(57)【要約】      （修正有）【課題】異なる元素を目的の配置に簡便に配列する方法を提供する。【解決手段】有機物でできた微小鋳型構造体２０１の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体１０１〜１０４の表面に、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、基質、ＤＮＡ断片など結合選択性の高い生体分子３０１〜３０４をそれぞれ固定化し、レールＤＮＡ４０１を用いて、自己組織化により、異なる元素を目的の配置に配列する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であって、前記生体分子が、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、または基質である、生体分子結合微小体。
【請求項２】
有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆する工程、および
前記微小鋳型構造体に所望の生体分子を結合させる工程（但し、前記生体分子は、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、または基質である）、
を含む、生体分子結合微小体の作製方法。
【請求項３】
複数の電極が所望の位置に配置された基板を準備する工程、
１または複数の生体分子結合微小体およびレール生体分子の懸濁液を基板上に滴下する工程（但し、
前記生体分子結合微小体は、有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であり、
前記レール生体分子は、前記生体分子結合微小体の前記生体分子と特異的に結合する標的生体分子を含む）、
前記電極間に交流電場を印可し、前記生体分子結合微小体を所望の形状に配向させる工程、ならびに
前記懸濁液の溶媒を除去して、前記生体分子結合微小体を前記基板に吸着させる工程
を含む、前記微小体の配列方法。
【請求項４】
集積回路における金属配線を作製する方法であって、
複数の電極を所望の位置に配置した基板を準備する工程、
１または複数の生体分子結合微小体およびレール生体分子の懸濁液を基板上に滴下する工程（但し、
前記生体分子結合微小体は、有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体または絶縁体である微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であり、
前記レール生体分子は、前記生体分子結合微小体の生体分子と特異的に結合する標的生体分子を含む）、
前記電極間に交流電場を印可し、前記生体分子結合微小体を所望の形状に配向させる工程、
前記懸濁液の溶媒を除去して、前記生体分子結合微小体を前記基板に吸着させる工程、ならびに
前記有機物でできた微小鋳型構造体を除去する工程
を含む、集積回路における金属配線を作製する方法。
【請求項５】
集積回路における金属配線を作製する方法であって、
複数の電極を所望の位置に配置した基板を準備する工程、
１または複数の核酸結合微小体およびレールDNAの懸濁液を基板上に滴下する工程（但し、
前記核酸結合微小体は、有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体または絶縁体である微小体に、所望の核酸分子を結合させてなる核酸結合微小体であり、
前記レールDNAは、前記核酸結合微小体の核酸分子と相補的な核酸配列を含むDNA分子である）、
前記電極間に交流電場を印可し、前記核酸結合微小体を所望の形状に配向させる工程、
前記懸濁液の溶媒を除去して、前記核酸結合微小体を前記基板に吸着させる工程、ならびに
前記有機物でできた微小鋳型構造体を除去する工程
を含む、集積回路における金属配線を作製する方法。
【請求項６】
前記有機物でできた微小鋳型構造体を除去する工程が、前記有機物でできた微小鋳型構造体を、ドライエッチング処理、有機溶媒による洗浄、または加熱焼却により除去することを含む、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
前記生体分子結合微小体として、ｎ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体およびｐ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体にそれぞれ所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体を含み、前記集積回路がｎｐｎ型またはｐｎｐ型トランジスタである、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記生体分子結合微小体として、ｎ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体、ｐ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体、および絶縁体である微小体にそれぞれ所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体を含み、前記集積回路が、ｎｐｎ型またはｐｎｐ型電界効果トランジスタである、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記生体分子結合微小体として、アルメルの薄膜の層で被覆した微小体およびクロメルの薄膜の層で被覆した微小体にそれぞれ所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体を含み、前記集積回路が、Ｋ型熱電対である、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であって、
