(57)【要約】【課題】  本発明は、所望の検知能もたらす化学的又は生物学的センサを提供する。【解決手段】  本発明は、半導体ナノワイヤと、該半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子とから構成することができる化学的又は生物学的センサに関する。一実施形態では、半導体ナノワイヤは、同じ又は類似の半導体ナノワイヤからなるアレイの一部とし得る。導電線によって前記アレイに電流を供給することができる。信号測定装置を前記アレイに電気的に接続することができ且つ前記信号測定装置は前記アレイの電流変化を検出するよう構成することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）半導体ナノワイヤと、
ｂ）前記半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子と、
を含む、化学的又は生物学的センサ。
【請求項２】
前記半導体ナノワイヤが、前記半導体ナノワイヤに電圧又は電流を供給する、少なくとも２つの導電線に接続される、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項３】
前記ナノワイヤに電気的に接続されている信号測定装置をさらに含み、該信号測定装置がピコアンペアの範囲の電流変化を検出することができる、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項４】
前記化学的又は生物学的センシング分子が、所定の分析物と相互作用する、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項５】
前記化学的又は生物学的センシング分子が、所定の分析物と化学反応する、請求項４に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項６】
前記化学的又は生物学的センシング分子が、所定の化学物質又は化学物質の種類を検知するよう構成されている、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項７】
前記化学的又は生物学的センシング分子が、所定の生体物質又は生体物質の種類を検知するよう構成されている、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項８】
前記半導体ナノワイヤの長さ対幅のアスペクト比が、少なくとも５である、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項９】
前記化学的又は生物学的センサが、液体中の分析物を検出するよう構成されている、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項１０】
前記化学的又は生物学的センサが、固体中の分析物を検出するよう構成されている、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項１１】
前記半導体ナノワイヤが、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、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から成る群から選択される物質からなる、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項１２】
前記半導体ナノワイヤのアレイであって、前記半導体ナノワイヤの各々が、それに結合している化学的又は生物学的センシング分子を有する、アレイと、
電気的特性を前記アレイにもたらす導電線と、
前記アレイに電気的に接続されており、前記電気的特性の変化を検出するよう構成されている信号測定装置と、
を含む、請求項１に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項１３】
前記電気的特性が、前記アレイを構成する個々の半導体ナノワイヤを流れる電流である、請求項１２に記載の化学的又は生物学的センサ。
【請求項１４】
環境内の分析物の存在を検出する方法であって、
ａ）化学的又は生物学的センサのナノワイヤセンシング要素に沿って電流を発生させるステップであって、前記ナノワイヤセンシング要素が、
ｉ）半導体ナノワイヤと、
ｉｉ）前記半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子と、
を含む、ステップと、
