(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブデバイスは、生体試料などの生体分子の分析に必要な感度レベルでは動作しない場合があるため、生体試料などの生体分子を検知する感度を有するカーボンナノチューブベースのデバイスの開発が必要である。【解決手段】（ａ）基板（２０）の表面上に露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネル（１０）であって、標的検体と同種の捕捉部分で官能化されている、露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルと、（ｂ）露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端を接続しているソース電極およびドレイン電極（５０）と、を有し、ソース電極およびドレイン電極は、それらに接触する検体に応じて露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルを通る電流の変化を検出する様態で電気的に接続されているデバイスおよび方法が開示される。好ましくは、半導体性カーボンナノチューブネットワークは、ピレン酪酸で修飾される。【選択図】図２Ａ
2020537131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオセンサデバイスを作製する方法であって、
（ａ）基板の表面上に単層カーボンナノチューブを備える半導体性層を形成するステップと、
（ｂ）単層カーボンナノチューブチャネルを接続するソース電極およびドレイン電極を形成するステップと、
（ｃ）前記ソース電極の第２の部分、前記ドレイン電極の第２の部分、および前記単層カーボンナノチューブチャネルを露出したまま、前記ソース電極の第１の部分および前記ドレイン電極の第１の部分の上に誘電体窓を形成するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える前記半導体性層が、連続的な浮遊蒸発自己組織化またはスピンコーティングによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｂ）の前記ソース電極およびドレイン電極が、
前記半導体性層の表面上にフォトレジストを堆積させるステップと、
前記フォトレジストの一部分をフォトリソグラフィで除去して、凹部を作製するステップと、
前記凹部に金属を堆積させて、前記フォトレジストに接触する前記ソース電極およびドレイン電極を制作するステップと、
前記フォトレジストを除去して、前記ソース電極およびドレイン電極を生成するステップと、によって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ステップ（ｂ）のソースおよびドレイン電極を接続する前記単層カーボンナノチューブチャネルが、
前記半導体性層間の一部分の上にフォトレジストを堆積させ、前記ソース電極およびドレイン電極を相互接続して、その後前記半導体性部の露出部分を作製するステップと、
前記半導体性層の前記露出部分を除去して、前記ソース電極およびドレイン電極を接続する前記単層カーボンナノチューブチャネルを作製するステップと、によって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記単層カーボンナノチューブチャネルが、０．１ミクロン〜５００ミクロンの長さである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記単層カーボンナノチューブチャネルの前記単層カーボンナノチューブが、少なくとも９５％整列している、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記単層カーボンナノチューブチャネルが、標的検体化合物と同種の捕捉部分を含むように官能化される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える前記半導体性層が、堆積されたフォトレジストのフォトリソグラフィを改善するために表面処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える前記半導体性層が、疎水性を減少させるために表面処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える前記半導体性層が、ピレン酪酸で表面処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
対応するソースおよびドレイン電極を有する複数の半導体性単層カーボンナノチューブチャネルが、前記基板上に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
対応するソースおよびドレイン電極を有する複数の半導体性単層カーボンナノチューブチャネルが、生体試料の多重分析のために、アレイ形式で前記基板上に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記バイオセンサデバイスが、プローブに取り付けられている、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
バイオセンサデバイスであって、
（ａ）基板の表面上の半導体性単層カーボンナノチューブと、
（ｂ）半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端部を接続するソース電極およびドレイン電極と、を備え、
（ｃ）前記ソース電極および前記ドレイン電極が、それらと接触する検体に応答して、前記半導体性単層カーボンナノチューブチャネルを通る電流の変化を検出する様態で電気的に接続されている、バイオセンサデバイス。
【請求項１５】
前記半導体性単層カーボンナノチューブチャネルが、標的検体と同種の捕捉部分で官能化される、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項１６】
前記半導体性単層カーボンナノチューブチャネルが、複数の標的検体と同種の複数の捕捉部分で官能化される、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項１７】
プローブに取り付けられている、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項１８】
プローブに取り外し可能に取り付けられている、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項１９】
磁気力を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられている、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項２０】
雄／雌相互接続を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられている、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項２１】
プリント回路基板に取り付けられている、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項２２】
取り外し可能な保護層が、前記半導体性単層カーボンナノチューブチャネルに取り付けられている、請求項１４に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項２３】
基板上に連続する複数のバイオセンサを備えるデバイスであって、各バイオセンサが、
（ａ）基板の表面上の露出した半導体性単層カーボンナノチューブと、
（ｂ）前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端部を接続するソース電極およびドレイン電極と、を備え、
（ｃ）前記ソース電極および前記ドレイン電極が、それらと接触する検体に応答して、前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルを通る電流の変化を検出する様態で電気的に接続されており、
各バイオセンサが、ウェルプレートのウェルに挿入するためのプローブ上に位置決めされている、デバイス。
【請求項２４】
前記複数のバイオセンサが、前記基板上に垂直に位置決めされている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記複数のバイオセンサが、前記基板上に水平に位置決めされている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルのうちの少なくとも１つが、標的検体と同種の捕捉部分で官能化されている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２７】
各バイオセンサが、前記基板上に取り外し可能に位置決めされている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２８】
各バイオセンサが、磁気力を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２９】
各バイオセンサが、雄／雌相互接続を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項３０】
各バイオセンサが、プリント回路基板に取り付けられている、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項３１】
生体試料中の標的検体を検出する方法であって、
前記生体試料を、バイオセンサデバイスと接触させることであって、前記バイオセンサデバイスが、
（ａ）基板の表面上の露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルであって、標的検体と同種の捕捉部分で官能化されている、露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルと、
（ｂ）前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端部を接続するソース電極およびドレイン電極と、を備え、
（ｃ）前記ソース電極および前記ドレイン電極が、それらと接触する検体に応答して、前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルを通る電流の変化を検出する様態で電気的に接続されている、接触させるステップと、
前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルのコンダクタンスの変化を検出することにより、前記標的検体と前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルとの間の相互作用を検出するステップと、を含む、方法。
【請求項３２】
