(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷担体を伝導するように構成されたチャネルと、
前記チャネルに分布させるための電荷担体を生成するように構成された電荷担体発生器と、
を備えた装置であって、
電荷担体を伝導するように構成されたチャネルに電荷担体を分布させる前記電荷担体発生器によって、共鳴エネルギー移動を変更することにより、チャネル内の多数電荷担体の分布を変更する、
装置。
【請求項２】
前記生成された電荷担体は、第１の電荷担体および第２の電荷担体を含み、
前記電荷担体発生器は、前記第１の電荷担体を捕捉するように、しかし、前記第２の電荷担体は捕捉しないように構成され、
前記第２の電荷担体は前記チャネルに分布している、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電荷担体発生器は、前記チャネルに分布させるための電荷担体を光生成するように構成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記電荷担体発生器が、少なくとも１つの変更可能な機能を含み、
駆動のとき前記変更可能な機能が、第１の構成と第２の構成の間で変化し、
前記変更可能な機能の構成変化が、共鳴エネルギー移動を制御する、
請求項１、２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記駆動の前の変更可能な機能は、共鳴エネルギー移動をさせるように構成されており、
前記駆動が共鳴エネルギー移動を不可能にする、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記駆動の前の変更可能な機能は、共鳴エネルギー移動をさせないように構成されており、
前記駆動が共鳴エネルギー移動を可能にする、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記電荷担体発生器が、前記チャネルの仕事関数と不整合である仕事関数を有する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記電荷担体発生器が、複数の量子ドットを備える、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記量子ドットの各々が、共鳴エネルギー移動を制御するための複数の変更可能な機能化を備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記変更可能な機能の少なくともいくつかは、キャッピング剤を用いて安定化される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記チャネルは、炭素材料から形成されている、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記電荷担体発生器における共鳴エネルギー移動を加減する被分析物のセンサーとして動作するように構成された、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
電荷担体を伝導するように構成されたチャネルに電荷担体を分布させる電荷担体発生器によって、共鳴エネルギー移動を変更することにより、チャネル内の多数電荷担体の分布を変更するステップを含む方法。
【請求項１４】
特定の被分析物の存在の結果としてもたらされる共鳴エネルギー移動の変更を検出するために前記チャネルの伝導度を測定するステップをさらに含む、請求項１３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、チャネルに電荷担体を制御可能な形で分布させるための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかの電子装置は、チャネルに電荷担体を制御可能な形で分布させるように構成されている。こうしてチャネルの電気伝導度の後続する変化を測定することができる。
【０００３】
このような装置は、例えば、光検出器として使用することができる。
【０００４】
例えば、有機または無機化合物などの物理的被分析物を検出するために装置を使用することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
本発明のさまざまな、ただし必ずしも全てではない実施形態によると、電荷担体を伝導するように構成されたチャネルと、チャネルに分布させるための電荷担体を生成するように構成され、共鳴エネルギー移動用に構成されている電荷担体発生器と、を備えた装置が提供される。
【０００６】
本発明のさまざまな、ただし必ずしも全てではない実施形態によると、チャネルに電荷担体を分布させる電荷担体発生器による共鳴エネルギー移動を変更することによりチャネル内の多数電荷担体の分布を変更するステップを含む、方法が提供されている。
【０００７】
本発明のさまざまな、ただし必ずしも全てではない実施形態によると、添付クレーム内で請求されているような実施例が提供されている。
【０００８】
簡単な説明を理解するために有用であるさまざまな実施例をより良く把握する目的で、ここで、単なる一例として添付図面の参照が指示される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】方法の一実施例を示す。
