(57)【要約】【課題】  現時点で利用可能な標準的なセンサよりもはるかに感度が高い化学的あるいは生物学的センサを提供する。【解決手段】  本発明によれば、センサ素子システム（１０）は、基材（１２）及び該基材に取り付けられた自立ナノワイヤアレイ（１６）を備えている。前記アレイは、個別の自立ナノワイヤを含み、該個別の自立ナノワイヤの各々は、第１端部（２４）と第２端部（２６）とを有する。いくつかの実施形態では、前記第１端部は基材に取り付けられ、前記第２端部は取り付けられていない。そのような個別の自立ナノワイヤは、第１端部を介して、他の個別の自立ナノワイヤと電気的に接続されるように構成されている。前記自立ナノワイヤアレイには、該アレイからの電気的な情報を受信するための信号測定装置（３８）が電気的に接続されている。幾つかの実施形態では、ナノワイヤアレイ中に電流を送るために電源（３８）を用いることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
自立ナノワイヤのアレイであって、該アレイが個別の自立ナノワイヤを含み、該個別の自立ナノワイヤがそれぞれ第１端部と第２端部とを有し、該第１端部が前記基材に取り付けられ、前記第２端部が前記基材に取り付けられておらず、前記個別の自立ナノワイヤが前記基材を介して他の個別の自立ナノワイヤと電気的に接続されるように構成されている前記自立ナノワイヤのアレイと、
前記自立ナノワイヤのアレイから電気的な情報を受信するために前記自立ナノワイヤのアレイに電気的に接続されている信号測定装置と、
を備えることを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
前記自立ナノワイヤのアレイに電流を導入するように構成されている電源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記基材上にコーティングされている導電層あるいは半導電層をさらに含み、前記自立ナノワイヤのアレイが前記導電層あるいは前記半導電層を介して前記基材に取り付けられており、前記導電層あるいは半導電層が、シリコン、ゲルマニウム、銀、金、酸化亜鉛、ヒ化ガリウム、酸化スズ、硫化カドミウム、テルル化ラジウム、セレン化カドミウム及びそれらの組み合わせからなる群から選択される物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記基材が導電性あるいは半導電性であり、前記基材がシリコン、ゲルマニウム、銀、金、酸化亜鉛、ヒ化ガリウム、酸化スズ、硫化カドミウム、テルル化ラジウム、セレン化カドミウム及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される物質を含む請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記自立ナノワイヤのアレイが、所定の分析物と相互作用する組成物によって機能化されている請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記組成物が、前記自立ナノワイヤのアレイに化学的に取り付けられているか、あるいは前記自立ナノワイヤのアレイ上に付着している請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記組成物が誘電体コーティングであり、それにより前記分析物が前記誘電体コーティングを介して前記ナノワイヤに引き付けられる際に、前記個別のナノワイヤに静電効果を与える請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記組成物が、所定の分析物によく反応する請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記自立ナノワイヤのアレイが、１０４〜１０１３ナノワイヤ／ｃｍ２の密度で前記基材上に存在し、前記自立ナノワイヤアレイの個別のナノワイヤが、それぞれ１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚みと、５０ｎｍ〜１００００００ｎｍの長さとを有する請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１０】
前記自立ナノワイヤのアレイが、金属物質、半導電性物質、圧電性物質及び絶縁性物質からなる群から選択される物質からなる請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１１】
検査流体が、前記自立ナノワイヤのアレイと接触することをさらに特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１２】
前記電気的な情報が、電流である請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１３】
前記基材に取り付けられている前記自立ナノワイヤのアレイが第１の静電プレートであり、前記センサ素子がさらに、静電システムを形成するために、前記第１の静電プレートに近接して配置されている、相対する第２の静電プレートを備えており、電流が適用される際に、流体環境の存在時に、前記第１の静電プレートと前記第２の静電プレートとが電気的に接続されるように前記静電システムが構成されている請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１４】
前記静電システムと実質的に同じ第２の静電システムをさらに備えており、該第２の静電システムも又、前記静電システムを前記第２の静電システムと比較する較差測定値を得ることができるチップあるいはコンピュータに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ素子。
【請求項１５】
前記相対する静電プレートが、前記基材に取り付けられている前記自立ナノワイヤのアレイと実質的に同じ構成である請求項１３に記載のセンサ素子。
【請求項１６】
前記基材及び前記自立ナノワイヤのアレイとそれぞれ実質的に同じように構成される第２の基材及び第２の自立ナノワイヤのアレイをさらに含み、該第２アレイも、前記アレイと前記第２アレイとのコンダクタンスを比較する較差測定値を得ることのできるチップあるいはコンピュータに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１７】
前記第２アレイ及び前記第２の基材を包囲する実質的に密封されたチャンバをさらに含み、該チャンバが、対照システムを提供する所定の流体雰囲気で満たされていることを特徴とする請求項１６に記載のセンサ素子。
【請求項１８】
前記第２の静電システムを包囲する実質的に密封されたチャンバをさらに含み、該チャンバが所定の流体雰囲気で満たされていることを特徴とする請求項１４に記載のセンサ素子。
【請求項１９】
検査流体環境内の分析物の存在を検出する方法であって、
請求項１から１２のいずれか１つに記載の素子を設けるステップと、
前記自立ナノワイヤのアレイを、前記分析物を含む疑いのある検査流体環境に曝すステップと、
