JP2001506931A - アフィニティー型自己集合システムならびにフォトニクスおよびエレクトロニクス用素子 - Google Patents

アフィニティー型自己集合システムならびにフォトニクスおよびエレクトロニクス用素子

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JP2001506931A
JP2001506931A JP52877198A JP52877198A JP2001506931A JP 2001506931 A JP2001506931 A JP 2001506931A JP 52877198 A JP52877198 A JP 52877198A JP 52877198 A JP52877198 A JP 52877198A JP 2001506931 A JP2001506931 A JP 2001506931A
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JP
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dna
scale
component
sequence
microscale
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JP52877198A
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ヘラー，マイケル・ジェイ
ケーブル，ジェフリー・エム
エセナー，サディック・シー
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University of California
Nanotronics Inc
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University of California
Nanotronics Inc
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    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/761—Biomolecules or bio-macromolecules, e.g. proteins, chlorophyl, lipids or enzymes

Abstract

(57)【要約】 分子電子および光素子の作成；シリコンまたは他の材料上へのナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサイズの部品の組織化、集合および相互接続；超小型電子または光電子部品および素子のパラメータでのナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサイズの部品の組織化、集合および相互接続；光および電子構造、素子およびシステムの作成、配列および製造；高ビット密度三次元および四次元光学データ記憶材料および素子の開発を行うための構成単位としての機能化されたプログラム可能な自己集合性核酸、核酸修飾構造および他の選択的アフィニティーまたは結合成分の電界支援自己集合を可能にする方法と装置。第一支持体上で第一部品素子を製作し、少なくとも一つの第一部品素子を第一支持体から放出し、その第一部品素子を第二支持体に輸送し、第一部品素子を第二支持体に取付ける各段階を含むマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。ある構造に複数のアフィニティー表面アイデンティティを与え、その構造を電界内で配向し、配向させた構造をアフィニティー部位と反応させる各段階を含む二次元および三次元分子スケール、ナノスケールおよびマイクロスケール構造の製作法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 アフィニティー型自己集合システムならびに フォトニクスおよびエレクトロニクス用素子発明の分野 本発明は（1）分子電子および光素子の作成、（2）シリコンまたは他の材料上 へのナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサイズ部品の組織化、集合および相 互接続、（3）超小型電子または光電子部品および素子の外周内でのナノ構造、 サブミクロンおよびミクロンサイズ部品の組織化、集合および相互接続、（4） フォトニックおよびエレクトロニック構造、素子およびシステムの作成、配列お よび製造、（5）高ビット密度（大バイト）三次元および四次元光学データ記憶 材料および素子の開発ならびに（6）物品または文書内の情報の認証、偽造防止 および暗号化用の低密度光学記憶装置の開発を行うための構成単位として、プロ グラム可能な機能化自己集合性核酸、核酸修飾構造および他の選択的アフィニテ ィーまたは結合成分を使用する方法論と技術に関する。また本発明は関連する超 小型電子および光電子素子、システム、ならびにその素子自体のまたは他の基板 材料上の選択した位置への自己集合性ナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサ イズ部品の電界輸送および選択的アドレッシングを提供する製造プラットフォー ムに関する。関連出願の情報 本願は、出願番号07/790,262（出願日1991年11月7日；発明の名称「Self-Orga nizing Molecular Photonic Structures Based on Chromophore-and Fluorophor e-Containing Polynucleotide and Methods of Their Use」；継続出願番号08/2 50,951（出願日1994年5月27日）を経て米国特許第5,532,129号として発行済）お よび許可された出願番号08/258,168（出願日1994年6月10日；発明の名称「DNA O ptical Storage」）の一部継続出願である出願番号08/232,233（出願日1994年5 月5日；発明の名称「Hybridization of Polynucleotide Conjugated with Chrom ophores and Fluorophores to Generate Donor-to-Donor Energy Transfer Syst em」；米国特許第5,565,322号として発行済）の一部継続出願である出願番号07/ 146,504（出願日1993年11月1日；補正後の発明の名称 「Active Programmable Electronic Devices for Molecular Biological Analys is and Diagnostics」；米国特許第5,605,662号として発行済）および許可され た出願番号08/703,601（出願日1996年8月23日；発明の名称「Hybridization of Polynucleotide Conjugated with Chromophores and Fluorophores to Generate Donor-to-Donor Energy Transfer System」）の一部継続出願である許可された 出願番号08/271,882（出願日1994年7月7日；補正後の発明の名称「Methods for Electronic Stringency Control for Molecular Biological Analysis and Diag nostics」）の一部継続出願である出願番号08/304,657（出願日1994年9月9日； 補正後の発明の名称「Molecular Biological Diagnostic Systems Including El ectrodes」；米国特許第5,632,957号として発行済）の一部継続出願である許可 された出願番号08/534,454（出願日1995年9月27日；発明の名称「Apparatus and Methods for Active Programmable Matrix Devices」）の一部継続出願であり 、これらはすべてあたかもここにその全文を記載されたかのように参考文献とし て本明細書の一部を構成する。発明の背景 分子エレクトロニクス/フォトニクスとナノテクノロジーは技術的に限りない 将来性を持っている。ナノテクノロジーとは物体を複雑な原子仕様に構築する一 般能力に基いた将来の技術と定義される（Drexler，Proc ．Natl．Acad．Sci．US A ，78:5275-5278，1981）。ナノテクノロジーは一般に、顕微鏡レベルに至る種 々の複雑な構造を組織化し構築するための原子毎または分子毎の制御を意味する 。ナノテクノロジーは半導体および集積回路産業で現在使用されているリソグラ フィー技術のようなトップダウン方式とは対照的なボトムアップ法である。ナノ テクノロジーの成功は広範な分子構造および分子素子の構築を可能にするプログ ラム可能な自己集合性分子単位と分子レベルの工作ツール（いわゆるアセンブラ ー）の開発に基きうる（Drexler「Engines of Creation」ニューヨーク州ニュー ヨーク・Doubleday Publishing社）。 現在の分子エレクトロニック/フォトニック技術には様々な分野の科学者と技 術者による非常に多くの研究成果が含まれている（Carter編「Molecu1ar Electr onic Devicesl II」ニューヨーク州ニューヨークMarcel Dekker社，1987）。 それらの分野には有機ポリマー系整流器（Metzgerら「Molecular Electronic De vices II」Carter編，ニューヨーク州ニューヨークMarcel Dekker社，5〜25頁， 1987）、導電性共役ポリマー（MacDiarmidら，Synthetic Metals，18:285，1987 ），有機薄膜またはラングミュアーブロジェット膜の電子特性(Watanabeら，Syn thetic Metals ，28:C473，1989）、電子移動に基く分子シフトレジスター（Hopf ieldら，Science，241:817，1988）および様々な種類の「管状」微細構造を形成 する合成修飾脂質に基く自己集合システムがあるSinghら「Applied Bioactive P olymeric Materials」ニューヨーク州ニューヨーク・Plenum Press社，239-249 頁，1988）。共役有機ポリマーに基く分子光学または光素子（Bakerら，Synthet ic Metals ，28:D639，1989）と非線形有機材料も記述されている（Potemberら，Proc ．Annual Conf．IEEE in Medicine and Biology ，Part4/6:1302-1303，1989 ）。 しかし上述の文献はいずれも高レベルのまたはプログラム可能なレベルの自己 組織化または自己集合については記述していない。通例、エレクトロニックおよ び/またはフォトニック機構を実行する実際の分子成分は天然の生物学的なタン パク質または他の分子である（Akaikeら，Proc ．Annual Conf．IEEE in Medicin e and Biology ，Part4/6:1337−1338，1989）。現在のところ、効率のよいエレ クトロニクスまたはフォトニクス構造、機構もしくは素子を生成する完全に合成 的でプログラム可能な自己集合性分子の例はない。 生体系での自己集合の理解に関する進歩はナノテクノロジーと関係する（Drex ler，Proc ．Natl．Acad．Sci．USA，78:5275-5278，1981およびDrexler「Engine s of Creation」ニューヨーク州ニューヨーク・Doubleday Publishing社，1986 ）。重要な進歩を遂げている分野には集光性光合成系、エネルギー伝達電子輸送 系、視覚処理、神経伝導の組織化と、それらの系を構成するタンパク質成分の構 造および機能がある。いわゆるバイオチップは合成的または生物学的に修飾され たタンパク質を用いた分子電子素子の構築を表わす（Haddonら，Proc ．Natl．Ac ad．Sci．USA ，82:1874-1878，1985；McAlearら「Mo1ecular Electronic Device s II」Carter編，ニューヨーク州ニューヨーク・Marcel Dekker社，623〜633頁 ，1987）。 合成タンパク質（ポリペプチド）に関して若干の研究が導電性回路網を開発す る目的で行われている（McAlearら「Molecular Electronic Devices」Carter編 ，ニューヨーク州ニューヨーク・Marcel Dekker社，175〜180頁，1982）。