(57)【要約】  本発明において、走査トンネル顕微鏡法が、ナノメートルスケールで表面を画像化するための、及び／又は、ある場所から別の場所に粒子（例えばタンパク質）を移動させることによりナノサイズスケールで加工するための、有用なツールであることが発見された。これは、第１の場所から第２の場所に材料を移動させる方法であって、探針を提供するステップと、探針にバイアスを印加するステップと、表面を提供するステップと、第１の場所から第２の場所に材料が移動されるように探針のバイアスを変化させるステップとを含む方法により達成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の場所から第２の場所に材料を移動させる方法であって、
バイアスを有する探針を提供するステップと、
表面を提供するステップと、
前記材料を提供するステップと、
前記第１の場所から前記第２の場所に前記材料が移動されるように前記探針のバイアスを変化させるステップとを有する方法。
【請求項２】
表面上にデザインを形成する方法であって、
表面上に材料を選択的に堆積させる工程であって、
バイアスを有する探針を提供するステップと、
前記探針の表面上に前記材料を提供するステップと、
前記探針から前記表面に前記材料が移動するように前記探針の前記バイアスを変化させるステップとを含む工程を有する方法。
【請求項３】
表面から材料を除去する方法であって、
バイアスを有する探針を提供するステップと、
前記材料を含む表面を提供するステップと、
前記表面から前記探針に前記材料が移動されるように前記探針の前記バイアスを変化させるステップとを含む方法。
【請求項４】
第１の場所から第２の場所に材料を移動させる方法であって、
探針を提供するステップと、
前記材料を含有する緩衝溶液中に前記探針を浸漬するステップと、
前記探針を乾燥させるステップと、
前記探針にバイアスを印加するステップと、
表面を提供するステップと、
前記第１の場所から前記第２の場所に前記材料が移動されるように前記探針の前記バイアスを変化させるステップとを含む方法。
【請求項５】
前記探針で前記表面を走査するステップをさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
トンネル電流が前記材料の移動を可能とするように、前記探針と前記表面との間に間隔を提供するステップをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記間隔を増加又は減少させて、堆積される材料の密度及び範囲を変化させるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記間隔の増加又は減少が、約０．０５ｎｍから約０．２ｎｍの間である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記バイアスが約−５．０Ｖから＋５．０Ｖの間である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記バイアスの変化が、前記材料を移動させるのに十分な期間、前記探針の前記バイアスの極性及び／又は大きさを変化させることを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記探針の前記バイアスが約＋５．０Ｖから約−５．０Ｖに変化する、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記探針の前記バイアスが約−５．０Ｖから約＋５．０Ｖに変化する、請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
前記材料がパルスにより移動される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記バイアスが、約０．００１ミリ秒から約１０ミリ秒印加される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記探針が導電性材料を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記探針が少なくとも１種の金属を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記探針が、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、タングステン、又は、これらの組合せを含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記探針が白金及びイリジウムを含む、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記探針が、８０ｗｔ％の白金及び２０ｗｔ％のイリジウムを含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記表面が半導体又は導体である、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記表面が、金属、ガラス又はポリマーを含む、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記表面が、金、銀、銅、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、タングステン、イリジウム、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、クロム、グラファイト、水銀、これらの合金、ケイ素、又は、二酸化ケイ素を含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記材料が、少なくとも１つのタンパク質、少なくとも１つの粒子、及び／又は、少なくとも１つの生体分子を含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記タンパク質が少なくとも約５ｋＤａの質量を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記タンパク質が少なくとも５０残基を含む、請求項２３又は２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記タンパク質が少なくとも１００残基を含む、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記タンパク質が、中性環境中に存在する時に、負電荷、正電荷又は中性電荷を有する、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記タンパク質が、β−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム又はＩｇＧである、請求項２３〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