前記バイオセンサデバイスが、抗体−抗体相互作用、タンパク質−タンパク質相互作用、タンパク質−ペプチド相互作用、配位子−配位子相互作用、核酸−核酸相互作用を検出する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
標的検体の結合および解離が検出される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
基準信号が、検体結合信号と比較される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
コンダクタンスが、前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルへの前記標的検体の結合と直接相関される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記生体試料が、前記ソース電極とゲイン電極との間のゲートとして作用する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記生体試料が、前記ソース電極とゲイン電極との間のゲートとして作用し、ゲート電圧シフトが、前記露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルとの標的検体相互作用に直接相関される、請求項３１記載の方法。
【請求項３８】
半導体性単層カーボンナノチューブ層でコーティングされたウェハ基板であって、加熱によりアニールされ、その後ピレン酪酸で表面処理される、ウェハ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１７年１０月１０日に提出された「ＣＡＲＢＯＮ  ＮＡＮＯＴＵＢＥ−ＢＡＳＥＤ  ＤＥＶＩＣＥ  ＦＯＲ  ＳＥＮＳＩＮＧ  ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＩＮＴＥＲＡＣＴＩＯＮ」と題された米国仮特許出願第６２／５７０，２３９号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、コンダクタンスの変化を測定するために官能化カーボンナノチューブ基板を使用して分子相互作用を検知するためのデバイスを作製するためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
カーボンナノチューブデバイスは既知である。ＵＳ７，４１６，６９９、ＵＳ６，５２８，０２０、およびＵＳ７，１６６，３２５を参照されたい。しかしながら、カーボンナノチューブデバイスは、生体試料などの生体分子の分析に必要な感度レベルでは動作しない場合がある。したがって、生体試料などの生体分子を検知する感度を有するカーボンナノチューブベースのデバイスの開発が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の態様は、官能化カーボンナノチューブ基板との分子相互作用に応答してコンダクタンスを検出するために官能化カーボンナノチューブ基板を使用するデバイスに関する。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、カーボンナノチューブ基板のコンダクタンスの変化により検出される分子相互作用を可能にする高い表面積および半導体性の特性によって特徴付けられる。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、生体分子として標的検体とカーボンナノチューブ基板との相互作用によるコンダクタンスの変化を生成することができるカーボンナノチューブ基板を生成するために、当業者に既知の方法を使用して支持体上に製作される。そのようなカーボンナノチューブ基板は、コンダクタンスを生成するのに十分なナノチューブ配列によって特徴付けられる。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、高度の、すなわち、８５％を超え、９０％を超え、９５％を超え、９６％を超え、９７％を超え、９８％を超え、または９９％を超えるカーボンナノチューブの配列を有する。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、高密度のカーボンナノチューブ配列を有する。カーボンナノチューブ基板は、少なくともフェムトモル範囲の試料中の濃度を有する標的検体の検出をサポートする高い伝導率をもたらす減少したチューブ間接触抵抗によって特徴付けられる。
【０００５】
支持体上にそのようなカーボンナノチューブ基板を作製する方法には、当該技術分野で既知であるように、スピンコーティングまたは連続、浮遊蒸発組織化が含まれる。このようなカーボンナノチューブ基板は、幅あたりの大きなオンコンダクタンスと大きなオン／オフ比を有するトランジスタに制作される。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、検出される検体が生体試料中の生体分子である限り、フォトリソグラフィ技術を使用してバイオセンサに作り上げることができる。
【０００６】
一態様によれば、本開示は、本明細書に記載のコンダクタンスを有するカーボンナノチューブ基板を含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスに基づく無標識検知のためのバイオセンサデバイスを提供する。例示的な態様では、このトランジスタは、ソースとドレインの２つの端子、およびデバイスの抵抗を制御するゲートで構成されている。バイオ検知用途に関連するデバイスは、一態様では、カーボンナノチューブが整列しており、ランダムに配向されていないカーボンナノチューブ基板を含む。カーボンナノチューブ基板は、標的検体分子に同種の、すなわち、１つ以上の標的検体分子種に親和性を有する１つ以上の捕捉分子種で官能化されている。捕捉分子は、カーボンナノチューブ基板に直接または好適なリンカーを介して共有結合することができる。捕捉分子は、カーボンナノチューブ基板に直接または好適なリンカーを介して非共有結合することができる。捕捉分子は、タンパク質−タンパク質相互作用、ハイブリダイゼーション、または当業者に既知である他の相互作用などを介して標的生体分子に結合することができる。
【０００７】
本開示の特定の実施形態のさらなる特徴および利点は、以下の実施形態の説明およびその図面、ならびに特許請求の範囲からより完全に明らかになるであろう。代表的な方法によれば、試料調製に関連付けられるステップなどの１つ以上の従来のステップは、単純化されるか、省略されることさえあり得る。
【０００８】
本特許または出願ファイルには、カラーで作成された少なくとも１つの図面が含まれる。カラー図面を含む本特許または特許出願公開のコピーは、要求および必要な料金の支払いに応じて、特許庁（Ｏｆｆｉｃｅ）によって提供される。本実施形態の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と併せて例証的実施形態の以下の発明を実施するための形態からより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】線１１０として示されるグラフェンと線１２０として示されるカーボンナノチューブのコンダクタンスのダイナミックレンジの比較である。
【図２Ａ】本開示の実施形態の様々な方法ステップを示す概略図である。
【図２Ｂ】本開示の代替実施形態の様々な方法ステップを示す概略図である。
【図３】単一の大きな支持体上に製作された複数の電気デバイス１００を作製するように設計されたマスクの図である。
【図４】カーボンナノチューブへのカルボキシル基の共有結合または非共有結合の様々な実施形態の図解である。
【図５】表面に付着した１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルおよび蛍光標識アミノ量子ドットの処理なしのＳｉＯ２上のｓ−ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルを表す線５１０を描写している。図５は、表面に付着した１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルおよび蛍光標識アミノ量子ドットの処理によるＳｉＯ２上のｓ−ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルを描写している線５２０も示す。
【図６】カーボンナノチューブのピレン酪酸処理後の水滴の接触角測定を描写している。
【図７】本明細書に記載のバイオセンサデバイスの炭素表面に吸着したタンパク質の付着を描写しており、デバイ層を超えるタンパク質の吸着は検出されない。
【図８】Ａ〜Ｄは、本明細書に記載の様々な実施形態の電流測定に関する。
【図９】本開示の回路図を描写し、特に、電流の供給および測定に使用される単一のアナログソース測定ユニット（ＳＭＵ）の概略図を描写している。
【図１０】Ｒａｂｂｉｔ  ＩｇＧの結合と解離のデータを描写している。
【図１１】図１０のバックグラウンドを減算したプロットである。
【図１２】カーボンナノチューブチャネルを接続するパラジウムソースおよびパラジウムドレインを有するセンサデバイスを生成するために使用されるシャドーマスクの図である。
【図１３】センサデバイスのプローブへの結合とプローブへの電気接続のカプセル化の概略図である。
【図１４】本明細書に記載のデバイスのゲート電圧とコンダクタンスを描写している。
【図１５】プローブに動作可能に装着されたセンサデバイスを描写している図であり、プローブは、分析のための試料を含有するウェルにセンサデバイスを送達する。
【図１６】３本のワイヤリードを有するＴＯヘッダを雌ソケットにインターフェースするための例示的な機械的設計を描写している図である。
【図１７】センサデバイスが取り付けられているＴＯヘッダを雌ソケットから押し出すためのエジェクタピンの使用の実施形態を描写している。
【図１８】ディップアンドリードシステムの様々な相互に関連し相互接続された構成要素を描写している。
【図１９】底面上にセンサデバイスを装着した磁石を使用して、水平方向に配向されたプリント基板に取り付けられたＴＯヘッダを描写している図である。
【図２０】センサデバイスの下に位置するはんだバンプによる、センサデバイスの電気リードのプリント回路基板の電気リードへの接続を描写している図である。
【図２１】垂直バイオセンサを作製するためのセンサデバイスとプリント回路基板との間の縁部周辺のカプセル化を描写している図である。
【図２２】垂直方向のセンサデバイスの設計を描写している図である。
【図２３】バイオコンタクトプリント基板の６つのポゴピンに電気的に接続されたエジェクタピンとセンサボード上の６つの接触パッドを備えたリング磁石を介してバイオコンタクトプリント回路基板に接続するセンサプリント回路基板の接続実施形態を示す概略図である。
【図２４】プリント回路基板に沿って垂直構成で直列に接続された８つのセンサデバイスを描写している図である。
【００１０】
