(57)【要約】本発明では、相互作用事象に関与しうる有機、無機、又は他の分子若しくは物体を、限定するものではないが、カーボンナノチューブ、シリコンナノチューブ、ナノバー、及び微小管やアクチンフィラメントのような生物学的構造要素を代表とするナノスケール物体に物理的に連結し、ミクロンスケール以下の事象を報告する信号伝達システムを創造する。分子又は物体が分子相互作用事象又は何らかの他の相互作用事象に関与した時、ナノチューブの物理的性質の動き又は変化を監視し、該相互作用事象の発生を報告するように、電流計又は走査型トンネル顕微鏡を利用して分子相互作用事象を検出する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサーであって、
表面上に形成された第１ナノスケール物体と、
前記表面上で前記第１ナノスケール物体と作動可能な関係で形成された第２ナノスケール物体と、
前記第１ナノスケール物体及び前記第２ナノチューブ物体に作動可能に取り付けられた監視装置と、
前記第２ナノスケール物体の第１末端につながれた少なくとも１つの分子と、を含み、
前記つながれた分子を含む分子相互作用事象が起こると、該分子相互作用事象を前記監視装置が検出することを特徴とするセンサー。
【請求項２】
更に、
前記第１ナノスケール物体の第１末端に取り付けられた第１伝導パッドと、
前記第２ナノスケール物体の第２末端に取り付けられた第２伝導パッドと、
を含む、請求項１の装置。
【請求項３】
更に、前記第１及び第２伝導パッドに作動可能に取り付けられた電源を含むことによって、該電源が、前記第１ナノスケール物体及び前記第２ナノスケール物体を通して電流を流し、かつ該電流を前記監視装置が検出することを特徴とする請求項１の装置。
【請求項４】
前記監視装置が、電流計であり、該電流計が、前記第１ナノスケール物体及び前記第２ナノスケール物体を通る電流の抵抗を測定し、かつ該抵抗の変化を検出することを特徴とする請求項１の装置。
【請求項５】
前記表面が、シリコンである、請求項１の装置。
【請求項６】
前記表面が、更に二酸化シリコンの層を含む、請求項５の装置。
【請求項７】
前記第２ナノスケール物体の末端につながれた分子が、生体分子である、請求項１の装置。
【請求項８】
前記生体分子が、酵素である、請求項７の装置。
【請求項９】
前記酵素が、ＤＮＡポリメラーゼである、請求項８の装置。
【請求項１０】
前記第２ナノスケール物体の末端につながれた分子が、無機分子である、請求項１の装置。
【請求項１１】
分子相互作用事象の検出方法であって、以下の工程、
第１ナノチューブを第２ナノチューブに作動可能に結合する工程であって、前記第１ナノチューブが第１末端で第１伝導パッドに作動可能に結合されかつ第２末端で第２伝導パッドに作動可能に結合されるとともに、前記第２ナノチューブが第１末端で作動可能に結合されている工程、
前記第１ナノチューブを通って流れる電流を与える工程、及び
前記第１ナノチューブを通って流れる電流を電流計で監視する工程であって、前記生体分子が分子相互作用事象を受けると、該生体分子が前記第１ナノチューブの伝導率に影響を及ぼし、その伝導率の変化を前記電流計で検出する工程、
を含む方法。
【請求項１２】
前記分子が、生体分子である、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記生体分子を前記第２ナノチューブに作動可能に結合する工程が、更にカルボキシル基と一級アミンとの縮合反応を行う工程を含む、請求項１２の方法。
【請求項１４】
分子相互作用事象の検出方法であって、以下の工程、
ナノスケール物体の第１末端に分子をつなぐ工程、
前記ナノスケール物体を走査型トンネル顕微鏡で走査する工程、及び
前記分子が分子相互作用事象を受けるの、前記ナノスケール物体の動きを検出する工程、
を含む方法。
【請求項１５】
前記ナノスケール物体の動きを、前記走査型トンネル顕微鏡のプローブに対する前記ナノスケール物体の位置の変化を通じて検出する、請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記分子が、生体分子である、請求項１４の方法。
【請求項１７】
前記分子が、酵素である、請求項１４の方法。
【請求項１８】
分子相互作用事象を検出するための装置であって、
表面に作動可能に取り付けられた第１ナノチューブと、
前記表面に作動可能に取り付けられ、かつ前記第１ナノチューブに作動可能に接続された第２ナノチューブと、
前記第２ナノチューブの第１末端につながれた分子と、
を含み、前記分子が分子相互作用事象に関与すると、前記第１及び第２ナノチューブの物理的性質に測定可能な変化が生じることを特徴とする装置。
【請求項１９】
更に、
前記第１及び第２ナノチューブに関して作動可能に位置づけられた監視デバイスを含み、前記分子相互作用事象が起こると、前記監視デバイスによって、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの物理的性質の変化を検出することを特徴とする請求項１８の装置。
