JP2003515737A - 高感度で高スループットの生物学的センサおよび方法のための共鳴式光キャビティ - Google Patents

高感度で高スループットの生物学的センサおよび方法のための共鳴式光キャビティ

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Abstract

(57)【要約】 共鳴式光キャビティを備えるバイオセンサ。上記共鳴式光キャビティはウィスパリング・ギャラリモードを生成すべき形状とされる。該モードは、該キャビティのクオリティ・ファクタを増大すると共に、サンプル内の被検体の検出を増進感度を以て促進する。上記共鳴式光キャビティのサイズによれば、検知領域の配列を含むバイオセンサにおける該キャビティの使用が容易となる。従って、上記共鳴式光キャビティはリアルタイムで並列に読み取られ得る高密度センサ配列にて使用され得る。故に上記共鳴式光キャビティは、リアルタイムで高スループットにて低濃度のサンプルを検出する上で有用である。バイオセンサの種々の実施形態、並びに、バイオセンサの使用方法も開示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は光学バイオセンサに関し、特に高スループットの光学バイオセンサに
関する。より詳細には、本発明の光学バイオセンサは、該光学バイオセンサの感
度を強化するウィスパリング・ギャラリモード（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ ｇａｌ
ｌｅｒｌｙ ｍｏｄｅ）の使用を促進する構造を含む。本発明はまた、光学バイ
オセンサを作製する方法、ならびに、斯かる光学バイオセンサを使用する診断方
法にも関する。
【０００２】 発明の背景 多くの医学的疾患の処置に対しては、早期で正確な診断が重要である。抗体、
遺伝子、薬物、ペプチド、細胞および問題となる他の生体分子を検出すると共に
ＤＮＡ分子の配列を決定するという臨床用途に対しては、高スループットの生体
検知（ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ）が活発で成長しつつある研究分野である。
【０００３】 現在、生体検知に関して研究努力が為されている２つの主な光学的手法は、セ
グメント化されたエバネッセント導波路バイオセンサ（ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｅ
ｖａｎｓｃｅｎｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）の使用と、いわ
ゆる“バイオチップ（ｂｉｏｃｈｉｐ）”の使用であるが、これらは基本的に、
そこに捕捉用生体分子が固着される微細加工された基板（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉ
ｃａｔｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）を備える。
【０００４】 光導波路は、低サンプル濃度で高スループットのイムノアッセイ（ＩＡ）およ
び分子診断検定（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ａｓｓａｙ）（
ＭＤｘ）で使用されることが多い。セグメント化された導波路が使用される場合
、導波路は１つ以上の波長の電磁放射線（たとえば光）により照射されることで
、サンプル内の一種以上の特定の目標注目中の被検体の有無もしくは量の決定を
促進する。生体検知用途においては、光導波路からのエバネッセント波（ｅｖａ
ｎｅｓｃｅｎｔ ｗａｖｅ）を利用すべく、多くの光学的技術が開発されている
。
【０００５】 たとえば高スループット検知に対する光導波路の使用は、質量（１９９８年、
Ｓｉｌｚｅｌ等）または蛍光（１９９５年、Ｓｔｉｍｐｓｏｎ等；１９９８年、
Ｗａｄｋｉｎｓ等；１９９９年、Ｐｌｏｗｍａｎ等）検知技術のいずれかを用い
て達成され得る。これらの検知技術は両者ともに、イムノアッセイ（１９９８年
、Ｓｉｌｚｅｌ等；１９９８年、Ｗａｄｋｉｎｓ等；１９９９年、Ｐｌｏｗｍａ
ｎ等）および遺伝学的スクリーニング（１９９５年、Ｓｔｉｍｐｓｏｎ等）を行
う導波路において有用であることが明らかにされた。
【０００６】 光導波路が、いわゆる“質量センサ”として使用される場合、捕捉された被検
体の存在は、先ず捕捉用分子をサンプルに露出する前に導波路の表面上または近
傍で捕捉用分子の基線吸収または屈折率を測定し、次にサンプルに対して上記捕
捉用分子を露出し、続いて捕捉用分子と該分子に結合もしくはハイブリッド形成
（ｈｙｂｒｉｄｉｚｅ）した被検体の吸収または屈折率の差を決定することによ
り、検出または測定され得る。このメカニズムによれば、サンプル内の被検体に
対し捕捉用分子がハイブリッド形成すると同時に測定信号が変化する。この信号
変化は、導波路のエバネッセント場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ）内に
存在する質量に比例する。
【０００７】 導波路質量検知技術は、一般には、光学的生体検知において広範に使用される
（１９８７年、Ｌｉｅｄｂｅｒｇ等）表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）５に頼って
いる。表面プラズモン（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）は、金属などの一方
の媒体が負の誘電定数を有するという２つの媒体間の界面に存在し得る（１９９
３年、Ｐｅｙｇｈａｍｂａｒｉａｎ等）と共に、位相整合を獲得すべく光学的線
引回折格子またはプリズムを用いて共鳴的に励起され得る。被検体の屈折率摂動
はこの共鳴を阻害するが、摂動が大きいほど分子量は大きい。これらのセンサは
イムノアッセイ（１９８７年、Ｃｕｌｌｅｎ等；１９９２年、Ｍｏｒｇａｎおよ
びＴａｙｌｏｒ）および分子診断検定（１９９５年、Ｗａｔｔｓ等；１９９７年
、Ｎｉｌｓｓｏｎ等；１９９７年、Ｂｉａｎｃｈｉ等）に対して使用されると共
に、市販されている（検討のためには１９９２年、ＭａｌｍｑｖｉｓｔおよびＫ
ａｒｌｓｓｏｎを参照）。親和力感度は大きな被検体分子量に対してはｎＭ（ナ
ノモル）範囲であり（１９９２年、ＭｏｒｇａｎおよびＴａｙｌｏｒ）且つ小さ
な被検体分子量に対してはμＭ（マイクロモル）範囲であり（１９９５年、Ｋａ
ｒｌｓｓｏｎおよびＳｔａｈｌｂｅｒｇ）、また、共鳴ミラーを用いて２０ｆＭ
／ｍｍ2 の単位面積当たりの感度が測定された（１９９５年、Ｗａｔｔｓ等）。
質量を増大すべく被検体により被覆されたナノ粒子も使用され、０．１ｐＭの感
度をもたらした（１９９７年、Ｋｕｂｉｔｓｃｈｋｏ等）。他の導波路センサは
、光散乱（１９９５年、Ｓｔｉｍｐｓｏｎ等）、干渉法（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ
ｅｔｒｙ）（１９９７年、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ等）および導波路吸収分光法（１
９９９年、ＭｅｎｄｅｓおよびＳａａｖｅｄｒａ）に基づいている。
【０００８】 蛍光が用いられる場合には光導波路内にエバネッセント波を生成すべく電磁放
射線が使用され得る。、該エバネッセント波はたとえば、導波路の表面上または
同表面に隣接して固定化された捕捉用分子の結合部位に対して注目中の被検体と
競合する分子に結合された、蛍光タグ（ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｒｅ）とも称される
蛍光染料または同様のタグを励起する。上記蛍光タグは電磁放射線を発し、その
強度はサンプル内の被検体の有無もしくは量を表す。
【０００９】 蛍光検知技術を用いる光導波路センサについて、感度は、各被検体とその対応
捕捉用分子との間の親和力強度、ならびに、蛍光タグの吸収係数および収率蛍光
量子収率（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｑｕａｎｔａｕｍ ｙｉｅｌｄ）に依存
する。蛍光検知技術は一般的に、質量検知技術よりも高感度でありかつより特異
的である。
【００１０】 光導波路における蛍光検知技術の試みの多くは光ファイバの使用に基づく（１
９９６年、Ａｂｅｌ等；１９９８年、Ｓｑｕｉｌｌａｎｔｅ）が、平面導波路に
よっても研究は為されて来た（１９９１年、Ｚｈｏｕ等；１９９３年、Ｈｅｒｒ
ｏｎ等；１９９６年、Ｐｌｏｗｍａｎ等）。平面導波路センサはイムノアッセイ
（１９９１年、Ｚｈｏｕ等；１９９３年、Ｈｅｒｒｏｎ等）および分子診断検定
（１９９６年、Ｐｌｏｗｍａｎ等）の研究において使用されて来たが、後者はｆ
Ｍ（フェムトモル）感度が低いことが明らかにされた。
【００１１】 ナノ粒子は、光散乱要素として（１９９１年、ＹｇｕｅｒａｂｉｄｅおよびＹ
ｇｕｅｒａｂｉｄｅ）、または蛍光タグに対する代替物として使用されて来た。 光導波路が使用される場合、導波路は自身上またはそれに隣接して、異なる種
類の捕捉用分子が固定化される個別の検知領域を備え得る。セグメント化導波路
の個別の検知領域の全ては、親和力相互作用の全時間的動態を捕捉し得る荷電結
合素子（“ＣＣＤ”）配列を使用して並列に識別され得る。配列サイズは固定化
された捕捉用分子のパターンニングにより制限され（１９９８年、Ｓｉｌｚｅｌ
等）、感度は単位感度領域当たりの捕捉被検体数と用いられた検知技術とにより
制限される。但し、新たなパターンニング技術に依り、光導波路の検知領域の密
度は増大し続けている（１９９５年、Ｍｏｒｇａｎ等；１９９８年、Ｓｔｉｍｐ
ｓｏｎ等）。
【００１２】 現在の技術状況において、セグメント化導波路の検知領域のサイズは常に縮小
している。セグメント化導波路の検知領域のサイズの縮小に伴い、導波路により
被検体が検出され得る感度が比例して減少している。故にセグメント化導波路の
システム要件は、ますます厳しくなりつつある。
【００１３】 更に、セグメント化導波路の使用は、励起放射線が導波路の平面内に制限され
ないので、幾分か不都合である。故に、１つの検知領域から発せられた電磁放射
線は、隣接する１つ以上の検知領域から発せられた電磁放射線と干渉することに
よって、セグメント化導波路の光学的効率を低減し、故に、セグメント化導波路
が使用されたときに各被検体が検出され得る信頼度が低下し得る。セグメント化
導波路の各隣接検知領域間の干渉を容認可能なレベルまで低減するには、捕捉用
分子が固着されるかまたはサンプルが導入される各検知領域の面積が、検知領域
の総面積の２５％未満に制限され得る。結果として、セグメント化導波路は比較
的に低感度である。
【００１４】 光導波路に対する関連手法は、いわゆる“バイオチップ”であり、いわゆる“
ＤＮＡチップ（１９９９年、Ｖｏ−Ｄｉｎｈ等；１９９９年、Ｈａｃｉａ；１９
９９年、Ｌｉｐｓｈｕｔｚ等）がその一例である。自己組織化単分子膜（ｓｅｌ
ｆ−ａｓｓｅｍｌｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）または同様のパターンニング
