非金属空洞：光は、臨界角より大きい入射角の場合にのみ、内部空洞表面に閉じ込めることができ、ここで、臨界角は、単に空洞の屈折率ｎｃａｖが環境の屈折率ｎｅｎｖより大きい場合に限り、９０より小さい（図１参照）。このような制限によって、整数ｍは十分に大きく選択されなければならず、一般にｍ≒１００である。そうすると、球の外周２πＲに沿って移動する光は、建設的干渉λｍ＝２πｎｃａｖＲ／ｍの条件を満たせば保存できる。このシステムの直径を１ミクロン未満まで小さくすることは、そのような場合、平均入射角が減少して臨界角未満に落ちるため、今まで達成されなかった。２つの場合において、マクスウェル方程式を用いて厳密に処理すると、空洞モードの半径依存度に対する類似の結果が得られるが、これがここで最も重要である。
【図３】光量子閉じ込め及びナノバイオセンシングのための小さい空洞を製造する新規方法。染色分子、半導体量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタなどのような蛍光物質を含む非金属粒子が金属シェルでコーティングされる。シェルは、蛍光物質の励起波長λ１に対して高透過性であるが、放射波長範囲λ２の少なくとも一部に対して高反射性である。従って、放射波長範囲のその特定部分内において、蛍光に起因して蛍光物質によって放射される光子は、空洞内に閉じ込められる。
【図４】金属コーティングにてカプセル化された表面吸着された蛍光非金属粒子の光学空洞モードの励起及び検出のための計画。計画（Ｉ）の場合、蛍光物質を含み、金属コーティングにてカプセル化された非金属コア材料からなる粒子が、金属で完全にコーティングされ、表面に接触した金属コーティングで吸着されている。金属コーティング内の蛍光物質の励起のために使われる光ビーム２０が表面に向かい、基材の光学特性によって表面で反射及び／又は透過される。空洞の漏れ、即ち空洞の制限された特性因子によって、励起された空洞モードの一部の光が粒子から粒子の外部環境へ出て、これは、適切な光学部品、例えば、凸レンズによって集光されて、光検出器へ導かれる。選択的には、フィルタ又は格子のような分散要素を含む装置が検出経路に挿入されて、粒子から出る光をスペクトル分解検出することができる。計画（ＩＩ）の場合、粒子の自由表面のみを金属でコーティングし、表面と接触する表面領域は、コーティングしないことで、粒子のコアと基材との間に光学接触を形成する。基材の光学特性を適宜選択すると、粒子内部の蛍光物質の励起がこの接触によって行われ得る。
【図５】金属コーティングにてカプセル化された２種以上の蛍光非金属粒子を含む光学空洞モードの励起に適したシステムの例。（ａ）互いにすぐ近くにあり、個別的にカプセル化され、表面吸着された２つの粒子、（ｂ）基材と光学接触を形成しつつ、互いにすぐ近くにある、個別的にカプセル化された２つの粒子、（ｃ）互いに光学接触を形成するが、基材とは光学接触を形成しない、２つの表面吸着された粒子、（ｄ）基材だけでなく、互いに光学接触を形成する２つの粒子。これらの計画は、３以上の粒子で容易に拡張できる。また、４つの全ての計画を組み合わせることもできる。３以上の粒子を含む構造に対する２つの一般的な例を示すために、図５ｅ及び図５ｆが表面吸着された粒子の３次元の規則的構造を示す。（ｅ）の場合、粒子は、粒子の間、そして基材にも光学接触なしに、金属コーティングにて個別的にカプセル化されており；（ｆ）の場合、粒子は、基材だけでなく、隣接粒子の間に光学接触を形成しつつ、規則的に配列されている。一般に、粒子又は粒子の（不規則的な又は規則的な）クラスタが、ランダム又は整列された方式で２次元又は３次元構造で表面に分布できる。これにより、光結晶が形成できる。
【図６】バイオセンシング応用のための、金属コーティングにてカプセル化された単一蛍光非金属粒子の利用。粒子が基材に部分的に埋め込まれる。粒子表面の露出部分が、抗タンパク質マトリックスと生物学的認識のための１つ（又はそれ以上）のプローブ分子でコーティングされる。基材表面、及び粒子の露出されてバイオ機能化された部分が、プローブ分子７の可能な結合パートナを含む流体を提供する液体セルに設置される。基材は、粒子内部に含まれた蛍光物質の励起及び放射波長に対して透過性である。蛍光物質は、基材を介して伝播する（また、粒子を横切る）光ビーム２０によって光学的にポンピングされる。特定の立体角内で蛍光物質から放射されて粒子の金属コーティングを透過する光は、光ファイバによって集光される。立体角は、ファイバの開口数と、粒子中心からファイバまでの距離とによって与えられる。１μｍ未満の直径を有する小さい粒子の場合、光ファイバのチップは、サブ波長分解（光学近接場チップ）がノイズから信号の適宜識別を保証し得るように製造できる。
