(57)【要約】基材上に直接形成された銀層アレー、前記銀の導体アレーを被覆する絶縁体および前記絶縁体の最上部に付着された金のアレーを含む電気化学的アレーが提供される。金の導体アレーが銀の導体アレーとオーバーラップする領域にウェルが形作られ、前記ウェルの壁および／または床に導体リングが形成される。続いて、各ウェル内の１つまたは２つ以上の導体の表面に分子を結合させることができる。
2005520348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的セルアレーであって、前記セルアレーが複数のナノスケールの電気化学的セルを含み、ここで前記アレーを構成するセルは約１μｍ2未満の断面積を有するウェルであり、前記ウェルの壁は第一の電極および第二の電極を含み、前記第一の電極および第二の電極は不導体または半導体によって分離され、前記ウェルの内部に暴露される前記第一の電極の表面積と前記ウェルの内部に暴露される前記第二の電極の表面積との比は少なくとも約２：１である前記電気化学的セルアレー。
【請求項２】
前記の比が予め決められる請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項３】
前記の比が少なくとも約５：１である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項４】
前記ウェルが約１×１０-14Ｌ未満の容積を有する請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項５】
前記アレーが少なくとも１０のウェルを含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項６】
前記アレーが少なくとも１００のウェルを含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項７】
前記アレーを構成する２つのウェルの間の中心から中心までの距離が約２．５ミクロンまたはそれ未満である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項８】
前記アレーを構成する２つのウェルの間の中心から中心までの距離が約２５０ｎｍまたはそれ未満である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項９】
前記アレーを構成する複数のセルが、それぞれ別個にアドレス可能である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１０】
前記第一の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１１】
前記第一の電極が前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１２】
前記第一の電極および前記第二の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１３】
前記第一の電極が、銅、銀、クロム、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタルから成る群から選択される物質を含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１４】
前記第二の電極が、銅、銀、クロム、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタルから成る群から選択される物質を含む請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１５】
前記第一の電極が半導体である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１６】
前記絶縁体または半導体が絶縁体である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１７】
前記絶縁体が二酸化ケイ素および窒化ケイ素から成る群から選択される請求項１６の電気化学的セルアレー。
【請求項１８】
前記第二の電極にレドックス活性を有する分子が電気的に結合されてある請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項１９】
前記レドックス活性を有する分子が、リンカーを介して第二の電極に結合されてある請求項１８の電気化学的セルアレー。
【請求項２０】
前記レドックス活性を有する分子が、硫黄を含むリンカーを介して第二の電極に結合されてある請求項１８の電気化学的セルアレー。
【請求項２１】
前記レドックス活性を有する分子が、アルコールを含むリンカーを介して第二の電極に結合されてある請求項１８の電気化学的セルアレー。
【請求項２２】
前記レドックス活性を有する分子が、ポルフィリン系マクロサイクル、メタロセン、直鎖状ポリエン、環状ポリエン、ヘテロ原子置換直鎖状ポリエン、ヘテロ原子置換環状ポリエン、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、金属配位錯塩、バッキーボール、トリアリールアミン、１，４−フェニレンジアミン、キサンテン、フラビン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、キノリン、２，２'−ビピリジル、４，４'−ビピリジル、テトラチオテトラセンおよびペリブリッジ化−ナフタレンジカルゴゲナイドから成る群から選択される分子である請求項７の電気化学的セルアレー。
【請求項２３】
前記レドックス活性を有する分子が、ポルフィリン、膨張ポルフィリン、収縮ポルフィリン、フェロセン、直鎖状ポルフィリンポリマー、ポルフィリンサンドイッチ複合体およびポルフィリンアレーから成る群から選択される分子である請求項７の電気化学的セルアレー。
【請求項２４】
前記有機分子がβ−位またはメソ−位で置換されたポルフィリン系マクロサイクルを含む請求項８の電気化学的セルアレー。
【請求項２５】
前記第二の電極に結合パートナーが電気的に結合されてある請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項２６】
前記結合パートナーが、核酸、タンパク質、抗体、レクチン、炭水化物および糖タンパク質から成る群から選択される請求項２５の電気化学的セルアレー。
【請求項２７】
前記第一の電極が銀電極であり、前記第二の電極が金電極である請求項１の電気化学的セルアレー。
【請求項２８】
前記第二の電極にレドックス活性を有する分子が結合されてある請求項２７の電気化学的セルアレー。
【請求項２９】
前記第二の電極に結合パートナーが結合されてある請求項２７の電気化学的セルアレー。
【請求項３０】
前記アレーが少なくとも１００のセルを含む請求項２８又は２９の電気化学的セルアレー。
【請求項３１】
前記アレーがケイ素の基材上で形成されている請求項３０の電気化学的セルアレー。
【請求項３２】
前記アレーの複数のセルがそれぞれ別個にアドレス可能である請求項３０の電気化学的セルアレー。
【請求項３３】
分子メモリーであって、前記分子メモリーが電気化学的セルアレーを含み、前記セルアレーが複数のナノスケール電気化学的セルを含み、
前記メモリーを構成するセルが、典型的には約１ミクロン×１ミクロン未満の断面積を有するウェルであり；
前記ウェルの壁が第一の電極および第二の電極を含み、前記第一の電極および第二の電極は不導体または半導体によって分離され、前記ウェルの内部に暴露される前記第一の電極の表面積と前記ウェルの内部に暴露される前記第二の電極の表面積との比は少なくとも約２：１であり；さらに
レドックス活性を有する分子が前記第二の電極に電気的に結合されてある前記分子メモリー。
【請求項３４】
前記レドックス活性を有する分子が、ポルフィリン系マクロサイクル、メタロセン、直鎖状ポリエン、環状ポリエン、ヘテロ原子置換直鎖状ポリエン、ヘテロ原子置換環状ポリエン、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、金属配位錯塩、バッキーボール、トリアリールアミン、１，４−フェニレンジアミン、キサンテン、フラビン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、キノリン、２，２'−ビピリジル、４，４'−ビピリジル、テトラチオテトラセンおよびペリブリッジ化−ナフタレンジカルゴゲナイドから成る群から選択される分子である請求項３３のメモリー。
【請求項３５】
前記レドックス活性を有する分子が、ポルフィリン、膨張ポルフィリン、収縮ポルフィリン、フェロセン、直鎖状ポルフィリンポリマー、ポルフィリンサンドイッチ複合体およびポルフィリンアレーから成る群から選択される分子である請求項３４のメモリー。
【請求項３６】
前記有機分子がβ−位またはメソ−位で置換されたポルフィリン系マクロサイクルを含む請求項３５のメモリー。
【請求項３７】
前記の比が予め決められる請求項３３のメモリー。
【請求項３８】
前記の比が少なくとも約５：１である請求項３３のメモリー。
【請求項３９】
前記ウェルが約１０フェムトリットル（１０×１０-15Ｌ）未満の容積を有する請求項３３のメモリー。
【請求項４０】
前記アレーが少なくとも１００のウェルを含む請求項３３のメモリー。
【請求項４１】
前記メモリーを構成する２つのウェルの間の中心から中心までの距離が約２５０ｎｍまたはそれ未満である請求項３３のメモリー。
【請求項４２】
前記メモリーを構成する複数のセルがそれぞれ別個にアドレス可能である請求項３３のメモリー。
【請求項４３】
前記第一の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項３３のメモリー。
【請求項４４】
前記第一の電極および前記第二の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項３３のメモリー。
【請求項４５】
前記第一の電極および第二の電極が、銅、銀、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタルから成る群からそれぞれ別個に選択される請求項３３のメモリー。
【請求項４６】
前記第一の電極が半導体である請求項３３のメモリー。
【請求項４７】
前記絶縁体または半導体が絶縁体である請求項３３のメモリー。
【請求項４８】
前記絶縁体が二酸化ケイ素および窒化ケイ素から成る群から選択される請求項４７の電気化学的セルアレー。
【請求項４９】
前記第一の電極が銀電極であり、前記第二の電極が金電極である請求項３３の電気化学的セルアレー。
【請求項５０】
前記アレーがケイ素の基材上で形成されている請求項４９の電気化学的セルアレー。
【請求項５１】
前記メモリーの複数のセルがそれぞれ別個にアドレス可能である請求項４９の電気化学的セルアレー。
【請求項５２】
電気化学的セルアレーを含むセンサーであって、前記セルアレーが複数のナノスケールの電気化学的セルを含み、
前記センサーを構成するセルが、約１ミクロン×１ミクロン未満の断面積を有するウェルであり；
前記ウェルの壁が第一の電極および第二の電極を含み、前記第一の電極および第二の電極は不導体または半導体によって分離され、前記ウェルの内部に暴露される前記第一の電極の表面積と前記ウェルの内部に暴露される前記第二の電極の表面積との比は少なくとも約２：１であり；さらに
結合パートナーが前記第二の電極に電気的に結合されてある前記センサー。
【請求項５３】
前記結合パートナーが、核酸、タンパク質、抗体、レクチン、炭水化物および糖タンパク質から成る群から選択される請求項５２のセンサー。
【請求項５４】
前記センサーが少なくとも２つの異なる結合パートナーを含み、各結合パートナー種が異なるウェルに存在する請求項５２のセンサー。
【請求項５５】
前記センサーが少なくとも１０の異なる結合パートナーを含み、各結合パートナー種が異なるウェルに存在する請求項５２のセンサー。
【請求項５６】
前記の比が予め決められる請求項５２のセンサー。
【請求項５７】
前記の比が少なくとも約５：１である請求項５２のセンサー。
【請求項５８】
前記ウェルが約１０フェムトリットル（１０×１０-15Ｌ）未満の容積を有する請求項５２のセンサー。
【請求項５９】
前記センサーが少なくとも１０のウェルを含む請求項５２のセンサー。
【請求項６０】
前記ウェルが微小溝と流体連絡にある請求項５２のセンサー。
【請求項６１】
前記アレーを構成する２つのウェルの間の中心から中心までの距離が約２．５ミクロンまたはそれ未満である請求項５２のセンサー。
【請求項６２】
前記センサーを構成する複数のセルがそれぞれ別個にアドレス可能である請求項５２のセンサー。
【請求項６３】
前記第一の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項５２のセンサー。
【請求項６４】
前記第一の電極および前記第二の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項５２のセンサー。
【請求項６５】
前記第一の電極および第二の電極が、銅、銀、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタルから成る群からそれぞれ別個に選択される請求項５２のセンサー。
【請求項６６】
前記第一の電極が半導体である請求項５２のセンサー。
【請求項６７】
前記絶縁体または半導体が絶縁体である請求項５２のセンサー。
【請求項６８】
前記絶縁体が二酸化ケイ素および窒化ケイ素から成る群から選択される請求項５２のセンサー。
【請求項６９】
前記第一の電極が銀電極であり、前記第二の電極が金電極である請求項５２のセンサー。
【請求項７０】
前記ウェルがケイ素の基材上で形成されている請求項５２のセンサー。
【請求項７１】
ナノスケールの電気化学的セルを製造する方法であって：
非導電性基材の上に第一の導体を付着させること；
前記導体の上に半導体または不導体を付着させること；
前記半導体または不導体の上に第二の導体を付着させること；さらに
前記第二の導体と前記不導体または半導体と前記第一の導体とを貫く孔を形成することであって、それによって前記孔が約１ミクロン×１ミクロン未満の断面積を有するウェルを形成し、さらに前記第一の導体、前記絶縁体または半導体および前記第二の導体が前記ウェルの壁を構成すること、
を含む方法。
【請求項７２】
前記非導電性基材が、二酸化ケイ素および窒化ケイ素から成る群から選択される非導電性基材である請求項７１の方法。
【請求項７３】
前記第一の導体を、電子ビーム蒸着、熱蒸着、電気化学的還元および非電気的付着（electroless deposition）から成る群から選択される方法によって付着させる請求項７１の方法。
【請求項７４】
前記第二の導体を、電子ビーム蒸着、熱蒸着、電気化学的還元および非電気的付着から成る群から選択される方法によって付着させる請求項７１の方法。
【請求項７５】
前記第一の導体の付着が、導電性材の層を付着させ、前記導電性材の領域を選択的に除去してパターン化導電性材を形成する工程を含む請求項７１の方法。
【請求項７６】
前記第二の導体の付着が、導電性材の層を付着させ、前記導電性材の領域を選択的に除去してパターン化導電性材を形成する工程を含む請求項７１の方法。
【請求項７７】
前記選択的除去が、パターン化レジストを前記導体上に付着させ、続いて前記導体をエッチングする工程を含む請求項７５または７６のいずれかの方法。
【請求項７８】