【請求項２０】
前記監視デバイスが、電流計である、請求項１８の装置。
【請求項２１】
前記監視デバイスが、走査型トンネル顕微鏡プローブである、請求項１９の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（優先権）
この出願は、２０００年１０月１０日に提出した先行仮出願第６０／２３８，５１８号及び２００１年１０月９日提出の米国特許出願第　　　号の利益を請求する。仮出願第第６０／２３８，５１８号及び非仮出願第　　　号の発明の開示は、参照によって本明細書に取り込まれる。
【０００２】
（分野）
本発明は、ナノスコピック事象を検出する装置及び方法に関する。特に、本発明は、分子相互作用事象に関与する１種以上の分子又は物体が結合されているナノスケール物体に基づいて該相互作用事象が有する効果を監視することによって、分子相互作用事象を監視する方法である。
【０００３】
（背景）
ナノメートルスケールで起こる事象を検出すること及びミクロの世界のこれら事象を報告することは、非常に有用である。このような事象には、生体分子、抗体及び抗原、酵素間の分子相互作用事象、及び他の化学及び無機分子事象が包含される。ナノメートルスケールの事象を検出する１つの先行技術の方法は、平均化された現象の変化の使用による。このような方法は、集団法を含む。しかし、集団法は多数の分子を必要とし、かつ集団全体の平均化した特徴を報告するだけである。最近、小集団の分子、又は単一の分子でさえ調査できる方法が開発されている。この新しく開発された方法には、走査型プローブ顕微鏡及び高分解能光学法がある。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡では、ミクロン次元スケールに基づくプローブを用いて、固体支持体上の分子の組織分布的又は他の特徴を問い合わせる。一変形では、化学的、生体分子的又は修飾した微小粒子をプローブの末端に付着させ、該微小粒子を表面又は表面上の試料を横切って走査しながら、極微小な力の測定を行うことができる。この力の測定は、プローブの末端に付着した微小粒子が表面又は表面上に沈着した物体と相互作用を持つ時に効果を表す。
【０００５】
上記研究方法の１つの問題は、“リポーター”システムがミクロン空間スケール又はそれより大きいスケールに基づく物体に関与することである。対照的に、関心分子は、ナノメートルスケール以下に基づくことが多く、関心分子の活性はナノメートルスケールでも起こりうる。ナノメートルスケール分子相互作用事象の検出は、高度なＡＦＭプローブ技術を利用してさえも困難である。この問題を悪化させているのは、分子をつなぐプローブが、その上につながれている分子、つまり関心分子よりもずっと大きく、かつ重いという事実である。この２分子とプローブのサイズが大きくずれているため、単一分子の相互作用事象に対して低い又は減じた感受性となってしまう。従って、ミクロン及びナノメートルスケールに基づく分子相互作用事象を検出する改良された装置及び方法が要望されている。
【０００６】
従って、ナノメートルスケールで起こる分子相互作用事象を検出するための装置及び方法に対する要望がある。更に、集団平均に頼ることなくこれら分子相互作用事象を直接検出することが要望されている。最後に、単一の生体分子相互作用事象用のリポーターとして作用しうる装置及び方法に対する要望がある。
【０００７】
（概要）
本発明は、ミクロンスケール以下に基づく分子又は他の物体の活性の検出を可能にするリポーターシステムの一部としてナノチューブ及び他のナノメートル物体を使用するための装置及び方法について述べる。この新しい装置及び方法は、分子及びナノメートルスケールで起こる分子活性に対する感受性及び応答性を改善できる。
本発明では、分子相互作用事象に関与しうる有機、無機、又は他の物体を、限定するものではないが、カーボンナノチューブ、シリコンナノチューブ、金属ナノチューブ、及び微小管やアクチンフィラメントのような生物学的構造要素を代表とするナノスケール物体に物理的に連結し、ミクロンスケール以下の事象を報告する信号伝達システムを創造する。
【０００８】
一実施形態では、第１ナノスケール物体を形成し、一端に分子を有する第２ナノスケール物体に対して作動可能に位置づける。第１ナノスケール物体をその各末端で個々のミクロンサイズの伝導パッドに連結する。そして、第１ナノスケール物体を通して電流を流し、監視する。第２ナノスケール物体に結合している分子が分子相互作用事象に関与すると、第２ナノスケール物体の物理的性質が変化し、第１ナノスケール物体の電気伝導率に影響を及ぼす。最も単純な場合、第２ナノスケール物体は、その上に結合している分子に対してナノスケール物体の大きさが小さいため物理的に動いて、第１ナノスケール物体の電流又は抵抗に影響を及ぼす。この電流又は抵抗を検出して、分子相互作用事象を報告することができる。明らかなように、ナノスケール物体相互作用の他の物理的性質を測定することもできる。
【０００９】
