CN1468316A - 纳米尺度传感器 - Google Patents

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Abstract

在本发明中，可以参与相互作用事件的有机、无机或其它分子或物体被与纳米尺度的物体物理地连接起来，所述纳米尺度的物体典型地但非限制性地为：碳纳米管，硅纳米管，纳米杆以及诸如微管和肌动蛋白丝这样的生物构件，用以构建一个用于报告微米尺度或更小尺度的分子相互作用事件的信号转换系统。分子相互作用事件利用安培计或者利用扫描隧道显微镜得到监测，从而当分子或物体参与一个分子相互作用事件或者其它相互作用事件时，通过对纳米管的物理特性中的变化或移动进行监测来报告相互作用事件的发生。

Description

纳米尺度传感器
优先权
本申请请求享有2000年10月10日提交的临时申请No.60/238,518和2001年10月9日提交的美国专利申请No.＿＿的优先权。临时申请No.60/238,518和美国非临时申请No.＿＿的发明公开内容被引用作为本申请的参考。
发明领域
本发明是一种检测纳米视界事件的装置及方法。具体来说，本发明是一种通过监测纳米级物体的相互作用事件效应而监测分子相互作用事件的方法，在所述纳米级物体上结合有参与该事件的一个或多个分子或者物体。
发明背景
检测以纳米尺度发生的事件并且在宏观世界中指示报告这些事件具有极大的实用性。这样的事件包括生物分子、抗体和抗原、酶之间的分子相互作用事件以及其它的化学和无机分子事件。一种检测纳米尺度事件的现有技术方法是通过利用平均现象中的变动实现的。这样的方法包括总体方法(population method)。但是，总体方法需要利用大量数目的分子并且只能报告出整个总体的平均特征。近来，已经发展起来的另一种方法允许对小的分子总体乃至对单一分子进行调查。在这些新发展起来的方法中有扫描探针显微术和高分辨率光学方法。
在扫描探针方法中，微米尺寸量级的探针用于询问载体上分子的形貌特征或其它特征。在一个变型中，可使化学的、生物分子的或改进的微粒附着在探针的顶端，并且当对表面或表面上的样品进行微粒扫描时可以进行极其微细的力的测量。通过这些力的测量，人们可以获悉附着在探针顶端的微粒何时会与表面或淀积在表面上的物体有相互作用。
上述研究方法存在的一个问题是，”报告者(reporter)”系统涉及的物体是微米空间尺度或更大的。与此相反，令人感兴趣的分子常常是纳米尺度或更小的；令人感兴趣的分子的活动也是在纳米尺度上发生的。即使应用先进的原子力显微镜(AFM)探针技术，对纳米尺度的分子相互作用事件进行检测也是很困难的。用于栓系分子的探针比其上栓系的分子或令人感兴趣的分子要大得多也重得多，这种情形使问题变得复杂起来。由于这两种分子和探针之间存在很大的尺寸差异，可能导致单一分子相互作用事件的灵敏度较低或者减低。因此就有这样一种需求，即，需要改进的检测微米与纳米尺度分子相互作用事件的装置及方法。
因此，存在这样一种需求，即，需要用于检测在纳米尺度上发生的分子相互作用事件的装置及方法。进一步的需求是，直接检测这些分子相互作用事件而毋需借助于总体平均。最后，存在这样一种需求，即，需要一种能够用作单一的生物分子相互作用事件的报告者的装置及方法。
发明简介
本发明描述了一种装置以及方法，它利用纳米管以及其它纳米尺度的物体构成报告者系统的一部分，以对微米尺度或更小尺度的分子以及其它物体的活动进行检测。这种新的装置及方法具有改进的对在纳米尺度上出现的分子以及分子活动的灵敏度和响应性。
在本发明中，可能参与分子相互作用事件的有机的、无机的、或其它物体被物理地连接到纳米尺度的物体，典型地，但非限制性地是，碳纳米管，硅纳米管，金属纳米棒，以及诸如微管和肌动蛋白丝这样的生物构件，以构建一个用于报告微米尺度或更小尺度的分子相互作用事件的信号转换系统。