前記第一の導体が銀の層を含む請求項７１の方法。
【請求項７９】
前記第二の導体が金の層を含む請求項７１の方法。
【請求項８０】
前記不導体または半導体が誘電体を含む請求項７１の方法。
【請求項８１】
前記孔が、レーザー穿孔、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、化学的補助イオンビームミリング（ＣＡＩＢＭ）および湿式エッチングからなる群から選択される方法によって形成される請求項７１の方法。
【請求項８２】
さらに、レドックス活性を有する分子を前記第二の導体に結合させることを含む請求項７１の方法。
【請求項８３】
さらに、結合パートナーを前記第二の導体に結合させることを含む請求項７１の方法。
【請求項８４】
前記孔が複数の孔の１つである請求項７１の方法。
【請求項８５】
前記ウェルの内部に暴露される前記第一の導体の表面積と前記ウェルの内部に暴露される前記第二の導体の表面積との比が少なくとも約２：１である請求項７１の方法。
【請求項８６】
前記の比が予め決められる請求項８５の方法。
【請求項８７】
前記ウェルが約１０フェムトリットル（１０×１０-15Ｌ）未満の容積を有する請求項７１の方法。
【請求項８８】
前記複数のウェルが少なくとも１０のウェルを含む請求項８４の方法。
【請求項８９】
前記アレーを構成する２つのウェルの間の中心から中心までの距離が約２．５ミクロンまたはそれ未満である請求項８４の方法。
【請求項９０】
前記第一の導体が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項７１の方法。
【請求項９１】
前記第一の導体および前記第二の導体が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項７１の方法。
【請求項９２】
前記第一の電極が前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項７１の方法。
【請求項９３】
前記第一および第二の導体が、銅、銀、クロム、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタルから成る群からそれぞれ別個に選択される請求項７１の方法。
【請求項９４】
前記第一の導体が半導体である請求項７１の方法。
【請求項９５】
前記絶縁体または半導体が絶縁体である請求項７１の方法。
【請求項９６】
前記絶縁体が二酸化ケイ素、窒化ケイ素から成る群から選択される請求項９５の方法。
【請求項９７】
ナノスケールの電気化学的セルであって、前記セルが、典型的には約１ミクロン×１ミクロン未満の断面積を有するウェルを含み、前記ウェルの壁が第一の電極および第二の電極を含み、前記第一の電極および第二の電極は不導体または半導体によって分離され、前記ウェルの内部に暴露される前記第一の電極の表面積と前記ウェルの内部に暴露される前記第二の電極の表面積との比は少なくとも約２：１である前記ナノスケールの電気化学的セル。
【請求項９８】
前記の比が予め決められる請求項９７の電気化学的セル。
【請求項９９】
前記の比が少なくとも約５：１である請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１００】
前記ウェルが約１０フェムトリットル（１０×１０-15Ｌ）未満の容積を有する請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０１】
前記第一の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０２】
前記第一の電極および第二の電極が、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いて前記ウェルを構成する全ての壁を含む請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０３】
前記第一の電極および第二の電極が、銅、銀、クロム、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタルから成る群からそれぞれ別個に選択される導体を含む請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０４】
前記第一の電極が半導体である請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０５】
前記絶縁体または半導体が絶縁体である請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０６】
前記絶縁体が二酸化ケイ素、窒化ケイ素から成る群から選択される請求項１０５の電気化学的セル。
【請求項１０７】
前記第二の電極にレドックス活性を有する分子が電気的に結合されてある請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１０８】
前記レドックス活性を有する分子が、リンカーを介して第二の電極に結合されてある請求項１０７の電気化学的セル。
【請求項１０９】
前記レドックス活性を有する分子が、硫黄を含むリンカーを介して第二の電極に結合されてある請求項１０７の電気化学的セル。
【請求項１１０】
前記レドックス活性を有する分子が、アルコールを含むリンカーを介して第二の電極に結合されてある請求項１０７の電気化学的セル。
【請求項１１１】
前記レドックス活性を有する分子が、ポルフィリン系マクロサイクル、メタロセン、直鎖状ポリエン、環状ポリエン、ヘテロ原子置換直鎖状ポリエン、ヘテロ原子置換環状ポリエン、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、金属配位錯塩、バッキーボール、トリアリールアミン、１，４−フェニレンジアミン、キサンテン、フラビン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、キノリン、２，２'−ビピリジル、４，４'−ビピリジル、テトラチオテトラセンおよびペリブリッジ化−ナフタレンジカルゴゲナイドから成る群から選択される分子である請求項１０７の電気化学的セル。
【請求項１１２】
前記レドックス活性を有する分子が、ポルフィリン、膨張ポルフィリン、収縮ポルフィリン、フェロセン、直鎖状ポルフィリンポリマー、ポルフィリンサンドイッチ複合体およびポルフィリンアレーから成る群から選択される分子である請求項１１１の電気化学的セル。
【請求項１１３】
前記有機分子がβ−位またはメソ−位で置換されたポルフィリン系マクロサイクルを含む請求項１１２の電気化学的セル。
【請求項１１４】
前記第二の電極に結合パートナーが電気的に結合されてある請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１１５】
前記結合パートナーが、核酸、タンパク質、抗体、レクチン、炭水化物および糖タンパク質から成る群から選択される請求項１１４の電気化学的セル。
【請求項１１６】
前記第一の電極が銀電極であり、前記第二の電極が金電極である請求項９７の電気化学的セル。
【請求項１１７】
前記セルがケイ素の基材上で形成されている請求項１１６の電気化学的セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互引用
本出願は２００１年１０月２６日出願の１０／０４６，４９９（この出願はすべてにおいてその全体を援用により本明細書の一部とする）に対する優先権およびその利益を主張する。
連邦政府補助研究開発により達成された発明の権利に関する記述
本発明は、Office of Naval Researchにより提供されたグラント番号Ｎ０００１４−９９−０３５７により政府の補助を受けて達成された。アメリカ合衆国政府は本発明に関して一定の権利を有することができる。
【０００２】
技術分野
本発明はマイクロエレクトロニクスおよび分子エレクトロニクスの分野に関する。特に本発明は、電気化学的分子メモリー装置のためにまたはセンサーアレーのために用いることができる新規な構造のデザインおよび製造に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明の背景
分析化学ではこれまでナノリットルからピコリットルのマイクロバイアルの開発に大きな関心がよせられてきた。ナノリットルからピコリットルの分量を含むバイアルのアレーが、毛細管電気泳動および質量分析でサンプルを導入するためにエッチングにより刻みこまれた（Clark and Ewing (1998) Anal. Chem., 70:1119-1125; Clark et al., (1997) Anal. Chem., 69:259-263）。
しかしながら、これまでのアプローチは、バイアル中に暴露される電極の相対的表面積を調節する便利な方法を提供せず、多数の正確に配列されたそのようなバイアルアレーの製造にとって便利でもなく、またミクロン以下の構造の調製にとってふさわしいものでもなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の要旨
ある実施態様では、本発明はナノスケールの電気化学的セルを提供する。好ましい実施態様では、前記セルは、典型的には約１ミクロン×１ミクロン未満（例えば１μｍ2）、好ましくは１００ｎｍ×１００ｎｍ未満、より好ましくは約５０ｎｍ×５０ｎｍ未満、もっとも好ましくは約２５ｎｍ×２５ｎｍ未満の断面積を有するウェルを含む。前記ウェルの壁は、第一の電極、場合によって第二の電極を含む。前記第一の電極および第二の電極は不導体または半導体によって分離され、さらに、前記ウェルの内部に暴露される第一の電極の表面積と前記ウェルの内部に暴露される第二の電極の表面積との比は、少なくとも約２：１、好ましくは少なくとも約５：１、より好ましくは少なくとも１０：１または２０：１である。前記の比は典型的には予め決められる（例えばウェルの製造の前に決められる）。好ましい実施態様では、前記ウェルは約１００フェムトリットル未満、より好ましくは約５０フェムトリットル未満、もっとも好ましくは約１０または５フェムトリットル未満の容積を有する。
【０００５】
ある種の実施態様では、前記第一の電極および前記第二の電極は、底部の壁および最上部の壁（存在する場合）を除いてウェルを構成する全ての壁を含む。ある種の実施態様では、前記第一の電極は前記ウェルを構成する全ての壁を含む。前記第一および／または第二の電極は、銅、銀、クロム、金、白金、導電性ポリマー、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタル、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボンなどから成る群から選択される物質を含むことができる。第一および／または第二の電極は半導体（例えばｎ−またはｐ−ドープ処理シリコン、ゲルマニウムなど）であってもよい。特に好ましい実施態様では、前記絶縁体または半導体は絶縁体（例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素など）である。
【０００６】
特に好ましい実施態様では、前記第二および／または第一の電極は、分子（例えばレドックス活性を有する分子、結合パートナーなど）と結合されてある。前記分子（例えばレドックス活性を有する分子）は電極と直接電気的に結合されるか、またはリンカーを介して電極に電気的に結合される。前記結合は（例えば硫黄、酸素、硫黄を含む (bearing) リンカー、酸素を含むリンカーなどを介する）共有結合であってもよい。好ましいレドックス活性を有する分子には、ポルフィリン系マクロサイクル、メタロセン、直鎖状ポリエン、環状ポリエン、ヘテロ原子置換直鎖状ポリエン、ヘテロ原子置換環状ポリエン、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、金属配位錯塩、バッキーボール、トリアリールアミン、１，４−フェニレンジアミン、キサンテン、フラビン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、キノリン、２，２'−ビピリジル、４，４'−ビピリジル、テトラチオテトラセンおよびペリブリッジ化−ナフタレンジカルゴゲナイドが含まれるが、ただしこれらに限定されない。特に好ましいレドックス活性を有する分子には、ポルフィリン、膨張（expanded）ポルフィリン、収縮（contracted）ポルフィリン、フェロセン、直鎖状ポルフィリンポリマー、ポルフィリンサンドイッチ複合体およびポルフィリンアレーが含まれるが、ただしこれらに限定されない。ある種の実施態様では、前記レドックス活性を有する分子は、β位またはメソ位で置換されたポルフィリン系マクロサイクルを含む。
【０００７】
ある種の実施態様では、前記第二および／または第一の電極には結合パートナーが電気的に結合されてある。前記結合パートナーは例えば核酸、タンパク質、抗体、レクチン、炭水化物、糖タンパク質、任意の翻訳後修飾タンパク質などである。
ある種の特に好ましい実施態様では、第一の電極は銀電極であり、前記第二の電極は金電極である。前記第二の電極にはレドックス活性を有する分子および／または結合パートナー（例えば上記および本明細書で述べるもの）を結合させてあってもよい。ある種の実施態様では、前記セルは第ＩＶ族元素の基材（例えばＳｉ、Ｇｅ、ドープ処理Ｓｉ、ドープ処理Ｇｅなど）上で形成される。
【０００８】
別の実施態様では、本発明は電気化学的セルアレーを提供する。好ましい実施態様では、前記セルアレーは、上記で述べたような複数のナノスケールの電気化学的セルを含む。前記アレーを構成する種々のウェルは、同じまたは異なる電極および／または電極表面積を有することができる。好ましい実施態様では、前記アレーは１つまたは２つ以上のウェルを含み、前記ウェルは約１００フェムトリットル未満、より好ましくは約５０フェムトリットル未満、もっとも好ましくは約１０または５フェムトリットル未満の容積を有する。好ましいアレーは少なくとも２つのウェル、より好ましくは少なくとも約１０のウェル、さらに好ましくは少なくとも約５０または１００ウェル、もっとも好ましくは少なくとも約５００、１０００、１００００、１０００００または１００００００ウェルを含む。特に好ましい実施態様では、前記アレーを構成する２つのウェルの間の中心から中心までの距離は約２．５ミクロンまたはそれ未満、より好ましくは約２５０ｎｍまたはそれ未満、もっとも好ましくは約２００、１５０、１００または５０ｎｍまたはそれ未満である。ある種の実施態様では、アレーを構成する複数のセルが、それぞれ別個にアドレス可能である。種々のセルは同じまたは異なる物質で製造された導体を有することができる。前記セルは、１つ、２つ、少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つ、さらに好ましくは少なくとも５つまたはそれより多い導体を含むことができる。アレーを構成する１つまたは２つ以上のセルは、前記セルを構成する１つまたは２つ以上の電極（例えば第二の電極）に結合された分子を有することができる。好ましい分子には、レドックス活性を有する分子および／または結合パートナー（例えば本明細書に記載されたもの）が含まれるが、ただしこれらに限定されない。アレーを構成する種々のセルは同じ分子または異なる分子をセル内で電気的に結合させることができる。
【０００９】