【図７】金属コーティングにてカプセル化された蛍光非金属粒子によるバイオセンシングのための一般的なセットアップ。粒子は、図４〜６、８、９及び１１に示すように、基材に吸着されたり、又は埋め込まれる。基材は、粒子の露出されてバイオ機能化された表面が、可能な特定の結合パートナを含む媒体に露出できるように、液体セル内に設置される。蛍光物質が光ビーム２０によって励起され、粒子からの放射は、適切な光ファイバによって収集される。ファイバは、光を光学分析システムへ導き、このシステムは、検出される光の強度を波長と時間の関数として記録する。
【図８】互いにほぼ接触している金属コーティングにてカプセル化された２つの蛍光非金属粒子、及びこれらのバイオセンシングへの利用。粒子のうち１つの粒子のみがバイオ認識のための１つ（又はそれ以上）の特定の結合プローブ分子７を有する。第２粒子は、特定の結合に対して不活性であるので、特定の結合を除く条件変化の尺度である。従って、カップリングされたシステムは、センサの作動の間、環境変化を補正する内部基準を含む。（図面符号は、図６の場合と同じ意味である）
【図９】金属コーティングにてカプセル化された、カップリングされた蛍光非金属粒子システム。粒子は、基材に埋め込まれ、互いにほぼ接触している。最上位の粒子は、バイオ機能化が可能なように環境に部分的に露出されている。また、ファイバチップへの光カップリングを向上させるために、検出ファイバに最も近い粒子が部分的に露出できる。（Ａ）基準線のないシステム；（Ｂ）基準線のあるシステム。（図面符号は、図６の場合と同じ意味である）
【図１０】溶液で浮遊自在の、金属コーティングにてカプセル化された蛍光非金属粒子。粒子表面に閉じ込められたプローブ分子（ｂ）の可能な特定の結合パートナを含む液体セル（ａ）に、粒子が浮遊している。液体セルは、粒子内部の蛍光物質の励起のために使われるポンプ光に透過性である入射窓及び検出窓（ｏ）を通じて粒子１への光学接近を許容し、検出窓は、蛍光物質の放射波長に対して透過性である。放射される光（ｑ）は、凸レンズ（ｐ）によって集光され、光学分析及び検出システムへ導かれる。（図面符号は、図６の場合と同じ意味である）
【図１１】基材に埋め込まれた多くのエミッタ（センサ）の場合の代替検出。個別エミッタによって放射される光（ｃ）は、粒子の干渉縞がモニタリングできるように、凸レンズ（ｂ）によって集光され、ＣＣＤカメラのチップ（ａ）にイメージ化される。個別エミッタの任意の状態変化は、干渉縞に即時の変化を引き起こし、この変化を分析することができる。
【図１２】異なる波長における金属の反射率（化学及び物理学のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ）からのデータ）。
【図１３】（ａ）バルク銀の反射率を波長の関数として表にした値；出所：化学及び物理学のハンドブック、第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ、１９８９年；（ｂ）屈折率に関する表にされたデータと化学及び物理学のハンドブック（第７０版、ＣＲＣ出版社、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、フロリダ、１９８９年）に挙げられている吸収係数から算出した、バルク銀への光の貫通深さの波長依存性。
【図１４】厚さ１ｍｍのプレーンポリスチレン基材に熱蒸着によって蒸着された薄膜の銀の測定された吸光度（ａ）及び透過率（ｂ）。同じタイプの無コーティングポリスチレン基材を基準として使った。
【図１５】（ａ）空気／金属界面における反射、吸収及び透過の間の関係に関する計画；（ｂ）銀膜厚の関数として、外部から銀コーティングポリスチレン基材に衝突する可視光のこの基材への総透過率。算出は、屈折率に関する表にされたデータ、化学及び物理学のハンドブックに挙げられている銀の吸収係数、及びポリスチレンの公知された屈折率１．５９に基づく。
