(57)【要約】【課題】官能性電極上の選択的結合事象を電気的に読み取ることにより分子及びナノ材料を分析する方法及びＣＭＯＳ型デバイスを提供する。【解決手段】プローブ分子を含む官能性電極を備え、ブローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を官能性電極の分極変化により電気的に検出することができるデバイスを開示する。デバイスには、プローブ分子を含まない非官能性電極を備えてもよく、デバイスはプローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を官能性電極と非官能性電極との間の分極変化により電気的に検出することができるようになる。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
一のプローブ分子を含む一の官能性電極を備えたデバイスであって、該プローブ分子と一のターゲット分子との一の分子結合事象を該官能性電極の一の分極変化により電気的に検出することができるデバイス。
【請求項２】
前記プローブ分子を含まない一の非官能性電極を更に備え、前記プローブ分子と前記ターゲット分子との前記分子結合事象を前記官能性電極と該非官能性電極との間での一の分極変化により電気的に検出することができる請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記官能性電極の前記分極変化により生成された一の電流を増幅する一の差動増幅器を更に含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記官能性電極と前記非官能性電極との間の前記分極変化により生成された一の電流を増幅する一の差動増幅器を更に含む請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
一のウェハを含む一の基板を更に含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
一のスイッチと一のコンデンサを更に含み、該電界効果トランジスタの一のゲートが前記分極変化により変調される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記プローブ分子と前記ターゲット分子は標識されていない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ターゲット分子は一の単鎖ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、あるいはＤＮＡにより官能化した一のナノ材料である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記プローブ分子は、前記官能性電極に付着した一の相補的分子プローブを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
一のＣＭＯＳ型電荷センサであって、一の電流−電圧酸化還元センサではない請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
一のデバイスを製造する方法であって、
一の第一電極を一のプローブ分子により官能化して一の官能性電極を形成することと、
一の第二電極を官能化しないことにより一の非官能性電極を形成することと
を含み、
該デバイスは、前記プローブ分子と一のターゲット分子との一の分子結合事象を前記官能性電極と前記非官能性電極との間の一の分極変化により電気的に検出することができる、
方法。
【請求項１２】
一の差動増幅器を形成することを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記差動増幅器は、前記官能性電極と前記非官能性電極との間の前記分極変化により生成された一の電流を増幅する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
一の界面論理を形成することを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記デバイスは、前記プローブ分子あるいは前記ターゲット分子を標識することなしに前記分子結合事象を電気的に検出することができる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
一のプローブ分子と一のターゲット分子との一の分子結合事象を測定する方法であって、
一の非官能性電極と前記プローブ分子を含む一の官能性電極とを備える一のデバイスを取得することと、
前記プローブ分子と前記ターゲット分子との前記分子結合事象を前記官能性電極と前記非官能性電極との間の一の分極変化により検出することと
を含む方法。
【請求項１７】
前記デバイスは、前記官能性電極と前記非官能性電極との間の前記分極変化により生成された一の電流を増幅する一の差動増幅器を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記電界効果トランジスタの一のゲートを前記分極変化により変調することを更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ターゲット分子は、一の単鎖ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、あるいはＤＮＡにより官能化した一のナノ材料である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記プローブ分子は、前記官能性電極に付着した一の相補的分子プローブを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
一の回路を製造する方法であって、
一の交配事象に入ることができる一の第一分子を一のナノ材料の一の第一端に付着させることと、
前記第一分子を一のダイの一の第一パッド上に位置する一の第二分子と交配させることと
を含む方法。
【請求項２２】
前記ナノ材料の一の第二の一の第三分子を付着させることと、
前記第三分子を前記ダイの一の第二パッド上に位置する一の第四分子と交配させることと
を更に含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ナノ材料は、前記第一パッドと前記第二パッドの間に一の導電路を形成する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ナノ材料は、一のカーボンナノチューブ、一のナノワイヤー、あるいは一のナノ粒子である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第一パッドは一の電極を含み、前記交配は該電極での一の触媒電流の生成に結合される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
一の第一パッド、一の第二パッド、及び該第一パッドと該第二パッドとを接続する一のナノ材料とを含む一のダイであって、該ナノ材料は、一の交配した分子により該第一パッドと該第二パッドに接続される、ダイ。
【請求項２７】
前記ナノ材料は、一のカーボンナノチューブ、一のナノワイヤー、あるいは一のナノ粒子である、請求項２６に記載のダイ。
【請求項２８】
一の三次元形状の一のビアを含む一の電極。
【請求項２９】
前記ビアは、幅が約１乃至１０，０００ミクロンであり、深さが約１乃至１０ミクロンである、請求項２８に記載の電極。
【請求項３０】
前記ビアは、一の底面と複数の側壁を有する、請求項２８に記載の電極。
【請求項３１】
（ａ）一のプローブ分子を含む一の官能性電極を含んだ一の第一金属層と、
（ｂ）一の第二電極を含み、該第二電極が抵抗加熱されることにより一のターゲット分子を脱交配させることができる一の第二金属層と
を含み、
前記ターゲット分子の脱交配を分析する試験装置。
【請求項３２】
一の第三電極を含み、該第三電極が抵抗加熱されることにより前記ターゲット分子を脱交配させることができる一の第三金属層を更に含む、請求項３１に記載の試験装置。
【請求項３３】
前記プローブ分子は、約１００℃までの一の温度に耐えることができるように選択される、請求項３１に記載の試験装置。
【請求項３４】
前記プローブ分子と前記ターゲット分子との一の分子脱結合事象を前記官能性電極の一の分極変化により電気的に検出することができる請求項３１に記載の試験装置。
【請求項３５】
前記第一金属層は、前記プローブ分子を含まない一の非官能性電極を更に含み、
該試験装置は、前記プローブ分子と前記ターゲット分子との前記分子脱結合事象を前記官能性電極と前記非官能性電極との間の一の分極変化により電気的に検出することができる、請求項３１に記載の試験装置。
【請求項３６】
前記ターゲット分子は、一の単鎖ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、あるいはＤＮＡにより官能化した一のナノ材料であり、
該試験装置は、酵素により誘発あるいは温度により誘発された前記ターゲット分子の脱交配を分析する、請求項３１に記載の試験装置。
【請求項３７】
前記官能性電極は、一の底面と複数の側壁を有する一の三次元形状の一のビアを含む、請求項１に記載の試験装置。
【請求項３８】
前記ビアは、幅が約１乃至１０，０００ミクロンであり、深さが約１乃至１０ミクロンである、請求項３７に記載の試験装置。
【請求項３９】
前記官能性電極と前記非官能性電極は、一の底面と複数の側壁を有する一の三次元形状の一のビアを含む、請求項２に記載の試験装置。
【請求項４０】
前記ビアは、幅が約１乃至１０，０００ミクロンであり、深さが約１乃至１０ミクロンである、請求項３９に記載の試験装置。
【請求項４１】
一のターゲット分子を閉じ込めるデバイスであって、一の第一電極と、一の第二電極と、一の第三電極とを含み、該第一電極、該第二電極、及び該第三電極は独立にアドレス可能な電極であり、該第二電極と該第三電極は該第一電極に重なって該第一電極上において一のチャネルを含み、該チャネルへと前記ターゲット分子を閉じ込める、デバイス。
【請求項４２】
前記ターゲット分子は一の帯電したターゲット分子であり、前記第二電極と前記第三電極は一の電圧差を有しており、それにより該第二電極と該第三電極との間に一の電界を生成して前記帯電したターゲット分子が前記チャネルへと吸引されるようにする、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４３】
前記第一電極に付着した一のプローブ分子を更に含む、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記プローブ分子は、一の相補的ＤＮＡプローブ、あるいは一のポリヌクレオチドプローブ、あるいはＤＮＡにより官能化した一のナノ材料である、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４５】
前記第一電極、前記第二電極、及び前記第三電極に個別にアドレスするための一のスイッチング設計を含む一のＣＭＯＳ回路を更に含む、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４６】
前記第一電極及び前記第二電極の間に一の金属層を更に含み、前記第二電極と前記第三電極との間に別の一の金属層を更に含む、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４７】
前記帯電したターゲット分子は、一の帯電したＤＮＡ、一の帯電したナノ材料、ＲＮＡ、一のタンパク質、あるいは一の帯電した分子により修飾した一のナノ材料である、請求項４２に記載のデバイス。
【請求項４８】
前記第一電極に接する前記チャネルの一端は閉じられ、該チャネルの他端は開かれて一のＤＮＡを含む一のターゲット分子が該チャネルの開かれた該端を介して移動できるようになっている、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４９】
前記第一電極に付着した一の高分子ブラシを更に含む、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項５０】
前記第二電極と前記第三電極は、リング形状である、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項５１】
一のターゲット分子を閉じ込める一のデバイスを製造する方法であって、
一の第一電極を一の基板上に形成すること、
前記第一電極上に一の第二電極を形成することと、
前記第二電極上に一の第三電極を形成することと、
前記第二電極と前記第三電極内に一のチャネルを形成することと
を含み、
前記第一電極、前記第二電極、及び前記第三電極は独立にアドレス可能な電極であり、
前記第一電極上の前記チャネルは、該チャネル内へと前記ターゲット分子を閉じ込める、
方法。
【請求項５２】