在一个实施例中，第一纳米尺度物体被形成并被可操作地相对于第二纳米尺度物体进行定位，而第二纳米尺度物体的一端则拴系分子。第一纳米尺度物体的各端都连接有单独的微米尺寸的导电焊点。然后使电流流过第一纳米尺度物体并进行监测。当与第二纳米尺度物体结合的分子参与分子相互作用事件时，第二纳米尺度物体的物理性质改变，从而影响第一纳米尺度物体的电导率。在最简的情况下，由于第二纳米尺度物体比结合在它上面的分子尺寸小，所以第二纳米尺度物体可能发生物理位移，因此影响第一纳米尺度物体的电流或电阻。这种电流或电阻可被检测出来用以报告分子相互作用事件。可以理解，纳米尺度物体相互作用中的其它物理性质也可被测量出来。
在本发明的第二个实施例中，第一纳米尺度物体被形成在一个表面上，其一端拴系有分子而另一端拴系有导电焊点。扫描隧道显微镜被用来监测该纳米尺度物体的位置和电子学特性。当发生分子相互作用事件时，该纳米尺度物体的位置和电子学特性会有改变。而扫描隧道显微镜被用来对该纳米管的位置变化或电子学特性变化进行检测和报告。
本发明还包括一种纳米尺度传感器，其包括形成在一个表面上的第一纳米管，可操作地连接于第一纳米管的监测装置，形成在所述表面上并与第一纳米管具有可操作关系的第二纳米管，以及拴系在第二纳米管的第一端的至少一个分子，其中，当发生有该拴系分子参与的分子相互作用事件时，所述监测装置检测到该分子相互作用事件。
本发明的另一个实施例包括一种检测分子相互作用事件的方法，其包括：将第一纳米管可操作地耦合到第二纳米管，其中第一纳米管的第一端被可操作地耦合到第一导电焊点而其第二端被可操作地连接到第二导电焊点，并且其中第二纳米管的第一端被可操作地耦合到第三导电焊点而其第二端被可操作地与分子连接；施加电流通过第一与第二纳米管；以及利用安培计监测通过第一与第二纳米管的电流，其中当生物分子经历分子相互作用事件时，第一与第二纳米管的电导率变化由所述安培计检测出来。
此外另一种检测分子相互作用事件的方法包括：将分子拴系到纳米尺度物体的第一端，利用扫描隧道显微镜扫描纳米尺度物体，以及当分子经历分子相互作用事件时检测纳米尺度物体的移动。
本发明还包括一种用于检测分子相互作用事件的装置，其包括：可操作地连接于一个表面的第一纳米管，可操作地连接于所述表面且可操作地连接到第一纳米管的第二纳米管，拴系到第二纳米管第一端的分子，其中，当该分子参与分子相互作用事件时，它导致第一与第二纳米管的物理性质产生可测量的变化。
附图简介
图1是本发明的一个实施例的纳米管电路的原理示意图。
详细说明
在本发明应用中，可以用这样一种方式监测纳米尺度物体，其中，该物体的物理位置或其它物理性质的改变可被作为纳米尺度事件的表征而被识别出来。例如，碳纳米管可以像导线、开关、以及二极管一样传导电子。因此，其电阻就是一种用于表征分子相互作用事件出现的可监测的性质。本发明也可以使用其它的纳米尺度物体。这些纳米尺度物体包括硅纳米管、诸如微管和肌动蛋白丝这样的生物构件、以及纳米棒和纳米线。本发明将利用碳纳米管作为优选的纳米尺度物体。清楚限定的金属性质以及制作具有限定物理与化学属性的纳米棒的能力是人们可以理解知晓的，因此可以提供一种用于制造本发明所述纳米传感器的可替选的装置。另外，这种类型的系统更易于实现批量制造。因此，替换代入其它纳米尺度物体(诸如那些上面列述的)是本领域普通技术人员所能够实现的，但不会背离本发明的精神与范围。
以针状的单层或多层纳米尺寸管形式的C60富勒烯结构的合成是本领域公知的。这些扩展开的富勒烯管结构也称为碳纳米管，或薄壁碳纳米管。在结构上，碳纳米管是一些称为富勒烯的分子碳的构件。六角形的碳环相对于纳米管轴线的原子排列形式各不相同且通常是螺旋状的。纳米管由许多同轴的圆筒形的薄片(由一片至约50片)构成，薄片由六角形排列的碳原子组成。该管通常具有几个至几十个纳米的直径和达到几个微米之多的长度。这样的纳米管是本领域普通技术人员所公知的。
利用标准碳弧方法在实验数量上合成这些纳米管是已知的。纳米管的制作通常包括将两个水冷的由无定形碳制成的碳电极或者石墨棒以大约一毫米间距分开放置于真空室中，将该真空室抽真空至大约10-7托的气压，用诸如氦气、氮气、氩气的惰性气体或者氢气回填该真空室使气压达到约50至500托，而后在两个电极之间进行大电流电弧放电，同时持续调整两个电极以维持一毫米的电极间隙。结果是在负极上生长碳纳米管以及其它小的碳颗粒。在电极沉淀中产生的纳米管的数量取决于最佳生长条件能够维持多长时间。