２つの異なる生体分子が前記微小体に結合しており、１つの前記生体分子は前記有機物でできた微小鋳型構造体に結合し、他の一つの前記生体分子は前記元素の薄膜に結合し、
前記生体分子は、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、または基質である、生体分子結合微小体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の生体分子結合微小体と、前記生体分子結合微小体の生体分子に特異的に結合する標的生体分子を含むレール生体分子との懸濁液に交流電場を印加する工程を含む、標的生体分子の配向を制御する方法。
【請求項１２】
前記生体分子がDNAである、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属、半導体などで構成された微小体（microscopic particle）を任意の配列で配置させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子（microparticle）などの微小体は、ナノメートルサイズの構造の物差しとして、新規デバイスの材料として、また、生命科学分野ではタンパク質やDNAを可視化するための標識物として、多岐に渡って利用されている。大きさの揃った様々な素材の微小体を作製することは、上記分野での研究開発推進に必須であり、本願の発明者らは、特開２００６−１５３８２６「生体試料標識物および生体物質標識法および生体物質の検査法」（特許文献１）、特許第５０４６２１０号「微粒子を形成する方法およびこの微粒子を利用した生体物質の検査法」（特許文献２）、および特開２０１１−１０１９４１「中空微小体およびその作製方法」（特許文献３）において、生体分子を標識するために利用することができる微小体の作成方法および電子顕微鏡を利用した検査法を提案した。
【０００３】
特開２００６−１５３８２６および特許第５０４６２１０号には、様々な元素で構成された微小体を用いてタンパク質やDNAなどの生体分子を標識する方法、走査型電子顕微鏡を利用した観察により微小体の元素の種類を特定する方法が開示されている。また、特開２０１１−１０１９４１には、ポリスチレン球などの有機物鋳型表面を金属で被覆した後に鋳型を分解して、生体試料の標識に利用できる中空状の微小体を作製する方法が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これらで開示された方法では細胞表面など任意の場所に存在する生体物質に微小体が付着して観察する方法は示されているが、任意の配列で異なる元素の微小体を直線状や網目状に配置する方法など、微小体自体を自在に配列させる方法は示されていない。
【０００５】
一方で、電気電子部品製作分野では、基板上に電気配線や回路部品を如何に微細かつ高密度に配置するかが性能向上を目指す上で鍵となっている。微細な集積電子回路を製作するために、光学技術や精密加工技術を応用して、現在では50nm以下の素子を作製することにも成功している。
【０００６】
しかし、従来技術ではシリコンなどの基板表面に感光剤を塗布する、あるいはリソグラフィ技術で基板を切削する手段で回路を製作するため、異なる多数の元素素子で構成された微細な集積回路を作製することは困難である。
【０００７】
他方で、生体分子の自己組織化を利用した回路や素子の作製は、特異性の高さやナノサイズ構造作製の容易さなどの観点から、近年注目を集めている。特にDNAを利用した自己組織化は、タンパク質に比べてDNAの構造が安定であるため取り扱いが容易であることやアデニン（A）、チミン（T）、グアニン（G）、シトシン（C）の各塩基間で対を形成する（AとT、GとCがそれぞれ特異的に結合）選択性の高さ、人工的な配列合成の容易さから、多くの研究が為され、DNAオリガミ（P.W.K. Rothemund, Nature, 440, 297-302 (2006)（非特許文献１））やDNAタイル（B. Wei, M. Dai, P. Yin, Nature, 485, 623-626 (2012)（非特許文献２））といった自己組織化ナノ構造の作製が実現化している。DNAの結合選択性はDNA断片の塩基配列により一意的に決定され、N塩基長のDNA断片では4のN乗の多様性を持つ（4はA, T, G, Cの4塩基種に由来する。例えば20塩基長のDNA断片は4の20乗の配列多様性を持つ）。これらのDNA自己組織化を回路作製に応用することができれば、生体分子の結合特異性を利用した素子集合体を容易且つ迅速に作製できると期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１５３８２６