前記チャネルは、前記第一電極の上端で終わる、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第一電極、前記第二電極、及び前記第三電極のいずれか二つの間に一の金属層を積層することを更に含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
一のシリコン含有層を積層することを更に含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記第二電極と前記第三電極を、一のリング状に形成する、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記ナノ材料は、炭素、一のナノチューブ、一のナノワイヤー、あるいは一のナノ粒子である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項５７】
前記相補的分子プローブは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、あるいは、一の抗体である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項５８】
前記第一分子は一のポリヌクレオチドである、請求項２１に記載の方法。
【請求項５９】
前記第二分子は一のポリヌクレオチドである、請求項２１に記載の方法。
【請求項６０】
前記第三分子は一のポリヌクレオチドであり、前記第四分子は一のポリヌクレオチドである、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、官能性電極上の選択的結合事象を電気的に読み取ることにより分子とナノ材料を分析するＣＭＯＳ型デバイスに関し、そのようなＣＭＯＳ型デバイスを調製する方法と装置に関する。本発明は、高分子化学、生物化学、分子生物学、医学及び医療診断等のいくつかの科学的専門分野にまたがる。
【背景技術】
【０００２】
あらゆる細胞的事象にとって分子認識（結合事象とも呼称される）は必然であり、転写、翻訳、シグナル変換、ウイルス／細菌の感染、及び免疫反応の全てにおいて選択的認識事象が介在する。したがって、分子の結合事象の検出についてより良い理解を構築することは非常に重要である。本発明の実施形態においては、官能性電極と非官能性電極を有するマイクロアレイチップ上で結合事象を検出する。
【０００３】
ポリマーアレイを有する官能性電極をマイクロアレイチップ上の電極に合成することは知られている。そのようなポリマーアレイの例には、核酸アレイ、ペプチドアレイ、及び糖質アレイがある。
【０００４】
マイクロアレイチップ上にポリマーアレイを有する官能性電極を調製する方法の一つにおいては、光開裂保護基を用いたフォトリソグラフィー技術が用いられる。簡潔に説明すると、この方法には、光反応基を基板の表面に付着させる工程、その基板の選択された領域を光に曝露してその領域を活性化する工程、光除去可能な基を有するモノマーをその活性化された領域に付着させる工程、ならびに所望の長さおよび配列の巨大分子が合成されるまで、活性化および付着の工程を反復する工程が含まれる。
【０００５】
官能性電極を調製するべく用い得る方法と技術にはさらに電気化学的合成がある。一例においては、電極を内部に含む多孔性基板を用意し、被保護化学基を有する分子を多孔性基板の近傍に配置し、電極と多孔性基板に緩衝液を接触させることにより電気化学的に生成される試薬において電極が局所に偏在することを防止し（試薬の拡散を防止する閉じ込め電極の利用についても記載されている）、電極に電位を印加することにより分子の被保護化学官能基を脱保護することができる電気化学的試薬を生成し、脱保護された化学官能基を多孔性基板もしくは基板上の分子に付着させ、これらの工程を所望の長さおよび配列のポリマーが合成されるまで反復する。
【０００６】
通常、分子認識事象は、プローブ分子に選択的に付着あるいは交配したターゲット分子に付着した蛍光標識から光を読み取ることにより検出する。これらの分子認識事象方法は、光ラベルを利用し、大型もしくは高価な設備が必要であるので、実施と小規模化が困難である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、結合事象を検出するべく分極変化を検出する本発明に係るデバイスの実施形態を示す概略図である。
【０００８】
【図２】図２は、デバイスのアクティブ部（ＤＮＡ／プローブにより修飾した電極）とデバイスの基準部（プローブが存在しない）との間における分極変化の分析に用いるデバイスの回路図である。全コンポーネントが標準的な固体素子、つまり差動増幅器１００ｆＦ、ＭＯＳコンデンサ（漏洩を処理する高域フィルター）及びＣＭＯＳスイッチである。
【０００９】
【図３】図３は、電極表面に固定したプローブ分子を示す。相補的ＤＮＡ多価陰イオン等のターゲット分子を溶液に導入したとき、ターゲット鎖は周知のワトソン−クリック塩基対合作用により表面上のＤＮＡプローブ分子に結合する。これは、ＤＮＡの平衡表面被覆率を超過して陰イオンが大量に表面に吸着することを意味する。したがって、溶液側の電荷密度は非ゼロになる。電極は溶液よりも分極し易く、電極において反対電荷が生じるので、この電荷を測定することができる。回路は対極を介して閉じられる。
【００１０】
【図４】図４は、交配前後の浮遊電極を示す概略図である。
【００１１】
【図５】図５は、温度誘発した脱交配事象を分析する試験装置の実施形態を示す。
【００１２】
【図６（ａ）−（ｂ）】図６（ａ）は、ビア電極と表面電極を示し、図６（ｂ）は２５個の塩基対を有する単鎖ＤＮＡを相補的鎖と交配させた場合に生成される電荷の算出値を示す。生成電荷量は、５０×１．６×１０−１９クーロンである。
【００１３】
【図７】図７は、単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）を電極内のチャネルに閉じ込めるデバイスを示す。
【００１４】
【図８】図８は、ｓｓＤＮＡを閉じ込めるデバイスの製造プロセスを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
核酸（ＤＮＡ及びＲＮＡ）は、交配つまり相補的塩基対合により二本鎖の分子を形成することができる。核酸交配の選択性は、帯電したターゲット分子（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質）と化学修飾したナノ材料（たとえば、ＤＮＡにより官能化したカーボンナノチューブ、ナノワイヤー、ナノ粒子）が電極（たとえば、Ａｕ、Ｐｔ）に付着した相補的分子プローブ（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、抗体）と作用することにより生じた分極変化を電気的に読み取ることにより分子及び／又はナノ材料の結合事象の検出を行える程のものである。相補的塩基対合のこのような選択性により、ＤＮＡチップ（ＤＮＡアレイとも呼称される）上での一回の実験において何千種もの交配を同時に実行可能にすることもできる。
【００１６】
更に、酵素標識したターゲット分子を用いて分極変化（たとえば、負に帯電したＤＮＡにより生じる）を増幅することができる。分子プローブは、個々にアドレス可能な電極アレイの表面上に表面機能化技術により固定する。電極により分極変化が電気的に検出できる。
【００１７】
本発明の実施形態のポリマーアレイは、小型担体上に密に配列したスポット（しばしば要素あるいはパッドと呼称される）の格子を有するＤＮＡアレイ（共通基板上に集めたＤＮＡプローブ）であってよい。各スポットは異なる遺伝子を代表する。
【００１８】
通常、ＤＮＡチップにおけるプローブは、特定の細胞型（細胞源）から誘導したＲＮＡ分子の複合混合物のＤＮＡコピーを形成することにより生成した複合ＲＮＡターゲットあるいは相補的ＤＮＡターゲットと交配させる。このようなターゲットの組成は細胞源における個々のＲＮＡ分子のレベルを反映する。プローブとターゲットを交配した後ＤＮＡチップ上のＤＮＡスポットにおける結合事象から生じた信号の強度は、細胞源の遺伝子間の相対的発現量を表す。
【００１９】
多様な特定的遺伝子（たとえば、感染体と結合したもの）の検出あるいは遺伝子の多型と発現の解析において試料間に異なる遺伝子発現を生じさせる（たとえば、健全組織と病変組織）ためにＤＮＡチップを用いることができる。特に、多様な病気に結合した多様な遺伝子の発現を検査してこれらの病気の原因を突き止め、的確な治療を可能とするべくＤＮＡチップを用いることができる。
【００２０】
本発明のポリマーアレイの一実施形態を用いることにより、遺伝子の核酸における特定的な部位を発見すること、つまり、検査対象の遺伝子において特定的な塩基配列を有する部位を発見することができる。合成により形成した短い一本鎖の相補的ポリヌクレオチドから形成した診断用ポリヌクレオチド、つまり核酸の特定部位がＡ−Ｔ結合もしくはＧ−Ｃ結合により付着する（交配される）ミラー配列の塩基鎖を用いてこの検出を行うことができる。
【００２１】
本発明の実施形態の実施においては、断りがない限り、当業者において周知である有機化学、高分子技術、分子生物学（組み換え体技術を含む）、細胞生物学、生物化学、及び免疫学等の従来技術を用いてよい。このような従来の技術には、ポリマーアレイ合成、交配、連結反応、標識を用いた交配検出が含まれる。本明細書において以下に示す例を参照することにより適切な技術の詳細な説明が得られる。しかし、その他の均等な従来方法も当然用いることができる。
【００２２】
明細書と請求項において用いられる単数形を示す冠詞（「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」）は、文脈によって明確に示されない限り複数形の場合も含む。たとえば、用語「アレイ（ａｎ  ａｒｒａｙ）」は、文脈によって明確に示されない限り複数のアレイである場合も含み得る。
【００２３】
「アレイ」とは、合成あるいは生合成により調製することができる人為的に形成した分子の集合体である。アレイにおける分子は互いに同種もしくは異種にすることができる。アレイは多様な形態を採ることができ、それらには、たとえば、可溶性分子のライブラリー、樹脂ビーズに結合した化合物のライブラリー、シリカチップ、もしくはその他の固体担体が含まれる。アレイは、アレイ上の試料スポットの大きさによりマクロアレイ又はマイクロアレイに分類される。マクロアレイは、一般的に、約３００ミクロン以上の大きさの試料スポットを有し、ゲルスキャナとブロットスキャナ（ｂｌｏｔ  ｓｃａｎｎｅｒ）により容易に撮像することができる。マイクロアレイは、一般的に、３００ミクロン未満の大きさのスポットを有する。
【００２４】
「固体担体」、「担体」、及び「基板」は、剛性あるいは半剛性の面もしくは複数の面を持つ材料あるいは材料群を指す。ある観点においては、固体担体の少なくとも一面が実質的に平坦であるが、ある観点においては、たとえばウェル、突出領域、ピン、エッチング形成したトレンチ等により異なる分子ごとに合成領域を物理的に分離することが望ましい場合もある。特定の観点においては、固体担体は、ビーズ、樹脂、ゲル、ミクロスフェア、もしくはその他の幾何学的構成の形態を採る。
【００２５】
用語「プローブ」もしくは「プローブ分子」とは、アレイ基板に付着させる分子であり、通常はアレイ上に堆積させる相補的ＤＮＡあるいはアレイ上に予め合成しておいたポリヌクレオチドを指す。プローブ分子は、ターゲット分子との結合事象もしくは分子認識事象を生じることが可能な生体分子である。（文献によっては、用語「ターゲット」と「プローブ」は、本明細書における定義とは反対の定義がなされている。）ポリヌクレオチドプローブには遺伝子の配列情報だけが必要であるので、有機体のゲノム配列を有効に活用することができる。相補的ＤＮＡアレイにおいては、遺伝子ファミリーのメンバー間の配列相同性により交差交配（ｃｒｏｓｓ−ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）が発生する可能性がある。遺伝子ファミリーにおける高度に相同的なメンバー間の、また同一遺伝子（特定のエキソンを有する）のスプライス形態間の識別を可能にするようポリヌクレオチドアレイを専用設計することができる。本発明の実施形態に係るポリヌクレオチドアレイは、突然変異体と単一ヌクレオチド多型の検出ができるように設計することもできる。
【００２６】
用語「ターゲット」あるいは「ターゲット分子」とは、小分子、生体分子、もしくはナノ材料であり、たとえば、生物活性のある小分子、核酸とその配列、ペプチドとポリペプチド、また生体分子もしくは小分子により化学修飾され、化学修飾したカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ束、ナノワイヤー、及びナノ粒子等の分子プローブに結合することができるナノ構造材料が含まれるがこれらに限定されない。ターゲット分子は、蛍光標識したＤＮＡあるいはＲＮＡであってよい。
【００２７】
