(57)【要約】      （修正有）【課題】ひとつの分子を用いて、感度良くターゲット分子を補足でき、これを電気信号として取り出すことができるナノセンサーを開発する。【解決手段】ターゲット分子を認識したとき、電気的変化をシグナルとして発生させるセンシング部位と、シグナルを伝達するワイヤー部位からなるナノセンサーであり、代表的には、センシング部位が、特定式で表わされるビピリジンであり、パイ結合を有する化合物と電極金属に結合する基を有する化合物であるナノセンサー。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット分子を認識したとき、電気的変化をシグナルとして発生させるセンシング部位と、シグナルを伝達するワイヤー部位からなるナノセンサー。
【請求項２】
センシング部位が、次の化学式
【化１】
2005127998.tif 000007
で表わされるビピリジンであり、パイ結合を有する化合物と電極金属に結合する基を有する化合物である請求項１に記載したナノセンサー。
【請求項３】
シグナルを伝達するワイヤー部位が、
【化２】
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（式中、ｎは１〜５０の整数）
で示される化合物である請求項１又は請求項２に記載したナノセンサー。
【請求項４】
シグナルを伝達するワイヤー部位の一方を、金属に結合させないで、ＳＰＭチップで見ることができる構造とした請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載したナノセンサー。
【請求項５】
センシング部位が、次の化学式
【化３】
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で表わされるビピリジンのプラチナ錯体である請求項３又は請求項４に記載したナノセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーに関する。さらに、詳しくは特定の分子と反応する分子検出ナノセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金基板上に固定化したビス（フェニルエチニル）ベンゼン骨格の片末端にチオール基を導入した分子の走査型トンネル顕微鏡測定から、マトリックスであるn-ドデカンチオールよりも導電性が高いことが知られている（非特許文献１）。また、中央部にｐ−ニトロアニリンを導入した分子の電流・電圧測定からスイッチ機能を示すことが知られている（非特許文献２）。
【非特許文献１】L.A.Bumm,J.J.Arnold,M.T.Cygan,T.D.Dunbar,T.P.Burgin,ＬJonesII,D.L.Allara,J.M.Tour,P.S.Weiss,Science271,1705(1996)
【非特許文献２】J.Chen,M.A.Reed,A.M.Rawlett,J.M.Tour,Science286,1550(1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、ひとつの分子を用いて、感度良くターゲット分子を捕捉でき、これを電気信号として取り出すことができるナノセンサーを開発する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、鋭意研究したところ、ひとつの分子でこの働きをするものがあることを見出した。
すなわち、
ターゲット分子を認識したとき、電気的変化をシグナルとして発生させるセンシング部位と、シグナルを伝達するワイヤー部位からなるナノセンサーである。
ここにおいて、とくに、センシング部位が、次の化学式
【化４】
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で表わされるビピリジンであり、パイ結合を有する化合物と電極金属に結合する基を有する化合物とすることができる。
また、シグナルを伝達するワイヤー部位が、
【化５】
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（式中、ｎは１〜５０の整数）
で示される化合物であることが望ましい。
さらに、シグナルを伝達するワイヤー部位の一方を、金属に結合させないで、ＳＴＭチップ（走査型トンネル顕微鏡）で見ることができる構造とすることができる。
