JP2007508565A - センサーとしての多孔質微小球レゾネータ - Google Patents

Abstract

マイクロレゾネータ（４００）上に多孔質表面（４０２）を使用することによって、マイクロレゾネータ表面上またはその付近に捕捉される材料の量を増加させることができ、その結果、その材料と、マイクロレゾネータのささやきの回廊モードを伝搬する光との間の光学的相互作用が増加する。

Description

本発明は、一般に光学デバイスに関し、特にマイクロレゾネータに基づく光学デバイスに関する。

誘電性の微小球あるいは平面導波路の環型または円板型レゾネータは、バイオセンシングなどの検出用途において注目が集まってきている。これらの種類のレゾネータの大きさは、典型的には、微小球の場合で約２０μｍ〜数ミリメートルであり、環型または円板型レゾネータの場合で５μｍ〜数十μｍである。このような微小球および環型または円板型レゾネータは、マイクロレゾネータと呼ばれることが多い。マイクロレゾネータに基づくバイオセンサーの最も一般的な構成では、たとえば１〜５μｍの大きさにテーパーが付けられたりエッチングされたりして特殊な形状に調整された光ファイバーなどの光学導波路と近接してマイクロレゾネータが配置される。

導波路にテーパーを付けて修正することによって導波路の外側に実質的な光学場が形成され、これによって光がマイクロレゾネータ内と結合して、ささやきの回廊モード（ＷＧＭ）と呼ばれることが多い固有モードを励起することができる。低損失材料からできた高表面品質のマイクロレゾネータが使用される場合、ＷＧＭ中を伝搬する光の伝搬損失が非常に少なく、Ｑ因子とも呼ばれる品質係数が非常に高くなることができ、最高１０９の値が実現可能である。この高いＱ因子のため、光は微小球レゾネータ内部で非常に長時間循環することができ、この結果、キャビティモードにおいて非常に大きく場が増強され、非常に長い有効光路長がえられる。このため、非線形の光学的用途および検出用途においてこのような装置が有用となる。検出用途においては、検出すべき試料がこの球の表面上に配置され、ここでこれらが、マイクロレゾネータの外部で利用可能なＷＧＭのエバネッセント部分と相互作用する。場が増強され、光と試料との間の相互作用長さが増加するため、マイクロレゾネータに基づく光学センサーは、高感度および／または低検出限界を特徴とする。

マイクロレゾネータの表面に導入される材料の量を増加させることが望ましい種々の用途が存在する。多孔質表面を使用することで、マイクロレゾネータの表面上またはその付近に捕捉される材料の量を増加させることができ、それによって、その材料とマイクロレゾネータ内を伝搬する光との間の光学的相互作用が増加する。したがって、本発明の一部は、少なくともマイクロレゾネータの表面上に多孔質材料を導入することに関する。

このような用途の１つは、検体を検出するためのセンサー中にマイクロレゾネータが使用される場合である。マイクロレゾネータに基づくセンサーは高感度であるが、このような装置の感度をさらに増加させること、たとえば検出限界を低下させることがなお求められている。微小球レゾネータの高感度は、ある程度は、前述の項で説明したように、ＷＧＭ中の光と球面上の試料との間の大きな有効相互作用領域によるものである。多孔質表面を使用することによって、マイクロレゾネータ内を電波する光との光学的相互作用に寄与する検体が多くなる。本発明の特定の一実施態様は、光を発生する光源と、光源からの光を受信するように結合した第１の導波路とを含むマイクロレゾネータデバイスに関する。第１の導波路から微小球内に入る光を結合させるために、少なくとも１つのマイクロレゾネータが配置される。このマイクロレゾネータは、ささやきの回廊モードを画定し、少なくとも１つの多孔質表面領域を有する。

本発明の別の実施態様は、検体を検出する方法に関する。この方法は、光を第１の導波路に通すステップと、第１の導波路からの光を、多孔質表面領域を有するマイクロレゾネータと結合させるステップとを含む。その結合多孔質結合領域は、検体を含有する流体で覆われている。マイクロレゾネータからの光が監視され、監視した光から検体の存在が判定される。