【特許文献２】特許第５０４６２１０号
【特許文献３】特開２０１１−１０１９４１
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】P.W.K. Rothemund, Nature, 440, 297-302 (2006)
【非特許文献２】B. Wei, M. Dai, P. Yin, Nature, 485, 623-626 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、生体分子の自己組織化を応用しつつ異なる元素の微小体を簡便に配列させて素子を集積させる方法の開示が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記状況を鑑み、様々な元素の微小体の表面にDNAなど結合選択性の高い生体分子をそれぞれ固定化し、自己組織化により異なる元素を目的の配置に配列させる方法を提供する。
【００１２】
［１］有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であって、上記生体分子が、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、または基質である、生体分子結合微小体。
［２］有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆する工程、および
上記微小鋳型構造体に所望の生体分子を結合させる工程（但し、上記生体分子は、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、または基質である）、
を含む、生体分子結合微小体の作製方法。
［３］複数の電極が所望の位置に配置された基板を準備する工程、
１または複数の生体分子結合微小体およびレール生体分子の懸濁液を基板上に滴下する工程（但し、
上記生体分子結合微小体は、有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であり、
上記レール生体分子は、上記生体分子結合微小体の上記生体分子と特異的に結合する標的生体分子を含む）、
上記電極間に交流電場を印可し、上記生体分子結合微小体を所望の形状に配向させる工程、ならびに
上記懸濁液の溶媒を除去して、上記生体分子結合微小体を上記基板に吸着させる工程
を含む、上記微小体の配列方法。
［４］集積回路における金属配線を作製する方法であって、
複数の電極を所望の位置に配置した基板を準備する工程、
１または複数の生体分子結合微小体およびレール生体分子の懸濁液を基板上に滴下する工程（但し、
上記生体分子結合微小体は、有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体または絶縁体である微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であり、
上記レール生体分子は、上記生体分子結合微小体の生体分子と特異的に結合する標的生体分子を含む）、
上記電極間に交流電場を印可し、上記生体分子結合微小体を所望の形状に配向させる工程、
上記懸濁液の溶媒を除去して、上記生体分子結合微小体を上記基板に吸着させる工程、ならびに
上記有機物でできた微小鋳型構造体を除去する工程
を含む、集積回路における金属配線を作製する方法。
［５］集積回路における金属配線を作製する方法であって、
複数の電極を所望の位置に配置した基板を準備する工程、
１または複数の核酸結合微小体およびレールDNAの懸濁液を基板上に滴下する工程（但し、
上記核酸結合微小体は、有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体または絶縁体である微小体に、所望の核酸分子を結合させてなる核酸結合微小体であり、
上記レールDNAは、上記核酸結合微小体の核酸分子と相補的な核酸配列を含むDNA分子である）、
上記電極間に交流電場を印可し、上記核酸結合微小体を所望の形状に配向させる工程、
上記懸濁液の溶媒を除去して、上記核酸結合微小体を上記基板に吸着させる工程、ならびに
上記有機物でできた微小鋳型構造体を除去する工程
を含む、集積回路における金属配線を作製する方法。
［６］上記有機物でできた微小鋳型構造体を除去する工程が、上記有機物でできた微小鋳型構造体を、ドライエッチング処理、有機溶媒による洗浄、または加熱焼却により除去することを含む、上記［４］または［５］に記載の方法。
［７］上記生体分子結合微小体として、ｎ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体およびｐ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体にそれぞれ所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体を含み、上記集積回路がｎｐｎ型またはｐｎｐ型トランジスタである、上記［４］に記載の方法。
