(57)【要約】本発明は概して、ナノバイオエレクトロニクスに関し、場合によっては、ナノチューブおよび／またはナノワイヤ等のナノ電子要素と、ニューロン等の生物学的構成要素とを備える回路に関する。一側面では、ニューロン等の細胞は、１本以上のナノスケールワイヤと電気的に連通して位置付けられる。ナノスケールワイヤは、細胞を刺激するため、および／または細胞の電気的状態を決定するために使用することができる。２本以上のナノスケールワイヤは、例えば、細胞の異なる領域において、細胞と電気的に連通して位置付けることができる。しかし、ナノスケールワイヤは、例えば、わずか約２００ｎｍだけ間隔をあけて比較的共に近くなるように位置付けることができる。ナノスケールワイヤは、例えば電極間で基板上に配置することができ、細胞は、例えばポリリシン等の細胞接着因子を使用して基板に接着することができる。
2009540798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケールワイヤと、
前記ナノスケールワイヤと電気的に連通している細胞と、
を備える、物品。
【請求項２】
前記ナノスケールワイヤに電流を通過させるように構成および配設される電気回路をさらに備える、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記細胞は、前記ナノスケールワイヤと物理的に接触している、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記細胞は、ニューロンである、請求項１に記載の物品。
【請求項５】
それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも１０本のナノスケールワイヤを備える、請求項１に記載の物品。
【請求項６】
それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも４０本のナノスケールワイヤを備える、請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記ナノスケールワイヤは、ナノワイヤである、請求項１に記載の物品。
【請求項８】
前記ナノスケールワイヤは、ナノチューブである、請求項１に記載の物品。
【請求項９】
前記ナノスケールワイヤは、半導体ナノワイヤである、請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
前記細胞は、前記ナノスケールワイヤに電流を通過させることによって、前記細胞の電気状態を変えることが可能となるように、前記ナノスケールワイヤと電気的に連通している、請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
前記細胞は、電界効果トランジスタと電気的に連通し、前記電界効果トランジスタは、前記ナノスケールワイヤを備える、請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
前記物品は、論理ゲートである、請求項１に記載の物品。
【請求項１３】
前記論理ゲートは、ＮＯＲ論理ゲートである、請求項１２に記載の物品。
【請求項１４】
前記論理ゲートは、多入力論理ゲートである、請求項１２に記載の物品。
【請求項１５】
前記細胞と電気的に連通している検出電極をさらに備える、請求項１に記載の物品。
【請求項１６】
前記検出電極は、ナノスケールワイヤである、請求項１５に記載の物品。
【請求項１７】
細胞と物理的に接触しているナノスケールワイヤに電流を通過させるステップを含む、方法。
【請求項１８】
前記ナノスケールワイヤで前記細胞を電気的に刺激するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記細胞は、ニューロンである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ニューロンが脱分極するのに十分な電流を前記ナノスケールワイヤに通過させるステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記細胞の電気状態を変えることが可能である疑いのある化学種に、前記細胞を暴露するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記電流による、前記細胞における電気的反応を記録するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気的反応は、活動電位である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ナノスケールワイヤを使用して細胞の電気状態を決定するステップを含む、方法。
【請求項２５】
前記細胞は、ニューロンである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ニューロンの軸索の電気状態を決定するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ニューロンの樹状突起の電気状態を決定するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記ニューロンの細胞体の電気状態を決定するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記ナノスケールワイヤを使用して前記細胞の活動電位を決定するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
複数のナノスケールワイヤを使用して細胞の前記電気状態を記録するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１０本のナノスケールワイヤを使用して細胞の前記電気状態を記録するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
少なくとも４０本のナノスケールワイヤを使用して細胞の前記電気状態を記録するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
細胞と、
前記細胞と電気的に連通している第１の電極と、
前記細胞と電気的に連通している第２の電極と、
を備える物品であって、
前記第１の電極および前記第２の電極は、わずか約２００ｎｍの距離によって分離される、物品。
【請求項３４】
前記第１の電極および前記第２の電極は、わずか約１５０ｎｍの距離によって分離される、請求項３３に記載の物品。
【請求項３５】
前記第１の電極および前記第２の電極は、わずか約１００ｎｍの距離によって分離される、請求項３３に記載の物品。
【請求項３６】
基板の表面と、
前記基板上で実質的に平行である複数のナノスケールワイヤと、
前記基板の少なくとも一部に蒸着される細胞接着因子と、
を備える、物品。
【請求項３７】
前記細胞接着因子は、ポリリシンを備える、請求項３６に記載の物品。
【請求項３８】
ナノスケールワイヤを備える基板上に細胞接着因子を蒸着するステップを含む、方法。
【請求項３９】
第１の電気コネクタと、第２の電気コネクタと、前記第１の電気コネクタおよび前記第２の電気コネクタの両方と物理的に接触しているナノスケールワイヤと、
前記ナノスケールワイヤと物理的に接触している細胞と、
を備える、物品。
【請求項４０】
前記物品は、複数の第１の電気コネクタと、第２の電気コネクタと、ナノスケールワイヤとを備え、前記細胞は、前記複数のナノスケールワイヤのうちの少なくともいくつかと物理的に接触している、請求項３９に記載の物品。
【請求項４１】
前記第１の電気コネクタは、互いに実質的に平行であり、前記第２の電気コネクタは、互いに実質的に平行である、請求項４０に記載の物品。
【請求項４２】
前記細胞は、ニューロンである、請求項３９に記載の物品。
【請求項４３】
細胞と、
それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも３個の電極であって、前記細胞の異なる領域を独立して測定する各電極と、
を備える、物品。
【請求項４４】
前記物品は、それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも４個の電極であって、前記細胞の異なる領域を独立して測定する各電極を備える、請求項４３に記載の物品。
【請求項４５】
前記物品は、それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも１０個の電極であって、前記細胞の異なる領域を独立して測定する各電極を備える、請求項４３に記載の物品。
【請求項４６】
前記物品は、それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも２５個の電極であって、前記細胞の異なる領域を独立して測定する各電極を備える、請求項４３に記載の物品。
【請求項４７】
前記物品は、それぞれ前記細胞と電気的に連通している少なくとも４０個の電極であって、前記細胞の異なる領域を独立して測定する各電極を備える、請求項４３に記載の物品。
【請求項４８】
前記電極の少なくとも１つは、ナノスケールワイヤを備える、請求項４３に記載の物品。
【請求項４９】
細胞と、
前記細胞と電気的に連通しているｐ型材料を備える第１の電極と、
前記細胞と電気的に連通しているｎ型材料を備える第２の電極と、
を備える、物品。
【請求項５０】
前記細胞と電気的に連通しているｐ型材料を備える第３の電極をさらに備える、請求項４９に記載の物品。
【請求項５１】
前記細胞と電気的に連通しているｎ型材料を備える第４の電極をさらに備える、請求項５０に記載の物品。
【請求項５２】
神経毒への暴露時に非活性化することが可能である論理ゲートを備える、物品。
【請求項５３】
前記神経毒は、テトロドトキシンを備える、請求項５２に記載の物品。
【請求項５４】
前記論理ゲートは、ＮＯＲ論理ゲートである、請求項５２に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２００６年３月１５日に出願された、Ｐａｔｏｌｓｋｙらによる「Ｎａｎｏｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」という表題の、米国仮特許出願第６０／７８３，２０３号の利益を主張する。
【０００２】
（政府の基金）
本発明の種々の局面を導いた研究は、少なくとも部分的に、ＤＡＲＰＡによって支援された。米国合衆国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、概して、ナノバイオエレクトロニクスに関し、場合によっては、ナノチューブおよび／またはナノワイヤ等のナノ電子要素と、ニューロン等の生物学的構成要素とを備える回路に関する。
【背景技術】
【０００４】
（背景）
電気生理学的測定により、マイクロピペット電極および微細加工電極配列の使用は、個々のニューロンおよび神経回路網を通る信号伝搬の理解において重要な役割を果たした。マイクロピペット電極は、比較的良好な空間分解能で、体外および体内で細胞内および細胞外電位を刺激して記録することが可能であるが、多重化が困難である。電極アレイ等の微細加工構造は、回路網を調査するために必要とされる比較的多数の電極からの多重化記録を可能にしているが、個々の細胞のレベルにおける微粒子情報を提供するのに必要な解像度が不足している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、概して、ナノバイオエレクトロニクスに関し、場合によっては、ナノチューブおよび／またはナノワイヤ等のナノ電子要素と、ニューロン等の生物学的構成要素とを備える回路に関する。本発明の対象物は、場合によっては、相関製品、特定の問題に対する代替的解決法、および／または１つ以上のシステムおよび／または物品の複数の異なる使用を伴う。
【０００６】
本発明の様々な側面を本願に付属する請求項に記載する。
【０００７】
一側面では、本発明は物品を対象にする。１式の実施形態では、物品は、ナノスケールワイヤと、ナノスケールワイヤと電気的に連通している細胞とを含む。物品は、別の１式の実施形態では、細胞と、細胞と電気的に連通している第１の電極と、細胞と電気的に連通している第２の電極とを含む。場合によっては、第１の電極および第２の電極は、わずか２００ｎｍの距離によって分離される。物品は、さらに別の１式の実施形態では、基板の表面と、基板上で実質的に平行である複数のナノスケールワイヤと、基板の少なくとも一部に蒸着される細胞接着因子とを含む。
【０００８】
１式の実施形態では、物品は、第１の電気コネクタと、第２の電気コネクタと、第１の電気コネクタおよび第２の電気コネクタの両方と物理的に接触しているナノスケールワイヤと、ナノスケールワイヤと物理的に接触している細胞とを含む。物品は、別の１式の実施形態では、細胞と、それぞれ細胞と電気的に連通している少なくとも３個の電極であって、細胞の異なる領域を独立して測定する各電極とを含む。なおもさらに別の１式の実施形態によれば、物品は、細胞と、細胞と電気的に連通しているｐ型材料を備える第１の電極と、細胞と電気的に連通しているｎ型材料を備える第２の電極とを含む。１式の実施形態では、物品は、神経毒への暴露時に非活性化することが可能である論理ゲートを含む。
【０００９】
本発明の別の側面は方法を対象にする。方法は、１式の実施形態では、細胞と物理的に接触しているナノスケールワイヤに電流を通過させる行為を含む。別の１式の実施形態では、方法は、ナノスケールワイヤを使用して細胞の電気状態を決定する行為を含む。方法は、さらに別の１式の実施形態では、ナノスケールワイヤを備える基板に細胞接着因子を蒸着する行為を含む。
【００１０】
別の側面では、本発明は、本願で説明される実施形態のうちの１つ以上、例えば、ナノスケールワイヤと、ナノスケールワイヤと電気的に連通している細胞とを備える物品を製作する方法を対象にする。別の側面では、本発明は、本願で説明される実施形態のうちの１つ以上、例えば、ナノスケールワイヤと、およびナノスケールワイヤと電気的に連通している細胞とを備える物品を使用する方法を対象にする。
【００１１】
本発明の他の利点および新規機能は、添付の図と併せて考慮すると、本発明の様々な非限定的実施形態の次の詳細な説明より明らかになるであろう。本明細書および参照することにより組み込まれる文書が、矛盾する、および／または一貫性のない開示を含む場合、本明細書が制御するものとする。参照することにより組み込まれる２つ以上の文書が、互いに対して矛盾する、および／または一貫性のない開示をふくむ場合は、発効日が遅い文書が制御するものとする。
【００１２】
本発明の非限定的実施形態を、一例として、概略であり、一定の縮尺で描かれることを目的としない添付の図を参照して説明する。図中、図示される各同一またはほぼ同一の構成要素は、典型的に単一数字によって表される。明確にする目的で、当業者に本発明を理解させるために解説が必要でない場合は、全構成要素が全数字で標識化されるわけでも、本発明の各実施形態の全構成要素が示されるわけでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（詳細な説明）
本発明は概して、ナノバイオエレクトロニクスに関し、場合によっては、ナノチューブおよび／またはナノワイヤ等のナノ電子要素と、ニューロン等の生物学的構成要素とを備える回路に関する。一側面では、ニューロン等の細胞は、１本以上のナノスケールワイヤと電気的に連通して位置付けられる。ナノスケールワイヤは、細胞を刺激するため、および／または細胞の電気的状態を決定するために使用することができる。２本以上のナノスケールワイヤは、例えば、細胞の異なる領域において、細胞と電気的に連通して位置付けることができる。しかし、ナノスケールワイヤは、例えば、わずか約２００ｎｍだけ間隔をあけて比較的共に近くなるように位置付けることができる。ナノスケールワイヤは、例えば電極間で基板上に配置することができ、細胞は、例えばポリリシン等の細胞接着因子を使用して基板に接着することができる。また本発明の他の側面では、そのような装置を製作および使用するための方法、同一物を使用するためのキット、および同類のものも提供される。
【００１４】
本発明の一側面では、ニューロン等の細胞は、下記で詳細に説明されるように、１本以上のナノスケールワイヤ、例えばナノワイヤ（例えば半導体ナノワイヤ）および／またはナノチューブと電気的に連通して位置付けられる。事実上、膜電位等の電気的挙動を示すいずれの細胞も使用することが可能である。例えば、細胞は、（例えば、薬物または外部電位の印加等の外部刺激に応じて、時間の関数として即時に）膜電位を測定することが望ましい細胞であってよく、細胞は、電界を検出するために使用することが可能な細胞であってよく（例えば、サメ等の特定種類の生物に存在するロレンチニ器官からの細胞）、または細胞は、電気信号、例えば、ニューロン（活動電位を生成することが可能である）または電気細胞（電気ウナギまたはシビレエイ等の生物において放電を生成するために使用される）を生成することが可能である細胞であってよい。
【００１５】