本発明の別の実施態様は、マイクロレゾネータとして機能する本体を有し、少なくとも第１の波長においてささやきの回廊モードを画定するマイクロレゾネータに関する。この本体の少なくとも外側の部分は多孔質である。

以上の本発明の要約は、本発明のすべての説明的実施態様およびすべての実施を説明することを意図したものではない。以下の図面および詳細な説明によって、これらの実施態様をさらに例示する。

添付の図面と関連した本発明の種々の実施態様の以下の詳細な説明を考慮することによって、本発明をより十分に理解できるであろう。

本発明は種々の修正および代替形態に適用できる、それらの細部については、たとえば図面中に示されているし、これより詳細に説明していく。しかし、記載される特定の実施態様に本発明が限定されることを意図するものではないことを理解されたい。むしろ、添付の請求項によって定義される本発明の意図および範囲に含まれるすべての修正、同等物、および代替物を含むことを意図している。

本発明は、微小球、および微小な平面状の環型または円板型のレゾネータなどのマイクロレゾネータを能動および／または受動用途で使用する光学デバイスに適用可能である。本発明は、マイクロレゾネータの表面上またはその付近に検出すべき材料が配置される場合の検出用途においてこのようなマイクロレゾネータを使用すると特に有用であると考えられる。

マイクロレゾネータを使用する代表的なシステム１００を概略的に図１Ａに示している。この特定のシステム１００は、センサーデバイス中に使用することができる。光源１０２から光は導波路１０４に沿って検出器ユニット１０６に向かう。マイクロレゾネータ１１０は、導波路１０４に光結合される。光源１０２からの光１０８は導波路１０４内に送られ、検出器ユニット１０６に向かって伝搬する。マイクロレゾネータ１１０は、導波路１０４から出てくる光１０８の一部とエバネッセント結合する。出力結合した光１１２は、マイクロレゾネータ１１０の共振周波数の１つにおいてマイクロレゾネータ１１０内部を伝播する。

光源１０２は、あらゆる好適な種類の光源であってよい。効率および感度を増大させるためには、レーザーダイオードなどのレーザーなど、光源は、導波路１０４に効率的に結合する光を発生すると好都合である。光源１０４は、検出される化学種と相互作用する波長の光１０８を発生する。光源１０４は、調整可能であってよく、さらに単一縦モードで光１０８を発生してもよいし、しなくてもよい。

光源１０２は、導波路１０４が１つの導波路となる多数の異なる導波路中に光を送ることができる。導波路１０４はあらゆる好適な種類の導波路であってよく、たとえば、シリカ基体中に形成される導波路などの基体中または基体上に形成される平面導波路またはチャネル導波路であってよい。導波路１０４は光ファイバーであってもよい。

検出器ユニット１０６は、光を検出するためのフォトダイオードまたはフォトトランジスタなどの光検出器を含む。検出器ユニットは、光検出器に到達する光の波長を決定する波長選択的デバイスを含むこともできる。この波長選択的デバイスは、たとえば、フィルタ、または分光計であってよい。分光器などの波長選択的装置は、光検出器に入射する光の波長を使用者が積極的に変化させられるように調整可能であってよい。

マイクロレゾネータ１１０は、導波路１０４と接触しているか、またはそれと非常に接近しているかであり、それによって導波路１０４に沿って伝搬する光１０６の一部が、マイクロレゾネータ１１０とエバネッセント結合する。典型的には導波路１０４は、マイクロレゾネータ１１０が導波路１０４と結合する位置において、クラッディングを有さないか、非常に薄いクラッディングを有するかであり、これによって、マイクロレゾネータ１１０が導波路コアと直接結合する。

図１Ｂに別の種類のマイクロレゾネータデバイス１５０が概略的に示されている。このデバイス１５０では、マイクロレゾネータ１１０からの光１５８が第２の導波路１５４と結合して、検出器１０６まで伝搬する。この構成では、検出器１０６は、光源１０２からの光を直接には検出しない。