ｂ）前記化学的又は生物学的センシング分子と相互作用する分析物を含むと考えられる環境に、前記電流が流れている前記ナノワイヤセンシング要素をさらすステップと、
ｃ）前記化学的又は生物学的センシング分子と相互作用する分析物に起因して前記電流が変化したか否かを判定するステップと、
を包含する、方法。
【請求項１５】
前記化学的又は生物学的センシング分子が、所定の化学物質又は化学物質の種類を検知するよう構成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記化学的又は生物学的センシング分子が、所定の生体物質又は生体物質の種類を検知するよう構成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記半導体ナノワイヤの長さ対幅のアスペクト比が、少なくとも５である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記化学的又は生物学的センサが、液体中の分析物を検出するよう構成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記化学的又は生物学的センサが、固体中の分析物を検出するよう構成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記半導体ナノワイヤが、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、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から成る群から選択される物質からなる、請求項１４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、化学的分析及び生物学的分析に関する。詳細には、本発明は、化学的分析又は生物学的分析に使用するための官能化ナノワイヤの調製に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学的分析及び生物学的物質の同定は、分析生物学、分析化学及び分析物理学の分野において行われてきた。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。これらの傾向を考えると、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】
化学的物質又は生物学的物質の検出に関しては、多数の従来法が開発されている。例えば、導電性ポリマー基材上への標識生体分子（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ  ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）の固定化、並びに導電性ポリマーをベースとする化学的及び生物学的センサデバイスの開発は、最近非常に注目されている領域である。しかしながら、これら従来の化学センサ及び／又はバイオセンサは、空気中や固体中ではなく、水溶液環境中で作動するよう設計されている。
【０００４】
近年、例えば、シリコンやゲルマニウム等の半導体ナノワイヤをベースとする化学的センサ又は生物学的センサがより重要になってきた。それは、このようなナノスケールのセンサは、従来センサでは実現困難な、高感度、低コスト、高アレイ密度、及び低消費電力をもたらすことができるためである。従って、当該領域の化学的又は生物学的センシング（検知）の研究は、現在も続けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
所望の検知能をもたらすべく機能化された半導体ナノワイヤからなる化学的又は生物学的センサを開発することは有用であると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
半導体ナノワイヤ表面への化学的／生物学的センシング分子の、簡便且つ高再現性の強力な固定化は、このようなセンサの品質及び再利用性を劇的に改善することも判明してきた。この認識に鑑み、本発明の化学的又は生物学的センサは、半導体ナノワイヤと、親水性反応基を含むスペーサー基を介して半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子とから構成することができる。
【０００７】
他の実施形態では、化学的又は生物学的センサは、半導体ナノワイヤのアレイと、電気的特性を前記アレイにもたらす導電線と、前記アレイに電気的に接続され且つ電気的特性（アレイを流れる電流とし得る）の変化を検出するよう構成された信号測定装置とから構成することができる。当該アレイは、個別の半導体ナノワイヤを含んで成り、該ナノワイヤの各々は、親水性反応基を含むスペーサー基を介して該半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子を含む。