【図１６】例で使われた光学セットアップ。（Ｉ）０．２ｍｍの作業距離で１００×顕微鏡対物レンズによって、厚い基材に置かれた粒子から放射される蛍光の集光が可能なように、倒立顕微鏡のサンプルステージに逆に位置されたサンプル；（ＩＩ）十分に薄い基材の場合、直立位置に位置されたサンプル。
【図１７】ナイルレッド（Ｎｉｌｅ Ｒｅｄ）（ａ）及びクマリン（Ｃｏｕｍａｒｉｎ）４５０（ｂ）の吸収スペクトル；例として、２つの染料の励起のために使われたレーザー波長を示した：５３２ｎｍにおけるＮｄ：ＹＡＧ（ｃ）、３２５ｎｍにおけるＨｅＣｄレーザー（ｄ）、及び３１３〜３２０ｎｍ範囲におけるＮｄ：ＹＡＧポンピングされたパラメトリック共振器（ｅ）。
【図１８】３１３ｎｍ及び５３２ｎｍ励起によるクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおける、ウィスパリングギャラリーモード励起。
【図１９】厚さ８０ｎｍの銀膜を通じる３１３ｎｍ及び５３２ｎｍ励起によるクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおける、ウィスパリングギャラリーモード励起。５３２ｎｍで高い反射と吸収損失によって、ＷＧＭ励起は、銀膜を通じる透過が相変らず重要な場合であるＵＶ励起（ａ〜ｄ）の場合にのみ観察できる。
【図２０】適切に規定された厚さの金属シェルで完全に取り囲まれた非金属蛍光粒子の製造計画。
【図２１】それぞれ５３２ｎｍ（ａ）及び３２０ｎｍ（ｂ）放射線で励起されるため、ナイルレッドの放射波長範囲でクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおけるウィスパリングギャラリーモード励起。
【図２２】厚さ７０ｎｍの銀シェルで取り囲まれた染料塗りのポリスチレンビーズの空洞モード励起；（ａ）３２０ｎｍ放射線を使った励起；（ｂ）５３２ｎｍ放射線を使った励起。
【図２３】厚さ５０ｎｍの銀コーティングで取り囲まれたクマリン４５０及びナイルレッドドープされたポリスチレンビーズにおける空洞モード励起；（ａ）公称直径１０μｍの単一ビーズ；（ｂ）公称直径３μｍの３つのビーズからなるクラスタ。
【図２４】銀表面プラズモン共振の領域で厚さ５０ｎｍの銀コーティングで取り囲まれたクマリン４５０ドープされたポリスチレンビーズにおける空洞モード励起。ビーズは、公称直径１０μｍを有し、銀シェルに単層のヘキサデカンチオールの吸着前（ａ）と吸着後（ｂ）の２つのスペクトルを記録し、この吸収は、約３ｎｍの空洞モード位置の移動を引き起こす。
【図２５】基線を差し引いた後、図２４のスペクトル（ａ）の拡大図。データを点線で表示した。実線は、ローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）プロファイルによって個別空洞モード共振に適合する。その結果得られるピーク位置、線幅及びモードの特性因子を表３に表わした。
【図２６】実施例１１で使われたサンプルの粒子の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージ。
【図２７】図５の計画（ｄ）に従って製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージ。
【図２８】図５の計画（ｄ）に従って製造された銀コーティング粒子のクラスタのＳＥＭイメージ。
【図２９】表面から粒子のうち一部を除去した後、直径７５０ｎｍの銀コーティングのクマリン４５０ドープされたＰＳビーズのクラスタのＳＥＭイメージ。
【符号の説明】
【０１４３】
１ 粒子
１Ａ 粒子
１Ｂ 粒子
１Ｃ 最上位の粒子
１Ｄ 最下位の粒子
２ コア
３ 蛍光物質
４ 金属
５ 基材
６ 抗タンパク質マトリックス
７ プローブ分子
８ 液体セル
９ 金属コーティング
２０ 光ビーム
２１ 光
２２ 凸レンズ
２３ 光検出器
２４ 格子
２５ 立体角
２６ 光ファイバ
２７ ファイバチップ
２８ チップ
３０ 光学窓
３１ レンズ
３２ 光ファイバ
３３ カップリング光学部品
３４ 光吸収フィルタ
３５ 高分解能単色化装置
３６ ＣＣＤカメラ
４０ 接着テープ
４１ 長方形フレーム
５０ ＰＳビーズ
５１ 銀
５２ ＰＳ粒子からなる二量体
５３ 銀ブリッジ
５４ 銀コーティング
５５ 接触地点
５６ ビーズの基材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光物質を有する非金属コアと、
