(57)【要約】【課題】安価でかつ容易に、しかも安定した性能を示す、ナノメートルオーダーの分子デバイスを作製する手段を提供する。【解決手段】へリックス構造を有し、ペプチド分子末端の一方に硫黄原子を含む置換基を有するペプチド単分子を金属基板上に略垂直に配向させたペプチドの自己組織化単分子膜を作製する。硫黄原子を含む置換基としては、チオールまたはジスルフィド環を用いることができる。ペプチド分子としては、α−アミノイソ酪酸と所定のα−アミノ酸とがペプチド結合した分子構造を繰り返し単位として有する分子であることが望ましく、所定のα−アミノ酸としては疎水性アミノ酸、特にロイシン、バリン、アラニンのいずれかが望ましい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
へリックス構造を有し、ペプチド分子末端の一方に硫黄原子を含む置換基を有するペプチド単分子を金属基板上に略垂直に配向させることにより作製した、電流−電圧応答を示すペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項２】
上記ペプチド分子末端の硫黄原子を含む置換基がチオールまたはジスルフィド環であることを特徴とする、請求項１に記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項３】
ペプチド単分子が、α−アミノイソ酪酸と所定のα−アミノ酸とがペプチド結合した分子構造を繰り返し単位として有する分子であることを特徴とする、請求項１または２に記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項４】
上記所定のα−アミノ酸が疎水性アミノ酸であることを特徴とする、請求項３に記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項５】
上記疎水性アミノ酸がロイシン、バリン、アラニンのいずれかであることを特徴とする、請求項４に記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項６】
繰り返し単位の繰り返し数が６〜１２であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項７】
ペプチド単分子のＮ末端に硫黄原子を含む置換基を結合させたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項８】
ペプチド単分子の硫黄原子を含む置換基を結合させた末端と繰り返し単位を挟んで反対側に、レドックス官能基、ベンゼン、エステル、アミド基のいずれかまたは二以上の組み合わせが結合していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項９】
レドックス官能基がフェロセンであることを特徴とする、請求項８に記載のペプチドの自己組織化単分子膜。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載されたペプチドの自己組織化単分子膜を使用して作製された分子キャパシタ。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載されたペプチドの自己組織化単分子膜を使用して作製された分子ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、へリックス構造を有するペプチド単分子を金属基板上に略垂直に配向させた自己組織化単分子膜に関するものである。これらは、キャパシタやダイオード等の分子デバイスに使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
現在コンピュータをはじめとした様々な機器に使用される電子部品の微小化・集積化が進んでおり、微小化・集積化の手段として、微細パターンを作製するためのレジストや描画またはエッチングをするための装置などの開発が行われている。しかし、数ナノメートルのオーダーでパターン作製を制御することは困難であり、そのような手段を用いての微小化には限界がある。
【０００３】
このため、現在、半導体電子デバイスに取って代わる分子デバイス、即ち分子レベルで電子部品を設計する、分子エレクトロニクスの研究が盛んに行われている。分子の大きさはその構成元素、分子量、分子構造などによって決定されるが、分子自体の大きさは非常に小さく、一つ一つの分子を使用すれば、ナノメートルスケールの部品を作製できることとなる。更に、個々の分子を素子とするため、全く同一のデバイスを安価で容易に大量に作製することができる。
【０００４】