【０００８】
他の実施形態では、本発明は、環境中の分析物の存在を検出する方法を提供し、当該方法は、多数のステップを包含し得る。このようなステップの１つには、化学的又は生物学的センサのナノワイヤセンシング要素に沿って電流を適用するステップが含まれ、この場合、ナノワイヤセンシング要素は、半導体ナノワイヤと、親水性反応基を含むスペーサー基を介して半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子とを含んで成る。別のステップとしては、化学的又は生物学的センシング分子と相互作用する分析物を含むと考えられる環境に前記ナノワイヤセンシング要素を曝露するステップ、並びに化学的又は生物学的センシング分子と相互作用する分析物に起因してコンダクタンスが変化するか否かを決定するステップを含むことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所望の検知能をもたらすべく機能化（官能化）された半導体ナノワイヤからなる化学的又は生物学的センサを提供することができる。本発明の他の特徴及び利点は、例示目的で本発明の特徴を説明する、以下の詳細な説明により明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、例示的な実施形態に触れるが、それを説明するために、本明細書では特定の用語を用いることとする。しかしながら、それらによって本発明の範囲を限定する意のないことは理解されよう。当業者及び本開示を手にする人であれば案出するであろう、本明細書で説明する本発明の特徴の変更及びさらなる改良、並びに本明細書で説明するような本発明の原理のさらなる応用は、本発明の範囲内であると考えるべきである。また、本明細書で使用する用語は、単に特定の実施形態を説明する目的で用いられているにすぎないことも理解されたい。当該用語は、本発明の範囲を限定する意はない。
【００１１】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いるとき、単数形は、別途明確に指示のない限り、複数形の意も含むことに留意されたい。
【００１２】
用語「半導体ナノワイヤ」には、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、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等の半導体物質からなる細長い構造体が包含され、それは幅の狭い断面、例えば１００ｎｍ未満の断面を有する。ナノワイヤは、約５より大きいアスペクト比（長さ対幅）を有することができる。即ち、ナノワイヤは一般に、或る軸が、それとは垂直な他の軸に対して、少なくとも５倍細長い。用語「ナノワイヤ」とは、その構造がワイヤ状でなければならないという意はなく、単に当該構造体が、その１つの軸に沿って細長いことを意味している。例えば、ワイヤ状、チューブ状、ロープ状、又はベルト状の構造体は、ナノワイヤであると考えられる。より詳細には、本発明の実施形態によれば、従来のナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロープ、及びナノベルトは全て、ナノワイヤであると考えられる。さらに、材料の種類に関して具体的に言及する場合、必ずしも単一の構成成分からなることを意味しない。例えば、「シリコンナノワイヤ」とは、主にあるいは全てがシリコンで構成されている従来のナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロープ及びナノベルトであるか、又は例えば、ホウ素ドープドシリコンのナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロープ及びナノベルトのような複合ナノワイヤ、即ちハイブリッドナノワイヤであり得る。半導体ナノワイヤは、例えば、電子線リソグラフィー又はナノインプリント法を用いてナノワイヤを形成する成長法又は製造法などの、幾つかの方法のうちの１つによって調製することができる。基材上でナノワイヤを成長させる場合、核形成サイトとして触媒ナノ粒子を用いた化学気相成長法を利用することができる。したがって、十分に制御された寸法、パターン及び／又は密度のナノワイヤを、アレイ状に成長させることが可能である。これらのナノワイヤは、基材に取り付けられたままで化学的又は生物学的センサとして使用することができ、又は化学的又は生物学的センサへ導入するために収集することができる。ナノワイヤを形成するための他の具体的方法の例としては、テンプレート補助法（template assistance method）、電気化学蒸着法、高圧注入法、化学気相成長法、及びレーザ補助法（laser assisted method）が挙げられ、これらの各々が、当分野において広く知られている。特定の大きさに限定はされないが、ある実施形態では、個別の半導体ナノワイヤの幅は、約１０ｎｍ〜１００ｎｍとし得る。