［８］上記生体分子結合微小体として、ｎ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体、ｐ型半導体の薄膜の層で被覆した微小体、および絶縁体である微小体にそれぞれ所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体を含み、上記集積回路が、ｎｐｎ型またはｐｎｐ型電界効果トランジスタである、上記［４］に記載の方法。
［９］上記生体分子結合微小体として、アルメルの薄膜の層で被覆した微小体およびクロメルの薄膜の層で被覆した微小体にそれぞれ所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体を含み、上記集積回路が、Ｋ型熱電対である、上記［４］に記載の方法。
［１０］有機物でできた微小鋳型構造体の少なくとも一部を遷移金属、金属、または半導体である１以上の元素の薄膜の層で被覆した微小体に、所望の生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体であって、
２つの異なる生体分子が上記微小体に結合しており、１つの上記生体分子は上記有機物でできた微小鋳型構造体に結合し、他の一つの上記生体分子は上記元素の薄膜に結合し、
上記生体分子は、核酸分子、タンパク質、タンパク質に特異的に結合する抗体、酵素、または基質である、生体分子結合微小体。
［１１］上記［１０］に記載の生体分子結合微小体と、上記生体分子結合微小体の生体分子に特異的に結合する標的生体分子を含むレール生体分子との懸濁液に交流電場を印加する工程を含む、標的生体分子の配向を制御する方法。
［１２］上記生体分子がDNAである、上記［１１］に記載の方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、異なる元素の素子をナノメートルレベルで集積配置した回路を簡便に作製できる。また、DNAの配列特異性を利用することで、膨大な数の素子の配置位置を一意的に決定して配列させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】(a)はDNA断片を取り付けた異なる元素の微小体の概念図、(b)はレールDNAを利用して微小体を一意的に配列させる反応の概念図、(c)は配列させた微小体を基板上に配置する方法の概念図である。
【図２】(a)は基板上に配置した微小体からDNAや微小体の有機物鋳型を除去する方法の概念図、(b)は有機物を除去した後に基板上に配置された微小体素子集合体の概念図である。
【図３】(a)2種類のDNA断片を取り付けた微小体の概念図、(b)は微小体に2種類の異なるレールDNAを結合させる反応の概念図、(c)は微小体を利用してレールDNAを分岐させて基板に配置した様子の概念図、(d)は分岐させた微小体構造を基板上に配置した様子の概念図、(e)は分岐を応用して微小体配線の幅を2倍にした様子の概念図である。
【図４】(a)は微小体配列法でnpn型トランジスタを作製した例、(b)はpnp型トランジスタを作製した例、(c)はnpn型電界効果トランジスタ(MOS-FET)を作製した例、(d)はpnp型MOS-FETを作製した例、(e)はK型熱電対を作製した例である。
【図５】(a)は微小体の異なる半球部分に異なるDNA断片を取り付けて2種類の相補的DNAを結合させた様子の概念図、(b)および(c)は交流電場印加により微小体を直線状に同じ方向(b)あるいは互い違い(c)に配向させた例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．本発明の生体分子結合微小体
本発明は、１つの実施形態において、微小鋳型有機物構造体（microscopic template structure made of an organic material）の少なくとも一部を遷移金属、金属または半導体の１以上の薄膜の層で被覆してなる微小体に生体分子を結合させてなる生体分子結合微小体（biological molecule-bound microscopic particle）を提供する。
【００１６】
本発明で用いる微小体（microscopic particle）は、製造過程で用いる鋳型の形に応じて変化し得、球形、半球形、円柱形、円錐形、角柱形などでありうるが、これらに限定されない。
【００１７】
本発明で用いる微小体のサイズ（または粒径）もまた、用途に応じて、製造過程で用いる鋳型のサイズに応じて変化させることができ、約1nm〜約1mmの範囲内にあり、好ましくは、約1nm〜約100μm、より好ましくは、約1nm〜1μm、最も好ましくは、約1nm〜500nmである。
【００１８】
本明細書中、単に「金属」という場合、典型元素の金属を指すものとする。「典型元素」とは、周期表の1族、2族と12族から18族の元素で、全ての非金属および一部の金属から構成される元素の区分である。本発明において使用される「金属」としては、例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉなどの金属が好ましい。