ナノスケールワイヤは、細胞の一部と電気的に連通してよく、すなわち、ナノスケールワイヤが、細胞および／または細胞の領域の電気的挙動を決定または影響することが可能となるように、ナノスケールワイヤを細胞に対して位置付けることができる。ナノスケールワイヤは、典型的に、細胞の異なる領域を測定または決定するためにナノスケールワイヤを使用することが可能となるような寸法である。非限定的な例として、細胞がニューロンである場合、ナノスケールワイヤが、ニューロンの軸索、樹状突起、および／または細胞体の一部の電気的挙動を決定または影響することが可能となるように、ナノスケールワイヤを位置付けることができる。ナノスケールは、細胞と物理的に接触してよく、または物理的に接触しないが、細胞の電気状態の変化が、ナノスケールワイヤの電気状態に影響を及ぼすことが可能となるように、および／またはその逆も同様となるように、位置付けてよい。
【００１６】
１式の実施形態では、ナノスケールワイヤと電気的に連通している細胞は、電流を通すことによって、またはナノスケールワイヤに電位を印加することによって、電気的に刺激することが可能であり、それは、細胞の電気状態に影響を及ぼすために使用することができる。例えば、細胞の膜電位は、電気刺激時に変えることができ、または、十分な電流または電位の印加時に、ニューロンを刺激してニューロンを分極化（例えば過分極化）または脱分極化させることが可能である。加えて、場合によっては、細胞の電気状態は、下記で論じられるように、別のナノスケールワイヤ等の検出電極を使用して決定することが可能である。
【００１７】
別の１式の実施形態では、細胞の分極化または脱分極化、活動電位、プラズマ膜電位の変化、または同類のもの等の細胞の電気状態の変化は、伝導度の変化等の、細胞と電気的に連通しているナノスケールワイヤの電気状態の変化を引き起こすことができ、その変化は、例えば当業者に周知の技法を使用して、何らかの方法で決定および／または記録することが可能である。したがって、本発明の一実施形態は、ナノスケールワイヤを使用した細胞の電気状態の決定を提供する。例えば、ナノスケールワイヤが電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のトランジスタの一部である場合、当業者に周知の技法を使用してＦＥＴの状態を決定することによって、電気状態の変化に対する細胞の電気的反応を決定することができる。場合によっては、細胞は、電気的に刺激された、例えば、細胞と電気的に連通している別のナノスケールワイヤ等の、電極に電流または電位を印加することによって電気的に刺激されたものであってもよい。具体的な例として、ニューロン、またはその一部（例えば、軸索、樹状突起、または細胞体等）の電気状態は、ニューロンと電気的に連通しているナノスケールワイヤを使用して決定することができる。例えば、ニューロンは脱分極化（例えば、化学種、またはニューロンを脱分極化することが可能なナノスケールワイヤまたは他の電極への暴露により）することができ、ニューロンを通して活動電位の形成および伝搬を引き起こし、その活動電位はナノスケールワイヤを使用して決定することができる。
【００１８】
一部の実施形態では、細胞の電気状態は、細胞の電気状態を変えることが可能であると疑われる化学種に、細胞を暴露することによって変えることができる。例えば、細胞の電気状態を変えるために、そして場合によっては、ニューロン等の細胞を分極化（例えば過分極化）または脱分極化させるために、細胞の脱分極化を促進することが可能な化学種、または細胞の脱分極化を抑制する化学種を使用することが可能である。１式の実施形態では、化学種は、テトロドトキシン（電位依存性ナトリウムチャネルの孔に結合することによって神経中の活動電位を妨害することができる）、またはバトラコトキシン（ナトリウムイオン透過性の増加による脱分極化を引き起こすことによって神経系に影響を及ぼすことができる）等の神経毒を備える。そのような化学種は、場合によっては、細胞を非活性化または破壊し、ある実施形態では、例えば、細胞が装置の構成要素として使用される場合、化学種は装置を不活性化することができる。
【００１９】
その小さいサイズにより、別の１式の実施形態によれば、例えばナノスケールワイヤを備える２つ以上の電極は、細胞またはその一部と電気的に連通して位置付けることができる。例えば、少なくとも３本、少なくとも４本、少なくとも５本、少なくとも１０本、少なくとも１５本、少なくとも２０本、少なくとも２５本、少なくとも３０本、少なくとも３５本、少なくとも４０本、少なくとも４５本、または少なくとも５０本以上のナノスケールワイヤは、細胞またはその一部、例えば、細胞がニューロンであれば軸索および／または樹状突起と電気的に連通して位置付けることができる。よって、細胞の異なる領域を独立して測定するために、複数のナノスケールワイヤをそれぞれ使用することが可能である。
【００２０】
２本以上のナノスケールワイヤが存在する場合、ナノスケールワイヤはそれぞれ独立して、同じ、または異なってよい。例えば、ナノスケールワイヤは、ドープ型または非ドープ型であってよく、および／またはｐ型またはｎ型材料を備えてよい。例えば、１本、２本、３本、または４本等のｐ型ナノスケールワイヤ、および１本、２本、３本、または４本等のｎ型ナノスケールワイヤは、それぞれ細胞と電気的に連通していてよく、かつ、例えば交互基準でいずれの適切な配置に配設してもよい。
【００２１】
場合によっては、ナノスケールワイヤは、互いに比較的近く位置付けることができる。例えば、ナノスケールワイヤは、わずか約２００ｎｍ、約１５０ｎｍ、または約１００ｎｍの距離によって分離されるように位置付けることができる。場合によっては、ナノスケールワイヤは、互いに実質的に平行となるように位置付けることができる。例えば、ナノスケールワイヤが第１および第２の電気コネクタ間に配置されるように、ナノスケールワイヤを位置付けることができ（その電気コネクタの一方または両方も実質的に平行であってよい）、細胞は、ナノスケールワイヤのうちの少なくともいくつかと接触するように位置付けることができる。
【００２２】
１式の実施形態では、ナノスケールワイヤおよび／または細胞は、基板の表面上に位置付けられる。適切な基板および基板材料は、下記でさらに詳しく論じる。場合によっては、基板の表面は、細胞の結合がそこに発生することを可能にするあらゆる方法で処理することができる。例えば、表面は、多種多様の親水性および／または細胞親和性材料、例えば、露出カルボン酸、アルコール、および／またはアミノ基を有する材料のうちのいずれかでイオン化および／または被覆することができる。別の１式の実施形態では、基板の表面は、表面上でカルボン酸、アルコール、および／またはアミノ基を生成するような方式で反応させることができる。場合によっては、基板への細胞の接着性を促進するために、細胞接着因子、すなわち、細胞の接着または結合を推進する生物材料、例えば、ポリリシンまたはその他のポリアミノ酸、フィブロネクチン、ラミニン、ビトロネクチン、アルブミン、コラーゲン、またはＲＧＤ配列を含有するペプチドまたはタンパク質等の材料を使用することができる。細胞接着因子は基板の全体または少なくとも一部に蒸着することができる。
【００２３】
本発明の別の側面は、前述のように、１本以上のナノスケールワイヤと電気的に連通して位置付けられる、ニューロン等の細胞を含む電気装置を提供する。１式の実施形態では、電気装置は、論理ゲート、例えば、ＯＲゲートまたはＮＯＲゲートである。ＮＯＲゲートは、入力のいずれかが１であれば０を出力するが、全入力が０であれば１を出力する論理ゲートである。論理ゲートは、２つより多い入力を備えることができ、すなわち、論理ゲートは多入力論理ゲートである。場合によっては、論理ゲートは、１つ以上の細胞（例えば、細胞のうちの１つ以上がニューロンであれば、それぞれが互いに電気的に連通してよい）、および１つ以上の細胞と電気的に連通して位置付けられる複数のナノスケールワイヤを備えることができ、その場合、ナノスケールワイヤのうちの１本以上は入力の役割を果たし、１本以上のナノスケールワイヤは出力の役割を果たす。例えば、１本のナノスケールワイヤが出力の役割を果たすことができる（例えば、ナノスケールワイヤの電気状態が、当業者に周知の技法を使用した何らかの方法で決定されるように）一方で、他のナノスケールワイヤは、１つ以上の細胞への入力として使用される（例えば、分極化、過分極化、脱分極化等を介して、例えば、細胞を電気的に刺激または抑制するためにナノスケールワイヤが使用されるように）。そのような場合、１つ（以上）の細胞を論理素子の構成要素として使用することができる。したがって、別の１式の実施形態では、（例えば論理素子として）細胞およびナノスケールワイヤを備える計算装置を、本願で説明されるシステムおよび方法を使用して加工することができる。
【００２４】
本発明のある側面は、例えば、上記の実施形態のいずれかで使用するための、１つ以上の半導体および／または金属化合物を備えるナノスコピックワイヤまたは他のナノ構造材料を含む。場合によっては、半導体および／または金属は、例えばドープされたナノスコピックワイヤでのように、化学的および／または物理的に組み合わせることができる。ナノスコピックワイヤは、例えば、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノウィスカ、またはナノチューブであってよい。ナノスコピックワイヤは、例えば、半導体部品、経路等として、装置で使用することができる。本発明で使用するためのナノスケールワイヤ、および他の導体または半導体の選択の基準は、場合によっては、ナノスケールワイヤが検体と相互作用することが可能であるかどうか、または、適切な反応実体、例えば結合相手が、ナノスケールワイヤの表面に容易に付着することが可能であるか、または適切な反応実体、例えば結合相手が、ナノスケールワイヤの表面付近にあるかどうかに基づく。ナノスケールワイヤを含む、適切な導体または半導体の選択は明白となり、かつ本開示の利益により当業者によって容易に再現可能となるであろう。
【００２５】
本発明に従って使用されるような多くのナノスコピックワイヤは、個別ナノスコピックワイヤである。本願で使用されるような、「個別ナノスコピックワイヤ」は、別のナノスコピックワイヤとの接触がないナノスコピックワイヤを意味する（しかし、例えば、クロスバー配列のような、個別ナノスコピックワイヤ間で望ましい場合のある種類の接触を除外しない）。例えば、「個別」または「独立」物品は、その寿命におけるある時点で、例えば別のナノスコピックワイヤにより、別の物品に付着されなくてよく、独立物品は溶液中にあってよい。このことは、約２ｎｍから約５０ｎｍ以上の直径を有し、多くの個別ナノチューブを含有するロープとして形成される材料を生産するレーザ蒸発技法によって主に生産されるナノチューブとは対照的である。このことはまた、そのままで化学的または物理的に変更されることのみによって、周囲の材料とは異なる物品の導電性部とも対照的であり、すなわち、その場合、均一物品の一部は、選択的ドーピング、エッチング等によって、その周囲と異なって作られる。「個別」または「独立」物品は、本願で説明されるもの、および本開示を読んで当業者によって検討されるようなもの等の機能装置を作るように、個別物品としてそれが製作された場所から取り外し、かつ異なる場所へ移動して異なる部品と組み合わせることが可能である（しかしその必要はない）。
【００２６】
別の１式の実施形態では、ナノスコピックワイヤ（または他のナノ構造材料）は、半導体材料、ドーパント、有機化合物、無機化合物等の付加材料を含むことができる。次のものは、ナノスコピックワイヤ内でドーパントとして使用することができる材料の非限定的な例である。ドーパントは、元素半導体、例えば、シリコン、ゲルマニウム、スズ、セレン、テルル、ホウ素、ダイヤモンド、またはリンであってよい。ドーパントはまた、様々な元素半導体の固溶体であってもよい。例は、ホウ素および炭素の混合物、ホウ素およびＰ（ＢＰ６）の混合物、ホウ素およびシリコンの混合物、シリコンおよび炭素の混合物、シリコンおよびゲルマニウムの混合物、シリコンおよびスズの混合物、ゲルマニウムおよびスズの混合物等を含む。一部の実施形態では、ドーパントは、ＩＶ族元素の混合物、例えば、シリコンおよび炭素の混合物、またはシリコンおよびゲルマニウムの混合物を含むことができる。他の実施形態では、ドーパントは、ＩＩＩ族およびＶ族元素の混合物、例えば、ＢＮ、ＢＰ、ＢＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、またはＩｎＳｂを含むことができる。例えば、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、またはＢＮ／Ａ１Ｐの混合物といった、このような組み合わせの混合物も使用することができる。他の実施形態では、ドーパントは、ＩＩＩ族およびＶ族元素の混合物を含むことができる。例えば、混合物は、ＡｌＧａＮ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＡｓＰ、または同様のものを含むことができる。他の実施形態では、ドーパントはまたＩＩ族およびＶＩ族元素の混合物を含むこともできる。例えば、ドーパントは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＢｅＳ、ＢｅＳｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ，または同様のものの混合物を含むことができる。例えば、ＺｎＣｄＳｅ、またはＺｎＳＳｅ、または同類のものといった、このようなドーパントの合金または混合物も可能である。加えて、例えば、（ＧａＡｓ）ｘ（ＺｎＳ）１−ｘ等の、ＩＩ族−ＶＩ族およびＩＩＩ族−Ｖ族元素の組み合わせといった、異なる族の半導体の混合物も可能であってよい。ドーパントの他の非限定的な例は、ＩＶ族およびＶＩ族元素の混合物、例えば、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ等を含むことができる。他のドーパント混合物は、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、または同類のもの等の、Ｉ族元素およびＶＩＩ族元素の混合物を含むことができる。他のドーパント混合物は、ＢｅＳｉＮ２、ＣａＣＮ２、ＺｎＧｅＰ２、ＣｄＳｎＡｓ２、ＺｎＳｎＳｂ２、ＣｕＧｅＰ３、ＣｕＳｉ２Ｐ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｇｅ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）２（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）３、Ａｌ２ＣＯ、（Ｃｕ，Ａｇ）（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｆｅ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）２、または同類のもの等の、このような元素の異なる混合物を含むことができる。
【００２７】
非限定的な例として、ｐ型ドーパントは、ＩＩＩ族より選択することができ、ｎ型ドーパントは、Ｖ族より選択することができる。例えば、ｐ型ドーパントは、Ｂ、Ａｌ、およびＩｎのうちの少なくとも１つを含むことができ、ｎ型ドーパントは、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂのうちの少なくとも１つを含むことができる。ＩＩＩ族-Ｖ族混合物に対しては、ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇのうちの１つ以上を含むＩＩ族、またはＣおよびＳｉのうちの１つ以上を含むＩＶ族より選択することができる。ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅのうちの少なくとも１つより選択することができる。本発明は、このようなドーパントに限定されないが、他の元素、合金、または混合物も同様に含むことができることが、理解されるであろう。
【００２８】
本願で使用されるような、周期表を基準にした「族」という用語には、当業者によって理解されるようなその通常の定義が与えられる。例えば、ＩＩ族元素は、ＭｇおよびＣａ、ならびに、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＨｇ等のＩＩ族遷移元素を含む。同様に、ＩＩＩ族元素は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＴｌを含み、ＩＶ族元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂを含み、Ｖ族元素は、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉを含み、ＶＩ族元素は、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、およびＰｏを含む。各族からの２つ以上の元素を伴う組み合わせもまた、可能である。例えば、ＩＩ−ＶＩ族材料は、ＩＩ族からの少なくとも１つの元素、およびＶＩ族からの少なくとも１つの元素、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＣｄＳ、ＣｄＳ、またはＣｄＳｅを含むことができる。同様に、ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ＩＩＩ族からの少なくとも１つの元素、Ｖ族からの少なくとも１つの元素、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＡｓＰを含むことができる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｅ、Ａｕ、および同類のもの等の遷移金属といった、他のドーパントもまた、このような材料およびそれらの組み合わせとともに含むことができる。本発明のナノスケールワイヤは、場合によっては、あらゆる有機または無機分子をさらに含むことができる。場合によっては、有機または無機分子は、分極可能であり、および／または多重荷電状態を有する。