前記検査流体環境に曝される際に、自立ナノワイヤの第１アレイによって与えられる電気的特性を測定するステップと、
を含むことを特徴とする分析物の存在を検出する方法。
【請求項２０】
互いに電気的に相互作用する個別のナノワイヤを有しており、且つ信号測定装置に電気的に接続されている前記自立ナノワイヤの第２アレイを設けるステップと、
前記自立ナノワイヤの第２アレイを対照流体環境に曝すステップと、
前記対照流体環境に曝される際に、前記自立ナノワイヤの第２アレイによって与えられる電気的特性と前記自立ナノワイヤのアレイによって与えられる電気的特性とを比較するステップであって、それにより較差測定値が与えられる前記比較するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記自立ナノワイヤの第２アレイも又、前記分析物と相互作用するように構成されており、且つ前記対照流体環境が、前記分析物を含まないことがわかっているか、又はある一定の濃度の前記分析物を有することがわかっており、それにより前記比較するステップのための基準が与えられる請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記自立ナノワイヤの第２アレイが前記分析物と相互作用しないように構成されており、且つ前記対照流体環境及び前記検査流体環境が実質的に同じ流体組成物であり、それにより前記比較するステップのための基準を与える請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、化学的及び生物学的分析に関する。より詳細には、本発明は自立ナノワイヤセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学的分析及び生物学的物質の同定が、分析生物学、分析化学及び分析物理学の分野になって久しい。そこでは、多くの場合に、ある集中試験室において取扱いが面倒な試験装置を使用し、サンプリング及び分析に長い時間を要する方法が用いられる。しかしながら、ここ２、３０年にわたって、健康、安全、電気機器の性能及び環境に影響を及ぼす因子に関する意識及び関心が高まるにつれて、化学的、生物学的及び環境的な状態をリアルタイムに検出し、特定し、監視することができる取扱いの簡単な技術が求められている。これらの要求に応じて、精巧な検査手順及びハードウエアを応用し、簡略化し、改善し、さらにそのコストを削減することに焦点を絞って成功を収めている商業市場が現れてきている。現在、家庭用一酸化炭素監視装置、飲料水水質監視装置及び煙感知器が、非常に普及している。これらの装置の多くは、新たな住宅及び職場において、必要条件になってきている。これらの環境センサ製品に加えて、個人用の健康監視装置及び健康検査装置に焦点を当てた市場も急激に拡大している。例えば、その市場には、ブドウ糖をモニタするために血液をサンプリングし、分析することができる多数のシステムが存在する。コンピューティング革命と同じように、集中管理によるセンシング（感知）から、分散及び埋込式センシングへの展開が進行中である。これらの流行を考えると、広範な化学的及び生物学的センサ技術を利用するインテリジェントで、ポータブルで、ワイヤレスで、ウエブを利用できる自己診断製品が近い将来に需要があるという予測は確かである。
【０００３】
上記の各応用形態において、及び他の応用形態の場合において、より検出限界が低く、選択性、感度がより高く、携帯可能で、リアルタイムに応答することへの要求は高く、今後も益々高くなると考えられる。検出器の感度及び応答は、超小型電子工学技術、微小機械技術及び微小流体技術の進歩に梃子入れすることにより大きな改善がなされてきたが、リアルタイムに単一の分子を識別することへの要求を満たすためには、持続的且つ革新的な改善が必要とされる。これらの改善には、おそらく新たな技術の開発が必要とされるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現時点で利用可能な標準的なセンサよりもはるかに感度が高い化学的あるいは生物学的センサを開発することが有益であると認識されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、基材、及び自立ナノワイヤのアレイからなるセンサ素子を提供する。当該アレイは個別の自立ナノワイヤを含み、該自立ナノワイヤはそれぞれ第１端部と第２端部とを有する。第１端部は、通常、基材に取り付けられており、第２端部は、基材には取り付けられておらず、それにより自立した構成がもたらされる。
【０００６】
自立ナノワイヤアレイから電気的な情報を受信するために、通常は、チップあるいはコンピュータのような信号を測定するための装置も自立ナノワイヤアレイに電気的に接続される。
【０００７】
本発明の１つのより詳細な態様によれば、検査流体環境内の分析物の存在を検出する方法は、（ａ）互いに電気的に相互作用する個別のナノワイヤを有しており、また人間あるいは機械によって読取り可能なチップあるいはコンピュータに電気的に接続されている自立ナノワイヤの第１アレイを設けるステップ、（ｂ）自立ナノワイヤの第１アレイを、分析物を含む疑いのある検査流体環境に曝すステップ、（ｃ）検査流体環境に曝す際に自立ナノワイヤの第１アレイによって与えられる電気的特性を測定するステップ、とを含むことができる。
【０００８】
別の実施形態では、流体環境内の分析物の存在を検出する方法はいくつかのステップを含むことができる。そのようなステップには、
（ａ）（ｉ）分析物と相互作用する自立ナノワイヤの第１アレイを有する第１の静電プレートであって、該自立ナノワイヤの第１アレイが互いに電気的に相互作用する個別のナノワイヤを含んでいる第１の静電プレート、及び（ｉｉ）検査流体環境の存在時に第１の静電プレートと第２の静電プレートとが電気的に接続されるように、第１の静電プレートに近接して配置される第２の静電プレートを含んでいる検出システム、を設けるステップ、
（ｂ）検出流体環境を第１の静電プレート及び第２の静電プレートに途切れることなく接触させるステップ、
（ｃ）第１の静電プレート及び第２の静電プレートのうちの少なくとも一方に電流を適用するステップ、及び、
（ｄ）第１の静電プレートと第２の静電プレートとの間で静電的に伝達される電気的特性を測定するステップ、
が含まれる。
本発明のさらに別の特徴及び利点は、本発明の特徴を例示する添付の図面とともに以下に記載される詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、非常に感度の高い化学的あるいは生物学的センサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面に記載する例示的な実施形態をこれから参照することになるが、それを説明するために本明細書では特定の用語が用いられる。しかしながら、それは本発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。本開示を手にする当業者であれば考え得る、本明細書に例示される本発明の特徴の変形形態、並びに本明細書に例示される本発明の原理のさらに別の応用形態は、本発明の範囲内にあるとみなされるべきである。また、本明細書において用いられる専門用語は、特定の実施形態を記載するためだけに用いられることを理解されたい。その用語により、本発明は限定されるものではない。