ナノサイズの電子デバイスを究極的に微小化するためには、電子１個の流れを制御することが重要である。電子１個の流れを制御する可能性を示した例として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）において探針電圧を変化させたときに、ある電圧領域でトンネル電流が流れなくなる、クーロンブロッケード現象を室温で観察した研究がある（非特許文献１）。この研究では、金薄膜上に一分子層の厚さ（約１ｎｍ）の有機薄膜を載置し、その有機薄膜上に直径２−３ｎｍの金ナノ粒子を載置した構造物を作製し、それを探針電圧を変化させながらＳＴＭで観察した。
【０００５】
【非特許文献１】
サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、アメリカ、１９９６年、第２７２巻、第５２６６号、ｐ．１３２３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
金粒子の粒径が大きい場合には、１個の電子注入により増加する静電エネルギーが室温の熱エネルギーに比べて小さいため、クーロンブロッケード現象は観察されない。クーロンブロッケード現象を室温で観察するためには、直径２〜３ｎｍの金ナノ粒子を用いなければならないが、このように小さな、しかも粒径をコントロールした金粒子を生成することや膜上に固定化することは困難である。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、従来技術のような微小金属粒ではなく、有機分子の単分子膜を用いて電流−電圧応答を示すデバイス（例えば、キャパシタ）を構成したものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る電流−電圧応答を示すペプチドの自己組織化単分子膜は、へリックス構造を有し、ペプチド分子末端の一方に硫黄原子を含む置換基を有するペプチド単分子を金属基板上に略垂直に配向させることにより作製することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
α−ヘリックスペプチドはタンパク質の二次構造中に見出される折りたたみ構造の一つであり、らせん軸に沿ってダイポールモーメントを有する個々のペプチド結合が同じ方向に配列するために分子全体として大きなダイポールモーメントを有するようになる。高度に構造が制御された生体系、光合成系においてα−へリックスペプチドはこのダイポールモーメントによる電場により、電子移動の速度や方向を制御している。
【００１０】
上記自然現象と同様に、複数のペプチド分子が無秩序に配向している場合、ダイポールモーメントはお互いに打ち消しあうが、金属電極基板上に規則正しく配向させたヘリックスペプチド分子の自己組織化膜は、ダイポールモーメントが打ち消されることなく、表面電位発生や光電変換といった電気的機能を発現することを本発明者は見出している。
【００１１】
通常、有機化合物は絶縁性を示すが、本発明はヘリックスペプチド分子の自己組織化膜が有するこのような電気的機能に着目して、電子デバイスに利用しようとするものである。
【００１２】
本発明において使用するペプチド分子は、安定なα−ヘリックスを形成し、金属基板上に固定化したときに略垂直に配向するようなポリペプチドであればよいが、α−アミノイソ酪酸（Ａｉｂ）と疎水性アミノ酸とを組み合わせたポリペプチドは、安定なα−ヘリックスを形成し、金属基板上に固定化したときに容易に略垂直に配向するため好適である。この組合せにおいては、Ａｉｂがヘリックスペプチド分子が基板上に略垂直に配向するのに重要な役割を果たしていることが実験によりわかっている。また、ＦＴＩＲ−ＲＡＳ測定により、これらのへリックスペプチドの自己組織化単分子膜は、へリックス軸を基板垂直方向から約２０−４０度傾けて配向していることがわかっている（図１）。
【００１３】
疎水性アミノ酸は、分子を基板上に固定化した際にパッキング上有利であるという点から、標準アミノ酸のなかでは、ロイシン、バリン、アラニンが好適であるが、これらに限るものではない。
【００１４】
ペプチド分子は、その末端にチオールやジスルフィド環などの硫黄を含む置換基を有し、硫黄と金などの金属基板の相互作用によって、基板上に固定化される。ジスルフィド環を分子末端に有する場合は、ヘリックス構造が二つの硫黄原子によって基板上に固定化されるため、ペプチド分子の固定がより安定化するばかりでなく、チオールを末端に有する場合と比べて、ペプチド合成の際、置換基の保護が必要ないなど、合成上有利である。硫黄を含む置換基末端と反対側のペプチド分子末端は、ベンゼンやフェロセン、エステル、アミドなど種々の置換基であってよく、特に限定されないが、フェロセンを分子末端に有するとき、電流−電圧応答特性が優れる（図１０，１１）。
【００１５】