図面は、本発明の実施形態および／または関係する原理の実例を提示するものと理解されるべきである。本開示の知識を有する当業者には明らかであるように、他のデバイス、方法、および分析機器は、それらの特定の使用によって部分的に決定された構成および構成要素を有するであろう。同様の参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を指す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示の態様は、標的検体または複数の標的検体が官能化カーボンナノチューブ基板に接触するときにコンダクタンスの変化を検出できるトランジスタ環境内に作られた官能化カーボンナノチューブ基板を含むセンサデバイスに関する。一態様によれば、カーボンナノチューブウェハは、導電性カーボンナノチューブ基板を生成するためにカーボンナノチューブでウェハをコーティングすることにより作製される。例示的な方法には、スピンコート堆積プロセスまたは連続的な浮遊蒸発自己組織化（ＦＥＳＡ）プロセスが含まれる。技術の１つは、当業者に既知である他の好適な方法を用いて導電性カーボンナノチューブ基板を作製できることを理解することである。そのような他の方法は、本開示に基づいて当業者に明らかになるであろう。
【００１２】
特定の態様によれば、金属電極は、ソースおよびドレインを形成するようにカーボンナノチューブ基板上に位置決めされる。ソースおよびドレインは、標的分子の捕捉部分を含むように官能化されるカーボンナノチューブチャネルを接続する。カーボンナノチューブチャネルは、生体試料などの試料に接触するように構成される。カーボンナノチューブチャネルを露出させて、カーボンナノチューブチャネルを試料に接触させるか、試料をカーボンナノチューブチャネルに接触させることができる。金属電極は電気的に接続されているため、検体の結合によるカーボンナノチューブチャネルのコンダクタンスの差を測定することができる。本明細書で説明するように、デバイスの表面上に誘電体窓を利用することができる。
【００１３】
一態様によれば、金属電極がカーボンナノチューブ表面の上に堆積される。所望の場所または所望のパターンでのそのような金属の堆積は、シャドーマスクリソグラフィまたはフォトリソグラフィなどの当業者に既知であるリソグラフィ方法と組み合わせた金属堆積方法を使用して達成することができる。金属電極は、センサデバイスのソースおよびドレインを作製する。センサデバイスのウェハサポートのおよその寸法は柔軟である。
【００１４】
一態様によれば、センサデバイスの寸法は、センサデバイスが取り付けられているプローブと一致するか、または有用でなければならない。例示的なプローブは、センサデバイスが取り付けられているプローブを作製するための接触パッドまたは他の好適な構造を有するトランジスタアウトライン（ＴＯ）ヘッダまたはカスタムプリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよい。プローブの例示的な目的は、センサデバイスを試料と接触させるようにすることである。一実施形態では、ソース電極およびドレイン電極は、プローブの対応する接触パッドに電気的に接続される。一態様によれば、センサデバイスのソース電極およびドレイン電極は、対応する接触パッドにワイヤボンディングされて、ソースおよびドレインを提供する。次に、センサデバイスをカプセル化して、ワイヤボンドをバッファまたは生物学的環境から保護し、カーボンナノチューブ基板を露出して試料との接触を促進する。追加の態様では、プローブは、プリント回路基板（ＰＣＢ）であり、センサデバイスは、９６ウェルプレートなどのマルチウェルプレートに適合するように設計することができるプリント回路基板（ＰＣＢ）材料上に装着される。他のウェルプレート構成は、当業者に明らかになるであろう。センサデバイスは、ＸＹＺステージまたはロボットアームを備えるウェルプレートのウェルに浸漬して、バイオ検出の完全自動化をもたらすことができる。本明細書に記載の実施形態に有用な例示的なステージおよびロボットアームは、当業者に既知である。本明細書に記載されるセンサデバイスは、検体の存在を検出するか、そうでなければ、会合／解離の動力学または平衡定数を測定するために使用され得る。
【００１５】
一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、半導体性単層カーボンナノチューブ（ｓ−ＳＷＣＮＴ）を含む。このようなｓ−ＳＷＣＮＴは、高い表面積と、拡張可能な感度を生み出すのに十分な半導体性の特性によって特徴付けられる。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、平面状である。一態様によれば、カーボンナノチューブ基板は、半導体材料表面全体の電界電荷キャリアを監視するバイオセンサデバイスに制作されたカーボンナノチューブ半導体表面である。生体分子相互作用からの結合事象が発生し、カーボンナノチューブの表面と結合すると、ナノチューブ上のキャリア濃度が変化し、導電性が変化し得る。標的検体が官能化されたナノチューブ表面に結合すると、電流が変化して検出される。一態様によれば、結合相互作用は、相互作用を検出するためにデバイスクリーニング長の範囲内で発生する。感度を高めるために、断片化された抗体などの小さな受容体を使用することができる。
【００１６】
図１は、線１１０として示されるグラフェンと線１２０として示されるカーボンナノチューブのコンダクタンスのダイナミックレンジの比較である。示されているように、カーボンナノチューブのオンとオフのコンダクタンス変調はグラフェンよりも優れている。この実験データに基づいて、カーボンナノチューブはグラフェンよりも２０倍感度が高いと推定され、したがって、標的検体の検出のために電極間に基板を提供する。
【００１７】
特定の態様によれば、本開示のデバイスは、支持体上にカーボンナノチューブ基板を作製するカーボンナノチューブ堆積技術、およびカーボンナノチューブ基板に接触する端子または導電性要素を作製するフォトリソグラフィを使用して製作される。
【００１８】
一態様によれば、図２Ａ（ステップ１、上面図および側面図）を参照すると、カーボンナノチューブ１０は支持体２０上に堆積される。一態様によれば、支持体は、好適なサイズ、構成、形状、厚さ、または組成の任意の支持体であり得る。一態様によれば、支持体は、シリコン、二酸化ケイ素、またはガラスなどの半導体デバイスに共通の材料を含む。支持体は、形状および任意の好適な寸法の長方形または円形であってもよい。センサデバイスは、約０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの幅を有してもよい。センサデバイスは、約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの間の長さを有し得る。例示的な寸法は、約１．５ｍｍ×３ｍｍである。
【００１９】
カーボンナノチューブは、当業者に既知の単層カーボンナノチューブであり、一般にカーボンナノチューブ基板の製造のために使用される。当該技術分野で既知であるように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、ほぼ円筒形のナノ構造を持つ炭素の同素体である。一般に、カーボンナノチューブは、グラフェンと呼ばれる１原子厚のカーボンシートで形成された壁を備える、所定の長さの中空円筒構造によって特徴付けられる。一般に、グラフェンシートは、特定の離散的な（「キラル」）角度で巻かれるか、そうでなければ構成され、巻角と半径の組み合わせにより、ナノチューブの特性、たとえば個々のナノチューブシェルが金属か半導体かが決まる。ナノチューブは、単層ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）および多壁ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）に分類される。個々のナノチューブは、ファンデルワールス力、より具体的にはパイスタッキングによって一緒に保持された「ロープ」に自然に整列することができる。例示的な単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）は、約１ナノメートルの直径を有するが、より広くてもよい。一態様によれば、ＳＷＣＮＴは、ゼロ〜約２ｅＶのバンドギャップを示すことができ、それらの導電率は、金属的または半導体性の挙動を示すことができる。単層カーボンナノチューブは、本明細書に記載の検出デバイスの例示的な基板を提供する。デバイスで使用するための例示的なカーボンナノチューブは、米国特許第７，４１６，６９９号、米国特許第６，５２８，０２０号、および米国特許第７，１６６，３２５号に記載されているものであり、これらの各々は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００２０】
カーボンナノチューブは、スピンコーティングまたは連続浮遊蒸発組織化（ＦＥＳＡ）などの当業者に既知である方法を使用して、基板表面に適用することができる。カーボンナノチューブ基板を作製する他の方法は、本開示に基づいて当業者によって容易に特定され得る。
【００２１】
当該技術分野で既知であるように、スピンコーティングは、平坦な基板上に均一な薄いフィルムを堆積させるために使用される手順である。スピンコーティングは、ランダムに配向したカーボンナノチューブフィルムまたはネットワークを生成するが、それにもかかわらず、本明細書に記載のようにバイオセンサに有用な導電性を有し得る。厚さは、濃度とスピン速度の条件によって制御することができる。これは、カーボンナノチューブフィルムの低コストで信頼性の高い生成方法である。また、これは、様々なタイプのナノチューブに対する汎用性の高い手法である。一態様によれば、好適な流体中のカーボンナノチューブなどの少量のコーティング材料が、すでにスピンしている可能性があるまたは静止している可能性がある基板の中心上に適用される。基板を高速で回転させると、遠心力によってコーティング材料が広がる。当業者は、カーボンナノチューブまたは、支持体の表面へのフォトレジスト材料などのコーティング材料を適用するために使用されるＬａｕｒｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＷＳ−４００スピンコータなどのコーティング材料で支持体の表面をスピンコーティングするための好適なスピンコータ機械を容易に特定することができる。フィルムの所望の厚さが達成されるまで、流体が基板の縁部から離れる間、回転が続けられる。コーティング材料は、典型的には、通常揮発性であり、同時に蒸発する適用溶媒を含む。したがって、回転の角速度が高いほど、フィルムは薄くなる。フィルムの厚さは、溶液および溶媒の粘度および濃度にも依存する。Ｓｃｒｉｖｅｎ、ＬＥ（１９８８）、「Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｄｉｐ  ｃｏａｔｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｉｎｇ」ＭＲＳ  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．１２１を参照のこと。スピンコーティングをフォトリソグラフィで使用して、厚さ約１マイクロメートルのフォトレジストの層を堆積することができる。フォトレジストは典型的に、１秒あたり２０〜８０回転で３０〜６０秒間スピンする。