【００１１】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、その内容が異なることを明確に指示しない限り、単数形は複数形の意味を含むことに留意されたい。
【００１２】
「自立ナノワイヤ」あるいは「自立ナノワイヤ（の）アレイ」は林立している細長いナノワイヤであり、各々が幅の狭い断面、例えば１００ｎｍ未満の断面を有する。ナノワイヤは概ね等軸とすることができ、即ち、長い方の断面距離と短い方の断面距離とのアスペクト比が約１０未満であり、また約５より大きいアスペクト比（断面距離に対する長さの比）を有することができる。ナノワイヤの定義には、いかなる組成上の制約も含まれない。その例には、金、酸化亜鉛、ＩＩ−ＶＩ半導体及びホウ素ドープドシリコンが含まれる。自立ナノワイヤには、カーボンナノチューブ及びシリコンナノワイヤも含まれる。さらに、自立ナノワイヤは、例えばシリコン酸化物シェルと同程度の簡単な組成物によって、又は特に特定の分子を認識するように構成される生物学的レセプタのように複雑な組成物によって、機能化することができる。基材上でナノワイヤを成長させるときは、核化サイトとしての触媒ナノ粒子上で化学気相成長法を用いることができる。この方法では、寸法、形態及び密度が十分に制御されたナノワイヤを成長させることができる。ナノワイヤが取り付けられた基材はその後、ターゲット物質あるいは分析物を検出するために用いることができる。別の成長法、あるいは又、ナノワイヤを基材上に能動的に植設する方法を含む他の方法を用いることもできる。
【００１３】
「自立ナノワイヤセンサ」あるいは「自立ナノワイヤ検出器」とは、多数のナノワイヤの一端のみが固定されている基材であり、他端は実質的に基材あるいは他の構造物に固定されていない。当該基材には、導電性あるいは半導電性のものを用いることができ、且つ／又は導電性あるいは半導電性の物質でコーティングすることができる。固定されていない端部（「自立している」端部）は、ナノワイヤを介して逆戻りする経路を除いては、導電性経路を持たない。個々の自立ナノワイヤが、他のナノワイヤと偶然に接触する可能性があるが、これはほとんど防ぎようがない。しかしながら、そのような接触は最小限に抑えられ、実質的に隣接するナノワイヤとの間に限られると考えられる。この自立した構成によって、２つの電気的接続（ナノワイヤを基礎とする他のセンサ及び検出器の場合に必要とされるような）を形成することが不要となり、いくつかの実施形態では、個別のナノワイヤの単離及び操作を必要とすることなく、製造時のナノワイヤアレイを「そのまま」利用できる。
【００１４】
「分析物」とは、本発明の自立ナノワイヤセンサを用いて検査されている流体環境内に存在すると考えられる物質を意味する。当該物質は、気体あるいは液体内に存在することができ、それ自身は、気体、液体あるいは固体であり得る。
【００１５】
分析物と自立ナノワイヤとの間の相互作用を参照するとき、用語「相互作用」には、化学反応、物理的な引力、電荷の移動、絶縁性組成物の存在に起因する分離等を含むことができる。言い換えると、相互作用とは、分析物と自立ナノワイヤとの間で生じ、検出することができる任意の化学的あるいは電気的な変化である。
【００１６】
本発明に従ってナノワイヤアレイ内のコンダクタンス（電気伝導力）あるいはコンダクタンス変化を測定することにより、及び／又はキャパシタンス（静電容量）を測定することにより、測定を行うことができる。本発明の文脈において「キャパシタンス」に言及するときは、２つの基本的な実施形態が含まれる。１つの実施形態では、ナノワイヤアレイは、コンデンサーシステムの静電プレートとして機能することができる。別の実施形態では、個々のナノワイヤが静電プレートとして機能することができ、ナノワイヤ上の誘電体コーティングによってナノワイヤと分析物との間に間隔がもたらされる。
【００１７】
金属及び半導体のナノワイヤによって、生物学的及び化学的物質を高い選択性で、リアルタイムに電気的に検出できるセンサ技術が与えられる。これらの素子の優れた特性によって、個人の健康状態、環境状態、化学的検出等に関するリアルタイムの情報を提供する革新的な製品の製造が可能となる。さらに、ナノテクノロジが実現するセンサ及び検出器を含む試験室レベルの計器による測定によって、単分子、タンパク質及び／又はＤＮＡの先例のない分析及びキャラクタリゼーションが提供される。ナノワイヤの直径は非常に小さい（通常は１００ｎｍ未満）ので、その表面あるいは表面近傍でのわずかな電子の摂動及び揺らぎに対して、コンダクタンスは非常に敏感に反応（応答）することができる。摂動は、静電システム及び／又は導電性システムのいずれかによって検出されることができる。
【００１８】
本発明は、基材及び自立ナノワイヤアレイからなるセンサ素子を提供する。当該アレイは、個別の自立ナノワイヤを含み、該ナノワイヤの各々は第１端部と第２端部とを有する。第１端部は通常基材に取り付けられており、一方、第２端部は基材には取り付けられておらず、それにより自立した構成がもたらされる。これについては、全ての自立ナノワイヤがこのようにして基材に取り付けられている必要はない。例えば、一部のナノワイヤは、１つの端部において基材に取り付けられているが、他のナノワイヤは雑然と寄せ集められたナノワイヤの一部として存在することもできる。こうして、そのようなナノワイヤの多くは実際には基材に全く直接接触しないようになるが、それでも、他のナノワイヤとのランダムな接点を介して、また、ナノワイヤ間の静電効果を介して、基材と、及び互いに電気的に接続されるように構成されている。そのようなナノワイヤ「綿毛」は、ｉｎ−ｓｉｔｕでの析出あるいは成長によって形成されるよりはむしろ、基材上に能動的に植設するか、あるいは配置することで形成される。
【００１９】
個々の自立ナノワイヤは、第１端部を介して、他の個々の自立ナノワイヤと電気的に接続されるように構成されている。これは、自立ナノワイヤが取り付けられている基材、あるいは基材上のコーティングのいずれかを通して行うことができ、そのいずれか（あるいはその両方）には、半導電性あるいは導電性のものを用いることができる。例えば、場合によっては、基材は導電性でなくてもよく、例えばポリマーあるいはガラスの基材を用いることができる。これらの場合においては、導電性あるいは半導電性物質を、非導電性の基材上に付着させることができる。他の実施形態では、基材は導電性あるいは半導電性であり、二次的なコーティングは必要ない。さらに別の実施形態では、導電性あるいは半導電性の基材及びコーティングのいずれも存在させることができる。これら全ての実施形態において、使用することができる組成物の例には、シリコン、ゲルマニウム、銀、金、酸化亜鉛、ヒ化ガリウム、酸化スズ、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化カドミウム及びそれらの組み合わせが含まれる。これらは導電性及び／又は半導電性層の例である。当該基材、あるいは当該適用される層に対して、自立ナノワイヤアレイを基材上で成長させるか、能動的に植設することができる。ナノワイヤを成長させる際に化学気相成長のような方法を用いることができるが、当業者に知られている任意の他の技法を用いることもできる。