第１の場所から第２の場所に材料を移動させるために走査トンネル顕微鏡を使用する方法。
【請求項３０】
前記第１の場所が探針であり、前記第２の場所が表面である、請求項１、４及び２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の場所が表面であり、前記第２の場所が探針である、請求項１、４及び２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記材料が、少なくとも１つのタンパク質分子、少なくとも１つの粒子、及び／又は、少なくとも１つの生体分子を含む、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２００７年５月３１日出願の米国特許仮出願第６０／９３２，３８１号明細書の優先権を主張する。
【発明の分野】
【０００２】
[0002]本発明は、概して走査トンネル顕微鏡法に関し、具体的には、ある場所から別の場所に粒子を移動させるための走査トンネル顕微鏡法の使用に関する。
【発明の背景】
【０００３】
[0003]ナノ加工は、寸法がナノメートルである、又は単位が１０−９メートルであるデバイスのデザイン及び製造である。ナノ加工は、コンピュータ及び／又は電子技術、宇宙航空技術、並びに、医療及び／又はバイオ技術等の多くの分野において潜在的用途を有する。例えば、ナノ加工技術は、コンピュータ及びコンピュータ関連技術を進歩させることができる超高密度マイクロプロセッサ及びメモリチップを提供する可能性を有する。
【０００４】
[0004]ナノ加工を行うことができるいくつかの手法がある。１つの伝統的な方法は、ナノリソグラフィーを含む。ナノリソグラフィーは、微視的レベルでのエッチング、書込み、又は印刷の工程であり、文字の寸法はナノメートルのオーダーである。例えば、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のチップ（tip）を使用して、個々の原子を操作することができる。しかしながら、ナノ加工技術におけるＳＴＭの実用性は、これまで、Ｘｅ、ＣＯ、金属原子クラスタといった原子及び無機小分子や、金ナノ粒子若しくは銀ナノ粒子といった、一般に１０ナノメートルを超える直径を有する金属ナノ粒子の操作に限られていた。
【０００５】
[0005]ナノスケールの物質はまた、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を使用してあるポイントから別のポイントに移動させることができる。韓国特許出願第１０−２００４−００９４９８２号明細書は、ＳＰＭチップから表面に物質を移動させるための走査プローブ顕微鏡の使用を開示している。ＳＰＭチップは、電位を有する溶液中に浸漬され、これにより、ＳＰＭは、溶液中の標的物質の極性とは反対のバイアス電圧をもつ。バイアス電圧により、チップ上に物質を集めることができる。次いで物質は、湿った状態で所望の表面に移動し、チップが表面に接触する前にチップバイアスが取り除かれる。この方法によると、ＳＰＭチップが表面に接触した時に毛管現象により堆積が生じるため、物質は不正確に、そして必然的に密に堆積される。したがって、この方法を用いて粒子の数及び正確な堆積場所を制御することはできない。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]一態様において、本発明は、ＳＴＭを使用してある場所から別の場所にナノサイズの材料を選択的に移動させる方法を提供し、電位の極性、パルス期間、及びＳＴＭチップと表面との間の間隔を変えることにより、粒子材料の数及び堆積の場所を正確に制御することができる。これらの方法は、バイアスを有する探針（stylus）を提供するステップと、材料を提供するステップと、表面を提供するステップと、ある場所から別の場所に材料が移動するように探針のバイアスを変化させるステップとを含む。
【０００７】
[0007]本発明の一態様は、バイアスを有する探針を提供することと、表面を提供することと、少なくとも１つの粒子を提供することと、ある場所から別の場所に少なくとも１つの粒子が移動するように探針のバイアスを変化させることとにより、ある場所から別の場所に少なくとも１つの粒子を選択的に移動させるために、ＳＴＭを使用する方法を提供する。
【０００８】
[0008]本発明の別の態様は、バイアスを有する探針を提供することと、表面を提供することと、少なくとも１つのタンパク質分子を提供することと、ある場所から別の場所に少なくとも１つのタンパク質分子が移動するように探針バイアスのバイアスを変化させることとにより、ある場所から別の場所に少なくとも１つのタンパク質分子を選択的に移動させるために、ＳＴＭを使用する方法を提供する。
【０００９】
[0009]本発明の別の態様は、探針から表面に少なくとも１つのタンパク質を移動させることにより表面上にデザインを形成する方法を提供する。この移動は、バイアスを有する探針を提供することと、少なくとも１つのタンパク質を提供することと、表面を提供することと、探針から表面に単独のタンパク質が移動するように探針バイアスのバイアスを変化させることとにより達成される。
【００１０】
[0010]本発明の別の態様は、バイアスを有する探針を提供することと、表面を提供することと、少なくとも１つのタンパク質を表面上に提供することとによる、ＳＴＭを使用した表面からの少なくとも１つのタンパク質の除去を提供し、バイアスは、探針が表面上をラスタ走査された時に表面から探針に少なくとも１つのタンパク質を移動させるのに十分な大きさ及び極性を有する。
【００１１】