前記非金属コアをカプセル化する金属シェルとを含む粒子であって、
前記金属シェルは、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質から放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線の少なくとも一部に対する反射性を有し、第２範囲の波長のうち前記一部を有する電磁放射線を前記金属シェル内に閉じ込める、粒子。
【請求項２】
前記非金属コアは、染色分子、量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタからなる群から選ばれた蛍光物質を有する、請求項１に記載の粒子。
【請求項３】
前記蛍光物質は、コア内に含まれるか、又はコア表面に吸着される、請求項１に記載の粒子。
【請求項４】
蛍光物質の放射波長範囲の少なくとも一部は、λｅｘｃにて照射されるとき、金属シェルの表面プラズモン共振のスペクトル位置をカバーする、請求項１に記載の粒子。
【請求項５】
前記蛍光物質は、超短レーザーパルスによって励起され、励起状態の密度（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）が基底状態の密度より少なくとも一時的に超過する、即ち基本的なレージング条件が満たされる、請求項１に記載の粒子。
【請求項６】
前記金属シェルは、π／４λ２未満の最大面積をそれぞれ有する小さい開口を除いては閉鎖されており、ここで、λは開口を通じて貫通させようとする光の波長である、請求項１に記載の粒子。
【請求項７】
前記金属シェルは、基材又は隣接した粒子と接触するシェルの部分に位置した開口を有している、請求項１に記載の粒子。
【請求項８】
前記粒子は、担持基材によって担持され、小さい開口が担持基材と接触してのみ存在する、請求項１に記載の粒子。
【請求項９】
空洞コアの体積（Ｖ）、空洞コアの屈折率（ｎｃａｖ）、空洞コアの特性因子（Ｑ）、及び蛍光物質の放射波長（λｅｍ）が、下記不等式（Ｉ）
【数１】
を満たすように選択される、請求項１に記載の粒子。
【請求項１０】
空洞コアの体積が１０００μｍ３以下である、請求項１に記載の粒子。
【請求項１１】
空洞コアの体積が１００μｍ３以下である、請求項１０に記載の粒子。
【請求項１２】
空洞コアの体積が１μｍ３以下である、請求項１１に記載の粒子。
【請求項１３】
空洞体積（Ｖｍｉｎ）、空洞の屈折率（ｎｃａｖ）、及びコア内部の蛍光物質の放射波長範囲（λｅｍ）の少なくとも１つは、下記条件（ＩＩ）
【数２】
を満たすように選択され、前記因子ｆは１００未満である、請求項１に記載の粒子。
【請求項１４】
前記因子ｆが１０未満である、請求項１３に記載の粒子。
【請求項１５】
前記因子ｆが１未満である、請求項１４に記載の粒子。
【請求項１６】
蛍光物質の放射範囲の少なくとも１つ（λｅｍ）、空洞体積Ｖ、空洞の屈折率ｎｃａｖ、及び空洞のＱ因子が下記条件
【数３】
を保持するように選択され、ここで、λｅｍは蛍光物質の真空放射波長であり、ｄはλｅｍに対応する蛍光物質の遷移双極子モーメントである、請求項１に記載の粒子。
【請求項１７】
前記金属シェルは、銀からなる、請求項１に記載の粒子。
【請求項１８】
前記金属シェルは、厚さ１０〜７０ｎｍの銀からなる、請求項１７に記載の粒子。
【請求項１９】
前記金属シェルは、厚さ５０〜７０ｎｍの銀からなる、請求項１８に記載の粒子。
【請求項２０】
請求項１に記載の粒子を少なくとも２つ含むカップリングされた粒子システムであって、前記粒子は、金属シェル内の空洞モードが互いにカップリングされるように、互いにほぼ接触して位置している、カップリングされた粒子システム。
【請求項２１】
前記粒子は、光子が、ある空洞から隣接した空洞へ１０−６より大きい確率でトンネリングできるように、互いにほぼ接触して位置している、請求項２０に記載のカップリングされた粒子システム。
【請求項２２】
前記粒子は、空洞の空洞モードが接触によってモード分裂を示すように、互いにほぼ接触して位置している、請求項２０に記載のカップリングされた粒子システム。
【請求項２３】
前記蛍光物質は、超短レーザーパルスによって励起されて、励起状態の密度が基底状態の密度より少なくとも一時的に超過する、即ち基本的なレージング条件が満たされる、請求項２０に記載のカップリングされた粒子システム。