【００２０】
自立ナノワイヤアレイから電気的な情報を受信するために、通常は、チップあるいはコンピュータのような信号を測定するための装置も自立ナノワイヤアレイに電気的に接続される。いくつかの実施形態では、電源によって、電流あるいは他のエネルギーをナノワイヤに適用することができる。
【００２１】
一旦成長すると、あるいは成長過程の一部として、所定の分析物と相互作用する組成物によって自立ナノワイヤアレイを機能化することができる。例えば、機能化は、レセプタ、酸化剤あるいは還元剤を化学的に付着させることにより行うことができる。あるいは又、機能化は、ナノワイヤ表面上に所望の物質を付着させることにより行うことができる。一実施形態では、付着組成物として、誘電体コーティングを用いることができる。それ故、個々のナノワイヤが分析物に接触すると、分析物は、（コーティングを介した）ナノワイヤへの誘引力によって誘電体コーティングに付着し、静電効果を与えることができる。あるいは又、付着させるか、あるいは化学的に取り付けられるコーティングを、分析物と化学的に反応するように構成することができる。
【００２２】
機能を果たすように任意の寸法の自立ナノワイヤを用いることができるが、基材上に存在する自立ナノワイヤアレイは約１０４〜１０１３ナノワイヤ／ｃｍ２の密度を有することが好ましい。また自立ナノワイヤアレイの個々のナノワイヤは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚みと、５０ｎｍ〜１００００００ｎｍの長さとを有することができる。自立ナノワイヤアレイは、金属ナノワイヤ、半導電性ナノワイヤ、圧電性ナノワイヤ及び／又は絶縁性ナノワイヤからなる群から選択することができる。そのようなナノワイヤは、このナノサイズの形態では、量子特性を示すことができる。
【００２３】
気体及び液体を含む種々の検査流体を、所定の分析物の存在を確認するために検査することができる。これらの測定は、単一のセンサを用いて、又はそれに加えて対照値あるいは基準値を提供する第２のセンサを用いて行うことができる。さらに、そのセンサ素子は、静電システムにおける静電プレートとして用いることができる。そのような実施形態には、静電プレートとしての基材に取り付けられた自立ナノワイヤアレイが含まれ、その素子はさらに、静電システムを形成するために、前記静電プレート（第１の静電プレート）に近接して配置されている相対する静電プレート（第２の静電プレート）を備える。そのようなシステムの場合、電流を適用すると、流体環境の存在時に、第１の静電プレートと第２の静電プレートとが電気的に接続されるように、静電システムを構成することができる。比較測定値を得るために、該静電システムと実質的に同じ第２の静電システムを設けることができる。この構成の場合、第２の静電システムも、チップあるいはコンピュータと電気的に接続することができ、前記静電システムと第２の静電システムとを比較した較差測定値を得ることができる。さらに詳細には、一実施形態では、前記相対する静電プレートは、前記基材に取り付けられている前記自立ナノワイヤアレイと実質的に同じ構成を有することができる。
【００２４】
代替実施形態では、センサ素子は、前記基材及び前記自立ナノワイヤアレイとそれぞれ実質的に同じように構成されている第２の基材及び第２の自立ナノワイヤアレイとから構成することができ、該第２アレイもチップ、コンピュータあるいは他の信号測定装置に電気的に接続されている。この構成では、前記アレイと該第２アレイとのコンダクタンスを比較した較差測定値を得ることができる。
【００２５】
さらに詳細には、（上記システムのいずれかの）第２アレイ及び第２基材を包囲する実質的に密閉されたチャンバを用いることができる。一実施形態では、該密封されたチャンバは、所定の流体雰囲気、例えば気体雰囲気で満たすことができ、対照システムを与えることができる。さらに、センサ素子は、アレイを電気的及び環境的に遮蔽する外側容器によって実質的に包囲することができる。
【００２６】
本発明のさらに詳細な態様によれば、検査流体環境内の分析物の存在を検出する方法は、（ａ）互いに電気的に相互作用する個別のナノワイヤを有し、人間あるいは機械によって読取り可能なチップあるいはコンピュータに電気的に接続されている、分析物と相互作用する自立ナノワイヤの第１アレイを設けるステップ、（ｂ）自立ナノワイヤの第１アレイを、分析物を含む疑いのある検査流体環境に曝すステップ、（ｃ）検査流体環境に曝す際に自立ナノワイヤの第１アレイによって与えられる電気的特性を測定するステップ、とを包含する。さらに別のステップとして、（ｄ）互いに電気的に相互作用する個別のナノワイヤを有し、チップあるいはコンピュータに電気的に接続されている自立ナノワイヤの第２アレイを設けるステップ、（ｅ）自立ナノワイヤの第２アレイを対照流体環境に曝すステップ、（ｆ）対照流体環境に曝す際に自立ナノワイヤの第２アレイによって与えられる電気的特性及び自立ナノワイヤの第１アレイによって与えられる電気的特性を比較し、較差測定値を提供するステップ、とを包含することができる。
【００２７】
上記方法に関して、自立ナノワイヤの第２アレイも又、分析物と相互作用するように構成することができる。これに加えて、対照流体環境が分析物を含まないことがわかっている場合には、前記比較ステップのための基準を与えることができる。あるいは又、自立ナノワイヤの第２アレイを、分析物と相互作用しないように構成することができる。それによって、対照流体環境及び検査流体環境が実質的に同じ流体組成である場合に、前記比較ステップのための基準を与えることができる。
【００２８】
上記実施形態の場合のように、自立ナノワイヤの第１アレイはそのままの状態にするか、あるいは分析物と相互作用する組成物によって機能化することができる。一実施形態では、自立ナノワイヤの第１アレイは、絶縁性の組成物で機能化することができる。そのような場合には、静電的な電気示度を測定することができる。他の実施形態では、分析物を含有する流体の存在時に、導電的な電気示度を測定することができる。
【００２９】
別の実施形態では、流体環境内の分析物の存在を検出する方法はいくつかのステップを包含できる。そのようなステップには、
（ａ）（ｉ）分析物と相互作用する自立ナノワイヤの第１アレイを有する第１の静電プレートであって、該自立ナノワイヤの第１アレイが互いに電気的に相互作用する個別のナノワイヤを含んでいる第１の静電プレート、（ｉｉ）検査流体環境の存在時に、第１の静電プレートと第２の静電プレートとが電気的に接続されるように、第１の静電プレートに近接して配置される第２の静電プレート、とからなる検出システムを設けるステップ、
（ｂ）検査流体環境を第１の静電プレート及び第２の静電プレートに途切れることなく接触させるステップ、