さらに別の実施態様では、本発明は分子メモリーを提供する。好ましい実施態様では、前記分子メモリーは１つまたは２つ以上のナノスケールの電気化学的セル（例えば電気化学的セルアレー）を含む。好ましい電気化学的セルおよび／または電気化学的セルアレーには本明細書で述べるセルまたはセルアレーが含まれる。これらセルまたはセルアレーでは、１つまたは２つ以上のレドックス活性種が、ナノスケールの電気化学的セルを構成する１つまたは２つ以上の電極に電気的に結合される。好ましいレドックス活性種には、ポルフィリン系マクロサイクル、メタロセン、直鎖状ポリエン、環状ポリエン、ヘテロ原子置換直鎖状ポリエン、ヘテロ原子置換環状ポリエン、テトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、金属配位錯塩、バッキーボール、トリアリールアミン、１，４−フェニレンジアミン、キサンテン、フラビン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、キノリン、２，２'−ビピリジル、４，４'−ビピリジル、テトラチオテトラセンおよびペリブリッジ化−ナフタレンジカルゴゲナイドなどが含まれるが、ただしここに特定されたものに限定されない。好ましいメモリー装置は、少なくとも１００、より好ましくは少なくとも約１０００、さらに好ましくは少なくとも約１０，０００、もっとも好ましくは少なくとも約１００，０００または１０００，０００の電気化学的セルを含む。特に好ましい実施態様では、メモリーを構成する複数のセルが、それぞれ別個にアドレス可能である。
【００１０】
前記メモリー装置、例えばメモリー装置を構成する１つまたは２つ以上のセルは種々の集積回路の成分（例えばトランジスター、ダイオード、整流器、蓄電器、操作ゲートなど）と連結させることができる。ある種の実施態様では、メモリー装置を構成する１つまたは２つ以上のセルは、セルの酸化状態を読み取るためにおよび／または設定するために電圧供給源と連結させることができる。前記メモリー装置はコンピューターシステムの１つの構成成分であってもよい。
【００１１】
別の実施態様では、本発明は例えば１つまたは２つ以上の分析物を検出するためのセンサーを提供する。好ましい実施態様では、前記分子メモリーは１つまたは２つ以上のナノスケールの電気化学的セル（例えば電気化学的セルアレー）を含む。好ましい電気化学的セルおよび／または電気化学的セルアレーには本明細書に記載されるセルまたはセルアレーが含まれ、この場合、１つまたは２つ以上の結合パートナー（例えば核酸、タンパク質、抗体、レクチン、炭水化物、糖タンパク質、任意の翻訳後修飾タンパク質など）が、ナノスケールの電気化学的セルを構成する１つまたは２つ以上の電極に電気的に結合される。ある種の実施態様では、前記センサーは少なくとも２つの異なる結合パートナーを含み、各結合パートナー種は異なるウェルに存在する。ある種の実施態様では、前記センサーは少なくとも５つ、好ましくは少なくとも１０の異なる結合パートナーを含み、各結合パートナー種は異なるウェルに存在する。好ましいセンサーは少なくとも２つまたは５つ、好ましくは少なくとも約１０、より好ましくは少なくとも約１００または１０００、さらに好ましくは少なくとも約１０，０００、もっとも好ましくは少なくとも約１００，０００または１，０００，０００の電気化学的セルを含む。センサーを構成する１つまたは２つ以上のウェル（セル）は、微小溝と流動連絡にある。
【００１２】
さらに別の実施態様では、本発明はナノスケールの電気化学的セルの製造方法を提供する。本方法は以下の工程：非導電性基材の上に第一の導体を付着させること；前記導体の上に半導体または不導体を付着させること；前記半導体または不導体の上に第二の導体を付着させること；さらに前記第二の導体、不導体または半導体を貫き、さらに第一の導体内に達するか、または第一の導体を貫く孔を形成し、それによって前記孔が、典型的には約１ミクロン×１ミクロン未満（例えば１μｍ2）、好ましくは１００ｎｍ×１００ｎｍ未満、より好ましくは約５０ｎｍ×５０ｎｍ未満、もっとも好ましくは約２５ｎｍ×２５ｎｍ未満の断面積を有するウェルを形成し、さらに第一の導体および／または絶縁体または半導体、および／または第二の導体がウェルの壁および／または床を構成すること、を含む。好ましい非導電性基材には二酸化ケイ素、窒化ケイ素などが含まれるが、ただしこれらに限定されない。ある種の実施態様では、第一および／または第二の導体は、電子ビーム蒸着、熱蒸着、電気化学的還元または無電気付着（electroless deposition）によって付着する。ある種の実施態様では、第一および／または第二の導体の付着は以下の工程：導電性材の層を付着させること、前記導電性材の領域を選択的に除去して、パターン化導電性材を形成すること、を含む。前記選択的除去は、パターン化レジストを導体上に付着させること、続いて前記導体をエッチングすること、を含むことができる。本明細書に記載するセルのいずれにおいても、導体は１つまたは２つ以上の導電性材を含むことができる。同様に、本明細書に記載するいずれのセルにおいても、絶縁材または半導体材は１つまたは２つ以上の絶縁材および／または半導体材を含むことができる。ある種の実施態様では、第一の導体は銀の層を含む。ある種の実施態様では、第二の導体は金の層を含む。ある種の実施態様では、不導体または半導体は誘電体を含む。好ましい実施態様では、前記の孔は、レーザー穿孔、ＲＩＥ技術、ＣＡＩＢＭ（chemically assisted ion beam milling）技術、湿式エッチングから成る群から選択される方法によって形成される。
【００１３】
本方法はさらに、分子（例えばレドックス活性を有する分子、結合パートナーなど）を前記第二および／または第一の導体に結合させることを含む。前記の孔は複数の孔の１つであってもよい。ある種の実施態様では、前記ウェルの内部に暴露される前記第一の導体の表面積と前記ウェルの内部に暴露される前記第二の導体の表面積との比は、少なくとも約２：１、好ましくは少なくとも約５：１、より好ましくは少なくとも約１０：１または２０：１である。前記の比は予め決めることができる。本発明にしたがって製造されるウェルには本明細書に記載される一切のウェルまたはセルアレーが含まれるが、ただしこれらに限定する必要はない。
【００１４】
さらに別の実施態様では本発明は以下を含むキットを含む：電気化学的メモリー装置および／またはセンサー装置、および／または電気化学的メモリー装置の製造のための材料、および／またはセンサー装置の製造のための材料。好ましいキットは、本明細書に記載したような電気化学的セルまたは電気化学的セルアレーを構成する基材を含む。前記キットはさらに、レドックス活性を有する分子および／または結合パートナー、および／または、本明細書に記載したセル内でレドックス活性を有する分子および／または結合パートナーを結合させる試薬を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
定義
“酸化”という用語は、元素、化合物または化学置換基／サブユニット中の１つまたは２つ以上の電子の減少を指す。酸化反応では、電子は、前記反応に関連する成分の原子によって失われる。これらの原子の電荷はしたがってより陽性になる。電子は酸化を受けている種から失われ、したがって電子は酸化反応における生成物として出現する。酸化は、反応Ｆｅ2+（ａｑ）−＞Ｆｅ3+（ａｑ）＋ｅ-で生じる。なぜならば、酸化反応における“遊離”した実在物としての見かけの電子の生成にもかかわらず電子は酸化される種、Ｆｅ2+（ａｑ）から失われるからである。逆に還元という用語は、元素、化合物または化学置換基／サブユニットによる１つまたは２つ以上の電子の獲得を指す。
【００１６】
“酸化状態”とは、電気的に中性の状態または、元素、化合物または化学置換基／サブユニットによる電子の獲得または減少によって生じた状態を指す。好ましい実施態様では、“酸化状態”という用語は、中性状態、または電子の獲得または減少（還元または酸化）によって生じた中性状態以外の任意の状態を含む状態を指す。“多重の酸化状態”という用語は２つ以上の酸化状態を意味する。好ましい実施態様では、酸化状態は電子の獲得（還元）または電子の減少（酸化）を反映することができる。
【００１７】
２つまたは３つ以上の酸化状態についていうとき、“別個で識別可能な”という用語は、物質（原子、分子、凝集物、サブユニットなど）の正味の電荷が２つの異なる状態で存在することができることを意味する。前記状態の間における相違が室温（例えば０℃から約４０℃）における熱エネルギーよりも大きいとき、前記の状態は“識別可能”であるという。
【００１８】
本発明のマルチサブユニット（例えばポリマー系）保存分子の１つのサブユニットについて用いられるとき、“堅固に結合されている”という用語は、１つのサブユニットの酸化が他のサブユニットの酸化電位を変化させるようなサブユニットの互いに対する配置をいう。好ましい実施態様では、前記の変化は、第二のサブユニットの（非中性）酸化状態が第一のサブユニットの非中性酸化状態とは別個で識別可能なように十分なものである。好ましい実施態様では、堅固な結合は共有結合（例えば単結合、二重結合、三重結合など）によって達成される。しかしながら、ある種の実施態様では、前記堅固な結合は、リンカーを介して、イオン相互作用、疎水作用を介して、金属配位によって、または単純な機械的並置によって達成することができる。サブユニットは非常に堅固に結合されるので、レドックスプロセスはただ１つのスーパー分子のレドックスプロセスであることは理解されよう。
【００１９】
“電極”という用語は、電荷（例えば電子）を保存分子からおよび／または保存分子へ移動させることができる任意の媒体を指す。好ましい電極は金属または電導性有機分子である。前記電極は実質的に任意の二次元または三次元形状（例えば個々の線状物、パッド、平面、球体、筒状物など）として製造することができる。
“固定電極”という用語は、前記電極が保存媒体に対して本質的に安定し移動することができないという事実を表す。すなわち、前記電極および保存媒体は互いに固定された幾何学的関係で配置される。前記関係は、温度変化による媒体の膨張および収縮のために、または電極および／または保存媒体を構成する分子の構成における変化のために幾分変化することはもちろん理解されよう。にもかかわらず、全体的な空間的配置は本質的には不変である。好ましい実施態様では、この用語は、電極が移動可能な“プローブ”（例えば記入または記録用“ヘッド”、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）チップ、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）チップなど）であるシステムを除外することを意図している。
【００２０】
“指示電極（working electrode）”という用語は、保存媒体および／または保存分子の状態を設定または読みとるために用いられる１つまたは２つ以上の電極を指すために用いられる。
“リファレンス電極”という用語は、指示電極が記録した測定に対してリファレンス（例えば特定のリファレンス電圧）を提供する１つまたは２つ以上の電極を指すために用いられる。好ましい実施態様では、本発明のメモリー装置内のリファレンス電極は同じ電位を有するが、ただしいくつかの実施態様ではこれは必ずしも当てはまらない。
保存分子および／または保存媒体並びに電極に関して用いられる場合、“電気的に結合される”という用語は、保存媒体または分子と電極との間の結合を指し、前記結合は、電子が保存媒体／分子から電極へまたは電極から保存媒体／分子へ移動し、それによって保存媒体／分子の酸化状態を変化させるような結合である。電気的な結合には、保存媒体／分子と電極との間の直接共有結合、間接共有結合（例えばリンカーを介する）、保存媒体／分子と電極との間の直接または間接イオン結合、または他の結合（例えば疎水性結合）が含まれる。さらにまた、実際の結合が要求されず、保存媒体／分子が電極表面と単に接触しているだけであってもよい。さらにまた必ずしも電極と保存媒体／分子との間の何らかの接触が要求される必要はなく、この場合、電極は保存媒体／分子と十分に接近してあり、保存媒体／分子と電極との間で電子のトンネリングが許容される。
【００２１】
“レドックス活性を有するユニット”または“レドックス活性を有するサブユニット”という用語は、適切な電圧の適用により酸化または還元されることができる分子または分子の成分を指す。
“レドックス活性を有する”分子という用語は、適切な電圧の適用により酸化または還元されることができる分子または分子の成分を指す。
本明細書で用いられるように“サブユニット”という用語は、分子のレドックス活性を有する成分を指す。
“保存分子”または“メモリー分子”という用語は、情報の保存に用いることができる１つまたは２つ以上の酸化状態を有する分子（例えば１つまたは２つ以上のレドックス活性を有するサブユニットを含む分子）を指す。好ましい保存分子は２つまたは３つ以上の別個で識別可能な非中性酸化状態を有する。
【００２２】
“保存媒体”という用語は、２つまたは３つ以上の保存分子を含む組成物を指す。前記保存媒体はただ１つの保存分子種を含んでいてもよいが、また２つまたは３つ以上の異なる保存分子種を含んでいてもよい。好ましい実施態様では、“保存媒体”という用語は、保存分子の集合物を指す。好ましい保存媒体は、別個で識別可能な複数の（少なくとも２つの）（好ましくは非中性）酸化状態を含む。別個で識別可能な複数の酸化状態は、種々の保存分子種の組み合わせによって生成することができる。前記分子種の各々は前記種々の酸化状態に寄与し、さらに各分子種はただ１つの非中性酸化状態を有する。また別の選択肢として、または前記に加えて、前記保存媒体は、複数の非中性酸化状態を有する１つまたは２つ以上の保存分子種を含むことができる。前記保存媒体はもっぱら１つの保存分子種を含んでいてもよいし、または多数の異なる保存分子種を含んでいてもよい。保存媒体はまた、保存分子以外の分子を（例えば化学的安定性、適切な機械的特性の提供、または漏電防止などのために）含むことができる。
【００２３】
“電気化学的セル”という用語は、典型的にはリファレンス電極、指示電極、レドックス活性を有する分子（例えば保存媒体）、および必要な場合には電極間および／または電極と媒体間の導電率を提供するいくつかの手段（例えば誘電体）を指す。いくつかの実施態様では、前記誘電体は保存媒体の１つの成分である。
“メモリーエレメント”、“メモリーセル”または“保存セル”という用語は、情報の保存に用いることができる電気化学的セルを指す。好ましい“保存セル”は、少なくとも１つ、好ましくは２つの電極（例えば指示電極およびリファレンス電極）によってアドレスされる保存媒体の別個の領域である。保存セルは、それぞれ個々にアドレス可能であってもよいし（例えば固有の電極が各メモリーエレメントに結合される）、また、特に種々のメモリーエレメントの酸化状態が識別できる場合は、ただ１つの電極によって多数のメモリーエレメントにアドレス可能である。メモリーエレメントは場合によって誘電体（例えば対イオンを注入した誘電体）を含むことができる。
【００２４】
“保存場所”という用語は、保存媒体が付着させられる別個のドメインまたはエリアを指す。１つまたは２つ以上の電極によってアドレスされるときは、前記保存場所は保存セルを形成することができる。しかしながら、２つの保存場所が同じ保存媒体を含み、その結果それらが本質的に同じ酸化状態を有し、両保存場所が共同的にアドレスされる場合は、それらは１つの機能的保存セルを形成することができる。
【００２５】