また 他の研究者らは核酸系バイオチップの方が有望だろうと推測している（Robinson ら「The Design of a Biochip：a Self-Assembling Molecular-Scale Memory De vice（訳：バイオチップの設計：自己集合性分子スケール記憶素子）」Protein Engineering ，1:295-300，1987）。 生きているすべての生物における遺伝情報の運搬体である核酸、デオキシリボ 核酸またはDNAの構造と機能に関する理解も著しい進歩を遂げている（Watsonら 「Molecular Biology of the Gene」Vol．1，カリフォルニア州メンローパーク ・Benjamin Publishing社，1987）（図1参照）。DNAでは情報がヌクレオチドの 一次配列にその塩基単位アデニン、グアニン、シトシンおよびチミジン（A、G、 CおよびT）によってコードされている。DNA（またはポリヌクレオチド）の一つ の鎖はハイブリダイゼーションによってそれらの相補鎖を認識し結合して二本鎖 核酸二重構造を形成するというユニークな性質を持っている。これはAがTを認識 し、GがCを認識するという核酸固有の塩基対形成性によって起こりうる。与えら れたポリヌクレオチド配列はいずれもそれと正確に相補的な配列にのみハイブリ ダイズするので、この性質は極めて高度な特異性につながる。 核酸の分子生物学だけでなく核酸化学合成の分野も著しい進歩を遂げている。 この技術により、現在では1時間あたり15ヌクレオチドの合成速度で長さが100ヌ クレオチドを超える配列を効率よく合成できる高度に自動化された素子が開発さ れている。また発蛍光団、発色団、アフィニティーラベル、金属キレート団、化 学反応性基および酵素などといった官能基で核酸を修飾する技術も数多く開発さ れている（Smithら，Nature，321:674-679，1986；Agarawalら，Nucleic Acids Research ，14:6227-6245，1986；Chuら，Nucleic Acids Research，16:3571-169 1，1988）。 合成核酸と修飾核酸の開発の原動力となったのは臨床診断測定法（この分野は DNAプローブ診断法とも呼ばれる）にそれらが使用されるという可能性であった 。DNAプローブ診断測定系に高感度な蛍光検出性を付与する目的で修飾オリゴヌ ク レオチドに簡単なフォトニック機構が組み込まれた。この方法にはフェルスター 無放射エネルギー転移を行う発蛍光基および化学発光標識オリゴヌクレオチドが 使用された（Hellerら「Rapid Detection and Identification of Infectious A gents」Kingsburyら編，ニューヨーク州ニューヨーク・Academic Press社，345 〜356頁，1985）。フェルスター無放射エネルギー転移はある波長で励起された 蛍光供与基が吸収したそのエネルギーを共鳴双極子カップリング過程によって適 当な蛍光受容基に転移する過程である。好適な供与基と受容基の間のエネルギー 転移の効率は1/r6の距離依存性を持つ（Lakowiczら「Principles of Fluorescen t Spectroscopy」ニューヨーク州ニューヨーク・Plenum Press社，Chapter 10， 305〜337頁，1983）。 光素子に関して述べると、それらは一般に開発の進んだマイクロ製作技術を使 って密な配列で製作できる。しかしこれらは使用する基板の比較的高い欠陥密度 によって制限される小さな面積に集積できるに過ぎない。実用的で経済的に実行 可能であるためには、多くの場合、これらの素子を大面積シリコン集積回路内で 使用しなければならない。この問題の好適な例は垂直発振器型面発光レーザーで ある。数多くの潜在的応用例に対処するには、これらの素子を大面積シリコンIC に集積化することが極めて望ましいだろう。これら新しい素子をシリコンと統合 する際の主な障害は材質的不適合性と幾何学的不適合性の存在である。これらの 素子は最小限の性能劣化で下層のシリコン回路に影響を及ぼすことなく大きくま ばらな配列でシリコン上に集積化される必要がある。過去いくつかの部品集合技 術がこのような化合物半導体素子のシリコン上での集積化に関して広く研究され てきた。それらにはハイブリッドフリップチップ法またはエピタキシャルリフト オフ法および他の直接ボンディング法がある。これらのハイブリッド技術は有意 な進歩を遂げ、いくつかの部品デモによってこれらの技術の実行可能性が示され たが、これらの方法は幾何学的不適合性には対処していない。すなわち特殊素子 をそのマザー基板上に製作する際の寸法はそれらがホスト基板上に結合された時 に維持されなければならない。これは大面積部品上での小面積素子の集積化を経 済的に実行不可能にしている。 これら新しい素子をシリコンと統合する際の主な障害は材質的不適合性と幾何 学的不適合性の存在である。これらの素子は最小限の性能劣化で下層のシリコン 回路に影響を及ぼすことなく大きくまばらな配列でシリコン上に集積化される必 要がある。過去いくつかの部品組立技術がこのような化合物半導体素子のシリコ ン上への集積化に関して広く研究されてきた。それらにはハイブリッドフリップ チップ法またはエピタキシャルリフトオフ法および他の直接結合法がある。これ らのハイブリッド技術は有意な進歩を遂げ、いくつかの部品デモによってこれら の技術の実行可能性が示されたが、これらの方法は幾何学的不適合性には対処し ていない。すなわち特殊素子をそのマザー基板上に製作する際の寸法はそれらが シリコンボード上に結合または移植される時に維持されなければならない。 素子が元来小さな面積に密に製作されるものである場合、先行技術は、大きな 面積に分配されたまばらな素子アレイを作成できる集積技術を持っていない。こ れはミクロンサイズ素子の集積によって構成される大面積部品を経済的に実行不 可能にしている。この課題を解決するためにエレクトロニクス産業では階層実装 技術が使用されている。しかし大きな面積に比較的小さいピッチで規則正しい素 子アレイが必要な場合はこの課題は未解決のままである。この課題は、シリコン アクティブマトリックスが、大きな面積にわたって分布させる必要のある小さな トランジスターからなっているマトリックスディスプレイ（matrix addressed d isplay）の実装に伴う高いコストを見れば最もよくわかるだろう。したがって先 行技術のマイクロ製作技術では密な素子アレイが集積されている小面積部品に素 子が限定される。しかし特殊素子が大面積によりまばらに集積されることによっ て恩恵を受ける重要な応用例もいくつかある。 幾何学的制限を取り除く一方法として、その欠陥密度がシリコンの欠陥密度に ほぼ等しくなるまで半導体基板材料をさらに開発することが考えられる。これは 漸進的な進歩を必要とする長くて費用のかかるプロセスである。第二の方法はミ クロンおよびサブミクロンサイズの素子を取扱うことができ、それらを適当な位 置に移植できる特殊なロボットの開発である。その移植工程はなお逐次的で、素 子が一つずつ移植されて非実用的な処理時間を必要としうるので、これもまた非 実用的だと思われる。いずれにせよこれらの方法はどちらも10cm程度のマザーボ ード寸法に限定されうる。 記憶装置に関して述べると、データ処理エンジンは物理的にも概念的にもデー タとプログラムコマンドを格納する記憶装置から分離されている。プロセッサの 速度が時と共に速くなるにつれて、常により大きな記憶装置とより速いアクセス が要求されている。プロセッサ速度の最近の進歩は記憶装置へのアクセスにシス テムのボトルネックを生じるようになった。指令またはデータの獲得の遅延は有 意なプロセッサ待機時間の原因となりそれは貴重な処理時間の損失をもたらすか ら、この制限は重大である。 これらの懸念を解決するために様々な方法がとられてきた。一般にその解決策 には異なる特性を持つ様々なタイプの記憶装置を使用することが含まれる。例え ば通例キャッシュメモリと呼ばれる比較的少量の速くて一般に高価な記憶装置を プロセッサユニットに直結して使用することがよく行われる。これに加えて、容 量は大きいが一般に遅いDRAMやSRAMなどの記憶装置がCPUに連動される。この中 間記憶装置はしばしば少数の当座のアプリケーションには十分であるほど大きい が、すべてのシステムプログラムとデータを保持するほどには大きくない。通常 非常に大きいが比較的安価な大容量記憶装置は比較的遅い。あらゆるタイプの記 憶装置のサイズと速度を改善すると共に一般に記憶装置の1ビットあたりのコス トを下げる進歩は常になされているが、さらに速いプロセッサの要求を満たす必 要は依然として残っている。 過去20年間、大容量記憶装置の大半は回転型記憶媒体を使用してきた。「フロ ッピー」（フレキシブル）ディスクドライブにも「ハード」ディスクドライブに も磁気媒体が使用されている。情報はディスク上の規定された物理位置での磁化 の存在または不在によって格納される。通常、磁気媒体はシステムによってその 記憶装置への書き込みと記憶装置からの読出しの両方が可能であるという点で「 読出し-書き込み」記憶装置である。データはディスク表面近くに設置されたヘ ッドによってディスクに書き込まれ、またディスクから読出される。 回転型大容量記憶媒体に関する最近の進展は光学媒体である。コンパクトディ スクはディスク中の物理的変形がデータを示す読出し専用メモリである。この情 報は集束されたレーザービームを使って読出され、ディスクの反射率特性の変化 がデータ状態を示す。また光学分野にはデータの書き込みと読出しに磁気光学的 特性を利用する様々な光学記憶装置もある。これらのディスクはどちらも読出し 専用ドライブ、追記型(「WORM」）ドライブおよび多重読出し-書き込み記憶装置 である。一般に光学媒体は磁気媒体と比較してより大きな記憶容量を持つが1ビ ットあたりのコストが高く書き込み能に制限があることがわかっている。 電子式分子メモリへのポリマーの使用に関する提案がいくつかなされている。 例えばHopfield，J.J，Onuchic，J.N.およびBeratan，D.N．「A Molecular Shif t Register（訳：分子シフトレジスター）」Science，241:817，1988には、電荷 移動基を組み込んだポリマー系シフトレジスターメモリが開示されている。また 他の研究者らは電子式DNAメモリを提案している（Robinsonら「The Design of a Biochip:A Self-Assembling Molecular-Scale Memory Device（訳：バイオチッ プの設計：自己集合性分子スケール記憶素子）」Protein Engineering，1:295-3 00，1987を参照されたい）。この場合DNAは電子伝導性ポリマーと共に分子メモ リ素子に使用される。これら分子電子メモリの概念はどちらもデータの入力（書 き込み）とデータの出力（読出し）を実現する機構を提供しない。 分子電子メモリはとりわけその実際的な成果に関して期待はずれであった。提 案はなされたし最低限の試験も行われたが、一般にこれらの系が産業上実現され ることはなかった。さらに上述の系に特有の欠点は、シーケンシャルメモリが、 ほとんどのシステムに使用されるランダムアクセスメモリより一般にかなり遅い ということである。 上述の光学記憶装置には回折制限的な（diffraction limited）光学系の使用 が必要だという特有の課題がある。これはデータビットの最小サイズにサイズ制 限を課し、したがって記憶密度を制限する。これは与えられた物理的記憶位置に 1ビットのデータを格納する系に固有の制限である。 さらに上述のどの光学記憶システムでも情報はビット毎に格納されるので、メ モリ中のある物理的位置にアクセスすることによって得られるのは1ビットのデ ータだけである。ワード・ワイドメモリアクセスシステムは存在するが、これら は一般に与えられた位置に1ビットの情報を格納するので、ビット方式でアクセ スしようとワード・ワイド方式でアクセスしようと実質上同じ量の物理的記憶ス ペースが必要である。 システムは一般に速度と記憶密度が向上し、1ビットあたりのコストは低下し ているが、プロセッサ速度とシステム要件の間には今なお明らかなギャップがあ る。概要についてはByte（1993年7月号）の86〜87頁、Tom R．Halfhill著「New Memory Architectures to Boost Performance（訳：性能を向上させる新しいメ モリアーキテクチャ）」を参照されたい。より速くより密で1ビットあたりのコ ストがより安価な記憶装置が広く望まれおり、また現代のプロセッサシステム速 度の要求を満たしうる大容量メモリがとりわけ決定的に必要とされているにもか かわらず、十分に満足しうる解決策は現在までのところ提案されていない。現存 するパラダイムの根本的な限界はそれらシステムの漸進的な向上では克服され得 ない。 この分野では新しい改善された装置と方法が明らかに望まれているにもかかわ らず、最適な解決策はまだ提案されていない。