本発明の第２実施形態では、一端につながれた分子と、他端につながれた伝導パッドを有する表面上に第１ナノスケール物体を形成する。走査型トンネル顕微鏡を利用してナノスケール物体の位置及び電子的特徴を監視する。分子相互作用事象が起こると、ナノスケール物体の位置又は電子的性質が変化する。走査型トンネル顕微鏡によってナノチューブの位置又は電気的性質の変化を検出かつ報告する。
【００１０】
本発明は、更に、表面上に形成された第１ナノチューブと、この第１ナノチューブに作動可能に取り付けられた監視装置と、表面上かつ第１ナノチューブと作動可能な関係で形成された第２ナノチューブと、この第２ナノチューブの第１末端につながれた少なくとも１つの分子とを含み、このつながれた分子を伴って分子相互作用事象が起こった時、監視装置で分子相互作用事象を検出することを特徴とするナノスケールセンサーを含む。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、分子相互作用事象の検出方法であって、第１ナノチューブを第２ナノチューブに作動可能に結合する工程であって、第１ナノチューブは、第１末端で第１伝導パッドに作動可能に結合し、第２末端で第２伝導パッドに結合し、かつ第２ナノチューブを第１末端で第３伝導パッドに、第２末端で分子に結合する工程、第１及び第２ナノチューブを通って流れる電流を与える工程、及び第１及び第２ナノチューブを通る電流を電流計で監視する工程であって、生体分子が分子相互作用事象を受けた時、第１及び第２ナノチューブの伝導率の変化を電流計で検出する工程を包含する方法を含む。
【００１２】
分子相互作用事象の更に別の検出方法は、ナノスケール物体の第１末端に分子をつなぐ工程、ナノスケール物体を走査型トンネル顕微鏡で走査する工程、及び分子が分子相互作用事象を受けた時、ナノスケール物体の動き検出する工程を含む。
また、本明細書には、分子相互作用事象を検出するための装置であって、表面に作動可能に取り付けられた第１ナノチューブと、該表面に作動可能に取り付けられ、かつ第１ナノチューブに作動可能に接続された第２ナノチューブと、第２ナノチューブの第１末端につながれた分子とを含み、この分子が分子相互作用事象に関与すると、第１及び第２ナノチューブの物理的性質に測定可能な変化が生じることを特徴とする装置が包含される。
【００１３】
（詳細な説明）
本発明で利用されるように、ナノスケール物体は、該物体の物理的な位置又は他の特性の変化をナノスケール事象の指標として認識できるような様式で監視される。例えば、カーボンナノチューブは、それらがワイヤー、スイッチ、及びダイオードのように作用できるような様式で電子を伝導する。従って、電気抵抗は、分子相互作用事象の発生を指し示すために監視できる１つの特性である。本発明では他のナノスケール物体も利用できる。このようなナノスケール物体には、シリコンナノチューブ、微小管及びアクチンフィラメントのような生体構造要素、並びにナノバー及びナノワイヤーが包含される。本発明は、好ましいナノスケール物体としてカーボンナノチューブを利用する。明らかなように、十分定義された金属特性、並びに物理的及び化学的属性が定義されているナノバーを創造する能力は、本明細書で述べるナノセンサー構成のための代替装置を提供することができる。更に、このタイプのシステムは、より簡単に大量に作成できる。従って、上掲したもののような他のナノスケール物体の置換は、本発明の特徴及び範囲を変えることなく当業者によって達成することができる。
【００１４】
ナノメートル寸法を有する針様の単層又は多層チューブ形態のＣ６０フラーレン構造の合成は技術的に公知である。この拡張型フラーレンチューブ構造は、カーボンナノチューブ、又は薄壁カーボンナノチューブとしても知られている。構造的に、カーボンナノチューブは、フラーレンとして知られる分子カーボン分類のメンバーである。六角形のカーボンリングのナノチューブ軸に対する原子配列はチューブごとに異なり、通常らせん状である。ナノチューブは、六角形に配列された炭素原子の多数の同軸円柱シート（１〜約５０の範囲）で構成される。チューブは、通常数ナノメートル〜数十ナノメートルの直径及び数マイクロメートルまでの長さを有する。このようなナノチューブは、当業者に周知である。
【００１５】
標準カーボンを用いた実験量のこれらナノチューブの合成方法は公知である。ナノチューブの製造は、通常、真空チャンバー内に無定形炭素又はグラファイトロッドの２つの水冷炭素電極を約１ミリメートル離して配置する工程、チャンバーを約１．３×１０−５Ｐａ（約１０−７トル）の圧力に減圧する工程、チャンバーをヘリウム、窒素、アルゴン又は水素のような不活性ガスで埋め戻し、約７×１０３〜７×１０４Ｐａ（５０〜５００トル）の範囲の圧力にし、それらを継続的に調整して１ミリメートルの電極間隙を維持しながら、電極間に高電流電弧をとばす工程から成る。その結果、負電極上にカーボンナノチューブ及び他の小さいカーボン粒子が成長する。電極沈着物中に生成されるナノチューブの量は、最適成長条件をどの程度長く維持できるかによって決まる。
【００１６】