特定のエレメントに“アドレスする”という場合、そのメモリーエレメントの酸化状態を特異的に決定するために電極を用いることができるように、前記電極と前記メモリーエレメントを結合させることを指す。
“読みとり”または“判定（interogate）”という用語は、１つまたは２つ以上の分子（例えば保存媒体を構成する分子）の酸化状態の決定を指す。
“充電”という用語は、保存分子または保存媒体に関して使用されるときは、保存分子または保存媒体に電圧を適用して、前記保存分子または保存媒体の酸化状態を予め決めた状態（例えば読みとり直前の保存分子または保存媒体の酸化状態）にリセットすることを指す。
“Ｅ1/2”という用語は以下の式によって定義されるレドックスプロセスの見掛け電位（Ｅo）の実際的定義を指す：
Ｅ＝Ｅo＋（ＲＴ／ｎＦ）ｌｎ（Ｄox／Ｄred）
式中、Ｒは気体定数であり、ＴはＫ（Kelvin）で表した温度であり、ｎはプロセスに含まれる電極の数であり、Ｆはファラデー定数（９６，４８５クーロン／モル）であり、Ｄoxは酸化種の拡散係数であり、Ｄredは還元種の拡散係数である。
【００２６】
“電圧供給源”は任意の供給源（例えば分子、装置、回路など）で、標的（例えば電極）に電圧を適用できるものである。
“集積回路の出力”という用語は、１つまたは２つ以上の集積回路および／または１つの集積回路の１つまたは２つ以上の成分によって発生する電圧またはシグナルを指す。
“ボルタンメトリー測定装置（voltammetric device）”とは、電圧印加または電圧変化の結果として電気化学的セル内で発生した電流を測定することができる装置である。
“電流測定装置”とは、特定の電位場電位（“電圧”）の印加の結果として電気化学的セル内で発生した電流を測定することができる装置である。
“電位差測定装置”とは、電気化学的セル内のレドックス分子の平衡濃度における差異から生じる界面間の電位差を測定することができる装置である。
“クーロン測定装置”とは、電気化学的セルに電位場（電圧）を印加している間に発生する正味の電荷を測定することができる装置である。
“インピーダンス分光計”とは電気化学的セルの全体的なインピーダンスを決定することができる装置である。
“正弦曲線ボルタンメーター（sinusoidal voltammeter）”とは、電気化学的セルの周波数ドメイン特性を決定することができるボルタンメトリー測定装置である。
【００２７】
“ポルフィリン系マクロサイクル”という用語はポリフィリンまたはポルフィリン誘導体を指す。そのような誘導体には以下が含まれる：ポルフィリン核にオルト縮合またはオルトペリ縮合したエキストラリングを有するポルフィリン、ポルフィリン環の１つまたは２つ以上の炭素原子が別の成分の原子によって置換（骨格置換）されたポルフィリン、ポルフィリン環の窒素原子が別の成分の原子によって置換された（窒素の骨格置換）誘導体、ポルフィリンの周辺（メソ−、β−）原子またはコア原子に配置された水素以外の置換基を有する誘導体、ポルフィリンの１つまたは２つ以上の結合が飽和された誘導体（ヒドロポルフィリン、例えばクロリン、バクテリオクロリン、イソバクテリオクロリン、デカヒドロポルフィリン、コルフィン、ピロコルフィンなど）、１つまたは２つ以上の金属が１つまたは２つ以上のポリフィリン原子に配位されることによって得られる誘導体（メタロポルフィリン）、ポルフィリン環内に１つまたは２つ以上の原子（ピロール単位およびピロメテニル単位を含む）が挿入された誘導体（膨張ポルフィリン）、ポルフィリン環から１つまたは２つ以上の基が除去された誘導体（収縮ポルフィリン、例えばコーリン、コーロール）、および前述の誘導体の組み合わせ（例えばフタロシアニン、サブフタロシアニン、およびポルフィリン異性体）。好ましいポルフィリン系マクロサイクルは少なくとも１つの５員環を含む。
【００２８】
“ポルフィリン”という用語は、典型的には４つのピロール環とともに４つの窒素原子および２つの置換することができる水素（これらは多様な金属原子と容易に置換できる）で構成された環状構造を指す。典型的なポルフィリンはヘミンである。
“マルチポルフィリンアレー”という用語は、個々に離れた多数の２つまたは３つ以上の共有結合したポルフィリン系マクロサイクルを指す。前記マルチポルフィリンアレーは線状でも環状でもまたは分枝していてもよい。
【００２９】
“サンドイッチ配位化合物”または“サンドイッチ配位複合体”という用語は式ＬnＭn-1の化合物を指し、ここで各Ｌは複素環リガンド（下記で説明するとおり）であり、各Ｍは金属であり、ｎは２または３以上、もっとも好ましくは２または３であり、さらに各金属はリガンド対の間に位置し、（前記金属の酸化状態に応じて）各リガンド内の１つまたは２つ以上のヘテロ原子（典型的には複数のヘテロ原子、例えば２、３、４、５）と結合する。したがって、サンドイッチ配位化合物は有機金属化合物（例えばフェロセン）ではない（前記化合物では金属は炭素原子と結合する）。サンドイッチ配位化合物内のリガンドは一般的には積み重ね方向で配置される（すなわち、一般的には互いに向き合い、互いに軸方向に一直線に並ぶが、ただしそれらは互いに軸の周りで回転していてもいなくてもよい）（例えば以下の文献を参照されたい：Ng and Jiang (1997) Chemical Society Reviews 26:433-442）。サンドイッチ配位複合体には、“ダブルデッカーサンドイッチ配位化合物”および“トリプルデッカーサンドイッチ配位化合物”が含まれるが、ただしこれらに限定されない。サンドイッチ配位化合物の合成および使用は米国特許６，２１２，０９３Ｂ１に詳細に記載されている。
【００３０】
“ダブルデッカーサンドイッチ配位化合物”という用語は、ｎが２であり、したがってＬ1--Ｍ1--Ｌ2の式（式中、Ｌ1およびＬ2は同じでも異なっていてもよい）を有する上記に記載したサンドイッチ配位化合物を指す（例えば以下を参照されたい：Jiang et al. (1999) J. Porphyrins Phthalocyanines 3:322-328）。
“トリプルデッカーサンドイッチ配位化合物”という用語は、ｎが３であり、したがってＬ1--Ｍ1Ｌ2--Ｍ2--Ｌ3の式（式中、Ｌ1、Ｌ2およびＬ3は同じでも異なっていてもよく、さらにＭ1およびＭ2も同じでも異なっていてもよい）を有する上記に記載したサンドイッチ配位化合物を指す（例えば以下を参照されたい：Arnold et al. (1999) Chemistry Letters 483-484）。
【００３１】
“リンカー”とは２つの異なる分子、分子の２つのサブユニットまたは分子と基材とを結合させるために用いられる分子である。
“基材”は、１つまたは２つ以上の分子を結合させるために適切な、好ましくは固体である物質である。基材は、ガラス、プラスチック、ケイ素、ゲルマニウム、鉱物（例えば石英）、半電導性物質（例えばドープ処理ケイ素、ドープ処理ゲルマニウムなど）、セラミクス、金属などを含む（ただしこれらに限定されない）物質から形成することができる。
【００３２】
“アリール”という用語は、その分子がベンゼン、ナフタレン、フェナントレン、アントラセンなどに特徴的な環構造（すなわちベンゼンの６炭素環または他の芳香族誘導体の縮合６炭素環）を有する化合物を指す。例えば、アリール基はフェニルまたはナフチル（Ｃ10Ｈ9）であろう。アリール基は置換基として機能しつつ、さらにそれ自体また別の置換基（例えば本明細書の種々の式でＳnを提供する置換基）を有することができることは理解されよう。
“アルキル”という用語はメタン列炭化水素基を指し、前記は１つの水素原子を式から除去することによりアルカンから派生させることができる。例はメチル（ＣＨ3−）、エチル（Ｃ2Ｈ5−）、プロピル（ＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2−）、イソプロピル（（ＣＨ3）2ＣＨ3−）である。
“ハロゲン”という用語は、周期律表のＶＩＩ族Ｂの陰性元素の１つを指す（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン）。
“ニトロ”という用語はＮＯ2基を指す。
“アミノ”という用語はＮＨ2基を指す。
【００３３】
“ペルフルオロアルキル”という用語は、全ての水素原子がフッ素原子で置換されているアルキル基を指す。
“ペルフルオロアリール”という用語は、全ての水素原子がフッ素原子で置換されているアリール基を指す。
“ピリジル”という用語は、１つのＣＨユニットが窒素原子で置換されているアリール基を指す。
“シアノ”という用語は−ＣＮ基を指す。
“チオシアナト”という用語は−ＳＣＮ基を指す。
“スルホキシル”という用語はＲＳ（Ｏ）−なる組成をもつ基を指し、式中Ｒはアルキル、アリール、シクロアルキル、ペルフルオロアルキルまたはペルフルオロアリール基である。例にはメチルスルホキシル、フェニルスルホキシルなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
【００３４】
“スルホニル”という用語は、ＲＳＯ2−の組成を有する基を指し、式中Ｒはアルキル、アリール、シクロアルキル、ペルフルオロアルキルまたはペルフルオロアリール基である。例にはメチルスルホニル、フェニルスルホニル、ｐ−トルエンスルホニルなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
“カルバモイル”という用語は、Ｒ1（Ｒ）2ＮＣ（Ｏ）−の組成を有する基を指し、式中Ｒ1およびＲ2は、Ｈまたはアルキル、アリール、シクロアルキル、ペルフルオロアルキルもしくはペルフルオロアリール基である。例にはＮ−エチルカルバモイル、Ｎ，Ｎ−ジメチルカルバモイルなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
“アミド”という用語は、Ｒ1ＣＯＮ（Ｒ2）−の組成を有する基を指し、式中Ｒ1およびＲ2は、Ｈまたはアルキル、アリール、シクロアルキル、ペルフルオロアルキルもしくはペルフルオロアリール基である。例にはアセトアミド、Ｎ−エチルベンズアミドなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
【００３５】
“アシル”という用語は有機酸基を指し、ここでカルボキシル基のＯＨは他の置換基（ＲＣＯ−）によって置換される。例にはアセチル、ベンゾイルなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
好ましい実施態様では、物質が“Ｍ”または“Ｍn”で示されるとき（ｎは整数）、前記金属は対イオンと結合できると理解されよう。
“置換基”（特にＳまたはＳｎ（ｎは整数）で示される場合）という用語は、好ましい実施態様で本明細書の式において用いられるように、対象化合物のレドックス電位の調節に用いることができるレドックス活性を有する基（サブユニット）を指す。好ましい置換基には、アリール、フェニル、シクロアルキル、アルキル、ハロゲン、アルコキシ、アルキルチオ、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロアリール、ピリジル、シアノ、チオシアナト、ニトロ、アミノ、アルキルアミノ、アシル、スルホキシル、スルホニル、アミドおよびカルバモイルが含まれるが、ただしこれらに限定されない。好ましい実施態様では、置換されたアリール基はポルフィリンまたはポルフィリン系マクロサイクルに結合され、アリール基上の置換基は、アリール、フェニル、シクロアルキル、アルキル、ハロゲン、アルコキシ、アルキルチオ、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロアリール、ピリジル、シアノ、チオシアナト、ニトロ、アミノ、アルキルアミノ、アシル、スルホキシル、スルホニル、アミドおよびカルバモイルから成る群から選択される。
【００３６】
特に好ましい置換基には、４−クロロフェニル、３−アセトアミドフェニル、２，４−ジクロロ−４−トリフルオロメチルが含まれるが、ただしこれらに限定されない。好ましい置換基は、約５ボルト未満、好ましくは約２ボルト未満、より好ましくは約１ボルト未満のレドックス電位範囲を提供する。
“約Ｘボルト未満のレドックス電位範囲を提供する”という語句は、そのようなレドックス電位範囲を提供する置換基が化合物に取り込まれたとき、前記置換基を取り込んだ化合物がＸボルト未満またはＸボルトに等しい酸化電位を有することを示す（Ｘは数字で表される値である）。
【００３７】
ＩＶ族元素に結合されるべき有機分子を含む溶媒に関して用いられる場合“迅速に除去される”という語句は、約１時間以内、より好ましくは約２０分以内、さらに好ましくは約１０分以内、もっとも好ましくは約５分以内、２分以内または１分以内に特定の条件下（例えば特定の温度、真空度などの下で）実質的にまたは完全に除去される溶媒を指す。
“高沸点溶媒”とは、約１３０℃より高い、好ましくは約１５０℃より高い、より好ましくは約１８０℃より高い、もっとも好ましくは約２００℃より高い沸点を有する溶媒を指す。
【００３８】
詳細な説明
本発明は、電気化学的分子メモリー装置、センサーおよび多様な他の用途に用いることができる新規な構造のデザインおよび製造に関する。本固有構造は、ある種の実施態様では、２つまたは３つ以上の導体で構成され、前記導体は互いに交叉または重なり合うように配置される。前記導体は典型的には誘電体層によって分離される。上部電極および下部電極の各交差点内で（例えば最上部および底部連結内で）ウェルが作製される。このウェルは前記電極を穿孔し、それによって前記電極はウェルの側面部分および／または底部分を形成する。
【００３９】
分子（例えば有機分子）は、ウェル内の露出した導体表面の１つまたは２つ以上と結合される。続いて各ウェルは電気化学的セルとして機能し、前記結合された分子または前記結合分子に結合された他の分子の電気化学的測定を可能にする。
本発明の製造方法は、正確に決められた特性（例えばウェルの容積、電極の表面積など）を有するナノスケールの単一セルまたは数百、数千もしくは数百万のそのようなウェル（電気化学的セル）を含むアレーの製造を容易にする。これらのウェルおよびウェルのアレーは電気化学的メモリー装置、センサーなどの製造に有用である。本明細書に開示するこの製造方法は下記に考察するように多数の利点を提供する。
【００４０】
モルホールアレーデザイン
構造
本発明のモルホールアレーの好ましい実施態様の１つは図１に示されている。この図に示されているように、本構造は一連の導電性または半導電性ワイヤ（例えば成形加工金属、有機導体または半導体）を含む。前記ワイヤは積み重ねられ、さらに各導電性ワイヤの間に絶縁層が交互に入ることによって三次元的に分離される。特に好ましい実施態様では、１つまたは２つ以上の分子種（好ましくは有機分子種）が１つまたは２つ以上の導体（電極）（モルホールの壁を構成する）に結合される。
【００４１】
図示した実施態様では、金および銀が導体アレーの交互に出現する構成成分を組み立てるために用いられる。銀の層を有する第一のアレーは、対象の基材（例えばガラス、熱形成二酸化ケイ素、半導体、プラスチック、鉱物など）上で直接製作される。絶縁体（誘電体）の層は前記銀の導体アレーを完全に覆う。金のアレーは絶縁スペーサーの最上部に、銀の層に平行にまたは前記銀のアレーに対して角度をもって（例えばアレーに対して垂直に）付着する。続いて金のアレーは別の不導体（例えば別の誘電体）によって絶縁される。
【００４２】
