DE102007014880B4 - Kohlenstoffnanoröhrchenkette und Herstellungsverfahren, Zieldetektor und Zieldetektionsverfahren - Google Patents

Abstract

Eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette, die enthält: einen Träger; und eine Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen, die mit einem Ende an eine Oberfläche des Trägers gebunden sind; wobei die Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Trägers ausgerichtet ist und die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Reihe angeordnet sind, und der Träger ein linearer Gegenstand ist und aus Kohlenstoff gemacht ist.

Description

• QUERVERWEIS AUF DAMIT IN VERBINDUNG STEHENDE ANMELDUNGEN
• Diese Anmeldung basiert auf und nimmt die Vorteile der Priorität der früheren, am 31. März 2006 angemeldeten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-100656 in Anspruch, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme inkorporiert wird.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Bereich der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen besteht, ein Herstellungsverfahren für die Kohlenstoffnanoröhrchenkette, einen Zieldetektor, der die Kohlenstoffnanoröhrchenkette verwendet, und ein Zieldetektionsverfahren, das den Zieldetektor verwendet.
• Beschreibung des Stands der Technik
• Kohlenstoffnanoröhrchen (können nachfolgend als ”CNT” bezeichnet sein) wurden als neue Materialien auf verschiedenen Feldern verwendet, einschließlich der Elektronik- und Elektroindustrie, und wurden zum Beispiel durch Bogenentladung, Laserverdampfung, thermisch-chemische Dampfabscheidung (thermische CVD) oder chemische Plasmadampfabscheidung (Plasma-CVD) hergestellt. Durch diese Verfahren hergestellte bekannte Kohlenstoffnanoröhrchen werden allgemein in einschichtige Kohlenstoffnanoröhrchen (einwandiges Nanoröhrchen; SWNT), die eine einzelne Graphenschicht enthalten, und mehrschichtige Kohlenstoffnanoröhrchen (mehrwandiges Nanoröhrchen; MWNT), die eine Mehrzahl an Graphenschichten enthalten, eingeteilt.
• Exzellente physikalische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen haben diese für praktische Verwendung in verschiedenen Anwendungen geeignet gemacht, einschließlich Mikrovorrichtungen, wie zum Beispiel integrierte Schaltungen, elektrische Verbindungen, die in Halbleiterchips in Computern verwendet werden, Batterien, Hochfrequenzantennen, Rastertunnelmikroskope, Rasterkraftmikroskope und Rastersondenmikroskope. Darüber hinaus gibt es eine Erwartung dahin, dass Kohlenstoffnanaröhrchen ihre Anwendung auf vielen anderen Feldern finden werden. Wenn mehrere Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden sollen, insbesondere in der Nanotechnologie, bei der hohe Auflösung, hohe Genauigkeit, etc. erforderlich sind, ist es erwünscht, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen für eine Verwendung regelmäßig voneinander beabstandet sind.
• Durch Bogenentladung oder dergleichen hergestellte Kohlenstoffnanoröhrchen weisen jedoch keine gleichmäßige Länge, Dicke, etc. auf, und werden als diskrete feine Teilchen hergestellt; daher ist es schwierig, eine gegebene Anzahl der Kohlenstoffnanoröhrchen zu nehmen, und sie in gleichmäßigen Intervallen anzuordnen.
• Um diese Schwierigkeit zu überwinden wurde ein Verfahren zum Herstellen einer kohlenstoffhaltigen Nanostruktur vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Schritte des Wachsens von Kohlenstoffnanofasern durch Dampfphasenkarbonisation in anodisierten, als eine Form verwendeten Aluminiumoxid-Nanolöchern (Tonerde-Nanolöchern), Entfernen von auf der Oberfläche der Aluminiumoxidschicht abgeschiedenem Kohlenstoff, und Weglösen der anodisierten Aluminiumoxid-Nanolöcher (Tonerde-Nanolöcher) einschließt (siehe offengelegte Japanische Patentanmeldung JP 2004-243 477 A . Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass sowohl eine präzise Steuerung der Größe der Nanolöcher bei der anodischen Behandlung als auch der Größe der in den Nanolöchern hergestellten Kohlenstoffnanoröhrchen ermöglicht wird. Die hergestellten anodisierten Aluminiumoxid-Nanolöcher (Tonerde-Nanolöcher) sind jedoch zweidimensional mit hexagonal dichtest gepackten Strukturen und dergleichen angeordnet, und daher ist die resultierende kohlenstoffhaltige Nanostruktur ein zweidimensionales Aggregat von Kohlenstoffnanoröhrchen. Aus diesem Grund kann dieses Verfahren keine Kohlenstoffnanoröhrchen zur Verfügung stellen, die z.B. in einer Reihe regelmäßig angeordnet sind. Zum technologischen Hintergrund der Erfindung werden die folgenden Druckschriften genannt:
• Anyuan Cao et al.: ”Multifunctional brushes made from carbon nanotubes”, Nature Materials 4, pp. 540–545 (2005)
• A. Cao, G. Meng, P. M. Ajayan: ”Nanobelt-Templated Growth of Carbon Nanotube Rows”, Adv. Mater. 16, pp. 40–44 (2004)
• EP 1 830 431 A1 (ältere Anmeldung)
• US 2002/0 172 963 A1
• US 2005/0 112 450 A1
• DE 100 06 964 C2
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen herkömmlichen Probleme zu überwinden und die nachfolgend beschriebene Aufgabe zu lösen. Das heißt, es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette zur Verfügung zu stellen, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer Länge von 1 μm oder kleiner besteht, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette in geeigneter Weise zum Beispiel als ein Zieldetektor oder Sensor verwendet wird; ein effizientes Herstellungsverfahren für die Kohlenstoffnanoröhrchenkette; einen Zieldetektor, der durch Verwenden der Kohlenstoffnanoröhrchenkette zu hoch empfindlichem Nachweis und zur qualitativen und quantitativen Analyse von verschiedenen Typen von Zielen in der Lage ist, einschließlich Krankheit verursachenden Substanzen, biologischen Substanzen und toxischen Substanzen, und der in geeigneter Weise als ein Biosensor und Gassensor verwendet werden kann; und ein Zieldetektionsverfahren, das zu einer leichten, hoch empfindlichen Detektion von Zielen unter Verwenden des Zieldetektors in der Lage ist.
• KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Mittel zum Lösen der obigen Probleme sind in den beigefügten Ansprüchen genannt. Das bedeutet, die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette schließt einen Träger und eine Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen ein, die an einem Ende an eine Oberfläche des Trägers gebunden sind, wobei die Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Trägers ausgerichtet ist und die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Reihe angeordnet sind, und der Träger ein linearer Gegenstand ist und aus Kohlenstoff gemacht ist. Wie oben beschrieben ist, sind die Kohlenstoffnanoröhrchen an einem Ende auf eine solche Weise an den Träger gebunden, dass sie in einer im Wesentlichen orthogonalen Richtung zu der Oberfläche des Trägers ausgerichtet sind. Aus diesem Grund führt dies, wenn der Träger ein blattförmiger Gegenstand, ein bandförmiger Gegenstand oder ein linearer Gegenstand ist, zu der Ausbildung einer blattförmigen Kohlenstoffnanoröhrchenkette, einer bandförmigen Kohlenstoffnanoröhrchenkette bzw. einer linearen Kohlenstoffnanoröhrchenkette. Da die Kohlenstoffnanoröhrchenkette eine Adsorptionsfähigkeit und Freigabefähigkeit aufweist, ist sie darüber hinaus zur Detektion von verschiedenen Typen von Zielen in der Lage, einschließlich Krankheit verursachenden Substanzen, biologischen Substanzen und toxischen Substanzen, und vermag in geeigneter Weise auf verschiedenen Feldern, einschließlich Sensoren, wie zum Beispiel Zieldetektoren, Biosensoren und Gassensoren angewandt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette ist auf die Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette gerichtet, wobei das Verfahren Ausbilden von Vertiefungen in einer metallischen Schicht und Durchführen einer Behandlung zur Nanolochausbildung einschließt, um eine Nanolochstruktur auszubilden, in der eine Reihe von Nanolöchern in jeder der Vertiefungen ausgebildet wird, wobei die Nanolöcher in einer Richtung, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche der metallischen Schicht ist, ausgerichtet sind (Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur); Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens in jedem der Nanolöcher (Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanaröhrchens); Entfernen von auf Oberflächen von Lands der metallischen Schicht zwischen den Vertiefungen abgeschiedenem Kohlenstoff (Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff); und Weglösen der metallischen Schicht (Schritt zum Lösen der metallischen Schicht).
• In dem Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Vertiefungen in einer metallischen Schicht ausgebildet, gefolgt von Behandlung zur Nanolochausbildung bei der metallischen Schicht. Auf diese Weise wird eine Nanolochstruktur erhalten, in der Reihen von Nanolöchern in den Vertiefungen ausgebildet werden, die in einer im Wesentlichen orthogonalen Richtung zu der Oberfläche der metallischen Schicht ausgerichtet sind. In dem Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens werden Kohlenstoffnanoröhrchen in den Nanolöchern ausgebildet. In dem Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff wird Kohlenstoff entfernt, der in dem Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens auf Oberflächen von Lands der metallischen Schicht zwischen den Vertiefungen abgeschieden wurde. In dem Schritt zum Lösen der metallischen Schicht wird die metallische Schicht weggelöst. Durch diese Schritte wird die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette effizient hergestellt.
• Der erfindungsgemäße Zieldetektor schließt die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette und einen Halter ein, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette einen Einfangabschnitt einschließt, der ein Detektionsziel einzufangen vermag. Da die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette in dem Zieldetektor solch einen Einfangabschnitt einschließt, können verschiedene Typen von Detektionszielen durch den Einfangabschnitt eingefangen werden. Da die Kohlenstoffnanoröhrchenkette an den Halter immobilisiert ist, kann der Zieldetektor darüber hinaus per Hand bedient werden. Wenn zwei oder mehr der Kohlenstoffnanoröhrchenketten an den Halter immobilisiert sind ist es möglich, jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette unterschiedliche Funktionen zu verleihen, und weiter verschiedenen Sätzen von Kohlenstoffnanoröhrchen in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette unterschiedliche Funktionen zu verleihen. Folglich ist der erfindungsgemäße Zieldetektor zu hoch empfindlicher Detektion und qualitativer und quantitativer Analyse von verschiedenen Typen Von Zielen in der Lage, einschließlich Krankheit verursachenden Substanzen, biologischen Substanzen und toxischen Substanzen, und kann in geeigneter Weise auf verschiedenen Feldern verwendet werden, einschließlich Sensoren, einschließlich solchen wie zum Beispiel Biosensoren und Gassensoren.
• Das erfindungsgemäße Zieldetektionsverfahren schließt Veranlassen des erfindungsgemäßen Zieldetektors ein, auf eine Probe einzuwirken, die ein Detektionsziel enthält. Da das erfindungsgemäße Zieldetektionsverfahren das Verwenden des erfindungsgemäßen Zieldetektors umfasst, der die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette einschließt, wirken verschiedene Typen von Detektionszielen auf die Kohlenstoffnanoröhrchen ein. Folglich kann das Detektionsziel in der Probe mit hoher Empfindlichkeit und Leichtigkeit nachgewiesen werden. Wenn der Zieldetektor zwei oder mehr der Kohlenstoffnanoröhrchenketten aufweist ist es möglich, jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette verschiedene Funktionen zu verleihen, und weiter verschiedenen Sätzen von Kohlenstoffnanoröhrchen in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette verschiedene Funktionen zu verleihen. Folglich können verschiedene Detektionsziele auf die Kohlenstoffnanoröhrchenketten oder Kohlenstoffnanoröhrchen einwirken, wodurch simultane Analyse von mehreren Detektionszielen ermöglicht wird.
• KURZE BESCHREIBUNG VON DEN VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
• 1A ist ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, bevor Reihen von Nanolöchern ausgebildet werden, die in regelmäßigen Intervallen in der Weite variieren.
• 1B ist ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, nachdem Reihen von Nanolöchern ausgebildet worden sind, die in regelmäßigen Intervallen in der Weite variieren.
• 2A ist ein Bild, das ein Beispiel einer Oberfläche einer Aluminiumschicht zeigt, die eine eingeprägte Struktur- einer Form enthält.
• 2B ist ein Bild, das ein Beispiel von Nanolöcherreihen zeigt, die durch anodische Behandlung der in 2A gezeigten Aluminiumschicht ausgebildet sind.
• 3A ist die Ansicht eines ersten Schritts zum Erläutern eines Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette.
• 3B ist die Ansicht eines zweiten Schritts zum Erläutern eines Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette.
• 3C ist die Ansicht eines dritten Schritts zum Erläutern eines Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette.