さらにまた、センシング部位が、次の化学式
【化３】
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で表わされるビピリジンのプラチナ錯体であることができる。
このセンシング部位を取り付けたナノセンサーは、特定のＤＮＡを検知することが出来るため、例えばガンの発見などに利用することが出来る。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のナノセンサは、ひとつの分子で、センシング部位とワイヤー部位をもち、金などの金属電極に直接取り付けることが出来るため、高感度の超小型のセンサーを作り出すことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明のナノセンサーの基本的な概念を、図１に示す。
ナノセンサーは、電気的変化をシグナルとして発生させるセンシング部位１と、シグナルを伝達するワイヤー部位２からなり、ワイヤー部位２の末端基により、電極金属に結合している。ターゲット分子４が近づいてきて、センシング部位１に補足されたとき、シグマ結合により結合しているため、自由回転していた２つのピリジン環は固定されるとともに、ターゲット分子補足による電子状態の変化によって、一定の電気的特性が得られることにより、ビピリジンのセンシング部位１に電気的変化を生じ、この変化のシグナルをワイヤー部位２を通して、電極３に伝える。この電気的変化を知ることにより、ターゲット分子の存在を検知できる。
本発明においては、図２に示すように、２つのタイプのナノセンサーを作ることが出来る。
すなわち、ひとつは、図２のＡ１に示すように、センシング部位１がターゲット分子Ｇを補足すると２つのワイヤー部位２が、信号を電極３に伝えるタイプのもの（以下タイプＩ）である。もうひとつは、図２のＡ２に示すように、シグナルを伝達するワイヤー部位の一方を、金属に結合させないで、ＳＴＭチップ（走査型トンネル顕微鏡）で見ることができる構造としたナノセンサー（以下タイプＩＩ）である。
【０００７】
（電極の調製）
本発明において、電気的変化を検出するために、分子ワイヤー部位２の末端基が配線電極と結合することが肝要であるが、そのために電極表面の調整が重要である。すなわち、電極表面の清浄化が重要である。清浄化は強力な一般的に知られている酸化剤により行うことができる。酸化に用いるものとして、オゾン、酸、過酸化物、硫酸・過酸化水素混合液（ピラニー液）がある。本発明の一部として、清浄化はこれで終わりではなく、この後の還元過程も重要であることを見出した。つまり、先の酸化反応によって電極表面には酸化物が形成しており、これを取り除く還元過程も必須である。還元に用いるものとして、亜硫酸塩、亜鉛、金属、アルカリ金属があり、中でもヒドラジン一水和物が（NH2NH2・H2O）が有用である。
【０００８】
本発明のセンシング部位及びワイヤー部位を結合した化合物の例を、次に示す。
【化４】
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【０００９】
図３の化学式で示すように、タイプＩのナノセンサーとして用いられる対称な構造を有する化合物6および化合物7は、5,5’-ジブロモビピリジン（化合物1）を出発原料とし、触媒としてPd (PPh3)4、もしくはPdCl2(PPh3)2およびCuIの混合物を用いて有機アミンあるいは有機アミンおよびTHF混合溶媒中で２当量のアセチレン誘導体（化合物3）を反応させることにより合成される。もしくは、5,5’-ジエチニルビピリジン（化合物2）を出発原料とし、触媒としてPd (PPh3)4 、もしくはPdCl2(PPh3)2およびCuIの混合物を用いて有機アミンあるいは有機アミンおよびTHF混合溶媒中で２当量のハロゲン化物（化合物4）を反応させることにより合成される。化合物６を塩化メチレン中、ピロリジンを作用することで保護基がアミノリシスを受けることによって、あるいはNaOHやトリエチルアミンなどのアルカリ水溶液を作用させることによる加水分解によって容易に脱保護が可能であり、定量的に化合物7を得ることができる。