[0011]本発明の別の態様は、バイアスを有する探針を提供することと、表面を提供することと、タンパク質を表面上に提供することと、表面から探針にタンパク質が移動されるように探針のバイアスを変化させることとによる、ＳＴＭを使用した表面からの単独のタンパクの除去を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】いかなる粒子も含まないアニール後の金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図２】本発明の一実施形態に従い、単独のβ−ＬＧ分子が堆積されたアニール後の金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図３】本発明の一実施形態に従い、「ＣＡＣＮ」というデザインが印刷された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図４】本発明の一実施形態に従い、「ＡＣＭＡ」というデザインが印刷された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図５】本発明の一実施形態に従い、「ＡＣＭＡ」というデザインが一部消去された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に従い、β−ＬＧ分子の３つのナノパターンが堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態に従い、減少する電位中でβ−ＬＧ分子の一連のナノパターンが堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図７】本発明の一実施形態に従い、ナノパターンが重複して堆積及び別個に堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に従い、長いナノバンドが堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態に従い、幅広のナノバンドが堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に従い、複数のβ−ＬＧ分子の４つのナノパターンが堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態に従い、複数のβ−ＬＧ分子の一連のナノパターンが堆積された金表面のＳＴＭ生成画像である。
【発明の詳細な説明】
【００１３】
Ｉ．定義
[0024]本明細書において使用される場合、「タンパク質」又は「タンパク質分子」は、直鎖状に配列し、カルボキシル基と隣接アミノ酸のアミノ基との間がペプチド結合により互いに繋がった、アミノ酸からなる有機化合物である。タンパク質の例には、β−ラクトグロブリン（β−ＬＧ）、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、リゾチーム、又は免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）が含まれる。
【００１４】
[0025]本明細書において使用される場合、「探針」又は「チップ」は、走査トンネル顕微鏡法における使用のための原子的に鋭利なプローブであり、帯電して表面に十分近付けられると、導体又は半導体表面原子とチップとの間にトンネル電流を流すことができる。
【００１５】
[0026]本明細書において使用される場合、「生体分子」は、タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、又はその他の生体化合物及びそれらの混合物を指す。タンパク質は上に定義されている。
【００１６】
[0027]本明細書において使用される場合、「表面」は、物体の外側若しくは最上部の境界又はそのような境界を構成する材料層である。表面は、任意の平面又は輪郭を含み得る。本発明に好適な表面は、ＳＴＭを用いて走査され得るそれらの表面である。例えば、これらの表面は、半導体又は導体である。
【００１７】
[0028]「バイアス」又は「電圧バイアス」は、定常状態電圧である。「バイアスの変化」又は「バイアスを変化させる」は、バイアスの大きさ及び／若しくは極性の変化、又はそれを変化させる行為を指す。変化は、ある場所から別の場所に少なくとも１つの粒子を移動させるのに十分な期間続く（例えば、期間は延長される、すなわち１秒以上続いてもよく、又は一時的、すなわち１秒未満続いてもよい）。例えば、バイアスは、１秒の何分の１かの間（例えば、約０．００１ミリ秒から約１０ミリ秒、約０．７５ミリ秒から約１．２５ミリ秒、又は約０．９ミリ秒から約１．１ミリ秒）続く大きさ及び極性の変化を生じてもよい。別の例において、バイアスは、約１ミリ秒（例えば、約０．５ミリ秒から約１．５ミリ秒）の期間、約＋０．５Ｖから約−０．５Ｖに変化する。バイアスの変化の別の例には、＋５．０Ｖから約−５．０Ｖの範囲内のバイアスの変化が含まれる。
【００１８】
[0029]本明細書において使用される場合、「導電性材料」は、材料上の２つの異なる点にわたり電位差が印加されると電流を伝導する任意の材料である。例示的な導電性材料には、導体及び半導体が含まれる。その他の例示的導電性材料には、金属（例えば、銅、鉄、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、銀、チタン、水銀、クロム、カドミウム、それらの合金等）、グラファイト、塩の溶液、血漿、ある種のガラス（例えばケイ素）、又は導電性若しくは半導体ポリマーが含まれる。
【００１９】
[0030]本明細書において使用される場合、「ＳＴＭ」は、走査トンネル顕微鏡又は走査トンネル顕微鏡法を指す。
【００２０】
[0031]本明細書において使用される場合、「材料」は、少なくとも１つの粒子、少なくとも１つの生体分子、及び／又は少なくとも１つのタンパク質分子を指す。例えば、「材料」は、単独の粒子又は複数の粒子を指す。別の例において、材料は、単独のタンパク質分子又は複数のタンパク質分子を指し、タンパク質分子は同じ種類（例えば化学的に同一のタンパク質分子）であっても、異なる種類（例えば化学的に異なるタンパク質分子）であってもよい。
【００２１】
[0032]本明細書において使用される場合、「移動させる」又は「移動」は、ある場所から別の場所に材料（例えば、少なくとも１つの粒子（例えば、少なくとも１つの原子、少なくとも１つのイオン、少なくとも１つの分子（例えば生体分子）等））を運搬することを意味する。例えば、「移動させる」は、探針から表面に少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子）を運搬すること、又は表面から探針に少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子）を運搬することを表現し得る。