この方法及び他の方法で築いたプローブは多くの実験に利用できる。Ｗｏｎｇ，Ｓ．Ｓ．，Ｅ．Ｊｏｓｅｌｅｖｉｃｈ，Ａ．Ｔ．Ｗｏｏｌｌｅｙ，Ｃ．Ｌ．Ｃｈｅｕｎｇ，及びＣ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ，化学及び生物学におけるナノメートルサイズのプローブとしての共有結合機能性ナノチューブ，Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，ｐ．５２−５；Ｗｏｎｇ，Ｓ．Ｓ．，Ａ．Ｔ．Ｗｏｏｌｌｅｙ，Ｅ．Ｊｏｓｅｌｅｖｉｃｈ，Ｃ．Ｌ．Ｃｈｅｕｎｇ，及びＣ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ，化学力顕微鏡用の共有結合機能性単壁カーボンナノチューブプローブチップ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８，ｐ．８５５７−８５５８；Ｗｏｎｇ，Ｓ．Ｓ．，Ａ．Ｔ．Ｗｏｏｌｌｅｙ，Ｅ．Ｊｏｓｅｌｅｖｉｃｈ，及びＣ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ，チップ活性化ガスを用いたカーボンナノチューブＡＦＭプローブの機能化，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３０６，ｐ．２１９；Ｄａｉ，Ｈ．Ｅ．Ｗ．Ｗｏｎｇ及びＣ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ， ナノ材料内での探索電気輸送：個々のカーボンナノチューブの伝導率，Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９６，２７２：ｐ．５２３−５２６；Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ，Ｍｉｃｈａｅｌ Ｃｈａｐｌｉｎｅ，Ｎａｔｈａｎ Ｆｌａｎｋｌｉｎ，Ｔｈｏｍａｓ Ｔｏｍｂｌｅｒ，Ａ．Ｃａｓｓｅｌｌ及びＨｏｎｇｊｉｅ Ｄａｉ，カーボンナノチューブ及びその機能性デバイスの自己志向性規則的配列構造，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８３，５１２（１９９９）；Ｈｙｏｎｓｏｋ Ｔ．Ｓｏｈ，Ａｌｂｅｒｔｏ Ｍｏｒｐｕｒｇｏ，Ｊｉｎｇ Ｋｏｎｇ，Ｃｈａｒｌｅｓ Ｍａｒｃｕｓ，Ｃａｌｖｉｎ Ｑｕａｔｅ及びＨｏｎｇｊｉｅ Ｄａｉ，集積ナノチューブ回路：単壁カーボンナノチューブのために制御された成長及びオーム接触，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ．，７５，６９５１，（１９９９）；Ｈｏｎｇｊｉｅ Ｄａｉ，Ｊｉｎｇ Ｋｏｎｇ，Ｃｈｏｎｇｗｕ Ｚｈｏｕ，Ｎａｔｈａｎ Ｆｒａｎｋｌｉｎ，Ｔｈｏｍａｓ Ｔｏｍｂｌｅｒ，Ａｌａｎ Ｃａｓｓｅｌｌ，Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ及びＭｉｃｈａｅｌ Ｃｈａｐｌｉｎｅ，ナノチューブ構築、物理学及びデバイスのために制御された化学経路，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ Ｂ．１９９９，１０３，１１２４６−１１２５５（１９９９）；Ｍａｒｔｉｎ，Ｂ．Ｒ．，Ｎａｎｏｂａｒｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１１，ｐ．１０２１（１９９９）；Ｃｕｉ，Ｙ．ら，生物及び化学種の高い感度及び選択性の検出用ナノワイヤーナノセンサー，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２９３，ｐ．１２８９（２００１）；Ｍａｒｔｉｎ，Ｂ．Ｒ．，Ｎａｎｏｂａｒｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１１，ｐ．１０２１（１９９９）を参照せよ。
【００１７】
このような実験装置では、約７×１０４Ｐａ（約５００トル）のヘリウム下、チャンバー内の２つの炭素電極間に約１８ＶのＤＣ電圧をかける。近接して間隔を置いた電極間にプラズマが生じる。正電極が消費されるにつれ、カーボンが負電極上に蓄積して成長する。正しい電極間隔が維持されている場合、沈着物が成長して、外側の硬い殻と内側の軟らかい繊維状の核を有する円柱構造になる。灰色の外殻は、カーボンナノチューブと他のカーボンナノ粒子で構成され、融合して硬い塊になっている。軟らかい黒色の内核は、繊維状の自由ナノチューブとナノ粒子を含み、該繊維は電極間の電流の向きに整列している。ナノチューブを製造するさらなる方法は、米国特許第５，７５３，０８８号及び第５，４８２，６０１号に記述されている方法のように公知である。
【００１８】
本発明の装置及び方法は、巨視的信号として事象を報告するためにカーボンナノチューブを利用する装置及び方法について述べる。まず本発明の装置及び方法について述べ、その後にその方法及びナノスケールリポーターとしての装置を利用するいくつかの特定例について述べる。