• 3D ist die Ansicht eines vierten Schritts zum Erläutern eines Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette.
• 3F ist die Ansicht eines fünften Schritts zum Erläutern eines Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette.
• 3F ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette zeigt.
• 4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des Schritts zum Entfernen von dem Kohlenstoff in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette zeigt.
• 5 ist ein Bild, das ein Beispiel der Anordnung von Nanolöchern zeigt, die über die Oberfläche der anodisierten, metallischen Schicht ausgebildet ist.
• 6 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des erfindungsgemäßen Zieldetektors zeigt.
• 7A ist ein erstes schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Versuchstechnik zum Beurteilen der Adsorptionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Zieldetektors zeigt.
• 7B ist ein zweites schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Versuchstechnik zum Beurteilen der Adsorptionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Zieldetektors zeigt.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• (Kohlenstoffnanoröhrchenkette und Herstellungsverfahren dafür)
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette schließt einen Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur, einen Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens, einen Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff, und einen Schritt zum Lösen der metallischen Schicht ein, und schließt, sofern notwendig, weiter zusätzliche(n) Schritt(e) ein, die in geeigneter Weise ausgewählt sind.
• Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette kann in geeigneter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette hergestellt werden. Nachfolgend werden die Details der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt.
• <Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur>
• Der Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur ist ein Schritt, bei dem Vertiefungen in einer metallischen Schicht ausgebildet werden, gefolgt von einer Behandlung zur Nanolochausbildung, um Reihen von Nanolöchern in den Vertiefungen auszubilden, die in einer im Wesentlichen orthogonalen Richtung zu der Oberfläche der metallischen Schicht ausgerichtet sind, um dadurch eine Nanolochstruktur auszubilden.
• Das Material, die Form, die Größe, etc. der metallischen Schicht sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein. Es kann jedes Material verwendet werden, so lange es in der Lage ist, Nanolöcher auszubilden, wenn es der Behandlung zur Nanolochausbildung unterzogen wird; Beispiele schließen elementare Metalle, ihre Oxide, ihre Nitride und ihre Legierungen ein, und von diesen sind Tonerde (Aluminiumoxid) und Aluminium bevorzugt.
• Die metallische Schicht kann auf einem Substrat ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Substrat aus jedem geeigneten Material gemacht sein und kann entsprechend dem beabsichtigten Zweck jede geeignete Form, Struktur und Größe aufweisen. Beispiele der Materialien schließen ein Metalle, Glas, Silicium, Quarz und SiO₂/Si, das erhalten wird durch Ausbilden eines thermisch oxidierten Films auf der Oberfläche von Silicium. Diese Materialien können allein oder in Kombination verwendet werden. Von diesen sind im Hinblick auf die Tatsache, dass sie bei anodischer Behandlung für Nanolöcher als eine Elektrode verwendet werden können, Metalle bevorzugt. Es ist zu beachten, dass das Substrat wie erforderlich gebrauchsfertig erworben oder hergestellt werden kann.
• Wenn Nanolöcher durch anodische Behandlung herzustellen sind, kann eine Elektrodenschicht zwischen dem Substrat und der metallischen Schicht angeordnet sein.
• Das Material für die Elektrodenschicht kann entsprechend dem beabsichtigen Zweck jedes geeignete Material sein; Beispiel schließen Nb, Ta, Ti, W, Cr, Co, Pt, Cu, Ir, Rh und ihre Legierungen ein. Diese Elemente oder Legierungen können allein oder in Kombination verwendet werden. Die Elektrodenschicht kann entsprechend jedem geeigneten Verfahren ausgebildet werden, wie zum Beispiel Dampfabscheidung oder Sputtern.
• Die Dicke der metallischen Schicht ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein. Die Dicke der metallischen Schicht entspricht direkt der Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen, und daher weist die metallische Schicht zu dem Zweck des Erhaltens von Kohlenstoffnanoröhrchen, die eine Länge von 1 μm oder weniger aufweisen, bevorzugt eine Dicke von 1 μm oder weniger auf. Die Dicke der metallischen Schicht kann gleich der erwünschten Länge der herzustellenden Kohlenstoffnanoröhrchen gemacht werden. Somit kann die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen in der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette leicht durch Einstellen der Dicke der metallischen Schicht gesteuert werden. Dies ist insoweit vorteilhaft als es möglich ist, die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen zu egalisieren und gleichmäßige Qualität und physikalische Eigenschaften zu erzielen.
• Die metallische Schicht kann gemäß jedem bekannten geeigneten Verfahren ausgebildet werden, wie zum Beispiel Dampfabscheidung oder Sputtern. Insbesondere ist Sputtern bevorzugt, da es genaue und leichte Steuerung der Dicke der metallischen Schicht ermöglicht.
• Die metallische Schicht kann in geeigneter Weise durch Sputtern eines Sputtertargets ausgebildet werden, das aus dem gleichen Metall gemacht ist, wie die abzuscheidende metallische Schicht. Das Sputtertarget kann jede geeignete Reinheit entsprechend dem beabsichtigten Zweck aufweisen, weist bevorzugt aber eine hohe Reinheit auf. Wenn die metallische Schicht aus Aluminium gemacht ist, beträgt die Reinheit von Aluminium in dem Sputtertarget bevorzugt 99,990% oder höher.
• Vor anodischer Behandlung der metallischen Schicht ist es notwendig, Reihen von Konkaven (Vertiefungen) darin auszubilden, wo die Nanolöcher auszubilden sind. Die Verwendung von anodischer Behandlung für die Ausbildung von Nanolöchern ist vorteilhaft, da die Nanolöcher effizient ausschließlich in den Vertiefungen ausgebildet werden können.
• Der Querschnitt der Vertiefung, eine Oberfläche der Vertiefung, die durch Schneiden der Vertiefung entlang ihrer Weite erhalten wird, ist nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel kann der Querschnitt rechtwinkelig, V-förmig oder halbkreisförmig sein.
• Das Verfahren zum Ausbilden von Vertiefungen ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein; Beispiele sind: (1) ein Verfahren, bei dem eine Form mit einer Struktur von regelmäßig beabstandeten Reihen von Lands auf ihrer Oberfläche auf eine metallische Schicht eingeprägt (übertragen) wird (z. B. eine Aluminiumoxid- oder Aluminiumschicht), um dadurch darauf eine Linien-und-Abstands-Struktur auszubilden, die Reihen von alternierenden Vertiefungen und Abständen (Lands) auszubilden, die in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind; (2) ein Verfahren, bei dem eine Harzschicht oder eine Photoresistschicht auf einer metallischen Schicht ausgebildet wird, durch normale Photolithographie strukturiert und durch unter Verwendung einer Form geprägt wird, und zum Ausbilden von Reihen von Vertiefungen in der Oberfläche der metallischen Schicht geätzt wird; und (3) ein Verfahren, bei dem Vertiefungen direkt in der metallischen Schicht ausgebildet werden.
• Durch Ändern der Weite der Reihen von Lands in der Form, der Weite der Vertiefungen in den Photoresistschichten, etc., bei spezifischen Intervallen (bei regelmäßigen Intervallen) entlang ihrer Länge ist es möglich, die Breite der Nanolochreihen bei regelmäßigen Intervallen entlang ihrer Länge entsprechend zu ändern (zu erweitern und zu verengen), wodurch die Intervalle zwischen benachbarten Nanolöchern in vorteilhafter Weise in Synchronisierung mit der konstanten Veränderung der Vertiefungsweite gleich gemacht werden können.
• Die Form kann entsprechend dem beabsichtigten Zweck jede geeignete sein, ist aber im Hinblick auf die Tatsache, dass diese Filme sehr umfangreich als die Materialien für das Herstellen von feinen Strukturen in dem Bereich der Halbleiter verwendet werden, bevorzugt aus Silicium, Siliciumdioxid oder einer Kombination daraus gemacht; des Weiteren können zum Beispiel ein Siliciumcarbidsubstrat und ein Ni-Stempel, der im Allgemeinen bei dem Formen von optischen Platten verwendet wird, im Hinblick auf ihre große Haltbarkeit bei kontinuierlicher Verwendung verwendet werden. Die Form kann mehrere Male verwendet werden. Das Verfahren zum Prägen ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise aus jenen im Stand der Technik bekannten ausgewählt sein. Beispiele des Resistmaterials für die Photoresistschicht schließen nicht nur Photoresistmaterialien ein, sondern auch Elektronenstrahl-Resistmaterialien. Das hier verwendete Photoresistmaterial kann von allen geeigneten Materialien ausgewählt sein, die zum Beispiel in dem Bereich der Halbleiter bekannt sind; Beispiele sind Materialien, bei denen nahes Ultraviolettlicht und Nahfeldlicht angewandt werden kann.
• Die Behandlung zum Ausbilden der Nanolöcher ist nicht besonders beschränkt solange sie Nanolöcher in der metallischen Schicht auszubilden vermag, und kann in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck in geeigneter Weise zum Beispiel ausgewählt sein aus anodischer Behandlung, Ätzen, etc.
• Von diesen ist anodische Behandlung besonders bevorzugt, da es in der Lage ist, eine Anzahl an Nanolöchern in der metallischen Schicht auszubilden, die bei im Wesentlichen gleichmäßigen Intervallen angeordnet sind, während sie bewirkt, dass die Nanolöcher in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Substrats ausgerichtet sind.
• Anodische Behandlung kann mit jeder geeigneten Spannung ausgeführt werden, aber bevorzugt mit einer solchen Spannung, die die folgende Gleichung erfüllt: V = I/A, wobei V die Spannung bei der anodischen Behandlung ist; I ist das Intervall (nm) zwischen benachbarten Nanolöchern; und A ist eine Konstante (nm/V) = ~2,5.
• Wenn die anodische Behandlung bei einer Spannung ausgeführt wird, die die obige Gleichung erfüllt, sind die resultierenden Nanolöcher in vorteilhafter Weise in den Reihen der Vertiefungen angeordnet.
• Der Typ, die Konzentration und Temperatur eines Elektrolyten und die Zeitdauer der anodischen Behandlung sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise entsprechend der Anzahl, Größe und dem Seitenverhältnis der auszubildenden Nanolöcher eingestellt sein. Zum Beispiel ist der Elektrolyt bevorzugt eine verdünnte Phosphorsäurelösung, wenn das Intervall (Abstand) der benachbarten Reihen von Nanolöchern im Bereich von 150 nm bis 500 nm liegt; er ist bevorzugt eine verdünnte Oxalsäurelösung, wenn das Intervall im Bereich von 80 nm bis 200 nm liegt; und er ist bevorzugt eine verdünnte Schwefelsäurelösung, wenn der Abstand im Bereich von 10 nm bis 150 nm liegt. In jedem Fall kann das Seitenverhältnis der Nanolöcher durch Eintauchen der anodisierten metallischen Schicht zum Beispiel in eine Phosphorsäurelösung gefolgt von anodischer Behandlung zum Vergrößern des Durchmessers der Nanolöcher (Aluminiumoxidporen) gesteuert werden.
• Wenn der Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur durch anodische Behandlung durchgeführt wird, kann es zu der unerwünschten Ausbildung einer Sperrschicht beim Boden eines jeden der mehreren Nanolöcher kommen, die in der metallischen Schicht ausgebildet werden, aber die Sperrschicht kann leicht durch konventionelles Ätzen unter Verwenden eines herkömmlichen Ätzmittels, wie zum Beispiel Phosphorsäure, entfernt werden.
• Somit wird in dem Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur eine Nanolochstruktur ausgebildet, in der mehrere Nanolöcher in einer Richtung in Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der metallischen Schicht ausgerichtet sind.
• Die Nanolöcher in der Nanolochstruktur sind in Bezug auf die Form nicht besonders beschränkt, und es kann jede Form in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck angewandt werden; jedoch können sie als Löcher oder Einbuchtungen ausgebildet werden, noch bevorzugter als Durchgangslöcher.
• Das Intervall zwischen benachbarten Reihen von Nanolöchern ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; das Intervall beträgt jedoch bevorzugt 5 nm bis 500 nm, noch bevorzugter 10 nm bis 200 nm.
• Ein Intervall von weniger als 5 nm macht die Ausbildung von Nanolöchern schwierig, wohingegen es ein Intervall von größer als 500 nm schwierig macht, sie in regelmäßigen Intervallen anzuordnen.
• Das Verhältnis des Intervalls zwischen benachbarten Reihen von Nanolöchern zu der Weite einer Reihe von Nanolöchern ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein; zum Beispiel beträgt das Verhältnis im Bereich von 1,1 bis 1,9, und noch bevorzugter von 1,2 bis 1,8.