由这种或其它的方式制成的探针可应用于许多实验。参见Wong，S.S.，E.Joselevich，A.T.Woolley，C.L.Cheung和C.M.Lieber的“在化学和生物学中作为纳米尺寸探针的共价功能化的纳米管”(CovalentlyFunctionalized Nanotubes as Nanometre-sized Probes in Chemistry andBiolog)，Nature，1998，p52-5；Wong，S.S.，A.T.Woolley，E.Joselevich，C.L.Cheung，和C.M.Lieber的“用于化学力显微术的共价功能化单壁碳纳米管探针尖端”(Covalently-functionalized Single-walled Carbon NanotubeProbe Tips for Chemicalforce Microscopy)，Joumal of the AmericanChemical Society，1998，p8557-8558；Wong，S.S.，A.T.Woolley，E.Joselevich，和C.M.Lieber的“使用尖端触发气体的碳纳米管AFM探针的功能化”(Functionalization of carbon nanotube AFM probes usingtipactivated gases)，Chemical Physics Letters，306，p.219；Dai，H.，E.W.Wong，和C.M.Lieber的“纳米材料中电运输的探测：单个碳纳米管的导电率”(Probing Electrical Transport in Nanomaterials：Conductivity ofIndividual Carbon Nanotubes)，Science，1996，p.523-526；Shoushan Fan，Michael Chapline，Nathan Franklin，Thomas Tombler，A.Cassell和HongjieDai的“碳纳米管的自定向规则阵列以及它们的功能器件”(Self-OrientedRegular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Functional Devices)，Science，283，512(1999)；Hyonsok T.Soh，Alberto Morpurgo，Jing Kong，Charles Marcus，Calvin Quate和Hongjie Dai的“集成纳米管电路：受控生长以及与单壁碳纳米管的欧姆接触”(Integrated Nanotube Circuits：Controlled Growth and Ohmic Contacts to Single-walled CarbonNanotubes)，Appl.Phys.Lett.，75，6951，(1999)；Hongjie Dai，Jing Kong，Chongwu Zhou，Nathan Franklin，Thomas Tombler，Alan Cassell，ShoushanFan和Michael Chapline，的“纳米管架构的受控化学方法，物理与设备”(Controlled Chemical Routes to Nanotube Archrtecture，Physics andDevices)，J.Phys.Chem B，1999，103 11246-11255(1999)；Martin，B.R.的“纳米杆，高级材料”(Nanobars，Advanced Materials)，11，p.1021(1999)；Cui，Y.等人的“用于生物和化学物质的高灵敏度和选择性检测的纳米线纳米传感器”(Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and SelectiveDetection of Biological and Chemical Species)，Science，293，p.1289(2001)；以及Martin，B.R.的“纳米杆，高级材料”(Nanobars，AdvancedMaterials)，11，1021(1999)。