【図２】チャネルおよび電荷担体発生器を備えた装置の一実施例を示す。
【図３Ａ】電荷担体発生器が第１の構成にある場合の装置の動作を例示する。
【図３Ｂ】電荷担体発生器が第１の構成にある場合の装置の動作を例示する。
【図４】電荷担体発生器が第１の構成とは異なる第２の構成にある場合の装置の動作を例示する。
【図５】チャネルと、共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）用に構成された電荷担体発生器とを備えた装置の一実施例を示す。
【図６Ａ】第１の構成（図６Ａ）および第２の構成（図６Ｂ）における電荷担体発生器の機能化された量子ドットの一実施例を示す。
【図６Ｂ】第１の構成（図６Ａ）および第２の構成（図６Ｂ）における電荷担体発生器の機能化された量子ドットの一実施例を示す。
【図７Ａ】第１の構成（図７Ａ）および第２の構成（図７Ｂ）における電荷担体発生器の機能化された量子ドットの一実施例を示す。
【図７Ｂ】第１の構成（図７Ａ）および第２の構成（図７Ｂ）における電荷担体発生器の機能化された量子ドットの一実施例を示す。
【図８Ａ】図５に示されている装置に対する、例えばそれぞれの図６Ａおよび６Ｂで示されている機能化された量子ドットの適用を例示する。
【図８Ｂ】図５に示されている装置に対する、例えばそれぞれの図６Ａおよび６Ｂで示されている機能化された量子ドットの適用を例示する。
【図９Ａ】図５に示されている装置に対する、例えばそれぞれの図７Ａおよび７Ｂで示されている機能化された量子ドットの適用を例示する。
【図９Ｂ】図５に示されている装置に対する、例えばそれぞれの図７Ａおよび７Ｂで示されている機能化された量子ドットの適用を例示する。
【図１０】方法の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明は、チャネル４の電気伝導度が、共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）の変更の帰結として変更される実施例について記載している。チャネル４の電気伝導度を制御するプロセスは、例えば共鳴エネルギー移動をオン切替えするか、または、共鳴エネルギー移動をオフ切替することによって共鳴エネルギー移動を変更することで中断させることができる。共鳴エネルギー移動は、ＲＥＴアクセプター部分についての吸収スペクトルと重複するＲＥＴドナー部分についての発光スペクトルを有する、極めて近接した状態にある複数の部分間でエネルギーを移動させるプロセスである。したがって共鳴エネルギー移動は、このような部分の追加または除去を制御することによって制御可能である。
【００１１】
本発明は同様に、被分析物の存在についての検出器としても応用することができる。被分析物は、例えば、ＲＥＴドナーまたはＲＥＴアクセプターとして動作する部分であることができ、あるいは、ＲＥＴドナーまたはＲＥＴアクセプターとして動作する部分でラベル付けされることもできる。代替的には、被分析物は、ＲＥＴを可能にするか、または、ＲＥＴを不可能にする、あるいは他の形でＲＥＴの効率に影響を及ぼす部分であることができる。このような検出器は、検出が容易で、干渉を受けることが少なく、高い信号対雑音比を有するチャネル４の電気伝導度の変化を介して被分析物の存在を検出することができることから、極めて有利である。
【００１２】
図１は、方法１００の一実施例を示す。この方法は、ブロック１０２において、チャネル４に電荷担体６を分布させる電荷担体発生器２により共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）を変更することによって、チャネル４内の電荷担体６の分布を変更するステップを含む。
【００１３】
図２は、チャネル４と電荷担体発生器２を備えた装置１０の一実施例を示す。チャネル４は、電荷担体６を伝導するように構成され、電荷担体発生器２は、チャネル４に分布させるための電荷担体を生成するように構成されている。電荷担体発生器２はさらに、共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）用に構成されている。
【００１４】
装置１０の動作例は、図３Ａおよび３Ｂおよび４中に示されている。図３Ａおよび３Ｂは、電荷担体発生器２が第１の構成にある場合の装置１０の動作を示し、図４は、電荷担体発生器２が第１の構成とは異なる第２の構成にある場合の装置１０の動作を例示する。
【００１５】
図３Ａを参照すると、活性化１２が、電荷担体６の形成（電荷担体対の形成）のための刺激を提供する。この実施例では、電荷担体６は、電子（ｅ）または正孔（ｈ）である。活性化１２は例えば、結果として、電荷担体発生器２内でより低いエネルギー準位からより高いエネルギー準位への電子の昇格をもたらす。
【００１６】
図３Ｂに示されているように、電荷担体６は、電荷担体発生器２とチャネル４の間の境界を横断して移動することができる。この運動は、チャネル４内の電荷担体の分布密度を変更し、チャネル４の電気伝導度を変更する。例示された実施例において、電子６は、電荷担体発生器２内に保持され、正孔６は、境界を横断してチャネル４まで移動する。保持された電荷担体はチャネル４をゲートし、チャネル４の伝導度を静電的に変更する。このゲーティング効果は、保持された電荷担体の安定性のためしばらくの間持続することができる。