【００２９】
一部の実施形態では、ナノスコピックワイヤの少なくとも一部は、バルクドープした半導体であってよい。本願で使用されるような、「バルクドープした」物品（例えば、物品、または物品の一区分または領域）は、ドーパントが原子スケールの結晶格子の特定領域、例えば表面または外側のみにしか組み込まれない物品とは対照的に、ドーパントが物品の結晶格子の略全体を通して組み込まれる物品である。例えば、炭素ナノチューブ等の一部の物品は、典型的に、基材が成長された後にドープされ、よって、ドーパントは、表面または外側から結晶格子の内側へと有限距離に延在するのみである。「バルクドープした」とは、半導体におけるドーピングの濃度または量を定義または反映せず、また必ずしもドーピングが均一であることも示さないことを理解するべきである。特に、一部の実施形態では、バルクドープした半導体は、２つ以上のバルクドープした領域を備えることができる。よって、ナノスコピックワイヤを説明するために本願で使用されるような「ドープした」は、バルクドープしたナノスコピックワイヤを指し、したがって、「ドープしたナノスコピック（またはナノスケール）ワイヤ」は、バルクドープしたナノスコピックワイヤである。「高濃度にドープした」および「低濃度にドープした」とは、その意味が当業者によって理解される用語である。
【００３０】
１式の実施形態では、本発明は、単結晶であるナノスケールワイヤ（または他のナノ構造材料）を含む。本願で使用されるような、「単結晶」項目（例えば、半導体）は、項目の全体を通して共有結合、イオン結合、またはそれらの組み合わせを有する項目である。そのような単結晶項目は、結晶の欠陥を含んでもよいが、イオン結合または共有結合されないが、互いにごく接近しているだけの１つ以上の結晶を含む項目から区別されるものである。
【００３１】
さらに別の１式の実施形態では、ナノスケールワイヤ（または他のナノ構造材料）は、異なる組成を有する２つ以上の領域を備えることができる。ナノスケールワイヤの各領域は、いずれの形状または寸法も有することができ、これらは領域間で同じ、または異なり得る。例えば、領域は、１ミクロン未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、または１ｎｍ未満の最小寸法を有することができる。場合によっては、１つ以上の領域は、原子の単一単分子層（すなわち、「デルタドーピング」）であってよい。ある場合においては、領域は、単一単分子層の厚さ未満であってよい（例えば、単分子層内の原子のうちのいくつかがない場合）。
【００３２】
２つ以上の領域は、ナノスケールワイヤ内で、互いに対して縦方向に配設、および／または放射状に配設（例えば、コア／シェル配設のように）することができる。一例として、ナノスケールワイヤは、縦方向に配設される半導体材料の多重領域を有することができる。別の例では、ナノスケールワイヤは、第３の領域またはいくつかの領域によって囲まれる、縦方向に配設される異なる組成を有する２つの領域を有することができ、それぞれが他の領域とは異なる組成を有する。具体的な例として、領域は、ナノスケールワイヤ内に層状構造で配設することができ、領域のうちの１つ以上は、デルタドープするか、または少なくとも部分的にデルタドープすることができる。別の例として、ナノスケールワイヤは、互いに対して縦方向および放射線状の両方で位置付けられる、一連の領域を有することができる。配設は、その長さに沿って組成が異なる（縦方向に組成または濃度が変化する）コアを含むことが可能である一方で、コアの横方向（放射状）寸法は、組成が異なる長さの部分にわたって変化するか、または変化しない。シェル部分は互いに隣接することが可能であり（互いを含有する、または、一体シェル構造の組成または濃度の変化を縦方向に画定する）、または例えば、空気、絶縁体、流体、または補助非ナノスケールワイヤ部品によって互いから分離することが可能である。シェル部分は、コアに直接位置付けることが可能であり、または、それ自体が縦方向に組成が一定となり得る、または縦方向に組成が異なる、１つ以上の中間シェル部分によってコアから分離することが可能であり、すなわち、本発明は、ナノワイヤコアのあらゆる組み合わせ、およびあらゆる数の放射状に位置付けられたシェル（例えば、同心円シェル）の提供を可能にし、その場合、コアおよび／またはあらゆるシェルは、組成および／または濃度が縦方向に変化することが可能であり、あらゆるシェル区分は、他のあらゆるシェル区分から縦方向に間隔をあけることが可能であり、異なる数のシェルを、構造に沿って縦方向に異なる場所に提供することが可能である。
【００３３】
なおも別の１式の実施形態では、ナノスケールワイヤは、基板の表面に近接して位置付けることができ、すなわち、ナノスケールワイヤは、基板の約５０ｎｍ、約２５ｎｍ、約１０ｎｍ、または約５ｎｍ以内に位置付けることができる。場合によっては、近接ナノスケールワイヤは、基板の少なくとも一部と接触することができる。一実施形態では、基板は、半導体および／または金属を備える。非限定的な例は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等を含む。他の適切な半導体および／または金属は、ナノスケールワイヤを参照して上記に説明する。ある実施形態では、基板は、非金属／非半導体材料、例えば、ガラス、プラスチック、またはポリマ、ゲル、薄膜等を備えることができる。基板を形成する、または基板に含むことができる適切なポリマの非限定的な例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（エチレンテレフタラート）、ポリジメチルシロキサン、または同類のものを含む。
【００３４】
ある側面では、本発明は、ナノ構造を調製する方法を提供する。ある実施形態では、本発明は、ナノスケールワイヤ中の半導体のドーピングを制御および変更するステップを伴う。場合によっては、ナノスケールワイヤ（または他のナノ構造）は、ナノスケールワイヤの直接および制御成長を可能にする技法を使用して生産することができる。場合によっては、ナノスケールワイヤは、ナノスケールワイヤの成長中にドープすることができる。成長中にナノスケールワイヤをドーピングすることにより、ドープしたナノスケールワイヤがバルクドープされているという性質をもたらすことができる。さらに、そのようなドープしたナノスケールワイヤは、ドープしたナノスケールワイヤ内のドーパントの濃度を制御し、一貫して再現することが可能となるように、制御可能にドープすることができる。
【００３５】
ある配設は、金属触媒ＣＶＤ技法（「化学蒸着」）を利用して、個別ナノスケールワイヤを合成することができる。バルク形態で表面に直接個別ワイヤを調製するのに有用なＣＶＤ合成手順は、概して既知であり、当業者によって容易に実行することが可能である。ナノスコピックワイヤもまた、レーザ触媒成長を通して成長させることができる。ＬＣＧと同じ原則により、均一直径ナノクラスタ（ナノクラスタがどれだけ均一であるかに応じて１０％から２０％未満の変動）を触媒クラスタとして使用する場合、均一サイズ（直径）分布を伴うナノスケールワイヤを生産することが可能であり、その場合、ワイヤの直径は触媒クラスタのサイズによって決定される。成長時間を制御することによって、異なる長さを伴うナノスケールワイヤを成長させることが可能である。
【００３６】
ナノスケールワイヤを成長させるために使用することができる１つの技法は、触媒化学蒸着（「Ｃ−ＣＶＤ」）である。Ｃ−ＣＶＤでは、気相から反応物分子が形成される。ナノスケールワイヤは、気相反応物（例えば、ジボランおよびホスファン）にドーピング要素を導入することによってドーピングすることができる。ドーピング濃度は、複合目標に導入されるドーピング化合物の相対量を制御することによって、制御することができる。最終的なドーピング濃度または比率は、必ずしも気相濃度または比率と同じとは限らない。温度、圧力、または同類のもの等の成長条件を制御することによって、同じドーピング濃度を有するナノスケールワイヤを生産することができる。
【００３７】
合成中のナノスケールワイヤ接合点の直接製造のための別の技法は、レーザ触媒成長（「ＬＣＧ」）と呼ばれる。ＬＣＧでは、ドーパントは、ナノスケールワイヤの気相成長中に制御可能に導入される。所望の材料（例えば、シリコンまたはリン化インジウム）および触媒物質（例えば、ナノ粒子触媒）から成る複合目標のレーザ蒸発は、熱い濃厚蒸気を作成することができる。蒸気は、緩衝ガスとの衝突を通して液体ナノクラスタに凝縮することができる。成長は、液体ナノクラスタが所望の相により過飽和すると開始することができ、反応物が入手可能である限り継続することが可能である。成長は、ナノスケールワイヤが高温反応帯から出ると、および／または温度が低下すると、終了することができる。ナノスケールワイヤはさらに、成長中に異なる半導体試薬を受けることができる。
【００３８】
ナノスケールワイヤ等のナノスケール半導体を生産する他の技法もまた、検討される。例えば、種々の材料のうちのいずれかのナノスケールワイヤを、気固過程を通して気相から直接成長させることができる。また、ナノスケールワイヤはまた、表面ステップ、またはその他の種類のパターン化表面の縁に、蒸着によって生産することもできる。さらに、ナノスケールワイヤは、任意の概して細長いテンプレート内および上に、蒸着によって成長させることができる。多孔質膜は、多孔質シリコン、陽極アルミナ、ジブロック共重合体、または他のあらゆる同様な構造であってよい。天然繊維は、ＤＮＡ分子、タンパク質分子、炭素ナノチューブ、その他あらゆる細長い構造であってよい。上記の技法全てに対して、原材料は、溶液または蒸気であってよい。場合によっては、溶液相の間に、テンプレートは、界面活性剤によって形成されるカラムミセルを含むこともできる。
【００３９】
場合によっては、ナノスケールワイヤは、形成後にドープすることができる。一技法では略均質組成を有するナノスケールワイヤは、まず合成され、そして様々なドーパントで合成後にドープされる。そのようなドーピングは、ナノスケールワイヤ全体を通して、またはナノスケールワイヤの１つ以上の部分において、例えば、組成が異なる多重領域を有するワイヤにおいて、行なうことができる。
【００４０】
１式の実施形態では、方法は、第１の材料を第２の材料の少なくとも一部に拡散させ、任意で新規化合物を作成するステップを伴う。例えば、第１および第２の材料は、それぞれ金属または半導体であってよく、１つの材料は、金属であってよく、他方の金属は半導体等であってよい。１式の実施形態では、半導体は、金属に焼鈍することができる。例えば、半導体の一部および／または金属の一部は、少なくとも一部の金属原子が半導体中に拡散することが可能となるように、またはその逆も同様となるように、加熱することができる。一実施形態では、金属電極（例えば、ニッケル、金、銅、銀、クロム電極等）は、半導体ナノスコピックワイヤと物理的に接触して位置付け、次いで、半導体の少なくとも一部が、金属の少なくとも一部の中に拡散し、参照することにより本願に組み込まれる、Ｌｉｅｂｅｒらによる「金属・半導体化合物を含有するナノ構造」と題された、２００５年２月１４日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００４４５９号で説明されているような、金属・半導体化合物を任意で形成するように、焼鈍することができる。例えば、半導体は、約３００℃、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、または約６００℃の温度で、少なくとも約３０分、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約４時間、少なくとも約６時間等の期間にわたって、金属で焼鈍することができる。そのような焼鈍は、例えば、金属と半導体との間のより低い接触抵抗またはインピーダンスを可能にすることができる。
【００４１】
場合によっては、金属は、例えば本願で説明されるように、不動態化することができる。例えば、金属、または金属の少なくとも一部は、１つ以上の不動態化剤、例えばＳｉ３Ｎ４に暴露することができる。金属の表面を覆う層を形成して、例えば、検体と金属との間の反応または非特異的結合を防ぐために、不動態化剤による金属の絶縁を使用することができる。例えば、金属電極は、１つ以上の固定化反応実体を備える半導体と電気的に連通してよく、金属電極は、不動態化して、金属と反応実体との間の反応または非特異的結合を防ぎ、および／または金属からの漏れ電流を低減することができる。場合によっては、不動態化は、比較的高温で、例えば、プラズマＣＤＶチャンバ内で行なうことができる。
【００４２】
本発明の一側面は、表面上のナノスケールワイヤの組み立てまたは制御された配置を提供する。例えば、半導体を備える基板、金属を備える基板、ガラスを備える基板、ポリマを備える基板、ゲルを備える基板、薄膜である基板、略透明の基板、非平面基板、柔軟性基板、湾曲基板等、いずれの基板もナノスケールワイヤ配置に使用することができる。場合によっては、組み立ては、電界を使用してナノスケールワイヤを整列させることによって実行することが可能である。他の場合では、流量配向装置を位置付け、浮遊ナノスケールワイヤを含有する流体を、ナノスケールワイヤが望ましく位置付けられる場所と並んだ方向に向かって方向づけるステップを伴う配設を使用して、組み立てを行なうことが可能である。
【００４３】
ある場合においては、ナノスケールワイヤ（または他のナノ構造）は、基板の表面上に形成され、および／または基板上の特徴によって画定される。一例では、ナノスケールワイヤ等のナノ構造は、下記のように形成される。基板は、刻印機または他の塗布器を使用して刻印され、ナノスケールワイヤまたは他のナノスケール構造等のパターンを画定する。刻印機または他の塗布器を取り外した後、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または他の既知の技法等のエッチング過程を通して、刻印可能層の少なくとも一部を取り除く。場合によっては、刻印可能材料を含まない基板の部分を露出するよう、十分な刻印可能材料を基板から取り除くことができる。次いで、例えば、金、銅、銀、クロム等の金属または他の材料を、基板の少なくとも一部に蒸着することができる。場合によっては、刻印可能材料の少なくとも一部を基板から取り除く場合に、「リフトオフ」ステップを行なうことができる。例えば、１本以上のナノスケールワイヤを形成するように、刻印可能材料に蒸着される金属または他の材料を、刻印可能材料の除去と共に取り除くことができる。表面に蒸着される構造は、場合によっては、１つ以上の電極に接続することができる。基板は、例えば、半導体、金属、ガラス、ポリマ、ゲル等を備える、刻印可能層を支持することが可能であるあらゆる適切な基板であってよい。場合によっては、基板は、薄膜、略透明、非平面、柔軟性、および／または湾曲等であってよい。
【００４４】
ある場合においては、ナノスケールワイヤの配列は、複数の略整列ナノスケールワイヤを有する表面を提供し、表面から複数のナノスケールワイヤのうちの１本以上の一部を取り除くことによって、生産することができる。次いで、表面上の残りのナノスケールワイヤを１つ以上の電極に接続することができる。ある場合においては、ナノスコピックワイヤは、互いに接触するように配設されるが、他の場合においては、整列ナノスコピックワイヤは、実質的に物理的に接触しないように傾斜してよい。
【００４５】
ある場合においては、ナノスケールワイヤは、フロー技法、すなわち、基板への流体によって１本以上のナノスケールワイヤを実行することができる技法を使用して、表面に近接して位置付けられる。ナノスケールワイヤ（またはその他あらゆる細長い構造）は、表面上にナノスケールワイヤ溶液の流れを誘導することによって整列することが可能であり、その場合、流れはチャネル流、またはその他あらゆる適切な技法による流れを含むことが可能である。制御された位置および周期性を伴うナノスケールワイヤ配列は、基板の表面をパターン形成することによって、および／または異なる機能性によりナノスケールワイヤの表面を調整することによって、生産することが可能であり、その場合、位置および周期性制御は、パターン化表面とナノスケールワイヤとの間の比相補力を設計することによって達成することができる。ナノスケールワイヤはまた、ラングミュア−ブロジェット（ＬＢ）トラフを使用して組み立てることも可能である。ナノスケールワイヤはまず、表面調整し、液相の表面に分散して、ラングミュア−ブロジェット膜を形成することができる。場合によっては、液体は、場合によっては、ナノスケールワイヤの凝集を低減、および／または互いに相互作用するナノスケールワイヤの能力を低減し得る、界面活性剤を含むことができる。ナノスケールワイヤは、表面を圧縮することによって、または表面の表面積を縮小することによって、（平行配列または繊維等の）異なるパターンに整列させることが可能である。
【００４６】