【００１９】
本明細書中、「遷移金属」とは、遷移元素を意味し、周期表の3族から11族の元素をいうものとする。本発明に使用する「遷移金属」としては、原子番号４３番を除く２１番から７９番までの遷移金属が好ましい。
【００２０】
本明細書中、「半導体」という用語は、当該分野で通常用いられる意味（「室温における電気伝導率σが、金属と絶縁体の中間の１０３〜１０−１０Ｓ／ｃｍ程度である物質」（岩波  理化学辞典  第５版、１９９８  岩波書店））で用いられる。本発明において使用する「半導体」としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが好ましい。
【００２１】
図１(a)は本発明で用いる微小体にDNA断片を取り付けた例を示す。この例では４種類の異なる元素101、102、103、104が球状の鋳型有機物構造体201に層状に被覆され、各鋳型構造体にDNA断片301、302、303、304が取り付けられた例を示している。元素の薄膜層は本例では1層で示してあるが、層の数、また微小体の形状などはこれに限定されない。それぞれの元素層の厚さは、典型的には、約0.5nm〜約1μmの範囲であり、より好ましくは、約1nmから500nmであり、最も好ましくは、約1nm〜約100nmの範囲であるが、これらの範囲に限定されず、下限は、約0.1nmから、上限は約10μmまでの任意の範囲で目的に応じて適宜設定可能である。微小体へ元素の層を形成する方法は、先行研究の例（H. Takei, J. Vac. Sci. Technol. B, 17, 1906-1911 (1999)、H. Kim, K. Yasuda, H. Takei, Sens. Actuators B, 142, 1-6 (2009))）に従うのがよいが、真空蒸着法やスパッタリング法などにより、微小体の鋳型となる、例えば、5nmから1ミクロンの有機物構造体201の上に、元素101、102、103、104を1nmから500nmの範囲で堆積させる。
【００２２】
鋳型有機物構造体の材料の非限定的な例としては、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルシロキサン（PDMS）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（PMMA）等が挙げられる。鋳型有機物構造体のサイズは、用途に応じて変化させることができ、約0.1nm〜約1mmの範囲内にあり、好ましくは、約1nm〜約500μm、より好ましくは、約1nm〜100μm、最も好ましくは、約1nm〜1μmである。球や円柱、円錐、賽子のような形状のものを用いることができる。
【００２３】
鋳型有機物構造体201にDNA断片301、302、303、304を結合させる方法としては様々な方法があり特に限定されないが、方針としては鋳型構造体201表面の官能基を標的として（あるいは官能基を導入して）2架性架橋剤もしくは縮合剤によりDNA断片末端の官能基と共有結合で結合させることが望ましい。一例としては、カルボキシル基が導入された鋳型構造体201を縮合剤である1-エチル-3-（3-ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩（EDC）で処理した後、3'末端もしくは5'末端に予めアミノ基を導入したDNA断片を反応させることで、DNA断片を鋳型構造体に固定化することができる。
【００２４】
DNA断片301、302、303、304を結合させる部位は鋳型構造体201に限らず、最終的に配列を望む配置に合わせて元素側の半球101、102、103、104に固定化してもよい。
【００２５】
DNA断片の長さは、典型的には3〜50,000塩基であるが、最も好ましくは10〜30塩基であり、例えば20塩基長のDNA断片を利用すれば4の20乗種類の異なる配列断片を得ることができる。また、長鎖DNA断片を固定化する場合は微生物DNAを用いることができ、例えば約50,000塩基長のラムダDNAから制限酵素により一部を切除して微小体に固定化するのがよい。
【００２６】
微小体に選択性を付与するための生体分子の種類は、取り扱いが容易で構造が安定な核酸（例：DNA、RNA）が最も好ましいがこれに限らず、特定のタンパク質に選択的に結合する抗体や酵素、基質なども利用できる。
【００２７】
２．本発明の微小体を配列させる方法
本発明は、１つの実施形態において、遷移金属、金属または半導体の１以上の薄膜の層を含む層状構造を備えた微小体を配列させる方法を提供する。
【００２８】