本発明の装置の一実施形態は、第１カーボンナノチューブ１０と、第２カーボンナノチューブ１２と、表面１４を含む。第１及び第２カーボンナノチューブ１０、１２は、作動可能に表面１４に接続し、かつ付けられている。第１カーボンナノチューブ１０は、更に、一端に作動可能に取り付けられた伝導パッド１６を含む。伝導パッド１６は、表面１０にも作動可能に取り付けられている。第２カーボンナノチューブ１２は、更に第１末端に取り付けられた伝導パッド１８と、第２末端につながれた分子２０とを含む。第２ナノチューブ１２につながれている分子２０が、研究する予定の分子である。
【００１９】
本実施形態では、伝導パッド１６、１８は白金格子で形成され、カーボンナノチューブ１０、１２に取り付けられている。ミクロンサイズの金島のような他の伝導パッドも利用することができる。
構成されたナノチューブの長さ及びサイズは、当業者により決定することができ、検出すべき分子相互作用事象の性質に依る。種々の方法により、個々のナノチューブによって架橋される確実な電気接続を構成することができる。例えば、半導体単壁カーボンナノチューブを達成してから、本実施形態の白金電極のような２つの金属電極に接続するという方法が前出のＮａｔｕｒｅ，２９２，（１９９８）に記述されている。更に、カーボンナノチューブは、集積して電子回路になるように成長することが分かっている。前出のＪ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ Ｂ．１９９９，１０３ １１２４６−１１２５５（１９９９）を参照せよ。１〜５ミクロン幅の触媒島でパターン化された基板を利用するナノチューブの蒸着生成を利用して、該基板上の所望位置内にナノチューブチップを成長させることができる。ナノチューブの位置は、原子力顕微鏡又は走査型トンネル顕微鏡を利用して確認することができる。種々の方法、例えば、化学蒸着を利用すると、シリコンオキシド基板を含むシリコン表面上に成長する単壁又は多壁カーボンナノチューブを考慮することができる。
【００２０】
次に、公知技術を利用して、分子２０を第２ナノチューブ１２の自由端につなぐ。関心のある分子相互作用事象によっては、第２ナノチューブ１２の複合端に、無機又は有機分子２０をつなぐことができる。一実施形態のチップの変形は、アミンをペンダントカルボキシル基に結合させることで達成される。別の実施形態では、前述した共有結合的に修飾したナノチューブチップも利用できる。前出のＮａｔｕｒｅ，３９５、Ｊｕｌｙ １９９８を参照せよ。更に別の実施形態では、カルボキシル基をさらなる複合体を与えるように修飾することができる。明らかなように、必ずしも分子２０を第２ナノチューブ１２の末端につなぐ必要はないが、第２ナノチューブ１２の全長に沿った位置につないでもよい。
【００２１】
本実施形態は、更に電源２２を含むこともできる。電源２２は、第１ナノチューブ１０に取り付けられた伝導パッド１６と、第２ナノチューブ１２に取り付けられた伝導パッド１８に作動可能に取り付けられる。電源２２は、第１及び第２カーボンナノチューブ１０、１２を通して加えられる小電圧を考慮する。電源２２は、更にナノチューブ１０、１２に供給される電力量を精密に監視かつ制御するようにコントロールすることもできる。ナノチューブ橋で形成される回路は、電気抵抗又は伝導度を測定することによって特徴づけすることもできる。
【００２２】
本実施形態は、更に電流計２４を含むことができる。電流計２４は、作動可能に第１及び第２カーボンナノチューブ１０、１２に取り付けられ、その電流を監視する。ナノアンペア及びピコアンペアスケールに基づく抵抗を測定できる電流計２４は、当業者には公知である。
ナノチューブ１０、１２の電子的性質のため、ナノチューブ構造の形状は、使用するナノチューブの化学的詳細によってコントロールできる種々の電子的特性を有する。伝導パッド１６、１８及び電源２２によって、第１ナノチューブ１０と第２ナノチューブ１２との間の交差は、伝導パッド、整流経路、スイッチ経路でよく、又はトランジスターでさえよい。本実施形態では、交差がユーザーによって監視される伝導パッドを造る。ナノチューブ接触の電子署名を測定し、酵素の活性化前のベースラインとして使用する。つながれた分子２０を伴って分子相互作用事象が起こると、動的な分子特性がナノチューブ１０、１２によって伝達され、巨視的信号に増幅される。例えば、その物理的配向性の変化は、流れている電流量の変化となるので、該システムの抵抗を監視することで測定することができる。
【００２３】
本発明を分子事象検出器として利用するときは、第２ナノチューブ１２に取り付けた分子２０を標的試料にさらす。標的試料は、第２ナノチューブ１２の末端につながれている分子２０と反応する可能性のある物質を含むことができる。反応する可能性があることで、本実施形態は、該分子が存在すれば、それはつながれている分子と検出可能な方法で反応すると予想する。反応は、結果として該システム内の何らかの報告可能な変化となるいずれの分子相互作用事象でもよい。本実施形態は、電気抵抗の変化を予想し、かつ電流計によって検出できる。当業者には明らかなように、本発明の方法の教示は、広範な選択システムにも適用できる。