発明の要約 通信、情報処理およびデータ記憶の技術は小さく速い電子および光素子の高度 集積アレイへの依存が強まりつつある。素子サイズが小型化しアレイサイズが大 きくなるにつれて従来の集積化技術はますますコストが高くなっている。光およ び電子素子の寸法は光および電子アレイ部品の集積化と製造に分子生物工学の使 用を可能にする。本発明は（1）分子電子および光素子の作成、（2）シリコンま たは他の材料上へのナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサイズ部品の組織化 、集合および相互接続、（3）超小型電子または光電子部品および素子の外周内 でのナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサイズ部品の組織化、集合および相 互接続、（4）フォトニックおよびエレクトロニック構造、素子およびシステム の作成、配列および製造、（5）高ビット密度（大バイト）三次元および四次元 光学データ記憶材料および素子の開発ならびに（6）物品または文書内の情報の 認証、偽造防止および暗号化用の低密度光記憶装置の開発を行うための構成単位 として、プログラム可能な機能化自己集合性核酸、核酸修飾構造および他の選択 的アフィニティーまたは結合性成分を使用する方法論と製造技術に関する。また 本発明は関連する超小型電子および光電子素子、システム、ならびにその素子自 体のまたは他の基板材料上の選択した位置への自己集合性ナノ構造、サブミクロ ン およびミクロンサイズ部品の電界輸送および選択的アドレッシングを提供する製 造プラットフォームに関する。 機能化核酸系ポリマー（例:DNA、RNA、ペプチド核酸、メチホスホネート（met hyphosphonate））は、特異的な相補二本鎖DNA構造の形成を可能にするDNAの塩 基対コード特性を利用して多数の光および電子素子ならびにシステムを組立てる ための手段を構成する。DNAのこのユニークな特性は、ナノ構造の特異的配置お よびアラインメントに使用できる（DNA配列による）プログラム可能な認識コー ドとなる。 好ましい態様として、光素子を位置合わせする方法では、まずそれらを特定の DNA配列で覆う。その素子の取付けが望まれるホスト基板の領域を特定の相補DNA 配列で覆う。基板とDNA被覆素子は溶液中に放出され、相補DNA鎖間でハイブリダ イゼーションが起こる。ハイブリダイゼーションは素子を基板上の適当な受容位 置に効率よく移植する。 より一般的に述べるとこの点で本発明は第一部品素子を第一支持体上に製作し 、少なくとも一つの第一部品素子を第一支持体から放出し、第一部品素子を第二 支持体に輸送し、第一部品素子を第二支持体に取付ける各段階を含むマイクロス ケールまたはナノスケール素子の製作法に関する。 この技術の応用例としては（1）大きな表面での発光アレイの製作、（2）二次 元または三次元フォトニック結晶構造の集合および（3）フラットパネルディス プレイ、医学診断装置およびデータ記憶システムなどの様々な混成集積部品の製 造が考えられる。 フォトニクスは情報処理、通信および記憶システムにおいてますます重要な役 割を果たしつつあるので、これによって、より速くより小さくより電力効率がよ く機能的に用途の広い集積システムがより安価に供給されるだろう。ナノ構造の 製作、集積化および自己集合技術を含む新しい製作技術が使用される。素子寸法 はサブミクロンレベルに縮小するので、分子生物工学の概念と原理を集積された 光および電子素子を製作するための製造技術として使用する本発明の概念を利用 することが重要になる。 本発明は合成DNAポリマーを組み込んだナノ構造、サブミクロンおよびミクロ ンサイズ構造に関する。これには小さい発色団分子で修飾されたDNAからDNA配列 で修飾された大きな構造（例えばミクロンサイズの構造）までが含まれる。合成 DNAポリマーは高度に特異的な結合親和性を持つように設計できる。ナノスケー ルの有機構造および金属構造またはミクロンスケールの半導体部品素子に共有結 合された場合、DNAポリマーは自己集合製作機構を提供できる。この機構は所望 の表面上の前もってプログラムされた特定位置への素子の選択的移植と前もって プログラムされた二次元または三次元格子への素子のクラスター形成の両方に使 用できる。光または電子部品素子をホスト基板上に移植するには、まずDNAポリ マーを相補配列と共に合成する。光部品素子とホスト基板の所望の領域（受容領 域）をそれら相補DNA配列で覆う。次にそのホスト基板を溶液に入れる。 本発明の一態様として、ある構造に複数のアフィニティー表面アイデンティテ ィを与え、その構造を電界内で配向させ、配向させた構造をアフィニティー部位 と反応させる各段階からなるナノスケールおよびマイクロスケール構造製作法が 提供される。 本発明のもうひとつの態様として、第一アフィニティー配列を支持体上の複数 部位に与え、その第一アフィニティー配列と反応しかつハイブリダイズされない 突出配列を持つ機能化第二アフィニティー配列を与え、第一アフィニティー配列 と第二アフィニティー配列を選択的に架橋する各段階を含む多重アイデンティテ ィ基板材料形成法が提供される。 本発明のさらなる態様として、光活性化可能な領域を選択的に照射することに よって、その領域に対応する電界を生じさせ、その電界を含む溶液に帯電した反 応物を提供し、発色性構造を順次集合させるために選択的照射を繰り返すという 各段階を含む発色性構造の集合法が提供される。 本発明の目的はプログラム可能な自己集合性分子構築単位の開発によってナノ テクノロジーおよび自己集合技術を可能にすることである。図面の簡単な説明 図1Aおよび1BはDNAの構造および関係する物理的寸法を示す図である。 図2は自己集合法のフローダイアグラムである。 図3Aは密なアレイとして製作された光素子をホスト基板上に再分配するための 装置および方法をマザー基板の配置にとらわれずに表わした透視図である。 図3Bは合成フォトニック結晶を形成するDNA補助自己集合によるナノスフェア のクラスター形成を表わす透視図である。 図4はシリコンにDNAを取付けるための取付け機構の断面図である。 図5は自己集合用光素子の各製造段階を示す図である。 図6はシリコンVLSIチップ上のアルミニウムパッドに蛍光性DNA配列を選択的に 取付けるための構造の平面図である。 図7はシリコン/シリコン酸化膜/アルミニウム上のDNA単層への則書き込み/撮 像の平面図である。 図8AはDNA光学記憶材料へのUV画像マスク書き込みとそれに続くハイブリダイ ゼーションの平面図である。 図8BはDNA光学記憶材料へのUV画像マスク書き込みの平面図である（解像度10 ミクロン）。 図9は多重書き込み材料を製造するための装置と方法を示す断片図である。 図10は後のハイブリダイゼーションのためにハイブリダイズしない突出配列を 残してDNA配列Bを基板に結合された配列AにハイブリダイズさせるDNA書き込み材 料製造法の一段階を示す断面図である。 図11は位置番号1が紫外線照射から遮蔽されると同時に遮蔽されていない位置 が照射されて配列AおよびB間の架橋を可能にする、DNA書き込み材料製造法の一 段階を示す断片図である。 図12は先に遮蔽した位置から非架橋配列Bを除去するためにデハイブリダイゼ ーション（dehybridization）が行われる、DNA書き込み材料製造法の一段階を示 す断片図である。 図13は機能化DNA配列Cを配列Bにハイブリダイズさせ、操作が繰返される、DNA 書き込み材料製造法の一段階を示す断面図である。 図14は位置1および2が遮蔽されると同時に位置3および4が照射されて配列Bお よびC間の架橋が起こる、DNA書き込み材料製造法の一段階を示す断面図である。 図15は位置2から配列Cを除去するためにデハイブリダイゼーションが行われる （位置2には固定配列Bが存在する）、DNA書き込み材料製造法の一段階を示す断 面図である。 図16は機能化DNA配列Dを配列Cにハイブリダイズさせる、DNA書き込み材料製造 法の一段階を示す断面図である。 図17は位置1、2および3が遮蔽されると同時に位置4がDNA配列DのDNA配列Ｃへ の架橋を引きこす光にさらされる、DNA書き込み材料製造法の一段階を示す断面 図である。 図18は位置3からDNA配列Dを除去するためにデハイブリダイゼーションが行わ れる（位置3には固定配列Cが存在し、位置4には固定配列Dが存在する）DNA書き 込み材料製造法の一段階を示す断面図である。 図19は各アイデンティティを実証するためにA、B、CおよびDアイデンティティ に相補的なDNA配列（4種類の各蛍光色素で標識されているもの）がハイブリダイ ズされる、DNA書き込み材料製造法の一段階を示す断面図である。 図20はA、B、CおよびDアイデンティティを持つチップ表面を示すDNA書き込み 材料製造法の一段階の断面図である。 図21は位置1および3をハイブリダイズ不能にし、位置2および4をハイブリダイ ズ可能にする選択的UV照射を示すDNA書き込み材料製造法の一段階の断面図であ る。 図22は各発蛍光団で標識されたDNA相補体が表面に適用されているところを示 すDNA書き込み材料製造法の一段階の断面図で、位置BとDだけが各蛍光性相補体 をハイブリダイズしている。 図23AはDNA取付け前のAPS反応済シリコン基板面に関する背景蛍光の平面画像 である。 図23BはAPS反応済基板に捕捉DNAを結合した後の背景蛍光の平面画像である。 図24AはAPSおよび捕捉DNAで処理した後、全チップ表面にわたってBodipy Texa s Redで標識した相補プローブ配列とハイブリダイズさせたチップの平面画像で ある。 図24Bはチップ表面右側のソラーレンで架橋されていないアイデンティティに 対する蛍光Bodipy Texas Red標識相補プローブのハイブリダイゼーション後のチ ップ表面の平面画像である。 図25Aは蛍光Bodipy Orange（b）相補プローブのチップ表面左側の（b）配列ア イデンティティへのハイブリダイゼーション後のチップ表面の平面画像である。 図25Bは架橋面（B）および非架橋面（A）の両方を各蛍光標識相補DNA（A）お よび（B）プローブとハイブリダイズさせた後のチップの平面図である。 図26Aは部分的な特異性でシリコン酸化膜に共有結合したDNAポリマー層に静電 的に結合した160ナノメートルビーズ（白い球体）の平面画像であり、10ミクロ ン四方の暗い形はDNA領域がUV不活性化されている部分で、この領域にはナノス フェアが結合しない。 図26Bは160ナノメートルビーズ（白い球体）で構築されたパターン画の平面画 像であり、ナノスフェアは部分的な特異性でシリコン酸化膜表面に共有結合した DNAポリマー層に静電的に結合されており、暗い領域はDNA領域がUV不活性化され ている領域を示し、この領域ではナノスフェアが結合しない。 図27A、BおよびCは蛍光標識された配列を形成するための装置と方法の各段階 を示す断面図であり、図27Aは特に機能化された表面を持つ基板を示し、図27Bは 機能化表面とその機能化表面に取付けられた捕捉配列Aとを持つ基板を示し、図2 7Cは機能化表面、配列Aおよびハイブリダイズした標識相補配列を持つ基板を示 す。 図28A、28Bおよび28Cは、多色画像を提供するための装置および方法の各段階 を示す断面図であり、図28AはBODIPY Texas Redで標識された表面部分を示し、 図28BはBODIPY Orangeで標識された表面部分を示し、図28CはBIODPY Texas Red で標識された表面部分とBODIPY Orangeで標識された他の部分を示している。 図29はマザーボードの一部領域への特殊素子の小さく密なアレイの結合をもた らす幾何学的寸法を維持するフリップチップボンディング配置の透視図である。 図30は小さく密なチップから密度の低いマザーボードへの小さく密な構造の広 域分配を示す透視図である。 図31は選択的接着剤を利用したマイクロ構造またはナノ構造の自己集合用の構 造を示す断面図であり、所定のタイプの特殊素子に特異的DNAポリマー接着剤が 与えられ、それら素子が付着しなければならない領域が相補的DNA接着剤で覆わ れている。 図32は特別に誘導体化された微小電極表面へのDNAの選択的電界沈着を示す断 面図である。 図33は相補DNA鎖間の選択的DNAハイブリダイゼーションによってホストマザー ボード基板に結合されたマイクロスケールまたはナノスケール構造を示す断面図 である。 図34はDNA結合を介して所定位置に保持されたナノ構造（左側）と高温サイク ル後の冶金接触によって保持されたナノ構造（右側）を示す断面図である。 図35は物理的マスキングと電荷誘導によってハイブリダイゼーション前に特殊 素子を配向させるための装置の断面図である。 図36は三次元DNAナノ構築技術を使って八面体（上図）を与え、また格子構造 に配置され表面に結合されて三次元素子を作るナノスフェア（下図）を与えるナ ノ素子形成用の構造を示す図である。 