技術を用いて作製され得るバイオチップは、検知領域の極めて大きな配列（たと
えば、１００，０００個以上までの検知領域）を有し得る。而して、被検体を検
出すべくセグメント化導波路が用いられた場合に使用されるのと殆ど同じ様式に
て、サンプルがバイオチップに塗付され、サンプル内の一種類以上の注目中の被
検体がバイオチップ上の捕捉用分子に結合して、各被検体の有無もしくは量、ま
たは、対応被検体に対する捕捉用基質のハイブリッド形成特性が検出される。
【００１５】 たとえば、１つ以上の波長の電磁放射線をバイオチップの各検知領域へと指向
させて検知領域内の蛍光染料を励起するためには、光ファイバ・プローブ、走査
型近接場顕微鏡または共焦点顕微鏡が使用され得る。その場合、光ファイバ・プ
ローブもしくは共焦点顕微鏡は、各検知領域内の蛍光標識から発せられる電磁放
射線を検出すべく使用され得る。光ファイバ・プローブもしくは共焦点顕微鏡が
使用される場合には、バイオチップはラスタ走査（ｒａｓｔｅｒ ｓｃａｎ）、
すなわち一度に１つの検知領域を走査され得る。プローブ自体が横方向の光学的
局限性を提供するため、バイオチップの各検知領域は接近して離間され得、これ
は非常に高密度の検知領域を備えたバイオチップの可能性に繋がる。しかしなが
ら、稠密な配列の検知領域を備えたバイオチップを走査するには時間が必要であ
るため、斯かる順次的検出は幾分か不都合である。更に、一般にバイオチップ上
で生ずる各ハイブリッド形成反応は、それが終点に到達したときに分析されるこ
とから、数時間を要し得る。しかも、異なる反応は異なるハイブリッド形成温度
を必要とし得る。結果として、多数の異なるハイブリッド形成反応を単一バイオ
チップ上で同時に行うのは困難となり、ラスタ走査されたバイオチップからの結
果を求めるために必要な時間が更に増大し得る。
【００１６】 各バイオチップ上の複数の検知領域を同時に分析すべく並列検出技術も使用さ
れ得るが、単一バイオチップ上で行われるべき、異なるのハイブリッド形成反応
の異なる温度依存性により並列検出技術も複雑となり得る（１９９８年、Ｆｏｔ
ｉｎ等）。此処でも、多数の温度にて反応を行って、測定値を求める必要があり
得る。
【００１７】 これらの温度依存性問題に応えて検定技術が開発された。この技術において、
バイオチップの異なる検知領域で生ずる異なるハイブリッド形成反応の各ハイブ
リッド形成速度は１つ以上の別個の温度もしくは狭い温度範囲にて同時に測定さ
れる（１９９７年、Ｊｅｎｓｅｎ等）。
【００１８】 提案された別の検定技術は、ミクロスフェア（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ）の表
面上で個々の化学的反応を行う工程を有する（１９９８年、Ｍｉｃｈｅａｌ等）
。各ミクロスフェアは、撮像用ファイバ束の末端にエッチングされた個々の凹み
内に堆積される。凹みのキャビティ効果は非干渉照射によりマスクされるが、ミ
クロスフェアの表面上の反応を検知するＣＣＤが上記作像用ファイバ束と並列に
使用され得る。
【００１９】 低閾値レーザ（１９９２年、ＭｃＣａｌｌ等；１９９５年、Ｚｈａｎｇ等；１
９９７年、Ｂａｂａ）および光スペクトル・フィルタ（１９９７年、Ｒａｆｉｚ
ａｄｅｈ等；１９９７年、Ｂｌｏｍ等；１９９８年、ＭａｄｓｅｎおよびＪｈａ
ｏ；および、１９９８年、Ｌｉｔｔｌｅ等）においては、平坦すなわち平面的な
円筒状のマイクロキャビティが使用されてきた。これらの円筒状マイクロキャビ
ティは、半導体材料（たとえばケイ素）およびガラスなどの種々の材料から作製
されてきた。研究によれば、１０．５μｍのキャビティ直径を有する平面的円筒
状マイクロキャビティは３５ｎｍの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と８，０００
より大きなキャビティＱ値とを有し得ることが示された。また、斯かる平面的円
筒状マイクロキャビティにより実施された有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）の研究
（１９９６年、ＬｉおよびＬｉｕ；１９９７年、Ｈａｇｎｅｓｓ等）は、最適化
された設計態様によれば１００ｎｍを超えるＦＳＲおよび１０4 以上のキャビテ
ィＱ値が可能であることを示唆した。これらの結論は、キャビティ表面粗度の理
論的研究（１９９６年、ＬｉｔｔｌｅおよびＣｈｕ）により裏付けられた。しか
し円筒状マイクロキャビティは典型的には、照射電磁放射線がこれらの円筒状マ
イクロキャビティの体積の全体に亙り進行する様に、円筒状マイクロキャビティ
の平面端部から照射されていた。
【００２０】 しかしながら、本発明者が知る限り、増進された感度を提供すべくウィスパリ
ング・ギャラリモードの使用を促進する共鳴式光キャビティを備えると共に、少
なくとも約１０4 のクオリティ・ファクタ（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を
有するバイオセンサは使用されていない。
【００２１】 発明の開示 当業界においては形態依存性共鳴（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ−ｄｅｐｅｎｄａｎ
ｔ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ（ＭＤＲ））および疑似正規モード（ｑｕａｓｉ−ｎ
ｏｒｍａｌ ｍｏｄｅ（ＱＮＭ））としても知られるウィスパリング・ギャラリ
モード（ＷＧＭ）は、光が光キャビティ内を循環し、全内反射に対する臨界角を
常に超える入射角にて光キャビティの湾曲境界から反射した場合に生ずる。別様
に述べると、ウィスパリング・ギャラリモードは電磁放射線（たとえば光）が光
キャビティ内で反射する（ｂｏｕｎｃｅ）ときに生ずる。光キャビティ内におけ
る電磁放射線の斯かる移動が実質的に単一平面内に制限される場合には、２次元
ウィスパリング・ギャラリモードが生ずると表現される。また、電磁放射線が単
一平面に制限されない様に、光キャビティ内で電磁放射線が反射される場合には
、３次元ウィスパリング・ギャラリモードが生ずると表現される。
【００２２】 本発明は、ウィスパリング・ギャラリモードを生成して活用する共鳴式光キャ
ビティを含むバイオセンサ、および、斯かるバイオセンサを用いる方法を包含す
る。本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティを備えるバイオセンサは、迅
速な高スループット診断検定、並びに且つ従来の光学バイオセンサが用いられて
きたあらゆる用途にのために構成される。
【００２３】 本発明の教示を取り入れたバイオセンサの具体的な実施形態において、共鳴式
光キャビティは、ほぼ平面である基板上に作製された平坦または平面的な微細加
工構造である。本明細書中においてバイオセンサの円筒は、円筒状光キャビティ
または単に円筒状キャビティと称される。好適には、基板に相対して配置された
円筒状キャビティの露出表面は、ほば平面であり、且つほぼ表面欠陥を有さない
。上記円筒状キャビティの周縁部は帯片状導波路などの少なくとも１つの電磁放
射線伝播ポート（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｏｒｔ）に対して接線方向にて
当接し、該導波路はレーザなどの電磁放射線源と連通する。
【００２４】 上記円筒状キャビティの露出表面の少なくとも一部上には、一種類以上の特定
の被検体に対して既知の特異性を有する捕捉用基質が固定化される。上記捕捉用
基質が特異的である単一または複数の被検体を含むサンプルが上記円筒状キャビ
ティの露出表面上に導入されると、サンプル中の単一または複数の被検体の少な
くとも幾つかは上記捕捉用基質に結合するか、または同捕捉用基質とハイブリッ
ド形成する。電磁放射線源の照射時、電磁放射線は上記伝播ポートから円筒状キ
ャビティ内へと進行し、円筒状キャビティの露出表面上の捕捉用基質に対するサ
ンプル内の被検体の結合の検知を促進する。
【００２５】 本発明に係る共鳴式光キャビティの別の具体的な実施形態としては、端部に円
筒状共鳴式光キャビティを備えた光ファイバなどのバルク（ｂｕｌｋ）円筒状基
板が挙げられる。上記の微細加工実施形態と同様にバルク円筒状キャビティは帯
片状導波路などの少なくとも１つの電磁放射線伝播ポートにより接線方向に当接
され、該伝播ポートはレーザなどの電磁放射線源と連通している。円筒状キャビ
ティの露出表面上に配設された捕捉用基質は、被検体がサンプル内に存在するな
らば該被検体と結合する。斯かる結合は、上記電磁放射線源および伝播ポートを
介して上記円筒状キャビティ内に電磁放射線を導入することによって検出され得
る。
【００２６】 本発明の教示を取り入れた円筒状光キャビティの上記形状によれば、ウィスパ
リング・ギャラリモードの生成が促進される。本発明においては、電磁励起放射
線が好適には円筒状キャビティの周縁部を介して該キャビティ内に導入され、上
記円筒状キャビティのほぼ平坦な表面における該キャビティ内での２次元ウィス
パリング・ギャラリモードの生成を促進する。ウィスパリング・ギャラリモード
は、円筒状キャビティの露出表面上での、電磁励起放射線に対する分子および分
子ハイブリッド露出を引き延ばす。
【００２７】 本発明のバイオセンサの円筒状キャビティはまた、非常に大きな（たとえば約
１０4 以上）のクオリティ・ファクタ（Ｑ）も有する。大きなクオリティ・ファ
クタを有する光キャビティは一般に、該光キャビティの本質的な材料吸収が低い
こと、キャビティのコアの屈折率と光キャビティの平面内およびその周囲の材料
の屈折率との間のコントラストが大きいこと、および、回折損失を減少するキャ
ビティ直径が比較的に大きいことを示す。また、光キャビティの露出表面の粗さ
により引き起こされた散乱が比較的に低く、且つ光キャビティと隣接する伝播ポ
ート（たとえば帯片状導波路）との間の連結強度が比較的に大きいときにも、光
キャビティのクオリティ・ファクタは大きくなる。更に、光キャビティのクオリ
ティ・ファクタは、該キャビティの特定ウィスパリング・ギャラリモードに依存
する。
【００２８】 これに加え、本発明の教示を取り入れたバイオセンサにおいて有用である円筒
状キャビティは、現在の技術水準の導波路の感度より少なくとも約１桁は大きな
感度を有する。
【００２９】 現在の技術水準の導波路と比較して非常に大きなクオリティ・ファクタおよび
大きな感度を提供すべく、十分なＷＧＭを生成する他の構成の共鳴式光キャビテ
ィを含むバイオセンサもまた、本発明の範囲内である。
【００３０】 本発明の教示を取り入れたバイオセンサは、臨床的診断、環境および食品の検
査、ゲノム研究および遺伝学的スクリーニングなどの種々の用途、並びに、導波
路、バイオチップおよび他の検定ツールが用いられ得る他の用途において有用で
あるが、これらに限定されるものではない。
【００３１】 本発明はまた、本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティを作製する方法
、並びに、斯かる共鳴式光キャビティを含むバイオセンサを用いる方法も包含す
る。 当業者であれば、以下の説明、添付図面および添付の請求の範囲を考察するこ