用語「ダイ」、「ポリマーアレイチップ」、「ＤＮＡアレイ」、「アレイチップ」、「ＤＮＡアレイチップ」、「バイオチップ」、もしくは「チップ」は互いに変換可能に用いられており、シリコンウェハ、ナイロンストリップ、あるいはガラススライドの一部であってよい共通基板上に配列した多数のプローブの集合体を指す。
【００２８】
用語「分子」は、一般的に、本明細書において記載するような巨大分子もしくは高分子を指す。しかし、巨大分子もしくは高分子でなく単一分子を含むアレイも本発明の実施形態の範囲に含まれる。
【００２９】
「所定領域」、「スポット」、あるいは「パッド」は、選択した分子の形成に用いる、用いられた、あるいは用いることが予定される固体担体上の一部であり、本明細書においては、代わりに「選択」領域と記載することもある。所定領域は、たとえば円形、長方形、楕円形、楔形等の用い易いあらゆる形状であってよい。本明細書においては、簡潔性を期して「所定領域」を単に「領域」もしくは「スポット」と表す場合もある。いくつかの実施形態におては、所定領域、つまり、それぞれの特定的な分子を合成する領域は約１ｃｍ２未満あるいは１ｍｍ２未満であり、より好適には０．５ｍｍ２未満である。最適実施形態においては、領域は約１０，０００μｍ２未満、より好適には１００μｍ２未満の面積を有する。また、ポリマーの多数のコピーは、通常予め選択した領域内に合成する。コピー数は数千乃至数百万であってよい。より好適には、ウェハダイは、たとえば少なくとも２０×２０マトリクスにおいて少なくとも４００個のスポットを含む。更に好適には、ダイは、たとえば少なくとも６４×３２マトリクスにおいて少なくとも２，０４８個のスポットを含み、更に好適には、ダイは、たとえば少なくとも６４０×３２０アレイにおいて少なくとも２０４，８００個のスポットを含む。スポットには、電気化学的試薬を生成する電極、ポリマーを合成する作用電極、及び生成された電気化学的試薬を閉じ込める閉じ込め電極を含めてよい。電気化学的試薬を生成する電極は、たとえば、円形状、平らな円盤状、半球状等、あらゆる形状であってよい。
【００３０】
「電極」とは、電気化学的反応が生じる構造あるいは位置である。用語「電気化学的」とは、電気的現象と化学的現象との相互作用もしくは相互変換を意味する。
【００３１】
「官能性電極」とは、ターゲット分子に対して選択的に化学親和力を有するプローブ分子を含むマイクロチップアレイの電極である。「非官能性電極」とは、プローブ分子を含まない、もしくは、ターゲット分子に対して選択的に化学親和力を有さないプローブ分子を含むマイクロチップアレイの電極である。
【００３２】
本発明の実施形態において用いる電極は、金属、たとえば、イリジウム及び／又はプラチナ、及びパラジウム、金、銀、銅、水銀、ニッケル、亜鉛、チタン、タングステン、アルミニウム等のその他の金属、及び多様な金属の合金、及びガラス状炭素、網ガラス状炭素、底面グラファイト、端面グラファイト、及びグラファイトを含む炭素等のその他の導電材料により構成してよいが、これらに限定されない。酸化インジウム錫等のドープした酸化物、また酸化シリコン、ガリウムヒ素等の半導体も挙げられる。また、電極は、導電性ポリマー、金属をドープしたポリマー、導電性セラミック、及び導電性粘土により構成してよい。金属のうち、白金とパラジウムが、その水素吸着能力、つまり本発明の方法において用いられる前に水素により「予め充填」される能力に付随する有利な特性を有しているために特に好適である。
【００３３】
電極は、周知の方法により電源に接続してよい。電極を電源に接続する好適な方法には、ＣＭＯＳ（相補的酸化金属半導体）スイッチング回路、電波／マイクロ波周波数によるアドレスが可能なスイッチ、光によるアドレスが可能なスイッチ、半導体チップの外周上の接着パッドへの電極の直接接続、及びこれらの組み合わせが含まれる。ＣＭＯＳスイッチング回路においては、各電極をＣＭＯＳトランジスタスイッチに接続する。スイッチには、アドレスを示す電子信号を各電極に対応するＳＲＡＭ（静的ランダムアクセスメモリ）回路に共通バスを介して送信することによりアクセスすることができる。スイッチが「オン」したとき、電極は電源に接続される。電波／マイクロ波周波数によりアドレス可能なスイッチにおいては、高周波信号あるいはマイクロ波信号により電極がスイッチングされる。これにより、スイッチング論理の使用の有無を問わずスイッチを投入することができるようになる。スイッチは、特定周波数もしくは変調周波数を受信するように調整することができ、スイッチング論理が無くてもスイッチングすることができる。光によりアドレス可能なスイッチは、光によりスイッチングする。この方法においては、スイッチング論理を用いても用いなくても電極をスイッチングすることができる。光信号は空間的な局所性があるので、スイッチング論理無しでのスイッチングを可能にする。これは、たとえば、レーザビームにより電極アレイ上を走査することにより実現でき、電極はレーザに照射されるたびにスイッチングされる。
【００３４】
いくつかの観点においては、領域（つまり、ビーズ、樹脂、ゲル等）をウェル、トレイ等に物理的に分離することにより所定領域は得られる。
【００３５】
「保護基」とは、分子に結合した部分であり、分子における反応部位を防御する構成であるが、活性剤もしくは脱保護試薬に選択的に暴露することによりその部位を除去してよい。保護基のいくつかの例が文献において知られている。特定の合成において保護基（保護的基としても知られる）が適切に選択されるかは、その合成処理全体にわたって用いられる方法により決定される。活性剤としては、たとえば、電磁波放射イオンビーム、電界、磁界、電子ビーム、エックス線等がある。脱保護試薬は、たとえば、酸、塩基、あるいは遊離基であってよい。保護的基は、モノマー、リンカー分子、あるいは予め形成した分子に結合して当該モノマー、リンカー分子、あるいは予め形成した分子の反応性官能基を保護する物質であり、電気化学的に生成した試薬等の活性剤に選択的に暴露することにより除去してよい。本発明の実施形態に従って用い得る保護的基には、好適には酸と塩基に対して不安定なあらゆる保護基が含まれる。たとえば、ペプチドアミン基は、酸に対して不安定なｔ−ブチルオキシカルボニル（ＢＯＣ）あるいはベンジルオキシカルボニル（ＣＢＺ）により、あるいは塩基に対して不安定な９−フルオレニルメトキシカルボニル（ＦＭＯＣ）により好適に保護される。また、フォスフォラミダイト上のヒドロキシル基は、酸に対して不安定なジメトキシトリチル（ＤＭＴ）により保護してよい。ヌクレオシド上の、特にフォスフォラミダイト上の環外アミン基は、アデノシン塩基あるいはグアノシン塩基上のジメチルフォルマミジン及びシチジン塩基上のイソブチリルにより好適に保護される。ジメチルフォルマミミン及びイソブチリルはともに塩基に対して不安定な保護基である。この保護方法は、高速オリゴヌクレオチド脱保護（ＦＯＤ）として知られている。
【００３６】
未反応の脱保護化化学官能基には合成反応時におけるいずれかの時点においてキャップをすることにより、当該分子に対してそれ以降結合が生じないようにしてよい。キャッピング基は、脱保護化官能基の「キャッピング」をたとえばその未反応のアミノ官能基に結合してアミドを形成することにより行う。本発明の実施形態において用いるのに適したキャッピング剤には、無水酢酸、ｎ−アセチルイミジゾール、イソプロペニルギ酸塩、フルオレスカミン、３−ニトロフタル酸無水物、及び３−スルホプロポニック無水物（３−ｓｕｌｆｏｐｒｏｐｏｎｉｃ  ａｎｈｙｄｒｉｄｅ）が含まれる。これらのうち、無水酢酸とｎ−アセチルイミジゾールが好適である。
【００３７】
更に、本発明の実施形態に従って用いてよい保護基には、アミノ部位を保護する酸に対して不安定な基としては、三級のブチルオキシカルボニル、三級のアミルオキシカルボニル、アダマンチルオキシカルボニル（ａｄａｍａｎｔｙｌｏｘｙｃａｒｂｏｎｙｌ）、１−メチルシクロブチルオキシカルボニル、２−（ｐ−ビフェニル）プロピル（２）オキシカルボニル、２−（ｐ−フェニルアゾフェニリル）プロピル（２）オキシカルボニル（２−（ｐ−ｐｈｅｎｙｌａｚｏｐｈｅｎｙｌｙｌ）ｐｒｏｐｙｌ（２）ｏｘｙｃａｒｂｏｎｙｌ）、．アルファ．，．アルファ．−ジメチル−３，５−ジメチルオキシベンジルオキシ−カルボニル、２−フェニルプロピル（２）オキシカルボニル、４−メチルオキシベンジルオキシカルボニル、ベンジルオキシカルボニル、フルフリルオキシカルボニル、トリフェニルメチル（トリチル）、ｐ−トルエンスルフェニルアミノカルボニル、ジメチルフォスフィノチオイル、ジフェニルフォスフィノチオイル、２−ベンゾイル−１−メチルビニル、ｏ−ニトロフェニルスルフェニル、及び１−ナフチリデンがあり、アミノ部位を保護する塩基に対して不安定な基としては、９−フルオレニルメチルオキシカルボニル、メチルスルフォニルエチルオキシカルボニル、及び５−ベンジソアゾリルメチレンオキシカルボニルがあり、アミノ部位を保護する還元により不安定となる基としては、ジチアスクシノイル、ｐ−トルエンスルフォニル、及びピペリジノ−オキシカルボニルがあり、アミノ部位を保護する酸化により不安定となる基としては、（エチルチオ）カルボニルがあり、アミノ部位を保護する種々雑多な試薬に対して不安定な基としては、基の名前の後に括弧に入れて適切な薬剤を挙げると、フタノイル（ヒドラジン）、トリフルオロアセチル（ピペリジン）、及びクロロアセチル（２−アミノチオフェノール）があり、カルボン酸を保護する酸に対して不安定な基としては三級のブチルエステルがあり、ヒドロキシル基を保護する酸に対して不安定な基としてはジメチルトリチルがあり、フォスフォトリエステル基を保護する塩基に対して不安定な基としてはシアノエチルがある。
【００３８】
「電気化学的な試薬」とは、選択した電極に対して十分な電位を印加することにより当該選択した電極において生成される化学物質であり、化学官能基から保護基を電気化学的に除去することができる。化学基は一般的に分子に付着する。本発明に係る保護基の除去つまり「脱保護」は、電極により生成された化学試薬が酸に対してあるいは塩基に対して不安定な保護基を分子から除去、つまり、その保護基による保護を無効とする作用を起こしたときに分子の特定部位において好適には生じる。この電気化学的脱保護反応は直接的なものであってよく、又は選択した電極に十分な電位を印加することにより最終的には駆逐（ｄｒｉｖｅ）もしくは制御される一以上の中間的な化学反応を含んでよい。
【００３９】
電極において電気化学的に生成することができる電気化学的試薬は酸化剤と還元剤の二種類に大きく分類される。電気化学的に生成することができる酸化剤としては、たとえば、ヨウ素、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸、過酸化水素、次亜塩素酸塩、メタバナジン酸、臭素酸塩、重クロム酸塩、セリウム（ＩＶ）、及び過マンガン酸イオンがある。電気化学的に生成することができる還元剤としては、たとえば、クロム（ＩＩ）、フェロシアン化物、チオール、チオ硫酸塩、チタン（ＩＩＩ）、ヒ素（ＩＩＩ）、及び鉄（ＩＩ）イオンがある。種々雑多な試薬としては、臭素、塩化物、陽子、及び水酸基イオンがある。上記の試薬のうち、陽子、ヒドロキシル、ヨウ素、臭素、塩素、及びチオールイオンが好適である。
【００４０】
所望の種の化学種の電気化学的試薬を生成するには電気化学的試薬を生成する電極の電位が特定値を有していることが必要であり、その特定値は電圧あるいは電流を指定することにより実現し得る。電極の電位を所望のレベルにする方法は二種類あり、電圧を所望値に設定することと、所望の電圧を実現するのに十分となるように電流を設定することである。電位の最小値と最大値との間隔は生成するべき電気化学的試薬の種類により決定してよい。
【００４１】
「活性化基」とは、特定の化学官能基あるいは反応部位に付着したときに、当該部位の第二の化学官能基あるいは反応部位との共有結合形成反応をより強力にする基である。
【００４２】
「高分子ブラシ」とは、通常、ポリマー鎖を基板面に付着させた高分子膜である。高分子ブラシは、ヒドロキシル、アミノ、カルボキシル、チオール、アミド、シアン酸塩、チオシアン酸塩、イソシアン酸塩、及びイソチオシアン酸塩基等の官能基、あるいはそれらの組み合わせをポリマー鎖上の一以上の所定領域に含有する官能性高分子膜であってよい。本発明の実施形態に係る高分子ブラシは、その上において巨大分子の結合あるいは段階的合成を行うことが可能である。
【００４３】
「リンカー」分子とは、上記した分子のいずれかであり、十分な露出量を得るべく約４個乃至約４０個の原子分の長さを好適には有するべきである。リンカー分子は、たとえば、アリルアセチレン、２乃至１０個のモノマーを含有するエチレングリコールオリゴマー、ジアミン、二塩基酸、アミノ酸であってよく、とりわけ、これらの組み合わせであってよい。あるいは、リンカーは合成中の分子（つまり、出現しようとしているポリマー）と同種であってよく、つまりポリヌクレオチド、オリゴペプチド、あるいはオリゴ糖であってよい。
【００４４】