【００２４】
前述したように、第２ナノチューブ１２の末端につながれている分子２０は、分子相互作用事象を受けると、該事象が第１ナノチューブ１０と第２ナノチューブ１２との間の物理的関係に変化を生じさせる。本実施形態では、この変化は、第１及び第２ナノチューブ１０、１２の末端上の白金パッド１６、１８を通じて測定される監視電圧又は抵抗の変化によって報告される。この抵抗の変化は、分子相互作用事象の結果生じるナノチューブ１０、１２の物理的関係の変化、すなわち、電流通路の長さを変え、それによって電流計２４で検出される抵抗を変えることによって生じる。他言すれば、各ナノチューブ１０、１２は、伝導パッド１６、１８を通じて巨視的回路に接続されているので、２つのナノチューブ１０、１２を通る電流の変化の測定は、起こっている分子の活動と関係している。
【００２５】
代替実施形態では、限定するものではないが、運動、熱伝導、抵抗、圧縮、膨張等のようなナノチューブの特性が変わり、かつ検出される。ナノチューブの特性の変化は、ナノチューブ−ナノチューブ接触の特徴を変え、それによって巨視的な世界に酵素活性の特徴を報告する。当業者には明かなように、代替実施形態では、第１及び第２ナノチューブ１０、１２の種々の特性を監視して、分子相互作用事象の発生を検出することができる。
【００２６】
本発明の一代替実施形態では、ナノチューブを１つだけ利用して分子相互作用事象を報告することができる。１つのナノチューブを選択表面上に形成し、そこに分子をつなぐ。ナノチューブに対して作動可能に走査型トンネル顕微鏡を位置づけ、ナノチューブの位置又は電子的特徴を監視する。ナノチューブの末端につながれている分子に分子相互作用事象が起こると、走査型トンネル顕微鏡は、ナノチューブの位置の変化を報告し、ひいては相互作用事象の発生を報告する。
【００２７】
本発明の別の代替実施形態では、本発明は、第１ナノチューブと、第２ナノチューブと、第１伝導パッドと、第１ナノチューブに取り付けられた第２伝導パッドと、第２ナノチューブに接続された第２伝導パッドとを含むことができる。ナノチューブは、相互に作動可能に取り付けられ、分子は第２ナノチューブの末端につながれる。この実施形態は、パッド間に接続された電源と電流計を含むこともできる。この実施形態では、電流は第１ナノチューブに取り付けられている第１パッドを通り、第２ナノチューブまで横断してから、第２ナノチューブを通り、第２パッドまで流れる。明らかなように、この実施形態では第２ナノチューブの末端につながれている分子は、該システム上に置かれる小電流によって影響されないだろう。前の実施形態におけるように、分子によって起こる分子相互作用事象は、該システムを通して流れる電流に影響し、電流計によって報告される。
【００２８】
以下の実施形態は、本発明を教示するために提示され、かつ本発明の種々の選択的な適用の代表である。本発明は化学検出、物質相互作用、及び他の物理的又は電子的相互作用に適用できるので、以下の実施形態は、いかなる場合にも本発明を限定するものではない。
【００２９】
実施例１：風媒性粒子の検出
風媒性分子は、レシピエントの挙動及び一般的な物理的状態に影響を及ぼす。風媒性分子は、少量でさえ、動物又はヒトの行動及び生理的効果の両方を引き起こしうるので、風媒性粒子を検出できることには非常に関心がある。このような風媒性粒子としては、種々の毒素、化学薬品、又はフェロモンのような他の物質が挙げられる。
【００３０】
一実施例では、フェロモン用受容体を第１ナノチューブに取り付ける。この第１ナノチューブは他端で固着され、金電極に両端が接続されているほぼ垂直な第２ナノチューブを横切っている。更に、電源と電流計を含み、システムに作動可能に取り付けられている。このシステムの定常状態の電子署名は、２つの金電極間に設置された高感度回路を用いて確証される。フェロモンがナノチューブ結合受容体近傍の環境中に導入される。受容体は、フェロモンに結合すると、取り付けられている第１ナノチューブの特性に影響を及ぼす構造変化を受ける。分子相互作用事象は、第２ナノチューブの回路内の変化を検出することによって報告される。代替実施形態では、この装置は、当業者に公知のＫｅｌｌｍａｎフィルターの実行のような標準的なフィルタリング法の利用によって一過性の事象に対して感受性にすることができる。
【００３１】
代替実施形態では、本発明を利用して他の風媒性病原体を検出することができる。例えば、炭疽菌は、風媒性粒子として伝達されうる致命的な病原体である。検出可能な他の物質としては、カビ胞子及びウイルス病原体が挙げられる。
これら代替実施形態では、ナノチューブにつなぐ分子はアプタマーを含むことができる。アプタマーは、生体又は非生体分子の表面及び構造に特異的に結合するように設計された分子である。当業者に公知の方法によって、種々多様な相互作用のため、かついろいろな条件下で反応するアプタマーを作ることができる。アプタマーが風媒性病原体と相互作用すると、アプタマーは構造変化を受け、上記実施例におけるように伝達され、ナノチューブ結合回路機構によって検出される。