光は、いわゆる「ささやきの回廊モード」でマイクロレゾネータ１１０内を伝搬し、その例が図２に概略的に示される。ささやきの回廊モード（ＷＧＭ）２０２においては、光は、起点からある数の全内部反射を介して起点に戻るまで、マイクロレゾネータ２１０のまわりを伝播する。図示される実施態様では、ＷＧＭ２０２は、１周する間に合計８回の内部反射を含んでいる。異なる数の全内部反射に対応する別のＷＧＭで光がマイクロレゾネータ２１０内を伝搬できることも理解されたい。

さらに、マイクロレゾネータ２１０のＷＧＭは、ささやきの回廊モードの１周の長さの整数分の一に波長が等しい光では高Ｑモードとなる。言い換えると、ささやきの回廊モードは、１周後に建設的干渉となる波長の光の場合にのみ高Ｑを示す。この共振条件は数学的には：
λ_m＝Ｌ／ｍ （１）
と記載することができ、上式中、λ_mはｍ番目のモードの波長であり、ＬはＷＧＭの１周の光路長であり、ｍは整数でありモード数と呼ばれる。本発明のマイクロレゾネータは、共振条件（１）を満たす導波路１０４からの光と効率的に結合する。

マイクロレゾネータ２１０側でＷＧＭが始まる場合のＷＧＭの振幅は、マイクロレゾネータ２１０の内面においてピークとなる。ＷＧＭの振幅は、ｄ≒λ／ｎで与えられる指数関数的減衰因子ｄでマイクロレゾネータ２１０の外部で指数関数的に減衰し、上式中、λは光の波長であり、ｎはマイクロレゾネータ２１０の外の媒体の屈折率である。この場振幅が、断面線ＡＡ’に沿ったＷＧＭ２０２で図２に概略的に示されている。

検出されるべき検体の試料は、マイクロレゾネータの表面に導入される。方法の１つでは、マイクロレゾネータ表面の少なくとも多孔質領域、または場合によってはマイクロレゾネータ全体が、検体を含有する流体に曝露される。たとえば、この流体は、溶液中または懸濁液中に検体を含有する液体であってよいし、検体を含有する気体混合物であってもよい。ＷＧＭと、マイクロレゾネータ表面上の検体との間の光−物質相互作用は、エバネッセント結合を介して実現される。

この光−物質相互作用はＷＧＭの局所電界強度に比例するので、感度を増加させるための方法の１つは、最大電界を示す試料を使用し、それによってＷＧＭとの最大の相互作用を実現することである。さらに、マイクロレゾネータの内部と外部との間の屈折率の変化は、表面の吸着領域および試料の分子量に依存する。単層または非常に薄い層のみを形成する低分子量分子の検出の場合には特に、相互作用領域がより広いことが望ましい。

本発明によると、マイクロレゾネータは、少なくともマイクロレゾネータの表面で多孔質材料を使用して形成される。たとえば、マイクロレゾネータは、全体を多孔質材料から形成することもできるし、非多孔質材料の中心コアと、非多孔質コアの周囲の多孔質材料のコーティングとから形成することもできる。いずれの場合も、Ｑ因子に対する有意な影響を回避するために、多孔質材料の孔径は、好都合にはプローブ光の波長未満となるべきである。

特定の一実施態様の層状型多孔質マイクロレゾネータ３００が図３に概略的に示されており、これはコア３０４を覆う多孔質層３０２を有する。コア３０４は、非多孔質材料でできていてもよいし、中空コアであってもよい。多孔質層３０２が空気（または水などの溶液）で置き換えられた場合と比較すると、ＷＧＭの電界が多孔質層３０２の方に引き寄せられる。したがって、図３に示されるように、検出が行わる多孔質層３０２中にこの電界の大部分が存在し、これより検体をより強い電界に曝露させることができ、それによって光と検体との間の相互作用が増加する。さらに、多孔質層３０２を使用することによって、ＷＧＭ３０６の領域内で検体を高濃度にすることができ、さらに光−検体相互作用を増大させることができる。検体の密度は、少なくとも一部はマイクロレゾネータの表面積に依存し、マイクロレゾネータ上で検体が単層を形成する傾向にあるので、表面積が増加することによって、検体を取り付けることができる部位が増加する。多孔質表面を使用することによって表面積が増加する。一例では、非多孔質粒子の表面積は約１ｍ²／材料１ｇ（１ｍ²／ｇ）程度である。多孔質材料の表面積は１０００ｍ²／ｇ以上の範囲となることができる。多孔質材料がコア周囲の多孔質材料層である場合、その多孔質層の厚さをλ未満にすることができ、ここでλは、マイクロレゾネータのＷＧＭの励起に使用される光の波長である。多孔質層の厚さはλ／１０未満にすることができる。