図37は素子の電界配向法の各段階を示す図である。 図38は電界配向法のさらなる段階を示す図である。 図39は超小型電子アレイ素子上でのナノ構造の輸送と集合を示す透視図である 。 図40A〜40Hは図39の環境を拡大した図であり、図40Aは正のバイアスが印加さ れた微小位置に向かって移動する負に帯電したタイプ1ナノ構造を示し、図40Bは 正のバイアスが印加された微小位置に蓄積されたナノ構造を示し、図40Cは正の バイアスが印加された微小位置にアレイ越しに導入され蓄積される負に帯電した タイプ2ナノ構造を示し、図40Bはそれぞれの位置でクラスターを形成したタイプ 1ナノ構造とタイプ2ナノ構造を示し、図40Eは微小位置1に負のバイアスを印加し 、中央の微小位置に正のバイアスを印加して負に帯電したタイプ1ナノ構造をそ の中央位置に移動させた時に始まる電子的自己集合を示し、図40Fはその特定微 小位置に蓄積しハイブリダイズするタイプ1ナノ構造を示し、図40Gは微小位置番 号8に負のバイアスを印加し、中央位置に正のバイアスを印加することによって 中央位置に移動したタイプ2ナノ構造を示し、図40Hはタイプ1ナノ構造にハイブ リダイズした相補DNA配列を含有するタイプ2ナノ構造を示す。 図41は8×8アレイの画像を示す。 図42はより大きいサイズの素子を基板またはマザーボード上に取付けおよび配 向させるための装置を示す図である。 図43はナノ構造製作用装置を示す図である。 図44はナノスケール素子のナノ製作用装置を示す図である。 図45はDNA光学記憶システムの透視図である。 図46A〜46Fは空間光アドレッシング法の各段階を示す図である。DNA の構造、特性および合成の重要な側面 合成DNAはそれを本発明の応用にとって有用な物質にする重要な特性をいくつ か持っている。最も重要な特性は（塩基対形成による）分子認識性と（ハイブリ ダイゼーションによる）自己集合性であり、これらはすべてDNA分子に固有の特 性である。他の重要な利点にはDNAを容易に合成できることと、その構造を種々 の官能基で容易に修飾できることがある。我々は広範囲にわたる種々の供与およ び受容発色基で機能化された合成DNAの自己集合的配置における光および電子エ ネルギー移動機構を広範に研究してきた。我々は特にこれら分子構造の情報伝達 または情報の出し入れに関与する基礎的な問題に注目した。この基礎研究は今、 ある単一の波長で光エネルギーを吸収し所定の複数波長で再放出するように設計 された高密度光学記憶材料への応用に利用されつつある。我々はまた現在シリコ ン表面上でのミクロンおよびサブミクロンサイズ構造の二次元および三次元組織 化にDNAポリマーを使用している。この研究は新しい光電子素子の開発に向けら れている。 DNA分子は本質的にプログラム可能で自己集合するので、これは本発明とここ に提案する応用にとって重要であると考えられる。これらのシステムを設計、合 成および組織化するには他の合成ポリマー系ではほとんど対応できないナノメー ター領域の制御が必要である。またDNA分子は比較的安定であり、それらをナノ 制作にとって好ましい材料にする特性を他にもいくつか持っている。 DNAと他の核酸型ポリマーに関する基本的技術は過去15年間にわたって核酸合 成化学に注ぎ込まれてきた莫大な努力に由来する。分子生物学者らはその診断薬 、遺伝子配列決定および薬物発見の研究で、技術とDNA物質に改良を加えてきた 。効率よいDNA合成、その修飾、リガンドおよび発色団による標識、固形支持体 への共有結合などの基礎的化学は現在では十分に発達した技術になっている。合 成 DNAは極めて多くの重要な構造的、機能的および機械的特性を組み込むことがで きる好ましい材料である。 DNAポリマーにはエレクトロニクスとフォトニクスに現在使用されているどの ポリマー材料よりも優れている重要な利点が三つある。第一に、DNAポリマーは 半導体またはフォトニック表面に高度に特異的な結合部位アイデンティティーを コードする方法を提供する。規定された位置に作られるこれらの部位は顕微鏡的 （ミクロン）サイズまたはサブミクロンサイズ、さらには分子（ナノメートル） サイズでありうる。第二に、DNAポリマーはこれらの部位のいずれかに特異的に 連結する方法を提供する。前もってプログラムされたDNAポリマーは自動的に自 己組織化する。最後に、DNAポリマーはナノテクノロジー用の構成単位となり、 これらは真に分子レベルの電子および光素子を作成するための自己組織化材料で ある。 DNAの特異性はその塩基成分の水素結合特性に内在する（アデニンはチミンの みと結合し、グアニンはシトシンのみと結合する）。DNAのこのような特異的塩 基対形成性により、DNAの相補配列は互いに「ハイブリダイズ」して二本鎖構造 を形成できる。DNAポリマーをプログラム可能な自己集合構造の形成に使用でき るのはこの固有の特性による。したがって光素子がそれに取付けられたある特定 のDNAポリマー配列を持つ場合、それはその相補DNAポリマー配列で覆われた素子 または表面にのみ結合（ハイブリダイズ）するだろう。極めて多様なDNA配列を 使用できるので、原理的には、それぞれが異なるDNA配列に取付けられた複数の 素子を同時に自己集合させることができる。以下に自己集合型ナノ製作にDNAポ リマーを使用することの重要な利点を挙げる。 1. DNAポリマーは自動機器で迅速かつ効率よく合成できる。これに対し従来 のポリマー化学はかなり複雑で、開発にコストがかかる。 2. 自己集合性単位格子として適当なサイズ（１nm〜60nm）である2〜150ヌク レオチドの長さのDNAポリマーを合成できる。 3. 任意の所望の塩基配列を持つDNAポリマーを合成でき、それらにはほとん ど無限の特異的連結用のプログラム可能な認識を与えることができる。 4. わずか10ヌクレオチドのユニーク配列を持つDNAポリマーでも高度に特異 的であり、それらの相補配列にのみ結合するだろう。したがってこの物質はわず か3.4nmの特異的連結を分子単位間に作ることができる。 5. DNAポリマーは発蛍光団、発色団、アフィニティーラベル、金属キレート 団、化学反応性官能基および酵素で共有結合的に標識できる。これにより重要な 光および電子特性をDNAポリマーに直接組み込むことができる。 6. DNAポリマーはその配列内のどの位置でも修飾でき、また個々のヌクレオ チド単位の数カ所を修飾できる。これは最大の性能が得られるように官能基の位 置を定める手段になる。 7. DNAポリマーはガラス、金属、シリコン、有機ポリマー、生体ポリマーな どの固体表面に共有結合的にも非共有結合的にも連結できる。それら取付け化学 は既存のものもあるし、また容易に開発される。 8. DNA分子自体の主鎖構造は異なる特性を生むように高度に修飾できる。し たがって既存の半導体およびフォトニック基板材料との適合性がある。 9. 修飾DNAポリマーを使って三次元構造を形成させることができるので、超 高密度二次記憶機構につながりうる。 10． DNAポリマーは冷却および加熱によって可逆的に集合または解離させた り、集合した状態を保つように修飾しうる。これは結果として得られるシステム の製造により多くの選択肢を生むことになるので、自己組織化材料にとって極め て重要な特性である。 11． DNAポリマー（核酸一般）の構造的特性と組織化特性はよく理解されて おり、簡単なコンピュータープログラムで容易にモデル化できる。したがってよ り複雑な分子光および電子素子を設計できる。発明の詳細な説明 本発明は自己集合性DNAポリマー、修飾DNAポリマー、DNA誘導体化構造および 他のアフィニティー結合成分をエレクトロニックおよびフォトニック機構、素子 およびシステムのナノ製作およびマイクロ製作に利用する方法論、技術および素 子に関する。また本発明は複合および多段階製作、組織化または集合により修飾 DNAポリマー、DNA誘導体化構造および他のタイプのアフィニティー構造または帯 電構造をシリコン表面または他の表面上もしくはその内部でより複雑な構造にで きる方法に関する。本発明において「DNAポリマー」とはポリマー型またはオリ ゴマー型（線状または三次元状）の核酸（例えばデオキシリボ核酸、リボ核酸（ 合成または天然）、ペプチド核酸（PNA）、メチホスホネートおよび主鎖構造が 陰性、陽性または中性種もしくは天然のリン酸エステル以外の結合を生むように 修飾されている他の形態のDNAなど）と定義される。また糖成分または塩基成分 が修飾または置換されている形態のDNAと、ヌクレオチド単位またはポリヌクレ オチド単位にリン酸エステルスペーサー成分、アミノ酸、ペプチド、多糖類、合 成有機ポリマー、シリコンポリマーまたは他の無機ポリマー、導電性ポリマー、 発色性ポリマーおよびナノ粒子またはナノ構造などといった（ただしこれらに限 らない）他の単位が挿入されているポリマー型DNAも含まれる。 本発明において「修飾または誘導体化DNAポリマー」とはDNAを他の分子、構造 または材料に共有結合することを可能にする化学的成分または生物学的成分（例 えばアミン類、チオール類、アルデヒド類、カルボキシル基、活性エステル類、 ビオチンおよびハプテンなど）で機能化された核酸であると広く定義される。ま た発色団、発蛍光団、キレート団、金属イオン、アミノ酸、ペプチド、タンパク 質、酵素、抗体、溶解度を変化させる脂肪族成分または芳香族成分、DNA分子上 の実効電荷を変化させる成分で修飾または誘導体化された形態のDNAも含まれる 。 本発明において「DNA誘導体化構造」とはナノ構造（有機、無機、生物学的構 造）、ナノ粒子（金、シリカおよび他の無機材料）、有機またはポリマーナノビ ーズ、サブミクロン素子、部品、粒子（フォトリソグラフィーまたはEビームリ ソグラフィーによって製造されるシリコン系素子）およびマイクロスケール素子 または粒子であって、その構造を別の構造、素子またはある表面の特定位置に特 異的に取付けまたは接続することを可能にする特定のDNA配列で機能化されてい るものと広く定義される。 「ナノ構造」という用語はサブミクロンサイズの構造を指すが、「ナノ」や「 マイクロ」などの用語は、ミクロンスケールの素子が技術的に10〜180ナノメー トルの長さを持つDNAポリマーで機能化されうるという意味で限定を意図するも のではない。 これらDNAのユニークな性質は、サブミクロン構造およびナノスケール構造の 特異的設置およびアラインメントに使用できる（DNA塩基配列による）プログラ ム可能な認識コードを提供する。特定のDNA配列を有機、半導体および金属化合 物に取付けるために必要な基礎的な化学と技術は当技術分野で知られており、そ のような応用を実施するための特殊な化学が記述されている。 好ましい態様では、光素子を基板表面に位置合わせし固定する方法としてまず 特定のDNAポリマー配列でそれらを覆う。次にその素子の取付けを望むホスト基 板の領域をそれに対する相補DNA配列で覆う。そのDNA被覆素子を含む溶液にその 基板をさらし、相補DNA鎖間のハイブリダイゼーションを起こさせる。このハイ ブリゼーション工程により、素子は基板表面上の正しい受容部位に効率よく移植 される。この自己集合製作法は例えば（1）大きな表面積での発光アレイの製作 および（2）二次元または三次元フォトニックバンドギャップ結晶構造の製作に 使用できる。 この製作技術はオプトエレクトロニクスの分野と、フラットパネルディスプレ イ、医学診断装置およびデータ記憶システムなどといった様々な混成集積部品の 製造に主な応用範囲を持つ。極めて小さい物理サイズを持つ新しい素子は種々の 量子閉じ込め技術を利用する。ほとんどの場合これらの素子は大面積（例えばス マートピクセルおよびディスプレイ）上に分布させることが好ましい。他の素子 は密で規則正しい結晶格子（例えばフォトニックバンドギャップ結晶）として集 合させうる。どちらの場合も現在それら素子の物理特性は理解されており、実施 可能な本発明の製作技術が必要とされる。新しい加工技術については、DNA自己 集合技術がこれらの素子の構築を可能にする。 集積フォトニックおよびエレクトロニックシステムにはナノ構造の製作、集積 化、相互接続および自己集合技術を含む本発明の製作技術を利用する。このよう な応用ではDNA自己集合製作技術が次の段階を含む。合成DNAポリマーは高度に特 異的な結合親和性を持つように設計される。DNAポリマーをナノスケールの有機 、金属または半導体部品素子に共有結合すると、これは自己集合製作機構になる 。この機構は所望の表面上の前もってプログラムされた特定位置に素子を選択的 に移植するためにも、また前もってプログラムされた二次元および三次元格子に 素子をクラスター化するためにも使用できる。 ホスト基板に光部品素子アレイを移植するには、図2に示すようにまず相補配 列を持つDNAポリマーを合成する。光部品素子とホスト基板の所望の領域（受容 領域）をそれら相補DNA配列で覆う。次にそのホスト基板をハイブリダイゼーシ ョン溶液に入れる。特定のDNAポリマーで覆われた素子もそのマザー基板からそ の溶液中に放出される。