• Ein Verhältnis (Intervall/Weite) von kleiner als 1,1 kann Lochfusion zwischen benachbarten Nanolöchern verursachen und kann zu einem Versagen beim Herstellen von diskreten Nanolöchern führen, wohingegen ein 1,9 übersteigendes Verhältnis während der anodischen Behandlung zu der Ausbildung von Nanolöchern in anderen Abschnitten als den Vertiefungen führen kann.
• Die Weite der Reihen von Nanolöchern ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise entsprechend dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein; zum Beispiel beträgt die Reihenweite bevorzugt 5 nm bis 450 nm, und noch bevorzugter 10 nm bis 200 nm.
• Eine Reihenweite von weniger als 5 nm macht die Ausbildung von Nanolöchern schwierig, wohingegen es eine Reihenweite von größer als 450 nm schwierig macht, sie bei regelmäßigen Intervallen anzuordnen.
• Darüber hinaus kann die Reihenweite entlang der Länge konstant sein oder kann bei speziellen Intervallen variieren (sich aufweiten oder verengen), wie in 1A gezeigt ist. Der letztere Fall ist bevorzugt, da es wahrscheinlich wird, dass Nanolöcher bei regelmäßigen Intervallen entlang der Nanolochreihe bei Bereichen mit einer größeren Weite ausgebildet werden, als bei anderen Bereichen, wie in 1B gezeigt ist.
• Die Tiefe der Nanolöcher beträgt im Allgemeinen 10 μm oder weniger, ist aber nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein; Die Nanolochtiefe beträgt jedoch im Hinblick auf die Tatsache, dass sie der Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen in der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette entspricht, bevorzugt 1 μm oder weniger.
• Der Öffnungsdurchmesser der Nanolöcher ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein; der Öffnungsdurchmesser beträgt im Allgemeinen ein Drittel des Nanolochintervalls, das in Abhängigkeit von der Anodisierungsspannung festgelegt ist, der Öffnungsdurchmesser kann jedoch wie erforderlich durch Behandlung mit einer Phosphorsäurelösung vergrößert werden.
• – Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens –
• Der Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens ist ein Schritt zum Ausbilden von Kohlenstoffnanoröhrchen innerhalb der Nanolöcher.
• Die Kohlenstoffnanoröhrchen können entsprechend jedem geeigneten Verfahren ausgebildet werden, wie zum Beispiel chemische Dampfabscheidung (CVD).
• Beispiele des chemischen Dampfabscheidungsverfahrens (CVD) sind thermische CVD (einfach auch als ”CVD” bezeichnet), Heizdraht-CVD, Plasma-forcierte CVD (auch als ”plasmaunterstützte CVD” oder ”Plasma-CVD” bezeichnet), Plasma-forcierte Heizdraht-CVD und Laser-forcierte CVD (auch als ”Laser-CVD” bezeichnet). Von diesen sind thermische CVD und Plasma-CVD bevorzugt.
• Bei thermischer CVD wird eine Reaktionsröhre, die eine Nanolochstruktur enthält, auf etwa 400°C bis 2.000°C in einem elektrischen Ofen erhitzt, gefolgt von Einführen von Materialgas in die Röhre, um das Material zu zersetzen, was es Kohlenstoff oder Kohlenstoffnanoröhrchen ermöglicht, sich in den Nanolöchern abzuscheiden.
• Bei Plasma-CVD wird das Materialgas durch Reaktion mit einem Plasma zersetzt, das durch Radiofrequenzwellen (RF-Wellen) von etwa 0,1 bis 1.000 W/cm³ angeregt wird, wodurch es Kohlenstoff ermöglicht wird, sich abzuscheiden. An Stelle des durch Radiofrequenzwellen (RF-Wellen) angeregten Plasmas können auch Plasmen, die zum Beispiel durch niederfrequente Wellen, Mikrowellen (MW) oder Gleichstrom (DC) angeregt werden, verwendet werden.
• Die für die Ausbildung von Kohlenstoffnanoröhrchen durch CVD verwendeten Bedingungen sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein. Zum Beispiel ist es bevorzugt, den Durchsatz des Materialgases zu steuern und als das Materialgas ein Gasgemisch aus Kohlenstoffquellgas und Trägergas zu verwenden.
• Beispiele des Kohlenstoffquellgases sind Methan-, Ethylen-, Propylen-, Acetylen-, Benzol-, Butan-, Methanol-, Ethanol-, Propanol-, Isopropanol-, C₁₀H₁₆-, CS₂- und C₆₀-Gas. Beispiele des Trägergases sind Stickstoff-, Argon-, Wasserstoff- und NH₃-Gas.
• Die Verhältnisse des Kohlenstoffquellgases und des Trägergases in dem Gasgemisch sind nicht besonders beschränkt und können in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein. Wenn zum Beispiel Propylengas als das Kohlenstoffquellgas und Stickstoffgas als das Trägergas verwendet werden, wird das Gasgemisch bevorzugt unter der Bedingung zugeführt, dass das Verhältnis des Durchsatzes von Propylengas zu jenem von Stickstoffgas in etwa 1:99 bis 5:95 beträgt und dass der Gesamtdurchsatz 100 cm³/min bis 300 cm³/min beträgt. An diesem Punkt beträgt die Temperatur bevorzugt 500°C bis 900°C, und am meisten bevorzugt etwa 800°C.
• Wenn Kohlenstoffnanoröhrchen herzustellen sind, zum Beispiel durch CVD in dem Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens, dient das Material der metallischen Schicht als Katalysator zum Ausbilden der Kohlenstoffnanoröhrchen, und somit ist ein zusätzlicher Katalysator nicht erforderlich. Wenn zum Beispiel die metallische Schicht aus Aluminium gemacht ist, dient das an der freiliegenden Oberfläche der metallischen Schicht vorhandene Aluminiumoxid als Katalysator, durch den die Ausbildung von Kohlenstoffnanoröhrchen erleichtert ist.
• Die durch den Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens ausgebildeten Kohlenstoffnanoröhrchen sind im Wesentlichen identisch in Durchmesser, Länge und der Anzahl an Schichten, und wenn die Dicke der metallischen Schicht 1 μm oder kleiner gemacht wird, weisen die Kohlenstoffnanoröhrchen eine durchschnittliche Länge von 1 μm oder weniger auf, wobei ein Ende eines jeden Nanoröhrchens geschlossen ist.
• <Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff>
• Der Schnitt zum Entfernen von Kohlenstoff ist ein Schritt zum Entfernen von auf Oberflächen von Lands zwischen den Vertiefungen in dem Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens abgeschiedenem Kohlenstoff.
• Die Ausbildung von Vertiefungen in der metallischen Schicht in dem Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur führt zu der Ausbildung von Lands der metallischen Schicht zwischen den Vertiefungen. Danach, in dem Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens, werden Kohlenstoffnanoröhrchen in den Nanolöchern in den Vertiefungen ausgebildet, und zur gleichen Zeit wird Kohlenstoff auf den Lands abgeschieden. Der Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff dient zum Entfernen von auf den Oberflächen der Lands abgeschiedenem Kohlenstoff. Durch Durchführen eines später zu beschreibenden Schritts zum Lösen der metallischen Schicht führt er zu der Ausbildung von erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenketten mit einer Plattenform, Bandform, Fadenform; etc., wobei jede von ihnen aus regelmäßig beabstandeten Kohlenstoffnanoröhrchen besteht, die an eine Kohlenstoffschicht gebunden sind, die von über die Vertiefungen der metallischen Schicht (Nanolochstruktur) abgeschiedenem Kohlenstoff herrührt. In jeder der Kohlenstoffnanoröhrchenketten sind die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Kohlenstoffschicht ausgerichtet.
• Das Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel wird ein Verfahren zum Wegätzen von auf den Lands der metallischen Schicht abgeschiedenem Kohlenstoff durch Wrappen (orig.: ”wrapping”) oder chemisch mechanisches Polieren (CMP) verwendet. Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff, der auf den Seitenwänden der Lands abgeschieden ist, sind insbesondere: (1) ein Verfahren, das Anwendung von Sauerstoffplasma (einschließlich Anlegen von Spannung an das Substrat) unter Winkeln in Bezug auf die Länge und Höhe der Lands der metallischen Schicht einschließt, um abgeschieden Kohlenstoff wegzuätzen; (2) ein Verfahren, das Anwenden eines Ionenstrahls (z. B. eines Sauerstoffionenstrahls) unter Winkeln in Bezug auf die Länge und Höhe der Lands der metallischen Schicht einschließt, um abgeschieden Kohlenstoff zu entfernen; (3) ein Verfahren, das Steuerung einer Sauerstoffatmosphäre und Anwendung eines Ionenstrahls unter Winkeln in Bezug auf die Länge und Höhe der Lands der metallischen Schicht einschließt, um abgeschieden Kohlenstoff zu entfernen; und so weiter.
• Es ist zu beachten, dass die in dem Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff verwendete Bedingung nicht besonders beschränkt ist und in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein kann. Darüber hinaus kann der Winkel, unter dem das Plasma auf die Lands der metallischen Schicht in Bezug auf ihre Länge und Höhe im Verfahren (1) angewandt wird, und der Winkel, unter dem die Ionenstrahlen in den Verfahren (2) und (3) angewandt werden, in geeigneter Weise festgelegt sein.
• <Schritt zum Lösen der metallischen Schicht>
• Der Schritt zum Lösen der metallischen Schicht ist ein Schritt zum Weglösen der metallischen Schicht (Nanolochstruktur). Durch Durchführen dieses Schritts ist es möglich, die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette zu erhalten.
• Die in dem Schritt zum Lösen der metallischen Schicht verwendete Bedingung, etc., sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein. In dem Fall der Aluminiumoxid-Nanolöcher sind spezielle Beispiele der in diesem Schritt durchgeführten Verfahren Eintauchen in Flusssäure (HF) und hydrothermale Behandlung mit Natriumhydroxid (NaOH).
• <Zusätzliche Schritte>
• Die zusätzlichen Schritte sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise entsprechend dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein; Beispiele sind ein Waschschritt und ein Trocknungsschritt.
• Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette wird effizient durch das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette hergestellt.
• Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette besteht aus einer Reihe von mehreren Kohlenstoffnanoröhrchen, die an einem Ende auf eine solche Weise an einen Träger gebunden sind, dass sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Trägers ausgerichtet sind.
• Das Material, die Form, Struktur, Größe, Dicke, etc., des Trägers sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; das Material ist erfindungsgemäß Kohlenstoff. Da der Träger aus Kohlenstoff gemacht ist, kann die Kohlenstoffnanoröhrchenkette leicht ausgebildet werden. Genauer ausgedrückt wird eine Kohlenstoffschicht auf einer metallischen Schicht (Nanolochstruktur) nach Ausbildung von Kohlenstoffnanoröhrchen in den Nanolöchern während des Schritts zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens abgeschieden, und die auf den Vertiefungen der metallischen Schicht abgeschiedene Kohlenstoffschicht ist dann integral an die Kohlenstoffnanoröhrchen gebunden, die in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Kohlenstoffschicht ausgerichtet sind. Der erhaltene einstückige Gegenstand entspricht der oben beschriebenen Kohlenstoffnanoröhrchenkette.
• Beispiele der Form des Trägers schließen eine Plattenform, Bandform und lineare Form ein. Von diesen Formen ist der Träger erfindungsgemäß von linearer Form, da sie leicht entworfen werden kann und für einen weiten Bereich von Feldern angewandt werden kann.
• Die Dicke des Trägers ist nicht besonders beschränkt, so lange sie Kohlenstoffnanoröhrchen zu halten vermag, zum Beispiel beträgt die Dicke bevorzugt 2 nm bis 20 nm.
• Die Anzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen, die in der Kohlenstoffnanoröhrchenkette vorhanden ist, ist nicht besonders beschränkt; sie variiert in Abhängigkeit von den Intervallen zwischen Nanolöchern in der Nanolochstruktur und von der Länge der Kohlenstoffnanoröhrchenkette, und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein.
• In der Kohlenstoffnanoröhrchenkette ist es bevorzugt, dass ein Ende eines jeden Kohlenstoffnanoröhrchens, das an den Träger gebunden sein soll, geöffnet ist, wobei das andere Ende geschlossen ist. Eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette, die diese Konfiguration aufweist, bietet exzellente chemische Stabilität und erleidet im Lauf der Zeit nie Oxidation oder dergleichen. Folglich kann die Kohlenstoffnanoröhrchenkette in geeigneter Weise in verschiedenen Anwendungen verwendet werden.
• Die Kohlenstoffnanoröhrchen in der Kohlenstoffnanoröhrchenkette sind bevorzugt identisch in wenigstens einem von Länge, Größe und Außendurchmesser. Wenn eine solche Kohlenstoffnanoröhrchenkette zur Zieldetektion oder als ein Sensor verwendet wird, funktioniert jedes Kohlenstoffnanoröhrchen in einem ähnlichen Ausmaß, wodurch ein stabiler Betrieb erzielt wird.