本明細書において用いるリンカー分子あるいは基板それ自体、及びモノマーは、保護的基が結合される官能基を有する。一般的に、保護的基は、分子の遠心部つまり末端部に位置する。基板に対向するリンカー分子の遠心部つまり末端部に保護的基が位置することが好適である。保護的基は、負の保護的基（つまり、当該保護的基はリンカー分子の露出時のモノマーとの反応性を弱める）あるいは正の保護的基（つまり、当該保護的基はリンカー分子の露出時のモノマーとの反応性を強める）であってよい。負の保護的基の場合、再活性化工程を追加的に含める場合がある。いくつかの実施形態においては、加熱により再活性化を行う。
【００４５】
高分子ブラシあるいはリンカー分子にはその中間体位置に開裂基を含めてよく、開裂基は電気化学的に生成した試薬により開裂することができる。保護的基の除去に用いる試薬とは異なる試薬によりこの基を開裂することが好適である。これにより合成が終了した後に多様な構成の合成ポリマーもしくは核酸配列を除去することができる。開裂基は、無水酢酸、ｎ−アセチルイミジゾール、イソプロペニルギ酸塩、フルオレスカミン、３−ニトロフタル酸無水物、及び３−スルホプロポニック無水物（３−ｓｕｌｆｏｐｒｏｐｏｎｉｃ  ａｎｈｙｄｒｉｄｅ）であってよい。これらのうち、無水酢酸とｎ−アセチルイミジゾールが好適である。
【００４６】
高分子ブラシもしくはリンカー分子には十分な長さを持たせることにより、完成した基板上のポリマーが基板に対して暴露される結合物質（たとえば、モノマー）と自由に作用できるようにしてよい。高分子ブラシもしくはリンカー分子を用いるときには、含まれる官能基が結合物質に対して十分に露出するような長さをそれらが有していることが好適である。リンカー分子は、たとえば、アリルアセチレン、２乃至１０個のモノマーを含有するエチレングリコールオリゴマー、ジアミン、二塩基酸、アミノ酸、及びこれらの組み合わせであってよい。本発明の異なる実施形態に従ってその他のリンカー分子を用いてよく、そのようなリンカー分子は、本開示を考慮することにより当業者には認識されるであろう。一実施形態においては、環外活性エステルを含む酸に対して不安定な４，４'−ジメチオキシトリチル（ｄｉｍｅｔｈｙｏｘｙｔｒｉｔｙｌ）分子の誘導体を本発明の実施形態に従って用いることができる。開裂性リンカー分子としてＮ−スクシンイミジル−４[ビス−（４−メトキシフェニル）−クロロメチル]−安息香酸をＤＮＡ合成時に用いることがより好適である。あるいは、化学試薬、光、熱等のその他の開裂方法をアレイ全体に対して同時に用いることもできる。
【００４７】
「遊離基開始剤」あるいは「開始剤」とは、熱、光、あるいは電磁波放射等の特定の条件下において遊離基を発生させる化合物であり、発生した遊離基は一つのモノマーから別のモノマーへと転移することにより反応の連鎖を引き起こしてポリマーを形成させることができる。たとえば、アゾ、窒素酸化物、過酸化型、あるいは多成分構成を有するもの等いくつかの遊離基開始剤が当業技術分野において知られている。
【００４８】
「リビング遊離基重合」とは、連鎖開始と連鎖伝播が著しい連鎖停止反応なしに生じるリビング重合プロセスであると定義される。各開始剤分子は、利用可能な全てのモノマーが反応するまで連続的に伝播する成長モノマー鎖を発生する。リビング遊離基重合は、連鎖開始反応、連鎖伝播反応、及び連鎖停止反応が同時的に発生し、開始剤が消費されるまで重合反応が継続する従来の遊離基重合とは異なる。リビング遊離基重合により分子量と分子量分布の制御が容易となる。リビング遊離基重合技術には、たとえば、重合反応時に成長鎖に対して可逆性末端キャッピングを行うことが含まれる。一例には、原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）がある。
【００４９】
「ラジカル生成部位」とは、熱あるいは電磁波放射に反応して遊離基が発生する開始剤の部位である。
【００５０】
「重合終了剤」とは、ポリマー鎖の重合反応を停止させる化合物である。これらの化合物は「終了剤」、「キャッピング剤」、あるいは「阻害剤」としても知られる。当業技術分野において多様な重合終了剤が知られている。一観点においては、遊離ヒドロキシル基を含まないモノマーを重合終了剤として用いてよい。
【００５１】
用語「ポリマーアレイ合成を担持可能」とは、ある構成体上においてポリマーアレイ合成を実行できる場合、そのような構成体を説明する用語であり、たとえば、ヒドロキシル、アミノ、カルボキシル等の官能基を含む官能性高分子ブラシはポリマーアレイ合成を担持可能である。これらの官能基が「付着点」として機能することにより巨大分子の合成が可能となる。
【００５２】
所与のポリマーあるいは巨大分子におけるモノマーは互いに同種あるいは異種である。モノマーはその分子量とは無関係に小分子にも巨大分子にもなり得る。また、各モノマーを合成後に修飾して、被保護メンバーとしてもよい。
【００５３】
本明細書において用いる「モノマー」とは、ポリマー形成に用いるモノマーを指す。しかし、モノマーの意味は、その用語を用いる文脈から明らかとなるであろう。たとえば高分子ブラシもしくはリンカー分子等の本発明の実施形態に係るポリマーを形成するモノマーは、たとえば以下の基本構造を有する。
【化１】
2009509175.tif 000002
但し、Ｒ１は水素あるいは低アルキル基であり、Ｒ２とＲ３はどちらも水素、あるいは―Ｙ―Ｚである。但し、Ｙは低アルキル基であり、Ｚはヒドロキシル、アミノ、あるいはＣ（Ｏ）―Ｒである。但し、Ｒは水素、低アルキル基、あるいはアリルオキシである。
用語「アルキル基」とは、メチル、エチル、プロピル、ブチル等の、線状であるか、分岐状であるか、環状である基を指す。
用語「アルコキシ」とは、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ等の、線状であるか、分岐状であるか、環状である基を指す。
低アルキル基もしくは低アルコキシ基等において用いられる用語「低」 とは、基が１乃至６個の炭素原子を含有する場合を説明する。
用語「アリル」とは、アルキル基が付着した芳香族炭化水素環を指す。用語「アリルオキシ」とは、アルコキシ基が付着した芳香族炭化水素環を指す。これらの用語は当業者には容易に理解されるであろう。
【００５４】
本発明の実施形態に係る巨大分子の調製に用いられるその他のモノマーが当業技術分野において周知である。たとえば、巨大分子をペプチドとする場合、モノマーは、たとえば、Ｌ−アミノ酸、Ｄ−アミノ酸、合成により形成したアミノ酸および／または天然のアミノ酸等のアミノ酸であるが、これらに限定されない。巨大分子を核酸あるいはポリヌクレオチドとする場合、モノマーはあらゆるヌクレオチドである。巨大分子を多糖とする場合、モノマーは、あらゆるペントース、ヘキソース、ヘプトース、あるいはそれらの誘導体であってよい。
【００５５】
「モノマー添加サイクル」とは、モノマーを出現しつつあるポリマーもしくはリンカーと共有結合させて、たとえば、ポリマーが所望の化学結合（たとえば、５'−３'フォスフォジエステル結合、ペプチド結合等）を有するよう伸長するために必要な化学反応を生じさせるサイクルである。たとえば、フォスフォラミダイト系ポリヌクレオチド合成における以下の各工程においては、モノマー添加サイクルが含まれるが、本発明はこれらの工程に限定されない。（１）５'−ヒドロキシルがＤＭＴの共有結合により保護されている５'−被保護ヌクレオチド（出現しつつあるポリヌクレオチドの一部であってよい）からＤＭＴ基を除去する脱保護工程であって、通常、適切な脱保護剤（たとえば、プロトン酸、トリクロロ酢酸あるいはジクロロ酢酸）を用いて行われ、除去した保護基（たとえば、開裂したジメチルトリチル基）を物理的に除去する工程（たとえば、アセトニトリルを用いた洗浄）を含めてよい。（２）テトラゾールにより活性化されている場合が多いフォスフォラミダイトヌクレオシドを脱保護したヌクレオシドと反応させる結合工程。（３）未反応のヌクレオシドを以降のモノマー添加サイクルに関与させないために切断するための、アセチレートを含有しない５'−ヒドロキシル基に無水酢酸とＮ−メチルイミダゾールを反応させること等による任意に含まれるキャッピング工程。（４）三価フォスファイトトリエステル結合を五価フォスファイトトリエステルに変換するための、たとえばテトラヒドロフラン／水／ピリジンに含まれるヨウ素による酸化工程であって、これにより得られた五価フォスファイトトリエステルは、次に水酸化アンモニウムと反応させることによりフォスフォジエステルに変換することができる。したがって、ポリヌクレオチドのフォスフォラミダイト合成に関しては、モノマー添加サイクルを全うするには以下の試薬が通常必要である。トリクロロ酢酸あるいはジクロロ酢酸、フォスフォラミダイトヌクレオシド、ヨウ素（たとえば、ヨウ素／水／ＴＨＦ／ピリジン）等の酸化剤、及び任意でキャッピング用のＮ−メチルイミダゾール。
【００５６】
「巨大分子」あるいは「ポリマー」は、二個以上の共有結合したモノマーを含有する。モノマーは一回当たり一個結合してもよく、通常「オリゴマー」として知られるモノマーを複数含んだストリング単位で結合してもよい。したがって、たとえば、一個のモノマーと五個のモノマーを含む一ストリングを結合して六個のモノマーを含む巨大分子あるいはポリマーを形成してよい。同様に、五十個のモノマーを含むストリングを百個のモノマーを含むストリングと結合して百五十個のモノマーを含む巨大分子あるいはポリマーを形成してよい。本明細書において用いるポリマーとの用語は、たとえば、線状および環状の核酸ポリマー、ポリヌクレオチド、ポリヌクレオチド、多糖、オリゴ糖、タンパク質、ポリペプチド、ペプチド、リン脂質、及びペプチド核酸（ＰＮＡ）を含む。ぺプチドには、α−アミノ酸、β−アミノ酸、ω−アミノ酸のいずれかを含有するペプチドが含まれる。更に、ポリマーとしては、上記のいずれか、ポリウレタン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ尿素、ポリアミド、ポリエチレンイミン、ポリアリレンスルフィド、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリアセテート、あるいは本開示を参照して明らかとなるその他のポリマーに周知の薬剤を共有結合させたヘテロポリマーもある。
【００５７】
本明細書において用いる「ナノ材料」とは、原子、分子、あるいは巨大分子レベルの寸法を持ち、長さ単位で約１乃至１００ナノメータの範囲の構造体、デバイス、あるいはシステムを指す。ナノ材料はその寸法に起因する特徴と機能を有し、原子レベルの操作・制御が可能であることが好適である。
【００５８】
「カーボンナノチューブ」とは、円柱状あるいはトロイダル状のフラーレン分子である。「フラーレン」とは、六十個超の炭素原子が空位となった大きな分子構成の炭素である。
【００５９】
用語「ヌクレオチド」は、デオキシヌクレオチドとその類似物を指す。これらの類似物は、天然のヌクレオチドと共通するいくつかの構造上の特性を有しており、それによりポリヌクレオチド配列に組み込まれたとき、溶液中において相補的ポリヌクレオチドとの交配が可能となる分子である。通常、これらの類似物は、天然のヌクレオチドの塩基、リボース、あるいはフォスフォジエステル部位を置換および／または修飾することにより誘導される。所望の通りに変性を行って、ハイブリッド形成を安定化あるいは不安定化したり、交配において所望の相補的ポリヌクレオチド配列に対する選択性を強化したり、ポリヌクレオチドの安定性を強化したりしてよい。
【００６０】
本明細書において用いる用語「ポリヌクレオチド」あるいは「核酸」とは、任意の長さを有するヌクレオチドの多量体型であり、プリン塩基とピリミジン塩基、あるいはその他の天然の、化学的あるいは生物化学的に修飾した、変性した、あるいは誘導体化したヌクレオチド塩基を含有するリボヌクレオチドかデオキシリボヌクレオチドである。本発明の実施形態に係るポリヌクレオチドとしては、デオキシリボポリヌクレオチド（ＤＮＡ）配列、リボポリヌクレオチド（ＲＮＡ）配列、あるいはリボポリヌクレオチド(ｃＤＮＡ)のＤＮＡコピーの配列があり、これらは天然源から単離、組み換えにより産出、あるいは人工的に合成してよい。本発明の実施形態に係るポリヌクレオチドの更なる例として、ポリアミドポリヌクレオチド（ＰＮＡ）を挙げてもよい。ポリヌクレオチドと核酸は、一本鎖あるいは二本鎖として存在し得る。ポリヌクレオチドの骨格には、ＲＮＡあるいはＤＮＡにおいてよく観察される糖類とリン酸基、あるいは、修飾もしくは置換した糖類あるいはリン酸基を含めてよい。ポリヌクレオチドとしては、メチル化ヌクレオチド、ヌクレオチド類似物等の修飾ヌクレオチドを挙げてもよい。ヌクレオチド配列に非ヌクレオチド成分を割り込ませてよい。核酸、ポリヌクレオチド、ポリヌクレオチド等のヌクレオチドにより形成されるポリマーは、本明細書においては「ヌクレオチドポリマー」と呼称する場合もある。
【００６１】
「オリゴヌクレオチド」とは、２乃至２０個のヌクレオチドを含有するポリヌクレオチドである。この態様により保護されるフォスフォラミダイトは、ＦＯＤフォスフォラミダイトとして知られる。
【００６２】