【００２２】
[0033]本明細書において使用される場合、「選択的に移動させる」は、所望の場所から別の所望の場所に粒子を移動させることを指す。移動させることについては上に定義されている。
【００２３】
[0034]本明細書において使用される場合、「粒子」は、原子、原子クラスタ（すなわち非共有結合原子団）、又は分子（例えば生体分子（例えば、タンパク質分子、ＤＮＡ、若しくはＲＮＡ））を指す。
【００２４】
ＩＩ．ＳＴＭ技術
[0035]本発明において、走査トンネル顕微鏡法が、ある場所から別の場所に材料（例えば少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質））を選択的に移動させることによるナノサイズスケールでの加工に有用なツールであることが発見された。
【００２５】
[0036]ＳＴＭは、原子的に鋭利なチップを有するように加工された探針を使用する。探針に電位差が印加され、探針が表面に十分近付けられると、表面と探針との間にトンネル電流が流れる。トンネル電流（Ｉ）は、測定点での探針と表面との間のバイアス電圧又はバイアス（Ｕ）の変動から測定される。トンネル電流Ｉは以下のように表すことができる。
Ｉ＝Ｋ×Ｕ×ｅ−（ｋ×ｄ）    （１）
【００２６】
[0037]式中、Ｋ及びｋは定数であり、Ｕはトンネルバイアスであり、ｄは探針と表面との間の距離である。方程式（１）で表される関係に基づくと、トンネル電流は、バイアスＵ、及び、探針と表面との間の距離ｄに直接的に依存する。さらに、トンネル電流は、探針と表面との間の距離が増加するに従い指数関数的に減衰する。数原子直径の隔たりで、探針が一定のバイアスを維持した場合、探針と表面との間の距離が減少するに従いトンネル電流は急激に増加する。距離によるトンネル電流のこの急激な変化は、表面上でチップがラスタ走査されて画像を生成する時の原子分解能をもたらす。
【００２７】
[0038]しかしながら、本発明は、ある場所から別の場所に材料を選択的に移動させるためにＳＴＭを使用する。この方法は、材料（例えばタンパク質分子）を選択的に堆積させることにより、又は表面から材料（例えばタンパク質分子）を選択的に除去することにより、表面上にナノメートルスケールのデザインを形成するのに有用である。
【００２８】
ＩＩＩ．ＳＴＭを用いた粒子の移動
[0039]本発明の方法は、第１の場所から第２の場所に材料を選択的に移動させるのに有用であり、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、材料を提供するステップと、第１の場所から第２の場所に材料が移動されるように探針のバイアスを変化させるステップとを含み、材料は、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子）を含む。
【００２９】
[0040]図１に示されるように、いかなる粒子も堆積していないアニール後の金表面が滑らかな段として観察される。β−ラクトグロブリン（β−ＬＧ）粒子は、探針バイアスを＋０．５Ｖ（表面を基準として）に設定したβ−ＬＧ被覆探針で表面を走査することにより表面から除去又は消去された。
【００３０】
[0041]探針バイアスを−０．５Ｖ（表面を基準として）に反転させると、β−ＬＧ等の粒子がアニール後の金表面に堆積する。図２に示されるように、−０．５Ｖ（表面を基準として）にバイアスされたβ−ＬＧ被覆探針で表面を走査すると、探針が金表面上をラスタ走査された時に、探針から金表面上に均一に堆積した単独のβ−ＬＧ分子が得られる。
【００３１】
[0042]また、移動される材料（例えば少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子））の量及び材料堆積の正確性が、上記方程式（１）で表される関係に従い近似的に調整可能であることも、本発明の特徴である。したがって、移動される材料の量及びそれが移動される正確性は、バイアスを変化させる、及び／又は、探針と表面との間の距離を変化させることにより、調節することができる。例えば、表面と探針との間の距離、すなわち間隔を約０．１ｎｍ増加させ、バイアスに所与の変化をもたらすと、複数の粒子を表面上に堆積させることができる。しかしながら、表面と探針との間の距離を約０．５ｎｍ増加させ、バイアスに同じ変化をもたらすと、単独の粒子を表面上に堆積させることができる。
【００３２】
[0043]表面には、所望のデザイン（図３〜５）を印刷することもできる。さらに、堆積される分子の数及び堆積場所は、バイアス電位及びパルス幅を制御することにより選択することができる。図３において、金表面には、−３．０Ｖのバイアスパルス及び１ミリ秒のパルス幅を使用して「ＣＡＣＮ」というデザインが印刷されており、各ナノパターンは約１２のβ−ＬＧ分子からなる。微小なナノパターンで加工又は書き込まれた文字列「ＣＡＣＮ」中の各文字は、高さがわずか７０ｎｍである。いくつかの単独分子からなる各パターンは、２０ｎｍ未満であった。
【００３３】
[0044]図４において、金表面には、−３．２Ｖ及び１ミリ秒のパルス幅のバイアスパルスを使用して「ＡＣＭＡ」というデザインが印刷されており、各ナノパターンは１つ又は２〜３のβ−ＬＧ分子からなり、高さ４０ｎｍ以下の文字を形成している。その後金表面上の所望の場所を、反転したバイアス電位を用いて走査することにより、デザインが消去される。図５に示されるのは、「ＡＣＭＡ」というデザインが印刷され、その後デザインの上部が消去された別の金表面である。
【００３４】
[0045]本発明の一態様は、第１の場所から第２の場所に少なくとも１つの粒子を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つの粒子を提供するステップと、第１の場所から第２の場所に少なくとも１つの粒子が移動するように探針のバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供する。
【００３５】