本発明のもうひとつの型であるタイプＩＩのナノセンサーとして用いられる非対称な構造を有する化合物10および化合物11は、5,5’-ジブロモビピリジンを出発原料とし、触媒としてPd (PPh3)4 、もしくはPdCl2(PPh3)2およびCuIの混合物を用いて有機アミンあるいは有機アミンおよびTHF混合溶媒中で1当量のアセチレン誘導体3を反応させることにより合成される。もしくは、5-ブロモ-5’-エチニルビピリジン8を出発原料とし、触媒としてPd (PPh3)4 、もしくはPdCl2(PPh3)2およびCuIの混合物を用いて有機アミンあるいは有機アミンおよびTHF混合溶媒中で２当量のハロゲン化物4を反応させることにより合成される。化合物10を塩化メチレン中、ピロリジンを作用することで保護基がアミノリシスを受けることによって、あるいはNaOHやトリエチルアミンなどのアルカリ水溶液を作用させることによる加水分解によって容易に脱保護が可能であり、定量的に化合物11を得ることができる。
【００１０】
本発明のナノセンサーは、状態Ａ３にあるとき、ビピリジン部位に配位能力のあるプロトンや金属イオンを認識し、状態Ｂ’３の状態へと変換される。この時、ビピリジン部の平面性の変化とターゲット補足による電子状態の変化によってナノセンサー分子の導電性が変化し、検知できる。さらに、状態Ｂ’３にあるナノセンサーは、捕捉された金属イオンと相互作用できる能力のある中性分子あるいはアニオン分子を捕捉し、状態Ｂ３へと変化する。この時、金属を介して捕捉された分子によってナノセンサー分子の電子的および場合により構造的変化によってその認識を検知できる。
【実施例１】
【００１１】
（タイプＩのナノセンサーのモデルとなる化合物5(n= 6)の合成）
ヘキシルチオフェニルアセチレン501 mg (2.29 mmol)および5,5’-ジブロモビピリジン 300 mg(0.96 mmol)、 NaI 343 mg (2.29 mmol)をPdCl2(PPh3)235 mg (0.05 mmol)およびCuI 10 mg(0.05mmol)を触媒として窒素気流下にてトリエチルアミン中、70度で12時間加熱攪拌する。反応後、固体をろ別して得られたろ液と、固体をさらに塩化メチレンで洗浄してろ過したろ液を合わせ、溶媒を減圧留去した残渣を少量のクロロホルムに溶解してゲルパーミエーションクロマトグラフィーによって精製すると、収率60％で化合物5を得ることができる。1H NMR (CDCl3):δ 0.90(t, J = 7.0, 6H, CH3-CH2-),1.30-1.32 (m, 8H, CH3-(CH2)2-), 1.42-1.48(m, 4H, -S-(CH2)2-CH2-), 1.65-1.71 (m, 4H,-S-CH2-CH2-), 2.96 (t, J = 7.3, 4H, -S-CH2-),7.28 (d, J = 8.6 Hz, 4H, -Ar-), 7.47 (d, J = 8.6 Hz, 4H, -Ar-), 7.93 (dd, J1= 8.3 Hz, J2 = 2.2 Hz, 2H, Ar), 8.42 (dd, J1 = 8.2 Hz, J2= 0.8 Hz, 2H, Ar), 8.80 (dd, J1 = 2.1 Hz, J2 = 0.8 Hz, 2H,Ar)
（タイプＩのナノセンサーのモデル化合物による金属イオンの認識）
上記の化合物5(n = 6) 0.200mgを、溶剤DMSO0.5mlに溶解し、Pd(CH3CN)2Cl2 0.088mgおよびPd(CH3CN)2Cl20.118 mgを加え、70度にて1H NMR測定を行った。図５に示したように、いずれの場合も単一物質の生成を示しており、金属イオンが認識されることを確認した。また、化合物５(n = 6)のCH3CN/CHCl3 =2/1溶液(1x10-5 M, 室温)にPd(CH3CN)2Cl2およびPd(CH3CN)2Cl2をそれぞれ添加したところ、紫外-可視吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルが変化し、物理的性質の変化が確認された。
【実施例２】
【００１２】
（タイプＩのナノセンサーに用いる化合物６の合成）
4-(アセチルチオ)-ヨードベンゼン 176 mg (0.63 mmol)および5,5’-ジエチニルビピリジン 62.2mg (0.xx mmol)をPdCl2(PPh3)222 mg (0.03 mmol)およびCuI 12 mg(0.06 mmol)を触媒として、トリエチルアミン0.5 mlおよびテトラヒドロフラン6 ml混合溶媒中、室温で１晩攪拌すると収率80％で化合物6を得ることができる。1H NMR (CDCl3):δ 2.45 (s, 6 H, -S-(C=O)CH3),7.43 (d, J = 8 Hz, 4 H, Ar), 7.59 (d, J = 8 Hz, 4 H, Ar), 7.95 (dd, J1= 8 Hz, J2 = 2 Hz, 2 H, Ar), 8.44 (d, J = 8 Hz, 2 H, Ar), 8.81 (d, J= 8 Hz, 2 H, Ar)