【００２２】
当該技術分野で既知であるように、連続浮遊蒸発自己集合（ＦＥＳＡ）は、整列したカーボンナノチューブを生成するために使用することができる方法である。ＦＥＳＡ法は、整列したカーボンナノチューブを生成し、整列した方向に沿って高い導電性を有する。高い導電率は、チューブ間の接触抵抗が低減されているためである。これにより、バイオセンサは、バイオマーカーのスクリーニングに臨床的に関連しているフェムトモル濃度レベルなどのタンパク質相互作用の検出の例示的な限界を示すことが可能になる。ＦＥＳＡ法は、スピンコーティング法と比較して、カーボンナノチューブのより高い表面密度を提供するため、より高い感度を有し得る。
【００２３】
連続的な浮遊蒸発自己組織化は、図２Ａのステップ１を参照して説明したデバイスの作製に使用された例示的な方法である。本開示の目的のための例示的な方法は、米国特許第９，４２５，４０５号に記載されており、その教示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。一般に、ＳＷＣＮは、固体支持体上の水性媒体の表面に連続的に供給される可溶化ＳＷＣＮＴを含有する有機溶媒の薄層から堆積させ、固体支持体に接触すると蒸発自己組織化を引き起こす。結果として生じるＳＷＣＮＴのフィルムまたはコーティングは、ナノチューブの高度な配列によって特徴付けられる。
【００２４】
当該技術分野で既知であるように、疎水性支持体を水性媒体に部分的に沈めることにより、支持体上に整列したＳＷＣＮＴの層を生成することができる。液体溶液の連続的な流れが水性媒体に供給される。液体溶液は、有機溶媒に分散された半導体選択性ポリマーで包まれたｓ−ＳＷＣＮＴを含んでもよい。液体溶液は、気液界面で水性媒体上の層に広がり、層からの半導体選択ポリマーで包まれたｓ−ＳＷＣＮＴは、疎水性基板上に整列した半導体選択ポリマーで包まれたｓ−ＳＷＣＮＴのフィルムとして堆積する。連続的に蒸発している層内の有機溶媒も、フィルムの形成中に液体溶液の流れによって連続的に再供給される。疎水性基材は、水性媒体から引き出されると、整列した半導体選択性ポリマーで包まれたｓ−ＳＷＣＮＴのフィルムが疎水性基材の長さに沿って成長するように、水性媒体から引き出される。
【００２５】
整列したｓ−ＳＷＣＮＴを備えるフィルムの実施形態は、フィルム内のｓ−ＳＷＣＮＴが約±２０°標準偏差以上の整列度を有し、フィルム内の単層カーボンナノチューブの線形充填密度が少なくとも４０単層カーボンナノチューブ／ｐｍである。充填密度は、整列方向に垂直な長さあたりのチューブの数として定義することができる。いくつかの実施形態において、フィルムは、少なくとも６６％の半導体性単層カーボンナノチューブ純度レベルを有する。いくつかの実施形態において、フィルムは、少なくとも９９．９％の半導体性単層カーボンナノチューブ純度レベルを有する。
【００２６】
一態様によれば、ＳＷＣＮＴ層または基板の調製後、ＳＷＣＮＴ基板は、フォトリソグラフィプロセスを改善するために、薬剤または薬剤の組み合わせで表面処理することができる。例示的な表面処理剤には、ピレンカルボン酸、ピレン酢酸、ピレン酪酸、ピレンブタノール、ピレンメタノール、ピレン酪酸ＰＥＧ（Ｘ）酸、およびピレンＰＥＧ（Ｘ）酸が含まれ、ここで、Ｘは、ポリエチレングリコール基などの数を表す。一態様によれば、ポリメチルグルタルイミド（ＰＭＧＩ）は、スピンコーティングまたはＦＥＳＡのいずれかによって生成されたＳＷＣＮＴ基板上に堆積される。ＰＭＧＩは、カーボンナノチューブデバイス上に残留物を残すことなく接点を製作するためのフォトリソグラフィプロセスを改善する望ましい特性を提供する。カーボンナノチューブの厚さが大きすぎると、カーボンナノチューブの疎水性により、ＰＭＧＩが表面に付着するのを妨げる。この場合、ＰＭＧＩが表面に貼りつくように、表面をより疎水性にするために、ピレン酪酸（ＰＢＡ）の自己組織化単層が使用される。例示的な表面処理剤には、ピレンカルボン酸、ピレン酢酸、ピレン酪酸、ピレンブタノール、ピレンメタノール、ピレン酪酸ＰＥＧ（Ｘ）酸、およびピレンＰＥＧ（Ｘ）酸が含まれ、ここで、Ｘは、ポリエチレングリコール基などの数を表す。
【００２７】
一態様によれば、当該技術分野で既知であり、本明細書で説明するように、リソグラフィ方法を使用して、電極、電気接続、コーティング、層などのセンサデバイスの特徴を作製することができる。一態様によれば、カーボンナノチューブ表面の上に金属電極を堆積させて、カーボンナノチューブ表面間にソースおよびドレインを作製する。金属電極は、シャドーマスクリソグラフィまたはフォトリソグラフィを含み得るリソグラフィまたはリソグラフィ法などの当業者に既知である方法を使用して作製され得る。図２Ａ（ステップ２）に示すように、フォトレジストの層３０をカーボンナノチューブ基板上に堆積させ、フォトリソグラフィを実行して、カーボンナノチューブ基板上の所望の位置の上のフォトレジストを除去し、それによりカーボンナノチューブ基板またはカーボンナノチューブチャネルのパターン１つ以上の露出領域４０を残す。ステップ２では、フォトレジスト層３０内に２つの露出領域４０が示されている。
【００２８】
様々なフォトレジスト材料およびフォトリソグラフィ法が、次に選択領域で除去することができる層を作製することについて当業者に既知である。フォトリソグラフィは、光学リソグラフィまたはＵＶリソグラフィとも呼ばれ、薄いフィルムの複数部または基板の大部分をパターン化するための微細加工で使用されるプロセスである。一般に、光活性材料の層が支持体上に載置される。次に、光を使用して光活性材料を化学的に修飾し、その後、それを除去する。ある意味では、光を使用して、幾何学的パターンをフォトマスクから、基板上の感光性化学物質「フォトレジスト」、または単に「レジスト」に転写する。次に、１つ以上または一連の化学処理を使用してフォトレジストを除去し、フォトレジストの下の材料を露出させることができる。プロセスは、所望の材料を所望の場所に堆積させることなどにより、さらに処理可能な所望の場所で除去された材料のパターンをもたらすことができ、プロセスは何度も繰り返されて、所望の領域が除去されさらに処理された多くの層を生成することができる。
【００２９】
支持体は、スピンコーティングによりフォトレジストで覆うことができる。粘性のフォトレジストの液体溶液を基板または支持体上に分配し、基板または支持体を急速にスピンさせて、当該技術分野で既知である均一な厚い層を生成する。スピンコーティングは典型的に、１２００〜４８００ｒｐｍで３０〜６０秒間運転され、０．５〜２．５マイクロメートルの厚さの層を生成する。次に、熱源を使用して、フォトレジストでコーティングされた支持体を予備焼成して、典型的に９０℃〜１００℃で３０〜６０秒間、過剰のフォトレジスト溶剤を取り除く。
【００３０】
様々なフォトレジスト材料が当業者に既知であり、一般に、基板または支持体上にパターン化されたコーティングを形成するために使用される。一般に、フォトレジストが支持体に適用される。フォトレジストは、紫外線に露出される。一態様によれば、紫外線に露出されたフォトレジストは、その後除去される。一態様によれば、紫外線に露出されていないフォトレジストは、その後除去される。
【００３１】
本開示の態様は、光に露光されるフォトレジストの部分がフォトレジスト現像液に可溶性になるフォトレジストの一タイプであるポジ型レジストを利用してもよい。フォトレジストの非露出部分は、フォトレジスト現像液に不溶性のままである。例示的なポジ型フォトレジストは、ＤＮＱ−Ｎｏｖｏｌａｃフォトレジスト（ｄｉａｚｏｎａｏｈｔｈｏｑｕｉｎｏｎｅ（ＤＮＱ））である。ＤＮＱノボラックレジストは、塩基性溶液（通常、水中０．２６Ｎ水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ））に溶解することにより現像される。本開示の態様は、光に露出されるフォトレジストの部分がフォトレジスト現像液に不溶性になるフォトレジストの一タイプであるネガ型レジストを利用してもよい。フォトレジストの非露出部分は、フォトレジスト現像液によって溶解される。例示的なネガ型フォトレジストは、ＳＵ−８という名前で販売されているエポキシ系ポリマーに基づいている。フォトレジストは、一般に、当該技術分野で既知であるように、光重合性フォトレジスト、光分解性フォトレジスト、または光架橋性フォトレジストであるとして説明され得る。フォトレジストでの使用に好適な光源には、ＵＶまたはより短い波長または電子ビームを放射する光源が含まれる。
【００３２】
本開示の態様は、当該技術分野で既知であるように、ステンシルリソグラフィとしても既知であるシャドーマスクリソグラフィを使用してもよい。シャドーマスクリソグラフィは、材料が基板の表面上に堆積される場所に対応する開口部を持つシャドーマスクまたはステンシルを使用して、基板の表面上にパターンを作製するために使用される。これは一般に、レジストレスでシンプルな並行リソグラフィプロセスと考えられており、基板の熱処理や化学処理は一切必要はなくてもよい（レジストベースの技術とは異なる）。シャドーマスクまたはステンシルリソグラフィは、金属を基板上の所望の場所に堆積させる物理蒸着技術で使用することができる。そのような金属蒸着技術には、熱および電子ビーム物理蒸着、分子線エピタキシー、スパッタリング、およびパルスレーザ蒸着が含まれる。マテリアルフラックスの方向性が高いほど、パターンは、ステンシルから基板に正確に転写される。一態様によれば、ステンシルは（必要であれば）位置合わせされ、基板に固定される。ステンシルと基板のペアを蒸着／エッチング／イオン注入機に載置し、処理が完了した後、ステンシルを現在パターン化された基板から単に取り外す。
【００３３】
図２Ａ（ステップ３）に示されるように、クロム、パラジウム、チタン、金、銀、スカンジウム、白金またはそれらの混合物などの金属の層が、当業者に既知である金属蒸着技術などによって露出領域で堆積されカーボンナノチューブ基板との電気接点５０を形成する。有用なパターン化金属堆積技術は、当業者に既知である。金属は、シャドーマスクリソグラフィ、フォトリソグラフィ、または当業者に既知である他のリソグラフィ技術を使用して、所望のパターン内または所望の場所に堆積され得る。次いで、ステップ２で堆積されたフォトレジスト３０が除去され、電気接点が残る。そのような金属層は、デバイスの所望の設計に基づいて、所望の場所に載置することができることを理解されたい。
【００３４】
図２Ａ（ステップ４）に示すように、フォトレジストの層を電気接点の間に載置して、下のカーボンナノチューブ基板を保護する。電気接点の下のカーボンナノチューブ基板も保護される。カーボンナノチューブ基板の残りの部分は露出している。
【００３５】
図２Ａ（ステップ５）に示すように、露出したカーボンナノチューブ基板は、酸素反応性イオンエッチングなどの当業者に既知である方法を使用して除去され下にある支持体２０を明らかにし、金属電極または接点間のカーボンナノチューブチャネル７０を画定する。次に、電気接点５０間のカーボンナノチューブ基板を保護するフォトレジストが除去され、電気接点５０間にカーボンナノチューブチャネル７０が現れる。必要に応じて、特定の目的のために、関連付けられる電気接点を備える１つ以上のカーボンナノチューブチャネルを備えるデバイスを設計および製作することができることを理解されたい。