【００１３】
「分析物」とは、本発明の化学的又は生物学的センシング分子で修飾された半導体ナノワイヤを用いて検査されている、液体、気体、又は固体状態の環境中に存在し得る物質を意味する。詳細には、分析物は、化学物質もしくは化学物質類、又は生体物質もしくは生体物質類であり得る。
【００１４】
用語「電気的特性」には、例えば、電流、キャパシタンス、電圧、抵抗等の、電気分野において通常知られている特性が包含される。
【００１５】
アルキル基、アルコキシ基等に言及する際の用語「低級」とは、例えば、メチル、メトキシ、エチル、エトキシ、プロピル、イロプロピル、ブチル、イソブチル等の、Ｃ１〜Ｃ４炭素鎖を有する組成物を意味する。
【００１６】
本明細書では、濃度、大きさ、量、及び他の数値データを範囲形式で提示する場合がある。このような範囲形式は、単に便利であり且つ簡潔であるために用いるものであり、範囲の限界値として明記された数値のみを含むのではなく、あたかもそれぞれの数値及び副範囲が明記されているかのように、全ての個々の数値又はその範囲内に含まれる副範囲を含むものと、柔軟に解釈すべきであることを理解されたい。例えば、約１μｍ〜約２００μｍという寸法の範囲には、１μｍ及び約２００μｍという明記された限界値のみが含まれるのではなく、例えば、２μｍ、３μｍ、４μｍ等の個々の寸法、並びに例えば、１０μｍ〜５０μｍ、２０μｍ〜１００μｍ等の副範囲も含まれるものと解釈すべきである。
【００１７】
数値又は範囲に言及する際の用語「約」は、測定の実施時に起こり得る実験誤差から生じる値を包含する意がある。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、化学的又は生物学的センサは、半導体ナノワイヤと、親水性反応基を含むスペーサー基を介して前記半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子とから構成することができる。
【００１９】
他の実施形態では、化学的又は生物学的センサは、半導体ナノワイヤのアレイと、電流を前記アレイに供給する導電線と、前記アレイに電気的に接続され且つアレイを流れる電流の変化を検出するよう構成された信号測定装置とから構成することができる。当該アレイは、個別の半導体ナノワイヤを含んで成り、該ナノワイヤの各々には、親水性反応基を含むスペーサー基を介して化学的又は生物学的センシング分子が結合している。
【００２０】
他の実施形態では、環境中の分析物の存在を検出する方法は、多数のステップから構成され得る。このようなステップの１つには、化学的又は生物学的センサのナノワイヤセンシング要素に沿って電圧又は電流を適用するステップが含まれ、この場合、ナノワイヤセンシング要素は、半導体ナノワイヤと、親水性反応基を含むスペーサー基を介して前記半導体ナノワイヤに結合している化学的又は生物学的センシング分子とを含んで成る。他のステップには、化学的又は生物学的センシング分子と相互作用する分析物を含むと考えられる環境にナノワイヤセンシング要素を曝露するステップ、並びに化学的又は生物学的センシング分子と相互作用する分析物に起因して電流が変化するか否かを判定するステップが含まれ得る。
【００２１】
上述のように、化学的又は生物学的センシング分子を半導体ナノワイヤ表面に結合させることで、分析物の存在を検知するよう構成され得る機能を形成することができる。詳細には、一実施形態では、化学的又は生物学的センシング分子の結合している半導体ナノワイヤに電流を適用することが可能である。ナノワイヤはまた、電流の微少変化を検出し得る検知デバイスに電気的に接続することができる。一例では、ピコアンペアオーダーの変化を検出することが可能である。したがって、化学的又は生物学的センシング分子が所定の分析物と相互作用又は反応する場合、ナノワイヤのコンダクタンスが変化し、これを、検知デバイスによって検出することができる。ナノワイヤでは、体積に対する表面積比が大きいため、表面上の少数の分析物組成物との相互作用も検出することができる。本実施形態では、ナノワイヤの２つの箇所が電流を適用するための導電線と接続されるように、ナノワイヤを構成することが可能である。あるいはまた、ナノワイヤは、自立ナノワイヤアレイを構成する自立ナノワイヤともし得、これもまた、化学的又は生物学的センサとして使用することができる。