類似物の例には更に、保護および／または修飾したモノマーがあり、これは従来のポリヌクレオチド合成において用いられてきた。当業者は十分に認識しているであろうように、ポリヌクレオチド合成においては、プリン部位とピリミジン部位における一以上の窒素原子がジメトキシトリチル、ベンジル、三級ブチル、イソブチル等の基により保護された多様な塩基保護ヌクレオシド誘導体が用いられる。
【００６３】
たとえば、構造的な基（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｇｒｏｕｐ）を任意にヌクレオシドのリボースあるいは塩基に添加してポリヌクレオチドに含有されるようにしてよく、たとえばメチル基、プロピル基、あるいはアリル基等をリボースの２'−Ｏ位に添加してよく、あるいはフルオロ基により２'−Ｏ位を置換してよく、あるいは、ブロモ基にリボヌクレオシド塩基を添加してよい。２'−Ｏ−メチルオリゴリボヌクレオチド（２'−Ｏ−ＭｅＯＲＮ）はその未修飾物よりも相補的ポリヌクレオチド（特にＲＮＡ）に対する親和力が強い。あるいは、複素環プリンあるいは複素環ピリミジンの一以上のＮ原子がＣ原子に置換されたデアザプリンあるいはデアザピリミジンを用いることもできる。
【００６４】
ポリヌクレオチドのフォスフォジエステル結合あるいは「糖類−リン酸塩骨格」を、たとえばメチルホスホン酸塩、Ｏ−メチルリン酸塩、あるいはフォスフォロルチオエート（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｒｔｈｉｏａｔｅ）により置換あるいは修飾することもできる。本開示の目的においてこのような修飾結合を含有するポリヌクレオチドの別の例としては、ポリアミド骨格がポリヌクレオチド塩基あるいは修飾ポリヌクレオチド塩基に付着した「ペプチドポリヌクレオチド」がある。ポリアミド骨格と、天然ヌクレオチドに観察される塩基をを含有するペプチドポリヌクレオチドは市販されている。
【００６５】
本発明の実施形態においては修飾塩基を含有するヌクレオチドを用いることもできる。塩基を修飾するいくつかの例としては、２−アミノアデニン、５−メチルシトシン、５−（プロピン−１−イル）シトシン、５−（プロピン−１−イル）ウラシル、５−ブロモウラシル、５−ブロモシトシン、ヒドロキシメチルシトシン、メチルウラシル、ヒドロキシメチルウラシル、及びジヒドロキシペンチルウラシルがあり、これらをポリヌクレオチドに組み込むことにより相補的ポリヌクレオチドに対する性合親和力を修飾することができる。
【００６６】
負に帯電したリン酸塩骨格との静電相互作用により、あるいはメジャーグローブ又はマイナーグローブにおける相互作用により二本鎖を安定化させ得る基をヌクレオシドの糖類環あるいはプリン環あるいはピリミジン環の多様な位に対して結合することもできる。たとえば、アデノシンヌクレオチドとグアノシンヌクレオチドをＮ２位においてイミダゾリルプロピル基により置換して二本鎖の安定性を増強することができる。普遍的な塩基類似物である、たとえば３−ニトロピロール、５−ニトロインドール等を用いることもできる。本発明の実施形態において好適に用いられる多様な修飾ポリヌクレオチドが文献に記載されている。
【００６７】
必要とする巨大分子がペプチドである場合、アミノ酸は、α−アミノ酸、β−アミノ酸、ω−アミノ酸等のあらゆるアミノ酸であってよい。アミノ酸がα−アミノ酸である場合、Ｌ−光学異性体あるいはＤ−光学異性体を用いてよい。また、本発明の実施形態においては、β−アラニン、フェニルグリシン、ホモアルギニン等の変性アミノ酸も用い得る。これらのアミノ酸は当業技術分野において周知である。
【００６８】
「ペプチド」とは、含有するモノマーがアミノ酸であり、それらがアミド結合により相互に結合したポリマーであって、ポリペプチドとも別称される。本明細書の文脈においては、当該アミノ酸はＬ−光学異性体かあるいはＤ−光学異性体かであってよいことは理解されるべきである。ペプチドはアミノ酸モノマー２個以上分の長さを有し、アミノ酸モノマー２０個超分の長さを有していることが多い。
【００６９】
「タンパク質」とは、アミノ酸がペプチド結合により結合した長いポリマーであり、２以上のポリペプチド鎖により構成される場合もある。具体的には、用語「タンパク質」とは、特定の配列状態にある一以上のアミノ酸鎖により構成される分子を指し、当該配列は、たとえば、タンパク質の遺伝子コード化時のヌクレオチドにおける塩基配列により決定される。生体の細胞、組織、及び器官の構造、機能、及び調節にとってタンパク質は必須であり、各タンパク質が固有の機能を有する。例として、ホルモン、酵素、抗体が上げられる。
【００７０】
用語「配列」とは巨大分子におけるモノマーの特定的順序であり、本明細書においては巨大分子の配列と述べる場合もある。
【００７１】
用語「交配」とは、二本の一本鎖ポリヌクレオチドを非共有結合により結合して安定した二本鎖ポリヌクレオチドを形成するプロセスを指す。三本鎖交配も理論的には可能である。生成される（通常は）二本鎖のポリヌクレオチドを「ハイブリッド」と呼称する。安定したハイブリッドを構成するポリヌクレオチドの含有比率を本明細書においては「交配度」と呼称する。たとえば、交配とはプローブポリヌクレオチド（たとえば、置換、欠失、および／または付加を行ってよい本発明に係るポリヌクレオチド）と特定のターゲットポリヌクレオチド（たとえば、検体ポリヌクレオチド）とのハイブリッドを形成することであり、ここでは、プローブは優先的に特定のターゲットポリヌクレオチドと交配し、ターゲットポリヌクレオチドと実質的に相補的でない配列を有するポリヌクレオチドとは実質的に交配しない。しかし、ターゲットポリヌクレオチドに対する選択的交配において望まれるポリヌクレオチドの最小の長さは、Ｇ／Ｃ含有率、非対応同士の基（もし在れば）の位置、ターゲットポリヌクレオチドの構成に対する配列の特異性の度合い、そしてとりわけポリヌクレオチド（たとえば、メチルホスホン酸塩骨格、フォスフォロチオレート等）の化学的性質等、いくつかの要因に依存することは当業者には理解されよう。
【００７２】
ポリヌクレオチド交配実験を実行する方法は当業技術分野において十分に開発されている。交配実験の手順と条件は用途により異なり、当業技術分野において周知の一般的な結合方法に従って選択される。
【００７３】
二本の単鎖ポリヌクレオチドが互いに交配する度合いは、それらの相補性の程度及び交配反応条件の厳正性等の要因に影響されることは理解されよう。
【００７４】
本明細書において用いる「厳正性」とは、ポリヌクレオチドの交配が進む度合いに影響を及ぼす交配反応の条件に関して用いられる。厳正な条件とは、ポリヌクレオチド二本鎖がそれらにおける非対応の度合いにより識別可能となるように選ばれる条件である。厳正性が高い場合、非対応同士の基を含む二本鎖が形成される可能性が低い。従って、厳正性が高いほど、非対応の二本鎖を形成する可能性のある二本の単鎖ポリヌクレオチドが単鎖のまま残る可能性が高い。反対に、厳正性が低いほど、非対応の二本鎖が形成される可能性が高まる。
【００７５】
一以上の非対応を含む二本鎖に比較して完全に対応した二本鎖が形成される（あるいは、非対応の度合いが高い二本鎖に比較してそれより低い特定の非対応度合いの二本鎖が形成される）適切な厳正性は一般的に実験により定まる。交配反応の厳正性を調整する手段は当業者には周知である。
【００７６】
「リガンド」とは、特定の受容体に認識される分子である。本発明の検体となり得るリガンドの例には、細胞膜受容体に認識されるアゴニストとアンタゴニスト、毒素（ｔｏｘｉｎ）と毒素（ｖｅｎｏｍ）、ウイルス抗原決定基、ホルモン、ホルモン受容体、ペプチド、酵素、酵素基板、共同因子、薬品（たとえば、アヘン剤、ステロイド等）、レクチン、糖類、ポリヌクレオチド、核酸、オリゴ糖、タンパク質、及びモノクローナル抗体があるが、これらに限定されない。
【００７７】
「受容体」とは、特定のリガンドに対して親和力を有する分子である。受容体は天然の分子でも人工的な分子であってもよい。また、受容体は、未変性状態で用いることも、その他の種との会合体として用いることもできる。受容体は、共有結合あるいは非共有結合により結合員に対して直接的にあるいは特定の結合物質を介して付着させてよい。本発明において用いることができる受容体の例には、抗体、細胞膜受容体、特定の抗原決定基（たとえば、ウイルス、細胞もしくはその他の物質上の）に対して反応するモノクローナル抗体と抗血清、薬品、ポリヌクレオチド、核酸、ペプチド、共同因子、レクチン、糖類、多糖、細胞、細胞膜、及び細胞小器官が含まれるが、これらに限定されない。受容体は、当業技術分野においては抗リガンドと呼称される場合もある。受容体との用語を本明細書においては用いるが、意味に差異を含めることを意図したものでない。二つの巨大分子が分子認識により結合して錯体が形成されたとき、「リガンド−受容体対」が形成される。本発明の検体となり得る受容体のその他の例には以下のものが含まれるが、これらに限定されない。
ａ）微生物受容体：特定の運搬体タンパク質、あるいは微生物の生存に不可欠の酵素等の受容体に結合するリガンドの決定は、新たな綱の抗体を開発するのに有用である。特に評価できるものは、日和見性菌類、原虫、および今日用いられている抗生物質に対して抵抗力のあるバクテリアに対する抗生物質であろう。
ｂ）酵素：たとえば、受容体の一種には、開裂神経伝達物質に対して作用する酵素等における結合部位があるが、特定の受容体に結合し、互いに異なる神経伝達物質を開裂する酵素の作用を調節するリガンドの決定は、神経伝達の障害の治療に用いることができる薬品の開発に有用である。
ｃ）抗体：たとえば、対象である抗原の抗原決定基に結合する抗体分子上のリガンド結合部位を分析するのに本発明は有用である。抗原エピトープを擬態する配列の決定により、このような配列の一種以上に基づく免疫原に対するワクチンが開発される可能性があり、あるいは、自己免疫疾患等の治療（たとえば、「非自己」抗体の結合を阻止することによる）において有用な関連の診断用薬あるいは化合物が開発される可能性がある。
ｄ）核酸：核酸の配列を合成してＤＮＡあるいはＲＮＡ結合配列を形成してよい。
ｅ）触媒ポリペプチド：一以上の反応物質を一以上の生成物に変換する反応を含む化学反応を促進する作用のあるポリマー、好適にはポリペプチド。このようなポリペプチドには一般的に、少なくとも一種の反応物質あるいは反応中間体に対して選択的な結合部位、及び、当該結合部位に近接しており、結合部位に結合した反応物質を化学的に修飾することができる活性官能基が含まれる。
ｆ）ホルモン受容体：ホルモン受容体の例には、たとえばインシュリン及び成長ホルモンに対する受容体が含まれる。強度の親和力により受容体に結合するリガンドの決定は、たとえば、糖尿病の症状を緩和するために糖尿病患者が日々受ける注射の経口補給の開発に有用である。その他の例としては、血管収縮ホルモン受容体があり、受容体に結合するリガンドの決定は、血圧をコントロールする薬品の開発につながる。
ｇ）アヘン剤受容体：脳内のアヘン剤受容体に結合するリガンドの決定は、モルヒネ及び関連の薬品に対する習慣性の低い代替薬の開発に有用である。
【００７８】
用語「相補的」とは、リガンド分子とその受容体の相互作用表面がトポロジー的に適合あるいは一致することを指す。したがって、受容体とそのリガンドは相補的であると述べることができ、接触面の性質が互いに相補的である。
【００７９】
「スクライブライン」とは、通常アクティブなダイ同士の間の「不活性」な領域であって、ダイを（通常、のこぎりで）分割する領域となる部分である。計測及び位置合わせのための領域である場合が多い。
【００８０】
「ビア」とは、誘電体の中間層にエッチング形成された孔であり、好適にはタングステンである導電性物質を当該孔に充填することにより積層した導電性インターコネクト金属配線同士を垂直方向において電気的に接続する。
【００８１】
ダイ内における「金属配線」とは、インターコネクト配線である。金属インターコネクト配線は、二つのダイを、あるいは本発明のいくつかの実施形態におけるように多数のダイを一以上のウェハパッドに電気的に接続するにあたってスクライブライン境界線に交差しない。
【００８２】
用語「酸化」とは、酸化すべき電子が減るを意味する。用語「還元」とは、還元すべき電子が増えることを意味する。用語「酸化還元反応」とは、酸化と還元が介在する化学反応を指す。
【００８３】
用語「ウェハ」とは、半導体基板である。ウェハは多様な大きさと形状に形成することができる。マイクロチップ基板として用いることができる。基板には、インターコネクトあるいはスクライブラインを介してたとえばパッド等の回路構成を重ね合わせたり埋め込んだりすることができる。ウェハの回路はいくつかの用途に供することができ、たとえば、マイクロプロセッサ、メモリストレージ、及び／又は情報伝達等に用いることができる。回路は当該ウェハ上のマイクロプロセッサにより、あるいは、ウェハの外部にあるデバイスにより制御することができる。
【００８４】