【００３２】
別の代替実施形態では、本発明を光子検出に利用することができる。この実施例では、光受容体をナノチューブに基づいたナノセンサーの末端に結合する。光子受容体は、眼内の光受容体を含め、生物学の種々多様ないずれの光子センサーに基づいてもよく、この光受容体は光合成の第１工程に関与し、かつラン藻類（誤った名であるｂｌｕｅ−ｇｒｅｅｎ ａｌｇａｅとしても知られる）内の光エネルギーの取り入れに関与している。これとは別に、光受容体は、天然又は人工、光反応性鉱物（例えばシリコン）のような非生体物質でありうる。この実施例では、所定エネルギーレベルの光子間相互作用が、光検出器内にナノスケールセンサーを通じて伝達される構造変化を生じさせる。別の代替実施形態では、本発明は、同様に熱センサーとして利用することができる。これらの実施例から、提示した中心的な概念に基づいて種々多様な相互作用のためのセンサーを設計できることは明白である。これには、限定するものではないが、粒子センサー、化学センサー、及び鉱物センサーが包含される。
【００３３】
上記実施例では結合反応は空中で起こり、かつ検出は機械的に伝達される構造変化という検出に基づいて行われることに留意すべきである。代替実施形態では、検出事象は、結合相互作用によって直接伝達されるナノチューブの電子状態の変化に基づくことができる。例えば、上述したように、ナノチューブが２つの金電極を架橋するようにセンサーを構成する。ナノチューブの中央につなぐのは、上述したフェロモン受容体のような検出実体である。このつなぎ鎖は、ナノチューブ内に生じることが分かっている欠陥領域で達成することができる。センサーの電子状態は、回路を測定することで確証される。フェロモンリガンドと反応すると、新しい成分のシステムへの付加のため、この電子状態が変化し、その電子的特徴を既存のシステムの電子状態と溶け込ませる。この状態変化を検出回路機構の変化によって監視する。
【００３４】
今までのところでは、全実施例は、あるレベルの湿度の空中又は真空中で操作するシステムを用いて述べてきた。しかし、センサーが液体環境から保護され、かつ区別される限り、溶液内で同様の反応を行うことができる。走査型トンネル顕微鏡は、プローブの大部分を絶縁材料で覆い、最頂端だけを周囲の液体環境に開放したままにすることで溶液中で走査できることは周知である。これと同じ方法を用いて同様の性状を有するナノスケールセンサーシステムを作ることができる。例えば、システムの検出部分を除いて全体に絶縁材料をイオンビームスパッタリングすることによって、ナノスケールセンサーを絶縁材料で被覆することができる。この場合、システムは溶液中で作動させることができ、液体系内で生体分子事象を検出することができる。以下に、特に有用な実施例を示す。
【００３５】
実施例２：酵素活性の検出
第１ナノチューブを上述したように形成し、生体分子に結合させる。第１カーボンナノチューブを一端で酸処理し、終端にダングリング−ＣＯＯＨ基を作る。−ＣＯＯＨ基を縮合化学によって酵素に結合させる。本発明の方法の一実施形態では、カルボジイミド試薬を用い、自由なカルボキシル基と酵素上の一級アミンとの縮合を触媒し、それによって水分子を遊離させ、酵素とナノチューブとの間に共有結合鎖を形成する。
次に、基質及び必要な補助因子の添加によって酵素を活性化する。酵素がその触媒機能を果たすにつれ、酵素の触媒機能に応じて第１及び第２ナノチューブの特性が変化する。
【００３６】
一実施形態では、分子相互作用事象の際、連結された酵素の動きが、ナノチューブで形成された回路の抵抗の変化となる。一実施形態では、分子相互作用事象が第１及び第２ナノチューブの相対的な位置を変えると、回路経路の長さが変化する。抵抗の変化は、第２ナノチューブがスライドし、動き、又は第１ナノチューブと何らかの方法で反応するにつれて第２ナノチューブを通じて引き出される電子によって測定される。別の代替実施形態では、分子相互作用事象が起こった時、２つのナノチューブの他の物理的特徴及び関係を検出することができる。
【００３７】
一代替実施形態では、トランジスタースイッチを生じさせる交差ナノチューブの構築で電子ゲートのような構造を取り込むことができる。
本実施例では、引き出される一次情報は、酵素が活性であり、かつ分子相互作用事象を受けるか否かである。この情報は、例えば、酵素がある試薬の存在下又は非存在下でのみ活性である場合に非常に有用である。一実施例は、化学反応を触媒する金属イオンの検出にある。別の実施例は、その存在又は非存在が特定状態の診断である特定タイプの酵素基質の検出である。本発明は、これら特徴づけの両者に有用である。
【００３８】
他の代替実施形態では、酵素がＤＮＡポリメラーゼの場合、分子形状又は他の特徴の変化で特定核酸の存在が検出される。核酸は、相補プライマーＤＮＡ分子が標的ＤＮＡ分子に結合し、それによってポリメラーゼが作用する適切な基質を形成した時だけ、活性になる酵素によって検出される。