とで本発明の他の特徴および利点は明らかであろう。
【００３２】 発明を実施する最良形態 共鳴式光キャビティの設計態様 本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティは、従来の導波路のクオリティ
・ファクタを超えるクオリティ・ファクタ（Ｑ）を有する２次元ウィスパリング
・ギャラリモード（ＷＧＭ）を利用すべく設計される。光キャビティのＱは一般
には、該光キャビティの材料による電磁放射線の基礎吸収の減少、光キャビティ
の屈折率と光キャビティの平面内に存在する材料の屈折率との間のコントラスト
の増大（これは強い導波に繋がる）、および、光キャビティの直径の増大（これ
は回折損失を減少する）に伴って増大する。光キャビティのＱはまた、キャビテ
ィ境界のエッチングに依る表面粗さの散乱の減少および隣接する帯片状導波路と
の連結強度（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）の減少に依っても増大し、
且つ、光キャビティの特定ウィスパリング・ギャラリモードに強く依存する。
【００３３】 本発明の共鳴式光キャビティは、少なくとも約１０4 、さらに約１０9 程度以
上の大きさのクオリティ・ファクタを有すべく設計される。斯かる大きなクオリ
ティ・ファクタは一般的に、光子（すなわち電磁放射線）が光キャビティ内に残
存する時間長を増大し、その結果、光キャビティ内の電磁放射線の強度が増大し
、且つ電磁放射線が上記キャビティから自発的に放出される割合が大きくなる。
【００３４】 これに加え、蛍光技術を用いるバイオセンサで使用される場合に本発明に係る
共鳴式光キャビティは、蛍光タグを励起するか、または蛍光タグにより吸収され
る電磁励起放射線の波長と、蛍光タグから発せられた電磁放射線の蛍光もしくは
放出の波長との両者のピークにて高いＱの共鳴が生ずるように設計され得る。こ
れらの２つのピークにおける共鳴は、“二重共鳴”と称される。故に共鳴式光キ
ャビティからの電磁放射線の自然放出の割合が増加すると、蛍光の収率が向上増
進される一方、蛍光タグから発せられた蛍光は円筒状キャビティにより再吸収さ
れて蛍光タグを更に励起し、それによりタグから発せられた蛍光の強度を増大す
る。少なくとも蛍光検知技術が用いられた場合、“二重共鳴”の光キャビティは
単一共鳴式光キャビティよりも約１０倍（すなわち１桁の大きさ）以上高感度で
あると確信される。
【００３５】 光キャビティの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は、隣接する各縦モード間の周
波数分離である。キャビティの自由スペクトル領域が蛍光タグから発せられた電
磁放射線の線幅を超えるとき、蛍光収率の増進が生ずる。光キャビティの自由ス
ペクトル領域は、キャビティのサイズおよび屈折率により決定される。蛍光収率
は、特定の自由スペクトル領域およびＱを有するように光キャビティを構成する
と共に、理想的に狭幅で、かつ光キャビティ内で電磁励起放射線の共鳴線幅に整
合する望ましい蛍光線幅を備えた蛍光タグを選択することによって最適化され得
る。蛍光タグを囲繞する溶媒（たとえばサンプルの水溶液）は蛍光線幅の不均一
な広がりを引き起こす可能性はあるが、この影響は、発せられた電磁放射線の動
的なスペクトル狭幅化およびスペクトル拡散を介して溶媒和動態により相殺され
得る。これは、蛍光収率を増進し得る、かつ発せられた蛍光放射線の線幅を励起
放射線の線幅に対して更に忠実に整合させ得る。
【００３６】 円筒状もしくはディスク状のキャビティに対し、特定の半径方向モード（ｒａ
ｄｉａｌ ｍｏｄｅ）、すなわち円筒状キャビティを通過する動作のパターンに
よる電磁放射線の経路のＱは、円筒状キャビティの周囲縁部に対する該半径方向
モードの近さ、すなわち半径方向モード数に依存する。低い数すなわち低い次数
の半径方向ノードは主として、円筒状キャビティの周囲縁部の近傍に局限されて
大きなＱを有する。高次の半径方向モードの経路は円筒状キャビティ内において
更に中心へと延在すると共に、これらの半径方向モードは低いＱを有するが、円
筒状キャビティの表面上に更に大きな検知面積を提供する。円筒状キャビティを
通る電磁放射線の半径方向モードは種々の要因により影響されるが、斯かる要因
としては、円筒状キャビティの特性、円筒状キャビティに連結された伝播ポート
の幅および有効屈折率などの特性、伝播ポートと円筒状キャビティとの間の間隙
もしくは間隔の大きさ、および、上記伝播ポートを介して円筒状キャビティと連
通する電磁放射線源のスペクトル帯域幅が挙げられるが、これらに限定されるも
のではない。故に、円筒状キャビティを通る電磁放射線の種々の半径方向モード
は、円筒状キャビティに対して電磁放射線伝播ポートを関連させる特性および様
式、円筒状キャビティの特性、および、電磁放射線源の特性を制御することによ
り制御され得る。
【００３７】 本発明の教示を取り入れた円筒状共鳴式光キャビティを設計する上で、円筒状
キャビティの感度は、高いＱを持つモードと、円筒状キャビティの平面的表面に
沿って大きな表面積をカバーするモードとの間の最適配分もしくはバランスを決
定することで最大化され得る。斯かる最適配分はたとえば、解析結果および有限
差分時間領域（ＦＤＴＤ）のシミュレーションにより決定され得る。
【００３８】 円筒状キャビティ、伝播ポートおよび電磁放射線源の特性の考察に加え、円筒
状キャビティの平面的表面に対して固定化された捕捉用基質、および、捕捉用基
質を固定化するのに必要な任意の接着促進剤もまた、円筒状キャビティの初期Ｑ
（すなわち捕捉用基質による被検体の結合前のＱ）に影響を及ぼし得る。円筒状
キャビティのＱに関する捕捉用基質および接着促進剤の影響は、円筒状キャビテ
ィの屈折率よりも低い屈折率を有する捕捉用基質および接着促進剤に起因し得る
（たとえば、ビオチン−Ｔ３オリゴヌクレオチドに連結されたニュートラアビジ
ン（ｎｅｕｔｒａｖｉｄｉｎ）の捕捉用基質単層は約１．３３の固定屈折率を有
する一方、酸窒化ケイ素製の光キャビティは約１．５乃至約２．２の屈折率を有
する）。放射線の損失はＱを低下せしめ、光キャビティによる共鳴の位置を変更
し得る。逆に、光キャビティからの放射線が損失されると、光キャビティによる
半径方向モードの各々の大部分が検知プロセスに関連させられて、光キャビティ
の感度を実効的に増大する。故に本発明の円筒状キャビティは、実験的フィード
バックによる数値的シミュレーションなどの公知プロセスにより評価され得るこ
れらの放射線損失の影響を考慮するように設計され得る。放射線の損失は次に、
光キャビティの厚みと、光キャビティおよび下側に位置する対照層の夫々の屈折
率を調節することで適切に制御され得る。 共鳴式光キャビティを設計する際にこれらの要因の全てを考慮した場合、約１
０4 以上のＱ値が得られ得る。
【００３９】 代表的なバイオセンサの実施形態 図１を参照すると、本発明の教示を取り入れたバイオセンサ１０の具体的な実
施形態が示される。示されているようにバイオセンサ１０は、共鳴式光学的検定
構造体１２、該共鳴式光学的検定構造体１２と連通する少なくとも１つの伝播ポ
ート１４、および、伝播ポート１４と連通する電磁放射線１８の供給源１６を備
えている。
【００４０】 共鳴式光学的検定構造体１２は、ガラス、石英、ケイ素または他の半導体材料
（たとえば砒化ガリウムもしくはリン化インジウム）から成る基板２２と、該基
板２２上の対照層２４と、対照層２４上に配置されて本明細書中では円筒状キャ
ビティ２６とも称される平坦な円筒状共鳴式光キャビティとを備え得る。対照層
２４は好適には、円筒状キャビティ２６を形成する材料の屈折率と対照を為す屈
折率を有する材料から形成される。円筒状キャビティ２６は、材料層２５により
側方に囲繞され得る。円筒状キャビティ２６が照射されるべき電磁放射線の波長
に対し、円筒状キャビティ２６および対照層２４の各屈折率間のコントラストは
約１：１より大きく（すなわち上記円筒状キャビティは対照層２４の屈折率を超
える屈折率を有し）且つ、少なくとも約１．５：１であるのが好適である。
【００４１】 本発明の範囲を制限するのでは無く例示的にのみ、対照層２４に二酸化ケイ素
（ＳｉＯ2 ）が使用される場合、シリカ（すなわち、ホウケイ酸ガラス、燐ケイ
酸ガラス（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）またはホウ素燐ケイ
酸ガラスなどのドープされたＳｉＯ2 ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯx Ｎy もしくは
ＳｉＯＮ）、または、対照層２４の材料よりも大きな屈折率を有する別の適切な
材料を使用して円筒状キャビティ２６を形成し得る。殆どの一般的な半導体適合
媒体とは異なり、ＳｉＯＮは望ましい屈折率を有することに加え、電磁放射線の
可視スペクトルにおいて非常に低い損失（材料損失および散乱損失を含めて０．
２ｄＢ／ｃｍ以下）を有する。これにより、円筒状キャビティ２６がＳｉＯＮか
ら形成される場合に利用され得る光学的波長の選択には大きな融通性が与えられ
る。
【００４２】 円筒状キャビティ２６の直径は好適には、所望のクオリティ・ファクタを有す
る円筒状キャビティを与える。斯かる円筒状キャビティ２６の直径によれば、大
寸で稠密なセンサ配列の作製が促進される。本発明の教示を取り入れた代表的な
円筒状キャビティ２６は約１０μｍ〜約５０μｍの直径を有することから、１平
方センチメートル（ｃｍ2 ）当たり約５００×５００個までの円筒状キャビテ
ィ２６の密度を有するセンサ配列の作製が促進される。
【００４３】 各円筒状キャビティの露出主要表面２８は好適には、ほぼ平面であると共に実
質的に表面欠陥が無い。各円筒状キャビティ２６の表面２８上またはその近傍に
は、１つ以上の注目中の被検体に対して特異的な抗体、抗原、他のポリペプチド
類、ヌクレオチド類（ＲＮＡまたはＤＮＡ）および細胞を含むが、これらに限定
されない捕捉用基質３４が固定化され得る。
【００４４】 次に図１Ａ乃至図１Ｆを参照すると、共鳴式光学的検定構造体１２を作製する
上では微細加工技術とも称される従来の半導体デバイス作製技術が用いられ得る
。単なる例として、基板２２は（たとえばケイ素、砒化ガリウムまたはリン化イ
ンジウムなどの）半導体材料製のウェハの全体もしくは一部として、または、（
ガラス上ケイ素（ＳＯＧ）、サファイア上ケイ素（ＳＯＳ）、またはセラミクス
上ケイ素（ＳＯＣ）などの）絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）型の基板として提供さ
れ得る。
【００４５】 図１Ａに示された如く、所望材料製の対照層２４は公知のプロセスにより基板
２２上に形成され得る。たとえば対照層２４としてＳｉＯ2 が用いられる本発明
の実施形態において、基板２２の活性表面２３上には、（たとえば熱的に、活性
表面２３を酸化剤に露出するなどの）公知の酸化プロセスを用いて所望深度のＳ
ｉＯ2 が形成され得る。これに代わって、対照層２４のＳｉＯ2 は、化学気相成
長（ＣＶＤ）などの公知プロセスにより活性表面２３上に堆積されてもよい。
【００４６】 図１Ｂを参照すると、引き続き円筒状キャビティ２６を形成するための材料層