用語「分子結合事象」とは、プローブ分子とターゲット分子とが接触することである。本発明の実施形態に係る分子結合事象の検出デバイスは、特定の核酸配列等の一以上のターゲット分子あるいは一以上のターゲット部位を含有すると疑われる試料を分析するための分子認識に基づいた試験において利用することが意図される。アレイのプローブ分子は、たとえば核酸配列等の特定のターゲット分子に結合することによりターゲット分子を検出することを意図して調製される。プローブ核酸配列とターゲット核酸配列との交配は、標準的なワトソン−クリック水素結合作用あるいは、当業技術分野において知られているその他の周知の特異結合作用を介して生じるであろう。
【００８５】
用語「分極変化」 とは、ターゲット分子が析出されることにより電極上の電荷量に生じる変化である。
【００８６】
用語「差動増幅器」とは、二つの入力信号（−）と（＋）との差を増幅するデバイスである。この増幅器は、差動入力シングルエンド出力増幅器とも呼称される。精密な電圧差増幅器であり、より洗練された計装用増幅器回路の中心的な基礎を成す。
【００８７】
用語「電界効果トランジスタ」（ＦＥＴ）とは、半導体材料における「チャネル」の導電性制御に電界を用いる種のトランジスタである。全てのトランジスタと同じくＦＥＴは、電圧制御抵抗と見なすことができる。ＦＥＴの多くは従来の半導体大量処理技術を利用して、単結晶半導体ウェハをアクティブ領域つまりチャネルとして用いることにより製造される。
【００８８】
用語「ＣＭＯＳ」とは、相補的酸化金属半導体のことである。
【００８９】
本発明の一実施形態は、プローブ分子を有する官能性電極を含むデバイスに向けられ、当該デバイスは、官能性電極における分極変化によりプローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を電気的に検出することができる。デバイスには、プローブ分子を有さない非官能性電極を更に含めてよく、それによりデバイスは、官能性電極と非官能性電極との間における分極変化によりプローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を電気的に検出することができる。プローブ分子とターゲット分子には標識しないことが好適である。ターゲット分子は単鎖ＤＮＡ、ＤＮＡにより官能化したカーボンナノチューブ、あるいはナノ材料であり、プローブ分子は単鎖ＤＮＡあるいはナノ材料であることが好適である。
【００９０】
デバイスは、ＣＭＯＳ型電荷センサであり、電流−電圧酸化還元センサではない。デバイスは、ＣＭＯＳ構造に基づいたものであってよく、個々に一致性と相互作用性を有する多様なターゲット分子と多様な化学修飾ナノ材料に対して選択的化学親和力を有する多様な分子プローブにより個々に官能化した電極のアレイであってよい。デバイスは電極アレイ上において分子結合事象を電気的に検出し、界面での分極変化の過程で生成された電流を検知して増幅することができる。電極アレイは論理素子と結合させて電荷ポンプとして機能させてよい。
【００９１】
デバイスに更に差動増幅器を含めることにより、官能性電極の分極変化により生成された電流を増幅してよい。デバイスには更に、官能性電極と非官能性電極との間の分極変化により生成された電極を増幅する差動増幅器を含めてもよい。
【００９２】
一変形例において、デバイスには更にウェハを含む基板を含めてよい。デバイスには更にスイッチとコンデンサを含めて、電界効果トランジスタのゲートを分極変化により変調するようにしてよい。
【００９３】
本発明の一実施形態は、図１に示すように、ＣＭＯＳ型ウェハ上に形成され、ターゲット分子に対して選択的化学親和力を有するプローブ分子により官能化した電極のアレイ上にて分子結合事象を電気的に検出するデバイス構造と、界面における分極変化の過程で生成される電流を増幅する差動増幅器と、ＣＭＯＳスイッチと、ＭＯＳコンデンサとを含む。電極と溶液の界面（電極の材料は、たとえばＡｕ、Ｐｔ）における分極は、電荷を帯びたターゲット分子（たとえば、単鎖ＤＮＡ、ＤＮＡにより官能化したカーボンナノチューブ、これらに限定されない）が特異的に吸着したプローブ分子（たとえば、電極面上に固定した相補的単鎖ＤＮＡ）と結合することにより変化する。
【００９４】
別の実施形態は、電極が分極変化を検出し、その分極変化により電界効果トランジスタのゲートが変調されるデバイスを含む。本発明の別の実施形態は、脱交配（反対方向の認識）事象の過程における分極変化の検出が可能なデバイスを含む。本発明の別の実施形態においては、電荷を帯びた生体分子を解析電極上のチャネルに閉じ込めることにより、ＤＮＡ交配の検出率を高める。
【００９５】
別の実施形態においては、プローブとターゲットとの認識事象が発生したときに電気信号を生成し、あるいは既存の信号を増幅する、酵素を触媒とした反応を結合することにより電極上で触媒電流を生成することが含まれる。たとえば、ＤＮＡプローブを電極アレイデバイスに付着させることができる。次に、これらのプローブに選択的に交配するビオチニル化ターゲットＤＮＡをこれらプローブに重ね合わせることができる。次に、ストレプトアビジンを共役させ、ストレプトアビジン−ビオチン結合によりターゲットとプローブとの認識錯体に選択的に結合する西洋ワサビペルオキシターゼ（ＨＲＰ）をこの錯体に重ね合わせることができる。この結果得られる錯体は、Ｈ２Ｏ２の還元反応の触媒となり触媒電流を生成することは当業技術分野においては周知である。このような方法は、共役あるいは標識されたプローブ／ターゲット結合を桁違いに増幅させる、つまり、ＨＲＰにより修飾された電極の電位を修飾されない電極の電位より約０．７Ｖ高く（より陽極側に）遷移させる方法として当業技術分野において知られている。
【００９６】
本発明の別の実施形態は、分子結合事象を電気的に検出するデバイスの製造方法に向けられる。方法には、第一電極をプローブ分子により官能化して官能性電極を形成すること、第二電極を官能化せずに非官能性電極を形成すること、及び差動増幅器を形成することを含めてよく、デバイスはプローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を官能性電極と非官能性電極との間の分極変化により電気的に検出することができるようになる。差動増幅器が官能性電極と非官能性電極との間の分極変化により生成される電流を増幅することが好適である。方法には更に界面論理を形成することを含めることができる。本発明の実施形態に係る方法により、プローブ分子あるいはターゲット分子に標識することなしに、つまり、プローブ分子とターゲット分子が標識されていない場合であっても、デバイスが分子結合事象を電気的に検出することができることが好適である。
【００９７】
本発明の一実施形態においては、分子結合事象を電気的に検出するデバイスの製造方法とは、ａ）ウェハ上に、リトグラフィ、エッチング、イオン注入、薄膜、実装等の標準的な製造技術を用いて増幅器、界面論理、電荷ポンプ、及び電極のアレイを含むＣＭＯＳ構造を製造すること、及びｂ）ターゲット分子に対して選択的に化学的親和力を有する科学的あるいは生化学的プローブにより電極を官能化することである。
【００９８】
本発明の別の実施形態は、プローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を測定する方法に向けられ、当該方法は、プローブ分子を有する官能性電極とプローブ分子を有さない非官能性電極を含むデバイスを用意すること、プローブ分子とターゲット分子との分子結合事象を官能性電極と非官能性電極との間の分極変化により検出することを含む。分子結合事象を測定する方法において、デバイスには更に差動増幅器を含めてよく、官能性電極と非官能性電極との間の分極変化により生成された電流を差動増幅器により増幅する。分子結合事象を測定する方法は、分極変化により電界効果トランジスタのゲートを変調することを更に含んでよい。
【００９９】
本発明の一実施形態においては、分子結合事象を電気的に検出する方法とは、ａ）電極アレイをターゲット分子および／または化学修飾したナノ材料に暴露することにより、ターゲット分子（たとえば、ＤＮＡにより修飾したＣＮＴ等の化学修飾したナノ材料）と分子プローブとの選択的結合事象を生じさせ、電極界面において分極変化を生じさせること、及びｂ）分極変化により生成された電流を測定し増幅すること（橋かけ構造を用いることにより、選択的結合事象下にある電極と不活性のままである電極との間の電気信号の差を増幅することができる；増幅はセンス増幅器を用いて行うことができる）である。増幅は、図２に示すデバイスを用いて行うことができる。別の実施形態においては、デバイスは電界効果トランジスタのゲートを変調する分極変化を検出する電極を含む。
【０１００】
特定の理論に拘束されないが、本発明の実施形態の技術的基礎は以下の通りであると考えられる。溶液において、ＤＮＡプローブ分子は図３に示すようにＤＮＡ多価陰イオンと補償陽イオンとに解離する。これらの多価陰イオンは、周知のいずれかの表面改質剤を用いて電極の表面に選択的に吸着させることができ、周知の表面改質剤としてはチオレート、アミン、ポリ（メルカプトプロピル）メチルシロキサン等が挙げられるがこれらに限定されない。これにより、プローブ分子が電極の表面に固定される。相補的ＤＮＡ多価陰イオン等のターゲット分子が溶液に導入されたとき、ターゲットの鎖が周知のワトソン−クリック塩基対相互作用により表面上のＤＮＡプローブ分子に結合する。これは、ＤＮＡの平衡表面被覆率を超過して陰イオンが大量に表面に吸着することを意味する。溶液側の電荷密度は非ゼロである。電極は溶液よりも分極し易く、電極において反対電荷が生じるので、この電荷を測定することができる（回路は対極を介して閉じられる）。電極が一定の表面電荷に維持されているならば、ＤＮＡ陰イオンの吸着の後には、実験において観察されてきたように負電位への遷移が生じる。交配事象下にあるＤＮＡ分子一個につき、界面における分極変化（ｄＱ／ｄｔ）により生じる電流は約１０ｆＡである。図４に示すように、分極変化の検出は、電荷を帯びたターゲット分子がプローブ分子に結合するときの溶液−電極界面における電気二重層容量の変化に基づく。
【０１０１】
本発明の実施形態においては（特に図４を参照して）、好適には、各電極の面積が約１μｍ２であり、電極が個別にアドレス可能であり、電極と溶液の界面における容量が約１０μＦ／ｃｍ２であり、金属製電極の二重電気層とそれを担持している電解質溶液における電荷種の層における電圧変化が約０．５Ｖであり、電極上の全電荷量が約５×１０−１４Ｃ（５０ｆＣ）であり、ＤＮＡの結合による電極の界面上での電荷量変化が約１０−１５（１ｆＣ）、つまり、ＤＮＡの結合による電荷量変化が、おおよそ、電気二重層に蓄積された電荷の量に０．０２をかけた量であり、結合事象と脱結合事象に要する時間はミリ秒単位であり、ターゲット分子との結合について不活性であるプローブ分子により被覆した基準電極を作成することができ、脱結合（酵素と温度により誘発される脱交配）を開始することができる。本発明の実施形態に係る分子結合事象の測定は、界面での分極変化（ｄＱ／ｄｔ）に起因する電流を測定することにより実現することができ、当該電流は約１０−１２Ａ（約１ｐＡ）である。測定される電流は、電極規模が一桁変化するごとに０．０１倍分だけ減少する。
【０１０２】
本発明の別の実施形態は、（ａ）プローブポリヌクレオチドを含有する官能性電極を含む第一金属層と、（ｂ）ターゲットポリヌクレオチドを脱交配させるべく抵抗加熱することができる第二電極を含む第二金属層とを含む試験装置に関し、試験装置はターゲットポリヌクレオチドの脱交配を分析する。試験装置はターゲットポリヌクレオチドを脱交配させるべく抵抗加熱することができる第三電極を含む第三金属層を更に含んでよい。プローブポリヌクレオチドは約８０℃までの温度に耐え得るものを選択することが好適である。試験装置は、官能性電極の分極変化によりプローブポリヌクレオチドとターゲットポリヌクレオチドとの分子脱結合事象を電気的に検出することができることが好適である。第一金属層は、プローブポリヌクレオチドを含有しない非官能性電極を更に含むことが好適であり、それにより試験装置は、官能性電極と非官能性電極との間の分極変化によりプローブポリヌクレオチドとターゲットポリヌクレオチドとの分子脱結合事象を電気的に検出することができる。試験装置は酵素あるいは温度により誘発されるターゲットポリヌクレオチドの脱交配を分析することがより好適である。
【０１０３】
成功した交配事象を検出するための代替的方法としては、脱交配（プローブとターゲット間の反対方向相互作用）の過程において二本鎖ＤＮＡの分極変化を観察することがあるが、これは交配したＤＮＡだけが脱交配反応に入ることができることに基づく。デバイスの構成は本質的に変わらない。ごく一般的に利用される二本鎖ＤＮＡの脱交配を誘発する方法として、温度ジャンプ実験と呼ばれる方法がある。温度を急激に２０乃至４０℃上昇させて脱交配を誘発する。このような温度ジャンプに追従する二本鎖ＤＮＡの脱交配の反応速度は、たとえば周波数共鳴エネルギー分光法（ＦＲＥＴ）、時間分解蛍光分光法等の多様な技術により観察されてきた。温度誘発された脱交配により生じる分極変化を電気的に読み取ることには、交配とは異なり、脱交配は速度の遅い拡散律速プロセスでなく瞬間的なプロセスであるという利点がある。したがって、電荷は長時間にわたる統合プロセスを経験しなくてよく、それゆえ背景雑音にさらされずに済む。たとえば、恒温槽、電解質を含む少量の液体を抵抗加熱すること（液体が少量であることにより高速加熱が可能となる）、レーザージャンプ技術、あるいは、二本鎖ＤＮＡに共有結合した金ナノ結晶を高周波加熱すること等、多様な技術により温度変化を誘発することができる。電極面上においてＤＮＡの脱結合を誘発する一実施形態においては、負の電圧（１００ｍＶ＋）を用いる。荷電変化の統合は、脱結合事象の直後に行うことにより、信号対雑音比を増大することができる。