金の導体アレーが銀の導体アレーとオーバーラップする領域で前記ウェルはパターンを与えられ、例えば湿式エッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または化学的補助イオンビームミリング（ＣＡＩＢＭ）を用いてエッチングされる。ウェルの形成によって導体（この実施例では金および銀）リングがウェルの壁および／または底に形成される。壁の導体領域は１つまたは２つ以上の絶縁層によって分離される。導体および／または絶縁体の厚さを変えることによって、各導体および絶縁体の露出領域を正確に調節（決定）することができる。好ましい実施態様では、アレーの各ウェルは近くのウェルからそれぞれ単離される。続いて分子（例えば有機分子）を、各モルホールを含む１つまたは２つ以上の導体（電極）の表面に結合させることができる。
【００４３】
前記のようなウェルの３つの断面が図２に示されている。図示されている実施態様では、基材（１０）は第一の導体（１２）、第二の導体（１４）および第三の導体（１６）で被覆され、絶縁層（１８）が各導電層の間に存在する。この図では、３つのウェルが示されてあり、それらはエッチングによって、導電層および絶縁層（１８）を貫通し、さらに導電層（１２）を部分的に貫通する。これによって、３つの異なる導電表面、低部の導電表面（導体（１２））およびウェルの側部上に２つの導電表面（導体（１４）および（１６））を有するウェル（モルホール）が形成される。導体（１４）に結合した有機分子（２０）（例えばレドックス活性を有する分子、結合パートナーなど）が示されてあり、前記は電気化学的測定のために指示電極として用いることができる。各ウェルはしたがって個々の指示電極をもつ電気化学的セルを形成し、前記電極は各々のセルにのみアドレスする。電気化学的測定は、個々のセルでまたは集合セルで容易に実施することができる。第三の導体（１２）は任意であるが、前記が存在するときは単一セルまたは集合セルのバイアスのために都合よく使用することができる。
【００４４】
図３は３つのモルホールの平面図を示している。この図では、導体（電極）アレー（導体（１４）および（１６））は互いに垂直に付着している。本事例では、各セルは固有の指示電極（１４）によりアドレスされ、３つのセルは全て共通のカウンター電極（１６）によりアドレスされる。
導体（１４）および（１６）が互いに垂直の向きで図示されているが、多様な導体または導体アレーを本質的に任意の角度で配置させることができる。前記構造で各導体は種々のレベル（例えばｚ軸に沿った位置）で存在するので（例えば図２を参照されたい）、導体または導体アレーは平行で重なり合ってもよい。したがって、例えば図２に示されている断面は導体（１４）および導体（１６）の両導体の長軸に沿って見えるであろう。
図３は、共通の導体（１６）および個々の導体（１４）を共有するモルホールを示す。ある種の実施態様では、各セルが前記セルと接触する全ての導体によってそれぞれ固有にアドレスされることが可能である。前記の実施態様は図４に示されているが、この図では各セルは固有の導体（１４）および固有の導体（１６）によってアドレスされる。単一モルホールアレーでは、あるセルは１つまたは２つ以上の導体によって固有にアドレスされるが、他のセル（例えばセル群）は１つまたは２つ以上の共通の導体を共有することが可能である。
ウェル（モルホール）は本質的に任意の形状で作製することができる。そのような形状には規則的な多角形（例えば円、四角形、八角形など）または所望される任意の不規則な形状が含まれるが、ただしこれらに限定されない。
【００４５】
好ましい実施態様では、ウェルは、約１μｍ2未満、より好ましくは約１００ｎｍ×１００ｎｍ未満、もっとも好ましくは約５０ｎｍ×５０ｎｍの断面積を有する。ウェルは本質的に都合のよい任意の深さを有することができる。好ましい実施態様では、ウェルは約１００フェムトリットル（１００×１０-15Ｌ）またはそれ未満、好ましくは約１０フェムトリットル（１０×１０-15Ｌ）またはそれ未満、もっとも好ましくは約１フェムトリットル（１×１０-15Ｌ）またはそれ未満の容積を有する。ある種の実施態様ではウェルはただ１つだけであろう。他の実施態様では集合ウェル（例えばアレー）が意図される。好ましいウェルのアレーは少なくとも約２つのウェル、好ましくは少なくとも約１０のウェル、より好ましくは少なくとも約１００、５００または１０００ウェル、もっとも好ましくは少なくとも約１０，０００、１００，０００または１，０００，０００ウェルを含む。
【００４６】
ある種の実施態様では、ウェルが１つまたは２つ以上の導体に結合した分子（例えばレドックス活性を有する分子種、結合パートナーなど）を含む場合、各ウェルは異なる分子種を含む。他の実施態様では、多数のウェルまたは全てのウェルが同じ分子種を含む。ある種の実施態様では、モルホールアレーは、少なくとも１つのレドックス活性を有する分子種または結合パートナー、より好ましくは少なくとも２つの分子種、さらに好ましくは少なくとも５つまたは１０の分子種、もっとも好ましくは少なくとも約５０、１００、５００、１０００、１０，０００の異なる分子種を含む。
【００４７】
ある種の実施態様では、前記モルホールはそれぞれ分断された別個のウェルに限定されない。他の幾何学構造もまた利用することができる。したがって、ある好ましい実施態様では、モルホールは実際には溝（channel）のように形成される（例えば図５を参照されたい）。前記の溝が１つまたは２つ以上の導体の長軸に沿って配置される場合は、前記導体は前記溝の全長に沿って露出された表面を提供する（例えば図５の導体（１６）を参照）。逆に、溝が導体を横切る場合は、前記導体はちょうどその位置に存在する表面を提供するだけである。溝が多数の導体を横切る場合、各導体は前記溝に沿ってそれぞれ分断された位置で１つの表面を提供するであろう（例えば図５の導体（１４）を参照）。
そのような溝はチップデバイスのラブの製造に特に有用である。そのようなデバイスの好ましい実施態様では、結合パートナー（１４）（例えば抗体、核酸、レクチン、レセプターなど）は１つまたは２つ以上の電極（前記溝の壁を構成する）に結合される。分析物が溝（２４）を流れるとき、特定の分析物が結合パートナー（１４）によって捕捉され、前記捕捉された分析物を電気化学的に検出することができる。好ましい溝は、約１μｍまたはそれ未満、より好ましくは約１００ｎｍまたはそれ未満、もっとも好ましくは約５０、２５または１０ｎｍまたはそれ未満の幅を有する。
【００４８】
好ましい実施態様では、本発明のモルホールまたは溝は、２つの導体が極めて異なる表面積をモルホールまたは溝の内部に露出させることができるように形成される。２つの電極をもつ電気化学的セル内では、最小の面積を有する電極が反応を制御する。カウンター電極に対して小さい指示電極表面を製造することによって、電気化学的セルの反応は、前記指示電極の表面で発生する電気化学的プロセスが優位を占める。したがって、カウンター電極の表面積を指示電極に対して大きくすることによって、電気化学的測定のシグナル対ノイズ比は改善される（すなわち、セルの電気化学的性能は指示電極に結合された成分の電気化学的特性によって支配される）。典型的には、カウンター電極は、指示電極に対して少なくとも２倍、好ましくは少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１０倍、もっとも好ましくは少なくとも２０倍、５０倍、または少なくとも１００倍の表面積を有する。
【００４９】
電極表面積の決定に、ワイヤの最上部、低部または末端を用いる代わりに、付着した導体層の厚さを用いることによって、本発明は露出電極表面積の極めて正確な調節を可能にする。さらにまた、大きく異なる露出表面積を有する２つの電極を極めて小さなウェルに収納することができる。ナノメートルの寸法で作られた電極の面積は、ウェルの直径（円形ウェルの場合）および付着する金属フィルムの厚さによって決定される。例えば、筒の直径および金属フィルムの厚さがそれぞれ１ｎｍおよび１００ｎｍの場合（前記は写真平版および真空蒸着によって達成できる）、電極面積は約３１４ｎｍ2であろう。
さらにまた、本構造は金属を直接分子層状に付着させることを避け、それによって前記単層へのいずれの損傷も予防する（前記損傷は他の提唱されている構造で重大な問題となる可能性がある）。
【００５０】
各結合部の有効なキャパシタンスは、各交点に存在する２つの金属電極間の誘電体スペーサーの広大な領域を除去することによって減少させられる。これは全体的な金属ワイヤのキャパシタンスに影響を与えるかもしれないが、金属ワイヤが十分に太ければワイヤの抵抗に重大な影響は与えないはずである。
さらにまた、前記デザインは、各電気化学的セルの物理的な単離を可能にし、それによって近隣セル間の交雑電気伝導（cross-electric communication）を防止する。
【００５１】
モルホールアレーの形成
本発明のモルホールおよび／またはモルホールアレーは多数の任意で都合のよい周知の物質から製造できる。適切な導体材料には銅、銀、タングステン、ニッケル、パラジウム、鉄、錫、亜鉛、カドミウム、インジウム、クロム、金、白金、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ルテニウム、チタン、タンタル、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボン、導電性ポリマーなどから成るものが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
導電性ポリマーには、本質的電導性ポリマー（電導性（無機）物質を添加することなく電流を伝えるポリマー）およびドープ処理電導性ポリマーが含まれる。電導性ポリマーは当業者には周知である（例えば以下の文献を参照されたい：米国特許５，０９６，５８６；３５８，５５６；およびThe Handbook of Conducting Polymaers, 2nd Edition, 945, 1997）。市販されている周知の本質的導電性ポリマーの１つはポリアニリン（ＰＡｎｉ）（ＯＲＭＥＣＯＮ（商標））である。
【００５２】
半導体もまた、本発明のモルホールおよびモルホールアレー内の“導体”として用いることができる。適切な半導体には、ケイ素、ゲルマニウム、ｎ−もしくはｐ−ドープ処理ケイ素またはゲルマニウム、種々のドープ処理カーボンナノチューブもしくはカーボンナノリボンなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。好ましい半導体材にはケイ素、高密度炭化ケイ素、炭化ホウ素、Ｆｅ3Ｏ4、ゲルマニウム、ケイ素ゲルマニウム、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、砒化アルミニウム、テルル化カドミウム水銀、テルル、セレン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｔｅ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、二硫化タングステンなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
【００５３】
絶縁材もまた当業者には周知である。前記材料には高抵抗プラスチック、元素の周期律表の遷移金属の絶縁性酸化物また硫化物、セラミクス、ガラスなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。好ましい絶縁体の例には、化学気相成長絶縁材（例えば窒化ケイ素、酸化ケイ素など）およびスピン−オン絶縁材（例えばスピン−オンガラス）が含まれる。種々の好ましい実施態様では、絶縁体は誘電体であるか、または誘電層を含む。適切な誘電体には、ナフィオン、酢酸セルロース、ポリスチレンスルホネート、ポリ（ビニルピリジン）、導電性ポリマー（例えばポリピロール酸およびポリアニリン）などが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
【００５４】
本明細書に記載するモルホール構造は、エレクトロニクスおよび極小機械工業で周知の標準的方法を用いて製作することができる。参考実施態様では、モルホール構造は電子ビーム真空蒸着、写真平版、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、ＲＩＥおよび／またはＣＡＩＢＭ技術を用いて製作される。
制作方法の１つが図６に示されている。基材（ガラス、熱酸化シリコンウェファーなど）を半導体鉱業で標準的な方法を用いて清浄にする（例えば以下などを参照されたい：Choudhury (1997) The Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication, Soc. Photo-Optical Instru. Engineer, Bard & Faulkner (1997) Fundamentals of Microfabrication）。ある実施態様では、ウェーハを使用前に熱いピランナ（Piranha）溶液で洗浄する。続いて導電性フィルム（例えば銀フィルム）を、例えば薄いクロムのフィルムを付着させた後で前記ウェーハの表面に電子ビーム真空蒸着を用いて付着させる。陽性フォトレジストは銀フィルム上にスピン被覆される。コンタクトモードマスクアライナーを用いてフォトマスクを通る紫外光で前記レジストフィルムを感光させ、レジスト現像液で現像し、脱イオン水で洗浄する。銀フィルムおよびクロム基層（フォトレジストパターンによって脱被覆されている）を、それぞれ銀およびクロム腐食剤を用いてエッチングする。この後、フォトレジストストリッパーを用いてフォトレジストパターンを除去する。得られた銀のパターンはコンタクトリードを有する銀線アレーから成る。
【００５５】
誘電層を、銀パターン上にプラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）を用いて付着させる。クロム基層および金フィルムを、電子ビーム真空蒸着によって前記誘電層上に付着させる。金線アレーは、銀層で用いた同じ写真平版および湿式エッチング法を用いて作製される。ある実施態様では、金アレーは誘電層の下の銀アレーに垂直である。第二の誘電層は、ＰＥＣＶＤによって金アレーの最上部に付着する。
第二の誘電層上に作製されたフォトレジストパターンは、各交点の最上部のリードおよび小ホールのための領域を露出させる。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）および化学的補助イオンビームミリング（ＣＡＩＢＭ）技術を用い誘電層および金属層を、完全に基底の基材までエッチングすることによって、各交点にウェル（例えば筒状ウェル）を形成する。リードを覆う誘電層もまた除去される。
【００５６】
本製作方法は単なる例示である。本明細書に提供される教示にしたがい、他の多くの写真平版技術および／または極小機械製造技術を用い、本発明の個々の分子または分子アレーを作製することができる。上記に述べた極小機械製造技術は、他の多くの技術と同様に当業者に周知である（例えば以下を参照されたい：Choudhury (1997) The Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication, Soc. Photo-Optical Instru. Engineer, Bard & Faulkner (1997) Fundamentals of Microfabrication）。さらにまた、ケイ素または硼珪酸ガラスチップでの極小機械製造技術の使用例は米国特許５，１９４，１３３、５，１３２，０１２、４，９０８，１１２および４，８９１，１２０で見出すことができる。
【００５７】