（ｃ）第１の静電プレート及び第２の静電プレートのうちの少なくとも一方に電流を適用するステップ、及び、
（ｄ）第１の静電プレートと第２の静電プレートとの間で静電的に伝達される電気的特性を測定するステップ、
が含まれる。この実施形態はさらに、
（ｅ）第１の静電プレート及び第２の静電プレートとそれぞれ実質的に同じように構成されている第３の静電プレート及び第４の静電プレートからなる対照システムを設けるステップ、
（ｆ）分析物を含まないことがわかっている対照流体を、第３の静電プレート及び第４の静電プレートに途切れることなく接触させ、それにより測定ステップのための比較基準を与えるステップ、
とを包含するができる。あるいは又、その方法は、
（ｅ）第３の静電プレート及び第４の静電プレートのナノワイヤが分析物と相互作用しないことを除いて、第１の静電プレート及び第２の静電プレートとそれぞれ実質的に同じように構成される第３の静電プレート及び第４の静電プレートからなる対照システムを設けるステップ、
（ｆ）検査流体を制御システムと接触させ、それにより測定ステップのための比較基準を与えるステップ、
とを包含することができる。
【００３０】
本発明の一態様に従って、図１には、基材１２、導電層１４、及び自立ナノワイヤ１６のアレイとを有するシステム１０を示す。自立ナノワイヤ１６のアレイは、導電層１４上で成長させることができるか、又は能動的に植設することができる。植設する場合には、ナノワイヤアレイは、実質的に一様な向きにするか、又は大部分のナノワイヤが基材に直に固定されない一群のガラス繊維と同じようにランダムな向きにすることができる。成長させる場合には、化学気相成長（ＣＶＤ）法、ナノインプリント法、ナノテンプレート法及び／又は電気蒸着法を含む、いくつかの方法のうちの１つを用いることができる。あるいは又、ナノワイヤを成長させるための他の方法も同様に実施できる。例えば、ナノワイヤ成長物質は、レーザを用いる場合のように、固体ターゲットのアブレーションによって与えることができる。そのような方法は基材を用いることなく実施することができ、その後のプロセスで、ｉｎ−ｓｉｔｕにて基材上に直に付着させることができる。ナノワイヤ自体は、導電性あるいは半導電性のものを用いることができ、それにより、それらのナノワイヤが対照流体あるいは分析物含有流体と接触する際に、電荷が実効的にナノワイヤに流入するか、又はナノワイヤから流出するようになる。半導電性の場合には、種々の基礎的なドーピング構成物を用いることができる。
【００３１】
図２を参照すると、自立ナノワイヤセンサの拡大断面図が示されている。具体的には、システム２０は基材１２を設けており、該基材には、シリコン酸化物表面層を有する、あるいは有していない半導電性シリコンウェーハを用いることができる。本実施形態では、自立ナノワイヤ１６は、導電層を介在させることなく、基材から成長させる。各自立ナノワイヤは、第１端部２４及び第２端部２６を有する。成長させる方法としてＣＶＤを用いるとき、基材は、金ナノ粒子、チタンシリサイド合金ナノ粒子、あるいはナノワイヤを成長させることができると予想されるいくつかの他のナノ粒子組成物のようなナノ粒子１８を付着させることができる。通常は、利用されるナノ粒子には実質的に等軸のものを選択することができ、該ナノ粒子は３次元全てにおいて約１００ｎｍ未満のサイズに制限される。ナノ粒子を付着させた基材を反応ガス雰囲気において高温に曝すことで、ナノワイヤを成長させることができる。ある条件下で、触媒作用により反応ガスを分解するように、ナノ粒子を選択することができる。種々のナノ粒子と気体との組み合わせによって、広範の条件を用いることができる。例えば、ナノ粒子に金ナノ粒子を用い、気体にシラン（ＳｉＨ４）を用いるとき、分圧及び温度は１ｍｂａｒ及び４５０℃と選択することができる。あるいは、シリサイドナノ粒子を用いるとき、約８００℃の温度を用いることができる。いずれの場合においても、ナノ粒子は、気体を水素ガスのような揮発性成分に分解する触媒として作用し、次いで該揮発性成分は脱離することができる。シリコンのような他の成分はさらに、ナノ粒子によって吸収あるいは吸着され得る。一旦、吸収あるいは吸着した物質によってナノ粒子が飽和状態に達したら、ナノ粒子から自立ナノワイヤが析出あるいは核形成し始める。自立ナノワイヤは、ナノ粒子触媒の寸法に関連付けられる径で成長し続けることができる。成長条件を変化させることによって、ナノワイヤの成長を中断あるいは変化させることができる。
【００３２】
一旦、自立ナノワイヤ１６のアレイが基材上で成長あるいは付着したなら、多数の方法の１つを用いて、ナノワイヤの機能化を実施することができる。「機能化」が意味することには、ある特定の分析物あるいはある環境内で検査されることになる他の物質との化学的あるいは電気的相互作用を促進（あるいは抑制）するレセプタ種を適用することにより、ナノワイヤの表面を化学的あるいは物理的に変性できる種々のプロセスが含まれる。例えば、シリコンナノワイヤ表面は、本来備わっている酸化物基、すなわちＳｉ−ＯＨ基を有している。これらのシリコンナノワイヤは、カップリング剤で化学的に処理することができ、それにより表面を機能化することができる。そのようなカップリング剤の１つとしてアミノシランが含まれ、そのようなアミノシランカップリング剤で化学的に処理すると、ナノワイヤのシリコン表面官能基をアミン基に変更することができる。別の詳細な態様では、ナノワイヤ表面の機能化として、ナノワイヤの表面に、抗体のような生物学的分子を付着させることが含まれる。別の実施形態では、機能化には、絶縁性物質あるいは誘電体物質でナノワイヤ表面をコーティングすることが含まれる。ナノワイヤ表面を化学処理するための機能化プロセスは、レセプタ種の希釈溶液、例えばアミノシラン水を用いて室温で洗浄し、その後、脱イオン水で洗浄するといった程度に簡単に行うこともできる。別の例では、機能化には、溶液あるいは蒸気から付着されるナノ粒子をナノワイヤ表面に付着させることが含まれる。一実施形態においては、その検出のために、水素の解離吸着を触媒するプラチナあるいはパラジウムナノ粒子を付着させ、機能化させる。
【００３３】
機能化の結果、分析物、即ち流体内で発見されるべき分析物、と相互作用することのできるコーティング１９が、物理的あるいは化学的に付着する。その表面積の大きさから、成長し、感度を高められた（即ち、機能化された）ナノワイヤの個々の電気的反応（応答）によって、大きな検出信号を生成し得る。さらに、アレイの集合的な電気的反応を利用することにより、より多くの従来の電荷検出測定方法あるいは電流検出測定方法を用いることができる。これにより、従来の検出回路に基づいて商用製品を製造できるようになる。
【００３４】