[0046]別の実施例は、第１の場所から第２の場所に少なくとも１つのタンパク質分子を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つのタンパク質分子を提供するステップと、第１の場所から第２の場所に少なくとも１つのタンパク質分子が移動するように探針のバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供する。
【００３６】
[0047]いくつかの例において、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子）が探針から表面上の選択された場所に移動される、又は、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子）が表面上の選択された場所から探針に移動されるように、探針のバイアスを変化させることにより、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子）を表面上に選択的に堆積させるか、又は、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質）を表面から選択的に除去するために、ＳＴＭが使用される。一実施例において、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が探針から表面上の選択された場所に移動される。別の実施例において、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、少なくとも１つの粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が表面上の選択された場所から探針に移動される。別の実施例において、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、並びに、探針と表面との間の距離を変化させることにより、少なくとも１つの粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が探針から表面上の選択された場所に移動される。別の実施例において、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、並びに、探針と表面との間の距離を変化させることにより、少なくとも１つの粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が表面上の選択された場所から探針に移動される。
【００３７】
[0048]本発明の別の態様は、バイアスを有する探針を提供することと、表面を提供すること、単独粒子（例えばタンパク質分子）を提供することと、探針のバイアスを変化させることとにより、第１の場所から第２の場所に単独粒子（例えばタンパク質分子）を選択的に移動させる方法を提供する。例えば、単独粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が移動されるように探針のバイアスを変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に単独粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が移動される。例えば、単独粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が移動されるように探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に単独粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が移動される。別の実施例において、単独粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が移動されるように、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させ、且つ、探針と表面との間の距離を変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に単独粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））が移動される。
【００３８】
[0049]一実施例において、タンパク質分子（複数可）を移動させるのに十分な期間、バイアスを約＋５．０Ｖから約−５．０Ｖに変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に少なくとも１つのタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等）が移動される。別の実施例において、約１ミリ秒（例えば約０．００１ミリ秒から約１０ミリ秒、約０．５ミリ秒から約１．５ミリ秒、又は約０．７ミリ秒から約１．３ミリ秒）の期間、バイアスを約＋０．５Ｖ（例えば約＋１．０Ｖから約＋０．１Ｖ）から約−４．５Ｖ（例えば約−０．１Ｖから約−３．６Ｖ、又は約−０．５Ｖから約−３．２Ｖ）に変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に少なくとも１つのタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等）が移動される。一実施例において、探針と表面との間の距離を約０．２ｎｍ（例えば約０．０５ｎｍから約０．２１ｎｍ、又は約０．０５ｎｍから約０．２０ｎｍ）増加させ、且つ、約１ミリ秒（例えば約０．５ミリ秒から約１．５ミリ秒、又は約０．７ミリ秒から約１．３ミリ秒）の期間、バイアスを約＋０．５Ｖ（例えば約＋１．０Ｖから約＋０．１Ｖ）から約−４．５Ｖ（例えば約−０．１Ｖから約−３．６Ｖ、又は約−０．５Ｖから約−３．２Ｖ）に変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に少なくとも１つのタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等）が移動される。
【００３９】