当業者に周知の方法を用いて、多様な分子（例えばレドックス活性を有する分子、結合パートナーなど）をウェル内の１つまたは２つ以上の電極に結合させることができる。好ましい実施態様では、前記分子はセル内の指示電極に電気的に結合される。
“電気的に結合される”という用語は、結合分子（例えばレドックス活性を有する分子または結合パートナー）が電極から電子を獲得または電極に電子を放出することを可能にする結合方式を指す。前記結合は分子と電極との直接結合でも間接結合（例えばリンカーによる）でもよい。前記結合は共有結合、イオン結合、水素結合によって駆動される結合であってもよいが、また実際的な化学的結合を含まず単に電極と分子の並置であってもよい。いくつかの実施態様では、電極は、分子からある程度の距離（例えば約５Åから約５０Å）を有することができ、電気的結合は電子トンネリングによるものであってもよい。
【００５８】
いくつかの好ましい実施態様では、“リンカー”を用いて分子は電極に結合される。前記リンカーは導電性であろうが、電極と保存媒体の電子との間を直接または間接的に通過することができるほど十分に短くなければならないであろう。
多様な化合物を多様な表面に結合させる態様は周知であり、文献に豊富に例示されている。分子の結合手段は当業者には認識されているであろう。保存媒体と表面との結合は共有結合でもイオンもしくは他の非共有作用でもよい。前記表面および／または分子は都合のよい結合基（例えば硫黄、ヒドロキシル、アミノなど）を提供するために特異的に誘導することができる。
【００５９】
前記リンカーは前記分子の成分としてまたは別個に提供することができる。結合されるべき分子と結合していないときは、リンカーはしばしば、ヘテロ−またはホモ−二官能性分子（その各々が対応する結合パートナー（すなわち表面またはレドックス活性を有する分子）との共有結合を形成することができる２つまたは３つ以上反応部位を有する）のいずれかである。結合されるべき分子の成分として提供されるか、または基材の表面に結合されているときは、リンカーは、好ましくは、それぞれの表面または分子との結合に適した１つまたは２つ以上の反応性部位を有するスペーサーである。
【００６０】
分子の結合に適したリンカーは当業者には周知であるが、多様な直鎖または分枝鎖炭素リンカー、複素環炭素リンカー、アミノ酸もしくはペプチドリンカーなどに限られない。特に好ましいリンカーには、４，４'−ジフェニルエチン、４，４'−ジフェニルブタジン、４，４'−ビフェニル、１，４−フェニレン、４，４'−スチルベン、１，４−ビシクロオクタン、４，４'−アゾベンゼン、４，４'−ベンジリデンアニリンおよび４，４"−テルフェニルが含まれるが、ただしこれらに限定されない。リンカーは、保存媒体の１つまたは２つ以上の分子を電極に結合させる分子を含む。
【００６１】
好ましい実施態様では、所望の電極上で自己集合する分子（例えばレドックス活性を有する分子、結合パートナーなど）が用いられる。したがって、例えば指示電極が金である場合、チオール基担持分子またはチオール基を有するリンカーを担持する分子は金表面上で自己集合するであろう。２つ以上の金電極が存在する場合、前記分子は、それらが結合されるべき電極に適切な（例えば誘引）電荷を与えることによって、または結合されるべきでない電極に“反発”電荷を与えることによって所望の表面に引き寄せることができる。
【００６２】
前記電極がＩＶ族元素（例えばケイ素、ゲルマニウムなど）を含む場合、チオール基もしくはアルコールまたはチオール基もしくはアルコールを含むリンカーが提供されるならば、前記分子は容易に前記表面と結合する。チオールまたはアルコールを含む分子をＩＶ族元素と結合させる方法は、同時係属出願USSN 10/040,059（標題Formation of Self-Assembled Monolayers on Silicon Substrates；２００１年１０月２６日出願）に記載されている。基本的には、前記方法は以下の工程：ＩＶ族元素の表面をハロゲン化すること；表面に結合されるべき分子を含む溶液を提供すること、ここで前記表面は、アルコールの末端基を有するか（例えば第一アルコール、第二アルコール、第三アルコール、ベンジルアルコールおよびアリールアルコールから成る基から選択されるアルコール末端基を有する）、またはチオール末端基を有し（例えば第一チオール、第二チオール、第三チオール、ベンジルチオール、アリールチールなど）、それらは溶媒中に存在し、さらに前記アルコール末端基をもつ有機分子は例えば以下の溶媒中に存在する（メシチレン、ジュレン、ｏ−ジクロロベンゼン、１，２，４−トリクロロベンセン、１−クロロナフタレン、２−クロロナフタレン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピオンアミド、ベンゾニトリル、アニソールなど）；ならびに、前記溶媒が迅速に前記表面から除去され、それによってＥ−Ｏ−またはＥ−Ｓ−結合（ここでＥはＩＶ族元素（例えばケイ素、ゲルマニウム、ドープ処理ケイ素、ドープ処理ゲルマニウムなど））を介して前記有機分子が前記表面と結合される条件下で、前記溶液をＩＶ族元素と接触させること、を含む。前記反応は、好ましくは塩基（例えば２，４，６−コリジン、２，６−ルチジン、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン、４−ジメチルアミノピリジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン、１，８−ビス（ジメチルアミノ）ナフタレン、１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］ノン−５−エン、１，８−ジアザシクロ［５．４．０］ウンデカ−７−エン、Ｎａ2ＣＯ3、ＮＨ3など）の存在下で実施される。典型的には前記表面は少なくとも７０℃の温度に加熱される。
本明細書に開示した技術を用い、モルホールまたはモルホールアレーを含む１つまたは２つ以上の電極に結合させる他の方法を当業者は容易に実施できよう。
【００６３】
モルホールまたはモルホールアレーの使用
本明細書に記載したマルチ電極アレー（モルホールアレー）を分子ベース電子装置の集積メモリー構成成分として用いることができる。さらにまた、ナノウェルを、電気的に活性な分子の単層の電子移動速度を測定するためのナノ電極として用いることができ、また、単一セル内で電気的に活性なただ１つの結合分子を自由に移動できるように保持することによって分子スイッチとして用いることができる。
マルチ集積分子ウェルはまた生物学的分析で有用であろう。この構造は、電気化学的検出または蛍光を用いるタンパク質、ＤＮＡの誘導および読み取り並びに単一細胞分析に適している。そのような電気化学的セルアレーは、電気的に活性な多数の分析物または電気的に不活性な分析物を間接的検出方式により高処理分析する方式に非常に適している。前記のデザインは現存のオンチップミクロ流体システムと容易に一体化することができる。
【００６４】
モルホールベースのメモリーエレメント
本発明のマルチ電極モルホールアレーは分子ベースの電子装置でメモリーエレメントとしての使用に非常に適している。“分子メモリー”エレメントでは、モルホール内の電極（例えば指示電極）に結合させたレドックス活性を有する分子（１つまたは２つ以上の非ゼロレドックス状態を有する分子）を用いてビットが保存される（例えばある種の実施態様では、各レドックス状態は１ビットまたは複数ビットの集合を表す）。電極（例えばケイ素またはゲルマニウム）に結合したレドックス活性を有する分子は、種々の酸化状態で１ビットまたは２ビット以上を保存できる保存セルを形成する。ある種の実施態様では、保存セルは、１つまたは２つ以上のレドックス活性を有する分子を含み、別個で識別可能な複数の酸化状態を有する“保存媒体”と電気的に結合した固定された指示電極を特徴とする。データは、前記保存媒体から電気的に結合した電極を介して１つまたは２つ以上の電子を付加または引き出すことによって、（好ましくは非中性）酸化状態として保存される。レドックス活性を有する分子の酸化状態は、例えば米国特許６，２７２，０３８；６，２１２，０９３および６，２０８，５５３並びにＰＣＴ公開公報ＷＯ０１／０３１２６に記載されているように、電気化学的な方法（例えばサイクリックボルタンメトリー）を用いて設定および／または読みとることができる。複数のモルホール（電気化学的セル）を含むモルホールアレーは高性能、高密度メモリー装置を提供することができる。
【００６５】
ＩＶ族元素（特にケイ素およびゲルマニウム）は、電子チップ製作に一般的に用いることができるので、本明細書で提供する方法は現存の加工／作製技術と和合する分子メモリーチップの製作に非常に適している。さらにまた、レドックス活性を有する分子を含む保存セルの構築および使用に関する詳細は、米国特許６，２７２，０３８；６，２１２，０９３および６，２０８，５５３並びにＰＣＴ公開公報ＷＯ０１／０３１２６で見出すことができる。
本発明で使用するために適切なある種の好ましいレドックス活性を有する分子は、多数の酸化状態を有することを特徴とする。前記の酸化状態は１つまたは２つ以上のレドックス活性を有するユニットによって提供される。レドックス活性を有するユニットとは、適切な電圧を適用することによって設定できる１つまたは２つ以上の別個の酸化状態を有する分子または分子サブユニットを指す。したがって、例えばある実施態様では、レドックス活性を有する分子は２つまたは３つ以上の（例えば８つの）別個の識別できる酸化状態を含むことができる。典型的にはそのような多重状態を有する分子はいくつかのレドックス活性を有するユニット（例えばポルフィリンまたはフェロセン）を含むであろうが、必ずしも前記である必要はない。各レドックス活性を有する分子はそれ自体少なくとも１つのレドックス活性を有するユニットであるか、または少なくとも１つのレドックス活性を有するユニットを含むが、しかし２つまたは３つ以上のレドックス活性ユニットも容易に含むことができる。
【００６６】
好ましいレドックス活性を有する分子にはポルフィリン系マクロサイクルが含まれるが、ただしこれらに限定されない。“ポルフィリン系マクロサイクル”という用語は、ポルフィリンまたはポルフィリン誘導体を指す。そのような誘導体には以下が含まれる：ポルフィリン核にオルト縮合またはオルトペリ縮合したエキストラリングを有するポルフィリン、ポルフィリン環の１つまたは２つ以上の炭素原子が別の成分の原子によって置換（骨格置換）されたポルフィリン、ポルフィリン環の窒素原子が別の成分の原子によって置換された（窒素の骨格置換）誘導体、ポルフィリンの周辺（メソ−、β−）原子またはコア原子に配置された水素以外の置換基を有する誘導体、ポルフィリンの１つまたは２つ以上の結合が飽和された誘導体（ヒドロポルフィリン、例えばクロリン、バクテリオクロリン、イソバクテリオクロリン、デカヒドロポルフィリン、コルフィン、ピロコルフィンなど）、１つまたは２つ以上の金属が１つまたは２つ以上のポリフィリン原子に配位されることによって得られる誘導体（メタロポルフィリン）、ポルフィリン環内に１つまたは２つ以上の原子（ピロール単位およびピロメテニル単位を含む）が挿入された誘導体（膨張ポルフィリン）、ポルフィリン環から１つまたは２つ以上の基が除去された誘導体（収縮ポルフィリン、例えばコーリン、コーロール）、および前述の誘導体の組み合わせ（例えばフタロシアニン、サブフタロシアニン、およびポルフィリン異性体）。好ましいポルフィリン系マクロサイクルは少なくとも１つの５員環を含む。
【００６７】
“ポルフィリン”という用語は、典型的には４つのピロール環とともに４つの窒素原子および２つの置換することができる水素（これらは多様な金属原子と容易に置換できる）で構成された環状構造を指す。典型的なポルフィリンはヘミンである。
特に好ましいレドックス活性を有する分子には、ポルフィリン、膨張ポルフィリン、収縮ポルフィリン、フェロセン、直鎖状ポリフィリンポリマー、ポルフィリンサンドイッチ配位複合体およびポルフィリンアレーが含まれる。
【００６８】
ある好ましい実施態様では、レドックス活性を有する分子は下記式Ｉに示したメタロセンである：
【００６９】
【化１】
2005520348.tif 000003
【００７０】
式中、Ｌはリンカーであり、Ｍは金属（例えばＦｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ）であり、Ｓ1およびＳ2は、アリール、フェニル、シクロアルキル、アルキル、ハロゲン、アルコキシ、アルキルチオ、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロアリール、ピリジル、シアノ、チオシアナト、ニトロ、アミノ、アルキルアミノ、アシル、スルホキシル、スルホニル、イミド、アミドおよびカルバモイルから成る群からそれぞれ別個に選択される。好ましい実施態様では、置換アリール基はポルフィリンに結合され、前記アリール基上の置換基は、アリール、フェニル、シクロアルキル、アルキル、ハロゲン、アルコキシ、アルキルチオ、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロアリール、ピリジル、シアノ、チオシアナト、ニトロ、アミノ、アルキルアミノ、アシル、スルホキシル、スルホニル、イミド、アミドおよびカルバモイルから成る群から選択される。
【００７１】
特に好ましい置換基には、４−クロロフェニル、３−アセトアミドフェニル、２，４−ジクロロ−４−トリフルオロメチルが含まれるが、ただしこれらに限定されない。好ましい置換基は約２ボルト未満のレドックス電位範囲を提供する。Ｘは、基材、基材と共有結合できる反応部位（例えばアルコール、チオールなど）から成る群から選択される。いくつかの実施態様では、Ｌ−Ｘはアルコールまたはチオールであることは理解されよう。ある種の事例では、Ｌ−ＸはＳ１またはＳ２のような別の置換基（Ｓ３）で置換することができる。ある種の実施態様では、Ｌ−Ｘは存在してもしなくてもよく、存在するときは好ましくは、４−ヒドロキシフェニル、４−（２−（４−ヒドロキシフェニル）エチニル）フェニル、４−（ヒドロキシメチル）フェニル、４−メルカプトフェニル、４−（２−（４−メルカプトフェニル）エチニル）フェニル、４−（メルカプトメチル）フェニル、４−ヒドロセレノフェニル、４−（２−（４−ヒドロセレノフェニル）エチニル）フェニル、４−（ヒドロセレニルメチル）フェニル、４−ヒドロテルロフェニル、４−（２−（４−ヒドロテルロフェニル）エチニル）フェニル、および４−（ヒドロテルロメチル）フェニルである。
【００７２】
式Ｉの分子の酸化状態は前記金属および置換基によって決定される。したがって、特に好ましい実施態様は下記式ＩＩ−ＶＩＩによって示される：
【００７３】
【化２】
2005520348.tif 000004
【００７４】
【化３】
2005520348.tif 000005
【００７５】
式ＩＩからＶＩＩで上記に示したフェロセンは、別個で識別できる酸化状態を有する便利な１ビット分子シリーズを提供する。したがって、式ＩＩからＶＩＩの分子は、それぞれ＋０．５５Ｖ、＋０．４８Ｖ、＋０．３９Ｖ、＋０．１７Ｖ、−０．０５Ｖおよび−０．１８Ｖの酸化状態（Ｅ1/2）を有し、本発明の保存媒体に取り込ませるために便利な分子シリーズを提供する。このシリーズのメンバーの酸化電位は金属（Ｍ）または置換基を変えることによって容易に変更できることは理解されよう。
【００７６】
別の好ましいレドックス活性を有する分子は、下記式ＶＩＩＩによって示されるポルフィリンである：
【００７７】
【化４】