【００１７】
したがって、第１の構成において、チャネル４の電気伝導度を変更する電荷担体６を生成するために、電荷担体発生器２が活性化１２に対し応答することが認識される。
【００１８】
一例としては、電荷担体発生器２とチャネル４の間のバンド・オフセットが、活性化１２により形成された励起子をイオン化するように作用する局所電場を形成する。１つの電荷担体、つまりこの例では正孔は、（電場によって）チャネル４内に引きつけられ、相補的担体は電荷担体発生器２内にとどまる。残留する相補的担体は、チャネル４をゲートして、チャネル４の伝導度を静電的に変更する。これにより、電流は、ソースおよびドレン電極間を流れることができるようになる可能性がある。
【００１９】
利得＝電荷担体発生器２内の保持された電荷の寿命／チャネルを通る電荷担体の移動時間、である。
【００２０】
したがって、電荷担体発生器２内の保持された電荷の寿命を延長することによって、およびチャネルを通る電荷担体の移動時間を短縮するチャネルの移動度を増大させることによって、利得を増加させることができる。
【００２１】
図４は、第２の構成において、電荷担体発生器２が、電荷担体６を生成するために活性化１２に対して応答しないことを示している。
【００２２】
必ずしも全てではないものの、いくつかの実施例において、電荷担体発生器２が第１の構成または第２の構成の一方にある場合、共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）が可能にされ、電荷担体発生器２が第１の構成および第２の構成のうちの他方にある場合、共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）は不可能にされる。
【００２３】
必ずしも全てではないもののいくつかの実施例において、ＲＥＴは、電荷担体生成を起こさせる手段を提供できる。ＲＥＴは、ドナーにより開始され、これが電荷担体生成をひき起こす。ドナーの除去はＲＥＴを阻害し、電荷担体生成を阻害する。生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）が、このタイプのＲＥＴの一例である。
【００２４】
必ずしも全てではないものの、いくつかの実施例において、ＲＥＴは、電荷担体生成に対する代替物を提供することができる。ＲＥＴは、アクセプターの添加により開始され、これは、電荷担体生成を阻害する。フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）がこのタイプのＲＥＴの一例である。
【００２５】
例えば、必ずしも全てではないものの、いくつかの実施例において、電荷担体発生器２が第１の構成にある場合、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）が可能にされ得る（図３Ａ）。電荷担体発生器２から生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナー部分を除去すると、電荷担体発生器２の構成は、第１の構成から第２の構成に変わり（図４）、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）は不可能にされる。この実施例において、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）は不可能にされる。この実施例において、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）は、電荷担体生成を起こす手段である。活性化１２は、生物発光を活性化する。
【００２６】
例えば、必ずしも全てではないものの、いくつかの実施例において、電荷担体発生器２が第１の構成にある場合（図３Ａ、３Ｂ）、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を不可能にすることができる。電荷担体発生器２にフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプター部分を添加すると、電荷担体発生器２の構成は第１の構成から第２の構成（図４）に変わり、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）が可能にされる。この実施例において、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）は、電荷担体生成に対する代替的な好ましい手段である。活性化１２は、電荷担体発生器２内で電荷担体６の光生成をさせるのに好適な波長の光子であることができる。
【００２７】
生成された電荷担体６が第１の電荷担体６（例えば電子）および第２の電荷担体（例えば正孔）を含むことが認識される。電荷担体発生器２は、第１の電荷担体（例えば電子）を捕捉するものの第２の電荷担体（例えば正孔）は捕捉しないように構成される。その帰結として、第２の電荷担体（例えば正孔）は、チャネル４に分布する。電荷担体発生器２は、チャネル４の仕事関数と整合しない仕事関数を有することができる。
【００２８】