これらのヘリックスペプチド単分子を金属基板上に略垂直に配向させることにより作製したペプチドの自己組織化単分子膜は熱的にも安定であって、少なくとも１５０℃の加熱に対しても構造上安定であることが確認されており、電子デバイスとしての使用にも問題はないと思われる。
【００１６】
化学式１に、Ａｉｂとロイシンがペプチド結合した繰り返し単位を有し、その繰り返し数がｎであって、Ｃ末端側にベンゼン環を導入し、Ｎ末端側にジスルフィド環を導入したペプチド分子（以下「ＳＳ−Ｌ２ｎ」）の分子構造を表す。
【００１７】
また、ｎ＝６、９、１２のときの自己組織化単分子膜について走査トンネル分光（以下「ＳＴＳ」）による測定を行ったときの電流−電圧応答特性のグラフを図２から図７に示す。なお、図において、負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したものを「ｕｐ」と、正のバイアスから負のバイアスへバイアスを掃引したものを「ｄｏｗｎ」と表している。
【００１８】
式２にＡｉｂとロイシンがペプチド結合した繰り返し単位を有し、その繰り返し数が９であって、Ｎ末端側にベンゼン環を導入し、Ｃ末端側にジスルフィド環を導入したペプチド分子（以下「Ｌ１８−ＳＳ」）の分子構造を、式３にＡｉｂとロイシンがペプチド結合した繰り返し単位を有し、その繰り返し数が８であって、Ｎ末端側にフェロセンを導入し、Ｃ末端側にジスルフィド環を導入したペプチド分子（以下「Ｆｃ−Ｌ１６−ＳＳ」）の分子構造を、式４にＡｉｂとロイシンがペプチド結合した繰り返し単位を有し、その繰り返し数が８であって、Ｃ末端側にフェロセンを導入し、Ｎ末端側にジスルフィド環を導入したペプチド分子（以下「ＳＳ−Ｌ１６−Ｆｃ」）の分子構造を表し、それぞれのペプチドの自己組織化単分子膜についてＳＴＳによる測定を行ったときの電流−電圧応答特性のグラフを図８から図１３に示す。図２から図１３よりわかるように、いずれの膜も電流−電圧応答を示す。しかし、図８、９、１２、１３に示されるように、Ｃ末端側で金基板上に固定化されたペプチドの自己組織化単分子膜は、電流−電圧応答が小さい。このことから、十分な電流−電圧応答を示すペプチドの自己組織化単分子膜を得るためには、金属基板上にペプチド分子のＮ末端側で固定する必要があることがわかる。すなわち、硫黄原子を含む置換基はペプチド単分子のＮ末端に結合させる必要がある。
【００１９】
なお、Ｆｃ−Ｌ１６−ＳＳの分子長は約４ｎｍであるが、アミノ酸の種類や繰り返し単位の繰り返し数などを調節することにより、分子長の微調整も容易である。
【化１】
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【化２】
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【化３】
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【化４】
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【００２０】
以上、ペプチド分子を基板上に複数並べて得られた自己組織化単分子膜について述べたが、単一のペプチド分子を基板上に固定したものも、同様の性質を示し、単一のペプチド分子からも電子デバイスを作製することができるものと考えられる。
【００２１】
【発明の効果】
ヘリックスペプチド単分子を金属基板上に略垂直に配向させることにより作製したペプチドの自己組織化単分子膜は、ステップ状の電流−電圧応答を示すことから、ナノメートルオーダーの電子デバイスに使用することが可能である。また、有機分子を用いることから、本発明は、分子の均質性、固定化の容易性、分子設計による物性の微調整が可能であるという利点を有する。
【００２２】
【実施例】
試料の作製
ペプチド合成は、モノマー単位としてＡｉｂとロイシンを用い、交互重合体をジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）／１−ヒドロキシベンゾトリアゾール（ＨＯＢｔ）あるいはＯ−（７−Ａｚａｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｏｌ−１−ｙｌ）−１，１，３，３−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｕｒｏｎｉｕｍ　ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ（ＨＡＴＵ）を用いた通常の液相法により行った。合成に用いた試薬は市販のものであり、溶媒は蒸留精製なしに使用した。生成物の同定は１Ｈ　ＮＭＲ及び質量分析により行い、また薄層クロマトグラフィー（ＴＬＣ，　ｓｉｌｉｃａ　ｇｅｌ　６０　Ｆ２５４　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｐｌａｔｅ，　Ｍｅｒｃｋ社製）により純度の確認をした。