【００３６】
図２Ａ（ステップ６）に示されるように、フォトレジスト８０の層は、その後、電気接点間のカーボンナノチューブチャネルの上に載置され、下のカーボンナノチューブ基板を保護する。支持体は、露出したままである。
【００３７】
図２Ａ（ステップ７）に示すように、その後、酸化シリコンまたは窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）などの誘電材料９０の層を、露出した支持体および支持体の周囲に沿った電気接点の一部分に適用する。そのような不動態化層は、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤ−ＰＣＶＤ）または当業者に既知である何らかの他の方法によって堆積される。次いで、ステップ６で説明したように、電気接点間のカーボンナノチューブチャネルの上に載置されたフォトレジストの層が除去され、電気接点５０間にカーボンナノチューブチャネル７０が現れる。一態様によれば、半導体技術分野で既知であるように、多くのそのようなデバイスをウェハ上に製作することができる。次いで、複数のデバイスをその上に有するそのようなウェハは、ウェハがさいの目に切られる前に洗浄され、導電性が試験され得る。得られた電気デバイスは、本明細書に記載されるようにバイオセンサに制作される。
【００３８】
一態様によれば、上述のデバイスの平面カーボンナノチューブ基板は、高表面積および半導体性の特性を含むバイオセンサに有用な多くの特性を示す。バイオセンサは、バイオマーカースクリーニングなどの困難な分析に必要な感度で拡張可能である。ｓ−ＳＷＣＮＴの半導体性の特性は、表面原子の構造に依存する。本開示によれば、ＳＷＣＮＴは、高度に分類されて、金属部分ではなく半導体性部分を抽出する。例示的なｓ−ＳＷＣＮＴは、８５％〜９９％の半導体性、９０％〜９９％の半導体性、９５％〜９９％の半導体性であり、９８％の半導体性が例示的である。本開示の例示的なｐ型ｓ−ＳＷＣＮＴトランジスタは、９００ｃｍ２／Ｖ＊ｓ〜１１００ｃｍ２／Ｖ＊ｓの間の移動度を示し、１０００ｃｍ２／Ｖ＊ｓが例示的である。本明細書で説明するデバイスは、１０〜１００ｋΩの抵抗を示し、これは、生体測定に許容可能であると見なされる。
【００３９】
別の実施形態が、図２ｂに示されている。この実施形態は、ステップ１のカーボンナノチューブコーティング基板２０から始まる。次に、ステップ２において、均一な金属層９２が基板全体に堆積される。金属は、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、またはドープされたポリシリコン、または（ｏｔ）他の好適な金属であってもよい。フォトレジスト３０が金属層の上部上に堆積され、ステップ３でフォトリソグラフィが実行され、フォトレジストが除去された領域（少量の残留物を除く）およびフォトレジスト層全体が残っているパターン化されていない領域にフォトレジストをパターニングする。次に、ステップ４で、部分反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）ステップを実施して、パターン化領域からフォトレジスト残渣を除去するが、パターン化されていない領域のフォトレジストは除去しない。エッチングガスは、Ｏ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ａｒ、またはフォトレジストを除去するために典型的に使用される異なるガスの組み合わせとすることができる。このステップでは、金属層が、カーボンナノチューブを反応性エッチングによる損傷または劣化から保護する。次に、ステップ５で、金属層内の露出領域の金属エッチングを実施して、金属層内にパターンを作製する。これは、金属を除去するための酸でのウェットエッチングであり得るが、カーボンナノチューブを損傷することはない。例えば、エッチング液は、ＦｅＣｌ３＋ＨＣｌ、ＫＩ＋Ｉ２、ＨＦ、ＨＦ＋Ｈ２Ｏ２、バッファ化酸化物エッチング、ＫＯＨ、または他の好適なエッチング液であり得る。最後に、ステップ６で、安定性のためにフォトレジストを架橋して、後でフォトレジストが溶解または部分的に溶解するのを防ぐハードベークがある。このフォトリソグラフィステップは、ハードベーク後に不溶性誘電体層を形成するＳＵ−８などのネガ型レジスト、または他の好適なフォトレジストを使用してもよい。基板上の残りの金属パターンは、カーボンナノチューブに電気的に接触するためのソースおよびドレイン電極である。
【００４０】
図３に示すように、マスクは、上述の方法を使用して、４インチの二酸化ケイ素、ガラスまたはシリコンウェハなどの単一の大きな支持体上に製作された複数の電気デバイス１００を作製するように設計される。単一の大きな支持体は、例えば、１インチ〜１０インチ、２インチ〜１０インチ、２インチ〜８インチなど、６インチの二酸化ケイ素、ガラスまたはシリコンウェハなど、任意の所望のサイズであってもよいことを理解されたい。所望のバイオセンサ設計に基づいて、任意の好適なマスク設計を使用できることを理解されたい。マスクは、任意の所望の構成で１つ以上のカーボンナノチューブチャネルを生成することを意図している。
【００４１】
一態様によれば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，０２９，７３４号を含む当業者に既知の方法に従って、電気デバイスのカーボンナノチューブ基板を化学修飾することができる。一態様によれば、ＳＷＣＮＴを含むカーボンナノチューブ基板は、ＳＷＣＮＴの表面を酸化することによりカルボキシル末端基を発生させる酸化条件に供される。カルボキシル基は、ＤＮＡ、タンパク質、酵素などの様々な生体分子でのさらなる官能化に使用される。官能化は、支持体上の酸化ＳＷＣＮＴ基板上で直接行うことができる。
【００４２】
一態様によれば、図２Ａに関して上述したようにデバイスを作製した後、カルボキシル基の共有結合または非共有結合を図４に示すように実装することができる。ｓｐ２結合炭素は化学的に不活性であるため、共有結合には、グラフェンまたはカーボンナノチューブの表面に欠陥を形成することを伴い、そのためタンパク質を結合することができる（ｓｐ３部位）。共有結合は、ジアゾニウム化学作用（４−カルボキシベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボレート）で行うことができる。カルボキシル基を結合するための他の例示的な共有分子には、ジアゾニウム分子の様々な種、硫酸、硝酸、過酸化水素、および他の酸化化合物などが含まれる。非共有結合アプローチでは、ピレンブタン酸または１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルをパイ−パイスタッキングで吸着してカルボキシル基を導入する。他の例示的な非共有分子には、ピレンカルボン酸、ピレン酢酸、ピレン酪酸ＰＥＧ（Ｘ）酸、およびピレンＰＥＧ（Ｘ）酸が含まれ、Ｘは、ポリエチレングリコール基の数を表す。一態様によれば、ＳＷＣＮＴ表面の欠陥の量は、標的検体を検出するデバイスの能力を最適化するために決定される。閾値を超える多くの欠陥は、デバイスが標的検体を検出する能力を低下させる可能性があることが認識されている。閾値以下の多くの欠陥は、目的の検体を検出するのに十分な結合部位を作製しない可能性があることが認識されている。閾値は、特定の用途に基づいて当業者によって決定され得る。
【００４３】
一態様によれば、配位子、抗体、核酸などの生体分子をカルボキシル化ＳＷＣＮＴ基板の表面上に固定化することができる。生体分子は、官能性生体分子と称され得る。官能性分子はリンカー分子であっても、捕捉分子であってもよい。一態様によれば、生体分子は、試料中に存在する可能性がある標的検体分子の結合パートナーとして使用される。一態様によれば、生体分子は、試料中に存在する可能性がある標的検体分子への結合パートナーのリンカーとして使用される。生体分子は、当業者に既知である方法および化学を使用して付着させることができる。一態様によれば、そのような生体分子は、緩衝液中の１−エチル−３−［３−ジメチルアミノプロピル］カルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣ）およびＮ−ヒドロキシスルホスクシンイミド（Ｓｕｌｆｏ−ＮＨＳ）処理により固定化され得る。タンパク質または抗体のリジン残基に関連付けられるアミン基は、後続の付着ステップでＮＨＳを置換し、フェノールリンカーを介して抗体とカーボンナノチューブ表面の間に共有結合を形成する。官能化の量は、アミンタグ付き蛍光量子ドットを使用し、ＳＥＭおよびラマンイメージングで特徴付けることによって特徴付けることができる。カルボキシル基または他の手段を介して結合できる他の例示的な固定化分子には以下が含まれる：プロテインＡ、プロテインＧ、プロテインＬ、ストレプトアビジン、ニトリロ三酢酸ニッケル、抗ヒトＦｃ、抗ヒトＩｇＧ、抗マウスＦｃ、抗マウスＩｇＧ、アミノプロピルシラン、抗ＧＳＴ、抗ペンタＨＩＳ、抗ＨＩＳなど。
【００４４】
図５は、表面に付着した１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルおよび蛍光標識アミノ量子ドットの処理なしのＳｉＯ２上のｓ−ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルを表す線５１０を示す。図５は、表面に付着した１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルおよび蛍光標識アミノ量子ドットの処理によるＳｉＯ２上のｓ−ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルを示す線５２０も示す。アミノ量子ドットは、スクシンイミジルエステルまたはカルボン酸と効率的に反応する。量子ドットは５３２ｎｍのレーザで励起され、蛍光発光はカーボンナノチューブの異なる面内振動（Ｄ）および一次面内振動モード（Ｇピーク）とともにラマンスペクトルで見ることができる。これらのピークは、それぞれ１３５０ｃｍ−１および１６２０ｃｍ−１に位置している。６５５ｎｍの最大発光が、量子ドットについて選択された。このタイプの測定は、グラフェンの官能化の特性評価にも使用することができる。
【００４５】
図６は、カーボンナノチューブのピレン酪酸処理後の水滴の接触角測定を描写している。角度は、表面の疎水性に依存し、これは、酸基が表面とは反対側を向いた状態で適切な官能化が確認され得る。表面処理により、デバイス製作用のフォトレジストを堆積している際に、カーボンナノチューブのより厚い層を使用することが可能になる。
【００４６】