放出された素子は電気的または光学的に誘導された局所 的な場の影響下にそれらの受容領域に能動的に輸送できる（電気泳動）。ハイブ リダイゼーションは溶液の温度、イオン強度または電界強度を注意深く制御する ことによって行われる。素子がハイブリダイゼーションによってその特異的受容 領域に移植されたら、その溶液を除去し基板を乾燥する。次に冶金的（または共 融）ボンディングを高温で行うことにより、素子をホスト基板材料に完全に結合 させることができる。サブミクロン要素およびナノスケール要素の二次元または 三次元構造（例えばフォトニックバンドギャップ結晶）へのクラスター化も同様 の方法で行うことができる。この場合はホスト基板が他のナノスケール要素で置 き換えられる。ただし主な相違点はナノスケール要素上に異なるDNA鎖を位置づ けるために使用される取付け技術である。 DNAポリマーに基く自己集合製作技術は二つのユニークな特徴を持つ。第一に 、素子移植（ハイブリダイゼーション）工程中に相対的な素子間隔（基板によっ て規定されるもの）を維持する必要がなくなるので、ミクロン、サブミクロンま たはナノスケールの素子をマザー基板上に密に製作した後、それらを前もってプ ログラムされた方法でホスト基板上に再分配することができる（図3a）。 この特徴は大きいチップ内でのチップ内相互接続の実施可能性に絶大なる影響 を持つ。これは光素子をより高価でより小さい基板上に製作しなければならない シリコン系スマートピクセルのコストを低下させる。第二の特徴は多数のナノス ケール素子（例えば有機または金属ナノスフェア）を操作し相互に配向させうる ことである。この特徴は大きい格子定数を持ちフォトニックバンドギャップ特性 を示すのに望ましい配向対称性を持つ合成フォトニック結晶の「成長」を可能に する（図3b）。 したがってDNAポリマーの高度に特異的な結合親和性と自己集合性は、 （1）ミクロンスケールまたはナノスケールの光素子または電子素子をシリコ ン基板または他の基板の極めて広い領域にわたって自己集合および集積させるこ とを可能にして、低コストなスマートピクセルおよびディスプレイ素子をもたら し、 （2）誘電性ナノ構造を自己集合させてフォトニックバンドギャップ結晶を形 成させることを可能にして、すなわちDNAナノスフェアの自己集合によって作成 されるフォトニックバンドギャップ結晶層への発光素子の封入を可能にして、高 度に選択的な波長の素子および波長可変素子をもたらし、 （3）発色性分子とナノ構造単位を選択的に自己位置決定させることを可能に して、超高密度光学記憶媒体をもたらし、 （4）例えばフリップチップ用に低コストのまたは無支援ダイ・トウ・ダイ(un assisted die-to-die）加工を達成するためのボンディング構造（例えばボンデ ィングパッドとしての金、スズまたははんだ構造）の選択的位置決定をもたらし うる。 好ましい態様としてこれらの応用はその方法に四段階を要する。第一段階では DNAポリマー配列の設計および合成と、目的のサブミクロンおよびナノスケール 素子へのそれらの選択的取付けを行う。第二段階ではホスト基板表面上の前もっ て選択しておいた受容位置に特定の相補DNAポリマーを取り付ける。第三段階はD NAハイブリダイゼーション工程による素子の自己集合である。第四工程では電気 的接触を確立する。 本発明は分子生物学的原理（DNAの構造と機能）と光素子および電子素子の原 理を相乗的に統合するものである。光素子の側面としては、極めて小さい物理サ イズを持つ新しい素子は種々の量子閉じ込め技術を利用する。ほとんどの場合、 これらの素子は大面積（例えばスマートピクセルおよびディスプレイ）に分布さ れなければならない。また素子を密に集めて規則正しい結晶格子（例えばフォト ニックバンドギャップ結晶）を形成させなければならない場合もある。加工技術 については、自己集合DNA技術がDNAの合成、修飾およびハイブリダイゼーション というよく発達したその基礎とあいまってこれらの応用を可能にする技術である 。固形支持体および他の様々な材料へのDNA連結はシリコン、金、アルミニウム および他の無機ならびに有機材料にDNAを選択的に取付ける種々の方法によって 行 いうる。いくつかの薄膜加工技術はこれらDNA法を大いに補完するものである。 例えば後述するようにリフトオフ法はDNA配列を取付けたミクロンおよびサブミ クロン素子の製造に容易に適合させることができる。DNA に基く部品素子自己集合の重要な工程 DNAに基く部品素子自己集合法には四つの技術が重要である。それらはDNAポリ マー合成、DNA取付け化学、DNAの選択的ハイブリダイゼーションおよび半導体薄 膜および半導体素子のエピタキシャルリフトオフ法である。下記の項ではこれら の技術を要約する。 DNA の合成と誘導体化 DNAポリマー配列またはDNAオリゴマー配列の合成、それらの精製ならびに適当 な付属物および発色基によるそれらの誘導体化は次の好ましい方法で行うことが できる。DNA配列は自動DNA合成装置とホスホルアミダイト化学法およびその試薬 類により周知の方法で合成される。DNAポリマー（ポリヌクレオチド、オリゴヌ クレオチド、オリゴマー）はその後の取付けまたは機能化反応用の化学結合部位 に組み込まれた一級アミン基を持ちうる。これらの一級アミン基はその配列に関 する必要に応じてDNA構造の正確な位置に組み込むことができる。取付け配列は その後の表面結合反応用に末端リボヌクレオチドを含有してもよい。配列は（ア ミノ修飾オリゴマーを含めて）調製用ゲル電気泳動（PAGE）または高圧液体クロ マトグラフィー（HPLC）で精製できる。末端アミノ基を持つ取付け配列は金、銀 またはアルミニウム被覆部品またはシリコン酸化膜が存在する小領域に共有結合 するように設計できる。これらの配列はさらに3-（2-ピリジルジチオ）プロピオ ン酸スクシンイミジル（SPDP）と呼ばれるチオール化試薬で修飾できる。この試 薬はその後の金属表面への取付けに使用できる末端スルフヒドリル基を持つ配列 を生成する。末端リボヌクレオチド基を持つ他の取付け配列はシッフ塩基反応に よってジアルデヒド誘導体に変換できる。これらの取付け配列は次いでアミノプ ロピル化シリコン酸化膜表面に結合できる。電子または光子移動応答用に設計さ れる特定の配列は適当な発色基、発蛍光基または電荷移動基で機能化できる。こ れらの基の多くは上述の化学結合部位と容易に結合して安定な誘導体を形成する 活性試薬として既製品を入手できる。固形支持体へのDNAの取付けとホスト基板材料の調製 この段階では取付け配列を固形支持材料に共有結合する。固形材料にDNAを取 付ける一般的分野では、（i）ガラス（SiO2）、（ii）シリコン（Si）、（iii） ラングミュア-ブロジェット（LB）膜を含むいくつかの材料に配列が共有結合さ れてきた。ガラス、シリコンおよびアルミニウム構造は次の方法で調製されてき た。ガラスとシリコン（SiO2）はまず希水酸化ナトリウム溶液で処理され、アル ミニウムは希フッ化水素溶液で処理される。次にそれらの材料は取付け配列との 共有結合のために3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APS）での処理によっ て誘導体化される。これはその材料を10％APS/トルエン溶液中で2〜5分間還流す ることによって行われる。APSでの処理を行なった後、材料をトルエンで1回、続 いてメタノールで1回洗浄し、最後に100℃で1時間乾燥する。APS誘導体化材料へ の取付けは0.1Mリン酸ナトリウム緩衝液（pH7.5）中、1〜2時間の特定のジアル デヒド誘導体化取付けオリゴマーとの反応によって行われる（図4参照）。また 金属（金、銀、アルミニウム）部品と有機部品への取付けも行うことができる。 特殊素子の移植が起こる領域を線引きするために、相補DNAポリマーの選択的 取付け工程を行いうる。選択的取付けはDNA配列に固有の選択性または選択的取 付け化学を使用して、もしくは指向性電気泳動輸送によって実現できる。あるい は取付け後に望ましくない領域にあるDNA鎖をUV照射によって破壊することもで きる。この方法は一グループの素子を自己集合させる必要がある場合にのみ有用 である。この方法は通常の作業ではその後のDNA取付け操作を妨げることになり 、数グループの特殊素子を自己集合させる余地はない。取付け化学はDNAポリマ ーを取付けうる材料に強く依存する。 例えば保護ガラス層で覆われたシリコンチップ上のアルミニウムパッドにDNA を取付けるには、その試料を希薄な緩衝匪溶液に短時間浸漬することによってそ のアルミニウム領域を活性化する。この工程の最終結果は保護ガラス層には少数 のDNA鎖が付着するだけであるが、露出したアルミニウムパッドはDNAに対する反 応性が高いというものである。この素材選択性はDNAを所望の領域に取付ける便 利で普遍的な方法である。素材選択性をUVによる不活性化および電気泳動輸送と 組み合せると、反復可能な取付け工程を逐次的に行うことができる。 数タイプの特殊素子の同時自己集合について検討する。各受容パッドはそこに 結合させようとする素子に応じて分類される必要がある。この場合、各パッド群 はそこに結合される特殊素子に取付けられたDNA配列に相補的な特定のDNA配列で 覆われる必要がある。受容パッドを「前もってプログラム」するために各DNA配 列が適切なパッドに逐次取付けられる。これは電気泳動輸送法を使用し、DNAの 取付けを望まないパッドに負の電位をかけることによって容易に達成できる。そ れと同時に、所望の位置への取付けを促進するために正の電圧をかけることがで きる。また光学的に誘導される電界を使ってDNA鎖を所望の位置に移動させるこ ともできる。二組目のDNA配列を取付けるためにその操作を繰り返す。ホスト基 板上に一タイプの素子だけを自己集合させる必要がある場合はDNA取付け化学の 素材選択性を使用するだけで十分であることに留意されたい。DNAハイブリダイ ゼーションを望まない領域のUV照射が行われることになるだろう。 部品素子の調製とエピタキシャルリフトオフ 自己集合法にとって重要なもうひとつの段階は、DNAを取付け、その取付け工 程中にそれらを操作し、ハイブリダイゼーションに先立ってそれらを最終的に溶 液中に放出するためにサブミクロンおよびミクロンスケールの部品素子を調製す る段階である。エピタキシャルリフトオフ（ELO）法はこの技術のこれらの側面 を実質的に改善させうる。厚さ20nm〜10mmのエピタキシャル膜がその成長基板か ら分離され、取扱われ、操作されている。例えばこの技術を使ってIII-IV族半導 体薄膜が加工シリコンウェーハなどの異種基板に直接接合されている。リフトオ フに先立って様々な素子をマザー基板上に保ったまま膜上に製作できる。我々の 自己集合技術の第一段階は移植しようとする光素子の調製である。図５はこの調 製段階に関する好ましい工程経路を示している。光素子は標準的な方法でマザー 基板上、ELO法の要求に応じた犠牲層上に製作される。次に適当なコーティング 層をそれら素子上に沈着させる。素子材料に関して沈着物質の特徴を制御するこ とにより、塩類溶液に放出されたときの素子の挙動を制御できる。例えばコーテ ィング物質特性を制御することにより、溶液での素子方向を制御できる。厚いポ リイミド膜を遠沈してELO工程後の素子に物理的支持を与える。ELO工程を行い、 薄膜素子をそのマザー基板から分離する。プラズマエッチングを用いてそのポリ イミド保持膜の素子を伴わない領域を窪ませる。必要であれば光素子への良好な 電気的接触を保証するために金属層を沈着させることができる。次にDNA取付け 工程を行い、特定のDNA配列をすべての金属表面に共有結合する。前面をUV光で 照射することにより、それら光素子をDNAポリマーで覆われたポリイミド領域の 照射を可能にする自己整列遮蔽体として使用する。これらの領域ではDNAポリマ ーは反応してさらなるハイブリダイゼーションには適さない形態になる。次に溶 媒を使ってポリイミドを除去し、素子をさらなるハイブリダイゼーション工程に 使用される塩類溶液中に放出できる。 選択的DNAハイブリダイゼーション技術 ホスト基板を前もってプログラムし、部品素子を溶液中に放出したら、自己集 合過程が起こりうる。ハイブリダイゼーションには二種類の方法、すなわち（1 ）従来のハイブリダイゼーションと（2）電界を使った能動的ハイブリダイゼー ションを適用できる。 従来のハイブリダイゼーション法の場合、すべての素子を溶液中に同時に放出 できる。適切なハイブリダイゼーションストリンジェンシー温度およびイオン強 度の溶液中で素子を穏やかに撹拌することにより、適切な素子-受容器対が接触 すると相補DNA鎖のハイブリダイゼーションが起こる。ハイブリダイゼーション が起こる確率は適切な素子-ホストパッド対が接触する確率に直接相関しうる。 確率分布はおそらくランダムなので、溶液を素子で飽和させない限り大面積表面 で妥当なハイブリダイゼーション歩留まりを達成するには、この方法は長い時間 を要しうる。選択性とアラインメント精度を向上させるために、このハイブリダ イゼーション工程中に数回の制御された加熱および冷却サイクルを行いうる。