図５は、前述のような装置１０の一実施例を示す。それは、電荷担体６を伝導するように構成されたチャネル４と、チャネル４に分布させるための電荷担体６を生成するように構成された電荷担体発生器２を備え、ここでこの電荷担体発生器２は、共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）用に構成されている。
【００２９】
この実施例において、チャネル４は、非常に高い電荷担体移動度を有する材料により提供される。この材料は、高い利得を生成するため電界効果に対する感応性も有することができる。好適な材料の一例は、グラフェンである。例えば、チャネル４として単層または２層のグラフェン２０を使用することができる。示された実施例において、グラフェン層２０は、誘電体基板２１上に支持される。
【００３０】
チャネル４のための他の好適な材料は、例えば、炭素材料、例えばグラフェン、還元された酸化グラフェン、炭素ナノ構造体、例えばカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）などを含む。
【００３１】
チャネルのための望ましい特長は、電界効果が高くなるようにする高い表面積対体積比（チャネル伝導度は容易に影響され得る）、チャネルを通る担体移動時間が短縮されるようにする高い電荷担体移動度（光伝導性利得は高い）、および雑音特性が良好となるようにする低い抵抗である。
【００３２】
この実施例において、電荷担体発生器２は、機能化された量子ドット２２を形成するためにすでに機能化されている可能性のある複数の量子ドット２４から形成される。機能化された量子ドット２２は、例えば機能性粒子であることができる。
【００３３】
しかしながら、他の実施例において、電荷担体発生器２は、光を強力に吸収して励起子を形成する部分であることができ、この励起子は、電荷担体発生器２とチャネル４の境界に形成された局所電場によってイオン化されてチャネル４に電荷を提供することができる。残留電荷は、チャネルを通した多くの相補的電荷担体の通過をゲートするのに充分長い間、この部分上にとどまっていなければならない。このような部分の例としては、有機染料（ルテニウム錯体）および２Ｄ材料、例えば二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）がある。
【００３４】
量子ドット２４は、例えば数百または数千個の原子のクラスタであることができる。原子は、二元化合物（例えばＰｂＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＮ、ＳｉＣ）または三元化合物（ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ．．．）内に配置可能である。
【００３５】
量子ドット２４は、１００ｎｍ未満のサイズを有することができ、いくつかの実施例においては、５０ｎｍまたは２０ｎｍ未満のサイズを有することができる。量子ドット２４の量子化エネルギー準位を制御し、量子ドット２４の光吸収エネルギーを微調整するために、量子ドット２４の寸法を制御することができる。
【００３６】
したがって、量子ドット２４は、それらのサイズ（量子閉じ込め）およびそれらの材料に応じて、異なる波長の光を吸収する。
【００３７】
図５の実施例において、電極２３は、チャネル４の伝導度を測定するため、またはその他の形でチャネル４内の電荷担体の分布の変化またはゲーティング電位の変化を検出するために、チャネル４に対し電気的に結合されている。
【００３８】
図６Ａおよび６Ｂは、第１の構成（図６Ａ）および第２の構成（図６Ｂ）での電荷担体発生器２の機能化された量子ドット２２の一例を示す。第１の構成において、機能化された量子ドット２２は、活性化１２を受け、電荷担体６を生成する。
【００３９】
生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）は、機能化された量子ドット２２が第１の構成にある場合（図６Ａ）に可能にされ、機能化された量子ドット２２が第２の構成にある場合（図６Ｂ）に不可能にされる。生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）は、電荷担体生成を起こすチャネルである。活性化１２は、生物発光を活性化する。
【００４０】
この実施例において、機能化された量子ドット２２は、変更可能な機能化２６を含む量子ドット２４を含む。特定の駆動時の変更可能な機能化２６は、図６Ａに示されている第１の構成から図６Ｂに示されている第２の構成まで変化する。
【００４１】
図６Ａの第１の構成において、第１の部分２８Ａおよび第２の部分２８Ｂは相互連結されている。第２の部分２８Ｂは、第１の部分２８Ａを介して量子ドット２４に連結され、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして動作する。
【００４２】
図６Ｂの第２の構成において、第１の部分２８Ａは、量子ドット２４に付着された状態にとどまるが、第２の部分２８Ｂは、第１の部分２８Ａから除去または分割されている。したがって、第２の部分２８Ｂは、もはや、量子ドット２４に対する生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして動作することができず、電荷担体生成は起こらない。
【００４３】