数多くの物理的あるいは化学的コーティング物質を、レセプタとして、及び／又は種々の他の目的のために用いることができる。例えば、コーティング１９には、ある特定の分析物２２に反応する組成物を用いることができ、反応時に電荷移動が生じ、それを電気的に検出することができる。あるいは又、コーティング１９には、ナノワイヤ１６の表面に付加されている誘電体層を用いることができ、それによって、自由電荷が変化し、分析物２２を引き付けるか、又は付着させることができる。例えば、分析物が誘電体層表面に捕らえられるとき、電荷の不釣り合いによってナノワイヤ内に逆電荷が誘導され、ナノ平行板コンデンサが形成されると考えられる。言い換えると、ナノワイヤアレイの各ナノワイヤは、それぞれコンデンサとして機能できると考えられる。上記説明と同様に、ナノワイヤ内の逆電荷が移動して、各ナノワイヤ内にマイクロレベルあるいはナノレベルの電流が生成され、該電流が検出される。電荷が表面に引き付けられるか、あるいは表面から放出される実施形態においては、ナノワイヤ内では、逆電荷によって自由キャリアの密度が激減するので（例えばドーピングなどを介して）、ナノワイヤ（単数又は複数）のインピーダンスが変化し得る。したがって、ナノワイヤ（単数又は複数）の電気的状態により、その表面状態が示され、それは抵抗、キャパシタンス、あるいは場合によっては所定の周波数における複素インピーダンスを測定することにより、ナノワイヤアレイにおいてモニタすることができる。過渡信号（電圧あるいは電流）を用いてナノワイヤが検査される場合には、変性されていないナノワイヤアレイと電荷密度の激減したナノワイヤアレイとの間の差を測定することができる。この実施形態では、電磁界が物質を分極させるのに必要とするエネルギーが、電磁界が自由空間内を伝播するのに必要とされるエネルギーとは異なることが前提として考えられている。この理由は、電子及びイオンを移動させるためにエネルギーを要するからである。１つのナノワイヤがその表面近傍に吸着された複数の電荷種を有し、これらの電荷種が極性部を有する場合には、電子は、格子内を伝搬する場合よりも、低いエネルギー状態を見つけることができる。即ち、該電子は実質的に前記電荷種に捕らえられることができ、それによってナノワイヤの導電率は減少する。そのように捕らえられることは、ナノワイヤの材料特性と、検出分子の電荷、即ち極性状態との相関関係によって左右される。
【００３５】
さらに詳細な態様では、ナノワイヤ内に存在する電荷が、分析物として流体内に存在する極性分子に化学的に引き付けられることにより、ナノワイヤ表面に引き付けられるか、又はナノワイヤ表面から放出されることができるようにするため、ナノワイヤは、機能化あるいはその固有の特性のいずれかによって構成することができる。本発明のセンサ内にあるような自立ナノワイヤアレイは、ある特定の化学的親和力を有する多数の自立ナノワイヤから構成され得る。化合物によっては、その表面に引き付けられるものもあり、反発されるものもある。これは化学結合の特性による。引き付けるプロセスは、実質的に、局部的な電子の確率の分布関数を変化させる。この局部的な分布関数の変化によって、ナノワイヤ内における総合的な電子の確率が変化し得る。実質的には、素子のキャパシタンスは、ある領域を他の領域と比較した場合の総合的な電子濃度の指標である。電子移動度が高くなる結果として、キャパシタンスが大きくなる。ナノワイヤに関しては、表面積が大きいことに加え、その容積も大きいため、小さな揺らぎ電圧で平衡状態を乱し、変位電流を観測することで、キャパシタンスの測定を行うことができる。そのような変化は、化学的に付着する付加的な分子（検出物質）の存在及び量を表すものである。
【００３６】
この現象の一例においては、溶液あるいは気体サンプルに曝す際に、ナノワイヤと接触できる所定の分析物が存在する場合には、システムの減結合（デカップリング）又は電荷の変化によって、ナノワイヤ表面の電荷は、分子及びナノワイヤを通して接地面に達すると考えられる。その際、電荷は接地面への経路としてナノワイヤを利用することができ、それによりナノレベルからミクロンレベルの検出可能な電流が生成される。例として、一実施形態では、ナノワイヤアレイを用いて、メタノールの存在を検出することができる。メタノールは極性の−ＯＨ基を有するため、−ＯＨ基がナノワイヤに接近するか、又は接触するとき、水素がナノワイヤの表面にわずかな正の電荷を与える（水素は−ＯＨ基内で電子を欠損している）。ナノワイヤ上の、あるいはその付近にあるこの新たな正味の電荷は、ナノワイヤ内に存在する電子による電荷を変化させ、それにより検出可能な電荷移動がもたらされる。これほどの感度は、標準サイズのワイヤでは得ることはできない。
【００３７】
図３を参照すると、一実施形態では、システム３０を用いてコンダクタンスの較差測定を実施することができる。導電性あるいは半導電性基材１２ａ、１２ｂ上に、２つのナノワイヤアレイサンプル１６ａ、１６ｂを成長あるいは付着させる。ナノワイヤアレイサンプル１６ａ、１６ｂは、実施形態に応じて、コーティングしても、しなくてもよい。ナノワイヤアレイサンプル１６ａは、チャンバ３４を画定する壁３２によって実質的に密封あるいは包囲されている。チャンバ内には、不活性ガスあるいは単純ガス雰囲気、例えば窒素が存在し得る。ナノワイヤアレイサンプル１６ｂは周囲雰囲気に曝すことができる。図示する実施形態では、ナノワイヤアレイサンプル１６ｂはシステム雰囲気に対して完全に開放されているが、外部容器３６内に存在している。あるいは又、ナノワイヤアレイサンプル１６ｂは、チャンバ３４に類似のチャンバ内に収めることができるが、ただし、その際のチャンバは注入口及び／又は排出口によって、サンプリング対象の環境からの空気、水あるいは他の流体がその素子に流入できるように構成される。図示する実施形態では、ナノレベルの較差測定を実施できるので、一実施形態では、センサ構成要素を外部環境あるいは電気的な力から電気的かつ環境的に遮蔽する外側容器３６が存在する。
【００３８】
要素Ａ１、Ａ２、Ｂ１及びＢ２は、ナノワイヤアレイサンプル１６ａ、１６ｂの両方における電気的な接点を与える。しかしながら、「４点プローブ」測定を利用したい場合には、各接点は実際には２つのナノワイヤ位置に存在することができる。要素Ａ１、Ａ２、Ｂ１及びＢ２によって提供される情報は、人間あるいは機械が読取り可能なチップあるいはコンピュータ３８に電気的に中継される。図示する実施形態では、各サンプルの端部間に電流を流すことによって電圧あるいは他の電気的特性を測定するのに、各スポットにおける１つのナノワイヤが用いられている。例えば、要素Ａ１とＡ２との間に流れる電流を、要素Ｂ１とＢ２との間に流れる電流と比較することができる。その測定は、１つのナノワイヤ（あるいは１組のナノワイヤ）が別のナノワイヤに（あるいは１組のナノワイヤに末端部（ｄｉｓｔａｌ  ｅｎｄ）において）電気的に接続されているときに行うことができる。該ナノワイヤの組の間は、完全に分離されている場合も、分離されていない場合もあり、例えば、環境的な作用に起因する表面導電率の変化を求める場合には、完全な分離は重要とはされない。さらに詳細には、本実施形態によって、侵入する化学的あるいは生物学的化合物に露出させ、付着させている間、ナノワイヤアレイのコンダクタンスを測定することができる。
【００３９】