加 熱サイクルでは弱くハイブリダイズした部品が解離して、より強い結合を形成す る機会を増やす。 能動または電子的ハイブリダイゼーションの場合は、マザーボード自体または 別の電極アレイ製造素子を使って、選択した位置に選択した部品素子を誘引し濃 縮する局所的電界を生じさせる。この方法の場合、マザーボードまたは製造素子 は電極として使用できる部位を持つ。選択した受容部位と補助電極の間に溶液を 横切る電位をかける。選択した素子上の実効電荷（−）とは反対のバイアス （＋）を印加された受容部位はこれら素子の電気泳動輸送と濃度に影響を及ぼし 、ハイブリダイゼーションと結合の速度を上昇させる。これらの部位は電子また は光アドレッシングを使って選択的にオン・オフできる。望ましくない素子タイ プの遮蔽効果を排除するためには、パルスDCまたはバイアスAC電界を適当な周波 数で適用できる。 電界効果は保護的にも使用できる。この場合は受容パッドに素子上の実効電荷 （−）と同じ（−）バイアスを印加する。そうすると素子はそれらの領域から追 い払われ、反対の電荷（＋）を持つ位置または中性の位置にのみ相互作用または 結合することになる。能動的電界輸送はマザーボードアレイ上の任意の位置への 部品素子および構造の複合および多段階アドレッシングを行うために使用できる 。 ハイブリダイゼーション中に考慮すべきもうひとつの重要点はマザーボードま たはホスト基板上の光素子のアラインメント精度である。回転が不変である円柱 状の光素子を想定する。この場合、素子とホストパッド直径がdであるとすると 、自然なハイブリダイゼーション工程では乾燥工程前にd/2のアラインメント精 度がまず達成されうる。d/2を超えるアラインメント不良で不良に位置合わせさ れた素子はハイブリダイゼーション工程中に強い結合を形成せず、ハイブリダイ ゼーションエ程の加熱および冷却サイクル中にその場に保持されないだろう。よ りよいアラインメント精度と配向は、能動的電界ハイブリダイゼーションを使用 すると可能である。基板を溶液から取り出したら、乾燥工程中の増加した表面張 力によってアラインメント精度がさらに改善されうる。 冶金的ボンディング ハイブリダイゼーション工程後、特殊素子は極めて高い結合力を持つ二本鎖DN A構造の形成によって適正な位置に保持される。次に組立品全体をすすぎによっ て洗浄し、乾燥する。DNA結合強度は固体状態のままであり素子を正しい位置に 保つ役割を果たす。しかしこの時点ではホスト基板と光素子の間に電気的接触が ない。ホスト基板と光素子の間のオーム接触を示す冶金的結合を達成する一方法 は、パッドと素子に両者を低温で共融的に結合させうる導電性材料を使用するこ とである。第二の方法はDNA取付け用の活性な金属層の下にハンダやインジウム のような低融点金属を使用することである。DNAポリマーはこのボンド内で崩 壊するだろうが、使用した最初のDNA添加因子に依存して接触抵抗増加の一因と なりうるだけである。 自己集合型発光アレイの開発 本発明の有用性の一例として発光アレイを有利に形成させうる。特定のDNAポ リマー配列を半導体発光ダイオード（LED）に共有結合し、相補DNA配列をホスト シリコン基板上の受容パッドに取付けることができる。被覆表面でのDNAの選択 的活性化/不活化にはUV/DNAパターン形成技術を使用できる。次にすべてのDNA誘 導体化試験構造および材料を、相補蛍光DNAプローブを使って、その選択的ハイ ブリダイズ能について試験する。特定のDNA配列で誘導体化されたLED試験素子を 相補DNA配列で誘導体化された試験基板にハイブリダイズさせうる。 自己集合型フォトニックバンドギャップ構造の開発 DNA自己集合技術を使ってフォトニック結晶を形成させうる。フォトニックバ ンドギャップ構造は適切な寸法、密度および間隔の要素で構成された二次元また は三次元配置の人工的な周期格子構造である。このような構造は光子状態密度の 変化と電磁波分散のギャップをもたらす。実際に、特定の光学波長で作動するフ ォトニックバンドギャップ構造が実証されている。フォトニックバンドギャップ 材料の考えうる応用例には、超低閾値レージングを達成するためのレーザーの自 然放出の操作、放射損失のない改善された導波構造、新しい光学変調器などがあ る。 本発明の一態様として、高い誘電率を持つナノスケールのロッドまたは球体を 低い誘電率を持つ媒体に配置する。空気などの低誘電率媒体に埋め込まれた最密 の四面体型に連結した誘電性球体（直径200nm、屈折率3.6）の三次元ダイヤモン ド格子配置はフォトニックバンドギャップを示す。本発明は高誘電率要素を低誘 電率材料中に所望の幾何学的配置で自己集合させることによってフォトニック結 晶を構築する新しい方法に関する。そのような構造を構築し、所望の格子構造と その格子部位にあるナノ要素を得るために、そのナノ要素へのDNA配列の選択的 取付けとDNA鎖の限られた配列のハイブリダイゼーションを使用する。磁気的性 質を示す金属球体にDNA鎖を取付けることができる。磁気的性質はその球体（二 次元結晶の場合はロッド）の配向を制御するために使用できる。金属球体はDNA 溶液に浸漬し、磁界を用いて整列させ、UV照射することができる。この技術によ り、複雑さが最も少ない製作法で二次元および三次元フォトニックバンドギャッ プ構造を能動光電子素子の周囲に「成長」させることができる。またナノスフェ アを連結するDNA結合はある程度柔軟であるので、この技術は可変フォトニック バンドギャップ構造を実現する手段にもなる。電子的配向法については下記「ナ ノスフェアとサブミクロン素子の電界配向合成法」の項で議論する。 20マーから50マーのサイズ範囲にある上述の様々なDNAポリマー（オリゴヌク レオチド）配列はホスホルアミダイト化学を使って自動DNA合成装置で合成でき る。より長いDNA配列は一般に、より長い物体を表面に結合する際に必要になる 。結合力はその物体を除去する結果につながる力（例えばせん断力）を克服しう るほど強くなければならないからである。長いDNA配列（＞50マー）はポリメラ ーゼ連鎖反応（PCR）技術を使って構築できる。DNA配列は適当な官能基（アミン 、チオール、アルデヒド、発蛍光団など）でさらに誘導体化しうる。全ての配列 はPAGEゲル電気泳動またはHPLCで精製できる。精製後、すべての配列を分析用PA GEゲルでその純度についてチェックした後、ハイブリダイゼーション分析法でそ の特異性について試験できる。 いくつかのDNA配列は、種々の有機ポリマー系ナノスフェア、半導体基板およ び他の材質の基板（ガラス、金、酸化インジウムスズなど）への共有結合用の新 たな化学を開発し、試験するために使用できる。新たな取付け化学は異なる半導 体材料への選択的取付けにさらなる選択肢と自由度を与える。 特定のDNAポリマー配列は半導体試験構造に共有結合でき、その相補DNA配列は 試験基板（マザーボード）材料に共有結合できる。被覆表面上のDNAの選択的活 性化/不活化にはUV/DNAパターン形成技術を使用できる。次にDNA誘導体化試験構 造および材料はすべて相補蛍光DNAプローブを使つて選択的ハイブリダイズ能に ついて試験される。 次に、特定のDNA配列で誘導体化されたナノスフェア、ナノ粒子および半導体 試験構造は、従来の技術（温度、塩類およびカオトロピック試薬）と電子技術（ 電気泳動）の両方を使って、相補DNA配列で誘導体化された試験基板（マザーボ ード）にハイブリダイズされる。ハイブリダイゼーション技術は選択性が最高 になり、非特異的結合が最小となるように最適化できる。 LED アレイの製作 特定のDNAポリマー配列を半導体発光ダイオード（LED）部品素子に共有結合し 、マザーボード材料にその相補DNA配列を共有結合できる。被覆表面上のDNAの選 択的活性化/不活化にはUV/DNAパターン形成技術を使用できる。次に特定のDNA配 列で誘導体化されたLED部品素子を相補DNA配列で誘導体化された試験基板（マザ ーボード）にハイブリダイズさせる。 フォトニック結晶構造の自己集合製作 マザーボード材料上に位置する発光試験素子の周囲に自己集合させるために、 複数の特定DNAポリマーアイデンティティーをナノ粒子またはナノスフェアに組 み込むことができる。被覆表面上のDNAの選択的活性化/不活化にはUV/DNAパター ン形成技術を使用できる。次に特定のDNA配列で誘導体化されたナノ粒子を相補D NAポリマーで誘導体化された基板（マザーボード）上に位置する発光試験素子に ハイブリダイズさせる。自己集合の他の側面 本発明は「自己集合」技術を使って広い領域（最大一辺数メートルに及ぶもの ）に特殊素子を同時に集合させる技術を提供する。この方法では移植されるべき 各素子は、何らかの形で、それがマザーボード上のどこに向けられたものである かを「知っている」。本発明は生体系に認められるプログラム可能な自己集合の 原理に基く新しい集積化技術に関する。この新しい技術により移植工程中に寸法 維持の必要がなくなる。我々の目的はDNA（デオキシリボ核酸）ポリマーを「選 択的接着剤」として使用したシリコン上でのマイクロ/ナノ構造の自己集合を実 証し、大面積マザーボード上にそれらの構造をまばらに集積化する技術を開発す ることである。これは図30に示すように異なる実質密度を持つ異なる素材ででき た素子を低コストかつ高精度で統合するものである。この方法はあらゆる生体系 に認められるプログラム可能な自己集合の原理に依拠し、よく理解されている既 存の合成DNA化学を実行手段として使用する。これらの技術には1）特殊素子をそ のマザー基板からエピタキシャルリフトオフ法で取り出し、2）我が社で特別に 開発されたDNA取付け化学を用いて選択的DNAポリマー配列をその特殊素子に 取付け、3）マザーボード基板上の適切な位置に相補DNAポリマー配列を選択的に 取付け、4）相補DNA鎖のハイブリダイゼーションを使って自己集合を行うことが 含まれる。この技術では、ミクロン/ナノサイズの特殊素子をマザーボード上の 指定された領域に取付けるためにDNAポリマー配列を洗練された極めて選択的な 接着剤として使用する（図31参照）。 選択的DNAハイブリダイゼーションと電界輸送技術 DNA配列を固形支持材料に取付けた相補DNA配列にハイブリダイズさせる技術は よく知られており、多くの生物工学、分子生物学、臨床診断用途に使用されてい る。一般にハイブリダイゼーション反応は適当な緩衝電解質塩類（例えば塩化ナ トリウム、リン酸ナトリウム）を含む水溶液中で行われる。温度はハイブリダイ ゼーション反応のストリンジェンシー（特異性）と速度を制御する上で重要なパ ラメーターである。半導体材料にDNA配列をハイブリダイズさせる技術がある。 第一の技術はシリコン酸化膜や種々の金属などといった固形支持材料へのDNAハ イブリダイゼーションの刻印またはパターン形成を可能にする取リソグラフィー 法である。第二の技術はDNA-ナノ構造（特定のDNA配列を取付けたナノ構造）を 基板材料上の選択した位置に電気泳動的に輸送する方法である。DNAを使ったUV リソグラフィー技術ではまず特定の取付けDNAポリマー配列の分子層で基板材料 を覆う。適当な遮蔽物を使用して数秒間UV照射（300nm）することにより、DNAの 取付け層にパターンを刻印することができる。UV光にさらされた基板上の領域に あるDNAはその相補DNA配列とのハイブリダイゼーションに関して不活性になり、 すなわち二本鎖構造を形成できない。図7は電子顕微鏡のグリッドパターンを使 って10ミクロンの線でパターン形成したシリコン構造上の蛍光DNAを示す。UVパ ターン形成後、その材料を相補蛍光標識DNAプローブとハイブリダイズさせ、エ ピ蛍光顕微鏡で調べる。蛍光画像分析は相補プローブがハイブリダイズした部分 （蛍光部分）とハイブリダイゼーションが起こらなかった部分（蛍光なし）を示 す。DNAに基くUVフォトリソグラフィー型プロセスだけでなく、電界に基く他の プロセスでも誘導体化DNAと帯電蛍光ナノスフェアを固形支持体上の選択的微小 位置に電気泳動的に輸送し沈着させることができる。この技術の基本的な方法と 装置を図32に示す。負に帯電したDNA、サブミクロンまたはミクロンスケールの 構造を水溶液中に懸濁し、負のバイアスを印加した他の位置に対して、正のバイ アスを印加した微小位置に電界によって輸送できる。これは、基板材料上の特定 の位置への特異的に標識された素子の輸送を方向づける機構になるという点でと りわけ重要な技術である。 ミクロン/ナノスケール構造の調製 我々の自己集合技術の第一段階は移植用特殊素子の調製である。この場合、特 殊素子は標準的方法でそのマザー基板上、ELO工程が必要とする犠牲層上に製作 される。次にそれらが塩類溶液中でブラウン運動様の動きを持つことを保証する ために、適当なコーティング層をそれら素子上に沈着させる。素子材料に関して 沈着物質の特徴を制御することにより、塩類溶液中に放出されたときの素子の挙 動を制御することができる。例えば我々はコーティング材料の性質を制御するこ とにより溶液中での素子の向きを制御することができた。