在这些实验装置中，将约18V的直流电压施加到两个碳电极之间，两个碳电极位于充有大约500托氦气的室内。在相近间距的电极之间产生等离子体。随着正电极的消耗，碳逐渐积聚在负电极上并不断生长。当维持准确的电极间距时，淀积生长形成圆柱形结构，它具有坚硬的外壳和松软的内纤维芯。灰色外壳由碳纳米管和熔为硬块的其它碳纳米粒子组成。松软的黑色内芯包括游离的纳米管和以纤维形式存在的纳米颗粒，该纤维顺着电极之间的电流方向排列。已知的制造纳米管的其它方法还有例如在美国专利5,753,088和5,482,601中描述的那些。
本发明的装置及方法描述了一种利用碳纳米管将事件以宏观信号方式报告出来的装置及方法。首先将对本发明的装置及方法进行描述说明；然后再描述说明一些利用本发明装置及方法作为纳米尺度报告者的具体
实施例。
本发明装置的一个具体实施例包括第一碳纳米管10、第二碳纳米管12以及表面14。第一与第二碳纳米管10、12被可操作地连接并且被固定到表面14。第一碳纳米管10进一步包括可操作地与其一端相连的导电焊点16。导电焊点16也被可操作地连接到表面14。第二碳纳米管12可进一步包括与其第一端相连的导电焊点18以及栓系于其第二端的分子20。拴系到第二碳纳米管12的分子20是待研究的分子。
在本实施例中，导电焊点16、18由铂格栅制成并且连接到碳纳米管10、12。也可以使用其它导电焊点，例如微米尺寸的金导电微区(goldisland)。
本领域普通技术人员可以根据待检测的分子相互作用事件的特性来决定构造的纳米管的长度和尺寸大小。不同方法都考虑顾及了用可靠的电连接来接通单独的纳米管。例如，在supra，Nature，292，(1998)中披露的制造半导体单壁碳纳米管的方法中，该单壁碳纳米管就连接了两个诸如本发明实施例中铂电极那样的金属电极。另外，已经有资料披露显示，以这种方式生成的碳纳米管可以被集成为电子电路。参见supraJ.Phys.Chem B.1999，103 11246-11255(1999)。应用带有1-5微米宽的催化岛图案的基底汽相淀积形成的纳米管可用以在该基底上所期望位置处生成纳米管芯片。可以借助于原子力显微镜或扫描隧道显微镜确认纳米管的位置。应用不同的方法，例如，化学汽相淀积法可应用于在包括氧化硅基底的硅表面上生长单壁或多壁碳纳米管。
接下来，利用已知技术将分子20拴系到第二碳纳米管12的自由端。根据人们感兴趣的分子相互作用事件，可以决定第二碳纳米管12的复合端(complexed end)连接无机或有机分子20。在一个实施例中，通过将胺结合到悬吊的羧基上以实现对尖端的改造。在另一个实施例中，也可以应用先前已经说明的共价改造的纳米管尖端，参见Supra，Nature，395，1998年7月。在再一个可选择的实施例中，可以这样一种方式修饰羧基以便提供更进一步的复合。可以理解，分子20不一定必须拴系在第二纳米管12的端部，也可以拴系在沿着第二纳米管12整个长度的一个位置上。
本发明实施例还可进一步包括电源22。电源22可操作地连接到导电焊点16和导电焊点18，导电焊点16是连接在第一纳米管10上的，而导电焊点18连接在第二纳米管12上。电源22用于提供微小电压给第一与第二碳纳米管10、12。电源22可进一步包括控制装置，因此可以精密地监测和控制输送给纳米管10、12的电量。这些由纳米管接通构成的电路的特征还在于可测量电阻或电导。
本发明实施例还可进一步包括安培计24。安培计24可操作地连接到第一与第二碳纳米管10、12，用以监测其中的电流。可以测量纳安与皮安级电阻的安培计24是本领域普通技术人员所公知的。