【００２３】
ペプチドの自己組織化単分子膜の調製
ペプチドの自己組織化単分子膜は０．３ｍＭペプチド溶液に金基板を浸漬させることにより調製した。金基板は、劈開したばかりのマイカ板を適当な大きさ（ｃａ．５×５ｍｍ）にカットした後、金を蒸着し、自己組織化単分子膜調製直前にアニール処理した。ペプチドの自己組織化単分子膜の調製には、ＵＨＶ−ＳＴＭでＡｕ（１１１）表面のテラス構造を確認できる金基板を使用した。ペプチドの自己組織化単分子膜調製用の溶媒としては主としてエタノールを用い、エタノールに対して溶解性の悪いＳＳ−Ｌ１８とＳＳ−Ｌ２４はクロロホルムを加え、試料を溶解させた。インキュベーション後、基板はエタノールで洗浄し、ただちに走査型トンネル顕微鏡の真空チャンバー内（導入室）に導入した。
【００２４】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）測定
ペプチド単分子膜のＳＴＭ像はユニソク社製ＵＳＭ−１１００を用いて、室温、超高真空下（１０−９〜１０−１０Ｔｏｒｒ）で得た。サンプルバイアス、およびトンネル電流セットはそれぞれ０．５−１．０Ｖ、５−１００ｐＡであり、トンネル抵抗６−１００ＧΩに相当する。探針は機械研磨したＰｔ−Ｉｒを用いた。得られたＳＴＭ像はｃｏｎｓｔａｎｔ−ｃｕｒｒｅｎｔモードによる凹凸像で、図１４から図１６にＳＳ−Ｌ１８の自己組織化単分子膜の測定結果を示すが、これらのデータはいずれもフィルター処理していない生データである。各図の明るい部分はペプチド分子が基板表面上に均一にかつ分子密度が高い状態で固定化されていることを示しており、暗い部分は室温の自己組織化単分子膜に特徴的な構造で、金一原子層（約０．２４ｎｍ）に相当するピッツ構造である。
【００２５】
走査トンネル分光（ＳＴＳ）データはＳＴＭ測定後、トンネル電流セット値を選んで探針をペプチド膜上に固定化し、サンプルバイアス電圧Ｖを変化させながらトンネル電流Ｉを測定したスペクトルである。サンプルバイアス電圧は±２．５Ｖの範囲で変化させた。トンネル電流セット値は１０ｐＡ、２０ｐＡ、４０ｐＡ、６０ｐＡ、８０ｐＡとした。各々のトンネル電流セット値で約３００のデータを収集し、そのうちのノイズの小さい再現性のある７０−９０％のデータを平均化した。Ｉ−Ｖ測定はフィードバックロープを切って行った。
【００２６】
分子キャパシタとしての利用
ヘリックスペプチド分子がダイポールモーメントを有することにより、比較的大きな誘電率を示すことから、電極間にヘリックスペプチドを介在させ、コンデンサとして機能するものと考えられる。
【００２７】
高バイアスを印加せずにヘリックスポリペプチド分子の自己組織化単分子膜のＳＴＭ観察を行い、探針の位置を変えながらＳＴＳを測定したところ、ＳＳ−Ｌ１６−Ｆｃの自己組織化単分子膜において、ゼロコンダクタンス領域が明瞭に観察された（図１０）。ゼロコンダクタンス領域が認められたことは、この電圧の範囲ではキャパシタに電子が流れ込めないことを示しており、クーロンブロッケード現象を示唆する。この観測結果は、ヘリックスポリペプチド分子が電子１個の流れを制御する分子キャパシタとして動作していることを意味し、ＳＳ−Ｌ１６−Ｆｃは量子化された電流応答を示す有機分子であるといえる。キャパシタの容量は分子の種類および長さによって変化させることが可能であるが、キャパシタとして利用するためには、十分なゼロコンダクタンス領域を示すようなペプチド分子を選択しなければならない。
【００２８】
ある電圧領域でトンネル電流が流れなくなるクーロンブロッケード現象を観測するには、分子キャパシタの帯電エネルギーが室温（３００Ｋ）のエネルギー値である２６ｍｅＶよりも大きくなければならない。Ｅｃ＝ｅ２／２Ｃより、Ｃ＝３．１×１０−１８Ｆとなるため、上記現象を観察するには、分子キャパシタの容量が３．１×１０−１８Ｆより小さいことが条件となる。ところで、ヘリックスペプチドの自己組織化単分子膜の容量はＣ＝ε０×εｓ×Ｓ／ｄ（Ｓは面積、ｄは距離）である。例えば、直径１．４ｎｍ、５０ｄｅｂｙｅのヘリックスペプチドを用いて、均一な４ｎｍの膜厚の自己組織化単分子膜を調整したとすると、Ｃ＝４．３×１０−２１×εｓである。一方、ヘリックスペプチドの自己組織化単分子膜の表面電位とダイポールモーメントとの関係は、Ｖ＝ＰＬ／（ε０×εｓ）であることから、εｓ＝９．８／Ｖと求められる。ＳＳ−Ｌ１６−Ｆｃの自己組織化単分子膜は０．１Ｖの表面電位を発生することから、Ｃ＝４．２×１０−１９Ｆ、Ｖｃ＝０．１９Ｖと求められる。
【００２９】
なお、Ｆｃ−Ｌ１６−ＳＳの自己組織化単分子膜の表面電位は０．６Ｖであることから、Ｃ＝７．０×１０−２０Ｆ、Ｖｃ＝１．１４Ｖである。これらより、定性的には、ダイポールが逆転した膜でＶｃの値が異なることを説明でき、これらの値は図１０〜１３に示される値とほぼ一致する。