素子をコーティングし たら、ELO工程後の素子に物理的支持を与えるために厚いポリイミドフィルムを 遠沈させる。ELO工程を行って、その薄膜素子をマザー基板から分離させること ができる。プラズマエッチングを使ってポリイミド膜を窪ませることにより、金 属層が連続的にならないように十分なステップをつけることができる。次にDNA 取付け工程を行って、特定のDNA配列を全ての金属面に共有結合させることがで きる。UV光を素子の前面から照射することにより、露出した保護されていないDN A領域を破壊するか、さらなるハイブリダイゼーションには適さない形態にする ことができる。次に適切な溶媒を使ってポリイミドを除去し、素子をさらなるハ イブリダイゼーション工程に使用される塩類溶液中に放出することができる。 マザーボード基板の調製 特殊素子の移植が起こる領域を線引きするために、相補DNAポリマーの選択的 取付け処置を行わなければならない。選択的取付けはDNA配列に固有の選択性ま たは選択的取付け化学を使用して、もしくは指向性電気泳動輸送によって実現で きる。あるいは取付け後に望ましくない領域にあるDNA鎖を取照射によって破壊 することもできる。この方法は一グループの素子を自己集合させる必要がある場 合にのみ有用である。 上記の項に記述したように、DNA取付け化学はDNAポリマーを取付けうる材料に 強く依存する。例えば保護ガラス層で覆われたシリコンチップ上のアルミニウム パッドにDNAを取付けるために、我々はまずその試料を希薄な緩衝即溶液に短時 間浸漬することによってそのアルミニウム領域を活性化する。この工程の最終結 果は保護ガラス層には少数のDNA鎖が付着するだけであるが、露出したアルミニ ウムパッドはDNAに対する反応性が高いというものである。この素材選択性はDNA を所望の領域に取付ける便利で普遍的な方法である。素材選択性を則による不活 性化および電気泳動輸送法と組み合せると、反復可能な取付け工程を逐次的に行 うことができる。数タイプの特殊素子の同時自己集合について検討する。各パッ ドはそこに結合させようとする素子に応じて分類される必要がある。この場合、 各パッド群はそこに結合される特殊素子に取付けられたDNA配列に相補的な特定 のDNA配列で覆われる必要がある。マザーボードパッドを「前もってプログラム 」するために各DNA配列が適切なパッドに逐次取付けられる。これは電気泳動輸 送法を使用し、DNAの取付けを望まないパッドに負の電位をかけることによって 容易に達成できる。それと同時に、所望の位置への取付けを促進するために正の 電圧を印加することができる。二組目のDNA配列を取付けるために、プログラム された電圧の異なるセットを使って、その操作を繰り返す。したがって複数タイ プの素子の自己集合を同時に行う必要がある場合は、マザーボードの受容パッド に適切なセットの正および負電位をかけることによって、それらのパッドをプロ グラムすることができる。ホスト基板上に一タイプの素子だけを自己集合させる 必要がある場合は、DNA取付け化学の素材選択性を使用するだけで十分である。 特定のDNAポリマー：選択的接着剤 マザーボードが前もってプログラムされ、特殊素子が塩類溶液槽に放出されて その中で自由に移動するようになると、自己集合過程が起こりうる。適切な（ハ イブリダイゼーション）ストリンジェンシー温度では、溶液中の素子を穏やかに 撹拌することにより、適切な素子-パッド対が接触するにつれて相補DNA鎖のハイ ブリダイゼーションが起こりうる（図33参照）。この工程を達成するには数種類 の方法を検討しうる。従来のハイブリダイゼーションと電子的ハイブリダイゼーション この方法ではすべての素子を溶液中に同時に放出でき、ハイブリダイゼーショ ンが起こる確率は適切な素子-パッド対が接触する確率に直接相関しうる。極め て簡略化した仮定の下で、ハイブリダイゼーションの確率Phは利用できるパッド の総面積Apのマザーボード面積Ambに対する比にほぼ相関しうる： Ph∝NAp/Amb （式中、Nは溶液中の特殊素子群の一つの実質密度である）。確率分布はランダ ムだと予想されるので、妥当なハイブリダイゼーション歩留まりを達成するには 、この方法は長い時間を要しうる。あるいは特殊素子で溶液を飽和させる必要が あるかもしれない。これはこの工程のコストを引き上げ、自己集合させうる特殊 素子のタイプ数を制限しうる。選択性とアラインメント精度を向上させるために は、このハイブリダイゼーション工程中に数回の加熱および冷却サイクルを行う 。加熱サイクルでは弱くハイブリダイズした部品が解離して、より強い結合を形 成する機会を増やす。 エピタキシャルリフトオフ法 自己集合法の重要な部分は、DNAを取付け、その取付け工程中にそれらを操作 し、ハイブリダイゼーションに先立ってそれらを最終的に溶液中に放出するため のミクロン/ナノスケール素子の調製である。最も一般的なELO法は、AlGaAs系合 金に対する希即酸の選択性を使用することである。高アルミニウム合金は約1mm/ 時の速度でエッチングされるが、高ガリウム合金のエッチング速度はほとんど検 出不可能で0.1mm/時未満である。AlAsの中間層は溶解し、上部のエピタキシャル 層が基板から簡単に浮かび上がることを可能にする。機械的剥離（CLEFT）やエ ッチング停止層までの全基板エッチングなど、他の分離法も使用されている。厚 さ20nm〜10mmのエピタキシャル膜がその成長基板から分離され、取扱われ、操作 されている。 例えばこの技術を使ってIII-V族半導体薄膜が加工シリコンウェーハなどの異 種基板に直接接合されている。ELO膜の機械的柔軟性は基板トポグラフィーに対 するその膜の完全な整合を可能にし、それが強く完全な結合を生む。次にELO技 術は設計された基板上に一体構造様のエピタキシャル薄膜を作る。リフトオフに 先立って様々な素子をマザー基板上に保ったままその膜上で製作できる。ELO技 術はフリップチップハンダ突起実装法などのハイブリッド法と直接ヘテロエピタ キシー法などの完全な一体構造法の中間的な位置にあるが、これは両者の利点を 合わせ持っている。ELOはIII-V族薄膜の縁を超えてシリコンマイクロチップ基板 に行き来する薄膜金属配線を可能にする真の薄膜技術である。同時にその薄膜は 格子整合的かつ本質上ホモエピタキシー的に成長する。発光体などの少数単体素 子にとって最も重要なことに素材の品質は決して損なわれない。ELO技術がハイ ブリッドフリップチップ技術より有利な点には実装キャパシタンスが低く、実装 密度が高いことがある。高速超小型回路にとって、配線キャパシタンスは極めて 低くなければならない。不利益は単に加わった電力損失の負担だけではない。金 属相互接続の直列抵抗は無視できないので、電力損失問題とは無関係に、RC時定 数が最終的に光電子超小型回路の速度を著しく制限するように作用するだろう。 最終的に達成できる実装密度は技術の作業寸法に比較していくらか縮尺される。 したがってELOはこの点でハンダ突起技術よりも多くを提供する。 加工シリコン超小型回路でのELO膜移植にはマイクロチップ上の沈着酸化膜表 面の超微細スケールの粗度を考慮する必要がる。粗面性はファンデルワールス結 合または冶金的結合の質を損なう。DC 電界下での逐次ハイブリダイゼーション ハイブリダイゼーションの確率を増加させるための第二の方法は、各素子グル ープを個別に導入し、正のバイアスを印加したパッド付近の領域内に特殊素子を 閉じ込めることである。この閉じ込めは適当な正電圧をパッドに印加することに よりDC電界の影響下に行いうる。そうすると電界の効果は上式における面積比を 増加させる、言い換えると素子密度Nを増加させるという見方ができる。しかし この場合は、正しい素子がパッドに達するのを望ましくない素子グループが遮蔽 することのないように、各素子グループは逐次的に導入される必要がある。AC 電界下での並行ハイブリダイゼーション 逐次ハイブリダイゼーションの不利な点は特殊素子のタイプが増えるにつれて 製造コストが増加することである。これに代わる方法は、すべての素子タイプを 溶液中に同時に導入し、各パッド周辺に素子を分布させるために初期DC電圧をか けた後、適当な周波数でAC電圧をかけることにより、望ましくない素子タイプの 遮蔽効果を除去することである。AC電界の効果はより強い撹拌機構と見ることが できる。 冶金的結合 ハイブリダイゼーション工程後、特殊素子はそれぞれ適切な位置に極めて高い 結合力を持つ二本鎖DNA構造によって保持される。次に組立品全体をすすぎによ って洗浄した後、乾燥する。この時点ではマザーボードと特殊素子の間に電気的 接触がない。DNA結合強度は固体状態のままで、素子をその場に維持する役割を 果たす。オーム接触した冶金的結合を達成する一方法はパッドおよび素子上に低 温で両者を共融的に結合させうる導電性材料を使用することである。第二の方法 はDNA取付け用の活性な金属層の下にハンダやインジウムのような低融点金属を 使用することである。この場合突起はナノメートルサイズで作成されなければな らない。素子はDNA結合によってその場に保持されるが、どちらの場合も加熱に よって冶金的結合とオーム接触の形成がもたらされるだろう。DNAポリマーはそ の結合内に残るが、使用した最初のDNA添加因子に依存して接触抵抗増加の一因 となりうるだけである。図34は上述の工程を示している。 特殊素子のアラインメントと配向 自己集合法で対処する必要のある重要な問題の一つは特殊素子をマザーボード 上のパッドに位置合わせする際に可能な精度である。我々はまず特殊素子が円形 の基部を持ちその工程が回転不変だと仮定する。この場合、パッドの直径をｄと すると、DNA結合工程によりd/2のアラインメント精度を達成できると予想される 。d/2を超えるアラインメント不良で不良に位置合わせされた素子はハイブリダ イゼーション工程中に強い結合を形成せず、ハイブリダイゼーション工程の加熱 および冷却サイクル中にその場に保持されないだろう。また先の項に概説したナ ノ突起技術を使用すれば、冶金結合を形成させるための高温サイクル後に、素子 はフリップチップボンディングで使用されるC4技術と同様にしてパッドに自己整 列されうる。 特殊素子が円対称な底部を持たずパッド上に一定の配向で設置される必要があ る場合はより難しい問題が生じる。適切な配向で結合させるには二種類の方法を 使用できる。第一の方法として、図35に示すように適切にパターン形成されたシ リコン酸化膜層を使って間違った配向を持つ特殊素子を物理的に遮蔽排除する。 素子はそれらが正しい配向を持つ場合にのみパッドに適合することになる。素子 を配向させるもうひとつの方法はDNAのハイブリダイゼーションに先立ってクー ロン力を使用することである。イオン注入またはeビームリソグラフィー照射に よって、逆符号の電荷蓄積をパッド上と素子上の一定の位置に実現できる。これ らの電荷パターンは素子をそれぞれ適正な配向に誘導する。図35からわかるよう に両方の方法を一緒に使用して、適切な配向で特殊素子をDNA結合させることが できる。 ナノスフェアおよびサブミクロン素子の電界配向合成法 複数のDNA表面アイデンティティを持つナノ構造またはマイクロ構造（例えば ナノスフェア、ナノ粒子、サブミクロンおよびミクロンスケール素子）を製造す るには電界合成法を使用することが好ましい。これらの複数表面アイデンティテ ィは粒子表面に異なる座標で配置された特定DNA配列の形をとりうる。これらの 座標は例えば極性であってもよいし四面体性であってもよく、ナノ構造に二次元 および三次元光および電子構造（例えばフォトニックバンドギャップ構造）を形 成させる潜在的自己集合性を付与する。図36（上図）は極および赤道位置に複数 のDNA配列アイデンティティを持つナノスフェア（直径20nm）の一般図である。 図36（下図）もナノスフェア同士をハイブリダイズすることによって形成されう る多少簡単な構造を示す図である。 図37はそのようなナノ構造を製造する際の初期段階を示している。第一段階で は適当な機能化ナノスフェア（アミン基を持つもの）を配列アイデンティティ（ A）を持つアルデヒド修飾オリゴヌクレオチドと反応させる。アイデンティティ （A）とはDNA中の塩基のユニーク配列、例えば5'-GCACCGATTCGAT ACCGTAG-3'（ 配列番号1）という配列を持つ20マーオリゴヌクレオチドを指す。第二段階では オリゴ（A）修飾ナノスフェアを、相補A'配列（5'-CTACGGTATCGAATCGGTGC-3'） （配列番号2）を持つ微小位置表面（電極を基礎とするもの）にハイブリダイズ させる。この（A'）配列は架橋剤（ソラーレン）を含有し、かつ、（B）アイデ ンティティ（5'-TTCAGGCAATTGATCGTACA-3'）（配列番号3）を持つ二次的配列を 伸ばしていて、それは表面に共有結合した（B'）DNA配列（5'-TGTACGATCAATTGC CTGAA-3'）（配列番号4）にハイブリダイズされている。第三 段階ではハイブリダイズしたナノスフェアをUV照射して、（A/A'）ハイブリダイ ズ配列内のソラーレン成分に共有結合的架橋を起こさせる。