別の配設は、ナノスケールワイヤを選択的に引き付けない領域によって囲まれるナノスケールワイヤを選択的に引き付ける領域を含む、基板上の表面を形成するステップを伴う。表面は、そのそれぞれは参照することにより本願に組み込まれる、１９９６年７月２６日に公報第ＷＯ  ９６／２９６２９号として発表された、１９９６年３月１日出願の「表面上のマイクロ接触プリンティングおよび派生品」と題された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９６／０３０７３号、または１９９６年４月３０日に発行の「表面上のマイクロ刻印パターンの形成および派生品」と題された米国特許第５，５１２，１３１号で説明されているもの等の、電子ビームパターン形成「ソフトリソグラフィ」等の既知の技法を使用してパターン形成することが可能である。付加的技法は、参照することにより本願に組み込まれる、１９９９年７月２日出願の「分子ワイヤによる装置およびその製造方法」と題された米国特許第６０／１４２，２１６号で説明されている。流量チャネルは、１９９７年９月１８日に公報第ＷＯ  ９７／３３７３７号として発表され、参照することにより本願に組み込まれる、１９９７年３月１４日出願の「キャピラリマイクロ成形を介した物品の形成および表面のパターン形成の方法」と題された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９７／０４００５号で説明されているもの等の種々の技法を使用して、表面にナノスケールワイヤを配置するために有利なサイズスケールで作成することが可能である。他の技法は、参照することにより本願に組み込まれる、２００３年１１月１１日発行の「３次元配列チャネル網を含むマイクロ流体システム」と題された米国特許第６，６４５，４３２号で説明されているものを含む。
【００４７】
ＳＡＭ誘導体化された表面以外の化学的にパターン形成した表面を使用することが可能であり、表面を化学的にパターン形成するための多くの技法が知られている。化学的にパターン形成した表面の別の例は、マイクロ相分離ブロック共重合体構造であってよい。このような構造は、濃密ラメラ相の積み重ねを提供することができ、その場合、これらの相を通る切断は、一連の「レーン」を明らかにし、各レーンは単一層を表す。基板および電極上のナノスケールワイヤの組み立てはまた、場合によっては、２分子認識を使用して補助することも可能である。例えば、物理吸着または共有結合を使用して、１つの生物学的結合相手をナノスケールワイヤ表面上で固定し、もう１つを基板または電極上に固定することができる。基板上のナノスコピックワイヤの組み立てを誘導するために使用することができる例示的技法は、「ＳＡＭ」、つまり自己組織化単分子膜を使用することによる。その全体において参照することにより本願に組み込まれる、１９９６年７月２６日に公報第ＷＯ  ９６／２９６２９号として発表された、１９９６年３月１日出願の「表面上のマイクロ接触プリンティングおよび派生品」と題された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９６／０３０７３号で説明されているもの等のマイクロ接触プリンティング技法と共に、種々の基板およびＳＡＭ形成材料のいずれも使用することが可能である。
【００４８】
場合によっては、ナノスケールワイヤ配列はまた、例えば、刻印技法を使用することによって、別の基板に移動することもできる。ある場合においては、ナノスケールワイヤは、互助作用を使用して組み立てることができ、すなわち、１本以上のナノスケールワイヤを基板に位置付けるために、１つ以上の補完的な化学、生物、静電、磁気、または光学相互作用を使用する。ある場合においては、ナノスケールワイヤを表面に近接して位置付けるために、物理的パターンを使用することができる。例えば、ナノスケールワイヤは、物理的パターンを使用して基板に位置付けることができ、例えば、表面ステップの隅部を使用して、または基板上の溝に沿って、ナノスケールワイヤを整列させる。
【００４９】
一側面では、本発明は、任意で装置の使用のための取扱説明を含む、キットに包装した上記の装置のいずれかを提供する。本願で使用されるような、「取扱説明書」は、指導実用性の構成要素（例えば、使用法、案内、警告、標識、注記、ＦＡＱ（「よくある質問」）等）を定義し得て、典型的に、本発明の包装上の、またはそれと関連する書面による指示を伴う。取扱説明はまた、取扱説明が例えば本願で論じられるような装置と関連するものであることを、ユーザが明確に認識するようにあらゆる方式で提供される、あらゆる形態（例えば、口頭、電子、デジタル、光学、視覚等）の指導連絡を含むことも可能である。加えて、キットは、特定用途によりその他の部品、例えば、容器、アダプタ、シリンジ、針、交換部品等を含むことができる。本願で使用されるような、「宣伝された」とは、例えば本願で論じられるような本発明の方法および組成物と関連し得る、販売、公告、譲渡、認可、契約、指導、教育、研究、輸入、輸出、交渉、融資、貸付、取引、自動販売、転売、流通、代替、または同類のもの等の方法を含むがそれらに限定されない、営業行為の全ての方法を含む。宣伝はまた、場合によっては、医薬用として本発明の組成物を販売するために、政府機関からの許可を求めるステップを含むこともできる。宣伝の方法は、企業（公的または民間）契約または下請け契約代理店、専門学校および大学等の教育機関、研究機関、病院またはその他の臨床機関、政府機関等を含むがそれらに限定されない、任意の団体によって行なうことが可能である。宣伝活動は、本発明と明確に関連している、任意の形態の指導または連絡（例えば、書面、口頭、および／または、電子メール、電話、ファクス、インターネット、ウェブ基盤等であるがそれらに限定されない電子通信）を含むことができる。
【００５０】
下記の定義は、本発明の理解を補助する。本発明のある装置は、ナノチューブおよびナノワイヤを含むナノメートルスケールワイヤに相応するスケールのワイヤまたはその他の部品を含むことができる。しかし、一部の実施形態では、本発明は、ナノメートルサイズより大きくてよい（例えばマイクロメートルサイズ）の物品を備える。本願で使用されるような、「ナノスコピックスケール」、「ナノスコピック」、「ナノメートルスケール」、「ナノスケール」、「ナノ」接頭語（例えば、「ナノ構造の」のような）、および同類のものは、概して、約１ミクロン未満、および場合によっては約１００ｎｍ未満の幅または直径を有する要素または物品を指す。あらゆる実施形態において、指定幅は、最小幅（すなわち、その場所で、物品が異なる寸法においてより大きい幅を有することが可能な場合に指定されるような幅）、または最大幅（すなわち、その場所で、物品が指定されたものと同じくらいの幅を有するが、より大きい長さを有することができる場合）となり得る。
【００５１】
本願で使用されるような、「ワイヤ」は概して、あらゆる半導体またはあらゆる金属の伝導度、またはそれと同様の大きさの伝導度を有するあらゆる材料を指し、一部の実施形態は、互いに電気的に連通するように２つの電子部品に接続するために使用することができる。例えば、「伝導」ワイヤまたはナノスケールワイヤを参照して使用される場合の、「導電性」または「導体」または「電導体」という用語は、電荷を通すそのワイヤの能力を指す。典型的に、導電性ナノスケールワイヤには、金属または半導体材料に匹敵する抵抗率があり、場合によっては、導電性ナノスケールワイヤには、より低い抵抗率、例えば、約１００マイクロオームｃｍ（μΩｃｍ）未満の抵抗率があってもよい。場合によっては、導電性ナノスケールワイヤには、約１０-３オームメートル以下、１０-４オームメートル以下、または約１０-６オームメートルあるいは１０-７オームメートル以下の抵抗率がある。
【００５２】
本願で使用されるような、「半導体」には、当技術分野でのその通常の意味が与えられ、すなわち、半導性または半金属特性（すなわち、金属特性と非金属特性との間）を有する要素である。半導体の例はシリコンである。他の非限定的な例は、ガリウム、ゲルマニウム、ダイヤモンド（炭素）、スズ、セレン、テルル、ホウ素、またはリンを含む。
【００５３】
「ナノスコピックワイヤ」（本願では「ナノスコピックスケールワイヤ」または「ナノスケールワイヤ」としても知られる）は概して、その長さに沿った任意の点において、少なくとも１つの断面寸法、および一部の実施形態では、１ミクロン未満、約５００ｎｍ未満、約２００ｎｍ未満、約１５０ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約７０未満、約５０ｎｍ未満、約２０ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約５ｎｍ未満といった、２つの直交する断面寸法を有するワイヤである。他の実施形態では、断面寸法は、２ｎｍまたは１ｎｍ未満となり得る。１式の実施形態では、ナノスケールワイヤは、０．５ｎｍから１００ｎｍまたは２００ｎｍに及ぶ少なくとも１つの断面寸法を有する。場合によっては、ナノスケールワイヤは導電性である。ナノスケールワイヤが、例えば、コアまたは外側領域を有して説明される場合は、上記の寸法は概して、コアの寸法に関する。ナノスコピックワイヤの断面は、円形、正方形、長方形、輪状、多角形、または楕円形を含むがそれらに限定されない、あらゆる任意の形状であってよく、規則的または不規則な形状であってよい。ナノスケールワイヤは固形または中空であってよい。本発明のナノスケールワイヤを作ることができる材料の例の非限定的なリストを下記に表す。特に指定されない限り、炭素ナノチューブ、分子ワイヤ（すなわち、単一分子で形成されるワイヤ）、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノウィスカ、有機または無機導電性または半導体ポリマ、および同類のものを含む、いずれのナノスケールワイヤも、本願で説明される実施形態のいずれかで使用することが可能である。分子ワイヤでなくてよいが、様々な小型ナノスコピックスケール寸法であるその他の導体または半導体素子、例えば、主族および金属原子で作られたワイヤ様シリコン、遷移金属含有ワイヤ、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、リン化インジウム、ゲルマニウム、セレン化カドミウム等の無機構造もまた、場合によっては使用することが可能である。多種多様なこれら、およびその他のナノスケールワイヤを、過度の実験なしで、例として使用されるような特定のナノスケールワイヤを伴う本願で説明される技法と同様の方式で、電子装置に取って有用なパターンで、表面に成長させる、および／または適用することが可能である。ナノスケールワイヤは、場合によっては、長さが少なくとも約１ミクロン、少なくとも約３ミクロン、少なくとも約５ミクロン、または少なくとも約１０ミクロンあるいは約２０ミクロンの寸法を有して形成することができ、厚さ（高さおよび幅）が約１００ｎｍ未満、約８０ｎｍ未満、約６０ｎｍ未満、約４０nm未満、約２０ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約５ｎｍ未満となり得る。ナノスケールワイヤは、約２：１以上、約３：１以上、約４：１以上、約５：１以上、約１０：１以上、約２５：１以上、約５０：１以上、約７５：１以上、約１００：１以上、約１５０：１以上、約２５０：１以上、約５００：１以上、約７５０：１以上、約１０００：１、または場合によってはそれ以上のアスペクト比（長さ対厚さ）を有することができる。
【００５４】
「ナノワイヤ」（例えば、シリコンおよび／または別の半導体材料を備える）は、典型的に固形ワイヤであるナノスコピックワイヤであり、場合によっては細長くてもよい。好ましくは、ナノワイヤ（本願では「ＮＷ」と略称される）は細長い半導体、すなわち、ナノスケール半導体である。「非ナノチューブナノワイヤ」は、ナノチューブではないあらゆるナノワイヤである。本発明の１式の実施形態では、ナノワイヤまたはナノチューブを使用することが可能な本願で説明される本発明の任意の配設において、未修飾表面（それが位置付けられる環境において、ナノチューブに固有ではない補助反応を含まない）を有する非ナノチューブナノワイヤが使用される。
【００５５】
本願で使用されるような、「ナノチューブ」（例えば、炭素ナノチューブ）は、当業者に周知のナノチューブを含む、中空である、またはくり抜いたコアを有するナノスコピックワイヤである。「ナノチューブ」は、本願では「ＮＴ」と略称される。ナノチューブは、本発明で使用するための小型ワイヤの一例として使用され、ある実施形態では、本発明の装置は、ナノチューブに相応のスケールのワイヤを含む。本発明で使用することができるナノチューブの例は、単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）を含むが、それらに限定されない。構造的に、ＳＷＮＴは、継ぎ目のない管に丸めた単一グラフェンシートで形成される。直径およびヘリシティに応じて、ＳＷＮＴは、１次元金属および／または半導体として働くことが可能である。ＳＷＮＴｓ．ＳＷＮＴを含むナノチューブの製造方法、および特徴付けが知られている。ナノチューブの端および／または側面の選択的機能化の方法も知られており、ある実施形態では、本発明は、このような分子電子工学能力を利用する。多重壁ナノチューブも周知であり、同様に使用することが可能である。
【００５６】
本願で使用されるような、「細長い」物品（例えば、半導体またはその１区分）は、物品の縦軸に沿った任意の点において、その点における最大幅に対する物品の長さの割合が２：１よりも大きい物品である。
【００５７】
本願で使用されるような、物品の「幅」は、物品の周囲上の１点から、物品の中心を通って、物品の周辺上の別の点までの直線の距離である。本願で使用されるような、物品の縦軸に沿った点における「幅」または「断面寸法」は、その点における物品の断面の中心を通過して、断面の周辺上の２点を繋ぐ直線に沿った距離である。物品の縦軸に沿った点における「断面」は、物品を横断し、物品の縦軸に直角である、その点における平面である。物品の「縦軸」は、物品の最大寸法に沿った軸である。同様に、物品の「縦区分」は、ゼロより大きく、物品の長さ以下の任意の長さを有することが可能な物品の縦軸に沿った、物品の一部である。加えて、細長い物品の「長さ」は、物品の端から端までの縦軸に沿った距離である。
【００５８】
本願で使用されるような、「円筒形」物品は、円筒のような形状の外部を有する物品であるが、物品の内部に関するいずれの性質も定義または反映しない。言い換えれば、円筒形物品は、固形内部、くり抜いた内部等を有することができる。概して、円筒形物品の断面は、円形またはほぼ円形であるように見えるが、６角形等の他の断面形状も可能である。断面は、正方形、長方形、または楕円形を含むがそれらに限定されない、あらゆる任意の形状を有することができる。規則的および不規則な形状も含まれる。
【００５９】
本願で使用されるような、物品（例えば、ナノスコピックワイヤ）の「配列」は、複数の物品、例えば、互いに接触してもしなくてもよい、一連の整列ナノスケールワイヤを備える。本願で使用されるような、「交差配列」または「クロスバー配列」は、物品のうちの少なくとも１つが、物品のうちのもう１つ、または信号ノード（例えば電極）のいずれかと接触する配列である。
【００６０】
本願で使用されるような、「決定する」は概して、例えば、定量的または定性的な、状態または条件の分析を指す。例えば、システムの種類または電気状態を決定することができる。「決定するステップ」はまた、例えば、定量的または定性的な、および／または相互作用の有無を検出することによる、２つ以上の種類間の相互作用の分析、例えば、２種類間結合の決定も指すことができる。例として、検体は、ナノスケールワイヤの電気的性質（例えば、電気伝導度、抵抗率、インピーダンス等）の決定可能な変化、ナノスケールワイヤの光学的性質の変化等を引き起こすことができる。決定技法の例は、コンダクタンス測定、電流測定、電圧測定、抵抗測定、圧電測定、電気化学的測定、電磁気的測定、光検出、機械的測定、音響測定、重量測定、および同様のものを含むが、それらに限定されない。「決定するステップ」はまた、種類間の相互作用を検出または定量化するステップも意味する。
【００６１】
本願で使用されるような、「流体」は概して、流れ、かつその容器の外形に適合する傾向のある物質を指す。典型的に、流体は、静的せん断応力に耐えることができない物質である。せん断応力が流体に加えられると、継続的な永久歪を経験する。典型的流体は、液体および気体を含むが、自由流動性固形粒子、粘弾性流体、および同類のものも含むことができる。
【００６２】
本願で使用されるような、別の部品に「対して固定化した」部品は、他の部品に固着されるか、または、例えば、他の部品も固着される第３の部品に固着されることによって、他の部品に直接固着されるかのいずれかである。例えば、第１の実体の表面に固着される種類が実体に付着し、第２の実体の表面上の種類が同じ実体に付着すれば、第１の実体は、第２の実体に対して固定化され、その場合、実体は、単一実体、複数種類の複合実体、別の粒子等である。ある実施形態では、別の部品に対して固定化した部品は、例えば、溶液または懸濁液中で安定している結合を使用して、固定化される。一部の実施形態では、溶媒または熱的効果により構成要素が容易に分離することができる、別の構成要素に対する１つの構成要素の非特異的結合は好ましくない。
【００６３】