図４に示すように、抗体または生体分子または対象物を追加する前に、ブロッキングおよびクエンチングのステップを使用して、非特異的結合（ＮＳＢ）を防ぎ、測定の信号対雑音を高めることができる。クエンチングには一般に、エタノールアミンなどのクエンチング剤を添加して、下流のＮＳＢを防ぎ、炭素表面の活性部位を非反応性にすることを伴う。ブロッキングは一般に、ポリエチレングリコールソルビタンモノラウレート（Ｔｗｅｅｎ−２０）またはポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの分岐剤または直鎖分子のブロッキング剤を伴う。ブロッキングの主な機能は、バイオセンサ表面で発生する相互作用の信号対雑音を増加させることである。次に、抗体などの官能性生体分子を表面に付着させて、表面のタンパク質などの特定の抗原の付着部位として官能化させることができる。付着は、ＳＷＣＮＴ上のＮＨＳスクシンイミドエステルとの、一級アミン基、すなわち−ＮＨ2基の共有結合を介して起こる。抗体または捕捉分子を固定してバイオセンサを形成した後、バイオセンサを使用して、生体試料を官能化カーボンナノチューブ基板に接触させるなどして、標的生体分子の存在を判定することができる。標的分子が官能化カーボンナノチューブ基板に接触し、官能化カーボンナノチューブ基板上の結合パートナーと係合すると、相対抵抗変化は、官能化カーボンナノチューブ基板の表面上に存在する標的生体分子の濃度に直接関係する。
【００４７】
前述のように、シャドーマスクを介した金属蒸着を使用して、電圧を印加して電流を検出するソースおよびドレイン電極を作製することができる。典型的に、ソースおよびドレインは、典型的に、金属導体であるゲートに容量結合される。検体は、電荷を含有しているか、または金属ゲートからの電荷を遮蔽することができるため、カーボンナノチューブに近い場合、ゲートとしても作用することができる。ゲートは、電荷キャリアの濃度およびソースとドレイン間のコンダクタンスを制御するために使用される。本開示の一態様によれば、本開示のデバイスにおけるゲートコンデンサは、バッファ溶液または検体を含有する溶液である。ゲートコンデンサとして作用する溶液の他の例には、血液、尿、眼液などの生体試料が含まれる。ソースとドレイン間の電流の流れは、ゲート電圧を掃引することによって変更される。ナノチューブに近い検体は高電流を促進し、ナノチューブから遠い検体は電流を低下させる可能性があるため、ソースとドレイン間の電流が変化する。
【００４８】
本明細書ではトランジスタと称され得るデバイスのＳＷＣＮＴチャネル長は、０．１〜５００ミクロンである。例えば、製作されたトランジスタのＩ−Ｖ特性は、ソース電極とドレイン電極との間に２５ｍＶの電圧バイアス（Ｖｄ）を印加して得られた。ＳＷＣＮＴを流れるドレイン電流（Ｉｄ）が検出され、ゲート電圧（Ｖｇ）が−１００ｍＶｍＶ〜＋１００ｍＶに変化した。標的検体がナノチューブ表面に結合すると、電流が変化して検出される。
【００４９】
図７は、本明細書に記載のバイオセンサデバイスの炭素表面に吸着されたタンパク質の付着に関する。デバイ層を超えるタンパク質吸着は検出されない。図７に示されているプローブヘッドは、トランジスタアウトラインヘッダまたはプリント回路基板のいずれかであり、消耗品デバイスを対象としている。
【００５０】
図８Ａ〜Ｄは、本明細書で説明される様々な実施形態の電流測定に関する。図８Ａは、炭素表面にカルボキシル基が結合した電流測定を描写している。図８Ｂは、カルボキシル基およびＥＤＣ／ＮＨＳによる様々な電流測定を描写している。図８Ｃは、抗体またはタンパク質（すなわち生体分子）を使用した異なる電流測定を描写している。図８Ｄは、検体または抗原を使用した異なる電流測定を描写している。図８Ａ〜ｄに示すように、異なる電流測定値を使用して、バイオセンサデバイスのカーボンナノチューブ表面の表面に結合した標的検体の存在を決定する。
【００５１】
図９は、本開示の回路図を描写し、特に、電流の供給および測定に使用された単一のアナログソース測定ユニット（ＳＭＵ）の概略図を描写している。ピンドライバーは、ＡＤＣおよびＤＡＣの電圧リファレンスＶｒｅｆによって制御されるレベルシフタのペアにラップされている。個別の回路が電圧リファレンスを分割してＶｒｅｆ／２を提供する。０〜＋Ｖｒｅｆの範囲の入力電圧Ｖｄａｃは、±Ｖｒｅｆの範囲にシフトされる。同様に、出力電流信号は、０〜＋Ｖｒｅｆの範囲にシフトする。測定ハードウェアには、アナログ−デジタルコンバータ、デジタル−アナログコンバータ、およびコンピュータにインターフェースすることができるマイクロプロセッサが含まれる。回路図は例示にすぎず、本開示に基づいて、他の回路図によって表される他の回路を設計および使用することができることを理解されたい。
【００５２】
以下の開示を読んだ後、当業者は、本明細書で説明される様々な態様が、１つ以上のコンピュータプログラム製品を利用するコンピュータ化された方法、システム、デバイス、または装置として具現化され得ることを理解するであろう。したがって、コンピュータ化された方法、システム、デバイス、および装置の様々な態様は、１つ以上のマイクロプロセッサを含むハードウェアのみからなる実施形態、ソフトウェアのみからなる実施形態、またはソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形態を取り得る。さらに、コンピュータ化された方法、システム、デバイス、および装置の様々な態様は、記憶媒体内または上に具現化されたコンピュータ可読プログラムコードまたは命令を有する１つ以上の非一時的コンピュータ可読記憶媒体によって記憶されたコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光学記憶デバイス、磁気記憶デバイス、および／またはそれらの任意の組み合わせを含む、任意の好適なコンピュータ可読記憶媒体が利用されてもよい。さらに、本明細書で説明するデータまたは事象を表す様々な信号は、金属線、光ファイバ、および／または無線伝送媒体（例えば空気および／または空間）などの信号伝導媒体を通過する電磁波の形態で、ソースと通信先との間で転送される。本明細書では、要素間の様々な接続が考察されていることに留意されたい。これらの接続は一般的なものであり、特に指定のない限り、直接または間接、有線または無線であり、仕様はこの点で限定することを意図していないことに留意されたい。
【００５３】
実施例Ｉ
カーボンナノチューブバイオセンサは、本明細書に記載されているＦＥＳＡおよびフォトリソグラフィ法を使用して製作された。結果として得られたバイオセンサは、１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルで非共有結合で官能化された。プロテインＡを１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルに結合させ、エタノールアミンでクエンチした。Ｒａｂｂｉｔ  ＩｇＧの会合と解離を測定し、データを図１０に提示する。曲線１０１０は、Ｒａｂｂｉｔ  ＩｇＧの結合／解離の測定を表す。曲線１０２０は、プロテインＡが１−ピレンブタン酸スクシンイミジルエステルに結合していなかった場合の測定値を表す。
【００５４】
図１１は、図１０のバックグラウンドを減算したプロットである。データは、平衡タンパク質結合のＬａｎｇｍｕｉｒ吸着等温線に適合し、データに対する最小二乗法により、２成分のＬａｎｇｍｕｉｒ方程式が得られた。ｋdは、タンパク質相互作用に対する高い親和性を表す。
【００５５】
実施例ＩＩ
官能化されたカーボンナノチューブバイオセンサは、本明細書に記載されるように製作され、本明細書に記載されるプローブ装置とインターフェースされた。図１２に示すシャドーマスクを使用して、カーボンナノチューブチャネルを接続するパラジウムソースおよびパラジウムドレインを有するセンサデバイスを作製した。図１２は、蛇行した設計または構成を有する単一のカーボンナノチューブチャネルを描写している。パラジウムのソース電極およびパラジウムのドレイン電極が、対角に示されている。例示的なデバイスの寸法は、１．５ｍｍ×３ｍｍであり得る。
【００５６】
図１３は、センサデバイスのプローブへの結合とプローブへの電気接続のカプセル化の概略図である。シャドーマスク処理の完了後、センサデバイス１１０（カーボンナノチューブトランジスタまたはチップと称され得る）は、３ピンなどで当該技術分野で既知であるＴＯヘッダ（市販されているＴＯ−４６ヘッダ）であり得るプローブ１２０に装着される。プローブに動作可能に装着されると、センサデバイスを分析用の試料を含むウェルに載置することができる。チップ（バイオセンサデバイス）は、ＵＶ硬化エポキシまたは当業者に既知である同様の接着剤でＴＯヘッダに装着され、かつＴＯヘッダに電気的に接続される。チップの金属電極からＴＯヘッダの接触パッド１４０まで走るワイヤボンド１３０が追加される。一態様によれば、センサデバイスまたはチップの金属電極とプローブ（ＴＯヘッダ）との間の電気接続は、１５０で示されるように、ＵＶ硬化エポキシまたは当業者に既知である同様のカプセル化などでカプセル化される。一態様によれば、カプセル化は、電気接続がセンサデバイスの他の特徴とともにコーティングまたはカプセル化されるように実行されるが、官能化カーボンナノチューブ基板のすべてまたは一部分は、カプセル化またはコーティングされずに残るため、官能化カーボンナノチューブ基板は、試料中の標的検体に接触する場合がある。一態様によれば、液体ゲート電極としてバッファを使用する場合、電気接続またはワイヤボンディングのカプセル化が重要である。カプセル化により、ナノチューブトランジスタのゲートソース／ドレイン間のイオン伝導が防止される。カプセル化は、電気的接続またはワイヤボンディングを物理的な損傷から保護するためにも重要である。
【００５７】
本明細書に記載の方法に従って作製された実際のセンサデバイスは、ＴＯ−４６ヘッダに電気的に接続され、センサデバイスの複数部分は、ＵＶ硬化エポキシでカプセル化された。一態様によれば、カプセル材料は、単一部分のＵＶ硬化エポキシ、二部分エポキシ、または当業者に既知である他のエポキシまたはカプセル材料であり得る。エポキシは、細いチップを使って手で、またはプログラムされたディスペンス速度および容量を備えるロボットで分配することができる。図１３に概略を示し、実際に作製されたセンサデバイスを、コンダクタンス測定実験に供した。ゲート電圧は、−０．１〜０．１ボルトで掃引される。図１４のデータが示すように、デバイスは、非常に低いゲートリークおよび一貫した相互コンダクタンス測定を示している。
【００５８】
図１５は、プローブ１７０に動作可能に装着されたセンサデバイス１６０を描写しており、プローブは、分析のための試料を含有するウェルにセンサデバイスを送達する。この様態で、試料を調製し、ウェルプレートのウェルに送達し、半導体性単層カーボンナノチューブバイオセンサを試料と容易かつ体系的に接触させることができる。図１５に示す構成は、センサデバイスがウェルプレートに浸漬されているため、「浸漬および読み取りシステム」と称される。したがって、センサデバイスおよびそれが取り付けられるプローブの両方は、市販のウェルプレートのウェルなどのウェル内に載置または浸漬するのに十分な寸法を有する。ウェルプレートは、６〜３８４個のウェル、または当該技術分野で既知であり市販され得る他のウェル数および構成の範囲であり得る。
【００５９】