2005520348.tif 000006
【００７８】
式中、Ｆはレドックス活性を有するサブユニット（例えばフェロセン、置換フェロセン、メタロポルフィリンまたはメタロクロリンなど）であり；Ｊ1はリンカーであり；Ｍは金属（例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＰｂおよびＳｎ）であり；Ｓ1およびＳ2は、アリール、フェニル、シクロアルキル、アルキル、ハロゲン、アルコキシ、アルキルチオ、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロアリール、ピリジル、シアノ、チオシアナト、ニトロ、アミノ、アルキルアミノ、アシル、スルホキシル、スルホニル、イミド、アミドおよびカルバモイルから成る群からそれぞれ別個に選択され、ここで前記置換基は約２ボルト未満のレドックス電位範囲を提供し；Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3およびＫ4はＮ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＣＨから成る群からそれぞれ別個に選択され；Ｌはリンカーであり；Ｘは、基材、基材と共有結合できる反応部位および基材とイオンにより結合できる部位から成る群から選択される。好ましい実施態様では、ＸまたはＬ−Ｘはアルコールまたはチオールである。いくつかの実施態様では、Ｌ−Ｘは除去されていてもよいが、Ｓ1またはＳ2と同じ群からそれぞれ別個に選択される置換基で置換されてあってもよい。
【００７９】
本発明のメモリー装置で用いられるレドックス活性を有する分子のレドックス活性ユニットのホール保存特性およびホールホッピング特性を制御することによって、メモリー装置の構造に対して精密な制御が可能になる。
そのような制御は合成デザインにより演習することができる。ホール保存特性は、本発明の装置で用いられる保存媒体の組み立てに用いられるレドックス活性ユニットまたはサブユニットの酸化電位に左右される。ホール保存特性およびレドックス電位は、ベース分子、結合金属および周辺置換基の選択によって精密に調整することができる（Yang et al. (1999) J. Porphyrins Phthalocyanines, 3:117-147）。
【００８０】
例えばポルフィリンの場合、ＭｇポルフィリンはＺｎポルフィリンよりも容易に酸化され、電子を引き寄せるか、または電子を放出するアリール基は予想可能な態様で酸化特性を調節することができる。ホールホッピングはナノ構造の等エネルギーポルフィリン間で発生し、ポルフィリンと結合する共有結合リンカーを介して仲介される（Seth et al. (1994) J. Am. Chem. Soc., 116:10578-10592;Seth et al. (1996) J. Am. Chem. Soc., 118:11194-11207;Strachan et al. (1997) J. Am. Chem. Soc., 119:11191-11201;Li et al. (1997) J. Matter. Chem., 7:1245-1262;Strachan et al. (1998) Inorg. Chem., 37:1191-1201;Yang et al. (1999) J. Am. Chem. Soc., 121:4008-4018）。
【００８１】
予想されるレドックス電位をもつ化合物のデザインは当業者には周知である。一般的には、レドックス活性を有するユニットまたはサブユニットの酸化電位は当業者には周知で、例えば以下の文献で見出すことができる：Handbook of Electrochemistry of the Elements。さらにまた、一般的にある分子のレドックス電位における種々の置換基の影響は累積的である。したがって、いずれの潜在的データ保存分子の理論的酸化電位も容易に予測することができる。実際的酸化電位、特に情報保存分子または情報保存媒体の酸化電位は、標準的な方法にしたがって測定することができる。典型的には、酸化電位は、実験的に決定したベース分子の酸化電位を１つの置換基を保持するベース分子のそれと比較し、前記特定の置換基による電位シフトを決定することによって予測される。したがって、対応する置換基に対するそのような置換基依存電位シフトの総計によって酸化電位の予測が得られる。
種々の好ましいレドックス活性分子およびそれらの合成は、米国特許６，２７２，０３８；６，２１２，０９３および６，２０８，５５３並びにＰＣＴ公開公報ＷＯ０１／０３１２６に詳細に記載されている。
【００８２】
センサー／アッセイへの応用
本発明のマルチ電極モルホールまたはモルホールアレーは、例えば種々の生物分析に応用されるセンサーの成分としてもまた適切である。本構造は、実質的に任意の分析物（タンパク質、ＤＮＡ、糖類、炭水化物、細胞などを含むが、ただしこれらに限定されない）の誘導および探知に適している。本電気化学的セルアレーは、電気的活性を有する多数の分析物または間接的検出方式による電気的に不活性の分析物の高処理分析方式に特に適切である。本デザインは、現存のオンチップミクロ流動体システムと容易に一体化できる。
【００８３】
そのような実施態様では、指示電極に結合された分子は好ましくは結合パートナーである。本明細書で用いられるように、“結合パートナー”または“結合ペア”のメンバーという用語は、特異的に他の分子と結合して結合複合体（例えば抗体−抗原、レクチン−炭水化物、核酸−核酸、ビオチン−アビジンなど）を形成する分子または組成物を指す。したがって、特に好ましい結合パートナーには、抗体、核酸、タンパク質、レクチン、レセプターなどが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
【００８４】
前記結合パートナーは本発明の方法にしたがってモルホールまたは溝内の電極に結合されるとき、前記結合パートナーを用いて標的分析物を捕捉（結合）し、さらにそれによって前記分析物を固定することができる。結合分析物の存在は続いて多様な任意の手段によって検出することができる。例えば、特に結合パートナーが電極に電気的に結合される場合は、標的分析物の結合は電気化学的方法（例えばサイクリック／正弦曲線ボルタンメトリー、インピーダンススペクトロメトリー、クーロメトリーなど）を用いて検出できる。
電気化学的方法を用いた結合標的分析物の検出は、米国特許５，６５０，０６１；５，９５８，２１５および６，２９４，３９２に詳細に記載されている。
【００８５】
他のアプローチを用いて結合した標的分析物を検出してもよい。そのようなアプローチには、競合アッセイ様式が含まれるが、ただしこれに限定されない。前記競合アッセイ方式では、結合した標的分析物は、先に結合している標的（例えば標識標的）と置換され遊離された標的量が測定され、標的分析物の存在または量が示される。他のアッセイ様式にはサンドイッチアッセイが含まれるが、ただしこれに限定されない。前記サンドイッチアッセイでは、標的分析物は、結合パートナーと結合した後、それ自体は続いて第二の分子（例えば標的分析物の全てまたは一部分に特異的な抗体）によって結合される。続いて前記結合した第二の分子を検出し、結合分析物の測定が得られる。これらのアッセイ様式は単なる例示であって、限定を意図するものではない。ここに示した開示を用いて他のアッセイ様式を当業者は容易に開発することができよう。
【００８６】
各モルホールにただ１つの結合パートナー種を結合させてもよいし、また別には複数の結合パートナーを各モルホールに結合させてもよい。同様に、モルホールアレー内で結合パートナーを含む全てのモルホールは同じ結合パートナー種を含んでいてもよいし、また異なるモルホールは異なる結合パートナーを含むこともできる。ある種の好ましいモルホールアレーは少なくとも２つ、好ましくは少なくとも５つ、より好ましくは少なくとも１０、もっとも好ましくは少なくとも２０、５０、１００または１０００の異なる結合パートナーを含む。複数の結合パートナーが用いられる場合は、それによって形成されるセンサーは多数の異なる分析物を検出することができる。そのような多種分析物センサーは特に複雑な分析、または種々の高処理スクリーニングシステムに非常に適している。
【００８７】
本モルホールまたはモルホールアレーは、サンプルが適用される容器、または容器の成分、または表面として製作することができる。前記モルホールまたはモルホールアレーはまた、一体化された検出および分析システムの固定された成分であってもよいし、取り外し可能な“カセット”であってもよい。
本発明の前記モルホールもしくはモルホールアレー、または溝もしくは溝のアレーは、迅速スクリーニングのために“チップベース”様式に有機分子（例えば結合パートナー）を取り込むために特に適切である。種々の“ラブ−オン−チップ（lab on a chip）”様式が当業者には周知で（例えば以下を参照されたい：米国特許６，１３２，６８５、６，１２３，７９８、６，１０７，０４４、６，１００，５４１、６，０９０，２５１、６，０８６，８２５、６，０８６，７４０、６，０７４，７２５、６，０７１，４７８、６，０６８，７５２、６，０４８，４９８、６，０４６，０５６、６，０４２，７１０および６，０４２，７０９）、本発明の方法に容易に応用することができる。
【００８８】
好ましい結合パートナーは標的分析物に特異的に結合する。“特異的に結合する”という用語は、本明細書で用いられるように結合パートナー（例えばタンパク質、核酸、抗体など）に関するときは、分子（例えばタンパク質および他の生物学的物質）の不均一集団内の標的分析物の存在を決定する結合反応を指す。したがって、指定条件下（例えば抗体の場合における免疫アッセイ条件、または核酸の場合におけるストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下）では、特有のリガンドまたは抗体はその固有の“標的”（例えばタンパク質または核酸）と結合し、他の分子とは顕著な量では結合しない。
【００８９】
本発明で用いられる結合パートナーは、特定／定量されるべき標的を基準にして選択される。したがって、例えば標的が核酸の場合、結合パートナーは好ましくは核酸または核酸結合タンパク質である。標的がタンパク質の場合、結合パートナーは好ましくはレセプター、リガンド、または前記タンパク質と特異的に結合する抗体である。標的が糖または糖タンパク質である場合、結合パートナーは好ましくはレクチンなどである。
適切な結合パートナー（捕捉物質）には、核酸、タンパク質、レセプター結合タンパク質、核酸結合タンパク質、レクチン、糖、糖タンパク質、抗体、脂質などが含まれるが、ただしこれらに限定されない。そのような結合パートナーの合成または単離方法は当業者には周知である。当業者に周知の標準的な方法を用いて結合パートナーを容易に誘導してチオールまたはアルコールを保持させることができる。結合パートナーが抗体またはタンパク質である場合、システイン（前記が存在する場合）が容易に利用することができるチオール基を提供することは特記されよう。
【００９０】
結合パートナー（捕捉物質）の調製
核酸
本発明で結合パートナーとして使用される核酸は、当業者に周知の多数の方法のいずれかにしたがって製造または単離できる。ある実施態様では、核酸は単離された天然に存在する核酸（例えばゲノムＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡなど）であろう。天然に存在する核酸の単離方法は当業者には周知である（例えば以下を参照されたい：Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning -A Laboratory Manual (2nd Ed.), Vol. 2-3, Cold Spring Habor Laboratory , Cold Spring Harbor, New York）。
【００９１】
しかしながら、好ましい実施態様では、核酸は、例えば化学的合成により新規（de novo）に合成される。好ましい実施態様では、核酸（例えばオリゴヌクレオチド）は、Beaucage & Caruthers(TetrahedronLetts., 22(20):1859-1862 (1981)）が記載した固相ホスホルアミダイト三エステル法によるか、またはNeedham-VanDevanterら(Nucleic Acids Res., 12:6159-6168 (1984)）が記載した自動合成装置を用いて化学的に合成される。オリゴヌクレオチドの精製（必要な場合）は、典型的には非変性アクリルアミドゲル電気泳動または陰イオン交換ＨＰＬＣ（Pearson & Regnier (1983) J. Chrom. 255:137-149）のいずれかによって実施される。
合成オリゴヌクレオチドの配列は、Maxam & Gilbert(in Grossman & Moldave (eds.) Academic Press, New York, Meth. Enzymol. 65:499-560）の化学分解法を用いて実証することができる。
【００９２】
抗体／抗体フラグメント
結合パートナー（捕捉物質）として使用する抗体または抗体フラグメントは、当業者によく知られている多数の方法によって製造できる（例えば以下を参照されたい：Harlow & Lane (1988) Antibodies: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory;Asai (1993) Methods in Cell Biology Vol.37: Antibodies in Cell Biology, Academic Press, Inc. N.Y.）。あるアプローチでは、前記抗体は、認識／捕捉させようとするエピトープを含む免疫原で動物（例えばウサギ）を免疫することによって製造される。多数の免疫原を用いて特異的に反応する抗体を製造することができる。リコンビナントタンパク質は、モノクローナルまたはポリクローナル抗体の製造に好ましい免疫原である。天然に存在するタンパク質もまた精製形または非精製形で用いることができる。合成ペプチドもまた標準的なペプチドの合成化学を用いて製造することができる（例えば以下を参照されたい：Barany & Merrifield, Solid-Phase Peptide Synthesis; pp. 3-284 in The Peptides: Analysis, Synthesis, Biology. Vol.2:Special Methods in Peptide Synthesis, Part A.; Merrifield et al. (1963) J. Am. Chem. Soc., 85:2149-2156;Stewart et al. (1984) Solid Phase Peptide Synthesis, 2nd ed. Pierce Chem. Co., Rockford, Ill.）。
【００９３】
ポリクローナル抗体の製造方法は当業者には周知である。簡単に記せば、免疫原（好ましくは精製された細胞骨格成分）をアジュバントと混合し、動物を免疫する。試験採血を実施し、前記細胞骨格成分およびテスト組成物に対する反応性力価を測定することによって、前記免疫原調製物に対する前記動物の免疫反応をモニターする。前記免疫原に対して適切な高力価抗体が得られたとき、血液を動物から採取して抗血清を調製する。所望する場合には、前記細胞骨格成分に反応する抗体を濃縮するために抗血清をさらに分画することができる（上掲書（Harlow & Lane）参照）。
【００９４】