本願で使用されるような、「固着される、または固着されるように構成される」は、別の種類に対する１つの種類、または（ナノスケールワイヤ等の）物品の表面に対する１つの種類、または別の表面に対する物品の１つの表面との関連で使用されるように、種類および／または表面が、共有結合、特定生物学的結合（例えば、ビオチン／ストレプトアビジン）による付着、キレート／金属結合等の配位結合、または同類のものを介して、それぞれ互いに、化学的または生化学的に結びつけられる、または結びつけられるように構成されることを意味する。例えば、これに関連する「固着される」は、ナノスケールワイヤ上に合成されるペプチド等の共存種、ナノスケールワイヤに付着するタンパク質Ａ等のタンパク質に結合する抗体に、特異的に生物学的に連結される共存種、ナノスケールワイヤの表面に共有固着される結合相手に次に特異的に生物学的に結合される、分子の一部を形成する共存種等を含むが、それらに限定されない、多重化学結合、多重化学／生物結合等を含む。表面が特定のヌクレオチド配列を有し、種類が相補的ヌクレオチド配列を含む場合にも、種類は表面に固着されるように構成される。
【００６４】
「特異的に固着される」または「特異的に固着されるように構成される」は、１つの種類が、「固着される、または固着されるように構成される」の定義に関して上記のように、別の種類または表面にそれぞれ、化学的または生化学的に、結びつけられる、または結びつけられるように構成されることを意味する。「共有結合的に固着される」は、本質的に１つ以上の共有結合以外の何も介さずに固着されることを意味する。
【００６５】
「結合」という用語は、典型的に、生化学的、生理学的、および／または化学的相互作用を含むがそれらに限定されない、特異的または非特異的結合または相互作用により、相互親和性または結合能を示す、分子または表面の対応するペア間の相互作用を指す。「生物学的結合」は、タンパク質、核酸、糖タンパク質、炭水化物、ホルモン、および同類のものを含む分子のペア間で発生する、一種の相互作用を定義する。具体的な非限定的例は、抗体／抗原、抗体／ハプテン、酵素／基板、酵素／阻害剤、酵素／共同因子、結合タンパク質／基板、担体タンパク質／基板、レクチン／炭水化物、受容体／ホルモン、受容体／エフェクタ、核酸の相補鎖、タンパク質／核酸抑制物質／誘導物質、リガンド／細胞表面受容体、ウイルス／リガンド、ウイルス／細胞表面受容体等を含む。
【００６６】
「結合相手」という用語は、特定分子との結合を行なう分子を指す。生物学的結合相手が例である。例えば、タンパク質Ａは、生体分子ＩｇＧの結合相手であり、その逆もまた同様である。その他の非限的な例は、核酸・核酸結合、核酸・タンパク質結合、タンパク質・タンパク質結合、酵素・基板結合、受容体・リガンド結合、受容体・ホルモン結合、抗体・抗原結合等を含む。結合相手は、当業者に周知のような、特異的、半特異的、非特異的結合相手を含む。例えば、タンパク質Ａは通常、「非特異的」または半特異的結合物質とみなされる。「特異的に結合する」という用語は、結合相手（例えば、タンパク質、核酸、抗体等）を指す場合、不均一分子の混合物（例えば、タンパク質と他の生体）中の結合ペアのどちらかの構成要素の存在および／または同一性を決定する反応を指す。よって、例えば、受容体/リガンド結合ペアの場合、リガンドは、特異的に、および／または優先的に、分子の複合混合物からその受容体を選択し、その逆もまた同様である。酵素は、その基質に特異的に結合し、核酸は、その相補体に特異的に結合し、抗体は、その抗原に特異的に結合する。他の例は、それらの相補体に特異的に結合する（混成する）核酸、それらの抗原に特異的に結合する抗体、上記のもの等の結合ペア、および同類のものを含む。結合は、イオン相互作用、および／または共有結合性相互作用、および／または疎水性相互作用、および／またはファン・デル・ワールス相互作用等を含むがそれらに限定されない、種々の機構のうちの１つ以上によるものであってよい。
【００６７】
「ポリペプチド」、「ペプチド」、および「タンパク質」等の用語は、本願ではアミノ酸残基のポリマを指すために交互に用いられる。該用語は、１つ以上のアミノ酸残基が、対応する自然発生アミノ酸、ならびに自然発生アミノ酸ポリマの人工化学的類似体である、アミノ酸ポリマに適用される。該用語はまた、ポリペプチドを構成するアミノ酸に接合する、従来のペプチド結合上の変異体も含む。
【００６８】
本願で使用されるような、「ポリヌクレオチド」または「オリゴヌクレオチド」等の用語、または文法的な同等物は、概して、共に共有結合した少なくとも２つのヌクレオチド塩基のポリマを指し、例えば、天然ヌクレオシド（例えば、アデノシン、チミジン、グアノシン、シチジン、ウリジン、デオキシアデノシン、デオキシチミジン、デオキシグアノシン、およびデオキシシチジン）、ヌクレオシド類似体（例えば、２−アミノアデノシン、２−チオチミジン、イノシン、ピロロピリミジン、３−メチルアデノシン、Ｃ５−ブロモウリジン、Ｃ５−フルオロウリジン、Ｃ５−ヨードウリジン、Ｃ５−プロピニルウリジン、Ｃ５−プロピニルシチジン、Ｃ５−メチルシチジン、７−デアザアデノシン、７−デアザグアノシン、８−オキソアデノシン、８−オキソグアノシン、Ｏ６−メチルグアノシン、２−チオシチジン、２−アミノプリン、２−アミノ−６−クロロプリン、２，６−ジアミノプリン、ヒポキサンチン）、化学的または生物学的に修飾された塩基（例えば、メチル化塩基）、インターカレートした塩基、修飾糖（２’−フルオロリボース、アラビノース、またはヘキソース）、修飾されたリン酸塩部分（例えば、ホスホロチオエートまたは５’−Ｎ−ホスホアミダイト結合）、および／または、置換および非置換芳香族部分を含む、ポリマに置換可能な他の自然または非自然発生塩基を含むことができるが、それらに限定されない。その他の適切な塩基および／またはポリマ修飾は、当業者に周知である。典型的に、「オリゴヌクレオチド」は、２０個以下の塩基を有するポリマであり、「ポリヌクレオチド」は、少なくとも２０個の塩基を有するポリマである。当業者であれば、これらの用語は、ポリマ鎖内に存在する塩基の数という点では正確に定義されないことを認識するであろう。
【００６９】
本願で使用されるような「核酸」には、当技術分野で使用されるようなその通常の意味が与えられる。核酸は、１本鎖または２本鎖となり得て、概してリン酸ジエステル結合を含有するが、場合によっては、下記で概説されるように、例えば、ホスホロアミド（Ｂｅａｕｃａｇｅ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９３）  Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ  ４９（１０）：１９２５）、およびその中の参考文献；  Ｌｅｔｓｉｎｇｅｒ  （１９７０）  Ｊ．  Ｏｒｇ．  Ｃｈｅｍ．  ３５：３８００；  Ｓｐｒｉｎｚｌ  ｅｔ  ａｌ．  （１９７７）  Ｅｕｒ．  Ｊ．  Ｂｉｏｃｈｅｍ．  ８１：５７９；  Ｌｅｔｓｉｎｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９８６）  Ｎｕｃｌ．  Ａｃｉｄｓ  Ｒｅｓ．  １４：３４８７；  Ｓａｗａｉ  ｅｔ  ａｌ．  （１９８４）  Ｃｈｅｍ．  Ｌｅｔｔ．  ８０５，  Ｌｅｔｓｉｎｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９８８）  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １１０：４４７０；  およびＰａｕｗｅｌｓ  ｅｔ  ａｌ．  （１９８６）  Ｃｈｅｍｉｃａ  Ｓｃｒｉｐｔａ  ２６：１４１９）、ホスホロチオエート（Ｍａｇ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９１）  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄｓ  Ｒｅｓ．  １９：１４３７；  および米国特許第５，６４４，０４８号）、ホスホロジチオエート（Ｂｒｉｕ  ｅｔ  ａｌ．  （１９８９）  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １１１：２３２１）、Ｏ-メチルホスホアミダイト結合（参照、Ｅｃｋｓｔｅｉｎ，  Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ  ａｎｄ  Ａｎａｌｏｇｕｅｓ：  Ａ  Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ，  Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ）、およびペプチド核酸骨格および結合（参照、Ｅｇｈｏｌｍ  （１９９２）  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １１４：１８９５；  Ｍｅｉｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９２）  Ｃｈｅｍ．  Ｉｎｔ．  Ｅｄ．  Ｅｎｇｌ．  ３１：１００８；  Ｎｉｅｌｓｅｎ  （１９９３）  Ｎａｔｕｒｅ，  ３６５：５６６；  Ｃａｒｌｓｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９６）  Ｎａｔｕｒｅ  ３８０：２０７）を備える、代替骨格を有することができる核酸類似体が含まれる。その他の類似体核酸は、米国特許第５，２３５，０３３号および５，０３４，５０６号、およびＣｈａｐｔｅｒｓ  ６  ａｎｄ  ７，  ＡＳＣ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  ５８０，  Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ  Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ａｎｔｉｓｅｎｓｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，  Ｅｄ．  Ｙ．  Ｓ．  Ｓａｎｇｈｕｉ  ａｎｄ  Ｐ．  Ｄａｎ  Ｃｏｏｋで説明されているものを含む、正の骨格（Ｄｅｎｐｃｙ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９５）  Ｐｒｏｃ．  Ｎａｔｌ．  Ａｃａｄ．  Ｓｃｉ．  ＵＳＡ  ９２：６０９７）、非イオン性骨格（米国特許第５，３８６，０２３号、５，６３７，６８４号、５，６０２，２４０号、５，２１６，１４１号、および４，４６９，８６３号；  Ａｎｇｅｗ．  （１９９１）  Ｃｈｅｍ．  Ｉｎｔｌ．  Ｅｄ．  Ｅｎｇｌｉｓｈ  ３０：４２３；  Ｌｅｔｓｉｎｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９８８）  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １１０：４４７０；  Ｌｅｔｓｉｎｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９４）  Ｎｕｃｌｅｏｓｉｄｅ  ＆  Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ  １３：１５９７；  Ｃｈａｐｔｅｒｓ  ２  ａｎｄ  ３，  ＡＳＣ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  ５８０，  “Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ  Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ａｎｔｉｓｅｎｓｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ”，  Ｅｄ．  Ｙ．  Ｓ．  Ｓａｎｇｈｕｉ  ａｎｄ  Ｐ．  Ｄａｎ  Ｃｏｏｋ；  Ｍｅｓｍａｅｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９４），  Ｂｉｏｏｒｇａｎｉｃ  ＆  Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ  Ｃｈｅｍ．  Ｌｅｔｔ．  ４：３９５；  Ｊｅｆｆｓ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９４）  Ｊ．  Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ＮＭＲ  ３４：１７；  Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ  Ｌｅｔｔ．  ３７：７４３  （１９９６））、および非リボース骨格を伴うものを含む。１つ以上の炭素環糖を含有する核酸もまた、核酸の定義内に含まれる（参照、Ｊｅｎｋｉｎｓ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９５），  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  Ｒｅｖ．  ｐｐ．  １６９-１７６）。いくつかの核酸類似体は、Ｒａｗｌｓ，  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｎｅｗｓ，  Ｊｕｎｅ  ２，  １９９７  ｐａｇｅ  ３５で説明されている。リボース・リン酸骨格のこのような修飾は、標識等の付加部分の追加を促進するため、または整理学的環境でそのような分子の安定性および半減期を増大させるために行なうことができる。
【００７０】
本願で使用されるような、「抗体」は、免疫グロブリン遺伝子、または免疫グロブリン遺伝子の断片によって実質的に符号化される１つ以上のポリペプチドを含む、タンパク質または糖タンパク質を指す。認識されている免疫グロブリン遺伝子は、カッパ、ラムダ、アルファ、ガンマ、デルタ、イプシロン、およびミュー定常領域遺伝子、ならびに無数の免疫グロブリン可変領域遺伝子を含む。軽鎖は、カッパまたはラムダのいずれかとして分類される。重鎖は、ガンマ、ミュー、アルファ、デルタ、またはイプシロンとして分類され、次にそれは、ＩｇＧ、ＩｇＭ、ＩｇＡ、ＩｇＤ、およびＩｇＥといった免疫グロブリンクラスをそれぞれ定義する。典型的な免疫グロブリン（抗体）構造単位は、４量体を備えることが知られている。各４量体は、ポリペプチド鎖の２つの同一ペアから成り、各ペアは、１つの「軽」鎖（約２５ｋＤ）および１つの「重」鎖（約５０〜７０ｋＤ）を有する。各鎖のＮ末端は、抗原認識に主に関与する約１００個から１１０個以上のアミノ酸の可変領域を定義する。可変軽鎖（ＶＬ）および可変重鎖（ＶＨ）という用語は、このような軽鎖または重鎖をそれぞれ指す。抗体は、無傷免疫グロブリンとして、または様々なペプチダーゼによる消化によって生成される多数の十分に特徴付けられた断片として、存在する。よって、例えば、ペプシンは、ヒンジ領域中のジスルフィド結合の下方（すなわち、Ｆｃドメインに向かった）の抗体を消化して、それ自体がジスルフィド結合によってＶＨ-ＣＨ1に接合される軽鎖である、Ｆａｂの２量体、Ｆ（ａｂ）’２を生成する。Ｆ（ａｂ）’２は、緩やかな条件下で還元することができ、ヒンジ領域中のジスルフィド結合を破壊にすることにより、２量体（Ｆａｂ’）２をＦａｂ’単量体に変換する。Ｆａｂ’単量体は、本質的に、ヒンジ領域の一部を伴うＦａｂである（他の抗体断片のより詳しい説明については、Ｐａｕｌ  （１９９３）  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ，  Ｒａｖｅｎ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｎ．  Ｙ．を参照）。様々な抗体断片が、無傷抗体の消化について定義されるが、当業者であれば、そのような断片は、組み換えＤＮＡ方法論を使用することによって化学的に、または「ファージ提示」法によってのいずれかで、新たに合成することができることを十分理解するであろう（例えば、Ｖａｕｇｈａｎ  ｅｔ  ａｌ．  （１９９６）  Ｎａｔｕｒｅ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  １４（３）：３０９-３１４、およびＰＣＴ／ＵＳ９６／１０２８７を参照）。好ましい抗体は、可変重鎖および可変軽鎖が共に接合され（直接、またはペプチドリンカを通して）、連続ポリペプチドを形成する、１本鎖抗体、例えば、１本鎖Ｆｖ（ｓｃＦｖ）抗体を含む。
【００７１】
「量子ドット」という用語は、当業者に周知であり、概して、光を吸収し、ドットのサイズに応じて、異なる色の光を早急に再発光する半導体または金属ナノ粒子を指す。例えば、２ナノメートル量子ドットは、緑色の光を発光する一方で、５ナノメートル量子ドットは、赤色の光を発光する。セレン化カドミウム量子ドットナノ結晶が、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｙｗａｒｄ，  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａより入手可能である。
【００７２】