【実施例３】
【００１３】
（タイプＩのナノセンサーに用いる化合物７の合成）
得られる化合物6 10 mgを塩化メチレンもしくはクロロホルムに溶解し、1 mlのピロリジンを加え、室温で一晩攪拌する。反応後、酢酸を1 ml加えて得られる沈殿をろ取し、さらに塩化メチレンで２回洗浄すると収率100%で化合物7が得られる。
1H NMR (CDCl3):δ 7.05 (d, J = 8.2 Hz, 4 H, Ar), 7.29(d, J = 8.2 Hz, 4 H, Ar), 7.70 (dd, J1 = 8.2 Hz, J2 = 2.2Hz, 2 H, Ar), 8.18 (d, J = 8.2 Hz, 2 H, Ar), 8.60 (s, 2 H, Ar)IR: 2555.2(SH) cm-1
【実施例４】
【００１４】
（タイプＩＩのナノセンサーのモデル化合物9(n= 1)の合成）メチルチオフェニルアセチレン1.416 g (9.55 mmol)および5,5’-ジブロモビピリジン 3.00 g(9.55 mmol)をPd (PPh3)40.117 g (0.20 mmol)を触媒として窒素気流下にてTHF-トリエチルアミン混合溶媒中、70度で2日間加熱攪拌する。反応後、固体をろ別して得られたろ液と、固体をさらにTHFで洗浄してろ過したろ液を合わせ、溶媒を減圧留去した残渣を少量のクロロホルムに溶解し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーによって精製すると収率46％で化合物9を得ることができる。
1H NMR (CDCl3):δ2.51 (s, 3H, CH3-S), 7.23 (d,J = 8.5 Hz, 2H, -Ar-), 7.47 (d, J = 8.6 Hz, 2H, -Ar-), 7.91 (dd, J1 = 8.2 Hz, J2 = 2.1 Hz, 1H, Ar), 7.95(dd, J1 = 8.6 Hz, J2 = 2.5 Hz, 1H, Ar), 8.33 (d, J = 8.6Hz, 1H, Ar), 8.37 (d, J = 8.3 Hz, 1H, Ar), 8.72 (d, J = 2.3 Hz, 1H, Ar), 8.78 (d,J = 2.0 Hz, 1H, Ar)
【実施例５】
【００１５】
（タイプＩＩのナノセンサーのモデル化合物9(n= 6)の合成）
ヘキシルチオフェニルアセチレン1.197 g (5.48 mmol)および5,5’-ジブロモビピリジン 1.436g (4.57 mmol)をPd (PPh3)40.231 g (0.20 mmol)を触媒として窒素気流下にてTHF-イソプロピルアミン混合溶媒中、70度で24時間加熱攪拌する。反応後、固体をろ別して得られたろ液と、固体をさらにTHFで洗浄してろ過したろ液を合わせ、溶媒を減圧留去した残渣を少量のクロロホルムに溶解し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーによって精製すると収率60％で化合物8を得ることができる。
1H NMR (CDCl3):δ 0.90(t, J = 6.9, 3H, CH3-CH2-),1.30-1.32 (m, 4H, CH3-(CH2)2-),1.41-1.48 (m, 2H, CH3-(CH2)2-CH2-),1.65-1.71 (m, 2H, -S-CH2-CH2-), 2.96 (t, J = 7.5,2H, -S-CH2-), 7.28 (d, J = 8.4 Hz, 2H, -Ar-), 7.46 (d, J = 8.5Hz, 2H, -Ar-), 7.91 (dd, J1 = 8.3 Hz, J2 = 2.2 Hz, 1H,Ar), 7.95 (dd, J1 = 8.5 Hz, J2 = 2.4 Hz, 1H, Ar), 8.33(d, J = 8.6 Hz, 1H, Ar), 8.38 (d, J = 8.2 Hz, 1H, Ar), 8.73 (s, 1H, Ar), 8.78 (s,1H, Ar)