２５が公知プロセスにより対照層２４上に配設され得る。一例として、対照層２
４上には、公知のＣＶＤもしくはスピンオンガラス（ＳＯＧ）技術などの公知プ
ロセスにより、シリカもしくはガラス製の層２５が形成され得る。これに代わっ
て、たとえば公知のＣＶＤプロセスによりＳｉＯＮ製の層２５が作製されてもよ
い。
【００４７】 層２５はまた、公知プロセスによりパターンニングされてもよい。一例として
図１Ｃに示されたように、パターンニングされるべき下側層２５の領域をカバー
し、ポジまたはネガのフォトマスクとして公知であるフォトマスク２９が、公知
のフォトリソグラフ・プロセスによりフォトレジストを配設することにより形成
され得る。該公知プロセスとしては、高解像度（たとえば約０．５μｍ以下の）
のレティクルもしくはフォトマスクまたは電子ビーム・リソグラフィの使用が挙
げられ、これらを使用して高解像度（すなわち最小化された放射線散乱）で小寸
の（たとえば約１０μｍ乃至約５０μｍの直径の）円筒状キャビティ２６の形成
を促進し得る。
【００４８】 図１Ｄに示された如く、フォトマスク２９を貫通する開孔３０は、層２５をエ
ッチングするために使用されるプロセスに耐える金属もしくはＳｉＯ2 などの他
のマスク材料３１により充填され得る。マスク材料３０は、湿潤浸漬プロセスま
たは機械的もしくは化学機械的研磨プロセスなどの公知技術によりフォトマスク
２９の上側の箇所から除去され、図１Ｅに示されたような硬質マスク３２を形成
する。次に、これもまたレジスト剥離剤を使用するなどの公知プロセスによりフ
ォトマスク２９は層２５から除去される。
【００４９】 図１Ｆを参照すると、円筒状キャビティ２６の周囲縁部２７は基板２２の平面
に対してほぼ直交するのが好適であることから、硬質マスク３２を介して層２５
の材料を除去すべく反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの公知の異方性エッ
チング技術が使用され、層２５の材料から円筒状キャビティ２６を形成する。
【００５０】 次に硬質マスク３２の材料が、円筒状キャビティ２６が形成される材料に関し
て選択的であるエッチングプロセスを使用するなどの公知プロセスにより円筒状
キャビティ２６の上方から除去され得る。
【００５１】 伝播ポート１４は、対応する円筒状キャビティ２６と同一の様式にて円筒状キ
ャビティ２６の作製と同時にもしくは別に、基板２２上に作製され得る。 これに代わって、公知の帯片状導波路もしくは光ファイバなどの様な別個に作
製された伝播ポート１４が、基板２２上に形成された少なくとも一個の円筒状キ
ャビティ２６の周囲縁部２７に当接するように、共鳴式光学的検定構造体１２と
組み合わせられ得る。いずれの場合にも伝播ポート１４は、当業界で公知の如く
供給源１６に連結されるか、または連通し得る。
【００５２】 図２Ａおよび図２Ｂには、伝播ポート１４が微細加工円筒状キャビティ２６の
配列１１に対して励起電磁放射線を供給し得る様式の例が示される。たとえば伝
播ポート１４は、配列１１の各円筒状キャビティ２６に供給を行う光分配ネット
ワークを備え得る。図２Ａに示された如く伝播ポート１４は、各円筒状キャビテ
ィ２６に対して直列的に供給を行う単一の光バスであって各円筒状キャビティ２
６の1 の各列の端部にて１８０°の転回を行う光バスを備える。
【００５３】 これに代わって、図２Ｂに示したように、伝播ポート１４’は配列１１の各列
もしくは各行の円筒状キャビティ２６に電磁励起放射線を供給する別体の導波路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃなどを備え得る。伝播ポート１４’は、“ツリー−バス
・ネットワーク”とも称される。
【００５４】 各円筒状キャビティ２６からは有限量の励起放射線が損失されることから、伝
播ポート１４，１４’内に存続する電磁励起放射線の強度は、各円筒状キャビテ
ィ２６に対して放射線が供給された後に順次（ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ）低下する。
故に伝播ポート１４，１４’と各円筒状キャビティ２６との間のキャビティ連結
割合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ）は、好適には、伝播ポート１４，
１４’による各円筒状キャビティ２６に対する該伝播ポート１４，１４’の長さ
にわたるほぼ均一な強度の電磁励起放射線の供給を促進するように順次増大する
。
【００５５】 図１に戻ると、各円筒状キャビティ２６の表面２８に対しては接着促進剤３３
が塗付され、表面２８に対する一個以上の捕捉用基質３４の固定化が促進される
。本発明の範囲を制限するのでは無く例示的に、表面２８に対してはニュートラ
アビジンが吸着され、該表面２８に隣接するビオチン化核酸（たとえばオリゴヌ
クレオチドを含む、ＲＮＡまたはＤＮＡなど）の固定化を促進する。
【００５６】 また、蛋白質（たとえば抗体および抗原）、ペプチド、核酸（たとえばＤＮＡ
およびＲＮＡ）、他の生体分子、ならびに、バクテリアおよびウィルスなどの微
生物を含むがこれらに限定されない捕捉用基質３４は、公知プロセスにより各円
筒状キャビティ２６の表面２８上または同表面に隣接して配置されて固定化され
得る。たとえば適切な濃度の捕捉用基質３４を含む溶液が表面２８上または表面
２８上の接着促進剤３３上に載置され得る。このプロセスは当業界において典型
的には“パドル・コーティング（ｐｕｄｄｌｅ ｃｏａｔｉｎｇ）”と称される
。表面２８、該表面上の任意の接着促進剤３３および捕捉用基質３４は次に、適
切な時間に亙り適切な温度（すなわち、捕捉用基質３４を劣化させることなく、
または、注目中の被検体に対する捕捉用基質３４の結合またはハイブリッド形成
の機能に悪影響を与えることなく表面２８または該表面２８上の接着促進剤３３
に対する捕捉用基質３４の吸着を促進する温度および存続時間）に露出されるこ
とで、表面２８に対して捕捉用基質３４を固定化し得る。
【００５７】 表面２８に対して生体分子を固定化するように開示されたアヴィジン−ビオチ
ン化学物質の代替策として、ヌクレオチド（すなわちＤＮＡおよびＲＮＡ）およ
び他の生体分子などの捕捉用基質３４を表面２８に固定化する上では公知のエポ
キシシラン化学物質が有用であり得る。
【００５８】 表面２８に対して捕捉用基質３４を固着するために使用され得る方法の一例と
して、表面２８に対しては金の原子層が塗付され、この金に対してはビオチン化
チオール（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ ｔｈｉｏｌ）が吸着され、円筒状キャビ
ティ２６の外側の周囲に、またはある配列の隣接する円筒状キャビティ２６同士
の間に疎水性シランを塗付しても良い。しかして、親水性であるビオチン化チオ
ールは表面２８に対する捕捉用基質３４の固定化を促進する一方、疎水性シラン
は表面２８の側方に隣接する形状構成に対する捕捉用分子の吸着を防止すると共
に、円筒状キャビティ２６の近傍に固着された捕捉用分子などの異なる種類の捕
捉用基質３４の側方相互汚染も防止する。
【００５９】 他の異種固定化技術（すなわち光キャビティの稠密配列に対し、異なる種類の
捕捉用基質３４の塗付を促進する技術）としては、自己集合プロセス、光パター
ンニング（ｐｈｏｔｏｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）および組み合わせ合成（ｃｏｍｂ
ｉｎａｔｏｒｉａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）が挙げられるが、これらに限定され
るものではない。
【００６０】 次に図３を参照すると、本発明の教示を取り入れたバイオセンサ１０’の別の
具体的な実施形態が示される。バイオセンサ１０’は、バルク円筒状基板２２’
の端部上に形成されたバルク円筒状キャビティ２６’の形態の共鳴式光キャビテ
ィ１２’を備える。少なくとも１つの伝播ポート１４は、光キャビティ１２’と
連通するようにバルク円筒状キャビティ２６’の周囲縁部２７’に当接して、ま
たは該周囲縁部２７の近傍に配設される。伝播ポート１４はまた、電磁放射線１
８の供給源１６とも連通する。
【００６１】 バルク円筒状キャビティ２６’の作製の一例として図３Ａは、適切な材料から
形成されたロッド２５’が、最終的にはバルク円筒状キャビティ２６’となる数
個の薄寸ディスク状セグメント２５ａ’，２５ｂ’，２５ｃ’へと区分され得る
ことを示している。ロッド２５’は、中実ファイバまたは中空の毛細管ファイバ
のいずれであってもよい。ロッド２５’は好適にはガラスから形成されるが、他
の任意の適切な導波路材料が使用され得る。ロッド２５’は任意の直径を有し得
るが、ロッド２５’は約１ｍｍ乃至約５ｍｍ、更に好適には約５ｍｍの直径を有
する。各セグメント２５ａ’，２５ｂ’，２５ｃ’などは好適には約２ｍｍの高
さを有するが、異なるセグメント２５ａ’，２５ｂ’，２５ｃ’の高さもまた本
発明の範囲内である。
【００６２】 ディスク状セグメント２５ａ’，２５ｂ’，２５ｃ’の各々の平坦表面２８’
もしくは端部は、公知技術により研磨される。研磨されたこの表面２８は次に、
公知のイオン交換による導波路作製技術を用いてカリウムイオン（Ｋ+ ）、ナト
リウムイオン（Ｎａ+ ）またはその組合せなどの適切な材料により拡散またはド
ープされて、表面２８’でバルク円筒状キャビティ２６’を形成する。表面２８
’は好適には斯かる材料により、数ミクロンの深度まで拡散される。
【００６３】 図３Ｂに示されたように、図１に関し本明細書中で先に論じられた円筒状キャ
ビティ２６の微細加工実施形態に関して開示されたのと同一の様式にて、捕捉用
基質３４は表面２８’に対して固定化され得る。表面２８’は円筒状キャビティ
２６の表面２８よりも相当に大きな面積を有し得ることから、表面２８’の異な
る反応領域２８ａ’，２８ｂ’，２８ｃ’などに対しては異なる種類の捕捉用基
質３４（すなわち異なる分析用化学物質）が固定化され得る。
【００６４】 バイオセンサ１０およびバイオセンサ１０’は両者ともに、その円筒状キャビ
ティ２６，２６’の各々に関連するセンサ４０を備え得る。図３に示されたよう
にセンサ４０は、（たとえばカリフォルニア州、サンタクララのＩｎｔｅｌ社に
より製造されたＰＥＮＴＩＵＭクラスのマイクロプロセッサなどの）プロセッサ
５０と作用的に結合されたＣＣＤ配列を含む。バイオセンサ１０（図１）におい
ては、配列の各円筒状キャビティ２６は、センサ４０のＣＣＤ配列の内の少なく
とも１つの対応ピクセル４２と整列される。配列における約１０5 個以上もの多
くの円筒状キャビティ２６を選別するために、従来のＣＣＤ配列が使用され得る
。バイオセンサ１０’（図３）において、表面２８の各反応領域２８ａ’，２８
ｂ’，２８ｃ’などは少なくとも１つの対応ピクセル４２と整列される。バイオ
センサ１０の特定の円筒状キャビティ２６の表面２８から、または、バイオセン
サ１０’の表面２８’上の特定の反応領域２８ａ’，２８ｂ’，２８ｃ’などか
ら電磁放射線が発せられたとき、プロセッサ５０はセンサ４０の一個以上の対応