• Die Länge eines jeden Kohlenstoffnanoröhrchens kann gleich der Dicke der metallischen Schicht gemacht sein, und daher ist es möglich, leicht eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette zu erhalten, die kleine Kohlenstoffnanoröhrchen mit 1 μm oder weniger Länge aufweist. Noch einmal, da die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen der Dicke der metallischen Schicht (z. B. einer Aluminiumschicht oder Aluminiumoxidschicht) entspricht, ist es möglich, die Kohlenstoffnanoröhrchen zu steuern, so dass sie durch Steuern der Dicke der metallischen Schicht leicht, präzise und gleichmäßig eine erwünschte Länge aufweisen.
• Das Kohlenstoffnanoröhrchen ist bevorzugt mit einem funktionellen Material bedeckt; Beispiele davon schließen biologische Moleküle ein, wie zum Beispiel Antikörper. Obwohl das Kohlenstoffnanoröhrchen selbst Adsorptionsfähigkeit und Freigabefähigkeit zeigt, macht das Bedecken des Kohlenstoffnanoröhrchens mit einem solchen biologischen Molekül Detektion verschiedener Ziele mittels des biologischen Moleküls möglich.
• Verwendungsanwendungen der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein; zum Beispiel wird die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette bevorzugt zum Einfangen eines Detektionsziels verwendet. In dieser Anwendung weist die Kohlenstoffnanoröhrchenkette bevorzugt einen Zieleinfangkörper auf.
• – Zieleinfangkörper –
• Für den Zieleinfangkörper ist es bevorzugt, dass er einen Bindeabschnitt aufweist, der an die Kohlenstoffnanoröhrchenkette gebunden werden kann, und einen Zieleinfangabschnitt, der ein Detektionsziel einzufangen vermag. Der Grund hierfür ist, dass es möglich ist, effizient separate Funktionen in einem Molekül zu erreichen.
• Die Form, in der die Kohlenstoffnanoröhrchenkette an den Zieleinfängkörper gebunden ist, ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; sie werden jedoch bevorzugt durch chemische Bindungen zusammengehalten, da sie fester aneinander gebunden werden können.
• Der Zieleinfangkörper ist nicht besonders beschränkt, so lange er ein Detektionsziel bei dem Zieleinfangabschnitt einzufangen vermag, und kann in geeigneter Weise entsprechend dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein.
• Die Weise, in der der Zieleinfangkörper ein Ziel einfängt, ist nicht besonders beschränkt; Einfangen kann erreicht werden durch physikalische Adsorption, chemische Adsorption oder dergleichen, die durch Wasserstoff(brücken)bindung, intermolekulare Kraft (van der Waals-Kraft), Koordinationsbindung, Ionenbindung oder kovalente Bindung realisiert werden.
• Geeignete Beispiele des Zieleinfangabschnitts schließen jene ein, die ausgebildet sind aus Enzymen, Coenzymen, Enzymsubstraten, Enzyminhibitoren, Clathratverbindungen (können nachfolgend als ”Wirtsverbindungen” oder ”Wirte” bezeichnet sein), Metallen, Antikörpern, Antigenen, Proteinen, Mikroorganismen, Viren, Zellbestandteilen, Metaboliten, Nukleinsäuren, Hormonen, Hormonrezeptoren, Lecithinen, Zuckern, physiologisch aktiven Substanzen und Rezeptoren für physiologisch aktive Substanzen, Allergenen, Blutproteinen, Gewebeproteinen, (Zell)Kernsubstanzen, Virusteilchen, Neurotransmittern, Heptanen, Parasiten, Störung des Hormonsystems verursachenden Chemikalien und chemischen Spezies oder Derivaten davon.
• – Detektionsziel –
• Wenn der Zieleinfangabschnitt ein Enzym ist, ist das Detektionsziel zum Beispiel ein Coenzym dieses Enzyms; wenn er ein Coenzym ist, ist das Detektionsziel zum Beispiel ein Enzym, für das dieses Coenzym als ein Coenzym wirkt; wenn er eine Clathratverbindung ist, ist das Detektionsziel zum Beispiel eine Gastverbindung (zu enthaltende Komponente) dieser Clathratverbindung; wenn er ein Antikörper ist, ist das Detektionsziel zum Beispiel ein Protein, das ein Antigen gegen diesen Antikörper ist; wenn er ein Protein ist, ist das Detektionsziel zum Beispiel ein Antikörper der dieses Protein als ein Antigen erkennt; wenn er eine Nukleinsäure ist, ist das Detektionsziel zum Beispiel eine zu dieser Nukleinsäure komplementäre Nukleinsäure; wenn er ein Hormonrezeptor ist, wie zum Beispiel Tubulin oder Chitin, ist es zum Beispiel ein durch diesen Hormonrezeptor angenommenes Hormon; wenn er ein Lecithin ist, ist es zum Beispiel ein durch dieses Lecithin angenommener Zucker; und wenn er ein Rezeptor für eine physiologisch aktive Substanz ist, ist es zum Beispiel eine von diesem Rezeptor für eine physiologisch aktive Substanz angenommene physiologisch aktive Substanz.
• Proben, die die oben erwähnten Detektionsziele enthalten, sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein; Beispiel schließen Pathogene, wie zum Beispiel Bakterien und Viren ein; Blut, Speichel, Gewebeteile, die von lebenden Organismen isoliert sind; und Ausscheidungsstoffe, wie zum Beispiel Fäkalien und Urin. Bei pränataler Diagnose können auch einige embryonale Zellen in der amniotischen Flüssigkeit oder einige in vitro sich teilende Eizellen als Probe verwendet werden. Die Probe kann direkt verwendet werden oder nachdem sie vor Verwendung als Sediment durch Zentrifugation kondensiert wurde oder, sofern notwendig, einer Zellzerstörungsbehandlung unterzogen würde (z. B. Enzymbehandlung, Wärmebehandlung, Behandlung mit oberflächenaktivem Mittel, Ultraschallbehandlung oder irgendwelchen Kombinationen davon).
• Die Clathratverbindung ist nicht besonders beschränkt, so lange sie eine Molekülerkennungsfähigkeit (d. h. Wirt-Gast-Bindungsfähigkeit) aufweist, und kann in geeigneter Weise entsprechend dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein; Beispiele schließen jene mit einem zylindrischen (eindimensionalen) Hohlraum, jene mit einem geschichteten (zweidimensionalen) Hohlraum, und jene mit einem käfigförmigen (dreidimensionalen) Hohlraum ein.
• Beispiele von Clathratverbindungen, die einen zylindrischen (eindimensionalen) Hohlraum enthalten, schließen Harnstoff, Thioharnstoff, Desoxycholsäure, Dinitrodiphenyl, Dioxytriphenylmethan, Triphenylmethan, Methylnaphthalin, Spirochroman, PHTP (Perhydrotriphenylen), Cellulose, Amylose und Cyclodextrin (in Lösung sind die Hohlräume käfigförmig) ein. Beispiele von Detektionszielen, die durch Harnstoff eingefangen werden können, schließen n-Paraffinderivate ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Thioharnstoff eingefangen werden können, schließen verzweigte und zyklische Kohlenwasserstoffe ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Desoxycholsäure eingefangen werden können, schließen Paraffine, Fettsäuren und aromatische Verbindungen ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Dinitrodiphenyl eingefangen werden können, schließen Diphenylderivate ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Dioxytriphenylmethan eingefangen werden können, schließen Paraffine, n-Alkene und Squalen ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Triphenylmethan eingefangen werden können, schließen Paraffine ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Methylnaphthalin eingefangen werden könne, schließen n-Paraffine und verzweigte Paraffine ein, die beide bis zu 16 Kohlenstoffatome aufweisen.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Spirochroman eingefangen werden können, schließen Paraffine ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch PHTP (Perhydrotriphenylen) eingefangen werden können, schließen Chloroform, Benzol und verschiedene polymere Substanzen ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Cellulose eingefangen werden können, schließen H₂O₂, Paraffine, CCl₄, Farbstoffe und Iod ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Amylose eingefangen werden können, schließen Fettsäuren und Iod ein.
• Cyclodextrine sind zyklische Dextrine, die durch Zersetzung von Stärke durch Amylose erzeugt werden, und es gibt drei bekannte Typen: α-Cyclodextrin, β-Cyclodextrin und γ-Cyclodextrin. Bei der vorliegenden Erfindung verwendete Cyclodextrine schließen auch Cyclodextrinderivate ein, wobei einige ihrer Hydroxylgruppen gegen andere funktionelle Gruppen ersetzt sind, wie zum Beispiel Alkylgruppen, Allylgruppen, Alkoxygruppen, Amidgruppen und/oder Sulfonsäuregruppen.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Cyclodextrine eingefangen werden können schließen Phenolderivate ein, wie zum Beispiel Thymol, Eugenol, Resorcinol, Ethylenglycolmonophenylether und 2-Hydroxy-4-methoxy-benzaphenon; Benzoesäurederivate, wie zum Beispiel Salicylsäure, Methylparahydroxybenzoat und Ethyl-p-hydroxybenzoat und Ester davon; Steroide, wie zum Beispiel Cholesterin; Vitamine, wie zum Beispiel Ascorbinsäure, Retinol und Tocopherol; Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Limonen; Allylisothiocyanat; Sorbinsäure; Iodmolekül; Methylorange; Kongorot; und 2-p-Toluidinylnaphthalin-6-sulfonsäurekaliumsalz (TNS).
• Beispiele des geschichteten (zweidimensionalen) Clathrats schließen Tonmineralien, Graphit, Smektit, Montmorillonit und Zeolith ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Tonmineralien eingefangen werden können, schließen hydrophile Substanzen und polare Verbindungen ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Graphit eingefangen werden können, schließen O, HSO₄ ^–, Halogene, Halogenide und Alkalimetalle ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Montmorillonit eingefangen werden können, schließen Brucin, Codein, o-Phenylendiamin, Benzidin, Piperidin, Adenin, Guanin und ihre Riboside ein.
• Beispiele eines Detektionsziels, das durch Zeolith eingefangen werden kann, schließen H₂O und dergleichen ein.
• Beispiele der käfigförmigen (dreidimensionalen) Clathratverbindung schließen Hydrochinone, gasförmige Hydrate, tri-o-Thymotid, Oxyflavan, Dicyanoaminnickel, Kryptande, Calixarene und Kronenverbindungen ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Hydrochinone eingefangen werden können, schließen HCl, SO₂, Acetylen und Edelgaselemente ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch gasförmige Hydrate eingefangen werden können, schließen Halogene, Edelgaselemente und niedere Kohlenwasserstoffe ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die die durch tri-o-Thymotid eingefangen werden können, schließen Cyclohexan, Benzol und Chloroform ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Oxyflavan eingefangen werden können, schließen organische Basen ein.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch Dicyanoaminnickel eingefangen werden können, sind Benzol und Phenol.
• Beispiele von Detektionszielen, die die durch Cryptande eingefangen werden können, schließen NH₄ ⁺ und verschiedene Metallionen ein.
• Calixarene sind zyklische Oligomere, bei denen Phenoleinheiten durch Methylengruppen miteinander verbunden sind, die aus Phenol und Formaldehyd unter geeigneten Bedingungen hergestellt werden können; es sind 4- bis 8-fache bekannt. Von diesen schließen Beispiele von Detektionszielen, die durch p-t-Butylcalixaren (n = 4) eingefangen werden können Chloroform, Benzol und Toluol ein. Beispiele von Detektionszielen, die durch p-t-Butylcalixaren (n = 5) eingefangen werden können, schließen Isopropylalkohol und Aceton ein. Beispiele von Detektionszielen, die durch p-t-Butylcalixaren (n = 6) eingefangen werden können, sind Chloroform und Methanol. Beispiele von Detektionszielen, die durch p-t-Butylcalixaren (n = 7) eingefangen werden können, schließen Chloroform ein.
• Beispiele von Kronenverbindungen schließen nicht nur Kronenether ein, die Sauerstoff als ein Elektronen spendendes Atom aufweisen, sondern auch analoge große Ringverbindungen, die Elektronen spendende Atome aufweisen, wie zum Beispiel Stickstoff und Schwefel als Ringkomponenten, und schließen auch komplexe zyklische Kronenverbindungen ein, die zwei oder mehr Ringe aufweisen, wie zum Beispiel Cryptanden, die verkörpert werden durch Cyclohexyl-12-Krone-4, Dibenzo-14-Krone-4, t-Butylbenzo-15-Krone-5, Dibenzo-18-Krone-6, Dicyclohexyl-18-Krone-6, 18-Krone-6, Tribenzo-18-Krone-6, Tetrabenzo-24-Krone-8 und Dibenzo-26-Krone-6.