【００３０】
分子ダイオード素子としての利用
へリックスペプチドが電子移動のメディエーターとして機能し、また、へリックス鎖のＮ末端方向への電子移動がへリックスペプチド分子の有するダイポールモーメントにより加速される。このことから、ヘリックスペプチド分子を分子ダイオードとして使用することが可能であると考えられる。そこで、へリックスペプチド単分子のコンダクタンスを、ＳＴＳにより評価した。
【００３１】
ＳＴＳを用いてＳＳ−Ｌ２４とＦｃ−Ｌ２４−ＳＳの自己組織化単分子膜を観察したところ、３Ｖのバイアス電圧で走査を繰り返すことで、直径５ｎｍ程度のドメイン構造が観察されるようになった。このドメインのＳＴＳ測定を行ったところ、ＳＳ−Ｌ２４では正のバイアス電圧の印加により、Ｆｃ−Ｌ２４−ＳＳでは負のバイアス電圧の印加により、電流応答が観測され整流作用を示した。ＳＳ−Ｌ２４の観測結果を図１７に示す。電流応答の観測される領域でのへリックスペプチド分子のコンダクタンスは１０−２Ｓ／ｃｍのオーダーであり、高い値となった。これは、高いバイアス電圧で走査を繰り返すことにより薄膜へのチャージアップが起こり、Ａｕ−Ｓの結合領域、あるいは、フェロセン領域にショットキー障壁が形成されたためと考えられるが、詳細については検討が必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属基板上に固定化されたヘリックスペプチド分子の自己組織化単分子膜の模式図。
【図２】ＳＳ−Ｌ１２の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図３】ＳＳ−Ｌ１２の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより正のバイアスから負のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図４】ＳＳ−Ｌ１８の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図５】ＳＳ−Ｌ１８の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより正のバイアスから負のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図６】ＳＳ−Ｌ２４の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図７】ＳＳ−Ｌ２４の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより正のバイアスから負のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図８】Ｌ１８−ＳＳの自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図９】Ｌ１８−ＳＳの自己組織化単分子膜をＳＴＳにより正のバイアスから負のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図１０】ＳＳ−Ｌ１６−Ｆｃの自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図１１】ＳＳ−Ｌ１６−Ｆｃの自己組織化単分子膜をＳＴＳにより正のバイアスから負のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図１２】Ｆｃ−Ｌ１６−ＳＳの自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図１３】Ｆｃ−Ｌ１６−ＳＳの自己組織化単分子膜をＳＴＳにより負のバイアスから正のバイアスへバイアスを掃引したときの電流−電圧応答特性図。
【図１４】ＳＳ−Ｌ１８の自己組織化単分子膜表面をサンプルバイアス−０．５Ｖ、トンネル電流１００ｐＡでＳＴＭによって観察した図。
【図１５】ＳＳ−Ｌ１８の自己組織化単分子膜表面をサンプルバイアス０．５Ｖ、トンネル電流１００ｐＡでＳＴＭによって観察した図。
【図１６】ＳＳ−Ｌ１８の自己組織化単分子膜表面をサンプルバイアス１．０Ｖ、トンネル電流１００ｐＡでＳＴＭによって観察した図。
【図１７】ＳＳ−Ｌ２４の自己組織化単分子膜をＳＴＳにより観察したときの電流−電圧応答特性図。
【符号の説明】
１０…ヘリックスペプチド単分子
１１…金基板
１２…フェロセン
１３…ダイポールモーメント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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