[0050]本発明の別の態様は、表面上の所望の場所から少なくとも１つのタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））を除去する方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つのタンパク質を表面上に提供するステップと、表面から探針に少なくとも１つのタンパク質分子が移動されるようにバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供する。一実施例において、タンパク質（複数可）を移動させるのに十分な期間、バイアスを約−４．５Ｖ（例えば約−３．６Ｖから約−０．１Ｖ、又は約−３．２Ｖから約−０．５Ｖ、又は約−０．５Ｖ））から約＋０．５Ｖ（例えば約＋１．０Ｖから約＋０．１Ｖ）に変化させることにより、表面上の選択された場所から探針に表面上の選択された場所に少なくとも１つのタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等）が移動される。
【００４０】
[0051]本発明の別の態様は、少なくとも１つのタンパク質を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つのタンパク質を提供するステップと、単独のタンパク質が移動されるようにバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供し、タンパク質は約５ｋＤａの質量を有する。いくつかの実施例において、タンパク質は少なくとも１０ｋＤａ（例えば少なくとも１５ｋＤａ、少なくとも２０ｋＤａ、少なくとも５０ｋＤａ、又は少なくとも１００ｋＤａ）の質量を有する。別の実施例において、タンパク質は、約５ｋＤａから約２００，０００ｋＤａ（例えば約１０ｋＤａから約１８０，０００ｋＤａ、又は約２０ｋＤａから約１５０，０００ｋＤａ）の質量を有する。例えば、約１ミリ秒（例えば約０．５ミリ秒から約１．５ミリ秒、又は約０．７ミリ秒から約１．３ミリ秒）の期間、バイアスを約＋０．５Ｖ（例えば約＋１．０Ｖから約＋０．１Ｖ）から約−４．５Ｖ（例えば約−０．１Ｖから約−３．６Ｖ、又は約−０．５Ｖから約−３．２Ｖ）に変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に、少なくとも５ｋＤａの質量を有する少なくとも１つのタンパク質分子が移動される。別の場合において、探針と表面との間の距離を約０．２ｎｍ（例えば約０．０５ｎｍから約０．２１ｎｍ、又は約０．０５ｎｍから約０．２０ｎｍ）増加させ、且つ、約１ミリ秒（例えば約０．５ミリ秒から約１．５ミリ秒、又は約０．７ミリ秒から約１．３ミリ秒）の期間、バイアスを約＋０．５Ｖ（例えば約＋１．０Ｖから約＋０．１Ｖ）から約−４．５Ｖ（例えば約−０．１Ｖから約−３．６Ｖ、又は約−０．５Ｖから約−３．２Ｖ）に変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に、少なくとも１５ｋＤａの質量を有する少なくとも１つのタンパク質分子が移動される。
【００４１】
[0052]本発明の代替の態様は、ある場所から別の場所にタンパク質を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、タンパク質を提供するステップと、単独のタンパク質が移動されるようにバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供し、タンパク質は少なくとも５０のアミノ酸（例えば少なくとも６０のアミノ酸、少なくとも７５のアミノ酸、少なくとも１００のアミノ酸、少なくとも１５０のアミノ酸、又は少なくとも３００のアミノ酸）を含み、各残基は、アラニン、システイン、アスパラギン酸、グルタミン酸、フェニルアラニン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、リシン、ロイシン、メチオニン、アスパラギン、プロリン、グルタミン、アルギニン、セリン、トレオニン、セレノシステイン、バリン、トリプトファン、及びチロシン（これらのアミノ酸の変形や、タンパク質に組み込まれるその他の同様の分子を含む）から独立して選択される。いくつかの実施例において、タンパク質は、約１００のアミノ酸から約６００のアミノ酸を含み、そのそれぞれが上述のアミノ酸のリストから独立して選択される。
【００４２】
[0053]本方法を用いて移動可能な分子は、これらのタンパク質又はさらに生体分子に制限されないことが認識される。
【００４３】
[0054]本発明の別の態様は、第１の場所から第２の場所に少なくとも１つのβ−ＬＧ分子又は少なくとも１つのＢＳＡ分子を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つのβ−ＬＧ分子又は少なくとも１つのＢＳＡ分子を提供するステップと、第１の場所から第２の場所に少なくとも１つのβ−ＬＧ分子又は少なくとも１つのＢＳＡ分子が移動されるようにバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供する。例えば、探針から表面上の選択された場所に又は表面上の選択された場所から探針にβ−ＬＧ分子又はＢＳＡ分子が移動されるように探針のバイアスを変化させることにより、表面上に単独のβ−ＬＧ分子若しくは単独のＢＳＡ分子を選択的に堆積させるため、又は、表面から単独のβ−ＬＧ分子若しくは単独のＢＳＡ分子を除去するために、ＳＴＭが使用される。一実施例において、β−ＬＧ分子又はＢＳＡ分子を移動させるのに十分な期間、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、探針から表面上の選択された場所に単独のβ−ＬＧ分子又は単独のＢＳＡ分子が移動される。別の実施例において、β−ＬＧ分子又はＢＳＡ分子を移動させるのに十分な期間、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、表面上の選択された場所から探針に単独のβ−ＬＧ分子又は単独のＢＳＡ分子が移動される。他の実施例において、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、並びに、探針と表面との間の距離を変化させることにより、少なくとも１つのβ−ＬＧ分子又は少なくとも１つのＢＳＡ分子が表面上の選択された場所から探針に移動される。さらに他の実施例において、探針のバイアスの極性及び／又は大きさを変化させることにより、並びに、探針と表面との間の距離を変化させることにより、単独のβ−ＬＧ分子又は単独のＢＳＡ分子が探針から表面上の選択された場所に移動される。
【００４４】