モノクローナル抗体は当業者に周知の種々の技術によって得ることができる。簡単に記せば、所望の抗原で免疫した動物に由来する脾臓細胞を不死化する（一般的にはミエローマ細胞との融合による（Kohler & Milstein (1976) Eur. J. Immunol. 6:511-519)）。不死化のまた別の方法にはエプスタイン＝バーウイルス、オンコジーンもしくはレトロウイルスによる形質転換、または当業界で周知の他の方法が含まれる。ただ１つの不死化細胞から生じたコロニーを、前記抗原に対する所望の特異性および親和性をもつ抗体の産生についてスクリーニングする。そのような細胞によって産生されるモノクローナル抗体の収量は種々の技術（脊椎動物ホストの腹腔内に注入することを含む）によって増強することができる。また別には、Huseら(Science, 246:1275-1281）によって概略された一般的プロトコルにしたがって、ヒトＢ細胞のＤＮＡライブラリーをスクリーニングすることによって、モノクローナル抗体またはその結合フラグメントをコードするＤＮＡ配列を単離することができる。
【００９５】
ファージディスプレー技術を用いて、抗体フラグメント、例えば単鎖抗体（ｓｃＦｖまたは他のもの）もまた製造／選別することができる。細菌に感染することができるウイルス（バクテリオファージまたはファージ）の表面で抗体フラグメントを発現させる能力は、１０10より大きいライブラリーからただ１つの結合抗体フラグメントを単離することを可能にする。ファージ表面で抗体フラグメントを発現させるために（ファージディスプレー）、抗体フラグメント遺伝子をファージの表面タンパク質（ｐＩＩＩ）をコードする遺伝子に挿入し、前記抗体フラグメント−ｐＩＩＩ融合タンパク質をファージ表面にディスプレーさせる（McCafferty et al. (1990) Nature, 348:552-554;Hoogenboom et al. (1991) Nucleic Acids Res. 19:4133-4137）。
【００９６】
ファージ表面の抗体フラグメントは機能を有するので、抗原結合抗体フラグメントを担持するファージを非結合ファージから抗原アフィニティークロマトグラフィーによって分離することができる（McCafferty et al. (1990) Nature, 348:552-554）。抗体フラグメントの親和性に応じて、２０倍から１，０００，０００倍の濃縮率がただ１回のアフィニティー選別で得られる。しかしながら溶出ファージを細菌に感染させることによって、より多くのファージを増殖させ、さらにもう１回の選別を実施できる。このようにして、１回で１０００倍の濃縮を２回の選別で１，０００，０００倍にすることができる（McCafferty et al. (1990) Nature, 348:552-554）。したがって濃縮が低いときですら（Marks et al. (1991) J. Mol. Biol. 222:581-597）、多数回のアフィニティー選別によって稀少ファージの単離を達成することができる。抗原によるファージ抗体ライブラリーの選別は濃縮をもたらすので、わずかに３から４回の選別後に大半のクローンが抗原と結合する。したがって、比較的少数のクローン（数百）を抗原との結合について分析する必要があるだけである。
【００９７】
ヒト抗体は、非常に大きくさらに多様なＶ−遺伝子レパートリーをファージ上でディスプレーすることによって前免疫を実施することなく産生することができる（Marks et al. (1991) J. Mol. Biol. 222:581-597）。ある実施態様では、ヒトの末梢血リンパ球に存在する天然のＶHおよびＶLレパートリーが、免疫を実施されていないドナーからＰＣＲによって単離された。ＰＣＲを用いてＶ遺伝子レパートリーをランダムに一緒にスプライスし、ｓｃＦＶ遺伝子レパートリーを作製した。前記ｓｃＦｖ遺伝子レパートリーをファージベクターでクローニングし、３０，０００，０００のファージ抗体ライブラリーを作製した（上掲書）。このただ１つの“未感作（naive）”ファージ抗体ライブラリーから、１７を越える異なる抗原（ハプテン、多糖類およびタンパク質を含む）に対して結合抗体フラグメントが単離された（Marks et al. (1991) J. Mol. Biol. 222:581-597;Marks et al. (1993) Bio/Technology, 10:779-783;Griffiths et al. (1993) EMBO J. 12:725-734;Clackson et al. (1991) Nature, 352:624-628）。抗体は、自己タンパク質（サイログロブリン、免疫グロブリン、腫瘍壊死因子およびＣＥＡを含む）に対して作製された（Griffiths et al. (1993) EMBO J. 12:725-734）。さらに、無傷の細胞で直接選別することによって、細胞表面抗原に対する抗体を単離することもまた可能である。前記抗体フラグメントは選別に使用される抗原に対して高度に特異的であり、１ｎＭから１００ｎＭの範囲で親和性を有する（Marks et al. (1991) J. Mol. Biol. 222:581-597;Griffiths et al. (1993) EMBO J. 12:725-734）。もっと大きなファージ抗体ライブラリーによって、さらに大きな比率の抗原に対してさらに高い結合親和性を有するさらに多くの抗体の単離が達成される。
【００９８】
結合タンパク質
ある実施態様では、結合パートナー（捕捉物質）は結合タンパク質であろう。適切な結合タンパク質には、レセプター（例えば細胞表面レセプター）、レセプターリガンド、サイトカイン、転写因子および他の核酸結合タンパク質、増殖因子などが含まれるが、ただしこれらに限定されない。
前記タンパク質は天然の供給源から単離するか、単離タンパク質から変異させるか、または新規に合成することができる。天然に存在するタンパク質を単離する手段は当業者には周知である。そのような方法には、硫安沈澱法、アフィニティーカラム、カラムクロマトグラフィー、ゲル電気泳動などを含む周知のタンパク質精製方法が含まれるが、ただしこれらに限定されない（全般的は以下を参照されたい：R. Scopes, (1982) Protein Purification, Springer-Verlag, N.Y.; Deutscher (1990) Methods in Enzymology Vol. 182: Guide to Protein Purification, Academic Press, Inc. N.Y.）。
前記タンパク質が可逆的に結合する場合、標的を担持しているアフィニティーカラムを用いてタンパク質のアフィニティー精製を実施することができる。また別には、タンパク質を遺伝子組換えによりＨＩＳ−タグとともに発現させ、Ｎｉ2+／ＮＴＡクロマトグラフィーを用いて精製してもよい。
【００９９】
また別の実施態様では、前記タンパク質はペプチドの標準的化学合成技術を用いて化学的に合成することができる。所望のサブ配列が比較的短い場合は、前記分子は連続した単一ポリペプチドとして合成することができる。より大きな分子が所望される場合は、サブ配列を別々に（１つまたは２つ以上のユニットとして）合成し、続いて一方の分子のアミノ末端と他方の分子のカルボキシ末端とを縮合させ、それによってペプチド結合を形成することによって融合させる。これは典型的には市販のペプチド合成装置で単一アミノ酸を結合するために用いられる化学反応と同じ反応を用いて達成される。
前記配列のＣ末端アミノ酸を不溶性支持体に結合し、続いて前記配列中の残余のアミノ酸を連続的に付加する固相合成は、本発明のポリペプチドの化学的合成のために好ましい方法である。固相合成のための技術は以下に記載されている：Barany & Merrifield, Solid-Phase Peptide Synthesis; pp. 3-284 in The Peptides: Analysis, Synthesis, Biology. Vol.2:Special Methods in Peptide Synthesis, Part A.; Merrifield et al. (1963) J. Am. Chem. Soc., 85:2149-2156;Stewart et al. (1984) Solid Phase Peptide Synthesis, 2nd ed. Pierce Chem. Co., Rockford, Ill。
【０１００】
好ましい実施態様では、前記はまたリコンビナントＤＮＡ技術を用いて合成することができる。一般的には前記技術は以下の工程を含む：前記結合タンパク質をコードするＤＮＡ配列を作製し、前記ＤＮＡを固有のプロモーターの制御下で発現カセットに挿入し、前記タンパク質をホスト内で発現させ、前記発現タンパク質を精製し、さらに所望の場合は前記タンパク質を天然形に復帰させる。
【０１０１】
本発明の結合タンパク質をコードするＤＮＡまたはサブ配列は、上記で述べた適切な方法のいずれかによって調製することができる。前記方法には例えば以下が含まれる：適切な配列のクローニングおよび制限消化、または以下のような方法による直接的化学合成：ホスホトリエステル法（Narang et al. (1979) Meth. Enzymol. 68:90-99)、ホスホシ゛エステル法(Brown et al. (1979) Meth. Enzymol. 68:109-151）、ジエチルホスホルアミダイト法（Beaucage et al. (1981) Tetra. Lett., 22:1859-1862)および固相法(米国特許4,458,066）。
【０１０２】
所望の結合タンパク質をコードする核酸配列は以下を含む多様なホスト細胞で発現させることができる：大腸菌（E. coli）、他の細菌性ホスト、酵母および種々の高等真核細胞、例えばＣＯＳ、ＣＨＯおよびＨｅｌａ細胞株並びにメラノーマ細胞株。リコンビナントタンパク質の遺伝子は各ホストにとって適切な発現制御配列に機能的に連結されるであろう。大腸菌の場合、前記制御配列にはプロモーター（例えばＴ７７、ｔｒｐまたはラムダプロモーター）、リボソーム結合部位および好ましくは転写終了シグナルが含まれる。真核細胞の場合、前記制御配列にはプロモーター、好ましくはエンハンサー（免疫グロブリン遺伝子、ＳＶ４０、サイトメガロウイルスなどに由来する）およびポリアデニル化配列が含まれ、さらにスプライスドナーおよびアクセプター配列も含むことができる。
【０１０３】
前記のプラスミドは選択したホスト細胞に周知の方法（例えば大腸菌には塩化カルシウム形質転換および哺乳類細胞にはリン酸カルシウム処理または電気穿孔）によって導入することができる。前記プラスミドによって形質転換した細胞は、前記プラスミドに含まれる遺伝子（例えばａｍｐ、ｇｐｔ、ｎｅｏおよびｈｙｇ遺伝子）によって付与される抗生物質耐性により選別することができる。
いったん発現されれば、前記リコンビナント結合タンパク質は上記に述べたように当業界で標準的な方法にしたがって精製することができる。
【０１０４】
糖および炭水化物
他の結合パートナーには糖および炭水化物が含まれる。糖および炭水化物は、天然の供給源から単離するか、酵素により合成するか、または化学的に合成することができる。特異的なオリゴ糖構造物の生成ルートは、それらをin vivoで製造する酵素（グリコシルトランスフェラーゼ）を介する。そのような酵素は、オリゴ糖のin vitro合成の場合、レジオ選択的または立体選択的触媒として使用することができる（Ichikawa et al. (1992) Anal. Biochem. 202:215-238）。シアリルトランスフェラーゼは、さらに別のグリコシルトランスフェラーゼと一緒に用いることができる。例えばシアリルトランスフェラーゼとガラクトシルトランスフェラーゼとを組み合わせて用いてもよい。所望のオリゴ糖構造物の合成にグリコシルトランスフェラーゼを使用する多数の方法が知られている。典型的な方法は例えば以下に記載されている：ＷＯ９６／３２４９１；Ito et al. (1993) Pure Appl. Chem. 65:753；米国特許５，３５２，６７０、５，３７４，５４１および５，５４５，５５３。前記酵素および基質は最初の反応混合物で一緒にするか、また別には、最初のグリコシルトランスフェラーゼサイクルがほぼ終了したときに直ちに、第二のグリコシルトランスフェラーゼサイクルのための酵素および試薬を前記反応混合物に添加してもよい。１つの容器で連続して２つのグリコシルトランスフェラーゼサイクルを実施することによって、全体的な収量は中間生成物種を単離する方法よりも改善される。
【０１０５】
化学的な合成方法は文献に記載されている（Zhang et al. (1999) J. Am. Chem. Soc., 121(4):734-753）。簡単に記せば、このアプローチでは、一組の糖ベース構築ブロックを作製し、各ブロックには前もって種々の保護基を付加しておく。前記構築ブロックを各保護基の反応性によって分類する。続いて、もっとも速い反応からもっとも遅い反応へと進行する間に所望の化合物が生成されるようにどの構築ブロックを反応に付加しなければならないかをコンピュータプログラムによって正確に決定する。
【０１０６】
キット
別の実施態様では、本発明は、本発明のモルホール、モルホールアレー、溝または溝アレーを組み立てるキットを提供する。好ましい実施態様では、前記キットは、各モルホールまたは溝の中に２つまたは３つ以上の導体を含むモルホール、モルホールアレー、溝または溝アレーを提供する（この場合前記導体は分子（例えばレドックス活性を有する種または結合パートナー）と結合されていない）。そのようなキットは、場合によって１つまたは２つ以上の分子（例えばレドックス活性を有する種または結合パートナー）をモルホールまたは溝に結合させるために含んでいる。
ある種のキットは分子メモリーエレメントを提供する。前記エレメントは、モルホール内の指示電極に結合されたレドックス活性を有する分子を有するモルホールを含むモルホールアレーを含んでいる。
【０１０７】
本明細書に記載した例および実施態様は単に例示を目的とし、前記の例および実施態様を参考に種々の改変および変更が当業者には容易に推測され、それらは本発明の範囲内に包含されることは理解されよう。本明細書に引用した全ての刊行物、特許および特許出願は援用されてその全体を本明細書の一部とする。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】三次元モルホールアレーの一実施態様を示す。
【図２】１つのモルホールアレーから３つのモルホールの断面図を示す。
【図３】１つのモルホールアレーから３つのモルホールの俯瞰図を示す。この場合、３つのモルホールはいずれも１つの共通のカウンター電極（１６）を共有し、各モルホールは個々の指示電極（１４）を有する。
【図４】１つのモルホールアレーから３つのモルホールの俯瞰図を示す。この場合、各モルホールは個々のカウンター電極（１６）を共有し、さらに各モルホールは個々の指示電極（１４）を有する。
【図５】本発明にしたがって作製された溝を示す。
【図６】本発明の分子ウェルが埋め込まれた構造物を製造するための形成方法を示す。
【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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【国際調査報告】
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