由于纳米管10、12的电子特性，该形式的纳米管结构可以具有可借助于所用纳米管的化学细节(chemical details)来控制的各种电子属性。借助于导电焊点16、18和电源22，第一与第二纳米管10、12之间的相交部分(intersection)可以是导电焊点、整流通路、开关通路、乃至晶体管。在本实施例中，相交部分产生了供使用者监测用的导电焊点。纳米管触点(contact)的电子信号受到测量并且在酶活化之前被用作基线。当发生被拴系分子20参与的分子相互作用事件时，动态分子特性通过纳米管10、12被转换并被放大为宏观信号。例如，他们的物理方向的变化会导致电流流量变化且因此可以通过对该系统电阻的监测而测知变化。
当本发明被用作分子事件检测器时，连接到第二纳米管12的分子20被暴露于目标样品中。目标样品可包含有可能与拴系在第二纳米管12端部的分子20发生反应的物质。本发明企望存在这样一种分子，借助于所述可能发生的反应，它与所述拴系分子以一种可检测方式发生反应。该反应可以是能够在该系统中导致一些可报告的变化的任意分子相互作用事件。本发明实施例企望电导率改变并且可以通过安培计检测到该变化。本领域普通技术人员明白，本发明方法所教导的东西还可应用于范围广阔的选择系统中。
如前面提到的那样，当拴系在第二纳米管12端部的分子20经历分子相互作用事件时，该事件会导致第一纳米管10和第二纳米管12之间物理关系的改变。在本实施例中，通过监测经由位于第一与第二纳米管10、12端部的铂金焊点16、18测得的电压或电阻的变化来报告所述改变。由纳米管10、12的物理关系改变可导致这种电阻变化，而纳米管10、12的物理关系改变则是由分子相互作用事件导致的，即改变了电流途径的长度，由此改变了通过安培计24测得的电阻。换言之，由于每个纳米管10、12都经由导电焊点16、18而连接到宏观电路，测量流经两个纳米管10、12的电流变化被与分子活动的发生相关联起来。
纳米管的属性(例如但不局限于，运动、热导性、电阻、压缩率、延伸率等等)可以变化且在可选择的实施例中检测。纳米管属性变化会改变纳米管-纳米管接触的原有状态，由此将酶活性特性指示报告给宏观世界。本领域普通技术人员明白，在可选择的实施例中，可以监测第一与第二纳米管10、12的各种属性以便检测分子相互作用事件的发生。
在本发明一个可选择实施例中，可以只用一个纳米管来报告分子相互作用事件。所述一个纳米管形成在选定表面上且拴系有一个分子。将扫描隧道显微镜可操作地相对于该纳米管放置，以便监测该纳米管的位置或电子特性。当对纳米管端部拴系分子的分子相互作用发生时，扫描隧道显微镜就报告出该纳米管的位置变化，如此报告了分子相互作用事件的发生。
在本发明另一个可选择的实施例中，本发明可包括第一纳米管、第二纳米管、第一导电焊点和第二导电焊点，所述第一导电焊点与第一纳米管相连，所述第二导电焊点与第二纳米管相连。纳米管被可操作地彼此相对固定，并且一个分子被拴系到第二纳米管的端部。该实施例还包括电源和安培计，它们连接在焊点之间。在这个实施例中，电流通过连接在第一纳米管上的第一焊点，横跨到第二纳米管，而后通过第二纳米管流到第二焊点。可以理解，在这个实施例中拴系在第二纳米管端部的分子不会受到施加在该系统上的较小电流的影响。就像前述实施例一样，对该分子发生的分子相互作用事件会影响流经该系统的电流并且通过安培计被报告出来。
下面的实施例用于帮助理解本发明并且表示本发明的各种可选择应用。无论如何都不应将下面的实施例理解为对本发明的限定，本发明可以应用于化学传感、物质相互作用、以及其它的物理或电子的相互作用。例1：检测空气传播的粒子
空气传播粒子可能会影响接受者的行为以及通常的物理状态。由于空气传播粒子在动物或人体中即使数量极低也可导致对行为与生理反应的影响，因此人们非常希望能够检测空气传播粒子。这样的空气传播粒子可包括各种毒素、化学品、或者其它诸如信息素之类的试剂。
在一个例子中，信息素感受器被连接在第一纳米管上。第一纳米管的另一端被固定并且与第二纳米管近似垂直相交，所述第二纳米管的两端都连接有金电极。该例中进一步包括有电源和安培计，它们被可操作地连接到系统中。系统的稳态电子信号利用建立在两个金电极之间的传感电路而被产生。信息素被引入该纳米管结合的感受器附近的空气中。在与信息素结合的作用下，感受器产生结构变化，因而影响了所连接的第一纳米管的属性。通过检测第二纳米管电路中的变化来指示报告分子相互作用事件。在可选择的实施例中，通过使用本领域普通技术人员所公知的标准过滤技术(例如使用Kellman过滤器)，可使这种设备对瞬时事件敏感。