[0055]本発明の別の態様は、少なくとも１つのタンパク質分子を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つのタンパク質分子を提供するステップと、タンパク質分子（複数可）が移動されるようにバイアスの極性及び／又は大きさを変化させるステップとを含む方法を提供し、タンパク質分子（複数可）は、中性緩衝環境に曝されると正の正味電荷を有する。本発明の別の態様は、タンパク質を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、タンパク質を提供するステップと、単独のタンパク質が移動されるようにバイアスの極性及び／又は大きさを変化させるステップとを含む方法を提供し、タンパク質は、中性緩衝環境に曝されると負の正味電荷を有する。例示的なタンパク質には、β−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、又はＩｇＧが含まれる。
【００４５】
[0056]本発明の別の態様は、タンパク質を選択的に移動させる方法であって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、タンパク質を提供するステップと、単独のタンパク質が移動されるように探針のバイアスを変化させるステップとを含む方法を提供し、探針は導電性材料を含む。例えば、探針は、少なくとも１種の金属、例えば金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、タングステン、又はそれらの組合せを含む。別の実施例において、探針は、白金及びイリジウムを含む。別の実施例において、探針は、任意の割合の白金及びイリジウムを本質的に含む。例えば、探針は、約８０ｗｔ％（例えば約７０ｗｔ％から約９０ｗｔ％）の白金及び約２０ｗｔ％（例えば約３０ｗｔ％から約１０ｗｔ％）のイリジウムをさらに含む。
【００４６】
[0057]本発明の別の態様は、金表面を提供することと、タンパク質を提供することと、バイアスを有する探針を提供することと、探針から金表面に又は金表面から探針にタンパク質が移動するように探針のバイアスを変化させることとにより、探針から金表面に、又は金表面から探針にタンパク質を選択的に移動させる方法を提供する。本発明に好適な表面には、任意の輪郭が含まれる。しかしながら、本発明における使用に好適な表面には、ＳＴＭ走査に好適な任意の表面が含まれる。そのような表面には、導体又は半導体であるものが含まれる。いくつかの表面の例には、導体又は半導体を含むものが含まれる。別の実施例において、表面は、金、銀、白金、銅、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、タングステン、イリジウム、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、クロム、グラファイト、水銀、ケイ素、二酸化ケイ素、これらの組合せ等を含む。
【００４７】
[0058]バイアスの変化は、少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子（例えば少なくとも１つのβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））を移動させるのに十分な期間の、バイアスの大きさ及び／又は極性の変化を指すことができる。変化は延長される、すなわち１秒を超えてもよく、又は、変化は一時的、すなわち１秒以下であってもよい。例えば、バイアスは、１秒の何分の１かの間（例えば、約０．２５ミリ秒から約２．５ミリ秒、約０．７５ミリ秒から約１．２５ミリ秒、又は約０．９ミリ秒から約１．１ミリ秒）続く大きさ及び／又は極性の変化を生じてもよく、これがパルスを構成する。少なくとも１つの粒子（例えば少なくとも１つのタンパク質分子（例えば少なくとも１つのβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））の移動が、探針から表面上の選択された場所に粒子（複数可）を運搬する場合、バイアスの変化は、表面上の選択された場所に粒子（複数可）を運搬するのに十分な時間続く（例えば、バイアスの変化は一時的である）。少なくとも１つの粒子（例えばタンパク質分子（例えばβ−ＬＧ、ＢＳＡ、リゾチーム、ＩｇＧ等））の移動が、表面上の選択された場所から探針に粒子（複数可）を運搬する場合、バイアスの変化はまた、表面上の選択された場所に粒子（複数可）を運搬するのに十分な時間続く（例えば、バイアスの変化は一時的又は延長される）。例えば、表面の所望の場所又は領域から探針にいくつかの粒子を移動させる場合、バイアスの変化は、少なくとも、表面の所望の場所若しくは領域上で探針をラスタ走査するのに十分な時間、又は、粒子（複数可）上に探針を位置付けるのに十分な時間続く。
【００４８】
[0059]別の実施例において、バイアスの大きさは、短時間又は延長された時間変化する。例えば、バイアスは、約１ミリ秒の間、約＋０．１Ｖから約−０．５Ｖに変化する。別の場合において、バイアスは、約１ミリ秒の間、約＋０．１Ｖから約−０．８Ｖに変化する。
【００４９】
[0060]上述したように、ある場所から別の場所に移動される材料の量や、移動を達成するために必要なバイアスの変化は、間隔、すなわち探針と表面との間の距離に依存する。例えば、ある場所から別の場所（例えば、探針から表面、又は、表面から探針）に所望量の材料を移動させるように、間隔を調整することができる。したがって、間隔は、移動を促進するように調整可能である。例えば、間隔を増加又は減少させて第１の場所から第２の場所への所望量の材料の移動を成すことができる。さらに、間隔を増加又は減少させて探針から表面上への材料の堆積の正確性を向上又は低下させることができる。例えば、約０．３ｎｍほど（例えば、最大約０．２５ｎｍ又は最大約０．２０ｎｍ）間隔を増加又は減少させて、探針から表面上への材料の堆積の正確性を向上又は低下させることができる。
【００５０】
[0061]本発明の別の態様は、生体素子を生成する方法であって、ＳＴＭを使用して第１の場所（例えば探針）から第２の場所（例えば表面）に少なくとも１つのタンパク質分子を選択的に移動させるステップであって、バイアスを有する探針を提供するステップと、表面を提供するステップと、少なくとも１つのタンパク質分子を提供するステップと、少なくとも１つのタンパク質分子が移動されるように探針のバイアスを変化させるステップとを含むステップを含む方法を提供する。