【請求項２４】
標的分子を検知するためのバイオセンサであって、
請求項１に記載の粒子と、
粒子の外部表面に固定され、かつ、標的分子を捕獲することができる捕獲分子と、
第１範囲の波長を有する電磁放射線を放射するための手段と、
第２範囲の波長周囲の波長を有する電磁放射線を検出するための検出器とを含み、
前記粒子からの電磁放射線の変化が標的分子の捕獲を示す、標的分子を検知するためのバイオセンサ。
【請求項２５】
蛍光物質が、外部電磁放射線、好ましくはレーザービーム、最も好ましくは超短パルスレーザービームによって励起され、前記検出は、光学システム、好ましくはファイバプローブ又は導波管によって行われる、請求項２４に記載の標的分子を検知するためのバイオセンサ。
【請求項２６】
信号増幅及び／又は内蔵型基準に使われるための、請求項１に記載の粒子からなる粒子のアレイ又はクラスタ。
【請求項２７】
浮遊自在の粒子システムであって、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対して透過性である流体に分散されている、浮遊自在の粒子システム。
【請求項２８】
単一基材に担持された粒子システムであって、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対して透過性であるマトリックスに埋め込まれている、単一基材に担持された粒子システム。
【請求項１】
蛍光物質を有する非金属コアと、
前記非金属コアをカプセル化する金属シェルとを含む粒子であって、
前記金属シェルは、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線に対する透過性、及び前記蛍光物質から放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線の少なくとも一部に対する反射性を有し、第２範囲の波長のうち前記一部を有する電磁放射線を前記金属シェル内に閉じ込める、粒子。
【請求項２】
前記非金属コアは、染色分子、量子ドット、カーボンナノチューブ、ラマンエミッタからなる群から選ばれた蛍光物質を有する、請求項１に記載の粒子。
【請求項３】
前記蛍光物質は、コア内に含まれるか、又はコア表面に吸着される、請求項１に記載の粒子。
【請求項４】
蛍光物質の放射波長範囲の少なくとも一部は、λｅｘｃにて照射されるとき、金属シェルの表面プラズモン共振のスペクトル位置をカバーする、請求項１に記載の粒子。
【請求項５】
前記蛍光物質は、超短レーザーパルスによって励起され、励起状態の密度（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）が基底状態の密度より少なくとも一時的に超過する、即ち基本的なレージング条件が満たされる、請求項１に記載の粒子。
【請求項６】
前記金属シェルは、π／４λ２未満の最大面積をそれぞれ有する小さい開口を除いては閉鎖されており、ここで、λは開口を通じて貫通させようとする光の波長である、請求項１に記載の粒子。
【請求項７】
前記金属シェルは、基材又は隣接した粒子と接触するシェルの部分に位置した開口を有している、請求項１に記載の粒子。
【請求項８】
前記粒子は、担持基材によって担持され、小さい開口が担持基材と接触してのみ存在する、請求項１に記載の粒子。
【請求項９】
空洞コアの体積（Ｖ）、空洞コアの屈折率（ｎｃａｖ）、空洞コアの特性因子（Ｑ）、及び蛍光物質の放射波長（λｅｍ）が、下記不等式（Ｉ）
【数１】
を満たすように選択される、請求項１に記載の粒子。
【請求項１０】
空洞コアの体積が１０００μｍ３以下である、請求項１に記載の粒子。
【請求項１１】
空洞コアの体積が１００μｍ３以下である、請求項１０に記載の粒子。
【請求項１２】
空洞コアの体積が１μｍ３以下である、請求項１１に記載の粒子。
【請求項１３】
空洞体積（Ｖｍｉｎ）、空洞の屈折率（ｎｃａｖ）、及びコア内部の蛍光物質の放射波長範囲（λｅｍ）の少なくとも１つは、下記条件（ＩＩ）
【数２】
を満たすように選択され、前記因子ｆは１００未満である、請求項１に記載の粒子。
【請求項１４】
前記因子ｆが１０未満である、請求項１３に記載の粒子。
【請求項１５】
前記因子ｆが１未満である、請求項１４に記載の粒子。
【請求項１６】