図４を参照すると、ある実施形態では、システム４０を用いて、キャパシタンスの較差測定を実施することができる。詳細には、保護されていない素子と保護された素子、即ち実質的に密封されている素子、との間の環境の変化によるキャパシタンスの差異を検討することができる。本実施形態では、導電性あるいは半導電性基材１２ａ、１２ｂ上に、２つのナノワイヤアレイサンプル１６ａ、１６ｂを成長あるいは付着させる。ナノワイヤアレイサンプル１６ａ、１６ｂは、実施形態に応じて、コーティングしても、しなくてもよい。ナノワイヤアレイサンプル１６ａは、チャンバ３４を画定する壁３２によって実質的に密封あるいは包囲されている。ナノワイヤアレイサンプル１６ｂは、周囲雰囲気に露出している。キャパシタンス測定点Ｃ１、Ｃ２が、（相対する静電プレート４２から）ナノワイヤアレイへの電流、あるいはナノワイヤアレイから（相対する静電プレート４２へ）の電流を測定するために与えられる。ある実施形態では、相対する静電プレート４２には、ステンレス鋼の多孔性フリットを用いることができる。必ずしもそうではないが、気体及び／又は液体が自由にその中を通過し、ナノワイヤ表面と接触できるように、多孔性プレートが用いられる。ステンレス鋼フリットとナノワイヤ表面との間が直に接触するのを避けるために、その間に薄い絶縁性フィルム４４が配置される。そのフィルムには、液体及び／又は気体が通過できるようにするために多孔性のものを用いることができる。フィルムの例として、ヌクレオポア（Ｎｕｃｌｅｏｐｏｒｅ）（登録商標）膜あるいは当業者に知られている他の膜が挙げられる。あるいは又、絶縁性フィルムを用いる代わりに、図２に示すように、ナノワイヤ表面をコーティングし、ナノワイヤと前記相対する静電プレートとが接触するのを防ぐこともできる。
【００４０】
一実施形態では、測定によって、１つのナノワイヤアレイあるいは複数のナノワイヤに分析物が付着しているか否か、及び該分析物が固有の双極子を有するか否かを判定することができる。これを果たすために、周波数変化の関数として、静電測定点Ｃ１、Ｃ２が測定される（イオン結合物質は、所与の妥当な電界強度を散乱させる）。
【００４１】
ここで図５を参照すると、１つの簡単な実施形態を、システム５０として示している。詳細には、自立ナノワイヤ１６のアレイを有する基材１２を示している。各自立ナノワイヤの基部は、導電層１４を介して隣接する自立ナノワイヤと電気的に接続されている。対照用あるいは比較用の自立ナノワイヤアレイセンサはこの実施形態では存在しない。ナノワイヤと実質的に相互作用しない流体５４を収容する流体容器５２が存在する。コンダクタンス情報が、ナノワイヤによって収集され、人間あるいは機械によって読取り可能な情報を提供するコンピュータ、チップあるいは他の信号測定装置３８に電気的に伝達される。流体５４の基準値を得た後に、第２の流体５６（分析物を含む疑いのあるもの）を、ポンプ５８あるいは他の類似の装置を用いて流体５４に導入することができ、コンダクタンス変化を基準値と比較することができる。そのような装置は、システムの構成及び／又は感度に応じて、定量的あるいは定性的情報を与えることができる。該ナノワイヤには、もともと感度の良いものを用いるか、又は所定の分析物に対して反応するか、相互作用するか、あるいは絶縁するように機能化することができる。一実施形態では、第２の流体は事前に処理され、例えば膜によってろ過され、読取りを妨げる可能性のある任意の異物を除去することができる。
【００４２】
図６はさらに別の例を示しており、ここでは、基材１２、及び基部あるいはその近傍で、互いに電気的に接続されている自立ナノワイヤ１６のアレイから構成されているシステム６０が示す。薄い金属コーティングのような導電層１４が、個々の自立ナノワイヤ間の電気的な接続をもたらすために設けられるが、そのような層は厳密には必要とされない。例えば、実施形態によっては、基材自体、例えばシリコンのような半導電性基材、によって、ナノワイヤ間の電気的な接続が与えられる。また、ナノワイヤ１６のアレイに向かい合って、相対する静電プレート４２が存在する。該プレートは、機能的な任意の導電性物質から構成するか、あるいは第２の自立ナノワイヤアレイから形成することができる。相対する静電プレート４２が、同様に自立ナノワイヤを含む場合には、２つのセンサを互いに対面して配置することができ、センサ表面間に化学的あるいは生物学的物質を配置することができる。これによって、システムの実効的なキャパシタンスを２倍にすることができる。さらに、これによって、対象物質の衝突によって引き起こされる変位電流の変化も２倍にすることができる。
【００４３】
図４に示すセンサとは異なり、自立ナノワイヤ１６と相対する静電プレート４２との間の空間は絶縁性フィルムによって設けられるのではなく、合わせる際に自立ナノワイヤ１６が相対する静電プレートと実質的に接触しないように構成される絶縁性スペーサ６２、６４によって設けられる。この構成では、一旦、自立ナノワイヤが消耗されたなら、あるいは異なる応用形態が望まれる場合には、ナノワイヤを含む構造物、即ち絶縁体６４、基材１２、導電性フィルム１４、及び自立ナノワイヤ１６とを取り出し、交換することができる。その後、隙間６６のキャパシタンス情報がシステムによって収集され、機械あるいは人間によって読取り可能な情報を提供するコンピュータあるいはチップ３８に電気的に伝達することができる。この実施形態では、コンピュータ３８が、システムに電流を供給する（即ち、電源として作用する）機能、ならびに静電システムから電気的な情報を受信する機能の２つの機能を与える。
【００４４】
ここで図７を参照すると、図４に類似の別の実施形態がシステム７０として示されており、２つの実質的に同じチャンバ７２ａ、７２ｂがハウジング７４によって画定されている。各チャンバ７２ａ、７２ｂは、基材１２、導電性フィルム１４、及び同様な密度の自立ナノワイヤ１６のアレイとからなる（個々のナノワイヤは、同様の長さ及び直径を有する）。ナノワイヤ１６からの隙間６６を越えた位置に、相対する静電プレート４２がある。チャンバ７２ａには流体通過ポート７６ａを設けることができる。チャンバ７２ｂには流体通過ポート７６ｂを設けることができる。こうして、２つの流体は、実質的に同じチャンバ（ナノワイヤアレイが全く同一ではないことに差があるが、そのコンダクタンス及びキャパシタンス特性は近似的には同じになり得る）内で同時にキャパシタンス特性を得るために検査され得る。この構造物を用いるとき、対照として用いられる第１の流体がチャンバ７２ａに加えられ、一方、分析物を保有している可能性のある第２の流体がチャンバ７２ｂに加えられる。コンピュータあるいはチップ３８が、静電システムに電流を供給し、隙間６６を越えて伝達されるキャパシタンス情報も受信する。キャパシタンス及び／又はコンダクタンスの比較を実施することにより、分析物の存在及び／又は量を検証あるいは明らかにすることができる。
【００４５】