【００５１】
[0062]本発明の方法によれば、少なくとも１つの粒子が表面に加えられてデザインが形成されるか、又は、少なくとも１つの粒子が表面から除去されてデザインが形成される、「トップダウン式」又は「ボトムアップ式」でデザインを形成することができる。
【００５２】
ＩＶ．実施例
[0063]タンパク質を１．０μｇ／ｍＬの濃度で１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）に溶解した。図１及び２に示されるような原子的に平坦な段を得るために、約８２０℃で２時間アニールした金被覆カバースリップを基板として使用した。Ｐｔ及びＩｒ（Ｐｔ：Ｉｒ、８０：２０ｗｔ％）で作製された探針を手作業で切断し、その端部が原子的に鋭利であることを確認するために検査した。次いで探針を生体分子で被覆した。タンパク質を含有する緩衝液中に探針を含浸した。探針を標的生体分子で被覆するのにバイアス電位は必要ない。次いで探針を取り除き、空気乾燥させた。ＳＴＭトンネル電流は約０．１ｎＡに設定した。タンパク質の移動は、以下の２つのモードを使用して達成された。
【００５３】
[0064]１．走査モード：このモードでは、タンパク質で被覆されたチップを使用した。堆積は、ある領域上を走査することにより達成され、またタンパク質の除去又は消去は、バイアスを変化させて同じ領域上を走査することにより達成された。工程全体において、チップはトンネル状態となり、バイアスが変化すると、ある特定の値に変化し、それが次の変化まで維持された。
【００５４】
[0065]タンパク質被覆Ｐｔ−Ｉｒチップを使用して、通常の安定画像化モードで且つ＋０．５Ｖに設定されたバイアスで、図１に示される清浄なアニール後の金試料をＳＴＭを使用して走査した。β−ＬＧ被覆チップバイアスを−０．５Ｖに設定すると、図２に示されるように、チップが走査モードである場合、β−ＬＧ分子は金表面上に均一に移動された。移動率は、バイアスの大きさに比例し、間隔に依存する。走査モードでの堆積の場合、バイアスは−０．１Ｖから−２．０Ｖの範囲であった。
【００５５】
[0066]２．パルスモード：このモードは、所定のパターンに従い分子を堆積させるために開発された。タンパク質被覆チップをトンネル状態に近付け、次いでタンパク質の移動を、パルスバイアス、パルス幅及び間隔の３つの因子で制御した。間隔は、ソフトウェアにより手動で変更することにより、すなわちチップを０．２ｎｍ上昇させることにより、変更可能であった。このようにして、基板上に堆積される生体分子の密度を制御するために、チップを上昇又は下降させた。追加的な間隔及びパルス幅及びバイアスを調節することにより、単独分子操作が達成された。パルスモードにおいて、バイアスの変化は、バイアスが初期値から別の値に変化し、それが特定の長さの時間保持されてから初期値に戻されたことを意味する。すなわち、初期バイアスは−０．５Ｖであり、１ミリ秒の間−１．５Ｖのパルス値に変化してから、−０．５Ｖの初期値に戻された。
【００５６】
[0067]パルスモードは、図３〜５に示されるような精密パターニングのために開発された。間隔、バイアスの大きさ及びバイアスパルス幅を調節することにより、単独分子操作が達成された。図３を参照すると、−３．２Ｖのパルスの大きさで、単独β−ラクトグロブリン分子の文字列「ＡＣＭＡ」が書き込まれている。バイアスが非常に高い（すなわちＰｔ−Ｉｒチップ及び金表面の場合、通常約±４．０Ｖ）と、チップのバルク材料が移動されることが観察された。しかしながら、より小さい任意のバイアスでは、チップのバルク材料の移動は観察されなかった。±４．０Ｖより小さいバイアスでは、チップと基板との間でタンパク質分子のみが移動される。
【００５７】
[0068]図６Ａに示される別の実施例において、−３．０Ｖ及び１ミリ秒の３回のパルスの放出で、数十のβ−ラクトグロブリン分子の３つのナノパターンが金表面上に堆積された。３回のナノ加工のすべてにおいて、パルスが放出された時、チップは０．２ｎｍ上昇された。
【００５８】
[0069]図６Ｂにおいて、複数のβ−ＬＧ分子の一連のナノパターンが金表面上に堆積されている。各自１つ１つが、それぞれのバイアスパルスに対応するが、電位は異なっている。左から右に向かって、電位は−３．１Ｖから−３．３Ｖに−０．１Ｖ刻みで減少されている。
【００５９】
[0070]図７は、上部のパターンが、−１．８Ｖで１０ミリ秒の２回のパルスを使用して堆積され且つ互いに重複した２つのナノパターンからなる、別の実施例を示す。別個に堆積された２つのナノパターンは、第１のパターンのすぐ下に示されている。
【００６０】
[0071]図８Ａは、−１．８Ｖで５０ミリ秒のパルスの放出に対応して生成された長いナノバンドの別の実施例を示す。図８Ｂは、３つの薄いバンドを並べて堆積させることにより生成された幅広のナノバンドを示す。
[0072]
【００６１】
[0073]図９Ａは、金表面上に堆積された複数のβ−ＬＧ分子の４つのナノパターンを示す。形成されたナノパターンの特定の形状は、おそらくチップの形状に起因している。各ナノパターンは、−２．０Ｖで１０ミリ秒の単一のバイアスパルスから形成され、各パルスは、同様の形状及びサイズのナノパターンをもたらした。
【００６２】
[0074]図９Ｂは、金表面上に堆積された複数のβ−ＬＧ分子の一連のナノパターンを示す。各パターンは、同じ期間であるが異なる電位のバイアスパルスに対応する。左から右に向かって、電位は−２．６Ｖから−３．４Ｖに−０．２Ｖの増分で減少されている。
【００６３】
[0075]上述の実施例はＢＳＡを使用しても行うことができ、同様の結果が得られる。
【００６４】
他の実施形態
[0076]上記の議論は、本発明の例示的実施形態を開示及び説明するに過ぎない。当業者には、そのような議論並びに付随する図面及び請求項から、以下の請求項に定義されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それらに様々な変更、修正、及び変形を行うことができることが容易に理解される。例えば、走査トンネル顕微鏡の代わりに、本発明の方法を実行可能な走査プローブ顕微鏡を使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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