在可选择的实施例中，本发明可用于检测其它空气传播的病原体。例如，炭疽细菌是可以作为空气传播粒子传播的致命病原体。其它可检测的物质包括真菌孢子和病毒性病菌。
在这些可选择的实施例中，拴系在纳米管上的分子可包括aptamers。aptamers是用于与特定的生物分子或非生物分子表面和结构相结合的分子。可以利用本领域公知方法来制备用于相互作用和反应条件各不相同的aptamers。当aptamer与空气传播的病原体相互作用时，其结构将发生变化，该变化像上述示例那样经过转换并为纳米管连接电路检测到。
在另一个可选择的实施例中，本发明可用于光子检测。在这个例子中，光感受器被结合到基于纳米管的纳米传感器的端部。光子感受器可以基于生物学中种类广泛的各种光子传感器中的任意一种，包括眼睛中的光感受器，光化合成作用的第一个步骤中所用的光感受器，以及藻青菌(也称为蓝绿藻-这是一个使用不当的名称)中获取光能过程中所用的光感受器。可选择地，光感受器可以是天然的或是人造的，诸如光反应矿物(例如硅)那样的非生物物质。在这个例子中，在特定能级的光子之间的相互作用会导致光检测器中的结构变化，该变化通过纳米尺度传感器得到转换。在另一个可选实施例中，本发明类似地可被用作热传感器。由这些例子可以很清楚地认识到，可以围绕这里讲述的中心思路设计出种类广泛的各种相互作用的传感器。这些传感器包括但不局限于：粒子传感器、化学传感器、以及材料传感器。
应当认识到，在上述示例中，结合反应是发生在空气中的，并且执行检测是基于机械转换的结构变化而被感知的。在一个可选择的实施例中，可以根据直接受到结合相互作用的感应的纳米管的电子态的改变而感测事件。例如，传感器被构造成使纳米管如上所述地跨接两个金电极。诸如上述信息素感受器那样的传感实体被拴系到纳米管的中段。可以在已知的出现在纳米管中的缺陷部位处实现这种拴系。通过检测电路得到传感器的电子态。在与信息素配合基反应作用下，由于添加到该系统的新成分的电子特性与先前存在系统中的那些相合并，因此这种电子态将改变。然后借助于传感电路中的变化来监测这种状态改变。
至此，在所有描述过的示例中利用的系统都是在有一定湿度的空气中或在真空中进行操作的。但是，只要传感器电路不受液体环境侵害且能区别于液体环境，在溶液中完成类似反应也是可行的。众所周知，通过给探针部件覆盖隔离材料并且只让末端尖点露出到周围液体环境中，扫描隧道显微镜可以在溶液中工作。同样技术可以用于制造具有类似特性的纳米尺度传感器系统。例如，可以通过离子束溅射法将隔离材料涂覆到纳米尺度传感器，在除了该系统传感部分之外的其它所有地方都涂覆隔离材料。在这个情形下，该系统可以在溶液中工作，用于检测液体系统中的生物分子事件。下面内容包含了几个具体应用的例子。例2：检测酶活性
第一纳米管像上述内容那样被形成并与生物分子连接。第一碳纳米管的一端用酸处理以便在末端生成悬垂的-COOH基团。然后使该-COOH基团通过缩合作用与酶连接。在本发明方法的一个实施例中，碳化二亚胺试剂被用来对游离羧基与在酶上的伯胺的缩合起催化作用，由此释放出水分子并且在酶和纳米管之间形成共价连接。
接下来，酶会通过添加基底和所需辅助因素而被激活。当酶发挥其催化作用时，第一与第二纳米管的属性相应于该酶的催化功效而改变。
在一个实施例中，在分子相互作用事件期间连接的酶的运动会导致由纳米管构成的电路的电阻改变。在一个实施例中，当分子相互作用事件改变了第一与第二纳米管的相对位置时，该电路路径长度也改变了。借助于当第二纳米管滑动、移动或以任意方式与第一纳米管作用时经第二纳米管转移的电子，就可测量电阻的变化。在另一个可选择的实施例中，当发生分子相互作用事件时可以检测这两个纳米管的其它物理特性以及相互关系的变化。
在一个可选择实施例中，可将诸如电子门这样的结构用于构造交叉的纳米管，从而制造出晶体管开关。