• Beispiele von Detektionszielen, die durch die Kronenverbindungen eingefangen werden können, schließen verschiedene Metallionen von Alkalimetallen, wie zum Beispiel Li, Na und K ein; Metallionen von Erdalkalimetallen, wie zum Beispiel Mg und Ca; NH₄ ⁺; Alkylammoniumionen; Guanidinionen; und aromatische Diazoniumionen. Die Kronenverbindungen bilden einen Komplex mit diesen Ionen aus. Beispiele von weiteren Detektionszielen, die durch die Kronenverbindungen eingefangen werden können, schließen polare organische Verbindungen ein, die eine C-H-Einheit, die eine relativ große Acidität aufweist (z. B. Acetonitril, Malonitril und Adiponitril), eine N-H-Einheit (z. B. Anilin, Aminobenzoesäure, Amide und Sulfamidderivate) und eine C-H-Einheit (z. B. Phenole, Essigsäurederivate) enthalten; die Kronenverbindungen bilden auch mit diesen polaren Verbindungen einen Komplex aus.
• Die Größe (Durchmesser) des Hohlraums der Clathratverbindungen ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise entsprechend dem beabsichtigten Zweck eingestellt sein, aber damit die Clathratverbindungen eine stabile molekulare Erkennungsfähigkeit (Wirt-Gast-Bindungsfähigkeit) aufweisen können, beträgt der Durchmesser bevorzugt 0,1 nm bis 2,0 nm.
• Darüber hinaus können die Clathratverbindungen zum Beispiel in monomolekulare Wirtsverbindungen, polymolekulare Wirtsverbindungen, polymere Wirtsverbindungen und anorganische Wirtsverbindungen eingeteilt werden.
• Beispiele von monomolekularen Wirtsverbindungen schließen Cyclodextrin, Kronenverbindungen, Cyclophan, Azacyclophan, Calixaren, Cyclotriveratrylen, Spherand, Cavitand und Oligopeptide ein.
• Beispiele von polymolekularen Wirtsverbindungen sind Harnstoff, Thioharnstoff, Desoxycholsäure, Perhydrotriphenylen und tri-o-Thymotid.
• Beispiele von polymeren Wirtsverbindungen schließen Cellulose, Stärke, Chitin, Chitosan und Polyvinylalkohol ein.
• Beispiele von anorganischen Wirtsverbindungen schließen Interkalationsverbindungen, Zeolithe und Komplexe vom Hofmanntyp ein.
• Der Antikörper ist nicht besonders beschränkt, so lange er eine Antigen-Antikörperreaktion mit einem spezifischen Antigen durchmacht; er kann ein polyklonaler Antikörper oder monoklonaler Antikörper sein, und weitere Beispiele schließen IgG, IgM, IgE, Fab', Fab, F(ab')₂ von IgG und Avidin ein.
• Das Antigen ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise entsprechend der Identität des Antikörpers ausgewählt sein; Beispiel schließen Plasmaproteine, Tumormarker, Apoproteine, Virusantigene, Autoantikörper, Koagulations/Fibrinolyse-Faktor, Hormone, Medikamente im Blut, HLA-Antigene und Biotin ein.
• Beispiele von Plasmaproteinen schließen Immunglobuline (IgG, IgA, IgM, IgD und IgE), komplementäre Komponenten (C3, C4, C5 und C1q), CRP, α₁-Antitrypsin, α₁-Mikroglobulin, β₂-Mikroglobulin, Haptoglobin, Transferrin, Ceruloplasmin und Ferritin ein.
• Beispiele von Tumormarkern schließen α-Fetoprotein (AFP), carcinoembryonales Antigen (CEA), CA 19-9, CA125, CA 15-3, SCC-Antigen, saure Prostatadrüsenphosphatase (PAP), PIVKA-II, γ-Seminoprotein, TPA, Elastase I, nervenspezifische Enolase (NSE) und saures Immunsuppressionsprotein (IAP) ein.
• Beispiele von Apoproteinen sind Apo A-I, Apo A-II, Apo B, Apo C-II, Apo C-III und Apo E.
• Beispiele von Virusantigenen schließen Antigene gegen Hepatitis-B-Virus-Antigene (HBV = Hepatitis-B-Virus), Hepatitis-C-Virus-Antigene (HCV = Hepatitis-C-Virus), HTLV-I, HIV, Tollwutvirus, Influenzavirus und Rubellavirus ein.
• Beispiele von HCV-Antigenen schließen rekombinantes HCVc100-3-Antigen, rekombinantes pHCV-31-Antigen und rekombinantes pHCV-34-Antigen ein, und es können in geeigneter Weise Mischungen davon verwendet werden. Beispiele von HIV-Antigenen schließen Virusoberflächenantigene ein, wie zum Beispiel rekombinantes HIV-I env.gp41-Antigen, rekombinantes HIV-I env.gp120-Antigen, rekombinantes HIV-I gag.p24-Antigen und rekombinantes HIV-II env.p36-Antigen.
• Von Viren verschiedene Pathogene sind zum Beispiel MRSA, ASO, Toxoplasma, Mycoplasma und STD.
• Beispiele Von Autoantikörpern schließen Anti-Mikrozom-Antikörper, Anti-Siloglobulin-Antikörper, Antikern-Antikörper, Rheumatismusfaktor, Anti-Mitochondrium-Antikörper und Myelin-Antikörper ein.
• Beispiele von Koagulations/Fibrinolyse-Faktoren schließen Fibrinogen, durch Fibrin zersetzte Produkte (FDP), Plasminogen, α₂-Plasmininhibitor, Antithrombin III, β-Thromboglobulin, Faktor VIII, Protein C und Protein S ein.
• Beispiele von Hormonen schließen Hypophysenhormone (LH, FSH, GH, ACTH, TSH und Prolactin), Schilddrüsenhormone (T₃, T₄ und Siloglobulin), Calcitonin, Nebenschilddrüsenhormon (PTH), adrenocoriticotrope Hormone (Aldosteron, Cortisol), Gonadenhormon (hCG, Östrogen, Testosteron, hPL) und Bauchspeicheldrüsen- und Gastrointestinaltrakt-Hormone (Insulin, C-Peptid, Glucagon, Gastrin) ein. Weitere Beispiele schließen Renin, Angiotensin I, Angiotensin II, Enkephalin und Erythropoietin ein.
• Beispiele von Medikamenten in Blut sind Antiepileptika, wie zum Beispiel Carbamazepin, Primidon und Valproinsäure; zirkulierende Medikamente gegen Organkrankheiten, wie zum Beispiel Digoxin, Quinidin, Digitoxin und Theophyllin; und Antibiotika, wie zum Beispiel Gentamycin, Kanamycin und Streptomycin.
• Geeignete Beispiele der vorerwähnten Proteine schließen Proteine mit niedrigem Molekulargewicht im Bereich von etwa 6.000 bis 13.000 ein, die eine große Affinität zu Schwermetallen aufweisen, insbesondere Zink, Cadmium, Kupfer und Quecksilber. Diese Proteine sind in der Leber, Niere und anderen Organen oder Geweben von Lebewesen vorhanden, und es wurde vor Kurzem gezeigt, dass sie sich auch in Mikroorganismen befinden. Sie weisen einen großen Gehalt an Cystein auf und enthalten eine Verteilung der Aminosäuren mit fast keinen aromatischen Resten. Darüber hinaus sind sie wichtige Substanzen, die in dem Körper Cadmium und Quecksilber entgiften und auch an der Speicherung und Verteilung von Spurenmetallen beteiligt sind, die für den lebenden Körper unentbehrlich sind, wie zum Beispiel Zink und Kupfer.
• Beispiele von derartigen Schwermetallen schließen Alkylquecksilberverbindungen (R-Hg), Quecksilber (Hg) oder Verbindungen davon, Cadmium (Cd) oder Verbindungen davon, Blei (Pb) oder Verbindungen davon, hexavalentes Chrom (Cr^{6 +}), Kupfer (Cu) oder Verbindungen davon, Zink (Zn) oder Verbindungen davon, Cyan, Arsen, Selen, Mangan, Nickel, Eisen, Zink, Selen und Zinn ein.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette ist es möglich, die Kohlenstoffnanoröhrchenkette effizient herzustellen.
• Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette besteht aus den vorerwähnten Kohlenstoffnanoröhrchen, die regelmäßig beabstandet sind, und die sowohl Adsorptionsfähigkeit als auch Freigabefähigkeit aufweisen. Aus diesem Grund kann die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette leicht gestaltet und gehandhabt werden, und kann bei einem großen Bereich von Feldern angewandt werden. Zum Beispiel vermag die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette verschiedene Typen von Zielen nachzuweisen, einschließlich Krankheit verursachende Substanzen, biologische Substanzen und toxische Substanzen, und vermag in geeigneter Weise auf verschiedenen Feldern angewandt werden, einschließlich Sensoren, wie zum Beispiel Zieldetektoren, Biosensoren und Gassensoren.
• (Zieldetektor)
• Der erfindungsgemäße Zieldetektor enthält die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette und einen Halter und enthält, sofern erforderlich, weiter in geeigneter Weise ausgewähltes) zusätzliches) Element(e).
• Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette enthält bevorzugt einen Einfangabschnitt, der ein Detektionsziel einzufangen vermag.
• Der Einfangabschnitt ist nicht besonders beschränkt, so lange er ein Detektionsziel einzufangen vermag, und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck ausgewählt sein; der Einfangabschnitt ist jedoch bevorzugt in dem oben erwähnten Zieleinfangkörper ausgebildet, und die Kohlenstoffnanoröhrchenkette und der Zieleinfangkörper werden bevorzugt durch chemische Bindung zusammengehalten.
• Es ist zu beachten, dass Details der Kohlenstoffnanoröhrchenkette, des Detektionsziels und Zieleinfangkörpers die gleichen sind, wie jene, die oben beschrieben sind.
• Das Material, die Form, Struktur, Größe, Dicke, etc., des Halters sind nicht besonders beschränkt und können in geeigneter Weise festgelegt sein, so lange der Halter von Hand gehalten und bedient werden kann, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette(n) an seiner Oberfläche immobilisiert sind. Zum Beispiel kann eine metallische Platte, die zum Beispiel aus Aluminium gemacht ist, eine Acrylplatte, die zum Beispiel aus Kunststoff gemacht ist, verwendet werden, die beide zum Beispiel 10 cm Mal 1 cm und 1 cm dick sind.
• Die Position, bei der die Kohlenstoffnanoröhrchenkette an den Halter immobilisiert ist, ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel ist der Träger der Kohlenstoffnanoröhrchenkette an die obere Endoberfläche des Halters auf eine solche Weise immobilisiert, dass Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu der Länge des Halters ausgerichtet sind. In diesem Fall ist die Anzahl der Kohlenstoffnanoröhrchenketten, die an den Halter zu immobilisieren sind, nicht besonders beschränkt; in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck können ein oder mehrere der Kohlenstoffnanoröhrchenketten immobilisiert sein. Wenn zwei oder mehr der Kohlenstoffnanoröhrchenketten verwendet werden, können verschiedene Substanzen (z. B. später zu beschreibende Detektionsziele) auf die Kohlenstoffnanoröhrchenketten einwirken, wodurch simultane Analyse dieser Substanzen (Detektionsziele) möglich gemacht wird.
• Das Verfahren zum Immobilisieren der Kohlenstoffnanoröhrchenkette an den Halter ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel kann die Kohlenstoffnanoröhrchenkette an den Halter mit einem Haftmittel immobilisiert werden, das wie erforderlich entweder gebrauchsfertig gekauft oder hergestellt werden kann. Beispiele des Haftmittels schließen Zweikomponenten-Epoxyhaftmittel ein.
• Das Verfahren des Zielnachweises mittels der die Zieleinfangkörper enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchenkette ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel können Nachweismethoden verwendet werden, die ELISA, Vibrations- oder Viskositätsmesssensor, Hybridisierungssonde, oder der gleichen umfassen.
• Bei Nachweis durch ELISA, entspricht zum Beispiel Antikörper dem Zieleinfangkörper, der an das Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Zieldetektor gebunden ist. Eine Fluoreszenz-markierte Zielsubstanz wird durch den Antikörper eingefangen, durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl angeregt, gefolgt von Lichtemission, und durch Messen der Intensität des Lichts identifiziert.