別のデザインの層状マイクロレゾネータ４００を、図４に概略的に示している。この実施態様においては、多孔質層４０２の厚さはコア４０４周囲全体で一定ではない。この実施態様の利点の１つは、多孔質層４０２の最も薄い部分４０６が導波路４０８と近接している場合、ＷＧＭ４１０と導波路４０８との間で光が結合する場合に発生する散乱損失が減少することである。次に、ＷＧＭ４１０と結合した光は、検出するための多孔質層４０２に断熱的に転送される。

マイクロレゾネータの多孔質表面は、所望の検体を引き寄せるために改質することができる。所望の検体が多孔質表面に引き寄せられた後、または多孔質表面に接近した後、マイクロレゾネータのスペクトル特性が変化する場合がある。たとえば、タンパク質、ＤＮＡ分子、ウイルス、または細菌を引き寄せるようにマイクロレゾネータ表面を処理することができる。タンパク質を引き寄せるように処理したマイクロレゾネータの一例では、そのマイクロレゾネータ表面を、抗体または抗原のいずれかで最初に処理することができ、それによって、検体溶液中に入れた場合に、他方の抗体および抗原がマイクロレゾネータに引き寄せられる。この抗原は、細菌の細胞壁上に発現されるものでもよく、この場合、その細菌をマイクロレゾネータに引き寄せることができる。

ＤＮＡ分子を引き寄せるように処理したマイクロレゾネータの一例では、マイクロレゾネータの多孔質表面上に特異的ＤＮＡ鎖を固定化することによって、そのマイクロレゾネータを最初に処理することができる。マイクロレゾネータ表面上に固定化されるＤＮＡ鎖は非常に選択性が高く、その相補鎖（ｃＤＮＡ）とのみ結合する。ウイルスバイオセンサーは、その多孔質表面に結合した相補的ＤＮＡセグメントを有することができる。このセグメントは、典型的には、より大きなウイルスＤＮＡ分子の一部に対して相補的である。このｃＤＮＡセグメントは好ましくは、ウイルスＤＮＡ分子と強く結合するのに十分な長さである。次に、ウイルスＤＮＡ分子の存在は、光学的に確認することができる。マイクロレゾネータへのＤＮＡの使用は、Ｓ．チャン（Ｃｈａｎ）ら，「バイオセンシングのためのナノスケールケイ素マイクロキャビティ」（Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ），Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃ １５，ｐｐ．２７７−２８２（２００１）にさらに記載されており、この記載内容は本明細書に援用される。

マイクロレゾネータには、あらゆる好適な種類の材料を使用することができる。マイクロレゾネータが、コアを覆う多孔質層を含む方法においては、このコアは、シリカガラス；改質ケイ酸塩ガラス、たとえばアルカリケイ酸塩ガラス；重金属酸化物ガラス；ハロゲン化物ガラス、たとえばフッ化物ガラス；オキシハロゲン化物ガラス；カルコゲニドガラス；およびリン酸塩ガラスなどのあらゆる好適な種類のガラスであってよい。さらに、コアは中空であってもよく、完全に中実である必要はない。したがって、コアは中空球などの中空体であってよい。

多孔質材料層は、分析に使用される波長に対して透明であるあらゆる好適な多孔質材料から形成することができる。たとえば、多孔質層は、ゾル−ゲルコーティング、界面活性剤を鋳型とした材料、微粒子コーティング、液体層などから形成することができる。