こうして、機能化された量子ドット２２からの生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナー部分２８Ｂの除去は、機能化された量子ドット２２の構成を第１の構成（図６Ａ）から第２の構成（図６Ｂ）へと変え、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）を不可能にして、電荷担体生成を阻害する。
【００４４】
図６Ａおよび６Ｂの説明では、第１の構成（図６Ａ）が第２の構成（図６Ｂ）に先行していることが仮定されていたが、他の実施例では、これに代って、第２の構成（図６Ｂ）から第１の構成（図６Ａ）への遷移が発生することができる。
【００４５】
したがって、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分であるか、または、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分をラベル付けする被分析物の存在を検出することが可能である。
【００４６】
図７Ａおよび７Ｂは、第１の構成（図７Ａ）および第２の構成（図７Ｂ）における電荷担体発生器２の機能化された量子ドット２２の一例を示す。第１の構成において、機能化された量子ドット２２は、活性化１２を受け、電荷担体６を生成する。
【００４７】
フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）は、電荷担体発生器２が第１の構成にある場合（図７Ａ）不可能にされ、機能化された量子ドット２２が第２の構成にある場合（図７Ｂ）可能にされる。活性化１２は、いかなるフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）も存在しない場合、第１の構成にある電荷担体発生器２内で電荷担体６の光生成をさせるのに好適な波長の光子であることができる。
【００４８】
この実施例において、機能化された量子ドット２２は、変更可能な機能化２６を含む量子ドット２４を含む。特定の駆動時の変更可能な機能化２６は、図７Ａに示されている第１の構成から図７Ｂに示されている第２の構成まで変化する。
【００４９】
図７Ａの第１の構成において、変更可能な機能化２６は、量子ドット２４に付着された第１の部分２８Ａを含む。第２の部分２８Ｂは、第１の部分２８Ａに付着されていない。
【００５０】
図７Ｂの第２の構成において、変更可能な機能化２６は、第２の部分２８Ｂと相互連結された第１の部分２８Ａを含む。第２の部分２８Ｂは、第１の部分２８Ａを介して量子ドット２４に連結され、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作する。第２の部分２８Ｂは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作し、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）は電荷担体生成に対する代替的な好ましいチャネルを提供しないことから、電荷担体生成は起こらない。
【００５１】
こうして、機能化された量子ドット２２に対するフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプター部分２８Ｂの添加は、機能化された量子ドット２２の構成を第１の構成（図７Ａ）から第２の構成（図７Ｂ）に変化させ、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を可能にして電荷担体生成を阻害する。
【００５２】
アクセプター部分２８Ｂ自体、チャネル４をゲートできる担体を形成しないように、アクセプター部分２８Ｂを選択することができる。すなわち、アクセプター部分は、例えば光子の発生を介して即座に放射崩壊する非常に短命の励起状態を有していなければならない。
【００５３】
図７Ａおよび７Ｂの説明では、第１の構成（図７Ａ）が第２の構成（図７Ｂ）に先行していることが仮定されていたが、他の実施例では、これに代って、第２の構成（図７Ｂ）から第１の構成（図７Ａ）への遷移が発生することができる。
【００５４】
したがって、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分であるか、または、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分をラベル付けする被分析物の存在を検出することが可能である。
【００５５】
図８Ａおよび８Ｂは、例えば、それぞれの図６Ａおよび６Ｂ内に示された機能化された量子ドット２２の、図５に示されている装置１０に対する応用を示す。
【００５６】
図８Ａおよび８Ｂにおいて、装置１０は、左側に示され、機能化された量子ドット２２は右側に示されている。この実施例では、第２の部分２８Ｂはルシフェラーゼである。
【００５７】
図８Ａの第１の構成において、プローブ（第１の部分２８Ａ）とルシフェラーゼ（第２の部分２８Ｂ）は相互連結されている。ルシフェラーゼ（第２の部分２８Ｂ）は、第１の部分２８Ａを介して量子ドット２４に連結され、電荷担体生成を可能にする生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして動作する。
【００５８】