• Bei Nachweis unter Verwendung des Vibrations- oder Viskositätsmesssensors, entsprechen zum Beispiel der Träger und Kohlenstoffnanoröhrchen, die chemisch an die Elektroden eines Quarzkristalloszillators oder einer Oberflächenwellenvorrichtung (SAW = Oberflächenwelle) gebunden oder fixiert sind, dem Zieleinfangkörper. Wenn man eine Zielsubstanz auf den Zieleinfangkörper einwirken lässt, wird die Zielsubstanz speziell an den Einfangabschnitt des Zieleinfangkörpers gebunden, um dadurch eine Veränderung bei dem Gewicht oder der Viskosität des Zieleinfangkörpers zu verursachen. Diese Veränderung wird nachgewiesen und durch den Quarzkristalloszillator oder die Oberflächenwellenvorrichtung in eine Frequenzänderung umgewandelt. Somit kann die Anwesenheit einer Zielsubstanz durch Nachweisen dieser Frequenzänderung mit einem Frequenzmesser festgestellt werden.
• Darüber hinaus kann aus der Eichkurve jener Zielsubstanz die Menge der Zielsubstanz in einer Probe bestimmt werden (es kann die Konzentration bestimmt werden), die vorher durch Herstellen von Proben erhalten wird, die verschiedene Konzentrationen der Zielsubstanz enthalten.
• Es ist zu beachten, dass der Quarzkristalloszillator sich auf eine dünne Quarzplatte bezieht, bei der metallische Elektroden auf ihren beiden Seiten durch Dampfabscheidung ausgebildet sind, wobei Vibration einer gegebenen Frequenz durch umgekehrte piezoelektrische Wirkung nach Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden erzeugt wird. Zum Beispiel kann ein Quarzkristalloszillator (9 MHz, AT-Schnitt) mit abgeschiedenen Silberelektroden verwendet werden.
• Die Oberflächenwellenvorrichtung (SAW = Oberflächenwelle) bezieht sich auf einen festen Gegenstand mit einem Paar kammförmiger Elektroden, die auf seiner Oberfläche ausgebildet sind; sie wandelt ein elektrisches Signal in eine Oberflächenwelle um (eine akustische oder Ultraschallwelle, die sich auf der festen Oberfläche ausbreitet), überträgt sie zu der Gegenelektrode, und gibt sie wieder als ein elektrisches Signal aus. Mit dieser SAW-Vorrichtung ist es möglich, als Antwort auf eine Stimulierung ein Signal einer speziellen Frequenz zu erhalten. Zum Beispiel können Ferroelektrika, die eine piezoelektrische Wirkung aufweisen, wie zum Beispiel Lithiumtantalat und Lithiumniobat, Quarze und dünne Filme aus Zinkoxid als die Materialien der SAW-Vorrichtung verwendet werden.
• Bei Nachweis mittels Hybridisierungssonde entspricht eine einsträngige DNA, die durch chemische Denaturierung erhalten wird, dem Zieleinfangkörper. Indem man eine markierte DNA-Probe auf den Zieleinfangkörper einwirken oder an ihn hybridisieren lässt, wird ein Nachweis einer speziellen DNA-Sequenz möglich gemacht, die zu der DNA-Probe komplementär ist (d. h. A (Adenin) für T (Thymin) und G (Guanin) für C (Cytosin). Das Hybridisierungsnachweisverfahren ermöglicht systematische Analyse von Aktivierung (Expression) von mehreren Genen, die verantwortlich sind für Krebserkrankungen, immunologische Erkrankungen, etc.
• Da der erfindungsgemäße Zieldetektor die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette enthält, können verschiedene Substanzen mit den Kohlenstoffnanoröhrchen umgesetzt werden und an sie adsorbieren, und es können verschiedene Ziele an die Kohlenstoffnanoröhrchen adsorbiert oder von diesen freigesetzt werden. Da die Kohlenstoffnanoröhrchenkette an den Halter fixiert ist, ist es darüber hinaus möglich, ein großes Maß an Leichtigkeit der Bedienung sicherzustellen, da man den Halter mit der Hand halten kann. Des Weiteren kann, wenn die Anzahl der zu fixierenden Kohlenstoffnanoröhrchenkette 1 ist, die Kohlenstoffnanoröhrchenkette in mehrere Bereiche aufgeteilt werden, so dass verschiedene Substanzen an die Enden der Kohlenstoffnanoröhrchen von verschiedenen Bereichen gebunden werden können. Wenn die Anzahl der zu fixierenden Kohlenstöffnanoröhrchenkette 2 oder mehr beträgt, ist es möglich, dass verschiedene Substanzen an verschiedene Ketten binden. in Beispiel für den ersten Fall ist: wenn eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette in zwei Bereiche zur Verwendung als ein Sensor zum Nachweisen von bestimmten Verunreinigungen in Abwasser aufgeteilt ist, sind Zieleinfangkörper, die Schwermetalle einzufangen vermögen, speziell an die Kohlenstoffnanoröhrchen in einem der zwei Bereiche gebunden, und Zieleinfangkörper, die Cyan einzufangen vermögen, sind speziell an die Kohlenstoffnanoröhrchen des anderen Bereichs gebunden, wodurch zwei verschiedene Verunreinigungen zur gleichen Zeit nachgewiesen werden können. Alternativ dazu ist es auch möglich, gleichzeitigen Nachweis von zwei verschiedenen Verunreinigungen durch Verwenden von zwei Kohlenstoffnanoröhrchenketten zu erzielen – eine, die Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist, an die Zieleinfangkörper gebunden sind, die Schwermetalle einzufangen vermögen, und eine, die Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist, an die Zieleinfangkörper gebunden sind, die Cyan einzufangen vermögen.
• Der erfindungsgemäße Zieldetektor ist zu hoch empfindlichem Nachweis und qualitativer und quantitativer Analyse von verschiedenen Typen von Zielen in der Lage, einschließlich Krankheit verursachenden Substanzen, biologischen Substanzen und toxischen Substanzen, und kann in geeigneter Weise auf verschiedenen Felder verwendet werden, wie zum Beispiel Biosensoren und Gassensoren.
• (Zieldetektionsverfahren)
• Das erfindungsgemäße Zieldetektionsverfahren verwendet den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zieldetektor und veranlasst den Zieldetektor, auf eine Probe einzuwirken, die das Detektionsziel enthält, und schließt, sofern erforderlich, weitere(n), in geeigneter Weise ausgewählte(n) Schritt(e) ein.
• Der Zieldetektor ist der erfindungsgemäße Zieldetektor, und das Detektionsziel ist das gleiche wie jenes, das oben beschrieben ist.
• Wenn man eine Probe, die das Detektionsziel enthält, auf den Zieldetektor einwirken lässt, wird das Detektionsziel durch den Zieleinfangkörper des Zieldetektors eingefangen.
• Das Verfahren, das den Zieldetektor auf eine Probe einwirken lässt, ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit Von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel kann ein Verfahren des Eintauchens des Zieldetektors, der den Zieleinfangkörper aufweist, in die Probe verwendet werden.
• Es ist zu beachten, dass es, wenn der Zieldetektor eine Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchenketten enthält, möglich ist, durch Immobilisierung von unterschiedlichen Typen von Zieleinfangkörpern an jede Kohlenstoffnanoröhrchenkette gleichzeitige Analyse von mehreren Detektionszielen zu erzielen.
• Das Verfahren des Zielnachweises mittels der den Zieleinfangkörper enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchenkette ist nicht besonders beschränkt und kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck festgelegt sein; zum Beispiel können Nachweisverfahren verwendet werden, die die ELISA, Vibration- oder Viskositätsmesssensor, Hybridisierungssonde oder der gleichen umfassen.
• Bei Nachweis durch ELISA, entspricht zum Beispiel Antikörper dem Zieleinfangkörper, der an das Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Zieldetektor gebunden ist. Eine Fluoreszenz-markierte Zielsubstanz wird durch den Antikörper eingefangen, durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl angeregt, gefolgt von Lichtemission, und durch Messen der Intensität des Lichts identifiziert.
• Bei Nachweis unter Verwendung des Vibrations- oder Viskositätsmesssensors, entsprechen zum Beispiel der Träger und Kohlenstoffnanoröhrchen, die chemisch an die Elektroden eines Quarzkristalloszillators oder einer Oberflächenwellenvorrichtung (SAW = Oberflächenwelle) gebunden oder fixiert sind, dem Zieleinfangkörper. Wenn man eine Zielsubstanz auf den Zieleinfangkörper einwirken lässt, wird die Zielsubstanz speziell an den Einfangabschnitt des Zieleinfangkörpers gebunden, um dadurch eine Veränderung bei dem Gewicht oder der Viskosität des Zieleinfangkörpers zu verursachen. Diese Veränderung wird nachgewiesen und durch den Quarzkristalloszillator oder die Oberflächenwellenvorrichtung in eine Frequenzänderung umgewandelt. Somit kann die Anwesenheit einer Zielsubstanz durch Nachweisen dieser Frequenzänderung mit einem Frequenzmesser festgestellt werden.
• Darüber hinaus kann aus der Eichkurve jener Zielsubstanz die Menge der Zielsubstanz in einer Probe bestimmt werden (es kann die Konzentration bestimmt werden), die vorher durch Herstellen von Proben erhalten wird, die verschiedene Konzentrationen der Zielsubstanz enthalten.
• Es ist zu beachten, dass der Quarzkristalloszillator sich auf eine dünne Quarzplatte bezieht, bei der metallische Elektroden auf ihren beiden Seiten durch Dampfabscheidung ausgebildet sind, wobei Vibration einer gegebenen Frequenz durch umgekehrte piezoelektrische Wirkung nach Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden erzeugt wird. Zum Beispiel kann ein Quarzkristalloszillator (9 MHz, AT-Schnitt) mit abgeschiedenen Silberelektroden verwendet werden.
• Die Oberflächenwellenvorrichtung (SAW = Oberflächenwelle) bezieht sich auf einen festen Gegenstand mit einem Paar kammförmiger Elektroden, die auf seiner Oberfläche ausgebildet sind; sie wandelt ein elektrisches Signal in eine Oberflächenwelle um (eine akustische oder Ultraschallwelle, die sich auf der festen Oberfläche ausbreitet), überträgt sie zu der Gegenelektrode, und gibt sie wieder als ein elektrisches Signal aus. Mit dieser SAW-Vorrichtung ist es möglich, als Antwort auf eine Stimulierung ein Signal einer speziellen Frequenz zu erhalten. Zum Beispiel können Ferroelektrika, die eine piezoelektrische Wirkung aufweisen, wie zum Beispiel Lithiumtantalat und Lithiumniobat, Quarze und dünne Filme aus Zinkoxid als die Materialien der SAW-Vorrichtung verwendet werden.
• Bei Nachweis mittels Hybridisierungssonde entspricht eine einsträngige DNA, die durch chemische Denaturierung erhalten wird, dem Zieleinfangkörper. Indem man eine markierte DNA-Probe auf den Zieleinfangkörper einwirken oder an ihn hybridisieren lässt, wird ein Nachweis einer speziellen DNA-Sequenz möglich gemacht, die zu der DNA-Probe komplementär ist (d. h. A (Adenin) für T (Thymin) und G (Guanin) für C (Cytosin). Das Hybridisierungsnachweisverfahren ermöglicht systematische Analyse von Aktivierung (Expression) von mehreren Genen, die verantwortlich sind für Krebserkrankungen, immunologische Erkrankungen, etc.
• Mit dem erfindungsgemäßen Zieldetektionsverfahren ist es möglich, effizienten, hoch präzisen Nachweis und qualitative und quantitative Analyse von verschiedenen in einer Probe enthaltenen Zielen zu erzielen. Zum Beispiel kann Analyse oder Screening von Enzymen, Coenzymen, Enzymsubstraten, Enzyminhibitoren, Clathratverbindungen, Metallen, Antikörpern, Antigenen, Proteinen, Mikroorganismen, Viren, Zellbestandteilen, Metaboliten, Nukleinsäuren, Hormonen, Hormonrezeptoren, Lecithinen, Zuckern, physiologisch aktiven Substanzen und Rezeptoren für physiologisch aktive Substanzen, Allergenen, Blutproteinen, Gewebeproteinen, (Zell)Kernsubstanzen, Virusteilchen, Neurotransmittern, Heptanen, Parasiten, innere Sekretion störenden Chemikalien, chemischen Spezies oder Derivaten davon und gasförmigen Komponenten realisiert werden. Somit kann das erfindungsgemäße Zieldetektionsverfahren in geeigneter Weise zur Entwicklung von Heilmittel, Krankheitsdiagnose, Messen von Zielsubstanzen, biologischen Molekülen und Gasen, etc. verwendet werden.
• Beispiele
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben, die jedoch nicht dahin verstanden werden dürfen, dass sie den Bereich der vorliegenden Erfindung beschränken.