蛍光物質の放射範囲の少なくとも１つ（λｅｍ）、空洞体積Ｖ、空洞の屈折率ｎｃａｖ、及び空洞のＱ因子が下記条件
【数３】
を保持するように選択され、ここで、λｅｍは蛍光物質の真空放射波長であり、ｄはλｅｍに対応する蛍光物質の遷移双極子モーメントである、請求項１に記載の粒子。
【請求項１７】
前記金属シェルは、銀からなる、請求項１に記載の粒子。
【請求項１８】
前記金属シェルは、厚さ１０〜７０ｎｍの銀からなる、請求項１７に記載の粒子。
【請求項１９】
前記金属シェルは、厚さ５０〜７０ｎｍの銀からなる、請求項１８に記載の粒子。
【請求項２０】
請求項１に記載の粒子を少なくとも２つ含むカップリングされた粒子システムであって、前記粒子は、金属シェル内の空洞モードが互いにカップリングされるように、互いにほぼ接触して位置している、カップリングされた粒子システム。
【請求項２１】
前記粒子は、光子が、ある空洞から隣接した空洞へ１０−６より大きい確率でトンネリングできるように、互いにほぼ接触して位置している、請求項２０に記載のカップリングされた粒子システム。
【請求項２２】
前記粒子は、空洞の空洞モードが接触によってモード分裂を示すように、互いにほぼ接触して位置している、請求項２０に記載のカップリングされた粒子システム。
【請求項２３】
前記蛍光物質は、超短レーザーパルスによって励起されて、励起状態の密度が基底状態の密度より少なくとも一時的に超過する、即ち基本的なレージング条件が満たされる、請求項２０に記載のカップリングされた粒子システム。
【請求項２４】
標的分子を検知するためのバイオセンサであって、
請求項１に記載の粒子と、
粒子の外部表面に固定され、かつ、標的分子を捕獲することができる捕獲分子と、
第１範囲の波長を有する電磁放射線を放射するための手段と、
第２範囲の波長周囲の波長を有する電磁放射線を検出するための検出器とを含み、
前記粒子からの電磁放射線の変化が標的分子の捕獲を示す、標的分子を検知するためのバイオセンサ。
【請求項２５】
蛍光物質が、外部電磁放射線、好ましくはレーザービーム、最も好ましくは超短パルスレーザービームによって励起され、前記検出は、光学システム、好ましくはファイバプローブ又は導波管によって行われる、請求項２４に記載の標的分子を検知するためのバイオセンサ。
【請求項２６】
信号増幅及び／又は内蔵型基準に使われるための、請求項１に記載の粒子からなる粒子のアレイ又はクラスタ。
【請求項２７】
浮遊自在の粒子システムであって、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対して透過性である流体に分散されている、浮遊自在の粒子システム。
【請求項２８】
単一基材に担持された粒子システムであって、前記粒子は、上記構造を有し、蛍光物質を励起させる第１範囲の波長を有する電磁放射線、及び蛍光物質によって放射される第２範囲の波長を有する電磁放射線に対して透過性であるマトリックスに埋め込まれている、単一基材に担持された粒子システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公表番号】特表２００９−５３５６０４（Ｐ２００９−５３５６０４Ａ）
【公表日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５１３７７（Ｐ２００８−５５１３７７）
【出願日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５９４４３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２９６８２
【国際公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（３０６００８７２４）富士レビオ株式会社 (55)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５９４４３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２９６８２
【国際公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（３０６００８７２４）富士レビオ株式会社 (55)
【Ｆターム（参考）】
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