【００２２】
化学的又は生物学的センシング分子は、例えば、金属イオン、ペプチド、タンパク質、核酸、酵素、抗体及び／又は病原菌などの、化学的もしくは生物学的な物質／試薬を検出するために使用することができる。これらの物質は、水溶液もしくは有機溶液あるいは分散液における使用に適合させることができ、また、固体又は気体環境における使用にも適合させることが可能である。例えば、半導体ナノワイヤ上に蛍光プローブを固定化することによって、気体又は固体環境の検知を実現し得る。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、化学的又は生物学的センシング分子を半導体ナノワイヤ上に固定化するための、実用的な化学プロセスが提供される。詳細な実施形態では、例えば、３−アミノプロピルトリエトキシシラン又はテトラクロロシランなどの特定の化学試薬でシリコンナノワイヤを処理することによって、反応基を半導体ナノワイヤ上に誘導することができる。化学的又は生物学的センシング分子と反応するように反応基を構成することで、シリコン表面と分子センシング分子との間の安定な共有結合を形成させることが可能である。化学的又は生物学的センシング分子をシリコン表面に結合させる場合、センシング分子の少なくとも１つのセンシング部分が環境と自由に相互作用できるように、反応を制御すべきである。即ち、この結合メカニズムによって、半導体ナノワイヤ表面を修飾するために使用する分子のセンシング部分の官能性を破壊すべきではない。適切に構成されれば、化学的又は生物学的センシング分子は共有結合を介してシリコン表面にしっかりと結合することができ、環境中の化学物質及び／又は生物学的化学種の検出を実現し得る。調製したナノスケールの化学的又は生物学的センサは、液体環境、気体環境において、並びに固体状態用途においての使用に、良好に適合し得る。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、化学的又は生物学的センシング半導体ナノワイヤを調製するのに用い得る、幾つかの例示的調製スキームが提供される。化学的又は生物学的センシング分子は、以下の式１に従って半導体ナノワイヤに結合し得る。
【００２５】
ＮＷ−Ｂ−Ａ−Ｍ   式１
【００２６】
上記の式１において、ＮＷは半導体ナノワイヤ（従来のナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロープ及びナノベルトを含む）であり、Ｂは架橋基であり、Ａはスペーサー基であり、Ｍは化学的又は生物学的センシング分子である。
【００２７】
化学的又は生物学的センシング分子（Ｍ）には、例えば、イオン指示薬、ｐＨ指示薬、ＤＮＡ染色液、タンパク質染色液、酵素指示薬等として使用されるもののような、潜在的（potential）検知分子ユニットを含むことができる。一実施形態では、当該検知分子には蛍光染料を用いることができ、この例として、限定はしないが、４，４−ジフルオロ−４−ボラ−３ａ，４ａ−ジアザ−ｓ−インダセン（ＢＯＤＩＰＹ）染料、フルオレセイン染料及び置換フルオレセイン染料、ローダミン染料及び置換ローダミン染料、クマリン染料及び置換クマリン染料、ナフタレン染料及び置換ナフタレン染料、ピレン染料及び置換ピレン染料、ピリジルオキサゾール染料、７−ニトロベンズ−２−オキサ−１，３−ジアゾール誘導体染料、アントラセン染料及び置換アントラセン誘導体染料、エオジン及びエリスロシン誘導体染料、並びにフォトクロミック（光発色性）染料が挙げられる。
【００２８】
化学的又は生物学的センシング分子の他の具体的な例は、金属イオンを検出するよう構成されたクラウンエーテルである。当該実施形態では、例えば、１８−クラウン−６分子をシリコンナノワイヤに結合させることができる。金属イオンを含む可能性のある環境中に、クラウンエーテルの結合したナノワイヤを配置すると、金属イオンが存在すれば、金属イオンはクラウンエーテルと錯形成又はキレート形成し、コンダクタンス変化をもたらし得る。ナノワイヤはナノスケールであるため、コンダクタンスは、ナノワイヤの表面特性の変化に対して極めて敏感に反応（応答）し得る。したがって、組成の僅かな変化、即ち、クラウンエーテルと金属イオンとの錯形成又はキレート化によって、検出し得る微少なコンダクタンス変化がもたらされ得る。
【００２９】