在本例中得出的主要信息是，酶是否为活动的并且是否经受分子相互作用事件。这个信息具有极大的实用价值，例如该酶仅在有或没有某些试剂出现时具有活性。一个例子是传感检测对化学反应起催化作用的金属离子。另一个例子是传感检测特定类型的酶基底，其存在或者不存在是对特定条件的诊断。本发明对所有这些特定用途都有用。
在另一个可选的实施例中，当酶是DNA聚合酶时，通过分子形状或其它特性的变化可以检测得知特定核酸的存在。仅当互补的DNA引物(primer)分子结合到目标DNA分子从而形成适当的被酶作用物(聚合酶对其起作用)时，酶才变得有活性，借此可以检测核酸。
在本发明的再一个具体实施例中，可以检测一个蛋白质与另一个的结合。当将抗体构造到一个纳米管传感器上时，抗体与抗原的结合会导致抗体结构的改变。这种结构改变可像前面所述方式的那样被转换为电信号。
本发明具体实施例的一个优点在于，纳米管传感器可具有与酶相近的尺寸。纳米管与酶尺寸相近意味着酶的活性对纳米管特性具有很大作用影响。与之相反，例如，传统的AFM探针，其质量数千倍于连接到它顶尖上的单个酶分子。这种尺寸的差异导致灵敏度的低下。例3：检测DNA排序
在这个具体实施例中，纳米管结(junction)被制造出来，其中DNA聚合酶被拴系到第二纳米管的一端。在本发明实施例中，DNA酶作用物和互补的引物被加入到系统中。当该基底和引物被结合到一起并且被结合到该拴系的DNA聚合酶时，该酶预备好即将开始工作。包含合适的缓冲剂以及催化剂的三磷酸核苷前体被加入用以激活酶的活性。当该酶使核苷酸加到引物分子上时，由于酶耗费能量，所以它将产生信号以对纳米管结中第一与第二纳米管之间电流的信号产生影响，且该信号通过安培计得到检测。产生的信号可以是机械的、热的、或者其它一些能量形式。在本发明实施例中，这些信号相应于通过将核苷酸加入引物而合成的DNA的序列。
为使聚合酶变得具有活性，就需要使DNA酶作用物含有目标DNA段与引物段。引物段给出一个3′-OH基团，在复制目标段过程中聚合酶开始将核苷酸加到该基团上。已知当DNA聚合酶用于使互补的核苷酸加入到DNA增长段中时，每一核苷酸类型的立体化学特性以及能量需求都有些不同。由这些不同设定了组合有A、C、G、或T(在RNA中为U)的核苷酸的离散指示。这种信息被本发明描述的纳米传感器进行转换，由此可以直接得知通过纳米传感器聚合酶组件合成的分子的DNA序列。本实施例可被应用于DNA和RNA分子。因此，本发明实施例可使使用者分析该生成信号以便直接推断出生成的DNA或RNA序列。这样一种发明的应用性和优点是显而易见的。
在一个可选择的实施例中，可以利用在同一表面上形成的大量的纳米尺度传感器来实施上述方法。每个生物传感器的空间尺寸都约为2μ×2μ，因此可以在一个固态基底或1cm2的“基片”上存在数百万个生物传感器。应用这样一种方法及装置，就可以同时测定多个DNA片段的序列。此外，由于DNA聚合酶的反应速率可高达每分钟20-40个核苷酸或更多，因此测序速率非常快且效率高。
本发明描述的信息内容以及示例都是解释说明性的，且并不意味着将在本发明精神范畴内的导出物或可选择性方法排斥在外。可以预见到，将各种导出物用于本发明实施例并不会导致其背离本发明的保护范围。因此，本发明保护范围期望由附加的权利要求书限定而不是由前面的本发明实施例描述来限定。
本申请中引用的所有文献都通过参考方式而被整体引入到本申请中。

Claims (21)

1.一种传感器包括：
形成在一个表面上的第一纳米尺度物体；
形成在所述表面上并与所述第一纳米尺度物体具有可操作关系的第二纳米尺度物体；
可操作地连接到所述第一纳米尺度物体和所述第二纳米尺度物体的监测装置；以及
拴系在所述第二纳米尺度物体的第一端的至少一个分子，其中当发生有所述拴系分子参与的分子相互作用事件时，分子相互作用事件通过所述监测装置得到检测。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括：
连接到所述第一纳米尺度物体的第一端的第一导电焊点；以及