ピクセル４２からのデータを収集し、対応する表面２８または反応領域２８ａ’
，２８ｂ’，２８ｃ’などに対して固定化された捕捉用基質３４の種類に関して
記憶された情報に基づき、サンプル内における一種類以上の被検体の存在、サン
プル内の被検体の量、または、捕捉用基質３４とサンプル内の対応被検体との間
のハイブリッド形成動態（ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ）に
関するデータを生成して出力する。円筒状キャビティ２６，２６’から発せられ
る電磁放射線を検出するためにバイオセンサ１０，１０’と共に他の公知の種類
のセンサが用いられ得るのは勿論である。
【００６５】 図４を参照すると、本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティ２６”の別
実施形態を含むバイオセンサ１０”が示される。共鳴式光キャビティ２６”は球
状であると共に、（たとえばＳｉＯ2 、ＳｉＯＮなどによりドープされた）適切
な基材を備え、その表面２８”は公知のイオン交換による導波路作製技術を用い
てカリウムイオン（Ｋ+ ）、ナトリウムイオン（Ｎａ+ ）またはその組合せなど
の適切な材料により拡散またはドープされる。共鳴式光キャビティ２６”は実質
的に完全にドープされ得るか、または、表面２８”に近接するキャビティ２６”
の部分のみがドープされ得る。本明細書中において先に記述されたように、表面
２８”には捕捉用基質３４が塗付され得る。
【００６６】 共鳴式光キャビティ２６”は、所望形状の担体内に保持され得ると共に、少な
くとも１つの伝播ポート１４、供給源１６およびセンサ４０と結合され得る（た
とえば図３を参照）。
【００６７】 本明細書中に開示された共鳴式光キャビティの実施形態のいずれもが、表面２
８，２８’，２８”から捕捉用基質３４を剥離してから同一または異なる種類の
捕捉用基質を表面２８，２８’，２８”に塗付することで、再使用され得る。
【００６８】 （検知方法） 質量検知 本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティの高いＱに依れば、これらの光
キャビティの共鳴は、固定化された捕捉用基質に対する被検体のハイブリッド形
成により引き起こされる小さな屈折もしくは吸収の摂動に対して敏感である。こ
れらの摂動に対する光キャビティの感度の故に、本発明の教示を取り入れたバイ
オセンサは、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）技術などの質量検知技術を用いて、
サンプル内に一種類以上の被検体が存在するかを決定し、サンプル内の一種類以
上の被検体を定量し、または、捕捉用基質と対応被検体との間のハイブリッド形
成動態を評価し得る。
【００６９】 本発明に係る共鳴式光キャビティの表面上の捕捉用基質および任意の接着促進
剤の平均屈折率は、被検体が上記捕捉用基質に結合するか、または該捕捉用基質
とハイブリッド形成するにつれて増大される。この様に光キャビティの屈折率が
増大すると上記光キャビティの共鳴にシフトが生じ、被検体の存在を検出するた
めに使用される電磁放射線の波長にて上記光キャビティのＱを低下させる。この
効果は“Ｑ低下（Ｑ−ｓｐｏｉｌｉｎｇ）”と称される。光キャビティの共鳴の
斯かるシフトを検出するために、捕捉用基質および該捕捉用基質とハイブリッド
形成した任意の被検体により減衰される電磁放射線のスペクトルまたは強度測定
などの公知プロセスが使用され得る。斯かる測定が行われ得る感度は、光キャビ
ティのＱに正比例する。捕捉用基質の結合部位に対して被検体または被検体と競
合する分子を標識することが望ましくないという用途においては、質量検知が特
に有用である。
【００７０】 捕捉用基質に結合した被検体の存在を検出する代替的で更に実用的な方法は、
図５に仮想線で示されるように（たとえば円筒状キャビティ２６などの）光キャ
ビティの表面に隣接して（たとえば帯片状導波路などの）反射ポート１４”を配
置せしめることである。この反射ポート１４”は、円筒状キャビティ２６からの
光と結合する。円筒状キャビティ２６の共鳴がシフトするにつれ、反射ポート１
４”を介して円筒状キャビティ２６から出射する電磁放射線の強度は減少する。
伝播ポート１４により円筒状キャビティ２６内に導入された電磁放射線の強度に
対する、反射ポート１４”を介して円筒状キャビティ２６から出射する電磁放射
線の強度の比率の変化は、捕捉用基質３４により結合された被検体の親和力密度
（ａｆｆｉｎｉｔｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）と関連付けられ得る。
【００７１】 質量検知技術は被検体を検出もしくは定量するために、１つの電磁放射線の波
長のみを必要とすることから、質量検知技術が用いられる場合、本発明のバイオ
センサはその１つの波長の電磁放射線にて共鳴する共鳴式光キャビティを備える
だけでよい。
【００７２】 蛍光検知 サンプルにおける被検体の存在、サンプルにおける被検体の量、または、捕捉
用基質とサンプル内の対応被検体との間のハイブリッド形成動態を決定するため
には、本発明のバイオセンサと共に蛍光検知技術も使用され得る。蛍光検知技術
が使用される場合、被検体分子は、または、捕捉用基質上の結合部位に対して被
検体と競合する分子は蛍光タグにより標識される。該蛍光タグは好適には、該蛍
光タグを励起する波長とは異なる波長の電磁放射線を発する。故に上記電磁励起
放射線の波長は、蛍光タグの吸収可能波長の吸収帯域または範囲内に存在すべき
である。たとえば蛍光タグを励起する電磁放射線の最適波長は、スペクトルの青
−緑から緑の部分にわたる部分の何処かに存在し得る。
【００７３】 本発明の教示を取り入れたバイオセンサにおいて使用される場合、これらのバ
イオセンサの共鳴式光キャビティは電磁励起放射線の光子の寿命を引き延ばす。
この様に長い光子の寿命は、上記キャビティの表面にわたる実際距離よりも相当
に長いが、フェムトモル（ｆＭ）（１０-15 Ｍ）の感度が達成された従来のスラ
ブ導波路センサの表面積よりも相当に小さな表面積内である有効検知長さをもた
らす。これに加え、本発明の共鳴式光キャビティ内における励起放射線の高強度
は蛍光タグを誘起して励起放射線の複数の光子を吸収させ得る。これは、実質的
にバックグラウンドから解放された被検体の高感度の検出という更なる利点を提
供し得る。
【００７４】 蛍光検知技術が用いられるときには、被検体を検出もしくは定量するために、
少なくとも２つの波長の電磁放射線（１つは励起、１つは放出）が使用されるの
で、蛍光検知技術は、励起放射線および選択された蛍光タグから放出された放射
線の両者の波長ピークにて共鳴する本発明に係る共鳴式光キャビティと共に使用
されるのが好ましい。
【００７５】 二光子吸収検知 共鳴式光キャビティ内の多量の励起放射線の蓄積は、励起放射線の高キャビテ
ィ内強度をもたらし、これにより蛍光タグが誘起されて二光子が吸収されたとき
に発光を行い得る。蛍光すなわち発出される放射線の波長は、吸収される励起放
射線の波長よりも相当に短く、その結果、表面散乱、レイリー散乱、非弾性散乱
、または任意の一光子蛍光の供給源などの様な励起供給源からの任意の一光子散
乱は、高域通過光学フィルタにより完全に除去され得る。無洗浄検定（ｗａｓｈ
ｌｅｓｓ ａｓｓａｙ）に対し、非結合のオリゴヌクレオチドからの二光子蛍光
は、干渉に関して無視し得る発生源である。最大感度に対する最大の二光子断面
積（ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）を得るために種々の
蛍光タグが検討されている。 二光子吸収を介して蛍光を効率的に誘起するため
に、電磁放射線源の波長は、蛍光による一光子吸収に対する波長ピークよりも長
いが、一光子吸収に対する波長ピークの２倍よりは短くすべきである。この条件
は、上記電磁放射線源および蛍光タグに対して幾つかの制約を課すものである。
約２００ｍＷまでのシングルモード・パワーを備えた９８０ｎｍのレーザ・ダイ
オードが市販されていることから、蛍光タグの候補としては特に、４９０ｎｍの
吸収ピークを有するフルオレセイン、および、５３０ｎｍの吸収ピークを有する
Ｒ６Ｇが挙げられる。これらの蛍光タグの二光子断面積は、上記共鳴式光キャビ
ティのエバネッセント波との相互作用を最大化するために考察される。
【００７６】 二光子吸収検知が用いられた場合に、蛍光タグを励起するために使用される励
起放射線の波長と、蛍光タグを励起するために蛍光検知技術で使用される励起放
射線の波長との間の差の故に、二光子検知技術に対する共鳴式光キャビティは、
励起放射線の適切な波長にて共鳴が獲得されるように設計される。二光子蛍光は
、エバネッセント場に関する蛍光タグの位置の変化により変動する励起放射線の
強度の二乗に比例する。
【００７７】 二光子吸収は、一光子技術よりも大きな表面選択性および雑音耐性（すなわち
、信号／バックグラウンド比）を提供する。二光子技術の感度および特異性は、
考察された３種のマイクロキャビティ機構の中で最高であると確信される。
【００７８】 共鳴式光キャビティを含むバイオセンサの用途 本発明の教示を取り入れたバイオセンサおよびその共鳴式光キャビティは、生
体分子の親和力相互作用を用いる任意の用途において使用され得る。故に本発明
のバイオセンサは、臨床的診断、環境検査、食品検査、遺伝学的スクリーニング
、および核酸もしくは蛋白質の配列決定などの種々の実用的用途において有用で
あるが、これらに限定されるものではない。本発明に係るバイオセンサはたとえ
ば、イムノアッセイ（ＩＡ）として、または、分子診断検定（ＭＤｘ）とも称さ
れる核酸ハイブリッド形成検定として具現され得る。
【００７９】 本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティは、現在のバイオチップ技術の
配列サイズに匹敵する配列で、但し、現在のバイオチップ技術により現在におい
て利用可能な感度よりも相当に高い感度、ならびに、ハイブリッド形成動態の並
列検出の機能を備えて作製され得ることから、本発明の共鳴式光キャビティ配列
もまたバイオチップの代わりに使用され得る。
【００８０】 共鳴式光キャビティを含むバイオセンサの感度 スラブ導波路と円筒状キャビティの配列との比較 概略的な例示的計算を行うと、従来のスラブ導波路を含むバイオセンサの単位
面積当たりの感度と比較した場合の、本発明の円筒状共鳴式光キャビティを備え
るバイオセンサの単位面積当たりの高い感度が例証される。この概略的な例示的
計算で使用される概算値は、上記光キャビティが６３５ｎｍの波長にて約１０4 のＱを有すると仮定している。斯かる光キャビティ内における光子の寿命は約３
．４ピコ秒（ｐｓ）（３．４×１０-12 秒）であるが、これは、光子と、共鳴式
光キャビティの表面に対して上記捕捉用基質により固定化された分子上の蛍光タ
グとの間の約５００μｍの有効相互作用長、または、約５００（ｄc ／２）μｍ 2 の有効検知面積に帰着する。前記指揮中、ｄc はμｍでのキャビティ直径であ
り、１０μｍより小さい もしＬがこれらの円筒状共鳴式光キャビティの配列の