半導体ナノワイヤと、化学的又は生物学的センシング分子とを（スペーサー基を介して）架橋するよう機能し得る任意の架橋基（Ｂ）を、本発明に従って使用し得る。架橋基は、半導体ナノワイヤに結合させる前は、典型的に、半導体ナノワイヤに反応性を示す反応部分を含んでいる。架橋基の反応部分の例としては、式ＳｉＲ３を有するものが挙げられる。ここで、各Ｒは、独立してハロ、低級アルコキシ、又は低級アルキル基（例えば、メチル、エチル、プロピル、又はイソプロピル）とし得るが、少なくとも１つのＲは半導体ナノワイヤと反応しなければならない（例えば、ハロ又は低級アルコキシ）。ハロ及び低級アルコキシは、シリコン表面への結合に関して反応性を示すところの例示的な基である。例えば、トリフレート、アシル、オキシム、又はアミンなどを用いる他の反応メカニズムもまた利用することができる。
【００３０】
架橋基（Ｂ）は、化学的又は生物学的センシング分子を反応基と（最終的には、半導体ナノワイヤ表面と）結合させるために使用し得るスペーサー基（Ａ）に結合させることができる。スペーサー基（それが結合することになる含炭素部分よりも極性の高い親水性反応基を含む）は、化学的又は生物学的センシング分子（Ｍ）をナノワイヤ表面から離隔させるよう機能することで、化学的又は生物学的センシング分子（Ｍ）と、試験又は分析されている所望の化学物質又は生体物質との間の相互作用を最大限にすることができる。スペーサー基は、アルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル部の種々の組み合わせを含むことができ、また、１つ又は複数の親水性成分（即ち、それが結合することになるアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル部分よりも親水性のもの）も含むことができる。親水性反応基の例として、例えば、Ｏ、Ｓ、アミン窒素、アミド、アルキルアミド、スルホニル、スルホンアミド、又はカルボニル官能基が挙げられる。また、アルキル、アリール、及びアラルキル部分は、−ＯＨ、−ＳＨ、−Ｃｌ等で置換することもできる。好ましくは、スペーサー基は、約３〜１０個の炭素原子を含むことができる。適切なスペーサー基の例として、−（ＣＨ２）ｂＮＨ（Ｃ）Ｏ−、−（ＣＨ２）ｂＯ（ＣＨ２）ａ−、又は−（ＣＨ２）ｂＮＨ−が挙げられ、ここで、ａは０〜３であり、ｂは１〜１０である。スペーサー基の特定の例を、架橋基（Ｂ）及び化学的又は生物学的センシング分子（Ｍ）に関連した形態で、以下の式２に例示する。
【００３１】
ＳｉＲ３−（ＣＨ２）ｂＯ（ＣＨ２）ａ−Ｍ      式２
【００３２】
上の例において、各Ｒは、独立してハロ、低級アルコキシ、又は低級アルキル基（例えば、メチル、エチル、プロピル、又はイソプロピル）とし得るが、少なくとも１つのＲは、半導体ナノワイヤと反応しなければならない（例えば、ハロ又は低級アルコキシ）。使用し得る他の反応基には、トリフレート、アシル、オキシム、又はアミンが含まれる。２つの具体的な例では、−ＳｉＲ３で表されるような、ハロシラン反応基及び／又は低級アルキルシラン反応基を提示することができる。半導体ナノワイヤは、式２には示していないが、１つ又は複数のＲ基と反応することができ、その場合、式２の−ＳｉＲ３部は、架橋基になる。
【００３３】
また、式２では、スペーサー基は、式−（ＣＨ２）ｂＯ（ＣＨ２）ａ−を有するよう図示されており、ここで、ａは０〜３、ｂは１〜１０とし得る。当該スペーサー基は、化学的又は生物学的センシング分子と結合しているように図示されている。図示するように結合しているが、それでも化学的又は生物学的センシング分子は、アッセイすることが望まれている環境組成物と相互作用するための官能性（官能基）を維持しなければならない。さらに、化学的又は生物学的センシング分子の官能基の少なくとも一部が維持される限り、化学的又は生物学的センシング分子と反応基との間の結合に関しては、任意の手段又は位置を使用し得る（スペーサー基を介して、又はスペーサー基なしで）。さらに、特定の種類のスペーサー基を示しているが、当業者であれば本開示の理解後に明らかになるように、他のスペーサー基を使用することもできる。
【００３４】
本発明の実施形態に従って実施し得る一般的な調製スキームを、以下の式３に示す。
【００３５】
【化１】
2005257684.tif 000002
【００３６】