図1(b)はDNA断片を取り付けた微小体を配列させる方法に関する非限定的な例を示す。DNAの自己組織化による微小体の配列では、微小体に取り付けたDNA断片301、302、303、304の配列と相補的な部分配列を所望の順序および間隔で含む核酸配列からなる核酸分子であって、本発明の微小体を所望の順序および間隔で配列させるためのレールのような役割を果たすレールDNA401を利用するのがよい。レールDNA401の長さは、6〜500,000塩基の中から作製を望む微小体集合のサイズに合わせて選択するのがよい。1本鎖レールDNAの長さは典型的には20塩基で約5nmであるため、例えば1ミクロン長の微小体配列を作製する場合は4,000塩基長以上のレールDNAを用いればよい。溶液中で微小体101、102、103、104とレールDNA401を混合するのみで、レールDNA401上の、微小体に固定化したDNA断片301、302、303、304と相補的な領域に各微小体が結合する。この時、微小体の用途として金属配線の代用としての使用を望む場合は、レールDNA401上に各微小体が結合する領域を微小体の直径以下程度に設定し、各微小体を隙間無く配列させることが望ましい。例えば直径50nmの球状微小体を配線として使用する場合は、レールDNA上の微小体が結合する部位の間隔を50nm（200塩基）程度となるよう、レールDNAと微小体に取り付けるDNA断片301、302、303、304の塩基配列を設定する。
【００２９】
図1(c)はレールDNA401上の特定の部分に結合した微小体を任意の基板501上に配置する例である。基板の材質はシリコン、ガラス、雲母、プラスチックなどが一般的であるが、利用目的に応じてこれらに限定されない。基板501には微小体を目的の方向へ整列（例えば直線状に整列）させるための微小電極601が予め配置してある。レールDNAと微小体の結合体が懸濁された溶液を基板501上に滴下し、微小電極601に交流電場を印加することにより微小体を電極間に直線状に配向させることができる。印加する交流電場の周波数は、典型的には1Hz〜100MHzであり、電場強度は0.01〜500V/cmであるが、この範囲に限定されず、また印加する周波数や電場強度により微小体の配向構造が変化するため、作製を望む微小体構造に合わせて、例えば先行研究の例（S. Gangwal, O.J. Cayre, O.D. Velev, Langmuir, 24, 13312-13320 (2008)を参考に適切な値を選択するとよい。非限定的な一例としては、Auを被覆した直径4ミクロンの球状微小体に対して50kHz、50V/cmの交流電場を印加することにより、微小体を直線状に配向させることができる。その後、加熱や減圧により溶媒を除去することで、微小体101、102、103、104が配向したまま基板501上に物理吸着されて配置することができる。
【００３０】
直線状に配置した微小体を応用利用するための一例として、集積回路における金属配線の代用物として利用する場合は、有機物を除去する必要がある。有機物の除去にはUV-オゾン処理やプラズマエッチングなどのドライエッチング処理や、トルエンやベンゼンなどの有機溶媒による洗浄除去が考えられるが、ここでは最も単純な加熱焼却処理による例を説明する。図2は基板501上に配置した微小体101、102、103、104から有機物鋳型201、DNA断片301、302、303、304、およびレールDNA401を除去する工程の例である。図2(a)に示したように、微小体を配置した基板501全体を電気炉701の庫内にセットし、加熱源702により庫内を加熱する。加熱条件は使用する鋳型有機物201の種類やサイズにより適切に選択するのがよいが、一例としてポリスチレン球を鋳型として用いる場合は融点が240℃のため、庫内を500℃として24時間加熱処理するなどを行えばよい。図2(b)は有機物分解処理後の基板501と微小体101、102、103、104の配置図である。有機物鋳型201が除去されることにより微小体101、102、103、104が基板501と接触し、かつ各微小体間も接触している。
【００３１】
直鎖状の微小体を網目状に配置することを望む場合は、微小体に2種類以上のDNA断片を固定化する方法がある。図3(a)は塩基配列が異なる2種類のDNA断片301および305を有機物鋳型201に固定化した微小体101の例である。固定化法は先述のとおりであり、DNA断片を固定化する反応を行う際にDNA断片301および305の混合物を用いればよい。DNA断片301はレールDNA401の任意の部分に、DNA断片305は別のレールDNA402の末端に結合するようデザインした例を図3(b)に示す。この状態で基板501に滴下して配置すると図3(c)に模式的に示したような分岐したレールDNA構造が得られるが、先述と同様の手順で、予めレールDNA401および402に別の微小体102、103を結合させて基板501上に配置することにより、図3(d)に示したような分岐した直鎖状微小体の配線が得られる。図3(d)は最も単純な例を示しているが、2種類のDNA断片を固定化する微小体の数を増やすことで分岐点を増やすことが可能である。一例として、図3(d)には2種類のDNA断片を固定化した微小体101を2個用いて分岐点を2箇所設けた例を示している。図3(d)のように、同種の微小体が配線と直行する方向に2列に接するよう配置することで、幅が2倍となり抵抗値が半分になった微小体配線を得ることができる。以上は最も単純な分岐配線の例であるが、微小体に固定化するDNA断片の種類数を3、4種類と増やすことにより、また分岐と結合を縦横に巡らすことにより、複雑な微小体配線ネットワークを作製することができる。例えば図3(e)の例では、微小体103にもDNA断片を2種類固定化して配線と直行する方向にも微小なレールDNAを用いて架橋することにより、より強固で特異的な構造を持つ微小体配線となる。