ニューヨークのコーニング・インコーポレイテッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．，ＮＹ）より入手可能な多孔質ガラスのバイコール（Ｖｙｃｏｒ）（登録商標）などの多孔質材料から、マイクロレゾネータ全体を形成することもできる。

さらに、多孔質層に光学活性材料をドープすることができる。たとえば、光学利得が得られる希土類イオンなどの光学的に励起可能な化学種を多孔質層の材料にドープすることができる。したがって、マイクロレゾネータ内を伝搬する光を使用して光学的に励起可能な化学種をポンピングさせることで、光学的に励起可能な化学種により増幅可能な波長において利得および／またはレーザー発振を得ることができる。本発明のマイクロレゾネータは、光学的に励起可能な化学種によって増幅可能な波長で発振することができる。したがって、本発明のマイクロレゾネータを使用すると、導波路からマイクロレゾネータで結合する波長とは異なる光の波長を使用して検体の検出することができる。

異なる種類の光学活性材料をマイクロレゾネータ表面に導入して、マイクロレゾネータのＷＧＭ内を伝播する光と相互作用させることができる。このような相互作用としては、たとえば、吸光、発光、または他の種類の相互作用を挙げることができる。たとえば、マイクロレゾネータ表面に有機染料を導入することができ、この場合、マイクロレゾネータ内部を伝搬する光によって染料が蛍光を発する。この場合、マイクロレゾネータ表面に導入される材料によって増幅される光の波長において、ＷＧＭ上で発振が起こることもある。

実施例１：多孔質層
コアを覆う多孔質層を形成するために、界面活性剤などの孔隙形成剤が含まれるゾル−ゲル法を使用する。これによって、孔径の制御が可能となり、たとえば約２〜約５０ｎｍの範囲の直径で、直径制御が＜１０％となるユニモーダルの孔隙などの、ある大きさの識別が可能となる。ストーバー（Ｓｔｏｂｅｒ）球が使用される場合、その直径は約２ｎｍ〜１０００ｎｍ以上の範囲である。

単純なシステムの１つは、テトラエトキシシラン、非イオン界面活性剤、酸、水、およびエタノールを混合してコーティング溶液を調整するステップを含む。この溶液を、浸漬または吹き付けによってコア球に適用することができる。希望するなら、液体抽出または加熱によって界面活性剤を除去することができる。孔隙の壁は、シランカップリング剤によって官能化させることができる。

実施例２：多孔質層
微小球レゾネータ上およびシリコン基体上に、界面活性剤を鋳型としたシリカ薄膜を浸漬コーティングした。これらのレゾネータおよびシリコン基体を４００℃で１５分間焼成するして界面活性剤を除去すると、ナノメートルの直径のユニモーダルな孔隙が残った。この薄膜の多孔度は約２５〜約５０体積％の範囲であり、屈折率は１．２１〜１．３４の範囲である。

この実施例では、４つの試料が２組（８つの条件）存在することを意図している。第１の組は４０〜５５ｎｍの範囲の薄膜厚さを有し、第２の組は２３０〜２８０ｎｍの範囲の薄膜厚さを有する。コーティング溶液中のシリカ濃度が、厚さの制御に重要な要因となる。各組の４つの試料は、小さな（約３ｎｍ）孔径の２つの試料と、大きな（約１０ｎｍ）孔径の２つの試料である。界面活性剤配合重量によって孔径が制御される。どちらの組の孔径も、プローブ光波長（＞４００ｎｍ）よりもはるかに小さいことを注意されたい。これらの多孔質コーティングは、検体が導入される表面を増加させることによって、レゾネータバイオセンサーの感度を増加させるのに役立つと予想される。この実施例で示されているコーティングはシリカを主成分としているが、基本的には金属酸化物、金属硫化物、金属、またはポリマーを諸成分としてよい。