连接到所述第二纳米尺度物体的第二端的第二导电焊点。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括可操作地连接到所述第一与所述第二导电焊点的电源，所述电源通过所述第一与所述第二导电焊点使电流流经所述第一纳米尺度物体和所述第二纳米尺度物体，并且电流在所述第一与第二导电焊点处受到所述监测装置的检测。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监测装置是安培计，该安培计测量电流流经所述第一纳米尺度物体和所述第二纳米尺度物体的电阻，并且检测其变化。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表面由硅形成。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述表面还包括一层二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，拴系在所述第二纳米尺度物体端部的分子是生物分子。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述生物分子是酶。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述酶是DNA聚合酶。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，拴系在所述第二纳米尺度物体端部的分子是无机分子。
11.一种检测分子相互作用事件的方法，其包括：
将第一纳米管可操作地耦合到第二纳米管，其中，第一纳米管的第一端被可操作地耦合到第一导电焊点，并且第二纳米管的第二端被可操作地耦合到第二导电焊点；
施加通过第一纳米管的电流；以及
利用安培计监测通过第一米管的电流，其中，当该生物分子经历分子相互作用事件时会影响第一纳米管的电导率，电导率的变化由安培计检测。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述分子是生物分子。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将生物分子可操作地连接到第二纳米管还包括执行在羧基与伯胺之间执行缩合反应。
14.一种检测分子相互作用事件的方法，其包括：
将分子拴系到纳米尺度物体的第一端；
利用扫描隧道显微镜扫描所述纳米尺度物体；以及
当所述分子经历分子相互作用事件时检测所述纳米尺度物体的运动。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，对所述纳米尺度物体运动的检测是通过检测所述纳米尺度物体相对于扫描隧道显微镜探针的位置变化而实现的。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述分子是生物分子。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述生物分子是酶。
18.一种用于检测分子相互作用事件的装置，其包括：
可操作地连接于一个表面的第一纳米管；
可操作地连接于所述表面并可操作地连接到所述第一纳米管的第二纳米管；
拴系到所述第二纳米管的第一端的分子，其中，当该分子参与分子相互作用事件时，其导致所述第一与所述第二纳米管的物理性质产生可测量的变化。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于进一步包括：
可操作地相对于第一与第二纳米管放置的监测装置，其中，当分子相互作用事件恰好发生时，所述第一纳米管和所述第二纳米管的物理属性的变化由所述监测装置检测。
20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述监测装置是安培计。
21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述监测装置是扫描隧道显微镜探针。
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