【００３２】
集積微小体の応用例として、トランジスタ構造の作製について示す。図4(a)、(b)は先述の微小体配線法により、npn型およびpnp型トランジスタを作製した例である。微小体105の材質をp型半導体、106をn型半導体、107を金属とすることにより、各トランジスタ構造となり、3箇所の分岐点と電極を接続することにより、各分岐点がそれぞれベース(B)、エミッタ(E)、コレクタ(C)となる。p型半導体105は例えばホウ素やアルミニウムを添加したシリコン、n型半導体106は例えばリンやヒ素を添加したシリコン、金属107はAuやAg、Cuなどが適しているが、電気的特性が合致する範囲でこれらの材質に限られない。また、図4(c)、(d)は同様にnpn型およびpnp型電界効果トランジスタ（MOS-FET）を作製した例である。105の材質をp型半導体、106をn型半導体、107を金属、さらに108を絶縁体とし、3箇所の分岐点と電極を接続することにより、各分岐点がそれぞれゲート(G)、ソース(S)、ドレイン(D)となる。絶縁体108は例えば二酸化ケイ素（SiO2）などが適しているが、電気的特性が合致する範囲でこれらの材質に限られない。以上はひとつのトランジスタ構造のみを搭載した最も単純な微小体配置例であるが、先述の方法で分岐点を増やすことによりトランジスタ構造を集積した回路をDNA自己組織化により作製することができる。また、微小体の直径を30nm以下とすることにより、現在の半導体技術で到達できていない30nm以下の素子集積構造を作製することが可能となる。
【００３３】
集積微小体の別の応用例として、超小型熱電対の作製方法を示す。図4(e)はクロメル製の微小体109とアルメル製の微小体110を直線状に配置してK型熱電対を作製した例である。各微小体109、110の接合部に温度差が生じた時、クロメル側末端がプラス、アルメル側末端がマイナスとなるような起電力が発生してその値を読み取ることにより温度測定が可能である。図では最も単純な、ひとつのK型熱電対を作製した例であるが、多数の配線を配置すること、あるいは多数の分岐点を設けることにより、小型で集積した熱電対アレイを作製することが可能である。ひとつの熱電対のサイズは微小体のサイズに依存し、例えば30nmのナノ粒子で熱電対構造を作製すると幅30nmのナノ熱電対が作製される。
【００３４】
微小体による配向配列の別の例として、微小体を方向制御が可能な2架性架橋剤として利用する例を示す。図5(a)は有機物鋳型201にDNA断片301を、微小体の元素被覆半球側101に別のDNA断片306をそれぞれ固定化し、各DNA断片と結合する相補的レールDNA401、403を結合させた例である。各レールDNAは微小体の異なる半球側のみにしか結合できず、そのため結合部位に極性が生じる。これらレールDNAを直鎖状に配向させる場合は、有機物分解処理を行わないまま微小電極601の間に配置し、先述の方法で交流電場を印加することにより、微小体が同一方向（図5(b)）あるいは互い違い（図5(c)）に配向するため、その結果、微小体に結合したレールDNA401、403も同一方向あるいは互い違いに配向する。配向の方向は交流周波数を変化させることにより制御可能であるため、可逆的に分子の向きを変化させることができる。図では最も単純な例であるレールDNAの配向について説明したが、全く同様な手順で2種類の抗体を微小体の各半球にそれぞれ固定化し、各抗体に結合する標的分子（タンパク質など）を各微小体半球に反応させることで、標的分子の配向方向を交流周波数の変化により制御可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は上述のように、DNAをはじめとする生体分子の自己組織化を利用して微小体を任意の配列で基板上に配置させることができる。これにより、従来困難であった異なる材質のナノ構造体を容易に集積させることが可能となり、また30nm以下の素子集積構造を作製することができる。さらに微小体を2架性架橋剤として利用することにより、交流電場などの外部入力でDNAや抗体、基質を含む任意の分子の配向方向を制御可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
101、102、103、104…それぞれ異なる元素薄膜で被覆され構成された微小体、105…p型半導体の微小体、106…n型半導体の微小体、107…金属の微小体、108…絶縁体の微小体、109…クロメルの微小体、110…アルメルの微小体、201…有機物鋳型、301、302、303、304、305、306…微小体表面に固定化するDNA断片、401、402、403…微小体を配列させるためのレールDNA、501…基板、601…微小体を配向させるための微小電極、701…電気炉、702…電気炉の加熱源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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