【実施例６】
【００１６】
（タイプＩＩのナノセンサーに用いる化合物10の合成）
4-アセチルチオ-ヨードベンゼン 256 mg (0.92 mmol)および5-ブロモ-5’-エチニルビピリジン 244 mg (0.94 mmol)をPdCl2(CH3CN)228 mg (0.04 mmol)およびCuI 7.6 mg(0.04mmol)を触媒としてトリエチルアミンおよびテトラヒドロフラン混合溶媒中、室温で3日間攪拌すると収率51％で化合物10を得ることができる。
1H NMR (CDCl3):δ 3.55 (s, 1H, -SH), 7.27 (d, J = 8.3,2H, Ar), 7.38 (d, J = 8.4, 2H, Ar), 7.91 (dd, J1 = 8.2 Hz, J2= 2.1 Hz, 1H, Ar), 7.95 (dd, J1 = 8.6 Hz, J2 = 2.5 Hz,1H, Ar), 8.33 (d, J = 8.6 Hz, 1H, Ar), 8.38 (d, J = 8.3 Hz, 1H, Ar), 8.73 (d, J= 2.3 Hz, 1H, Ar), 8.77 (d, J = 2.2 Hz, 1H, Ar)
【実施例７】
【００１７】
（タイプＩＩのナノセンサーに用いる化合物1１の合成）
（その１）
得られる化合物10 1 mgを塩化メチレンもしくはクロロホルムに溶解し、5 μlのピロリジンを加えると、1H NMRスペクトルから、１分後にピロリジンによって定量的に脱保護されることを確認できる。化合物1030 mgを塩化メチレンもしくはクロロホルムに溶解し、100μlのピロリジンを加え、窒素気流下で10分間攪拌後、トリフルオロ酢酸を加えて中和した後溶媒をおよそ1/5まで減圧留去してからエタノールを加えると固体が沈殿する。この固体をろ取すると収率67%で化合物11が得られる。
1H NMR (CDCl3):δ 2.45 (s, 1H, -SH), 7.43 (d, J = 8.4,2H, Ar), 7.59 (d, J = 8.2, 2H, Ar), 7.93-7.96 (m, 2H, Ar), 8.34 (brs, 1H, Ar) ,8.39 (brs, 1H, Ar) , 8.73 (brs, 1H, Ar) , 8.79 (brs, 1H, Ar)
（その２）
化合物9(n = 1) 139 mg(0.36 mmol) を塩化メチレンに溶解し、酸化剤である60%メタクロロ過安息香酸62.1 mg (0.36 mmol)の塩化メチレン溶液を-20度で滴下し、その後12時間室温にて攪拌する。反応後、NaHCO3水溶液で洗浄した後、溶媒を減圧留去してシリカゲルカラムクロマトグラフィ−によって精製すると5-(4-メチルスルフィニル)フェニルエチニル)-5’-ブロモビピリジンを収率72％で得ることができる。得られた化合物100 mg (0.25 mmol) を乾燥塩化メチレン中、-20度で無水トリフルオロ酢酸 63 mg (0.3 mmol) を加え、序々に室温にして２時間攪拌した後、1N 塩酸水溶液を加えて12時間攪拌する。その後、有機層から溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィ（溶媒;クロロホルム:酢酸エチル=４:１）により精製すると、化合物11が収率25％で得られる。
【実施例８】
【００１８】
（タイプIIのナノセンサーに用いる化合物１２の調製）
化合物６を4.03 mg (0.8 μmol)秤量し、塩化メチレン10 mLに溶解する。この溶液を1 mL
ピペットを用いて5 mLのビーカーに移す。小さなスターラーバーをいれ、攪拌器をセットし、小さなスターラーバーを溶液内で回転させる。ここへ濃度0.15mmol/Lに調製したピロリジンの塩化メチレン溶液1mLを１〜２分かけて加え、２０分攪拌を継続する。得られた溶液を酸化アルミナ約２ｇの短いカラムでろ過し、ろ液に0.5mLの蒸留エタノールを加える。これの操作により、化合物６の一方のみの保護基を取り去ることができ、ナノセンサーに用いるタイプIIの化合物として使用できる。
【実施例９】
【００１９】