上の式３においては、垂直ラインは半導体ナノワイヤを表している。また、各Ｒには、個々独立して、ハロ、低級アルコキシ、又は低級アルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル等）を用いることができるが、少なくとも１つのＲは、半導体ナノワイヤと反応しなければならない（例えば、ハロ又は低級アルコキシ）。重ねて、ハロ又はアルコキシ以外の反応基も使用することができる。式３に示す例は、低級アルコキシの例である。さらに、式３では、Ａはスペーサー基、Ｍは化学的又は生物学的センシング分子を表す。
【００３７】
上の式３における化学的又は生物学的センシング分子は、半導体ナノワイヤと反応する試薬と結合した状態で図示しているが、半導体ナノワイヤを、化学的又は生物学的センシング分子と反応する架橋基及びスペーサー基を含む物質で修飾することもできる。このような調製スキームを、以下の式４に示す。
【００３８】
【化２】
2005257684.tif 000003
【００３９】
上の式４において、垂直ラインは半導体ナノワイヤを表し、Ａ’は化学的又は生物学的センシング分子と反応する部分を含むスペーサー基前駆体を表し、Ｍ’は反応性のあるスペーサー基前駆体と反応する反応部を有する化学的又は生物学的センシング分子前駆体を表し、Ａ−Ｍは化学的又は生物学的センシング分子とスペーサー基とが共有結合していることを表す。一実施形態において、Ａ’がＭ’と反応して組成物の−Ａ−Ｍ部分を形成する限り、Ａ’の反応部分には、脱離基又は求核物質及び／又は同様のものを用いることができ、Ｍ’の反応部分には、脱離基又は求核物質のいずれかを用いることができる。
【００４０】
表面修飾のより詳細な例を、以下の式５及び６に示す。式５には、例示的な実施形態を示しており、そこでは、図示するように、潜在的センシング分子ユニットを反応性物質に固定化し、次いで、この物質を半導体ナノワイヤに結合させている。
【００４１】
【化３】
2005257684.tif 000004
【００４２】
上の式５において、反応副生物は図示していない（したがって、各式は釣り合いがとれているように図示されていない）ことに留意されたい。なお、式５において、Ｍは化学的又は生物学的センシング分子であり、垂直ラインは半導体ナノワイヤである。化学的又は生物学的センシング分子には、イオン指示薬、ｐＨ指示薬、ＤＮＡ染色液、タンパク質染色液、酵素指示薬等として使用される多数の化学的又は生物学的センシング分子ユニットを用いることができる。図示するように、化学的又は生物学的センシング分子は、市販の３−（トリエトキシシリル）プロピルアミンで処理することができ、それによって、アミノ基と、潜在的検知分子ユニット上の活性化エステル基とが反応を起こし、化学的又は生物学的センシング分子物質を形成することができる。この物質を半導体ナノワイヤと反応させることで、化学的又は生物学的センシング分子で修飾した半導体ナノワイヤを形成することができる。即ち、未処理の半導体ナノワイヤを、修飾された潜在的検知分子物質で処理すると、トリエトキシシリル基と、シリコン表面上のヒドロキシ基とが化学反応を起こし、化学結合が形成され、それによって潜在的検知分子ユニットをシリコン基材に固定化することができる。
【００４３】
以下の式６には、本発明の実施形態による、半導体ナノワイヤの代替修飾法を示している。具体的には、トリ（エトキシ）シリルプロピルアミン（半導体ナノワイヤと反応するシラン基を含み、さらに反応性アミノ基を含む）を示す。具体的には、反応性アミノ基は、以下に示すように、化学的又は生物学的センシング分子と結合している活性エステルと反応する。
【００４４】
【化４】
2005257684.tif 000005
【００４５】
上の式６では、反応副生物を図示していない（したがって、各式は釣り合いがとれているように図示されていない）ことに留意されたい。なお、式６において、Ｍは化学的又は生物学的センシング分子であり、垂直ラインは半導体ナノワイヤである。Ｍは、イオン指示薬、ｐＨ指示薬、ＤＮＡ染色液、タンパク質染色液、酵素指示薬等として使用される多数の化学的又は生物学的センシング分子ユニットとし得る。
【００４６】
上の式５〜６に記載した詳細な例では、所望の化学的又は生物学的センシング分子を半導体ナノワイヤに接続する際に、とりわけ、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド活性化エステルを中間体として使用している。しかしながら、例えば、４−ニトロフェノールエステル又は混合無水物等の他の種類の活性化エステルもまた、たとえそれらが本明細書の式に明記されていなくても、同様の目的のために使用することができる。
【００４７】