• (Experiment zum Ausbilden einer Nanolochstruktur)
• Eine Form mit einer Struktur aus Linien und Abständen (Zwischenraum = 150 nm) wurde gegen eine zu anodisierende Aluminiumschicht gepresst, um darin Nanolöcher (Aluminiumoxidporen) auszubilden, wodurch die Struktur aus Linien (Konkaven oder Vertiefungen) und Abständen (Konvexen oder Lands) der Aluminiumschichtoberfläche eingeprägt wurde. Wie in 2A gezeigt ist, wurde auf diese Weise eine Struktur aus alternierenden Vertiefungen und linearen Lands (d. h. eine Struktur mit regelmäßig beabstandeten Vertiefungen) ausgebildet. Danach wurde die Aluminiumschicht bei 60 V in verdünnter Oxalsäure anodisiert, was zu einer Selbstorganisation von Nanolöchern (Aluminiumoxidporen) führte, die nur in den Vertiefungen entlang ihrer Länge ausgebildet waren (mit anderen Worten, es wurden Nanolochreihen ausgebildet), wie in 2B gezeigt ist.
• (Beispiel 1)
• – Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchenkette –
• <Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur>
• Wie in 3A gezeigt ist, wurde unter Verwenden einer EB-Maskenschreibvorrichtung (ELS7000, hergestellt von ELIONIX CO., LTD.) ein EB-Resist über ein SiC-Substrat aufgebracht und es wurden Liniengeschrieben, um eine Struktur aus Konkaven und Konvexen (Linien und Abständen) auszubilden, gefolgt von Ätzbehandlung, um eine SiC-Form 50 zu erhalten. Es ist zu beachten, dass das Intervall (der Abstand) zwischen benachbarten konkaven Linien (Vertiefungen) in der Struktur 150 nm betrug, die Tiefe der Vertiefungen 100 nm betrug, und das Verhältnis der Weite der Konvexe oder des Lands zu der Weite der Konkave oder Vertiefung, (Konvexweite/Konkavweite) 1:1 betrug.
• Wie in 3B gezeigt ist, wurde Nb auf ein Siliciumsubstrat 52 durch Sputtern mit einer Dicke von 50 nm im Vakuum abgeschieden, um so eine Elektrodenschicht auszubilden, die mit jener oben beschriebenen identisch ist, und es wurde auf der Elektrodenschicht Aluminium mit einer Dicke von 350 nm durch Sputtern eines Aluminium-Sputtertargets abgeschieden, um so eine metallische Schicht 54 auszubilden, die mit jener oben beschriebenen identisch ist. Die SIC-Form 50 wurde dann gegen die metallische Schicht 54 gepresst, so dass die Struktur auf der Oberfläche der SIC-Form 50 auf die Oberfläche der metallischen Schicht 54 eingeprägt wurde. Wie in
• 2A gezeigt ist, führte dies zu der Ausbildung einer Struktur aus Konkaven und Konvexen auf der Oberfläche der metallischen Schicht 54. Es sollte beachtet werden, dass die SiC-Form 50 gegen die metallische Schicht 54 mit einem Druck von 3.000 kg/cm² unter Verwenden einer hydraulischen Pressvorrichtung gepresst wurde.
• Die metallische Schicht 54 mit der vorerwähnten darauf eingeprägten Struktur wurde dann bei 60 V in einem verdünnten Oxalsäurebad anodisiert. Wie in 2B und 3C gezeigt ist, führte dies zu der Produktion einer Nanolochstruktur 58, in der eine Anzahl von Nanalöchern (Aluminiumoxid-Nanolöcher oder Aluminiumoxidporen) 56 nur in den Vertiefungen auf eine solche Weise ausgebildet sind, dass sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der metallischen Schicht 54 ausgerichtet sind. Es ist zu beachten, dass das Intervall zwischen benachbarten Nanolöchern 56 in den Vertiefungen etwa 150 nm betrug, die Dicke der metallischen Schicht 54 (d. h. die Tiefe oder Länge eines jeden Nanolochs 56) 300 nm betrug, und der Öffnungsdurchmesser eines jeden Nanolochs 56 50 nm betrug.
• <Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanaröhrchens>
• Unter Verwenden von Propylengas als einem Kohlenstoffquellgas, aus dem Kohlenstoffnanoröhrchen ausgebildet werden, und unter Verwenden von Stickstoff als einem Trägergas, wurde Kohlenstoff durch CVD sowohl auf der äußeren Oberfläche der Nanolochstruktur (Aluminiumoxid-Nanolochstruktur) 58 und in den Nanolöchern 56 ausgebildet. Genauer ausgedrückt wurde das Siliciumsubstrat 52 mit den Nanolöchern 56 in eine Quarzreaktionsröhre gegeben, die dann unter Stickstoffstrom in 2 Stunden auf 800°C erwärmt wurde. Danach wurden 1,2% Propylen- und Stickstoffgas (Trägergas) in die Reaktionsröhre eingeleitet, gefolgt von CVD bei 800°C für 2 Stunden. Danach wurde die Propylenzufuhr gestoppt und die Reaktionsröhre wurde unter Stickstoffstrom auf Raumtemperatur abgekühlt.
• Wie in 3D gezeigt ist, war nach dem oben beschriebenen Schritt eine Kohlenstoffschicht 60 über die Oberfläche der Nanolochstruktur 58 abgeschieden und es waren in den Nanolöchern 56 der Nanolochstruktur 58 Kohlenstoffnanoröhrchen 62 ausgebildet. Die Durchschnittslänge der Kohlenstoffnanoröhrchen betrug 300 nm.
• <Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff>
• Die Nanolochstruktur 58 mit der auf ihrer Oberfläche abgeschiedenen Kohlenstoffschicht 60 wurde zum Polieren auf eine Drehscheibe platziert, ein Wickelband mit einer Schleifbeschichtung (Teilchengröße = 3 μm) wurde gegen die Nanolochstruktur 58 gepresst und die Drehscheibe wurde zum Polieren der Oberfläche unter Zuführen von Kühlwasser gedreht. Wie in 3E gezeigt ist, wurden auf diese Weise die auf Oberflächen der Lands 64 zwischen den Vertiefungen abgeschiedenen Kohlenstoffschichten 60 (d. h. sowohl die auf der Oberseite der Lands 64 der metallischen Schicht 64 abgeschiedene Kohlenstoffschicht als auch die auf den Seitenflächen der Lands 64 abgeschiedene Kohlenstoffschicht) entfernt.
• <Schritt zum Lösen der metallischen Schicht>
• Als nächstes wurde die Nanolochstruktur 58, von der die auf den Oberflächen der Lands 64 zwischen Vertiefungen abgeschiedenen Kohlenstoffschichten 60 entfernt worden waren, hydrothermaler Behandlung mit NaOH unterzogen (Bedingung: 10 M NaOH, Autoklav bei 150°C), um die metallische Schicht (Aluminiumoxidschicht) 54 wegzulösen, und durch verdünnte Salzsäure neutralisiert. Wie in 3F gezeigt ist, führte es als eine Konsequenz zu der Ausbildung einer linearen erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette 68, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen 62 besteht, die an einem Ende an einen linearen Gegenstand 66 auf eine solche Weise gebunden sind, dass sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des linearen Gegenstands 66 ausgerichtet sind.
• (Beispiel 2)
• – Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchenkette –
• Es wurde eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette von Beispiel 2 wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde der folgende Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff angewandt.
• <Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff>
• Die Nanolochstruktur 58 mit der auf ihre Oberfläche abgeschiedenen Kohlenstoffschicht 60, die durch den oben erwähnten Schritt zum Ausbilden von Kohlenstoffnanoröhrchen erhalten wurde, wurde in ein Sauerstoffionenstrahlsystem gesetzt, wobei die in dem System angewandte Ionenquelle eine 20 kV ECR-Quelle (ECR = Elektron Zyklotron Resonanz) war, die so platziert war, dass der Einfallswinkel eines Ionenstrahls 45° in Bezug auf den Probenhalter war. Wie in 4 gezeigt ist, wurde die Nanolochstruktur 58 dann mit einem 500 eV Sauerstoffionenstrahl 70 bestrahlt, um die auf der Oberfläche der Lands 64 zwischen den Vertiefungen abgeschiedenen Kohlenstoffschichten 60 zu entfernen, d. h. sowohl die auf der Oberseite der Lands 64 der metallischen Schicht 54 abgeschiedene Kohlenstoffschicht wie auch die auf den Seitenflächen der Lands 64 abgeschiedene Kohlenstoffschicht (siehe 3E).
• Danach wurde wie in Beispiel 1 der Schritt zum Lösen der metallischen Schicht durchgeführt, um eine lineare erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette 68 zur Verfügung zu stellen, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen 62 besteht, die an einem Ende so an einen linearen Gegenstand 66 gebunden sind, dass sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des linearen Gegenstands ausgerichtet sind (siehe 3F).
• (Beispiel 3)
• – Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchenkette –
• Es wurde eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette von Beispiel 3 wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde der folgende Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff angewandt.
• <Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff>
• Die Nanolochstruktur 58 mit der auf ihrer Oberfläche abgeschiedenen Kohlenstoffschicht 60, die durch den oben erwähnten Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens erhalten wurde, wurde in ein Ionenmühlsystem (ME-1001, hergestellt von Veeco Instruments) gesetzt. Die Nanolochstruktur 58 wurde dann mit einem Argonionenstrahl mit einem Einfallswinkel von 30° unter der Bedingung bestrahlt, dass die Beschleunigungsspannung 50 V und die Stromdichte 20 mA/cm² betrug, um die auf der Oberfläche der Lands 64 zwischen den Vertiefungen abgeschiedenen Kohlenstoffschichten zu entfernen, d. h. sowohl die auf der Oberseite der Lands 64 der metallischen Schicht 64 als auch die auf den Seiten der Lands 64 abgeschiedene Kohlenstoffschicht.
• Danach wurde wie in Beispiel 1 der Schritt zum Lösen der metallischen Schicht durchgeführt, um eine erfindungsgemäße lineare Kohlenstoffnanoröhrechenkette 68 zur Verfügung zu stellen, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen 62 besteht, die an einem Ende so an einen linearen Gegenstand 66 gebunden sind, dass sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des linearen Gegenstands ausgerichtet sind (siehe 3F).
• (Beispiel 4)
• – Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchenkette –
• Es wurde eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette von Beispiel 4 wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde der folgende Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur angewandt.
• <Schritt zum Ausbilden einer Nanolochstruktur>
• Unter Verwenden einer EB-Maskenschreibvorrichtung (ELS7000, hergestellt von ELIONIX CO., LTD.) wurden Linien auf eine Resistschicht mit 40 nm Dicke geschrieben, die auf einem Glassubstrat durch Rotationsbeschichtung ausgebildet worden war, um dadurch eine Struktur mit Konkaven und Konvexen (Linien und Abständen) zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass das Intervall (Zwischenraum) zwischen benachbarten konkaven Linien (Vertiefungen) in der Struktur 60 nm betrug, die Tiefe der Vertiefungen 50 nm betrug, und das Verhältnis der Weite der Konvexe oder Land zu der Weite der Konkave oder Vertiefung, (Konvexweite/Konkavweite) 1:1 betrug. Es wurde dann eine Ni-Schicht auf der Struktur aus Konkaven und Konvexen durch Sputtern ausgebildet, und unter Verwenden der Ni-Schicht als eine Elektrode wurde die Ni-Schicht dann auf 0,3 mm durch Elektroformung in einem Nickelsulfamatbad verdickt. Die Ni-Schicht wurde dann poliert, um eine Ni-Form herzustellen.
• Dann wurde Nb auf einem Siliciumsubstrat durch Sputtern mit einer Dicke von 50 nm abgeschieden, um so eine Elektrodenschicht auszubilden, die zu der oben beschriebenen identisch ist, und es wurde auf die Elektrodenschicht Aluminium mit einer Dicke von 350 nm durch Sputtern eines Aluminium-Sputtertargets im Vakuum abgeschieden, um so eine metallische Schicht auszubilden, die der oben beschriebenen identisch ist. Die Ni-Form wurde dann gegen die metallische Schicht gepresst, so dass die Struktur auf der Oberfläche der Ni-Form auf die Oberfläche der metallischen Schicht eingeprägt wird. Dies führte zu der Ausbildung einer Struktur aus Konkaven und Konvexen auf der Oberfläche der metallischen Schicht. Es ist zu beachten, dass die Ni-Form mit einem Druck von 3.000 kg/cm² unter Verwenden einer hydraulischen Pressvorrichtung gegen die metallische Schicht gepresst wurde.