【０１０４】
ＤＮＡを脱結合する更に別の方法においては、チップ上で抵抗加熱を行う。温度誘発した脱交配事象を分析する試験装置の例を図５に示す。このデバイスは三層の金属層を含むことができる。第一金属層は解析電極（プローブＤＮＡにより修飾してターゲットＤＮＡが交配している）を含み、この電極は図５において解析電極（３）として示される。第二と第三の金属層はＮｉＣｒ電極を含むことができ、これらは図５において加熱電極（１）及び（２）として示され、これらを抵抗加熱することによりターゲットＤＮＡ分子を脱着もしくは脱交配させることができる。プローブＤＮＡ分子の化学結合部位としては、室温よりも高い温度に耐え得るものを選択する。信号増幅用デバイス（図２を参照）は図５においては明確性のため図示を省く。
【０１０５】
別の実施形態においては、プローブとターゲットとの認識事象が発生したときに電気信号を生成あるいは既存の信号を増幅する酵素触媒反応を結合することにより電極上で触媒電極を生成することが含まれる。たとえば、ＤＮＡプローブを電極アレイデバイスに付着させることができる。次に、これらのプローブに選択的に交配するビオチニル化ターゲットＤＮＡをこれらプローブに重ね合わせることができる。次に、ストレプトアビジンを共役させ、ストレプトアビジン−ビオチン結合によりターゲットとプローブとの認識錯体に選択的に結合する西洋ワサビペルオキシターゼ（ＨＲＰ）をこの錯体に重ね合わせることができる。この結果得られる錯体は、Ｈ２Ｏ２の還元反応の触媒となり触媒電流を生成すること（Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ→２Ｈ２Ｏ）は当業技術分野においては周知である。このような方法は、共役あるいは標識されたプローブ／ターゲット結合をたとえば桁違いに増幅させる、つまり、ＨＲＰにより修飾された電極の電位を修飾されない電極の電位より約０．７Ｖ高く（より陽極側に）遷移させる方法として当業技術分野において知られている。
【０１０６】
本発明の別の実施形態は回路製造方法に関し、当該方法は、第一ポリヌクレオチドをナノ材料の第一端に付着させて第一ポリヌクレオチドをダイの第一パッド上に置かれた第二ポリヌクレオチドと交配させることを含み、第三ポリヌクレオチドをナノ材料の第二に付着させて第三ポリヌクレオチドをダイの第二パッドに置かれた第四ポリヌクレオチドと交配させることを更に含む。ナノ材料が第一パッドと第二パッドの間に導電路を形成することが好適である。ナノ材料はカーボンナノチューブであることが更に好適である。一変形例においては、第一パッドは電極を含み、交配は電極上での触媒電流の生成に結合する。
【０１０７】
本発明の更に別の実施形態はダイに関し、ダイは第一パッド、第二パッド、及び第一パッドと第二のパッドを接続するナノ材料を含み、ナノ材料は交配ポリヌクレオチドにより第一パッドと第二のパッドに接続され、ナノ材料はカーボンナノチューブである。
【０１０８】
本発明の別の実施形態は、図６（ａ）に示すように底面と側壁を有する三次元形状のビアを有する電極に関する。ビアは、幅が約１乃至１０，０００ミクロンであり、深さが約１乃至１０ミクロンであることが好適である。試験チャンバの底面、側壁、および／または上面が本明細書に記載する電気的検出技術に対応可能に製造された三次元電極も本発明の実施形態の範囲である。このような電極構造を用いることによりプローブとターゲットの認識とその後の検出のために利用可能な表面面積を増大させることができ、デバイスの検知性能を高めることができる。図６（ｂ）は、２５個の塩基対を有する単鎖ＤＮＡを相補的鎖と交配させた場合に生成される電荷の算出値を示す。生成電荷量は、５０×１．６×１０−１９クーロンである。電極に結合したＤＮＡの表面被覆率は控えめに、１ｃｍ２当たりＤＮＡが約１０１０個であると推測された（１０１２ｃｍ−２もの率が報告された場合もある）。径が１０ｎｍ、深さが１０ミクロンである高アスペクト比のビアは、ＤＮＡ交配事象を検出するのに十分な表面面積を有する。表面電極が同レベルの読み出しを行うには好適には１ミクロンよりも大きくあるべきである。径が１ミクロン、深さが１０ミクロンのビアにより最少で１０ｆＣの電荷が生成される。
【０１０９】
本発明の別の実施形態は、ターゲット分子を閉じ込めるデバイスに関し、デバイスはプローブ分子あるいは高分子ブラシが付着した第一電極と、第二電極と、第三電極とを含み、第一電極、第二電極、及び第三電極は独立してアドレス可能な電極であり、第二電極と第三電極は第一電極に重なり、第一電極上においてチャネルを有してターゲット分子をチャネルに閉じ込める。ターゲット分子は帯電したターゲット分子であり、第二電極と第三電極は電圧差を有しており、それにより第二電極と第三電極との間に電界を生じさせて帯電したターゲット分子をチャネル内に吸引させることが好適である。プローブ分子は相補的ＤＮＡプローブあるいはポリヌクレオチドプローブであってよい。デバイスは第一電極、第二電極、第三電極に個別にアドレスするためのスイッチング設計を有するＣＭＯＳ回路を更に含んでよい。デバイスは、第一電極と第二電極との間に金属層を、第二電極と第三電極との間に更なる金属層を更に含んでよい。帯電したターゲット分子は、帯電したＤＮＡ、帯電したナノ材料、帯電したＤＮＡにより修飾したナノ材料であってよい。本発明の実施形態の一変形例においては、第一電極に接するチャネルの一端を閉じ、チャネルの他端を開いてＤＮＡを含むターゲット分子がチャネルの開放端を介して移動できるようにする。また、ターゲット分子を閉じ込めるデバイスの実施形態の一変形例においては、第二電極と第三電極はリング形状であってよい。
【０１１０】
図７は、単鎖ＤＮＡをチャネル内に閉じ込める、解析電極（つまり、第一電極）を備えたデバイスを示し、解析電極は図７において解析電極３と示される。デバイスは、三層の金属層上に三つの独立にアドレス可能な電極を含んでよい。リング状電極２（正極）と電極１（負極）との間の電界により、負に帯電したＤＮＡ（あるいは、ＤＮＡにより修飾したＣＮＴ等のナノ材料、ＤＮＡにより修飾したＡｕのナノ粒子等）が、プローブＤＮＡ（適切な界面化学により表面に固定されている）を含むチャネル内へと進入させられる。図７のデバイスは電界を用いることにより電極を貫通するチャネル内へと単鎖ＤＮＡを閉じ込め、ＤＮＡ交配検出の率を向上させる。
【０１１１】
本発明の別の実施形態は、ターゲット分子を閉じ込めるデバイスを製造する方法に関し、方法は、第一電極を基板上に形成すること、第二電極を第一電極上に形成すること、第三電極を第二電極上に形成すること、及び第二電極と第三電極にチャネルを形成することを含み、第一電極、第二電極、及び第三電極は独立にアドレス可能な電極であり、第一電極上のチャネルは、ターゲット分子のチャネルへの閉じ込めを可能とする。チャネルは第一電極の上端で終わることが好適である。製造方法は、第一電極、第二電極及び第三電極のいずれか二つの間に一以上の金属層を積層することと、一以上のシリコン含有層を積層することを更に含んでよい。また、第二電極と第三電極をリング状に形成することが好適である。ターゲット分子を閉じ込めるデバイスを製造するプロセスフローの工程を図８に示す。工程１において、従来のリトグラフィ技術を用いてＳｉＯ２等の層間誘電体内にトレンチをエッチング形成する。次に、これらのトレンチに、標準的な電気めっき技術を用いてバリア材、シード、及び金属（Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ）を充填する―金属層１。次に、化学機械研磨を行い、エッチングストッパを積層し、更に層間誘電体層を積層する（工程２）。工程３乃至５において、誘電体にビアとトレンチをパターニングし、その後デュアルダマシンプロセスを用いてそれらに耐熱金属（Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ）を充填する。これにより金属層２により形成されたリング状電極が形成される。これを工程６と７において反復し、金属層３により形成されるリング状電極を形成する。工程２においてエッチングストッパ層とともに誘電層を積層する。エッチングストッパ層をパターニングして金属と誘電体の積層体内にビアをエッチング形成する。これにより、金属層１とリング状電極（金属層２と金属層３）が溶液に露出する。
【０１１２】
本発明の別の実施形態においては、ビアとトレンチを銅により充填し、それらに多様な無電解めっき技術により貴金属あるいは耐熱金属（Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ）のキャッピングを施すことができる。
【０１１３】
本発明の実施形態においては、シリコン技術を用いてシリコンチップのインターコネクトを製造し、ＤＮＡ、ペプチド、及びＤＮＡにより官能化した相補的ヌクレオチド等のポリマーをダイ上にて合成できるようにしてよい。あるいは、本発明の実施形態においては、ウェハ処理クラスタツール（プロセス装置）を用いて合成を行ってよい。通常、大量シリコン処理においては、製造ラインに装置のクラスタ（いくつかの同一装置）が置かれている。それぞれが一処理工程あるいは複数の処理工程に対処することができる。本発明の実施形態により、ポリマー合成をデバイス製造ラインにおける追加的な処理工程として扱うことが可能となる。装置のクラスタを施設内で構成して、ウェハレベルの合成を実行し効率的な大量生産を可能にすることができる。
【０１１４】
本発明の実施形態に係るデバイスを半導体製造方法、微小製造方法、金型方法、材料堆積方法等、あるいはこれら方法を適切に組み合わせた方法等、適切な製造手段により形成してよい。ある実施形態においては、一以上の電極および／またはパッドを半導体製造方法により半導体基板上に形成してよい。基板の一部および／又はパッド面に対して選択的に無機的薄膜コーティングを堆積してよい。適切な堆積技術の例には、真空スパッタリング、電子線蒸着、溶液堆積、及び化学気相蒸着が含まれる。無機的コーティングは多様な作用を行ってよい。たとえば、コーティングを用いて表面の親水性を高めてよく、あるいは高温特性を向上させてよい。電極形成に導電性コーティングを用いてよい。コーティングを用いて表面上に物理的バリアを築いてよく、たとえば、表面上の特定部位において流体を保持するようにしてよい。本発明において用いるデバイスはマイクロアレイと半導体デバイスの製造分野において周知の手順に従って製造してよい。
【０１１５】
いくつかの実施形態においては、プローブをポリペプチド、ポリヌクレオチド、糖タンパク質、多糖、ホルモン、成長因子、ペプチドグリカン等の生体分子から選択してよい。プローブは、リボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオチド、及びそれらの誘電体等の天然のヌクレオチドであってよいが、２'修飾ヌクレオシド、ペプチド核酸、ヌクレオシドホスホン酸塩のオリゴマー等の天然でないヌクレオチド模倣剤も用いる。オリゴヌクレオチドプローブを用いる実施形態においては、３'−β−シアノエチル−フォスフォラミダイトあるいは５'−β−シアノエチル−フォスフォラミダイト及び当業技術分野において周知の関連化学反応を利用してパッドの表面上で３'から５'あるいは５'から３'の方向においてｉｎ−ｓｉｔｕによるプローブの合成を行ってよい。オリゴヌクレオチドのｉｎ−ｓｉｔｕ合成を、「３'−光除去可能保護基」を用いたヌクレオチド結合化学反応により５'から３'の方向に実行してよい。あるいは、オリゴヌクレオチドプローブの合成を標準的な制御孔ガラス（ＣＰＧ）上で３'−β−シアノエチル−フォスフォラミダイトと関連化学反応を利用して３'から５'方向において行い、オリゴヌクレオチドの５'末端に一級アミンあるいはチオール官能基を組み込んでよい。次にオリゴヌクレオチドをその５'末端において、当業技術分野において周知のチオール依存あるいはアミン依存の結合化学反応を利用することによりパッド表面に共有結合させてよい。表面上のプローブの密度は１平方ミクロン当たり１，０００乃至２００，０００個のプローブ分子相当である。プローブ密度は、ｉｎ−ｓｉｔｕ合成法あるいは合成後堆積法においてパッド表面上の反応基の密度を調整することにより制御することができる。当業技術分野において周知のプローブ合成のためのその他の適切な手段を用いてよい。
【０１１６】