図８Ｂの第２の構成において、プローブ（第１の部分２８Ａ）は、量子ドット２４に付着されるが、ルシフェラーゼ（第２の部分２８Ｂ）は、プローブ（第１の部分２８Ａ）に付着されていない。ルシフェラーゼ（第２の部分２８Ｂ）は、量子ドット２４に対する生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして作動せず、電荷担体生成は起こらない。
【００５９】
プローブ（第１の部分２８Ａ）からルシフェラーゼ（第２の部分２８Ｂ）を離脱させ、その構成を第１の構成（図８Ａ）から第２の構成（図８Ｂ）に変化させて、電荷担体生成を不可能にするための、作動として、プロテアーゼの添加を用いることができる。
【００６０】
チャネル４の電気コンダクタンスを測定するために、検出回路４０が使用される。検出回路は、例えば、電極２３間のチャネル４を通る電流を測定することができる。例えば、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分であるか、または、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分をラベル付けする被分析物の存在を検出するために、測定値の変化を使用することができる。
【００６１】
この実施例において、チャネル４は、ゲート２３を含む。誘電体基板２１によりチャネル４から分離されているゲート２３に対して電圧を印加するために、制御回路４２を使用することができる。ゲート２３に印加される電圧を制御することにより、チャネル４の多数担体タイプを変更することができ、チャネル４内の電荷担体の分布を制御できる。チャネル４は、電荷担体発生器がチャネル４に分布させる電荷担体を生成するときにゲート電極２３（ＦＥＴなど）により誘発される電界効果によって、一定の電荷担体分布をすでに有することができる。
【００６２】
図８Ａおよび８Ｂの実施例において、機能化された量子ドット２２は、第２の部分２８Ｂに結合するように設計された複数の分子捕捉プローブ（第１の部分）２８Ａを有するナノ粒子２４によって提供されるということも認識される。分子捕捉プローブ（第１の部分２８Ａ）のためのナノ粒子２４上の部位の少なくともいくつかは、キャッピング剤３３を用いて安定化される。キャッピング剤は、分散剤（概して、生体分子が変性しない水緩衝溶液）に応じて選択される。
【００６３】
図９Ａおよび９Ｂは、図５に示されている装置１０に対する、例えば、それぞれの図７Ａおよび７Ｂ中に示された機能化された量子ドット２２の適用を例示している。
【００６４】
図９Ａおよび９Ｂにおいて、装置１０は、左側に示され、機能化された量子ドットは右側に示されている。
【００６５】
図９Ａの第１の構成において、プローブ（第１の部分２８Ａ）は、量子ドット２４に付着されているが、第２の部分２８Ｂはプローブ（第２の部分２８Ａ）に付着されていない。第２の部分２８Ｂは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作せず、電荷担体生成が起こる。
【００６６】
図９Ｂの第２の構成においては、プローブ（第１の部分２８Ａ）および第２の部分２８Ｂが相互連結される。第２の部分２８Ｂは、第１の部分２８Ａを介して量子ドット２４に連結され、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作して、電荷担体生成を無効化する。ＦＲＥＴアクセプターは同様に光も発出する。
【００６７】
チャネル４の電気コンダクタンスを測定するために、検出回路４０が使用される。検出回路は、例えば、電極２３間のチャネル４を通る電流を測定することができる。例えば、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分であるか、または、第１の構成と第２の構成の間の遷移状態にある活性部分をラベル付けする被分析物の存在を検出するために、測定値の変化を使用することができる。
【００６８】
この実施例において、チャネル４は、ゲート２３を含む。誘電体基板２１によりチャネル４から分離されているゲート２３に対して電圧を印加するために、制御回路４２を使用することができる。ゲート２３に印加される電圧を制御することにより、チャネル４の多数担体タイプを変更することができ、チャネル４内の担体の分布を制御できる。
【００６９】
図９Ａおよび９Ｂの実施例において、機能化された量子ドット２２は、第２の部分２８Ｂに結合するように設計された複数の分子捕捉プローブ（第１の部分）２８Ａを有するナノ粒子２４によって提供されるということも理解される。分子捕捉プローブ（第１の部分２８Ａ）のためのナノ粒子２４上の部位の少なくともいくつかは、キャッピング剤３３を用いて安定化される。キャッピング剤は、分散剤（概して、生体分子が変性しない水緩衝溶液）に応じて選択される。
【００７０】
図１０は、図１に例示された方法１０の別の実施例を示している。図１に例示されるように、この方法は、チャネル４に電荷担体６を分布させる電荷担体発生器２による共鳴エネルギー移動（ＲＥＴ）を変更することによってチャネル４内の大部分の電荷担体６の分布が変更されるブロック１０２を含む。
【００７１】
この実施例において、方法１００は任意には、ブロック１０４も含むことができる。このブロックにおいて、図８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂに例示されている制御回路４２は、チャネル４内の大部分の電荷担体タイプおよび／または電荷担体密度を制御するために使用される。