• Die metallische Schicht mit der oben erwähnten eingeprägten Struktur wurde dann bei 18 V in einem verdünnten Schwefelsäurebad anodisiert. Wie in 5 gezeigt ist, führte dies zu der Herstellung einer Nanolochstruktur, in der eine Anzahl an Nanoröhrchen (Aluminiumoxid-Nanolöcher oder Aluminiumoxidporen) als Durchgangslöcher nur in den Vertiefungen auf eine solche Weise ausgebildet sind, dass sie sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der metallischen Schicht ausrichten. Es ist zu beachten, dass das Intervall zwischen benachbarten Nanolöchern in den Vertiefungen signifikant klein war (etwa 45 nm), die Dicke der metallischen Schicht (d. h. die Tiefe oder Länge eines jeden Nanolochs) 350 nm betrug, und der Öffnungsdurchmesser eines jeden Nanolochs 20 nm betrug.
• Danach wurde wie in Beispiel 1 der Schritt zum Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens, der Schritt zum Entfernen von Kohlenstoff, und der Schritt zum Lösen der metallischen Schicht durchgeführt, um eine erfindungsgemäße lineare Kohlenstoffnanoröhrchenkette 68 zur Verfügung zu stellen, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen 62 besteht, die an einem Ende so an einen linearen Gegenstand 66 gebunden sind, dass sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des linearen Gegenstands ausgerichtet sind (siehe 3F).
• (Beispiel 5)
• – Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchenkette –
• Während EB-Bestrahlung, die wie bei der Nanolochstruktur-Ausbildung von Beispiel 1 gemacht wurde, wurde die Bestrahlungsdosis mit einer gegebenen Frequenz verändert, wodurch eine Struktur von Konkaven und Konvexen erhalten wurde, in der die Weite einer jeden Konkave (Vertiefung) bei Intervallen von 100 nm verändert war, wie in 1A gezeigt ist. Danach wurde eine Ni-Form wie in Beispiel 3 hergestellt. Eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette von Beispiel 5 wurde dann wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde Anodisierung bei 40 V in verdünnter Schwefelsäure durchgeführt. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette wies eine Struktur wie jene in 1B gezeigt auf, und es wurde bestätigt, dass Nanolöcher (Aluminiumoxidporen) regelmäßig in Intervallen voneinander beabstandet waren, die jenen für Bereiche der Vertiefung mit einer großen Weite entsprechen.
• (Beispiel 6)
• – Herstellung von Zieldetektor –
• Als der oben beschriebene Halter wurden stabförmige Acrylplatten aus Kunststoff, die 10 cm Mal 1 cm und 1 cm dick waren, hergestellt, und es wurde ein 1 cm linearer Gegenstand 66 der Kohlenstoffnanoröhrchenkette 68 von jedem der Beispiele 1 bis 5 auf der Oberseite des Halters 82 mit einem Haftmittel (Aronalfa^{( TM )}, hergestellt von Toa Gosei) auf eine solche Weise immobilisiert, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen 62 in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu der Länge des Halters 82 orientiert sind. Auf diese Weise wurden Zieldetektoren 80 wie jene, die in 6 gezeigt sind, hergestellt.
• In den Zieldetektoren 80, die die in den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Kohlenstoffnanoröhrchenketten aufwiesen, sind Kohlenstoffnanoröhrchen mit Intervallen von 150 nm in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette beabstandet; somit beträgt die Anzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette 67.000. In dem Zieldetektor 80, der die in Beispiel 4 hergestellte Kohlenstoffnanoröhrchenketten aufwies, sind Kohlenstoffnanoröhrchen mit Intervallen von 45 nm in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette beabstandet; somit beträgt die Anzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette 222.000. In dem Zieldetektor 80, der die in Beispiel 5 hergestellte Kohlenstoffnanoröhrchenketten aufwies, sind Kohlenstoffnanoröhrchen mit Intervallen von 100 nm in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette beabstandet; somit beträgt die Anzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen in jeder Kohlenstoffnanoröhrchenkette 100.000.
• – Beurteilung der Adsorptionsfähigkeit vom Zieldetektor –
• Nachweis einer eine Störung des Hormonsystems verursachenden Chemikalie wurde durch ihr Adsorbieren an einen nachfolgend hergestellten Zieldetektor durchgeführt.
• Wie in 6 gezeigt ist, wurde ein Zieldetektor 80 durch Immobilisieren von 100 Kohlenstoffnanoröhrchenketten 68 von Beispiel 5, die jeweils einen linearen Gegenstand von 2 cm Länge und in Intervallen von 100 nm beabstandete Kohlenstoffnanoröhrchen aufwiesen, an den Halter 82 hergestellt. Wie in 7A gezeigt ist, wurden die Kohlenstoffnanoröhrchenketten 68 des Zieldetektor 80 in eine Lösung eingetaucht, die Bisphenol A, eine das Hormonsystem störende Chemikalie, mit einer Konzentration von 1 ng/ml enthielt. Wie in 7B gezeigt ist, wurde der Zieldetektor 80 dann aus der das Bisphenol A enthaltenden Lösung herausgenommen und in eine Methanollösung eingetaucht, wobei die adsorbierten Bestandteile in die Lösung freigesetzt wurden. Analyse der Lösung durch Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie zeigte die Anwesenheit von Bisphenol A. Es wurde auch nachgewiesen, dass auch quantitative Analyse möglich ist, da die Intensität des Nachweissignals im Wesentlichen proportional zu der Konzentration ist.
• Aus den oben gezeigten Ergebnissen wurde nachgewiesen, dass Nachweis von Bisphenol A selbst in Spurenkonzentrationen möglich ist, d. h. der Zieldetektor mit den Kohlenstoffnanoröhrchenketten weist eine Adsorptionsfähigkeit für Bisphenol A auf und kann somit für die Adsorptionsnachweistechnik verwendbar sein, die eine selektive Adsorptionsfähigkeit verwendet. Es sollte beachtet werden, dass der oben beschriebene Zieldetektor eine ähnliche Adsorptionsfähigkeit für 4-n-Nonylphenol, 4-tert-Octylphenol, Dioxin, etc. besaß.
• (Beispiel 7)
• – Zielnachweis –
• Es wurde Nachweis von α-Fetoprotein (AFP) unter Verwenden eines Zieldetektors mit chemisch modifizierten Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt.
• Die Kohlenstoffnanoröhrchenketten 68 des Zieldetektors 80 von Beispiel 6, wobei 100 Kohlenstoffnanoröhrchenketten 68 von Beispiel 5 mit jeweils einem 2 cm langen linearen Gegenstand und mit Intervallen von 100 nm beabstandeten Kohlenstoffnanoröhrchen an den Halter 82 immobilisiert sind (siehe 6), wurden zuerst in konzentrierte Salpetersäurelösung getaucht und für 3 Stunden auf 800°C erwärmt, um eine Carboxylgruppe (-COOH) bei den Kohlenstoffnanoröhrchen 62 einzuführen. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 62 wurden dann mit Streptavidin modifiziert, gefolgt von Immobilisierung von biotinyliertem anti-AFP-Antikörper daran. Dann lies man eine AFP-haltige Probe und einen Ru(bpy)²-markierten Anti-AFP-Antikörper auf die Kohlenstoffnanoröhrchen 62 einwirken, gefolgt vom Nachweis von AFP durch Elektrochemilumineszenz unter Verwenden von Ru(bpy)₃ ²⁺. Die Nachweisgrenze Von AFP betrug niedrige 10 ng/ml und quantitativer Nachweis war möglich. Es wurde daher nachgewiesen, dass dieser Zieldetektor für Analyse von Biomakromolekülen verwendbar sein kann, die eine chemische Modifikation mit sich bringt.
• Erfindungsgemäß ist es möglich, die oben erwähnten herkömmlichen Probleme zu lösen und eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette zur Verfügung zu stellen, die aus einer Reihe von Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer Länge von 1 μm oder weniger besteht, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette zum Beispiel in geeigneter Weise als ein Zieldetektor oder Sensor verwendet wird; ein effizientes Herstellungsverfahren für die Kohlenstoffnanoröhrchenkette; einen Zieldetektor, der unter Verwenden der Kohlenstoffnanoröhrchenkette zu einem hochempfindlichen Nachweis und qualitativer und quantitativer Analyse von verschiedenen Typen von Zielen in der Lage ist, einschließlich Krankheit verursachenden Substanzen, biologischen Substanzen und toxischen Substanzen, und der in geeigneter Weise als ein Biosensor und Gassensor verwendet werden kann; und ein Zieldetektionsverfahren, das unter Verwenden des Zieldetektors zu einem leichten hochempfindlichen Nachweis von Zielen in der Lage ist.
• Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchenkette vermag verschiedene Typen von Zielen nachzuweisen, einschließlich Krankheit verursachende Substanzen, biologische Substanzen und toxische Substanzen, und ist in geeigneter Weise auf verschiedenen Feldern anwendbar, einschließlich Sensoren, wie zum Beispiel Zieldetektoren, Biosensoren, und Gassensoren.
• Der erfindungsgemäße Zieldetektor vermag auch verschiedene Typen von Zielen nachzuweisen, einschließlich Krankheit verursachende Substanzen, biologische Substanzen und toxische Substanzen, und ist in geeigneter Weise auf verschiedenen Feldern anwendbar, einschließlich Sensoren, wie zum Beispiel Zieldetektoren, Biosensoren, und Gassensoren.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhrchenkette verwendet werden.
• Das erfindungsgemäße Zieldetektionsverfahren ist zum leichten, hochempfindlichen Nachweis von Zielen in der Lage.

Claims (18)

1. Eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette, die enthält: einen Träger; und eine Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen, die mit einem Ende an eine Oberfläche des Trägers gebunden sind; wobei die Mehrzahl an Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Trägers ausgerichtet ist und die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Reihe angeordnet sind, und der Träger ein linearer Gegenstand ist und aus Kohlenstoff gemacht ist.
2. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach Anspruch 1, wobei das Ende eines jeden der an den Träger gebundenen Kohlenstoffnanoröhrchen geöffnet ist und das andere Ende davon geschlossen ist.
3. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen hinsichtlich Länge, Dicke und/oder Außendurchmesser identisch sind.
4. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Durchschnittslänge der Kohlenstoffnanoröhrchen 1 μm oder weniger beträgt.
5. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem funktionellen Material bedeckt sind.
6. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach Anspruch 5, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette zum Einfangen eines Detektionsziels geeignet ist.
7. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette einen Zieleinfangkörper enthält, der einen Bindeabschnitt, der an die Kohlenstoffnanoröhrchen gebunden werden kann, und einen Zieleinfangabschnitt enthält, der ein Detektionsziel einzufangen vermag.
8. Die Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach Anspruch 7, wobei das Kohlenstoffnanoröhrchen und der Zieleinfangkörper durch chemische Bindung zusammengehalten sind.
9. Ein Zieldetektor, der enthält: eine Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und einen Halter; wobei die Kohlenstoffnanoröhrchenkette einen Einfangabschnitt enthält, der ein Detektionsziel einzufangen vermag.
10. Der Zieldetektor nach Anspruch 9, wobei der Einfangabschnitt aus einem Zieleinfangkörper ausgebildet ist, der einen Bindeabschnitt, der an das Kohlenstoffnanoröhrchen gebunden werden kann, und einen Zieleinfangabschnitt enthält, der ein Detektionsziel einzufangen vermag.
11. Ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchenkette nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das umfasst: Ausbilden von Vertiefungen in einer metallischen Schicht; Durchführen einer Behandlung zum Ausbilden von Nanolöchern, um eine Nanolochstruktur auszubilden, in der eine Reihe von Nanolöchern in jeder der Vertiefungen ausgebildet ist, wobei die Nanolöcher in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche der metallischen Schicht ausgerichtet sind; Ausbilden eines Kohlenstoffnanoröhrchens in jedem der Nanolöcher, Entfernen von auf Oberflächen von Erhebungen der metallischen Schicht zwischen den Vertiefungen abgeschiedenem Kohlenstoff; und Weglösen der metallischen Schicht.
12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die metallische Schicht aus Aluminium gemacht ist.
13. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Weite der Vertiefungen entlang ihrer Länge in regelmäßigen Intervallen verändert wird.
14. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Behandlung zur Ausbildung von Nanolöchern Anodisierung ist.
15. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen durch chemische Dampfabscheidung (CVD) ausgebildet werden.
16. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Entfernen von auf Oberflächen der Erhebungen der metallischen Schicht abgeschiedenem Kohlenstoff durch Wrappen und/oder chemisch-mechanisches Polieren (CMP) durchgeführt wird.
17. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Entfernen von auf Seitenflächen der Erhebungen der metallischen Schicht abgeschiedenem Kohlenstoff durch Anwendung eines Ionenstrahls und/oder eines Elektronenstrahls unter Winkeln in Bezug auf die Länge und Höhe der Erhebungen durchgeführt wird.
18. Ein Zieldetektionsverfahren, das umfasst: einen Zieldetektor nach einem der Ansprüche 9 oder 10 auf eine Probe einwirken lassen, die ein Detektionsziel enthält.

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