３つのワイヤリード１９０を有するＴＯヘッダ１８０を雌ソケット２００にインターフェースするための例示的な機械的設計が図１６に示されている。センサデバイスは、上述のように雌ソケットに装着され、すなわち、リード線は、バイオセンサの容易な交換を可能にするために、雌受容チャネル２１０内に取り外し可能に載置される。それにより、バイオセンサは、プローブから取り外し可能であり、すなわち、プローブを雌ソケットから引き抜くことにより、交換することができる。センサデバイスは数回しか使用できないため、センサデバイスは消耗デバイスと称される。この機構により、ベースまたはプローブから、バイオセンサを簡単に取り外すことを可能にする。一例として、図１７は、センサデバイス１６０が雌ソケット２００から取り付けられているＴＯヘッダ１８０を押し開けるためのエジェクタピン２２０の使用を描写している。エジェクタピン２２０の遠位端２４０は、ＴＯヘッダ１８０の内面２６０に接触し、力を使用して、ＴＯヘッダ１８０およびその関連付けられるワイヤリードを雌ソケット２００から押し離す。取り外したら、バイオセンサデバイスを取り付けた新しいＴＯヘッダを雌ソケットに挿入することができる。一態様によれば、ステッピングモータをプランジャに接続し、プランジャをＴＯヘッダに押し付け、これにより、ＴＯヘッダおよび３つのピンを強制的に雌ソケットから離し、センサデバイスを排出するように作動させる。モータを使用すると、雌ソケットからセンサデバイスを自動的に取り出すことを可能にする。
【００６０】
図１８は、ディップアンドリードシステムの様々な相互に関連し相互接続された構成要素を描写している。９６ウェルプレート２８０には、１つ以上またはすべてのウェルに試料が提供される。センサデバイス３００は、自動ロボットアーム３１０または他のＸＹＺステージシステムに取り付けられ、モータの影響下でＸ、ＹおよびＺ方向に移動して、分析のためにセンサデバイス３００を流体試料を含有するウェルに浸漬または載置する。ウェルは、バッファ、水、タンパク質溶液、ＤＮＡ、ＲＮＡ、またはセンサデバイスの官能化カーボンナノチューブ表面に吸着する他の生体分子または検体を含有することができる。ウェルプレートは、混合効果を提供するために振動パッド３２０を使用することなどにより、ウェルの内容物を混合するように振動されてもよい。カーブトレーサボード３４０はシステムに電気的に接続されており、試料および基準を測定するための２つのチャネルを有している。
【００６１】
図１９に描写される一態様によれば、ＴＯヘッダ１８０は、センサデバイスが底部上に装着された状態で、水平に配向されたプリント回路基板に取り付けられる。センサデバイスは、電磁石などの磁気３６０によってベース部分に対して保持される。電磁石をオフにすることで、センサデバイスをベース部分から自動的に解放することができる。この態様によれば、ベース部分上の磁気コイルを使用して、センサデバイスの自動排出のために磁石をオンまたはオフにすることができる。
【００６２】
図２０は、プリント回路基板３８０（「ＰＣＢ」）とインターフェース接続されたセンサデバイス１６０を示す。ソースおよびドレイン接触パッド５０および官能化カーボンナノチューブ基板７０は、分析されるべき試料を含み得る外部環境と相互作用する上面にある。センサデバイス１６０は、プリント回路基板３８０に電気的に接続されている。一態様によれば、電気リード４００は、ソースおよびドレイン接触パッドから支持体を通って延在し、プリント回路基板に接続される。図２０の実施形態では、電気リードは、センサデバイスの下に位置するはんだバンプ４２０によってプリント回路基板の電気リードに接続されるが、任意の好適な電気接続であれば十分である。センサデバイス１６０とプリント回路基板３８０との間の電気接続は、カプセル４４０でカプセル化されている。この実施形態では、カプセル化４４０は、センサデバイス１６０とプリント回路基板３８０との間の縁部の周りで発生し、図２０および図２１に示される、垂直バイオセンサを作製する。次に、位置合わせのためにポゴピンを装着して、垂直センサデバイスをベースプレートに接続する。磁石のセットが、センサを一緒に保持する。
【００６３】
図２２は、垂直に向けられたセンサデバイス設計４６０を描写している。プリント回路基板は、様々な色で作製することができ、これにより、異なる表面の化学的性質を異なる色のプリント回路基板と相関させることができる。センサＰＣＢ４８０は、エジェクタピン５４０を備えたリング磁石５２０を介して、図２３に示す生体接触ＰＣＢ５００に金属スペーサーで接続され、センサボード上の６つの接触パッド５６０は、バイオ接点ＰＣＢ５００上の６つのポゴピン５８０に電気的に接続する２つの整列ピン６００を使用して、生体接触ＰＣＢ５００の適切な取り付け点を見つける。例えば、磁石のおよその電磁力は、２．９ポンドであり、バイオ接触ＰＣＢ上の６つのポゴピン５８０の圧縮力は、０．９ｌｂｓである。
【００６４】
一態様によれば、垂直方向は、プローブの平坦部分が振動または移動した場合に混合パドルとして作用することができる限り、ウェルプレートのウェル内の混合運動を促進することができる。センサデバイスを振動させて、プローブにウェルの内容物を循環させて、ウェルプレートのウェル内で混合運動を引き起こし、ウェル内の攪拌を促進して拡散制限結合および非結合事象を克服することができる。
【００６５】
一態様によれば、バイオセンサは、ソース測定ユニット、アナログデジタル変換器、デジタルアナログ変換器、およびマイクロプロセッサを含有するデジタルシステム制御に接続される。測定ハードウェアは、３つの異なる電圧を供給し、最大４８の異なる電流を測定する。マイクロプロセッサを、コンピュータに接続することができる。
【００６６】
図２４は、プリント回路基板６２０に沿って垂直構成で直列に接続された８つのセンサデバイス１６０を描写している。センサデバイス１６０は、必要に応じて、２つ以上、３つ以上、４つ以上、５つ以上、６つ以上、７つ以上、または８つ以上のデバイスとして直列に配設することができる。複数のセンサデバイスは、プリント回路基板または他の支持デバイスに沿って垂直方向に直列に配設されてもよい。プリント回路基板の材料は、様々なサイズおよび形状で構成することができる。８つのバイオセンサは、７つの試料と１つの基準を同時に測定することができる。
【００６７】
実施例ＩＩＩ
９６ウェルプレートのカラムＡおよびＢには、次の材料が装填される。
【表１】
2020537131.tif 000003
浸漬および読み取りシステムは、最初に２つのバイオセンサを、バッファ溶液を含有する列Ａ（試料用）および列Ｂ（基準用）に移動する。次に、プローブＡを第２の列に移動させ、これは、結合分子の溶液を含有しており、プローブＢは、より多くのバッファ内に移動される。このステップでは、表面に結合分子があるため、２つのプローブを区別する。残りの活性部位は、クエンチング剤の溶液で３列目でクエンチされる。第４のステップは、カーボンナノチューブの表面に吸収される非特異的結合をブロックするブロッキング剤の溶液をウェルプレートに含有させるブロッキングステップである。バッファ溶液の５列目で校正手順を実施する。列６には、標的検体分子を含有しており、これは結合分子に結合できるため、このステップでは関連データが取得される。最後に、プローブをバッファ溶液列７に移動させて、標的検体が非結合になり、解離データを取得できるようにする。上記の測定は、すべて摂氏２５度で行われた。図１１のデータは、捕捉分子としてタンパク質、クエンチング剤としてエタノールアミン、ブロッキング剤としてＴｗｅｅｎ−２０、検体としてＲａｂｂｉｔ  ＩｇＧを使用してこの方法を使用して生成された。
【００６８】
実施例ＩＶ
９６ウェルプレートのカラムＡおよびＢには、次の材料が装填されている。
【表２】
2020537131.tif 000004
浸漬および読み取りシステムは、最初に２つのバイオセンサを、バッファ溶液を含有する列Ａ（試料用）および列Ｂ（基準用）に移動する。インキュベーションの１０分後、両方のプローブは、結合分子の溶液を含有する２列目に移動する。残りの活性部位は、クエンチング剤の溶液で３列目でクエンチされる。第４のステップは、カーボンナノチューブの表面に吸着して非特異的な結合をブロックするブロッキング剤の溶液をウェルプレートに含有させるブロッキングステップである。バッファ溶液の５列目で校正手順を実施する。列６には、プローブＡの結合分子およびプローブＢのバッファに結合することができる標的検体の濃度を含有しているため、このステップでは会合データが取得される。他の実施形態では、標的検体分子の異なる濃度でより多くのプローブを使用することができるが、基準のために、溶液中に検体はない。最後に、プローブをバッファ溶液列７に移動して、標的検体が非結合になり、解離データを取得することができるようにする。測定は、摂氏２５度で行われる。
【００６９】
実施例Ｖ：実施形態
本開示の態様は、（ａ）基板の表面上に単層カーボンナノチューブを含む半導体性層を形成するステップと、（ｂ）単層カーボンナノチューブチャネルを接続するソース電極およびドレイン電極を形成するステップと、（ｃ）ソース電極の第２の部分、ドレイン電極の第２の部分、および単層カーボンナノチューブチャネルを露出したまま、ソース電極の第１の部分およびドレイン電極の第１の部分上に誘電体窓を形成するステップと、を含むバイオセンサデバイスの作製方法に関する。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える半導体性層は、連続的な浮遊蒸発自己組織化またはスピンコーティングによって形成される。一態様によれば、ステップ（ｂ）のソース電極およびドレイン電極は、半導体性層の表面にフォトレジストを堆積するステップと、フォトレジストの一部をフォトリソグラフィ的に除去して凹部を作製するステップと、凹部に金属を堆積させて、フォトレジストに接触するソース電極とドレイン電極を制作するステップと、フォトレジストを除去して、ソース電極およびドレイン電極を生成することよって形成される。一態様によると、ステップ（ｂ）のソース電極とドレイン電極を接続する単層カーボンナノチューブチャネルは、半導体性層間の一部の上にフォトレジストを堆積するステップと、ソース電極とドレイン電極を相互接続して、その後半導体部の露出部分を作製するステップと、半導体性層の露出部分を除去して、ソース電極とドレイン電極を接続する単層カーボンナノチューブチャネルを作製するステップと、によって形成される。一態様によれば、ソース電極およびドレイン電極は、基板の縁部まで延在するソース電極およびドレイン電極の一部を除去することにより変更され、基板の縁部まで延在するソース電極およびドレイン電極の一部を除去するステップは、単層カーボンナノチューブチャネルにフォトレジストを載置するステップと、基板の縁部まで延在するソース電極およびドレイン電極の部分を除去するステップと、により実行される。一態様によれば、単層カーボンナノチューブチャネルは、長さが０．１ミクロン〜５００ミクロンの間である。一態様によれば、単層カーボンナノチューブチャネルの単層カーボンナノチューブは、少なくとも９５％整列している。一態様によれば、単層カーボンナノチューブチャネルは、標的検体化合物と同種の捕捉部分を含むように官能化される。一態様によれば、単層カーボンナノチューブチャネルは、標的分析化合物に同族の捕捉部分を含むように共有結合的に官能化される。一態様によれば、単層カーボンナノチューブチャネルは、非共有結合的に官能化されて、標的検体化合物と同種の捕捉部分を含む。