３つの因子で２つの量の全要因計画実験（８つの条件）を使用して、表Ｉに記載の要因のコーティング厚さ、コーティング多孔度、加熱収縮、屈折率、および孔径に対する影響を調べた。８つのレゾネータ（各条件ごとに１つ）および１６のシリコン基体（各条件ごとに２つ）に界面活性剤を鋳型としたシリカ薄膜をコーティングした。それぞれの条件における各微小球、およびコーティングしたシリコン基体の１つを焼成した（詳細は後述を参照）。シリコン基体上の製造後および焼成後の薄膜を、楕円偏光法によって広範に特性決定した。シリコン基体で焼成した薄膜は、レゾネータ上で焼成した薄膜の妥当な近似となると仮定している。

コーティングしたレゾネータ（およびシリコン基体）の作製における第１のステップは、２．１６Ｍのテトラエトキシシランを主成分とする溶液の合成であった。表ＩＩに示す対応する量の界面活性剤およびエタノール溶媒を加えることによって、この溶液から８種類のコーティング溶液を調製した。

９Ｌフラスコ中で、８９２ｍＬの無水エタノール（アーパー・アルコール・アンド・ケミカル・カンパニー（Ａａｐｅｒ Ａｌｃｏｈｏｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）、ケンタッキー州シェルビービル（Ｓｈｅｌｂｙｖｉｌｌｅ，ＫＹ））、８９２ｍＬのテトラエトキシシラン（アルファ・エイサー（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）、マサチューセッツ州ウォードヒル（Ｗａｒｄ Ｈｉｌｌ，ＭＡ））、７１．９７ｍＬの脱イオン水（１８ＭΩ）、および０．０２１０ｍＬの濃ＨＣＬ（ＪＴベーカー（ＪＴ Ｂａｋｅｒ）、ニュージャージー州フィリップスバーグ（Ｐｈｉｌｌｉｐｓｂｕｒｇ，ＮＪ）；２９％水溶液）を混合することによって、２．１６Ｍのシリカゾルストック溶液を調製した。この溶液を、オーバーヘッド空気駆動式撹拌機で撹拌し、プログラミング可能なホットプレート（温度プローブ付き）上で６０℃で９０分間加熱した。溶液を冷却した後、ポリプロピレン瓶中０℃で保管した。

表ＩＩに記載される酸調整したＴＥＯＳ溶液を調製するために、３４．４８ｍＬの前段落の２．１６ＭＴＥＯＳストック溶液、４．１４ｍＬの０．０７ＮのＨＣｌ、および１．３８ｍＬの脱イオン水（１８ＭΩ）を、６０ｍＬのポリプロピレン瓶中で混合した。

表ＩＩに示される処方を使用して８種類のコーティング溶液を調製した。マイクロピペットを使用して、所定量の酸調整したＴＥＯＳ溶液を６０ｍＬのポリプロピレン瓶に移した。界面活性剤およびエタノールをこの瓶に加え、透明な均一溶液が形成されるまで内容物を激しく振盪した。界面活性剤は、プルロニック（Ｐｌｕｒｏｎｉｃ）Ｐ１２３（ＥＯ₂₀ＰＯ₇₀ＥＯ₂₀）（ＢＡＳＦ、ニュージャージー州マウント・オリーブ（Ｍｏｕｎｔ Ｏｌｉｖｅ，ＮＪ））および臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＨ₃Ｃ₁₅Ｈ₃₀Ｎ（ＣＨ₃）₃ＢｒまたはＣＴＡＢ；アルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，ＷＩ））であった。

表ＩＩに示される各コーティング溶液を２０ｍＬシンチレーションバイアルに移した。シリコンウエハ＜１００＞カット、ｐ型、Ｂドープ（ニューハンプシャー州ナシュアのシリコン・センス（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｅｎｓｅ，Ｎａｓｈｕａ，ＮＨ）製の３インチ）を約１ｃｍ×２ｃｍの区画に切断した。これらのウエハを、リキノックス（ＬＩＱＵＩＮＯＸ）／脱イオン水溶液中で２分間超音波処理することによって洗浄した。次に、コーティングの前にこれらの基体を脱イオン水で２分間洗浄し、エタノールで洗浄した。