幅ならば、デバイス内におけるキャビティもしくは領域の個数はＬ2 ／（２ｄc ）2 であり、この場合にキャビティの中心間間隔は２ｄc であり、２ｄc はキャ
ビティおよび帯片状導波路により提供される強い側方局限性の故に小さい。
【００８１】 スラブ導波路に対する一領域当たりの検知面積は約ｆｄ2 μｍ2 であり、但し
、検知領域充填割合であるｆは０．２５に等しく、ｄは検知領域の直径であり且
つ領域の個数はＬ2 ／（２ｄ）2 により与えられるものとする。
【００８２】 故に一領域当たりの同一の感度に対し、本発明の円筒状共鳴式光キャビティは
従来のスラブ導波路と比較して約１０００／ｄc の係数の密度優位性を有し、同
一の配列サイズでは、上記マイクロキャビティは従来のスラブ導波路と比較して
１０００／ｄc の感度優位性を有する。
【００８３】 これらの単純なスケーリングの論議は、低い被検体濃度を有するが高いスルー
プットを必要とするサンプルを利用するという臨床用途において、本発明の教示
を取り入れた共鳴式光キャビティの配列が利用されることを示唆している。これ
らのスケーリングに関する論議は二光子蛍光からまたは二重共鳴キャビティの使
用に起因し得る多数の設計要因または増進される感度を考慮していないが、マイ
クロキャビティ・センサ配列の使用による劇的な優位性は明らかであり、これは
多様な生体検知の状況展開において有用であり得る。
【００８４】 本発明の教示を取り入れたバルク円筒状キャビティは複数の単層もしくは分析
用化学物質によりパターンニングされ得ることから、バルク円筒状キャビティは
微細加工された円筒状キャビティの配列と同様の所望特性を有すると確信される
。実際、本明細書中で先に記述された種類のバルク円筒状キャビティは、約１０ 6 〜１０7 程度のＱを有するように設計かつ作製され得る。
【００８５】 また、本発明の教示に従い約１０7 以上程度のＱを有するように、イオン交換
導波路表面を備えた小寸ガラス球が設計かつ作製され得ることも期待される。
【００８６】 スラブ導波路と比較して強化された量子効率により増大された共鳴式光キャビ ティの感度 別の例示的計算によれば、強化された量子効率により増大された本発明の円筒
状共鳴式光キャビティの感度が例証される。その開示の全体が援用される、Ｊｏ
ｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｔｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１５巻、９
９８−１ＯＯＳ（１９９７年）におけるＢ．Ｅ．Ｌｉｔｔｌｅ、ＳＴ． Ｃｈｕ
，Ｈ．Ａ．ＨａｕｓおよびＪ．−Ｐ．Ｌａｍｅの“マイクロリング共振器チャネ
ル低下フィルタ（Ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｃｈａｎｎｅｌ
ｄｒｏｐｐｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒｓ）”（以下では“Ｌｉｔｔｌｅ”）の表記法
を用いると、全体的なキャビティ減衰率は１／τ＝＋１／τe ＋１／τd ＋１／
τl と表現され得る。式中、１／τe は電磁放射線、すなわちパワーが伝播ポー
トから光キャビティへと共鳴的に結合する割合を表し、１／τd はパワーが光キ
ャビティから反射ポートへと結合される割合であり、１／τl は光キャビティ内
における吸収および散乱に起因する損失率である。これらの割合は各共鳴モード
に対して異なることを銘記されたい。Ｌｉｔｔｌｅによれば光キャビティの断面
と伝播ポートとを通る全体的パワーは次の様に与えられる。
【数１】 式中、
【数２】 はモード群速度であり、Ｒは円筒状キャビティの半径であり、Ｐinc は円筒状キ
ャビティにおける入射パワーである。１／τe ＝１／τd ＋１／τl の場合、透
過されるパワーがゼロであるということは全ての入射パワーが光キャビティ内に
結合することを意味する。１／τ＝２／τe と仮定すると、光キャビティのパワ
ーフローは光キャビティのＱに関して次の様に表現され得る。
【数３】 式中、λは材料の波長である。この式は、λＱ／２πＲの係数で与えられる強
い光キャビティの強化に対する可能性を示している。 此処で使用される主な特性は、全ての入射光が進行波共振器内に結合されて量
子効率を劇的に増進し得るという事実である。内部パワーは、τd →∞且つτe ＝τl である２ポート・デバイスにおいて最大化される。蛍光バイオセンサに対
してτl は、光キャビティ内における回折、散乱および吸収の損失、バイオ選択
的な捕捉用基質からの吸収および散乱、および、蛍光タグによる吸収による寄与
から成る。もしτl が被検体の存在下におけるキャビティ寿命であり、且つ、τ l ’が、蛍光発色団による吸収の故にτl とは異なる所与の被検体親和力密度に
おける寿命であるならば、Ｑ∝τl かつＱ’∝τl ’である。被検体の存在下に
おける光キャビティのＱは１／Ｑ’＝１／Ｑ＋１／Ｑabs と表現可能であり、式
中、Ｑabs ＝１／λαは、吸収係数αを有する蛍光タグの吸収のみによるキャビ
ティＱである。放出される蛍光放射線の強度は、蛍光タグ内へ吸収されるパワー
の割合として定義される量子効率に比例するが、この量子効率は共鳴キャビティ
に対し、
【数４】 と表現され得る。これは新たな成果である。中央の表現は明らかに、高いＱを有
する光キャビティが使用された場合に増進される量子効率を例示している。 これと対照的に、スラブ導波路センサの長さＬに対して量子効率は、
【数５】 である。両方の場合において上記近似は小さなαに対して有効であるが、これは
低濃度検出においては常にそうであり、且つ、上記円筒状共鳴式光キャビティお
よびスラブ導波路の夫々の垂直局限モード・プロフィルは同一であることが仮定
され、その結果、吸収領域に対するエバネッセント場の重複に依り、有効吸収係
数は同一である。 上記量子効率の増進率はＱ／αＬＱabs ＝λＱ／Ｌであり、厳密に上記共鳴式
光キャビティの有効長である長さＬ＝Ｑλを導波路センサが有するときに各量子
効率が等しくなる。（キャビティの円周に等しい）長さＬ＝２πＲのスラブ導波
路領域に対し、同一の円周を有する円筒状共鳴式光キャビティは、式（２）によ
り予測されたのと同一であるλＱ／２πＲの係数だけ増進された量子効率を有す
る。故に、本発明の円筒状共鳴式光キャビティと同一の量子効率を有するために
、従来のスラブ導波路は比較的に長寸とされねばならない。
【００８７】 共鳴式光学的センサの増大した感度の優位性 本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティは、１）バルクキャビティを用
いた単一もしくは少数の被検体の高感度検出と、２）マイクロキャビティ配列を
用いた多数の被検体の高スループット検知との２つの検知状況展開において最適
に活用され得る。
【００８８】 第１の場合、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの直径を有するバルク円筒状キャビティの
モードは約１０6 のＱを有し得ると共に、スラブ導波路では非実用的である長さ
Ｌ＝０．５ｍ（材料波長λ＝０．５μｍとする）の従来のスラブ導波路センサと
等しい量子効率を有する。故に、スラブ導波路と略々同一の面積を有するバルク
円筒状キャビティはスラブ導波路の量子効率の約１００倍の量子効率を有し、約
１０の係数（すなわち、約１桁の大きさ）の感度優位性に繋がる。結果として、
本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティによれば低い被検体濃度を有する
より小さなサンプルサイズが検定され得る。
【００８９】 約５０μｍ以下の直径を有し得る更に小寸の微細加工円筒状キャビティに対し
ても同様の論議が当てはまる。微細加工円筒状キャビティが約１０4 のＱを有す
ると仮定すると、これに等しいスラブ導波路の長さは約５ｍｍであり、実用的サ
イズではある。しかし、その小さなサイズの故に上記微細加工円筒状キャビティ
は円筒状キャビティの稠密配列内に含まれ得る。故に、相当に大寸のスラブ導波
路と少なくとも同一の感度を有して、多数のハイブリッド形成反応が同時に行わ
れ、検出され得る。
【００９０】 本発明は更に、例示のために提供されると共に如何なる意味でも本発明の限定
を意図しない以下の各実施形態において更に詳述される。 当業界において公知である標準的な技術または以下において詳細に記述される
技術が利用される。
【００９１】 実施例１ 光学的マイクロキャビティの開発 本発明の教示を取り入れた共鳴式光キャビティの質量感度の決定において、こ
れらの共鳴式光キャビティの単位面積当たりの感度を表す較正曲線を生成して、
ＢＩＡコア表面−プラズモン共鳴装置などの公知の質量検知装置の感度と比較し
得る。
【００９２】 先ず、大きな直径（約２５〜５０μｍ）の円筒状キャビティを用いて考察を行
う。キャビティのＦＳＲ、Ｑおよびモード構造に影響する多くの設計パラメータ
が在る。このパラメータ空間は先ずＦＤＴＤシミュレーションを用いて吟味され
る。
【００９３】 最適化された設計パラメータが求められたとき、上記円筒状キャビティが作製
される。目的の蛍光タグの吸収帯域上での調整機能を有するレーザ・ダイオード
と高感度の光受信器とを用い、円筒状キャビティのキャビティ自由スペクトル領
域（ＦＳＲ）およびＱを測定し、ＦＤＴＤシミュレーションにより求められた結
果と比較する。
【００９４】 次に、小寸の円筒状キャビティが微細加工され得る。再び、特性記述およびシ
ミュレーションからのフィードバックによりリソグラフおよび作製の各工程が導
かれ、所望の高いＱを有する円筒状共鳴式光キャビティが得られる。
【００９５】 実施例２ 核酸プローブ検定 適切なデバイス特性を与えた後、核酸検定の考察を実施する。核酸プローブが
選択されるのは、本明細書中において先に開示されたバイオセンサの微細加工配
列の実施形態の高スループット機能から核酸プローブが最も利益を得ると思われ
るためである。核酸ハイブリッド形成に対しては、Ｔ３ ＲＮＡポリメラーゼ・
プロモータ部位がモデル系である。これらの合成は、ポリメラーゼ連鎖反応（Ｐ
ＣＲ）を用いて人間のＤＮＡから増幅された単一鎖（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎ
ｄｅｄ）のオリゴヌクレオチドによく似ている。また、Ｔ３は最小限の臨床的関
連性を有する一方、Ｔ３ハイブリッド形成プロセスは良好に特性記述されて初期
考察に対し理想的な基線の役割を果たすものであって、臨床的関連性のある検定
に対しては容易に外挿され得るものである。
【００９６】 捕捉用オリゴヌクレオチド（基礎考察に対してはＴ３）は、単純なパドル・コ
ーティングを用いてほぼ平坦な表面に対してニュートラアビジンを被覆し、その
ニュートラアビジン被覆表面に対してビオチン化Ｔ３を固定化することにより、
ＳｉＯＮ円筒状キャビティのほぼ平坦な表面に対し固定化される。上記捕捉用オ
リゴヌクレオチドは、該捕捉用オリゴヌクレオチドとハイブリッド形成する“ア
ンチ−Ｔ３”と称される既知濃度の相補オリゴヌクレオチドを含む溶液に晒され
る。Ｔ３配列および相補的なアンチ−Ｔ３配列に対するオリゴヌクレオチド・プ