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える半導体性層は、堆積されたフォトレジストのフォトリソグラフィを改善するために表面処理される。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える半導体性層は、ポリメチルグルタルイミドで表面処理される。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを含む半導体性層は、堆積されたフォトレジストのフォトリソグラフィを改善するためにポリメチルグルタルイミドで表面処理される。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを含む半導体性層は、疎水性を減少させるために表面処理されている。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを含む半導体性層は、ピレン酪酸で表面処理される。一態様によれば、ステップ（ａ）の単層カーボンナノチューブを備える半導体性層は、ポリメチルグルタルイミドの堆積を改善するためにピレン酪酸で表面処理される。一態様によれば、ステップ（ｂ）の単層カーボンナノチューブチャネルを接続するソース電極およびドレイン電極の形成は、クロムまたはチタンの接着層を使用する。一態様によれば、対応するソースおよびドレイン電極を有する複数の半導体性単層カーボンナノチューブチャネルが基板上に形成される。一態様によれば、対応するソースおよびドレイン電極を有する複数の半導体性単層カーボンナノチューブチャネルが生体試料の多重分析のために、基板上にアレイ形式で形成される。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、プローブに取り付けられる。
【００７０】
本開示の態様は、（ａ）基板表面の半導体性単層カーボンナノチューブチャネルと、（ｂ）半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端を接続するソース電極およびドレイン電極と、を含むバイオセンサデバイスに関し、（ｃ）ソース電極およびドレイン電極は、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルにそこに接触する検体に応答して電流の変化を検出する様態で電気的に接続されている。一態様によれば、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルは、標的検体と同種の捕捉部分で官能化される。一態様によれば、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルは、複数の標的検体と同種の複数の捕捉部分で官能化される。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、プローブに取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、取り外し可能でプローブに取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、磁力を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、雄／雌相互接続を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、ＴＯヘッダに取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、プリント回路基板に取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、垂直形態でプローブに取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、水平形態でプローブに取り付けられる。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルに取り付けられた取り外し可能な保護層を含む。一態様によれば、取り外し可能な保護層が半導体性単層カーボンナノチューブチャネルに取り付けられ、取り外し可能な保護層は使用前に除去される。一態様によれば、取り外し可能な保護層は、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルに取り付けられ、取り外し可能な保護層は、使用前に除去される溶解可能な薄いフィルムである。一態様によれば、取り外し可能な保護層は、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルに取り付けられ、取り外し可能な保護層は、使用前に除去される機械的に接着された薄いフィルムである。
【００７１】
本開示の態様は、（ａ）基板表面の半導体性単層カーボンナノチューブチャネルと、（ｂ）半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端を接続するソース電極およびドレイン電極と、を含むバイオセンサデバイスを含み、（ｃ）ソース電極およびドレイン電極は、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルにそこに接触する検体に応じて電流の変化を検出する様態で電気的に接続され、各バイオセンサは、ウェルプレートのウェル内への挿入のためのプローブ上に位置決めされる。一態様によれば、複数のバイオセンサは、基板上に垂直に位置決めされる。一態様によれば、複数のバイオセンサは、基板上に水平に位置決めされる。一態様によれば、露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルのうちの少なくとも１つは、標的検体と同種の捕捉部分により官能化されている。一態様によれば、各バイオセンサは、基板に取り外し可能に取り付けられる。一態様によれば、各バイオセンサは、磁力を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられる。一態様によれば、各バイオセンサは、雄／雌相互接続を使用してプローブに取り外し可能に取り付けられる。一態様によれば、各バイオセンサは、ＴＯヘッダに取り付けられる。一態様によれば、各バイオセンサは、プリント回路基板に取り付けられている。
【００７２】
本開示の態様は、生体試料を（ａ）基板の表面上の露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルであって、標的検体と同族の捕捉部分で官能化されている、半導体性単層カーボンナノチューブチャネルと、（ｂ）露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルの両端を接続するソース電極およびドレイン電極と、を含むバイオセンサデバイスと接触させるステップを含む、生体試料中の標的検体を検出するステップであって、（ｃ）ソース電極およびドレイン電極は、接触する検体に応じて露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルを通る電流の変化を検出する様態で電気的に接続される、検出するステップと、露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルのコンダクタンスの変化を検出する様態で、標的検体と露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルとの間の相互作用を検出するステップと、を含む試料中の標的検体を検出する方法を含む。一態様によれば、バイオセンサデバイスは、抗体−抗体相互作用、タンパク質−タンパク質相互作用、タンパク質−ペプチド相互作用、配位子−配位子相互作用、核酸−核酸相互作用を検出する。一態様によれば、標的検体の結合および解離が検出される。一態様によれば、基準信号は、検体結合信号と比較される。一態様によれば、コンダクタンスは、露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルへの標的検体の結合と直接相関している。一態様によれば、生体試料は、ソース電極とゲイン電極との間のゲートとして作用する。一態様によれば、生体試料は、ソース電極とゲイン電極との間のゲートとして作用し、ゲート電圧シフトが、露出した半導体性単層カーボンナノチューブチャネルとの標的検体相互作用に直接相関する。
【００７３】
本開示の態様は、半導体性単層カーボンナノチューブ層でコーティングされたウェハ基板に関し、ウェハ基板は、加熱によりアニールされ、次いでピレン酪酸で表面処理される。
【００７４】
本開示から得られた知識を有する当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、これらおよび他の利点を達成するために開示された装置および方法に様々な変更を加えることができることを認識する。したがって、本明細書に記載の特徴は、修正、変更、変更、または置換の影響を受けやすいことを理解されたい。本明細書で例示および説明される特定の実施形態は、例示のみを目的としており、添付の特許請求の範囲に記載される本発明を限定するものではない。他の実施形態は、当業者には明らかであろう。前述の説明は明確にするためだけに提供され、単に例示的なものであることを理解されたい。本発明の精神および範囲は、上記の例に限定されず、特許請求の範囲に包含される。上記で引用したすべての出版物および特許出願は、あたかも各個々の出版物または特許出願が参照によりそのように組み込まれることが具体的かつ個別に示されるのと同程度に、あらゆる目的で参照により全体として組み込まれる。
【図１】
2020537131.tif 000005
【図２Ａ】
2020537131.tif 000006
【図２Ｂ】
2020537131.tif 000007
【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】
2020537131.tif 000013
【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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【図１８】
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【図１９】
2020537131.tif 000024
【図２０】
2020537131.tif 000025
【図２１】
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【図２２】
2020537131.tif 000027
【図２３】
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【図２４】
2020537131.tif 000029
【国際調査報告】
2020537131.tif 000030
2020537131.tif 000031
2020537131.tif 000032
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