次の文書は、それぞれ参照することにより本願に組み込まれる。２００２年９月１９日に米国特許公開公報第２００２／０１３０３１１号として発表された、Ｌｉｅｂｅｒらによる「ドープした細長い半導体、そのような半導体を成長させるステップ、そのような半導体を含む装置、およびそのような装置を加工するステップ」と題された２００１年８月２２日出願の米国特許出願第０９／９３５，７７６号；２００２年８月２９日に米国特許公開公報第２００２／０１１７６５９号として発表された、Ｌｉｅｂｅｒらによる「ナノセンサ」と題された２００１年１２月１１日出願の米国特許出願第１０／０２０，００４号；２００３年５月１５日に米国特許公開公報第２００３／００８９８９９号として発表された、Ｌｉｅｂｅｒらによる「ナノスケールワイヤおよび関連装置」と題された２００２年７月１６日出願の米国特許出願第１０／１９６，３３７号；２００５年１１月２２日に米国特許公開公報第２００５／０２５３１３７号として発表された、Ｗｈａｎｇらによる「ナノスケール配列、ロバストナノ構造、および関連装置」と題された２００４年１１月２２日出願の米国特許出願第１０／９９５，０７５号；ＭｃＡｌｐｉｎｅらによる「ロバストナノ構造」と題された、２００４年３月８日出願の米国暫定特許出願第６０／５５１，６３４号、２００５年１０月６日にＷＯ  ２００５／０９３８３１として発表された、Ｌｉｅｂｅｒらによる「金属・半導体化合物を含有するナノ構造」と題された２００５年２月１４日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００４４５９号；Ｗａｎｇらによる「ナノセンサ」と題された、２００５年６月１５日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２０９７４号；Ｌｉｅｂｅｒらによる「ナノスケールセンサ」と題された、２００５年５月２５日出願の米国特許出願第１１／１３７，７８４号；Ｌｕらによる「ナノワイヤヘテロ構造」と題された、２００５年９月２１日出願の国際特許出願；Ｌｉｅｂｅｒらによる「ナノスケールセンサ」と題された、２００５年８月９日出願の米国暫定特許出願第６０／７０７，１３６号；およびＰａｔｏｌｓｋｙらによる「ナノバイオエレクトロニクス」と題された、２００６年３月１５日出願の米国暫定特許出願第６０／７８３，２０３号。
【００７３】
下記の実施例は、本発明のある実施形態を解説することを目的とするが、本発明の全範囲を例示するものではない。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
ナノスケール半導体と生体系との間の接合部分は、情報処理システムの、このような２つの異なるが相補的である構成要素間の分子スケールの通信のための強力な手段を表す。この実施例は、哺乳類のニューロンと一体化したナノワイヤによる装置配列の組み立ておよび電気的性質を解説する。不連続混成構造は、高感度および空間分解能による、軸索、樹状突起、または細胞体での神経記録および刺激を可能にする。このような電子ナノ構造の整列した配列は、活動電位の速度および形状発展を測定するため、ならびに複数の入力および出力として単一細胞と相互作用するために、使用される。加えて、我々は、論理ゲート、およびその他の統合型のニューロンによる計算構造の基礎を形成し得る両極性信号の生成を可能にする、混成ｎおよびｐ型構造の組み立てを実証している。単一細胞への数１０件の入力または出力を作成するこのような構造の配列の柔軟な組み立ては、基礎神経生理学的研究、化学種との実時間細胞間相互作用、および混成細胞／半導体計算網の作成に有用であることが分かった。
【００７５】
（実施例２）
この実施例は、本発明の一実施形態による、あるナノワイヤ／ニューロン装置の調製を解説する。図１Ａは、整列したニューロン／ナノ装置配列における、配向されたｐおよび／またはｎ型シリコンナノワイヤの調製および組み立てのための概略図であり、明確なＦＥＴ装置配列構造への相互接続、装置要素に対してニューロン細胞成長を定義するための接着または成長因子としてのポリリシンのパターン形成、および標準条件下でのニューロン成長（下記で詳述される）がある。この方法は柔軟性があり、少なくとも１００ｎｍに至るまでのアドレス可能ナノワイヤ装置分離および装置配列形状の変化、電気的に異なるｐおよびｎ型要素の明確な位置への組み込み、および／または、細胞体または神経突起に対する、混成ナノワイヤ／ニューロン接合点またはシナプスの数および空間的位置の変化を可能にする。さらに、そのような変化を組み込む新規のチップは、約１日で急速に試作品を製造することが可能であり（ブランク基板からニューロン成長の段階まで）、それは、従来の平面ＦＥＴ構造と比べて有利であり、新規発想（または新規の統合混成構造）の急速な探査を可能にする。
【００７６】
細胞体が離れ、軸索が各ナノワイヤ要素にわたって方向付けられる、反復１−ニューロン／１−ナノワイヤモチーフの配列の光学像（図１Ｂ-１Ｆ）は、軸索の選択的成長がマーカ特異的蛍光標識法および多色共焦点顕微鏡法によって検証される、１：１の混成生細胞の高収量を示す。図１Ｂおよび１Ｃは、「軸索・ナノワイヤ」交差構造の再現性および高収量を示す、Ｓｉ−ナノワイヤ配列上の成長指向皮質ニューロンの光学像を示す。図１Ｄは、ナノワイヤ装置にわたって整列した皮質ニューロンの光学像であり、図１Ｅは、軸索がナノワイヤを交差する区域である、図１Ｄ中のボックスの拡大図である。図１Ｆは、培養中４日後の２色標識皮質ニューロンに対する共焦点蛍光像である。「尾」部分（下の矢印で強調）は、軸索特異タウタンパク質抗体で標識された成長している軸索を表し、および「頭」部分（上の矢印で強調）は、抗ＭＡＰ２抗体で標識された樹状突起を表す。
【００７７】
これら、および付加的なチップの分析は、９０％以上の収率を示し、その場合、ポリリシンの明確なパターン形成および分離生細胞の接着（詳細は下記を参照）が、決定因子のうちで最も重要であることが分かった。完全混成構造のこの高収量は、柔軟性ナノワイヤ製造を利用して、一連の異なる種類の装置を構築する能力にとって重要である。顕著に、約０．０１から０．０２平方マイクロメートルという、装置に対する典型的な活性接合点面積は、微細加工電極および平面ＦＥＴよりも小さい。天然シナプスと同様の小型混成接合点サイズは、単一細胞上の多重混成要素の統合に対して、所与のニューロンの大部分の細胞外電位の変化を平均化する複雑な状態なしで、信号の空間分解検出に体する重要な利点を提供することができ、ナノワイヤが、その有効長の多くの割合にわたる薄い約２ｎｍの厚さの酸化物を通してニューロンにしっかりと連結されるため、良好な信号対雑音を生じることができる。
【００７８】
細胞外電位と、マイクロ電極およびナノワイヤＦＥＴそれぞれにおける伝導率とを同時に記録しながら、細胞体において固定された制御としてガラスマイクロ電極を使用して、活動電位スパイクを誘発することによって、電気通信をニューロン・ナノワイヤ構造において評価した。図１Ｇは、細胞体で開始された電位スパイクと、軸索・ナノワイヤ接合点におけるナノワイヤによって測定された対応する伝導率ピークとの間の、直接時間的相関を示す。図１Ｈ中の単一ピークの拡張描画は、ニューロンの活動電位の形状を示す。図１Ｇでは、整列した皮質ニューロン（培養中で６日後）の細胞内電位を、０．１ｎＡの長さ５００ミリ秒の電流注入ステップによる刺激中に測定した。図１Ｈは、細胞内で（「ＩＣ」）測定された活動電位を示す。図１Ｉは、ｐ型シリコンナノワイヤ装置を使用して測定した軸索からの時間相関信号を示すグラフである一方で、図１Ｊは、ｐ型シリコンナノワイヤ装置によって細胞外で測定された活動電位（「ＮＷ」）のグラフである。外膜における相対電位がさらに負となり、次いでさらに正となって（測定されたＩＣ電位と反対）、担体の蓄積／伝導率の強化および減少／伝導率の低減をそれぞれひきおこすため、細胞内（「ＩＣ」）電位ピークとのナノワイヤ伝導率ピークの直接相関が、ｐ型ナノワイヤ（このような装置）に予期される。対応して、ｎ型ナノワイヤ要素は、逆のピークまたは補完的な反応を生じることができる（下記参照）。
【００７９】
図１Ｋは、マイクロピペットを使用することによって、ナノワイヤと接触している軸索を切断した後に、図１Ｇおよび１Ｉのパネルと同じシステムに対して記録された、細胞内（上）およびナノワイヤ（下）の電気的反応を示す。図１Ｌは、金属電極を架橋するナノワイヤを含有しない装置を使用して記録された、整列した皮質ニューロンの細胞内（上）および微細加工電極（下）の電気的反応を示す。
【００８０】
いくつかの対照実験を行ない、ナノワイヤ伝導率スパイクが、ニューロンの軸索に沿って伝播する活動電位の直接および局所的検出に相関し、アーチファクトによるものではないことを実証した。まず、高周波数活動電位スパイクのＩＣ刺激（図６Ａ〜６Ｂ）もまた、細胞体で開始された電位スパイクと、明確なスパイク幅および振幅（図６Ｃ〜６Ｄ）を伴うナノワイヤによって測定された対応する伝導率ピークとの間の、直接時間的相関を示した。図６Ａ〜６Ｂにおける測定は、図１Ｇ〜1Ｊと同じ装置／細胞で行なった。ナノワイヤは、０．３ｎＡ（図６Ａ）および０．６ｎＡ（図６Ｂ）の高電流細胞内刺激に対する活動電位を検出した。図６Ｃおよび６Ｄは、ｐ型シリコンナノワイヤ装置を使用して、整列した皮質ニューロンの軸索から測定されたスパイク振幅（図６Ｃ）および幅（図６Ｄ）のヒストグラムを示す。
【００８１】
第２に、図６Ｆ〜６Ｇは、ナノワイヤ／軸索接合点の前に軸索を切断した後、ナノワイヤによって伝導率スパイクが検出されないことを示した。第３に、ナノワイヤ要素がない場合、同じ軸索／電極配置（図１Ｌ、図６Ｆ〜６Ｇ）において伝導率スパイクが観察されず、第４に、テトロドトキシン（ＴＴＸ、図６Ｅ）で電位依存性ナトリウムチャネルを妨害した後、ＩＣガラスマイクロ電極により、またはナノワイヤ／軸索接合点においてのいずれかで、スパイクが検出されなかった。図６Ｅは、０．５μＭのＴＴＸの浴添加後に図１Ｇ〜１Ｊと同じシステムに対して記録された、細胞内（上のトレース）および細胞外（下のトレース）ナノワイヤ電気的反応を示す。小さい黒の矢印は、細胞内刺激パルス（０．３ｎＡ）の開始／収量を示す。図６Ｆ〜６Ｇは、パターン化基板上に成長された皮質ニューロンの光学像である。図６Ｇは、ナノワイヤ要素のない微細加工電極間を通過する軸索（図６Ｆ中のボックス）のさらに高い解像度の画像である。
【００８２】
総合すると、これらの結果は、軸索／ナノワイヤ接合点を伴う無傷および機能性ニューロンが、ナノワイヤにおける伝導率ピークを観察するために必要とされ、かつ、刺激電極または活動電位スパイクと、ナノワイヤと接触するために使用される加工電極との間の電気的結合がこの挙動を生なかったことを実証した。
【００８３】
（実施例３）
この実施例では、ナノワイヤ／細胞体およびナノワイヤ／樹状突起混成構造も調査し、優れた電気通信を示すことが分かった。細胞体における活動電位スパイクの細胞内刺激は、ナノワイヤ／細胞体構造におけるナノワイヤによって測定される伝導率ピーク（図７Ａ〜７Ｄ）に相関した。これらの図は、ナノワイヤ装置上に細胞体がある皮質ニューロンの蒸着および成長前（図７Ａ）および後（図７Ｂ）のシリコンナノワイヤ装置を示し、矢印は、ナノワイヤおよび細胞体それぞれの位置を強調する。細胞内電流注入（矢印；１５ミリ秒、０．６ｎＡパルス）後のニューロンの細胞内（図７Ｃ）およびナノワイヤ（図７Ｄ）電気的反応も示される。
【００８４】
伝導率ピークの形状および幅（図７Ｅ〜７Ｆ）は、ナノワイヤ／軸索構造から決定されたものと同様であった。図７Ｅは、個々の細胞体・ナノワイヤ接続に対してナノワイヤによって検出される代表的な電気信号を示すグラフである。図７Ｆは、細胞体／ナノワイヤ接合部分に対して記録された信号幅のヒストグラムである。
【００８５】
対照実験は、信号が、重複死ニューロンのＩＣ刺激後（図７Ｇ〜７Ｉ）、またはナノワイヤとの重複がない隣接ニューロンの刺激後のナノワイヤにおいて検出されたことをさらに示した。図７Ｇ〜７Ｈは、死んだニューロンの蒸着の前（図７Ｇ）および（図７Ｈ）後のナノワイヤ装置の光学像である。図７Ｉは、このニューロンの細胞内刺激後に記録された、細胞内（上）および細胞外ナノワイヤ（下）電気的反応を示す。
【００８６】
これらの細胞体測定は、より大型の平面ＦＥＴ／ニューロン装置の他の研究と同様であったが、これらのナノワイヤ装置による信号対雑音は、実質的により良好で、ＩＣマイクロ電極に匹敵した。顕著に、単一樹状突起／ナノワイヤ混成接合点を組み立てて、細胞外信号対雑音により、個々の樹状突起のスパイクの伝搬を記録することもまた可能であった。多重ナノワイヤ／ニューロン装置を使用した空間分解測定におけるこの利点は、下記でより詳しく論じる。
【００８７】
（実施例４）
この実施例では、ナノワイヤ／軸索接合点を通してニューロンの活動を刺激するために、ナノワイヤ装置を使用した。このような混成接合点は、サイズスケールが天然樹状突起／軸索シナプスに近く、よって、人工シナプスとして考えることが合理的であるという点で興味深く、対照的に、ニューロン刺激に以前使用されていたより大型の微細加工構造は、非常に異なるサイズスケールである（より大きい）。ナノワイヤ／軸索接合点のナノワイヤへの二相性励起パルスシーケンスの適用は、細胞体活動電位スパイクの検出をもたらす。この二相性パルスシーケンスにより、ＩＣ電位スパイクは刺激の試行の８６％において観察された。活動電位スパイクの励起はまた、約０．４Ｖの閾値も示し、その場合、この値未満でナノワイヤを駆動すると（図１Ｍ）、電位スパイクはＩＣ電極により観察されなかった。また、ＴＴＸで処理した混成構造の閾値以上のナノワイヤ刺激（図１Ｍ）は、ＩＣ電位スパイクを示さず、よって、この挙動を観察するために電気的機能性ニューロンが必要とされたことを示した。
【００８８】
図１Ｍでは、軸索・ナノワイヤ刺激後の皮質ニューロンの細胞内電気的記録が示される（一連の５つの長方形二相型刺激、５００ミリ秒幅）（上の曲線）。刺激部分の電気刺激曲線および増幅もまた示される（破線ボックス；図１Ｎ）。下の３つの曲線は、（上）０．５Ｖの刺激振幅、（中）０．３Ｖの振幅の長方形二相型刺激を使用したナノワイヤ刺激後、および（下）０．５マイクロモルＴＴＸの浴添加および０．５Ｖの刺激振幅後（下）の細胞内記録である。１つの曲線を拡張している（図１０）。
【００８９】
活動電位の刺激においてナノワイヤ／軸索接合点が果たした役割は、主要ナノワイヤ要素が欠落した同様の構造で測定を行なうことによってさらに実証され（図８Ａ）、これらの構造の刺激（ナノワイヤ／軸索接合点に対する閾値以上）は、観察可能なＩＣ細胞体電位スパイクにつながらなかった（図８Ｂ）。
【００９０】
図８Ａは、ナノワイヤのない微細加工電極間を通過するニューロンからの軸索の光学像である。ニューロン成長は、図１Ａに示されるものと同様のポリリシンパターンを使用して方向付けた。図８Ｂは、電極に刺激パルスシーケンスを印加した後の、微細加工電極からの電気出力（刺激曲線）（上のトレース）、および対応する細胞内信号（下のトレース）を示すグラフである。具体的なパルスシーケンスは、破線長方形中に示される（図８Ｃ）。よって、多重入力に対する電位と連結されるナノワイヤにより可能な、高度に局限化された励起は、基礎神経生物学研究および混成電子工学の両方に対する興味深い機会を可能にする。
【００９１】
この線に沿って、単一ナノワイヤの刺激および検出能力を単一実験で採用することが可能であることに注目される。具体的には、刺激後のＦＥＴ測定へのナノワイヤの再構成（図１Ｐ）は、励起が閾値以上の場合に、励起された活動電位を、良好な信号対雑音を伴う伝導率スパイク、および刺激連続からの約１ミリ秒の遅延として記録することが可能であることを示した。図１Ｐは、刺激剤と同じナノワイヤを使用した軸索刺激後に、ナノワイヤが電気的反応を記録したことを示す（上の曲線）。一連の５つの長方形二相型刺激（連続幅５００マイクロ秒）を記録ナノワイヤに加えた。下の曲線は、より低い振幅、０．３Ｖ、および以前と等しい時間の５つの長方形パルスの刺激連続の適用後の、ナノワイヤ記録電気的反応に対応する。太い矢印は、ニューロン信号に対応し、破線矢印は、装置出力への刺激パルスの結合に対応する。
【００９２】
（実施例５）
この実施例は、ニューロンに連結されるナノワイヤの数および空間的配設が異なる混成ナノワイヤ／ニューロン装置を組み立て、特徴付けるためのこの方法の柔軟性を解説する。第１に、軸索および樹状突起それぞれにおける活動電位スパイクの同時および時間分解伝搬および逆伝搬が検出され得るかどうかを検査するように、４−ナノワイヤＦＥＴの直線配列、空隙、および５−ナノワイヤＦＥＴから成る装置構造を設計する（図２Ａ）。図２Ａは、軸索および樹状突起が反対方向に整列した皮質ニューロンの光学像であり、（下）は対応する概略図である。
【００９３】
上記で導入したポリリシンパターン形成を採用することによって（下記参照）、光学像（図２Ａ）は、軸索および樹状突起が２つの直線ＦＥＴ配列にわたって反対方向に誘導され、細胞体が空隙内に限局されたラット皮質ニューロンの明確な成長を実証した。成長の具体的極性（例えば、４または５−ＦＥＴ配列にわたる軸索）は制御しなかったが、培養中に突起（軸索）をより速く成長させることにより、そして後に電気反応（下記参照）および測定後蛍光画像化によって、容易に識別した。所与のチップ上で、約２０の反復ナノワイヤ配列構造を加工し、次の低密度ニューロン吸収／成長は、８０％混成構造／チップの収率を得た。
【００９４】