【００７２】
方法１００は、任意には、特定の被分析物の存在の結果もたらされる共鳴エネルギー移動の変更を検出するために図８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂに例示された制御回路４０を使用してチャネル４の伝導度を測定するステップを含むブロック１０６も含むことができる。
【００７３】
装置１０は、ミラー、フィルターおよび検出器などの光学構成要素を使用することなく、ＲＥＴを利用するセンサーとして使用可能であることを認識すべきである。その結果として、装置１０は、はるかに単純で、より安価なものとなる。装置１０は携帯式であることができ、別の装置内に組み込むこともできる。
【００７４】
チャネル４の材料がグラフェンである場合、センサーは非常に感応性が高くなり、極めて低濃度の被分析物を測定する能力を有することができる。これは、グラフェン−量子ドットシステムの光伝導利得が非常に高いからである。
【００７５】
一実施例において、第２の部分２８Ｂであるか、または、第２の部分２８Ｂでラベル付けされている機能化された量子ドット２２からポリペプチド鎖の一部分を離脱させることにより、ポリペプチド鎖を破断して機能化された量子ドット２２の構成を変えるために、プロテアーゼまたは他の酵素を使用することができる。第２の部分２８Ｂは、フルオロフォアであることができ、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作し、その離脱は電荷担体生成を可能にする（図７Ａ）。代替的には、第２の部分２８Ｂは、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして動作し、その離脱は、電荷担体生成を無効化する（図６Ｂ）。
【００７６】
別の実施例においては、機能化された量子ドット２２に第２の部分２８Ｂを添加してその構成を変えるために、タンパク質キナーゼ、ポリメラーゼまたは他の酵素を使用することができる。第２の部分２８Ｂは、フルオロフォアであることができ、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作し、その付着は電荷担体生成を無効化する（図７Ｂ）。代替的には、第２の部分２８Ｂは、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして動作し、その付着は、電荷担体生成を可能にする（図６Ａ）。
【００７７】
ＦＲＥＴは、電荷担体発生器２が、アビジンのプローブ（付着した第１の部分２８Ａ）を有する複数の機能化された量子ドット２２を含む場合に発生することができる。これは、ストレプトアビジン共役量子ドット（ＱＤ）を用いて達成可能である。ビオチンでラベル付けされたキャプチャー・プローブおよびシアニン染料（例えばＣｙ５）でラベル付けされたレポーター・プローブが、標的ＤＮＡに対してハイブリダイズし、ビオチンおよびＣｙ５を含むサンドイッチ・ハイブリッドを形成する。ハイブリッドは、ハイブリッドのビオチンが機能化された量子ドット２２のアビジンと相互作用するにつれて、量子ドット２４の表面上に自己集合する。ハイブリッドは、第２の部分２８Ｂを形成し、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）アクセプターとして動作して、光を発出し、電荷担体の生成を防ぐ。活性化１２は、波長４８８ナノメートルのレーザーまたは青色ＬＥＤであることができる。第２の構成にある機能化された量子ドット２４は、ＦＲＥＴを介して、電荷担体６を生成する代りに、付着したハイブリッドを介して６７５ｎｍの光を発出する。
【００７８】
別の実施例では、５３０ｎｍの量子ドットが、各々Ｃｙ３およびシステイン９５（最大吸収約５５６ｎｍ、最大発光約５７０ｎｍ）でモノラベル付けされた約１０個のマルトース結合タンパク質（ＭＢＰ）を用いて機能化される。ＱＤ−１０ＭＢＰ−Ｃｙ３−β−ＣＤ−Ｃｙ３．５の機能化された量子ドット２２を形成するために、β−ＣＤ−Ｃｙ３．５（最大吸収約５７５ｎｍ、最大発光約５９５ｎｍ）が付着させられる。機能化された量子ドット２２の励起は、結果としてＭＢＰ−Ｃｙ３のＦＲＥＴ励起をもたらし、これが今度は、β−ＣＤ−Ｃｙ３．５をＦＲＥＴ励起する。添加されたマルトースはβ−ＣＤ−Ｃｙ３．５に置き換わり、Ｃｙ３発出の増大および電荷担体生成の変化を導く。
【００７９】
別の実施例では、生物発光共鳴エネルギー移動（ＢＲＥＴ）ドナーとして動作する第２の部分２８Ｂとして、生物発光タンパク質レニラ・ルシフェラーゼ（Ｌｕｃ８）を使用することができる。
【００８０】
一実施例によると、標的基質およびタグがＬｕｃ８に融合される。結果として得られた組合せは、Ｌｕｃ８錯体を量子ドット２４に近づけるタグを介して量子ドット２４を機能化する。（Ｎｉ２＋イオンの存在下で）Ｌｕｃ８基質コエレンテラジンの添加時点で、Ｌｕｃ８からの生物発光が起こり、ＢＲＥＴを可能にする。組合せ機能化は、例えば、量子ドットの構成を変化させ第２の部分２８Ｂを除去するために標的酵素を用いて標的基質を消化することによって、変更可能である（図６Ｂ）。
【００８１】