ライマは、市販されており既に蛍光標識されている。
【００９７】 ハイブリッド形成動態は、本明細書中で先に記述された質量、蛍光、または、
二光子吸収検知技術を用いて識別（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）され得る。Ｔ３お
よびアンチ−Ｔ３の間における結合のハイブリッド形成動態は、上記円筒状キャ
ビティ・モードのエバネッセント場により精査され、その場合に励起放射線は、
約１分間の周期時間間隔で約５分間にわたる検出に対し約１０乃至約１５秒だけ
ストローブされる。バイオセンサの特性に依存する定数となるまでのハイブリッ
ド形成の速度は、円筒状キャビティの各照射により求められた測定値に基づき決
定される。“センサ利得係数（ｓｅｎｓｏｒ ｇａｉｎ ｆａｃｔｏｒ）”と称
される上記定数は、従来のスラブ導波路よりも微細加工円筒状キャビティを含む
バイオセンサに対する値が相当に大きく、且つ、本発明の共鳴式光キャビティの
分析感度を増大する。
【００９８】 これらの測定は、アンチ−Ｔ３の濃度の対数的進展に対して反復されることか
ら、上記分析感度は標準曲線に対して計算され得る。上記質量、蛍光および二光
子吸収検知方法の各々は同一群の基準溶液を用いて行われることから、これらの
検知方法の各々の分析感度は相互に、且つスラブ導波路技術に対して比較され得
る。
【００９９】 実施例３ 単一共鳴および二重共鳴の光キャビティ間の比較 単一共鳴キャビティと比較して増進された二重共鳴式光キャビティの感度検出
を例証する上では、１）温度を下げた操作と、２）強く広がらない染料の使用と
の２つの手法が使用され得る。
【０１００】 第１の場合において、Ｃｙ５の蛍光収率が７７°Ｋまでの温度に対して測定さ
れる。温度が低下するにつれ、占有されたフォノンレベルの個数は減少し、不均
一線幅（ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ）が狭幅化される。
【０１０１】 第２の手法は、異なる種類の染料を使用する。たとえばＢ−フィコエリトリン
は、約２０ｎｍのスペクトル幅により５７５ｎｍに放出ピークを有する。広幅吸
収ピークは約５４６ｎｍ（これは依然として、５３２ｎｍにて二重化Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザにより効率的に利用され得る）に集中し、その結果、二重共鳴はＦＳＲ
４２ｎｍにより５７５ｎｍおよび５３２ｎｍにて獲得されると共に全ての蛍光は
キャビティ・モードに結合し、蛍光の半分未満がキャビティ内に結合すると仮定
すると、期待される増進率は約２である。但し、吸収および放出のスペクトルは
、キャビティ内への蛍光が蛍光タグにより再吸収されるように重複する。 二重共鳴式光キャビティのこの“光子リサイクル”効果は、増進された自然放
出の考察のみにより予測されるよりも大きな蛍光収率の増進を提供する。
【０１０２】 実施例４ 蛍光検知が用いられたときに得られる感度 非特異的な結合から生ずる問題と、（とくに小寸分子に対して）質量検知は蛍
光検知ほど敏感でないという事実に依り、蛍光の考察も実施する。この検定にお
いて、被検体は、Ｃｙ５蛍光タグにより蛍光的に標識される。キャビティ光モー
ドのエバネッセント場は蛍光タグからの蛍光を誘起し、その場合、円筒状キャビ
ティの高いＱは円筒状キャビティの円周より相当に長い有効経路長をもたらす。
キャビティのクラッド（すなわち捕捉用基質）の広い面積から上方に放出される
蛍光の検出を用いると、ピコモルの感度が可能である。本発明の微細加工円筒状
キャビティのほぼ平坦な表面の面積は０．００１ｍｍ2 以下程度であることから
、単位面積当たりの感度は、匹敵する感度を有する従来のスラブ導波路に対する
よりも相当に大きい。
【０１０３】 これらの考察は、５’末端で標識された開始プライマを用いたＰＣＲプロセス
の間に生成されるであろうように、Ｃｙ５により５’末端にて標識された標識オ
リゴヌクレオチド、アンチ−Ｔ３を用いて実施される。Ｃｙ５は、大きな数値（
ｆｉｇｕｒｅ）のメリット（すなわち、吸収係数と収率蛍光量子収率とを掛け合
わせたもの）を有すると共に、約６４９ｎｍの励起放射線を発する安価なレーザ
・ダイオードにより利用可能なピーク吸収を有する。蛍光ピークは６７０ｎｍに
おける赤色に存在する。
【０１０４】 上記デバイスの頂部から発せられた蛍光（文献によるといわゆる“側部”放出
）は低ノイズの光受信器上へと作像される。該受信器の感度は、１（ｕｎｉｔｙ
）の信号／ノイズ比を得るに必要な最小平均受信パワーとして定義される。受信
されるパワーは、作像用光学機器、上記キャビティ内に蓄積される光エネルギ、
および、被検体の親和力濃度の関数である。此処でも、単位面積当たりの感度が
決定され、平面的なスラブ導波路を用いて為される測定値と比較される。必要に
応じて、ｐＭ状況に対するキャビティ表面積の感度を増大するために付加的なキ
ャビティ最適化が行われる。
【０１０５】 非特異的結合に対するこの検知機構の応答もまた決定されねばならない。この
場合にハイブリッド形成速度は、質量検知に関して述べられたのと同様にして非
特異的結合に対し、且つ、付加的な不整合の状況に対して測定される。これらの
結果は、スラブ導波路の結果と異なるものではない。再び、優れた感度による高
スループットが達成される。
【０１０６】 実施例５ 高スループット・スクリーニング １ｃｍ2 面積の基板上に（１０μｍ直径のキャビティにより）５００×５００
配列の微細加工円筒状キャビティを載置することは可能であるが、最初は、高ス
ループットの臨床的スクリーニング用途に対する機能を例証するために４×５配
列を作製する。縮小した配列サイズは、捕捉用基質の作製および異種（ｈｅｔｅ
ｒｏｇｅｎｅｏｕｓ）パターンニングを簡素化すると共に、要求される標識オリ
ゴヌクレオチドの個数を減少するために使用される。
【０１０７】 簡素化のために、４×５キャビティ配列を用いた最初の考察は均質な単層パタ
ーンニングにより実施される。これは、相補的な合成オリゴヌクレオチド溶液が
各円筒状キャビティの表面にてハイブリッド形成することを意味する。
【０１０８】 次の工程は、異種パターンニングである。これらの考察、すなわちＨＩＶ−１
のために選択されたモデル系は、相当の臨床的関連性を有する。ＨＩＶ−１は約
１８種の亜型すなわち遺伝子型を有することが公知であり、これは微細加工配列
技術の可能性を明確に例証し得るものである。上記円筒状キャビティのほぼ平坦
な表面上に対しては、これらの１８種の遺伝子型の各々に対して相補的である合
成オリゴヌクレオチドから成る捕捉用基質が“スタンピング（ｓｔａｍｐｉｎｇ
）”によりパターンニングされる。スタンピングは、微小ピペットの配列を用い
て捕捉用基質を堆積する。
【０１０９】 ２つの円筒状キャビティのほぼ平坦な表面は、ニュートラアビジンのみにより
パターンニングされる。これらの２つのキャビティは基準の役割を果たすと共に
、非特異的結合の速度を示す。
【０１１０】 各円筒状キャビティの表面は次に、上記の１８種の合成オリゴヌクレオチドを
既知の組合せおよび濃度で含むサンプル被検体溶液に露出される。 各円筒状キャビティの表面における蛍光放出は、ＣＣＤ配列を用いて実質的に
同時に測定され、応答における均一性を決定する。もし応答が相当に非均一であ
れば、光分配ネットワークは再設計される。
【０１１１】 再び、この実施例は、個々のハイブリッド形成速度を示し、ウィルス負荷を評
価し、且つ、複数の非特異的結合プロセスの存在下においても依然として高感度
検出が実施され得ることを例証する。
【０１１２】 実施例６ バルク円筒状キャビティの開発 図３に関して本明細書中で先に記述されたように本発明の教示を取り入れたバ
ルク円筒状キャビティは、狭幅線調整可能なレーザ・ダイオードから発せられた
電磁放射線を、精密多軸ステージ上に取り付けられた（たとえば、側部研磨され
又は角部研磨された光ファイバなどの）伝播ポートを介して該バルク円筒状キャ
ビティ内に共鳴的に結合することで検査かつリファインされ得る。故にレーザ・
ラインは、各レーザ一により獲得される中央周波数およびＱ値が測定され得るよ
うに、共鳴をトレースするために掃引され得る。更に、これらの測定の間におい
ては（たとえば第２光ファイバなどの）反射ポートが使用され、伝播ポートおよ
び該反射ポートからのデータにより理論との比較が促進される。上記反射ポート
は円筒状キャビティのＱすなわち内部キャビティ・パワーを減少するが故に円筒
状キャビティの量子効率を減少することから、生体検知考察の間において上記反
射ポートは省略され得る。
【０１１３】 約５ｍｍの直径を有するバルク円筒状キャビティに対し、０．５μｍの波長の
励起放射線における各方位モード（ａｚｉｍｕｔｈａｌ ｍｏｄｅ）間のＦＳＲ
は約１３ＧＨｚである一方、１０6 のＱに対して共鳴線幅は６００ＭＨｚである
。これらの値は十分に、市販の調整可能レーザ・ダイオードの調整範囲および長
期周波数安定性の範囲内である。このサイズ（すなわち約５ｍｍの直径）の円筒
状キャビティに対する（数千もの）多数の半径方向モードに依り、個々のモード
は各共鳴線幅の強い重複により解像不可能となり得る。所定モードの周波数およ
び方位モーメントの両者が効率的な励起に整合しなければならないので、結合用
ファイバの研磨により、どのモードが観察され得るかが決定される。どのモード
が励起されるかは理論に対して詳細な比較を行うことにより制御されるが、これ
は重要な問題である、と言うのも、蛍光による生体検知に対しては大きな面積有
効範囲（１＞＞０）を有する高Ｑモードが望まれるからである。最適化によって
、約１０6 のＱおよび大きな表面積共鳴を有する円筒状キャビティが獲得され得
ると期待される。
【０１１４】 実施例７ バルクキャビティによるイムノアッセイ 上記バルク円筒状キャビティの実質的に平面的な検知表面上には、Ｅ．ｃｏｌ
ｉ Ｏ１５７：Ｈ７に対して特異的であるモノクローナル抗体を備えた捕捉用基
質が物理的に吸着される。この捕捉用基質単層は上記円筒状キャビティの共鳴を
それほど阻害するとは思われないが、この予測を確認するために付加的な測定が
行われる。
【０１１５】 上記被検体（すなわちＥ．ｃｏｌｉ Ｏ１５７：Ｈ７）は、ｎを試行番号とし
てＣn の濃度を有する溶液内で調製され、上記捕捉用基質と特異的に結合される
。
【０１１６】 上記捕捉用基質と被検体とのハイブリッド形成に続き、Ｅ．ｃｏｌｉ Ｏ１５
７：Ｈ７に特異的に結合する（Ｃｙ５−標識された）モノクローナル・トレーサ
抗体を用いて蛍光発色団が導入される。Ｃｙ５は、６４９ｎｍに吸収ピークを有
する指示薬染料であり、蛍光標識として一般的に使用される。１０6 個までのト
レーサ抗体がバクテリアに結合し得、これは、単一ＤＮＡ鎖を標識して増幅する
ためにポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を要するという分子診断検定に対して、
多価抗原によるイムノアッセイの１つの利点である、と言うのも、単結合バクテ
リアの蛍光検出が可能だからである。上記キャビティの頂部からの蛍光放出は低
ノイズの光検出器上へと作像されるが、信号強度は結合した被検体の濃度および