このような多重ナノワイヤ／ニューロン配列は、細胞体におけるＩＣ刺激後のナノワイヤからの伝導率出力の同時検出によって特徴付けられた。図２Ｂは、１５ｍｓ、０．５ｎＡの電流パルスによる細胞内刺激後の、樹状突起／ナノワイヤ装置（左のトレース、ＮＷ６〜９）および軸索／ナノワイヤ装置（右のトレース、ＮＷ１〜５）から測定された電気的反応を示す。細胞体における活動電位スパイクの刺激は、ナノワイヤ／軸索およびナノワイヤ／樹状突起接合点を形成するナノワイヤ要素における相関伝導率ピークを生じたことが分かった（図２Ｂ）。定性的に、これらのデータはいくつかの主要点を実証する。第１に、９つの、独立してアドレス可能なナノワイヤ／神経突起接合点のうちの７つは、ＩＣ刺激と相関する再現可能な伝導率スパイクを生じた。機能している要素の高収量もまた達成されているが（下記参照）、この約８０％の収率はなおも樹状突起および軸索それぞれに３および４つの空間的に定義された局部検出器を残した。このレベルの混成電子／生物学的シナプスの統合は、この作業に特有であると考えられる。第２に、要素１〜５によって軸索に沿って記録された伝導率スパイクは、鋭いピーク形状および比較的一定のピーク振幅を維持した。対照的に、樹状突起に沿って要素６〜９によって測定された伝導率スパイクは、振幅の顕著な広がりおよび低減を示した。
【００９５】
複数の空間的に分離されたナノワイヤ／神経突起接合点からの信号を同時に記録し、よってスパイク伝搬が軸索および樹状突起の両方において定量化されることを可能にした。高解像度の伝導率・時間データの比較（図２Ｂからのピークの拡張である図２Ｃ〜２Ｄ、各過程に沿って伝播するにつれてピーク形状の進化を明らかにする）は、細胞体における開始後の樹状突起および軸索におけるスパイクの伝搬の遅延を容易に解決することが可能であることを実証し、さらに、樹状突起における明確なピークの低減および一時的広がり、およびそれぞれ約２００マイクロメートルの距離を越える軸索の少しの変化を示した。このような後者の観察は、受動および能動伝播機構それぞれで一貫していた。
【００９６】
基準として神経突起において第１のナノワイヤ（すなわち、ＮＷ１およびＮＷ６）を使用することによって（図２Ｅ）、樹状突起に対して０．１６ｍ／秒、軸索に対して０．４３ｍ／秒の信号伝搬速度を算出した。異なるニューロンによる試行では、これらの速度には、樹状突起および軸索それぞれに対して０．１５±０．０４ｍ／秒および０．４６±０．０６ｍ／秒のガウス分布があることが分かった（図２Ｆ）。このようなデータは、従来の電気生理学および光学方法によって測定された、報告されている伝搬速度に匹敵した。図２Ｅは、軸索および樹状突起それぞれに対する、ＮＷ１およびＮＷ６からの距離の関数としての待ち時間を示す描画であり、図２Ｆは、軸索および樹状突起を通る伝搬速度のヒストグラムである。確かに、ニューロン活動および信号伝搬の高感度で「多部位」の電気的記録には、電位感受性染料の注入に頼る光学方法との類似点があるが、重要な利点も有する。例えば、配列における装置分離を変えることによって、実質的により高い解像度（少なくとも１００ｎｍレベルまで）を達成することが可能であった。また、ナノワイヤ要素を、複数の個別神経突起を同時に探査することが可能な構造に組み立てることが可能であり、これは現在、他のツールによって可能ではなく、また信号伝搬を開始および／または変調するために、入力としてナノワイヤ／神経突起「シナプス」のうちの１つ以上も使用する。
【００９７】
（実施例６）
多重ナノワイヤ／神経突起人工シナプスの潜在性をさらに探索するために、この実施例では、中心細胞体および４つ末梢ナノワイヤ要素を有し、これらの要素にわたって神経突起成長を推進するように設計されたパターン形成で長方形の隅部に配設されている、混成構造を組み立てた（図３Ａおよび３Ｂ）。配列における４つの機能性ナノワイヤ装置のうちの３つに接続された皮質ニューロンの代表的な光学像（図３Ａ）は、混成ナノワイヤ／軸索を伴うこの基本的モチーフ、および位置１、２、および３それぞれにおける２つのナノワイヤ／樹状突起要素を検証した。図３Ｂは、細胞内刺激（細胞体における矢印３０）および細胞外のナノワイヤによる刺激（ＮＷ１上の矢印３５）という、２つの可能な刺激方法を示す概略図である。
【００９８】
図３Ｃは、細胞内電流刺激（０．５ｎＡの１５ミリ秒電流注入パルス）および結果として生じるナノワイヤ（ＮＷ１、ＮＷ２、ＮＷ３、およびＮＷ４）電気的反応のトレースを示す。ＮＷ４はニューロンのいずれの部分にも電気的位に接続されず、よって全実験に対する内部対照の役割を果たすことに注目されたい。この図は、細胞体における活動電位スパイクの刺激が、ナノワイヤ／軸索（ＮＷ１）およびナノワイヤ／樹状突起（ＮＷ２、ＮＷ３）における相関伝導率ピークを生じる一方で、可視的な神経突起重複のない良好な検出器（ＮＷ４）において信号が観察されなかったことを示した。また、ＮＷ１を使用し、これは、要素２および３を交差する２つの樹状突起において実質的に検出された活動電位スパイクを誘発するための局所刺激入力として、軸索との電気的接合点を形成する。ＮＷ４からの信号の観察の欠如は、これらの混成装置にクロストークがないことを実証する。図３Ｄは、ニューロンの逆行性刺激のためにＮＷ１に印加されるパルス（一連の５つの長方形二相型刺激、連続幅５００マイクロ秒）のトレースを示す。反応は、ＮＷ２およびＮＷ３における樹状突起／ナノワイヤ接合点によって測定した。対照の役割を果たすＮＷ４には神経連絡がなかった。
【００９９】
このような基礎研究は、神経生物学の潜在的用途、例えば、スパイク伝搬、および単一ニューロンおよびネットワークレベルでの人工シナプス（入力）の影響を詳しくマッピングするステップにおいて、およびロジックおよび最終的な情報処理で使用され得る混成回路要素としての両方で、興味深いものであった。
【０１００】
（実施例７）
このような多重ナノワイヤ/神経突起混成構造および電気データは、より複雑な入力/出力構造および／または、この実施例で示されるような、さらなる機能性の対応する潜在性がある回路要素への拡張を示唆する。
【０１０１】
第１に、ニューロンの軸索との連続接合点を形成する交互ｐ型およびｎ型ナノワイヤ要素から成る、合理的混成装置配列を加工するために、このナノワイヤ組み立て方法の柔軟性を使用した（図４Ａ）。図４Ａは、５つのｐおよびｎ型ナノワイヤ装置の交互配列を交差する整列した軸索の概略図である。装置間の間隔は１０マイクロメートルであった。ナノ電子要素のこのより複雑な配設を探索するための明白な動機は、ｐおよびｎ型材料から生成される相補信号がデジタルエレクトロニクスおよび計算にあるという重要性に基づく。顕著に、細胞体における活動電位スパイクのＩＣ刺激は、漸進的にＮＷ１からＮＷ４へと、ナノワイヤ要素における、一時的に相関のある、交互伝導率ピーク／落下を生じた。図４Ｂは、細胞内電流刺激（０．５ｎＡ振幅の２０ミリ秒パルス）、および先行概略図（図４Ａ）で描かれたｐ型およびｎ型装置によって測定された結果として生じた信号のトレースを示す。
【０１０２】
これらの結果は、伝搬する活動電位と関連する膜電位の変化によるｐおよびｎ型ナノワイヤのゲーティングと一致し、混成構造において相補信号を生成することが可能であったことを示した。相補信号を伝導率の変動として解説した一方で、相補出力電圧もまた、電流偏向装置において生産することが可能であった。異なる構造モチーフにおいて相補ナノワイヤ/ニューロン混成装置を組み立てることが比較的容易であることにより、このことは、装置およびデジタルエレクトロニクスより選び出された回路概念、ならびに相補ナノワイヤ信号が人工シナプスに対する抑制および励起入力として使用される新規の処理戦略にとって豊かな分野となると考えられる。
【０１０３】
（実施例８）
この実施例で探索されたのは、いくつかのナノワイヤ／軸索接合点が入力として構成され、混成接合点の１つが出力として使用された、論理ゲートとしての混成ナノワイヤ／ニューロン配列であった。入力または人工シナプスは、信号伝搬を変更し、出力時の明確な論理状態を生じた。例として、５つの独立ナノワイヤ／軸索要素の混成構造を特徴付け（図４Ｃ）、その場合、最初の４つは、各ナノワイヤが制御可能な電位に設定された入力であり、最後の接合点（ＮＷ５）が出力状態を検出する。入力が低く設定されると（電圧の印加なし）、活動電位スパイクの刺激後にＮＷ５で高値が検出された。一方で、入力ナノワイヤのうちのいずれかが高く設定された場合（０．９Ｖ）、スパイクの刺激後にＮＷ５において低信号が検出された。図４Ｃは、その軸索が５つのｐ型ナノワイヤ装置の配列上で整列している皮質ニューロンの光学像である。ナノワイヤ１〜４は、膜を過分極化することによって信号の伝搬を抑制する（「１」）か、通過させる（「０」）かのいずれかを行なう入力の役割を果たした。ナノワイヤ５によって測定される出力は、細胞内または他の場所で誘発された信号の存在（「１」）または欠如（「０」）を表した。このような結果は、この混成構造が４-入力ＮＯＲ（ＯＲではない）論理ゲートに類似して機能することを示した真理値表（図４Ｄ）の形態で要約される。
【０１０４】
この混成ＮＯＲ論理ゲートの挙動の基礎を成す機構は、ナノワイヤ電圧が高く設定された場合の、ナノワイヤ／軸索シナプスにおける膜の局所陽極過分極化であると考えられる。この過分極化は、活動電位スパイクの伝搬を妨害し得て、結果として低い出力（すなわち、スパイクなし）をもたらし得る。このことが論理演算を行なう他の方法を示唆するため、このような混成回路要素における入力／出力の制御の範囲を探索するために付加的な研究を行った（図９）。まず、高値未満の入力電位を印加するステップは、スパイク伝搬を妨害することを必要とし、測定された伝搬速度およびスパイク振幅の低減をもたらした。このような結果は、神経回路網における信号伝搬のシナプス調節、ならびにアナログエレクトロニクスといくぶんか似ている。図９Ａは、多重ナノワイヤ／ニューロン装置の構造を図示する概略図である。構造は、図４Ｃの光学像と同様である。図９Ｂ〜９Ｃは、ＩＣ刺激の前（図９Ｂ）および後（図９Ｃ）にＮＷ１およびＮＷ５で記録された電気信号を示し、０．４Ｖの印加（過分極化）パルスをＮＷ３に印加した。
【０１０５】
この線に沿って、生物学的神経回路網でのような、混成ナノワイヤ／ニューロン回路要素に対する入力は、電気的入力に限定されなかったが、化学的ともなり得た。図９Ｄは、ＮＷ３〜ＮＷ４間の軸索部分への０．５マイクロモルＴＴＸの限局性適用後に記録された、ＩＣおよびナノワイヤ出力信号を示す。ナノワイヤ信号は、ＴＴＸの注入点前（ＮＷ１）および後（ＮＷ５）に記録した。上記（ＮＷ３）と同じ入力ナノワイヤにおけるＴＴＸの局所放出は、スパイク伝搬を妨害し、ＮＷ５での低出力をもたらした。このような実験でＴＴＸを注入したが、化学的に誘導体化されたナノワイヤを選択的に使用して、神経伝達物質、チャネル遮断薬、およびその他の化学物質を放出することにより、このような混成ナノ電子装置における入力／信号調節および出力のモードを強化することが可能である。
【０１０６】
（実施例９）
この方法は、多数の分野における機会を開き得る高度に統合されたシステムへと容易に拡張することが可能である。この構想を実証するために、ニューロンごとに５０本のアドレス可能ナノワイヤを有する反復構造を設計および加工した（図５Ａ〜５Ｂ）。この構造は、ナノ電子装置のより高い密度で単一細胞混成構造の能力を示すために選択したが、例えば、異なる形状、ナノワイヤ装置間隔、および／または複数の細胞を伴う構造に容易に再構成することが可能である。図５Ａは、それぞれ５０個のナノワイヤ要素から成る６つの装置配列と、関連金属相互接続とを有するチップの光学像である。図５Ｂは、青い長方形によって囲まれる区域に対応し、２つの５０ナノワイヤ要素配列を示す、光学像である。長方形は、図５Ｃで示される混成装置配列を表す区域を強調する。スケールバーはそれぞれ、５および１ｍｍである。
【０１０７】
図５Ｃは、１０マイクロメートルの装置間の間隔を伴う、５０個の装置の配列を交差する整列した軸索の光学像であり、ポリリシンパターン形成を使用して、このような大型ナノワイヤ装置配列に対してよく整列したニューロン成長が達成されたことを示し、ニューロン成長後に行なわれた電気的輸送測定は、４３／５０装置に５５０から８７０ｎＳの伝導率値があるという、良好なナノワイヤＦＥＴ装置の高収量を実証した。機能性装置の収率は８６％であった。
【０１０８】
細胞体における活動電位のＩＣ刺激は、長さ約５００マイクロメートルの軸索に対する４３個の作動装置によるスパイク伝搬のマッピングを生じる（図５Ｄ）。ＮＷ１からＮＷ４９のピーク待ち時間は１０６０マイクロ秒であった。これらのデータは、能動的伝播過程と一致する、ＮＷ１からＮＷ４９へのピーク振幅の少ない減衰を示した。さらに重要なことには、これらのデータは、人工「電気シナプス」の前例のない密度を実証し、そのそれぞれは独立して監視または刺激することが可能で、よって混成処理回路の将来の見込みの明示を提供する。
【０１０９】
（実施例１０）
この実施例は、本発明の様々な実施形態で有用となる場合がある、あるプロトコルおよび方法を説明する。
【０１１０】
ナノワイヤ配列加工。前述のような金ナノクラスタ化学蒸着によって、直径２０ｎｍのシリコンナノワイヤを合成した。ｐ型およびｎ型ナノワイヤをそれぞれ調製するために、１：４，０００のＢ：ＳｉおよびＰ：Ｓｉ比を伴うジボランおよびホスフィンを使用した。流れで方向付けられた技法、またはラングミュア−ブロジェット法を使用して、ナノワイヤをシリコンチップ（厚さ６００ｎｍの酸化物、ＮＯＶＡ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｌｔｄ．）の酸化表面上に整列させ、後者の方法により、制御された分離を伴う均一な平行ナノワイヤ配列をチップ全体にわたって調製することができた。ナノワイヤに対するソースおよびドレン接触は、報告されているフォトリソグラフィおよび金属蒸着（６０ｎｍのＮｉ）を使用した組み立て後に画定し、プラズマＣＶＤによる厚さ約１５０ｎｍのＳｉ３Ｎ４の蒸着によるレジストリフトオフの前に不動態化した。
【０１１１】
チップ表面パターン形成。完全加工ナノワイヤＦＥＴを含有するチップ上の３０〜５０平方マイクロメートル（細胞体の付着に対して）および幅２〜３マイクロメートルの線（誘導された軸索および樹状突起成長に対して）のパターンを定義するために、第２のフォトリソグラフィステップを使用した；パターンは、約１マイクロメートル精度で、ナノワイヤ装置に対して登録した。手短には、完成した装置チップを、（ヘプタデカフルオロ）−１，１，２，２-テトラヒドロデシルジメチル-クロロシランを伴う１％（ｖ／ｖ）ジクロロメタン溶液（Ｇｅｌｅｓｔ，  Ｉｎｃ．）中で１時間修飾し、ジクロロメタンですすいで、１１０℃で１０分間硬化させた。ポジ型フォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ  Ｓ１８０５）を使用したフォトリソグラフィパターン形成後、露出区域内のフルオロシランを酸素プラズマ（５０Ｗ、５分間）によって取り除き、次いでチップを水性ポリリシン溶液に一晩浸漬した（０．２〜０．５ｍｇ／ｍｌ、ＭＷ  ７０，０００〜１５０，０００）。残りのフォトレジストを３０分間のアセトン洗浄において除去し、チップ全体をエタノール洗浄および標準オートクレーブサイクルによって滅菌した。
【０１１２】
段階調製。完全にパターン化したチップを温度制御した顕微鏡検査台に搭載し、プラスチックかん流チャンバの下で締め付けた。Ｓｉ３Ｎ４不動態化のないパッドは、かん流チャンバを越えて延在し（すなわち、ニューロンのインキュベーションまたは測定中に緩衝液と接触していなかった）、台の両側に取り付けられた１式のピンソケットにワイヤで結合した。搭載および配線したチップを滅菌し（１オートクレーブサイクルおよび１時間のＵＶ光）、次いで、細胞蒸着の前に、５％  ＣＯ２中にて３７℃で事前インキュベートした。
【０１１３】
細胞培養。Ｓｐｒａｇｕｅ／ＤａｗｌｅｙまたはＦｉｓｃｈｅｒ  ３４４ラット脳（９９．９％グリア無、ＧＴＳ  Ｉｎｃ．）からの第１８〜１９日の胚１次皮質細胞（および／または１次海馬細胞）を培地（０．５ｍＭのグルタミン、Ｂ２７補充、およびストレプトマイシン抗生物質を含有するｎｅｕｒｏｂａｓａｌ無血清培地）中で懸濁し、所望のプレート密度までｎｅｕｒｏｂａｓａｌ／グルタミン／Ｂ２７／ストレプトマイシンでさらに希釈した。細胞懸濁液を事前インキュベートしたチップ表面に移し、所望の細胞密度に応じて、５％  ＣＯ２  インキュベータ中にて３７℃で２０〜１２０分間インキュベートした。過剰な細胞を取り除いて（チップ表面上の湿潤層を除いて）、新しい、事前に暖めた培地を添加した。ニューロンチップを４〜８日の期間にわたって５％  ＣＯ２により３７℃でインキュベートした。
【０１１４】
電気生理学。細胞内刺激／記録実験を、３Ｍの塩化カリウムで裏を満たし、Ａｇ／ＡｇＣｌワイヤ（２５〜７０メガオーム（ＭΩ）の抵抗）と接触させたガラスマイクロ電極を使用した標準方式で実行した；電極を電動３軸極微操作装置（ＤＣ-３Ｋ、Ｍａｒｚｈａｕｓｅｒ  Ｗｅｔｚｌａｒ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．）に搭載し、コンピュータ制御下で標準増幅器架橋電子機器を使用して（ＩＥ-２１０、Ｗａｒｎｅｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐ．）制御した。全測定は、ｐＨ  ７．２５の、１４５ｍＭのＮａＣｌ、３ｍＭのＫＣｌ、３ｍＭのＣａＣｌ２、１ｍＭのＭｇＣｌ２、１０ｍＭのグルコース、および１０ｍＭのＨＥＰＥＳを含有する電気生理学浴溶液にチップ表面を浸して、３７℃で実行した。残留膜電位は、細胞構造全体への進入後に推測し、活動電位は、典型的に、０．３〜０．９ｎＡの短い（０．３〜０．５ｍｓ）または長い（５００ｍｓ）脱分極化電流によって誘発した。一部の実験では、ピコインジェクタ（ＰＬＩ-１００  Ｐｌｕｓ  Ｐｉｃｏ-Ｉｎｊｅｃｔｏｒ，  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏｒｐ．）を使用して、または全体的に浴用途を通して、テトロドトキシン（ＴＴＸ）（０．５〜１マイクロモル、Ｓｉｇｍａ）を特定場所に導入した。全てのマイクロ電極および注入ステップは、直接光学的観測下で行ない、データはＬａｂＳｃｒｉｂｅを使用して記録および処理した。