任意選択の膜、即ちフィルタ７８も示す。膜は図のように構成するか、あるいは本発明の他の実施形態と合わせて構成することができる。本実施形態では、２つのセンサは、そのうちの１つが対象の分析物のみを除外するフィルタ７８によって周囲環境から分離されるように構成されている。この構成によれば、２つのセンサ間のキャパシタンス差を比較することにより、溶液内の分析物の存在を検証することができる。あるいは又、２つのセンサは、フィルタを設け、ある特定のイオンあるいはイオンの組のみがフィルタを通って移動することができるように構成することができる。したがって、特定のイオンあるいはイオンの組のみが、測定のためにナノワイヤに到達する。一実施形態では、イオンあるいはイオンの組の存在によって、システムの外側表面とナノワイヤの中心との間に電位差を生成する電気化学セルを形成することができる。そこでは、用いられるコーティング材料の濃度勾配に応じて、拡散プロセスを変更するために、外部から可変の電界をかけることができる。印加電圧（あるいは電流）の関数として電流（あるいは電圧）を測定するとき、本装置は、本質的に、濃度測定ツールを与える。
【００４６】
上記の実施形態は、以下の所見のように要約され、詳述することができる。第１に、分極効果を与える分析物の吸着によって生じる、ナノワイヤ内あるいはナノワイヤ周囲の誘電率変化を測定することができる。ナノワイヤを被覆する物質が存在しない状態から、ある立体（及び／又はファンデルワールス引力）プロセスに基づいてナノワイヤを選択的に被覆する物質が堆積している状態へ変化したという事実によって生じる、ナノワイヤ内あるいはナノワイヤ周囲の誘電率変化を測定することができる。ナノワイヤのアセンブリ（あるものは環境に露出させることができ、またあるものは保護することができる）間のキャパシタンス及びコンダクタンスの較差測定により、定性あるいは定量分析において用いることができる電気的な情報を得ることができる。
【００４７】
図１〜図７に記載された内容に加えて、本発明の実施形態に従って実施することができる変形形態を例示するために、以下の例を与えるが、これによって本発明が限定されるものではないことに留意されたい。
【００４８】
一実施形態では、スタンドアローンの自立ナノワイヤセンサを用いて、ある特定の分析物を検出することができる。例えば、パラジウム（Ｐｄ）ナノワイヤを用いて、水素ガスに反応させることができる。本発明の自立ナノワイヤセンサに小さな電圧が印加され、且つそれが水素ガスに曝される際に、自立ナノワイヤの寸法が３％まで膨張すると考えられる。ガスが除去されるとき、ナノワイヤはその元のサイズまで収縮し、個々のナノワイヤ内に微小な隙間あるいは割れが残され、非導電性となる。水素を再び導入することにより、ナノワイヤは再び膨張することができ、割れを塞ぐことができる。割れが塞がれるとき、コンダクタンスが増加し、それを測定することができる。その場合に、システムにおいて見られる電流の量を測定することにより、環境内の水素割合の測定値を判定することができる。
【００４９】
別の実施形態では、ナノワイヤが施された基材を、平行板コンデンサの１つのプレートとして用いることができる。ナノワイヤがレセプタ種を化学的に結合することにより機能化あるいは活性化される場合には、前記レセプタ部位は、検査が望まれるある特定の環境物質に結合することができる。例えば、鉛を検出したい場合には、鉛と相互作用するある特定の種類の分子、ウイルスあるいは細菌性生物を用いることができる。鉛と相互作用する際に、それらが変化するのに応じて、電気的特性を検出することができる。第２の相対する電極板を用いるとき、２つのプレートは、ナノワイヤがプレート間に存在するように向きを定めることができる。
【００５０】
本発明の実施形態に関して、さらに詳細を示すために、半径が１０ｎｍ、長さが１００ｎｍのシリコンナノワイヤを検討することができる。そのようなナノワイヤの体積は７．９×１０−１８ｃｍ３、表面積は３．１４×１０−１１ｃｍ２であり、それは表面に約２５×１０３個のＳｉ原子が存在することに相当する。１つのナノワイヤ内に１つのキャリアが存在する場合には、キャリア密度は１．３×１０１７キャリア／ｃｍ３に相当する。ここで、そのようなナノワイヤが、電子工学用の２ｎｍ厚の二酸化シリコン層で覆われる場合を考える。そのようなシリコン−酸化物境界は、約１０１０／ｃｍ２の表面状態密度を有しており、それは平均して、各ナノワイヤが０．３の表面状態密度を有すること（即ち、各ナノワイヤが０あるいは１の表面状態密度を有する可能性が非常に高い）を意味する。
【００５１】
上記の実施形態、及び他の類似の実施形態において、当該システムには、コンピュータ、チップ、あるいは現場で迅速に分析するための簡単な装置に組み込むことができる他の測定装置が含まれる。研究の特性に応じて、その後、データは、研究所設備内のより高性能の機器によって分析するために格納するか、あるいはハンドヘルドコンピュータのような現場のコンピュータを用いて分析することができる。分析には、インピーダンス分光法及び種々の光学的分光法の両方が含まれる。そのような装置によって、対象の種の存在を指示し、量を近似する周波数依存インピーダンス測定あるいは簡単な光学的測定が実施される。あるいは又、電気的及び光学的特性の両方を用いて、サンプルに関するより包括的で、かつ定量的な分析を実行するように、デスクトップあるいはラップトップを構成することができる。
【００５２】
本発明は、種々の物質が有する既知のセンサ効果の全てを利用することができ、ナノ素子をインタロゲーターとして利用するようなことを考慮する手段を提供する。例えば、アルコールはその性質によって数多くの表面によく付着する性質がある。この理由は、アルコールが極性基と非極性基とを含むという事実に起因する。吸着の強さは、吸着している表面に対する分子の立体配置によって決まる。したがって、種々の組成物からなる自立ナノワイヤアレイのキャパシタンス及びコンダクタンスに関する一連のアルコールの効果は、容易に確認することができるであろう。
【００５３】
先に参照された構成が、本発明の原理に関する応用形態を例示したものにすぎないことを理解されたい。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、数多くの変形形態及び代替構成を案出することができる。本発明は、現時点で最も実用的で好ましいと思われる実施形態に関して、具体的かつ詳細に図示され、十分に説明されてきたが、特許請求の範囲に記載される本発明の原理及び概念から逸脱することなく、多数の変形形態を実施できることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態による導電層を介して基材に取り付けられている自立ナノワイヤアレイの斜視図
【図２】本発明の一実施形態によるナノワイヤがコーティングで機能化されている自立ナノワイヤアレイの断面図
【図３】本発明の一実施形態による自立ナノワイヤ導電性比較システム
【図４】本発明の一実施形態による自立ナノワイヤ静電比較システム
【図５】本発明の一実施形態による自立ナノワイヤ導電性システム
【図６】本発明の一実施形態による自立ナノワイヤ静電システム
【図７】本発明の一実施形態による膜選択注入口を有する自立ナノワイヤ静電比較システム
【符号の説明】
【００５５】
１０  センサ素子システム
１２  基材
１６  自立ナノワイヤアレイ
２４  第１端部
２６  第２端部
３８  信号測定装置（電源）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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