各バイアルを、浸漬コーティング室に連続して入れた。２つのＳｉウエハおよび１つの微小球を各溶液中で順にコーティングした。得られたウエハおよび微小球を垂直に維持した。コーティング溶液への浸漬速度およびこの溶液からの引き抜き速度は０．５ｃｍ／ｓであった。これらのコーティングを風乾した。

３日後、各試料の種類の１つのウエハおよびコーティングした各レゾネータを４００℃の加熱炉に入れて１５分間焼成した。試料焼成までの時間はこれほど長くする必要はなく、数時間と短くすることもできる。

これらのウエハ試料を冷却した後、焼成後および製造後の薄膜に対して楕円偏光法を行った。単色ＨｅＮｅレーザーからの６３２．８ｎｍの光を使用するゲルトナー（Ｇａｅｒｔｎｅｒ）Ｌ１１６Ａ楕円偏光計（イリノイ州スコーキー（Ｓｋｏｋｉｅ，ＩＬ））で５０°および７０°において、シリコンウエハ上の薄膜のデータ（ψおよびδ）を測定した。各資料につき少なくとも３点を測定した。報告している値は平均値である。楕円偏光計に付属のソフトウェアによって、単層薄膜の厚さｔ、および屈折率ｎの値を求めた。基体のパラメータは屈折率Ｎｓ＝３．８５０；吸収係数Ｋｓ＝−０．０２０；波長６３２．８ｎｍであった。表ＩＩＩおよびＩＶならびに図５および６に結果を報告する。

図５は、楕円偏光法で測定した製造後および焼成後の試料の薄膜厚さ値ｔのグラフを示している。図６は、楕円偏光法で測定したシリコンウエハ上の製造後および焼成後の試料の屈折率値ｎのグラフを示している。

焼成後試料のデータでは、厚さ、屈折率、収縮、および多孔度の出力を得るために、主効果プロット、相互作用プロット、立方体プロット（ｃｕｂｅ ｐｌｏｔ）、および効果解析（パレート（Ｐａｒｅｔｏ））を行った。これらの結果を表Ｖにまとめている。

予想されたように、コーティング厚さとシリカ濃度との間に強い相関関係が存在する。コーティング多孔度または屈折率といずれかの因子との間に統計的に有意な相関関係は存在しない。収縮と界面活性剤の種類／濃度との間に相関関係が存在する。特に、収縮の最大値は、大きい界面活性剤および低反応物濃度、または小さい界面活性剤および高反応物濃度の場合に得られる傾向にある。

実施例３：多孔質マイクロレゾネータを使用した実験結果
実施例２に概略が示される手順に従って製造したマイクロレゾネータの有効Ｑ因子を測定するための実験を行った。実験の配置は図１Ａと類似のものであった。各実験において、ファイバー１０８をマイクロレゾネータ１１０と接触させ、両者を水中に浸漬した。調整可能なダイオードレーザー（ニュー・フォーカス（Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ）のベロシティ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）６３０４）を、中心波長が約６３０ｎｍである光源１０２として使用した。レーザー内部のピエゾアクチュエーターを作動させて電圧を変化させることで、レーザーから発せられる光の波長を調整した。この波長がマイクロレゾネータの１つ以上のささやきの回廊モード１１２と共振すると、マイクロレゾネータと結合するレーザー出力量が増加して、検出器１０６の出力が低下した。

図７は、レーザー調整の関数としての検出器における検出信号を示しており、この場合、マイクロレゾネータは表ＩＩの試料番号６に従って作製した。これらの結果からこのマイクロレゾネータのＱ因子を約１．４×１０⁶と推定した。図８は、レーザー調整の関数としての検出器における検出信号を示しており、この場合、マイクロレゾネータは表ＩＩの試料番号７に従って作製した。これらの結果からこのマイクロレゾネータのＱ因子を約２．８×１０⁶と推定した。