上記の化合物5(n = 6) 0.200 mgを、溶剤としてDMSO 0.5mlに溶解し、Pd(CH3CN)2Cl2 0.088mgおよびPd(CH3CN)2Cl20.118 mgをそれぞれ加え、70度にて1H NMR測定を行った。図５に示したように、いずれの場合も単一物質の生成を示してお、また、それぞれのピークがシフトしており、金属イオンが配位していることを確認した。また、図６に示したように、化合物５(n = 6)のCH3CN/CHCl3= 2/1溶液(1x10-5 M, 室温)にPd(CH3CN)2Cl2およびPd(CH3CN)2Cl2のCH3CN/CHCl3 = 2/1溶液をそれぞれ添加したところ、紫外-可視吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルは添加量に応じて徐々に変化し、最大吸収波長は長波長側へシフトし、蛍光は徐々に消光するなど物理的性質の変化が確認された。
【実施例１０】
【００２０】
２つのClおよび２つのNH3をリガンドとして有する二価のPtはシスプラチンと呼ばれ、DNA鎖中に連続してグアニン残基が存在するとき、選択的にその場に捕捉される。本発明では、図３の化合物５とＰｔ（ＣＨ３ＣＮ）２Ｃｌ２をＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）中で、１００℃、７時間反応させることにより、図７に示すセンシング部位を有するビピリジンのプラチナ錯体を得ることが出来た。
本発明にかかるナノセンサーのセンシング部位は、シスプラチンがグアニンリッチな部位に捕捉するように、グアニン残基を検出することが期待できる。
【実施例１１】
【００２１】
図２Bに示したタイプIIの化合物群に関して、それらのセンシング機能を確認した。表面を水素アニール法によって清浄にした基板を用いた。次に、この表面にマトリックスとしてオクタンチオールの自己組織化膜を形成させた。これは、目的とするタイプII化合物の電気的変化をシグナルとして取り出すための下地として用いる。００１８で調製したタイプII化合物の一つである化合物12の溶液を約40度に穏やかに加熱しながら、先に作製したオクタンチオール自己組織化膜を有する基板を浸漬した。その結果、オクタンチオールと化合物12の交換反応が起こり、走査型トンネル顕微鏡を用いて図８(a)に示すような２分子系の相分離ナノ構造が得られた。この交換反応はX線光電子分光の硫黄2pおよび窒素1sスペクトルの観測により確認した。次に、得られた２分子系の相分離ナノ構造を、ターゲット分子の一つであるPdCl2(AN)2 (AN = アセトニトリル)の1.2mmol/L塩化メチレン溶液に室温で浸漬させた。それを塩化メチレン、エタノールでリンスした後、走査型トンネル顕微鏡観察を行ったところ図８ｂのような像が得られた。測定条件は同一にしてあり、観測されるタイプII化合物のトンネル電流は、マトリックス分子オクタンチオールを基準にして比較できる。図８に示したように、ターゲット分子が作用することで分子に流れる電流密度が、明らかに増幅されることを確認できた。さらにこの試料を用いてターゲット分子の捕捉をX線光電子分光(Pd 3d, N 1s)により確認した。以上より、本発明の分子検出ナノセンサーの動作確認を行えた。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、ひとつの分子でセンシング部位とワイヤー部位を持ち、ワイヤー部位の末端の基が金属と結合できる形であるので、超小型のセンサーとなるばかりか、電気信号としてターゲット分子の存在を知ることが出来るので、周知のセンサーに簡単に組み込むことが出来、その利用価値は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のナノセンサーの要部の説明図
【図２】本発明のナノセンサータイプＩ、タイプＩＩの説明図
【図３】ナノセンサーの合成経路説明図
【図４】本発明のナノセンサー作動の説明図
【図５】本発明のモデル化合物のNMRスペクトル
【図６】本発明のモデル化合物の紫外-可視吸収スペクトル
【図７】本発明で用いるＤＮＡ検出用のセンシング部位
【図８】本発明ナノセンサーの動作確認の一例        （ａ）パラジウムイオン捕捉前  （ｂ）パラジウムイオン捕捉後
【符号の説明】
【００２４】
１  センシング部位
２  ワイヤー部位
３  電極
４  ターゲット分子
５  ＳＴＭチップ
【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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