オリゴヌクレオチドプローブには、デオキシチミジル酸、デオキシシチジル酸、デオキシアデニル酸、及びデオキシグアニル酸の四種の天然デオキシリボヌクレオチドがあるが、これらに限定されない。プローブは、リボヌクレオチド、ウリジル酸、シチジル酸、アデニル酸、及びグアニル酸であってもよい。修飾したヌクレオシドをオリゴヌクレオチドプローブに組み込んでもよい。修飾したヌクレオシドとしては、２'−デオキシ−５−メチルシチジン、２'−デオキシ−５−フルオロシチジン、２'−デオキシ−５−ヨードシチジン、２'−デオキシ−５−フルオロウリジン、２'−デオキシ−５−ヨード−ウリジン、２'−Ｏ−メチル−５−フルオロウリジン、２'−デオキシ−５−ヨードウリジン、２'−デオキシ−５（１−プロピニル）ウリジン、２'−Ｏ−メチル−５（１−プロピニル）ウリジン、２−チオチミジン、４−チオチミジン、２'−デオキシ−５（１−プロピニル）シチジン、２'−Ｏ−メチル−５（１−プロピニル）シチジン、２'−Ｏ−メチルアデノシン、２'−デオキシ−２，６−ジアミノプリン、２'−Ｏ−メチル−２，６−ジアミノプリン、２'−デオキシ−７−デアザデノシン、２'−デオキシ−６メチルアデノシン、２'−デオキシ−８−オキソアデノシン、２'−Ｏ−メチルグアノシン、２'−デオキシ−７−デアザグアノシン、２'−デオキシ−８−オキソグアノシン、２'−デオキシイノシン等があるが、これらに限定されない。
【０１１７】
ポリヌクレオチドプローブの長さは約５個乃至約１００個のヌクレオチドに相当する長さの範囲にあり、たとえば、約８個乃至約８０個のヌクレオチド相当の長さ、約１０個乃至約６０個のヌクレオチド相当の長さ、約１５個ないし約５０個のヌクレオチド相当の長さ等である。試料が配列複雑性が高いターゲット混合物を含む場合等の用途においては通常、長いポリヌクレオチドプローブが用いられる。変異検出等におけるように単一のヌクレオチドを識別する用途においては通常、短いポリヌクレオチドプローブが用いられる。
【０１１８】
ターゲット分子は、ゲノムＤＮＡ、ゲノムＲＮＡ、メッセンジャーＲＮＡ、リボソームＲＮＡ、あるいはトランスファーＲＮＡ等の核酸、ＰＣＲあるいは逆転写等の酵素処理により生成したＤＮＡあるいはＲＮＡのオリゴヌクレオチドあるいはポリヌクレオチド、合成ＤＮＡ、合成ＲＮＡ、あるいはその他のいかなる所望の合成核酸、あるいは、これらのどのような組み合わせであってもよい。ターゲット分子は二本鎖であっても一本鎖であってもよい。ターゲット分子が効率的にプローブ配列と相互作用を行うためには、ターゲット分子は一本鎖であることが好適である。ターゲット分子はカーボンナノチューブ等のナノ材料であってよく、カーボンナノチューブ等のナノ材料をその末端において核酸含有分子として官能化してよい。
【０１１９】
アレイプローブの構造は、それが交配する相手である相補的ターゲット配列に対して汎用的であっても選択的であってもよい。たとえば、存在し得る全ての７−ｍｅｒのプローブ配列を含むアレイを用いることにより、いかなる配列を有するターゲットであっても検査することができる。このようなアレイの利点は、用途特定的でないために汎用できることである。あるいは、特定のターゲット配列あるいはターゲット配列のセット、あるいはそれら個別の突然変異種あるいは多重突然変異種に対して相補的なポリヌクレオチド配列をプローブアレイに含めてよい。特定の核酸配列の存在により特徴付けられる特定の疾患の診断においてこのようなアレイは有用である。たとえば、ターゲット配列はたとえばヒト免疫不全ウイルス等の特定の外因性疾患誘発剤の配列であってよく、あるいはターゲット配列はたとえば鎌状赤血球貧血あるいは嚢胞性線維症等の特定の疾患のケースにおいて突然変異することが知られているヒトゲノム部位、あるいはたとえば特定の薬剤に対する抵抗性、特定の薬剤に対する過剰反応性、あるいは特定の薬剤に対する副作用発症性等の特定の表現型に関与していることが知られているヒトゲノム部位であってよい。
【０１２０】
本発明の一実施形態においては、ウェハ基板上の複数のダイ上においてポリマーを以下のように電極上に機能化する。まず、モノマー、ヌクレオチド、あるいはリンカー分子（つまり、たとえばモノマーあるいはヌクレオチドを基板に「結合」させる分子）の末端部に電気化学的に生成した試薬により除去可能な保護基で保護した少なくとも一つの反応性官能基を供給する。電極上において電気化学的に生成した試薬に保護基を暴露することにより、第一選択領域においてモノマー、ヌクレオチド、あるいはリンカー分子から保護基を除去し、反応性官能基を露出させる。次に基板をモノマーあるいは予め形成しておいた分子（第一分子と呼ぶ）に接触させて表面がモノマーの露出した官能基あるいは予め形成しておいた分子と結合するようにする。第一分子には電気化学的に生成した試薬により除去可能な少なくとも一つの被保護化学官能基を含ませてもよい。次にモノマーあるいは予め形成しておいた分子を上記と同じ方法で脱保護して第二反応性化学官能基を生成する。次に別のモノマー、あるいは電気化学的に生成した試薬により除去可能な少なくとも一つの保護基を含ませてもよい別の予め形成しておいた分子（第二分子と呼ぶ）を基板付近に配置し、第一分子の露出した第二官能基に結合させる。未反応の官能基があれば合成プロセスのいずれかの時点において任意でキャッピングを施してよい。所望の配列と長さを有するポリマーあるいはオリゴヌクレオチドが得られるまで脱保護工程と結合工程を順次に基板の複数の所定領域において反復することができる。
【０１２１】
本発明の別の実施形態においては、ウェハ基板上の複数のダイ上においてポリマーを以下のように電極上に機能化する。まず、複数のダイ上に存在する電極のアレイに結合し、少なくとも一つの被保護化学官能基を含む一以上の分子を含むウェハ基板を用意する。電極のアレイを緩衝液あるいは除去液に接触させる。次に、被保護化学官能基を脱保護することができる電気化学的試薬を生成するのに十分な電位を電極のアレイのうち選択した電極に印加することにより、電極のアレイ上の分子を脱保護して反応性官能基を露出させ結合反応に備えさせる。モノマー溶液、あるいはタンパク質、核酸、多糖、ポルフィリン等の予め形成しておいた分子（第一分子と呼ぶ）をウェハ基板の表面に接触させてモノマーあるいは予め形成しておいた分子をウェハ上の複数のダイ上の複数の脱保護化学官能基に平行に結合させる。次にもう一度十分な電位をアレイの選択した電極に印加して上記のごとく結合した分子上の少なくとも一つの化学官能基あるいはウェハ上の複数のダイ上の少なくとも一つの被保護化学官能基を含む別の分子を脱保護する。次に別のモノマー、あるいは少なくとも一つの被保護化学官能基を含む別の予め形成しておいた分子（第二分子と呼ぶ）を上記のごとく結合した分子の脱保護化学官能基あるいはウェハ上の複数のダイ上に位置する別の脱保護分子の脱保護化学官能基に結合させる。所望の配列と長さのポリマーあるいはオリゴヌクレオチドが得られるまで選択的な脱保護工程と結合工程を順次に反復することができる。基板上に結合した被保護モノマーの化学官能基あるいは基板上に結合した被保護分子の化学官能基を脱保護するのに十分な電位を回を分けて印加することにより選択的脱保護工程を反復する。それに続く更なるモノマーあるいは予め形成しておいた分子の脱保護化学官能基への結合は、所望の長さの少なくとも二つの別個のポリマーあるいはオリゴヌクレオチドが基板上に形成されるまで行われる。
【０１２２】
本発明の実施形態を利用することにより当業者に周知の多様な方法のいずれかに従ったＤＮＡ、ペプチド等のポリマーの電気化学的合成を実行することができる。たとえば、多様な還元／酸化（酸化還元）反応のいずれかを用いてＳｉ系電極上の溶液の局在性とｐＨを電気化学的に制御してポリマーの付着と伸長を可能にしてよい。このような方法においては、電流駆動により適切な分子の酸化を陽極上で、別の分子の還元を陰極上で生じさせ、Ｓｉ系回路上での酸性触媒有機合成反応の反応速度と化学量を制御する。ｐＨが高い（塩基性）溶液を生成し、ｐＨ変化を生じる、あるいは生じない当業者に周知のその他の電気化学的酸化還元反応を推進するために（たとえば、反応性遊離基を生成するために）このような方法を用いることができる。
【０１２３】
本発明の別の実施形態においては、アレイチップを用いて電気化学的検出を行う。通常、これらの方法においては、シリコン基板上の回路に結合したＤＮＡ単分子層を流れる電流の測定を行う。適切な酸化還元分子で標識した検体ＤＮＡあるいは非標識ＤＮＡが、二本鎖ＤＮＡに選択的に結合する酸化還元活性分子とともにＤＮＡ単分子層に結合したときに電流の流れ特性は比例的に変化する。このような試験には酵素増幅方法を組み込むことにより結合事象により生成された電気化学的信号を増強することができる。当業者であれば、たとえば、二種類の分子間、たんぱく質と小分子間等のその他の分子種間の結合を測定するべくこれらの方法を調整することができることに注意されたい。
【０１２４】
アレイチップを治療材料の開発、つまり、薬品開発、生体材料研究、生物医学研究、分析化学、高スループット化合物スクリーニング、バイオプロセス監視等に用いることもできる。模範的な用途としては、特定の受容体に対する多様な周知のリガンドをアレイチップ上に置き、リガンドと標識した受容体との交配を行わせるものがある。
【０１２５】
本発明の実施形態に係るアレイチップの別の用途としては、たとえば、ゲノムＤＮＡを交配配列技術により配列させるものがある。非生物学的用途も案出されており、たとえば半導体デバイスに用いる多様なドープ量の有機材料の製造が含まれる。非生物学的利用のその他の例としては、防食剤、防汚剤、及び塗料がある。
【０１２６】
本発明の実施形態に係るアレイチップ及び／又はアレイチップの製造方法は、耐食性、電池エネルギー蓄積、電気めっき、低電圧リン光発光、骨移植適合性、海洋生物からの防汚、超電導、エピタキシャル格子整合、化学触媒作用等の多様な目的に向けた新たな材料、特にナノ材料の開発において用いることを特に考慮されている。目的は上記のものに限定されない。これらもしくはその他の用途に向けた材料の形成を、たとえばシリコンウェハの複数のダイ上の平行に配置された複数の電極の一つあるいは複数の近傍において行ってよい。または、試薬を電気化学的に生成して複数のダイ上の複数の電極の一つあるいは複数の表面を修飾することにより材料の形成を行ってよい。
【０１２７】
本発明の実施形態に係るアレイチップは、材料を試験するためのスクリーニング方法の開発に用いることが更に考慮されている。つまり、ダイ上の電極により電気化学的に生成された試薬を用いて電極の近傍に配置した材料の物理的特性と化学的特性を試験することができる。たとえば、耐食性、電気めっき効率性、反応速度、超電導性、電気化学発光性、及び触媒寿命を試験するためにアレイチップを用いることができる。
【０１２８】
本発明の実施形態のいくつかにおける有利な特性をいくつかの例において示したが、これらは、本発明の模範例であるにすぎない。
【０１２９】
本発明の実施形態に係るアレイチップは、シリコンプロセス技術、及びたとえば電極アレイ、デコーダ、直列周辺インターフェース、オンチップ増幅等の回路を含むＳＲＡＭ様アーキテクチャを用いて構築したシリコンバイオチップであることが好適である。
【０１３０】
本発明の実施形態にはいくつかの実用的な用途がある。たとえば、本発明の一実施形態により、特定の結合事象（ターゲットとプローブにより官能化した電極との結合）をＣＭＯＳ型デバイスを用いて電気的に読み取ることに基づいた分子とナノ材料の検出／分析ができるようになる。本発明の別の実施形態は、電子デバイス（ＣＮＴトランジスタとインターコネクト）に用いられるナノ材料研究（たとえば、官能性電極上にカーボンナノチューブをＤＮＡを介在させて結合する場合のｉｎ−ｓｉｔｕ分析）、及び分子診断、国土防衛、薬品開発、ライフサイエンス等の研究開発業務のためのバイオ種（ＤＮＡ、タンパク質、ウイルス等）の検出において利用可能性がある。本発明の別の実施形態においては、カーボンナノチューブ等のナノ材料をインターコネクト材料として用いる可能性がある。カーボンナノチューブはＣｕより抵抗が低く、Ｃｕよりエレクトロマイグレーション耐性が高い（Ｃｕの１０００倍）。その他の用途としては、ＣＭＯＳ回路構成を有するＤＮＡにより官能化した電極の開発があり、固定、検出、アドレッシング、及び信号の電気的読み取りと増幅を行うことによりシリコンＤＮＡチップにおける用途が発見される可能性がある。ＤＮＡにより官能化した電極を含むシリコンチップには、ナノ構造とナノ材料のｉｎ−ｓｉｔｕ組み立て研究の構築において用途が発見される可能性がある。シリコンＤＮＡチップには、医療診断、国土防衛装置、薬品開発、及びライフサイエンス等の研究開発業務における用途が発見される可能性がある。
【０１３１】
本願においては開示した数値範囲におけるある範囲の指定根拠となる数値範囲限定をいくつか開示した一方、詳細な範囲限定を本明細書においては述べなかったが、それは本発明の実施形態が開示した数値範囲の全範囲において実施することができるからである。最後に、本願において特許及び公報を引用していれば、それらの全開示内容を参照により本明細書に取り込むものとする。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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