光学的励起パワーに比例する。
【０１１７】 これらの考察において根本的に重要なパラメータおよび比較が為され得るパラ
メータは溶液内の被検体の濃度であり、これは上記捕捉用基質により結合される
被検体の濃度に比例する。
【０１１８】 本発明に係る共鳴式光キャビティを用いると、バイオチップに匹敵する配列サ
イズが達成され得る一方、低い被検体濃度の検出を促進するために検知領域当た
りの高感度が維持される。本発明の共鳴式光キャビティは、実質的に同一の表面
積を有する平面的スラブ導波路により獲得可能な感度よりも約１０倍以上も大き
な感度を有すると確信される。
【０１１９】 本発明の共鳴式光キャビティはまた、導波路センサの（ハイブリッド形成の動
態に対する）リアルタイムで（高スループットに対する）並列な読み取りを行う
重要な機能も有する。
【０１２０】 上記の説明は多くの詳細を含むが、これらは本発明の範囲を制限するのでは無
く、現在において好適な実施形態の幾つかを例示するものと解釈されるべきであ
る。同様に、本発明の精神もしくは範囲から逸脱することなく、本発明の他の実
施形態が案出され得る。また個々の実施形態の特徴は、組合せて用いられ得る。
故に本発明の範囲は、上記の説明では無く添付の請求の範囲およびその法的均等
物によってのみ表現かつ限定される。本明細書中で開示された発明に対し、請求
の範囲の意味および範囲内での全ての付加、削除および改変は該請求の範囲によ
り包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 微細加工された円筒状共鳴式光キャビティを含む本発明のバイオセ
ンサの実施形態の概略図。
【図１Ａ】 図１に示された共鳴式光キャビティを微細加工する方法を概略的
に示す図。
【図１Ｂ】 図１に示された共鳴式光キャビティを微細加工する方法を概略的
に示す図。
【図１Ｃ】 図１に示された共鳴式光キャビティを微細加工する方法を概略的
に示す図。
【図１Ｄ】 図１に示された共鳴式光キャビティを微細加工する方法を概略的
に示す図。
【図１Ｅ】 図１に示された共鳴式光キャビティを微細加工する方法を概略的
に示す図。
【図１Ｆ】 図１に示された共鳴式光キャビティを微細加工する方法を概略的
に示す図。
【図２Ａ】 共鳴式光キャビティの配列内に含まれた図１の各共鳴式光キャビ
ティに対して伝播ポートが電磁放射線を供給し得る代表的様式を示す概略図。
【図２Ｂ】 共鳴式光キャビティの配列内に含まれた図１の各共鳴式光キャビ
ティに対して伝播ポートが電磁放射線を供給し得る代表的様式を示す概略図。
【図３】 バルク円筒状共鳴式光キャビティを含む本発明のバイオセンサの別
実施形態を概略的に示す図。
【図３Ａ】 図３に示された共鳴式光キャビティを作製する方法の概略図。
【図３Ｂ】 図３に示された共鳴式光キャビティの表面に対する複数の異なる
検知領域の包含を概略的に示す図。
【図４】 本発明の教示を取り入れた球状共鳴式光キャビティの概略図。
【図５】 質量検知技術を促進するために図１に示されたバイオセンサを備え
た反射ポートの用法を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 37/00 １０３ Ｇ０１Ｎ 37/00 １０３ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2G043 AA01 BA16 CA04 EA01 GA03 GB05 HA05 KA01 KA02 KA09 LA03 2G059 AA01 BB12 CC16 DD13 EE01 EE07 GG01 HH02 HH06 JJ17 KK01 PP01

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共鳴式光キャビティ（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ
    ｃａｖｉｔｙ）を備えたバイオセンサ。
  2. 【請求項２】 前記共鳴式光キャビティはほぼ平面である表面を備える請求
    項１記載のバイオセンサ。
  3. 【請求項３】 前記共鳴式光キャビティは円筒状である請求項２記載のバイ
    オセンサ。
  4. 【請求項４】 前記共鳴式光キャビティはほぼ球状である請求項１記載のバ
    イオセンサ。
  5. 【請求項５】 前記共鳴式光キャビティは少なくとも約１０4 のクオリティ
    ・ファクタを有する請求項１記載のバイオセンサ。
  6. 【請求項６】 前記共鳴式光キャビティは少なくとも約１０7 のクオリティ
    ・ファクタを有する請求項１記載のバイオセンサ。
  7. 【請求項７】 前記共鳴式光キャビティは約１０μｍ〜約１００μｍの直径
    を有する請求項３記載のバイオセンサ。
  8. 【請求項８】 前記共鳴式光キャビティは約１ｍｍ〜約１０ｍｍの直径を有
    する請求項３記載のバイオセンサ。
  9. 【請求項９】 共鳴式光キャビティの配列を備える請求項７記載のバイオセ
    ンサ。
  10. 【請求項１０】 前記共鳴式光キャビティの表面の近傍に該共鳴式光キャビ
    ティ内に電磁放射線を送出するように構成された伝播ポートを更に備えて成る請
    求項１記載のバイオセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記伝播ポートは、複数の共鳴式光キャビティ内に電磁放
    射線を送出すべく構成された導波路分配ネットワークを備え、該導波路分配ネッ
    トワークはバス・ネットワークおよび組合せツリー−バス・ネットワークの少な
    くとも一方を有する請求項１０記載のバイオセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記共鳴式光キャビティの表面上または同表面に隣接して
    固定化された少なくとも１つの捕捉用基質を更に備えて成る請求項１記載のバイ
    オセンサ。
  13. 【請求項１３】 前記表面上または同表面に隣接して固定化された複数の種
    類の捕捉用基質を備える請求項１２記載のバイオセンサ。
  14. 【請求項１４】 前記複数の種類の捕捉用基質は前記表面の異なる領域上ま
    たは同領域に隣接して固定化される請求項１３記載のバイオセンサ。
  15. 【請求項１５】 被検体に対する、または、該被検体と競合する分子に対す
    る前記少なくとも一種類の捕捉用基質の結合を検出すべく構成されたセンサを更
    に備えて成る請求項１２記載のバイオセンサ。
  16. 【請求項１６】 前記センサは質量および蛍光の少なくとも一方を検出すべ
    く構成される請求項１５記載のバイオセンサ。
  17. 【請求項１７】 前記共鳴式光キャビティは二重共鳴である請求項１記載の
    バイオセンサ。
  18. 【請求項１８】 前記共鳴式光キャビティは、ウィスパリング・ギャラリモ
    ードを生成し得ると共に、微細加工共鳴式光キャビティおよびバルク共鳴式光キ
    ャビティの少なくとも一方を備え、且つ、 当該バイオセンサは、 電磁放射線源と、 上記共鳴式光キャビティ内に電磁放射線を送出すべく上記電磁放射線源と連通
    し、かつ上記共鳴式光キャビティの表面の近傍に配設された伝播ポートと、 上記共鳴式光キャビティの実質的に無欠陥の表面上または同表面に隣接して固
    定化された少なくとも一種類の捕捉用基質と、 上記表面に対して固定化された分子の質量、および、上記表面に対して固定化
    された分子からの蛍光の少なくとも一方を検出すべく構成されたセンサと、 を更に備えて成る請求項１記載のバイオセンサ。
  19. 【請求項１９】 サンプル内の少なくとも一種類の被検体を検出する方法で
    あって、 共鳴式光キャビティの表面に対して固定化された少なくとも一種類の捕捉用基
    質を少なくとも一種類の被検体に対して触れさせるように上記表面に対してサン
    プルを塗付する工程と、 上記共鳴式光キャビティ内に電磁放射線を導入する工程と、 上記少なくとも一種類の捕捉用基質に対する上記少なくとも一種類の被検体の
    結合を検出する工程とを備える方法。
  20. 【請求項２０】 前記塗付工程は、蛍光的に標識された被検体と、前記少な
    くとも一種類の捕捉用基質上の結合部位に対して少なくとも一種類の被検体と競
    合する蛍光的に標識された分子との少なくとも一方を前記表面に塗付する工程か
    ら成る請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記検出工程は、一光子吸収および二光子吸収の少なくと
    も一方を採用して蛍光タグの励起を検出する工程から成る請求項２０記載の方法
    。
  22. 【請求項２２】 前記共鳴式光キャビティの二重共鳴により前記電磁放射線
    を光リサイクル（ｐｈｏｔｏ−ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ）する工程を更に備えて成る
    請求項１９記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記検出工程は質量検知工程から成る請求項１９記載の方
    法。
  24. 【請求項２４】 前記質量検知工程は、キャビティの離調により屈折率を測
    定する工程から成る請求項２３記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記検出工程は、ナノモル以下またはピコモル以下の少な
    くとも一方である少なくとも一種類の被検体の濃度により行われる請求項１９記
    載の方法。
  26. 【請求項２６】 共鳴式光キャビティの作製方法であって、 基板を配備する工程と、 上記基板上に対照層を作製する工程と、 共鳴式光キャビティを該対照層上に形成する工程とを備え、前記共鳴式光キャ
    ビティは前記対照層の屈折率の少なくとも約１．５倍の屈折率を有する作製方法
    。
  27. 【請求項２７】 前記基板を配備する前記工程は、ガラス、石英および半導
    体材料の少なくとも１つを配備する工程から成る請求項２６記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記共鳴式光キャビティを形成する前記工程は、 前記対照層上に酸化ケイ素および酸窒化ケイ素の少なくとも一方から成る材料
    層を形成する工程と、 上記材料層をパターンニングして該材料層から少なくとも１つの円筒状共鳴式
    光キャビティを形成する工程とから成る請求項２６記載の方法。
  29. 【請求項２９】 ガラスおよび石英の少なくとも一方から成るバルク円筒状
    基板を配備する工程と、 上記バルク円筒状基板の端部を研磨する工程と、 上記研磨端部にイオン交換導波路を形成する工程とを備える共鳴式光キャビテ
    ィの作製方法。
  30. 【請求項３０】 前記形成工程は、前記研磨端部に対してナトリウムイオン
    およびカリウムイオンの少なくとも一方を注入する工程から成る請求項２９記載
    の方法。
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