これら２つの結果は、多孔質外部層を有するマイクロレゾネータにおいても高いＱ因子を実現できることを立証している。

前述したように、本発明は、マイクロレゾネータに適用可能であり、マイクロレゾネータが検出用途に使用される場合に特に有用となると考えられる。本発明が、以上の特定の実施例に限定されると見なすべきではなく、本発明は、添付の請求項において公正に記載される本発明のすべての態様を含むものと理解すべきである。本発明が適用可能な種々の修正、同等の方法、および多数の構造は、本明細書を検討することによって、本発明が関する当業者によって容易に明らかとなるであろう。本発明の請求項は、このような修正および装置を含むことを意図している。

マイクロレゾネータに基づくデバイスの一実施態様を概略的に示している。 マイクロレゾネータに基づくデバイスの一実施態様を概略的に示している。 マイクロレゾネータ内を伝搬する光の電界分布を概略的に示している。 本発明の原理によるマイクロレゾネータの一実施態様の内部を伝搬する光の電界分布を概略的に示している。 本発明の原理によるマイクロレゾネータの別の実施態様を概略的に示している。 本発明により製造した種々の試料について実験的に求めた多孔質薄膜の厚さを示すグラフを表している。 本発明により製造した種々の試料について実験的に求めた屈折率値を示すグラフを表している。 本発明の原理により製造したマイクロレゾネータの一実施態様について実験的に求めた共振プロットを示すグラフを表している。 本発明の原理により製造したマイクロレゾネータの一実施態様について実験的に求めた共振プロットを示すグラフを表している。

Claims (19)

1. 光を発生する光源と、
   前記光源からの前記光を受信するよう結合した第１の導波路と、
   前記第１の導波路から微小球に光を結合させるように配置された少なくとも１つのマイクロレゾネータと、を含み、前記マイクロレゾネータが、ささやきの回廊モードを画定し、少なくとも１つの多孔質表面領域を有するマイクロレゾネータシステム。
2. 前記導波路を介して前記光源から前記マイクロレゾネータに結合した前記光によって、前記ささやきの回廊モードが励起可能であり、前記ささやきの回廊モードが前記多孔質表面領域と光結合している、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マイクロレゾネータ全体が多孔質材から形成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記マイクロレゾネータが、コアを覆う多孔質外部層を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記マイクロレゾネータからの光を受信するよう光結合した検出器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記検出器が、前記第１の導波路を介して前記マイクロレゾネータからの光を受信するよう光結合している、請求項５に記載のシステム。
7. 前記マイクロレゾネータと前記検出器との間の光を結合させる第２の導波路をさらに含む、請求項５に記載のシステム。
8. 前記マイクロレゾネータの前記多孔質表面領域が、検体を引き寄せるよう改質されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記マイクロレゾネータの前記多孔質表面領域に、抗原および関連する抗体の一方が設けられている、請求項８に記載のシステム。
10. 液体媒体および気体媒体の一方の中の検体をさらに含み、前記多孔質表面領域が前記液体媒体に曝露される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記マイクロレゾネータが、前記多孔質領域上に界面活性剤を鋳型としたコーティングを含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記多孔質表面領域が、前記光源によって得られる前記光の波長の１０分の１未満の厚さを有する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記多孔質表面領域上に光学活性材料をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
14. 検体の検出方法であって、
    光を第１の導波路中に通すステップと、
    前記第１の導波路からの光を多孔質表面領域を有するマイクロレゾネータと結合させるステップと、
    その結合多孔質表面領域を、前記検体を含有する流体に曝露するステップと、
    前記マイクロレゾネータからの光を監視するステップと、
    前記監視した光から前記検体の存在を判定するステップと、を含む方法。
15. 前記マイクロレゾネータと結合した前記光の波長を走査するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
16. 少なくとも第１の波長でささやきの回廊モードを画定するマイクロレゾネータとして機能する本体を含み、前記本体の少なくとも一部の表面部分が多孔質であるマイクロレゾネータ。
17. 前記本体が実質的に球状である、請求項１６に記載のマイクロレゾネータ。
18. 前記本体が実質的に平面状である、請求項１６に記載のマイクロレゾネータ。
19. 前記本体全体が多孔質材料から形成される、請求項１６に記載のマイクロレゾネータ。

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