更に別の実施形態では、あるタンパク質の他のタンパク質への結合を検出する。抗体があるナノチューブセンサー上に作られると、抗体の抗原への結合が抗体構造の変化を生じさせる。この構造の変化が、前述したのと同様の方法で電子信号に翻訳される。
【００３９】
本発明の本実施形態の１つの利点は、ナノチューブセンサーが酵素と同じサイズであることである。ナノチューブと酵素が同一サイズということは、酵素の活性がナノチューブの特性に及ぼす深い効果を有することを意味する。これは、例えば、従来のＡＦＭプローブがその頂端に結合している単一酵素分子の質量の何千倍もの質量を有するのと対照的である。サイズの相異の結果、低感度となる。
【００４０】
実施例３：ＤＮＡ配列決定の検出
この実施形態では、ナノチューブ接合部を作り、その中でＤＮＡポリメラーゼ酵素を第２ナノチューブの一端につなぐ。本実施形態では、ＤＮＡ基質と相補プライマーをシステムに加える。基質とプライマーが一緒に結合し、つながれているＤＮＡポリメラーゼに結合すると、酵素はすぐに作用できる。適宜の緩衝液と触媒を含むヌクレオチドトリホスフェート前駆体を加えて酵素活性を始める。酵素がヌクレオチドをプライマー分子に加えるにつれ、酵素は、ナノチューブ接合部内の第１及び第２ナノチューブ間の電流に影響を及ぼす信号を生じさせ、これは酵素によって消費されるエネルギーの結果であり、かつ電流計によって検出される。生成された信号は、エネルギーの機械的、熱的、又は他の何らかの形態である。本実施形態では、これら信号が、ヌクレオチドのプライマーへの付加によって合成されるＤＮＡの配列に対応する。
【００４１】
ポリメラーゼが活性になるためには、ポリメラーゼは標的ＤＮＡとプライマー鎖の両方を含有するＤＮＡ基質を必要とする。プライマー鎖は、３’−ＯＨ基を与え、それにポリメラーゼがヌクレオチドを加え始め、同時に標的鎖をコピーすることができる。ＤＮＡポリメラーゼが作用して相補分子をＤＮＡの成長鎖中に取り込む時、各ヌクレオチド型に対する立体化学とエネルギー要求がわずかに異なる。この相異が、ヌクレオチドＡ、Ｃ、Ｇ、又はＴ（ＲＮＡではＵ）が取り込まれる別個の指標を構成する。この情報が、本明細書で述べるナノセンサーによって伝達され、ナノセンサーのポリメラーゼ成分によって合成される分子のＤＮＡ配列の即時知識となる。本実施形態は、ＤＮＡ及びＲＮＡ分子の両者に適用できる。従って、本実施形態により、ユーザーは生成される信号を解析して、生成されるＤＮＡ又はＲＮＡ配列を直接推論することができる。該発明の用途及び利点は明白である。
【００４２】
代替実施形態では、上記方法を同一表面上に形成されたナノスケールセンサーの大きなセットで実施することができる。各バイオセンサーは、空間寸法約２μ×２μなので、固形基質又は１ｃｍ２“チップ”上に何百万も存在しうる。このような方法と装置を利用すると、ＤＮＡ断片の配列を同時に決定することができる。更に、ＤＮＡポリメラーゼの反応速度は１秒当たり２０〜４０ヌクレオチド以上と高速なので、極端に速くかつ効率的な配列決定速度に換算される。
【００４３】
本明細書で述べた情報及び実施例は、説明の目的のためであり、本発明の概念的内容内にあるいずれの派生物又は代替方法をも排除する意味ではない。本発明の範囲から逸脱することなく、この実施形態に対する種々の逸脱を構成することができると考えられる。従って、本発明の範囲は、この実施形態の前述の説明によってではなく特許請求の範囲によって決定されることを意図している。
この出願で引用した全出版物は、目的にかかわらず全体的に参照によって取り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施形態のナノチューブ回路の概略図を示す。
【国際公開パンフレット】
2004511762.tif 000002
2004511762.tif 000003
2004511762.tif 000004
2004511762.tif 000005
2004511762.tif 000006
2004511762.tif 000007
2004511762.tif 000008
2004511762.tif 000009
2004511762.tif 000010
2004511762.tif 000011
2004511762.tif 000012
2004511762.tif 000013
2004511762.tif 000014
2004511762.tif 000015
2004511762.tif 000016
2004511762.tif 000017
2004511762.tif 000018
2004511762.tif 000019
2004511762.tif 000020
2004511762.tif 000021
2004511762.tif 000022
2004511762.tif 000023
2004511762.tif 000024
2004511762.tif 000025
【国際調査報告】
2004511762.tif 000026