タグの一例は、ポリヒステジンであり、標的の一例は、マトリックス・メタロプロテイナーゼ（ＭＭＰ−２）である。
【００８２】
第１および第２の構成の間（いずれかの方向で）の遷移を制御するのに活性である被分析物の存在を検出することが可能であることが認識される。被分析物は、第２の部分２８Ｂの付着／離脱をひき起こすか、または、助長することができる。被分析物は、第２の部分２８Ｂの付着／離脱を防止または阻止することができる。被分析物は、第２の部分２８Ｂであるか、または、第２の部分２８Ｂをラベル付けすることができる。第２の部分２８Ｂは、ＢＲＥＴドナーとして動作できる。第２の部分２８Ｂは、ＦＲＥＴアクセプターとして動作できる。第１の部分２８Ａは、量子ドット２４に対する第２の部分２８Ｂの付着を可能にすることができる。
【００８３】
上述の実施例は、例えば有機化合物、無機化合物または種、水溶性分子、毒素、小分子爆薬、炭水化物、イオン種、生体分子、ＤＮＡ、タンパク質、ペプチドなどの物理的被分析物の検出において応用することができる。
【００８４】
いくつかの実施例において以上で説明した装置が、被分析物感応性のフォト・トランジスタとして動作することが認識される。
【００８５】
構造的特長が説明されている場合、この構造的特長の機能の１つ以上が明示的または暗示的に説明されているか否かに関わらず、これらの機能を行なうための手段によって、この構造的特長を置換することができる。
【００８６】
ここで使用される「モジュール」なる用語は、エンド・メーカーまたはユーザーにより追加されると考えられる、ある種の部品／構成要素を除くユニットまたは装置を意味する。装置１０は、モジュールであることができる。
【００８７】
「含む（備える）」なる用語は、本明細書中において、排他的ではなく包含的な意味で使用されている。すなわち、「Ｙを含む（備える）Ｘ」と述べる場合は、Ｘが１つのＹのみを含むこともできるし、あるいは、２つ以上のＹを含むこともできることを表わしている。排他的な意味で「含む（備える）」を使用することを意図する場合には、前後関係において、「１つの〜のみを含む」と言うか、または、「〜からなる」を使用することによって明確にされる。
【００８８】
この明細書中でさまざまな実施例について述べてきた。１つの実施例に関連した特長または機能の説明は、これらの特長または機能がその実施例中に存在することを表わす。本文中の「実施例（例）」または「例えば」、または「ｍａｙ（〜できる）」なる用語の使用は、明示的に供述されているか否かに関わらず、そのような特長または機能が、一例として記載されているか否かに関わらず、少なくともその記載された例中に存在すること、およびそれが、必然的にではなく、他の実施例（例）のいくつか、または、全ての中に存在し得ることを意味する。したがって、「実施例（例）」、「例えば」、「ｍａｙ（〜できる）」なる用語は、１クラスの実施例（例）中の特定のインスタンスを意味する。このインスタンスの一特性は、そのインスタンスのみの特性、あるいはクラスの特性、またはそのクラス内の全てではないもののいくつかのインスタンスを含むそのクラスのサブクラスの特性であり得る。したがって、別の例を参考にしてではなく１つの例を参考にして説明されている特長は、可能な場合、このもう一方の例において使用され得るが、必ずしもこのもう一方の例において使用されなければならないという訳ではない、ということが、暗示的に開示される。
【００８９】
本発明の実施形態について、先行する段落の中で説明してきたが、請求されている本発明の範囲から逸脱することなく、提供されている実施例に対する修正を加えることができるということを、理解すべきである。
【００９０】
以上の明細書中に記載された特長は、明示的に説明された組合せ以外の組合せでも使用可能である。
【００９１】
機能はある一定の特長を参考にして説明されてきたが、記載されているか否かに関わらず、これらの機能は他の特長によっても実行可能であり得る。
【００９２】
特長は、ある一定の実施形態を参考にして説明されてきたが、これらの特長は、記載されているか否かに関わらず、他の実施形態にも同様に存在することができる。
【００９３】
以上の明細書では特に重要であると考えられる本発明の特長に注意を喚起するように努めてきたが、本願出願人は、特に強調されてきたか否かに関わらず、以上で言及されたおよび／または図面中に示されたあらゆる特許性のある特長または特長の組合せに関して保護を請求することを理解すべきである。
【図１】
0006480574.tif 000002
【図２】
0006480574.tif 000003
【図３Ａ】
0006480574.tif 000004
【図３Ｂ】
0006480574.tif 000005
【図４】
0006480574.tif 000006
【図５】
0006480574.tif 000007
【図６Ａ】
0006480574.tif 000008
【図６Ｂ】
0006480574.tif 000009
【図７Ａ】
0006480574.tif 000010
【図７Ｂ】
0006480574.tif 000011
【図８Ａ】
0006480574.tif 000012
【図８Ｂ】
0006480574.tif 000013
【図９Ａ】
0006480574.tif 000014
【図９Ｂ】
0006480574.tif 000015
【図１０】
0006480574.tif 000016