本発明の実施形態の一例を示すために、フォトクロミズム（光互変）を考えることができる。フォトクロミズムとは、化学種が２つの形態の間で可逆的に光変換されることと定義することができる。各形態は、異なる吸収スペクトル、異なる物理化学特性（例えば、屈折率、誘電率、及び／又は酸化／還元電位等）、及び異なる幾何学的構造を有し得る。これらの分子特性の変化は、環境中の分析物の存在を判定するのに使用し得る種々の光デバイスに適用し得る。ナノワイヤ上に化学的又は生物学的センシング分子を固定化することによって、このような感受性（応答性）を実現し得る。
【００４８】
ナノワイヤは、従来の成長法を用いて成長させたり、製造技術を用いて製造したりすることができる。成長させる場合は、数例を挙げると、化学気相成長法（ＣＶＤ）、ナノインプリント法、ナノテンプレート法、及び／又は電気蒸着法などの、幾つかの方法のうちの１つを使用し得る。一方、ナノワイヤ成長のための他のスキームもまた、実行し得る。例えば、ナノワイヤ成長物質は、例えば、レーザ等で、固体標的を切断することによりもたらすことができる。当該方法は、基材を用いて又は基材を用いずに実施し得る。他の実施形態においては、例えば、高圧注入法、電子線リソグラフィー法、及びナノインプリント法等の製造技術を実施し得る。
【００４９】
上述の構成は、本発明の原理の応用を単に説明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を逸脱することなく、多数の変更及び代替の構成を案出することができる。
【００５０】
実施例
以下の実施例において、現在最もよく知られる本発明の実施形態を説明する。しかしながら、以下は、本発明の原理の応用を単に例示又は説明する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、当業者であれば、多数の変更及び代替の組成、方法、及びシステムを案出することができる。添付の特許請求の範囲は、このような変更及び代替構成を包含するものとする。したがって、特定のものに関して本発明を説明してきたが、以下の実施例は、本発明の最も実用的で且つ好ましい実施形態であると現在考えられているものに関してさらに詳しく説明するものである。
【実施例１】
【００５１】
シリコンナノワイヤ上への蛍光カルシウムイオン指示薬の固定化
半導体ナノワイヤ（１）を、３−（トリエトキシシリル）プロピルアミン（２）で処理して、表面修飾ナノワイヤ（３）を形成する。次いで、３−（トリエトキシシリル）プロピルアミンのアミン基に反応性を示す、反応性Ｓｃエステル官能化蛍光カルシウムイオン指示薬組成物（４）を用いて、修飾ナノワイヤとイオン指示薬との間に共有結合が形成されように修飾ナノワイヤを処理する。これによって、レセプタユニットが半導体ナノワイヤとは別の方を向くように、半導体ナノワイヤにイオン指示薬が結合される。それによって、蛍光カルシウムイオン指示薬の結合した半導体ナノワイヤ（５）を形成することができる。調製スキームを以下に概略的に示す。
【００５２】
【化５】
2005257684.tif 000006
【化６】
2005257684.tif 000007
【００５３】
反応副生物を図示していないため、各式は釣り合いがとれていないことに留意されたい。
【実施例２】
【００５４】
シリコンナノワイヤ上へのフォトクロミック（光互変性）化合物の固定化
半導体ナノワイヤ（１）を、３−（トリエトキシシリル）プロピルアミン（２）で処理して、表面修飾ナノワイヤ（３）を形成する。次いで、３−（トリエトキシシリル）プロピルアミンに反応性を示す反応性スクシンイミジル基（６）で修飾されたスピロピラン標的組成物を用いて修飾ナノワイヤを処理し、修飾ナノワイヤと修飾スピロピラン標的組成物との間に共有結合を形成する。その結果形成された組成物は、スピロピラン標的の結合した半導体ナノワイヤ（７ａ）である。紫外線に曝露すると、当該化合物はスピロ結合が切断される異性化を起こすことにより、極性の高い「開（ｏｐｅｎ）」形態（７ｂ）となる。開形態を約５３０ｎｍ付近の波長で照射すると、組成物は閉形態（７ａ）に戻る。したがって、固定化されたスピロピラン化合物は、紫外線で閉形態から開形態へ、可視光で開形態から閉形態へと切り替わることができる。この調製の反応スキームを以下に示す。
【００５５】
【化７】
2005257684.tif 000008
【化８】
2005257684.tif 000009
【００５６】
反応副生物を図示していないため、各式は釣り合いがとれていないことに留意されたい。
【００５７】
特定の好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく、様々な改良、変更、省略、及び置換をし得ることを理解されよう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。