【０１１５】
ナノワイヤ装置測定。全研究は、電気生理学浴溶液（上記参照）にチップ表面を浸して、３７℃で実行した。ナノワイヤＦＥＴ伝導率は、ＤＣバイアスを０Ｖに設定したＡＣモード（１〜５０ｋＨｚ；３０ｍＶ最大振幅）で測定し、信号は、可変利得前置増幅器（１２１１電流前置増幅器、ＤＬ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ．）で増幅して、ロックイン増幅器（ＤＳＰ二相ロックイン、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用して検出した。出力データは、１０または１００ｋＳａ／ｓでＡ／Ｄ変換器を使用して記録した。二相方形波パルス（振幅０〜１Ｖ）を印加することによってナノワイヤによる刺激を実行した一方で、電位ステップ（振幅０〜０．２Ｖ）を印加することによって、抑制／過分極化を達成した。両方の場合において、信号をソースおよびドレン電極に同時に印加した。
【０１１６】
免疫組織化学。モノクロナールウサギ軸索特異タウタンパク質抗体（１：１０００希釈、Ｃｈｅｍｉｃｏｎ  Ｉｎｃ．；ウサギ抗品プシンＩ抗体も軸索標識に使用した）、およびモノクロナールマウス抗体ＭＡＰ-２（１：５００希釈、Ｃｈｅｍｉｃｏｎ  Ｉｎｃ．）をそれぞれ使用した選択的抗体よる実験後に、軸索および樹状突起を同定した。
【０１１７】
ニューロンは、ＰＢＳ中の４％ホルムアルデヒドにより４℃で４０分間固定し、０．２５％  Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ-１００により５分間透過処理し、ＰＢＳにより５分間３回すすいだ。事前ブロック緩衝剤（０．０５％  Ｔｒｉｔｏｎ-Ｘ、ＰＢＳ中の５％ウシ胎仔血清）により４℃で２時間処置した後、培養物を１次抗体により４℃で暗室にて一晩インキュベートした。二重標識実験では、２つの１次抗原を一緒にインキュベートした。軸索（ＡｌｅｘａＦｌｕｏｒ-５４６抗ウサギＩｇＧ）および樹状突起（フルオレセイン抗マウスＩｇＧ）に対するフルオロフォア共役２次抗体を、共焦点顕微鏡システム（ＬＳＭ  ５１０  Ｍｅｔａ，  Ｚｅｉｓｓ）で画像化する前に共役した。一次抗体のない対照、および単一標識サンプルも実行して、二重標識実験の解釈を検証した。検討したほとんどの場合において、パターン化したポリリシンパターン化線に沿ってニューロン体から延在する第１の突起は、軸索であることが分かった（培養における最初の２〜３日間で８０％以上の場合）。
【０１１８】
本発明のいくつかの実施形態を本願で説明および図示したが、当業者であれば、機能を実施するため、および／または本願で説明される結果および／または利点のうちの１つ以上を得るための、種々のその他の手段および／または構造を容易に想像し、そのような変化および／または変更のそれぞれは、本発明の範囲内と見なされる。さらに概して、当業者であれば、本願で説明される全てのパラメータ、寸法、材料、および構造は模範的となるように意図され、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構造は、本発明の教示が使用される特定用途に左右されることを容易に十分理解するであろう。当業者であれば、日常の実験のみを使用して、本願で説明される本発明の具体的実施形態の多くの同等物を認識するか、または確認することが可能であろう。したがって、先行の実施形態は、一例として提示されるのみであり、特に説明および請求されない限り、それに添付される請求項および同等物の範囲内で、本発明を実践することができることが理解される。本発明は、本願で説明される各個別機能、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象にする。また、そのような機能、システム、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾しない場合は、２つ以上のそのような機能、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせが、本発明の範囲に含まれる。
【０１１９】
本願で定義および使用されるような、全ての定義は、辞書の定義、参照することにより組み込まれる文書内の定義、および／または定義された用語の通常の意味を制御することを理解するべきである。
【０１２０】
本明細書および請求項で使用されるような「１つの」という不定冠詞は、明確にそれとは反対に指示されない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解するべきである。
【０１２１】
本明細書および請求項で使用されるような、「および／または」という語句は、そのように結合される要素、すなわち、場合によっては接合的に存在し、他の場合においては分離して存在する要素の「いずれか、または両方」を意味すると理解するべきである。「および／または」により一覧化される複数の要素は、同じ方法で解釈するべきであり、すなわち、要素のうちの「１つ以上」がそのように結合される。特異的に同定される要素と関連する、または関連しないにかかわらず、「および／または」の節によって特異的に同定される要素以外の、他の要素も任意で存在してよい。よって、非限定的な例として、「を備える」等の制限のない言語と併せて使用される場合の、「Ａおよび／またはＢ」の参照は、一実施形態ではＡのみ（任意でＢ以外の要素を含む）、別の実施形態ではＢのみ（任意でＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態ではＡおよびＢの両方（任意で他の要素を含む）等を指すことが可能である。
【０１２２】
本明細書および請求項で使用されるような、「または」には、上記で定義されるような「および／または」と同じ意味があると理解するべきである。例えば、一覧内で項目を分ける場合、「または」あるいは「および／または」は、包括的である、すなわち、少なくとも１つの包含であるが、多数または一覧の要素のうちの２つ以上、および任意で、付加的な一覧外の項目を含むとして、解釈されるものとする。「のうちの１つのみ」または「の正確に１つ」、または請求項で使用される場合の「から成る」等の、明確にそれとは反対に指示される用語のみが、多数または一覧の要素のうちの正確に１つの要素の包含を指す。一般に、本願で使用されるような「または」という用語は、「いずれか」、「の１つ」、「の１つのみ」、または「の正確に１つ」等の排他性の用語が先行する場合に、排他的な代替案（すなわち、「一方またはもう一方であるが、両方ではない」）を示すとして解釈されるのみとする。「本質的に〜から成る」には、請求項で使用される場合、特許法の分野で使用されるようなその通常の意味があるものとする。
【０１２３】
本明細書および請求項で使用されるような、１つ以上の要素の一覧の参照における「少なくとも１つの」という語句は、要素の一覧中の要素のうちのいずれか１つ以上より選択される少なくとも１つの要素を意味すると考えるべきであるが、要素の一覧内に具体的に一覧化されるそれぞれ、および全ての要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、かつ、要素の一覧中の要素の任意の組み合わせを除外しない。この定義はまた、具体的に同定される要素に関連する、または関連しないにかかわらず、「少なくとも１つ」という語句が指す要素の一覧内で具体的に同定される要素以外に、要素が任意で存在してもよいことも許容する。よって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施例では、Ｂが存在しない（かつ、任意でＢ以外の要素を含む）、任意で２つ以上を含む少なくとも１つのＡ、別の実施形態では、Ａが存在しない（かつ、任意でＡ以外の要素を含む）、任意で２つ以上を含む少なくとも１つのＢ、さらに別の実施形態では、任意で２つ以上を含む少なくとも１つのＡ、および任意で２つ以上を含む少なくとも１つのＢ（かつ、任意で他の要素を含む）、等を指すことが可能である。
【０１２４】
明確にそれとは反対に指示されない限り、本願で請求されるあらゆる方法は、２つ以上のステップまたは行為を含み、方法のステップまたは行為の順序は、ステップまたは行為が記載される順番に必ずしも限定されないことも、理解するべきである。
【０１２５】
請求項では、ならびに上記の明細書では、「を備える」、「を含む」、「を携行する」、「を有する」、「を含有する」、「を伴う」、「を保持する」、「から構成される」、および同類のもの等の全ての移行句は、制限がない、すなわち、「を含むが、それに限定されない」を意味すると理解されるものである。「から成る」および「本質的に〜から成る」という移行句のみが、米国特許審査手続便覧の第２１１１．０３項で説明されるように、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句となるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｃ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｄ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｅ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｆ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｇ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｈ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｉ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｊ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｋ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｌ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｍ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｎ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｏ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図１Ｐ】本発明の一実施形態による、あるニューロン軸索信号の記録を図示する。
【図２Ａ】本発明の別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／ニューロン配列を図示する。
【図２Ｂ】本発明の別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／ニューロン配列を図示する。
【図２Ｃ】本発明の別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／ニューロン配列を図示する。
【図２Ｄ】本発明の別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／ニューロン配列を図示する。
【図２Ｅ】本発明の別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／ニューロン配列を図示する。
【図２Ｆ】本発明の別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／ニューロン配列を図示する。
【図３Ａ】本発明のさらに別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／神経突起混成構造を図示する。
【図３Ｂ】本発明のさらに別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／神経突起混成構造を図示する。
【図３Ｃ】本発明のさらに別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／神経突起混成構造を図示する。
【図３Ｄ】本発明のさらに別の実施形態による、ある多重ナノワイヤ／神経突起混成構造を図示する。
【図４Ａ】本発明のなおも別の実施形態による、混成ナノワイヤ／ニューロン回路および論理ゲートを図示する。
【図４Ｂ】本発明のなおも別の実施形態による、混成ナノワイヤ／ニューロン回路および論理ゲートを図示する。
【図４Ｃ】本発明のなおも別の実施形態による、混成ナノワイヤ／ニューロン回路および論理ゲートを図示する。
【図４Ｄ】本発明のなおも別の実施形態による、混成ナノワイヤ／ニューロン回路および論理ゲートを図示する。
【図５Ａ】本発明のさらに別の実施形態による、統合ナノワイヤ／ニューロン装置を図示する。
【図５Ｂ】本発明のさらに別の実施形態による、統合ナノワイヤ／ニューロン装置を図示する。
【図５Ｃ】本発明のさらに別の実施形態による、統合ナノワイヤ／ニューロン装置を図示する。
【図５Ｄ】本発明のさらに別の実施形態による、統合ナノワイヤ／ニューロン装置を図示する。
【図６Ａ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図６Ｂ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図６Ｃ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図６Ｄ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図６Ｅ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図６Ｆ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図６Ｇ】本発明のさらに別の実施形態における、あるナノワイヤ／軸索装置を図示する。
【図７Ａ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｂ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｃ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｄ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｅ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｆ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｇ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｈ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図７Ｉ】本発明のなおも別の実施形態における、信号のナノワイヤ検出を図示する。
【図８Ａ】本発明のさらに別の実施形態における、ニューロンのナノワイヤ刺激を図示する。
【図８Ｂ】本発明のさらに別の実施形態における、ニューロンのナノワイヤ刺激を図示する。
【図８Ｃ】本発明のさらに別の実施形態における、ニューロンのナノワイヤ刺激を図示する。
【図９Ａ】本発明のなおも別の実施形態による、信号伝搬の電気および化学修飾を図示する。
【図９Ｂ】本発明のなおも別の実施形態による、信号伝搬の電気および化学修飾を図示する。
【図９Ｃ】本発明のなおも別の実施形態による、信号伝搬の電気および化学修飾を図示する。
【図９Ｄ】本発明のなおも別の実施形態による、信号伝搬の電気および化学修飾を図示する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
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【図１Ｊ】
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【図１Ｋ】
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【図１Ｌ】
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【図１Ｍ】
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【図１Ｎ】
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【図１Ｏ】
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【図１Ｐ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【国際調査報告】
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