次にナノスフェアを （受動的または電子的に）表面からデハイブリダイズさせる。ナノスフェアはこ の時点でその構造上の極位置に付加された（B）DNA配列アイデンティティを持つ 。図38はこの加工スキームの続きを示す。第四および第五段階では（B）DNA配列 アイデンティティ修飾ナノスフェアを、表面に共有結合した相補C'配列に（C-A' ）配列を使ってハイブリダイズされている新しい微小位置に「部分的にハイブリ ダイズ」させる。（C）配列は（A）および（B）DNA配列とは異なる。（B）DNA配 列ナノビーズは（A/A'）DNA配列を介して表面に部分的にハイブリダイズするが 、それらは表面上でどの特定方向にも配向されていない。（B）DNAナノスフェア は（（B）DNAに由来する余分な電荷により）その表面に不均一な電荷分布を持つ ので、電界内で配向させることができる。第六段階では、二次電極を下側の電極 の上部に設置し、ナノスフェアを配向させるには十分な強さであるがそれらを表 面からデハイブリダイズしない電界強度をかける。図38は（B）配列と（C）配列 に関して極配向のナノスフェアを示し、電極の相対的な配置により（B）DNA配列 と（C）DNA配列の相対的位置に関して他の角度をもたらす電場を作ることができ る。ナノスフェアが正しいアラインメントにある場合は温度を低下させることに よってそれらを完全にハイブリダイズさせた後、UV照射によって（A/A'）配列を 架橋することができる。デハイブリダイゼーションを行うと、相互に極（南北） 位置にある（B）DNA配列と（C）DNA配列を持つナノスフェアが生成する。我々は この工程をさらに二回繰り返すことにより極/赤道座標または四面体座標の（B） 、（C）、（D）および（E）DNAアイデンティティーを持つナノスフェアを製造で きると考える。 多段階および複合合成ならびに製作技術および素子 種々の技術と素子を使って多段階および複合合成ならびに製作を行うことがで きる。図39は8×8マトリックスに配置された64個の微小電極と、より大きい4つ の制御電極をそのマトリックスの直ぐ外側に持つ超小型電子アレイ素子を示す。 素子上の電極構造は約1ミクロンから大スケール型またはマクロ型素子の数セン チメートル以上までに及びうる。このような素子の上には、その素子を基板上で の多段階および複合合成反応ならびに製作段階を行うために使用できるようにす る透過層および/またはテンプレート材料を置ける。したがってそれら素子は「 それら自体」の上での多段階および複合反応ならびに製作に使用でき、様々な基 板材料上に集合システムを作成する素子の製造にも使用できる。我々は「多段階 」法をその素子の1ヶ所またはそれ以上の位置で2以上の合成または製作段階を行 うものと定義し、また「複合」法とは素子上の異なる位置での異なる部品の合成 または製作を含む方法と定義する。 図40はそのような素子を使ってナノスフェアまたはナノ粒子の多段階輸送と位 置調節を行う方法を示す。この一連の図では負に帯電したナノ構造（タイプ1） がバルク溶液からアレイの左側にある特定の微小位置に輸送、濃縮される。これ は負のバイアスを印加された制御電極に対して微小位置に正のバイアスを印加す ることによって達成される。電界内の負に帯電したタイプ1ナノ構造はその特定 の微小位置に（電気泳動的に）輸送され濃縮される。タイプ1ナノ構造は、それ らが相補DNA配列を含むその素子自体の他の特定の位置または他のナノ構造にハ イブリダイズすることを可能にする特定のDNA配列を持つ様々な素子または構造 でありうる。 次の段階ではタイプ2ナノ構造が素子の右側にある特定の微小位置に輸送、濃 縮される。次の段階ではタイプ1ナノ構造がアレイの中央にあって相補DNAが取付 けられている特定の微小部位に輸送される。タイプ1ナノ構造は相補DNAが取付け られたアレイの中央にある特定の微小位置に輸送される。タイプ1ナノ構造はハ イブリダイズしてこれらの位置に特異的に取付けられた状態になる。次にタイプ 2ナノ構造がタイプ1ナノ構造と同じ中央位置に輸送される。次にタイプ2ナノ構 造がタイプ1ナノ構造と同じ中央位置に輸送される。タイプ2ナノ構造にはタイプ 1ナノ構造と相補的なDNA配列が取付けられている。タイプ2ナノ構造はハイブリ ダイズしてタイプ1ナノ構造上の結合層になる。 図40に示す一連の段階は、特定のDNA配列が取付けられたこれら素子と自己集 合性ナノ構造、サブミクロンおよびミクロンサイズの構造を使って行いうる非常 に多くの多段階および複合製作法を一つだけ示すものである。我々はこれらの方 法をDNA誘導体化構造の電界支援自己集合と呼ぶ。例えば図41は8×8微小電極ア レイ素子上の選択した微小位置への200ナノメートルサイズの蛍光ナノスフェア の輸送を実証する一連の写真である。これらの微小位置は50μm×50μmのサイズ である。負に帯電した200nm蛍光ナノスフェアは正に帯電した微小位置に素早く 輸送され濃縮される。別の実験ではナノスフェアを素子上のある位置から他の位 置に移動させた。これらの素子上にはナノ構造の様々なパターンまたは配置を形 成させることが可能である。 大きい構造の位置調節と配向 本発明の有用な一応用例として、より大きい（10〜100ミクロン）サイズの素 子の基板またはマザーボード材料への取付けおよび配向がある。この方法を図42 に示す。この例では素子を4種類のDNA配列で選択的に誘導体化し、マザーボード を4つの相補配列で選択的に誘導体化する。次に、受動的および能動的電界ハイ ブリダイゼーション法に関する先の項に記述した方法により、それら素子をマザ ーボード基板にハイブリダイズし、結合させる。 超小型電子技術的パラメーターでのナノ製作 本発明の範囲には、超小型電子、光電子および光学部品のパラメーターでナノ 構造およびサブミクロン素子を配置するナノ製作を伴う応用が含まれる。これら の場合、超小型電子素子は古典的方法で設計され作成されるが、ナノ構造および サブミクロン部品の自己集合用に設計された領域を含有する。例えば図43はその ような素子の一つの示している。この例では、古典的なフォトリソグラフィー技 術を使ってシリコン中に作成された超小型電子素子がマイクロ微小電極を基礎と するウェル構造を持つ。この微小電極を使って超小型電子部品のパラメータでの 様々なナノ構造およびサブミクロン部品の電界支援自己集合を行う。この技術に より、超小型電子部品とナノスケール部品の間の相互接続が可能になり、また複 数の部品層が配置された（三次元製作）はるかに密な集積素子の作成が可能にな る。したがって本発明は古典的超小型電子技術（光電子工学）製作技術を自己集 合型ナノ製作技術と相乗的に利用する方法とみなされる。 ナノスケールパラメーターでのナノ製作 本発明の範囲には、選択的結合性DNA配列のマトリックスのナノ製作を原子間 力、顕微鏡、eビームまたは他のサブミクロン製作技術によって付着させた一群 のナノスケールまたはサブミクロン位置を使って集合させる技術が含まれる。図 44はその方法論の一例を示す。この例では4つのサブミクロン連結構造が適当な 基板材料上に置かれる。それら構造の2つは後にDNA配列を取付けるために選択的 に活性化できる素材（すなわちチオール取付け化学用の金）でできている。他の 2つのはもうひとつの特定の結合化学用に選択的に活性化できる素材（すなわち シランアルデヒド/アミン取付け化学用の二酸化ケイ素）でできている。これら の位置から2種類のDNA配列を取付けることができる。次の段階では、2種類の位 置をまたいで四角いパラメーターを形成する相補DNA配列をハイブリダイズさせ る。適当な位置から他のDNAをそのパラメーターDNAにハイブリダイズさせて、最 終的に内部に選択的ハイブリダイゼーション部位を持つマトリックス構造を形成 させることができる。（選択的DNAアイデンティティをもつ）このようなタイプ のマトリックスから、様々な二次元および三次元ナノ製作を行いうる。光学的書込み法とその装置 DNA光学記憶装置には単一の波長で光エネルギーを吸収し予め決められた複数 の波長で再放出する発色性DNAポリマーの設計と合成が必要である。我々の研究 はDNAポリマーを自己組織化的に固体表面に取付けて設計された機能性を持つ単 位格子にできることを示す。我々は固体表面に取付けたDNAポリマーが複数の発 色応答、光子エネルギー移動および消光を示しうることを実証した。図6と図7は シリコン酸化膜およびアルミニウム表面への蛍光性DNAポリマーの取付けと、そ れら基板表面のDNA単層への則書込み（撮像）に関する結果を示す。 DNA 光学記憶装置のためのUV書込み機構 DNA基板材料に情報を書き込む機構として次の4種類が存在する：i）DNA配列内 のチミジンの空間UV不活化、ii）発蛍光団および発色団の空間UV不活化、iii） 消光発色団の空間UV不活化または活性化およびiv）架橋（例えばソラーレン）に よる以降のハイブリダイゼーションの空間UV活性化または不活化。 図8aおよびbはロゴ遮蔽物と4色書込み遮蔽物を使った書込みUV書込み/ハイブ リダイゼーションの結果を示す。これらは相補蛍光DNA配列をハイブリダイズさ せたシリコン基板上のDNA単層に作られた画像を表わす。 UV/ ソラーレン書込み法−第一段階 UV/ソラーレン書込み法に関して、図9〜19は「4アイデンティティDNA基板材料 」の全製造工程を模式的に示している。 この方法はソラーレン架橋剤を使用して基板材料に複数のDNAアイデンティテ ィを付加する。DNAに挿入されたソラーレン化合物は低エネルギーUV光（365nm） にさらされるとそのDNA鎖を共有結合で架橋することができる。ソラーレンによ るDNA鎖の連結一体化は基板表面での多重アイデンティティ作成を可能にする。 図9はシリコン/アルミニウム/シリコン酸化膜基板表面に共有結合されたアイ デンティティ（A）のDNA配列を示す。チップ表面をまずアミノプロピルトリエト キシシラン（APS）試薬と反応させる。捕捉DNA配列（A）はその末端位置を後に 酸化されてアミン反応性ジアルデヒド基を形成するリボヌクレオシド基で機能化 される。この時点でDNA（A）配列はAPS幾能化基板表面上のアミノ基と共有結合 されうる。例示のために図は4つの潜在的書込みアイデンティティクアドラント （図では位置と呼ぶ）を表わす方法として4本のDNA鎖を示している。実際の材料 では１クアドラントにつき約2.5×104〜2.5×105本のDNA鎖が存在する（クアド ラントサイズは約250平方nmであることが好ましい）。 図10は4クアドラント（位置）全てに存在する（A）アイデンティティ捕捉配列 に部分的に相補的な（B）アイデンティティソラーレン修飾DNA配列をハイブリダ イズさせることによって開始される。ソラーレン分子はハイブリダイズした二本 鎖DNA内にインターカレートする。 図11はUV遮蔽物を使用してクアドラント1を遮蔽し、クアドラント2、3および4 を露出させることを示している。遮蔽されなかったクアドラント（2、3および4 ）に低エネルギーUV光（365nm）を照射する。UV照射はハイブリダイズした二本 鎖DNA内に挿入されたソラーレン分子による鎖の共有結合的架橋を引き起こす。 図12は全表面をデハイブリダイゼーション工程にかけることを示している。ク アドラント1の架橋されていない（B）アイデンティティDNA配列は除去されて、 その位置に（A）アイデンティティDNA配列を残す。この時点でクアドラント2、3 および4はその位置に（B）アイデンティティDNA配列を持っている。 図13は、クアドラント2、3および4の（B）配列にハイブリダイズされる（B） アイデンティティDNA相補鎖部分を含む（C）アイデンティティDNA配列を使って 処置が繰返されることを示している。 図14〜18は本質的に図9〜13に示した工程の反復を示している。完了した時点 で、その最終材料はそれぞれ独立したクアドラントに位置する4つの独立したDNA アイデンティティ配列（A、B、CおよびD）を含む。 図19はこの時点で４つの蛍光標識相補配列を表面にハイブリダイズさせること により、4つのDNA配列（A、B、CおよびD）の特異性をチェックできることを示し ている。各クアドラントはそれぞれ特有の蛍光色を生じるはずである。 UV/ ソラーレン書込み法−第二段階 （4DNAアイデンティティ基板への）実際の情報UV書込み工程は、もうひとつの 遮蔽およびUV照射法によって行われる（図20、21および22参照）。この場合は高 エネルギーUV照射（254nm）を使ってUV照射領域内のDNAをハイブリダイズ不能に する。DNAにこの高エネルギーUV光を照射すると、DNA配列内のチミジン塩基が二 量化してさらなるハイブリダイゼーションが起こらなくなる。したがってこの方 法は個々のクアドラントを不活化するためまたは「オフにする」ために使用でき る。蛍光標識された相補DNA配列を材料にハイブリダイズさせると、ハイブリダ イズ可能な相補DNA配列を持つクアドラントだけが適切な蛍光色を持つようにな る。これがDNAにデータを選択的に書き込む機構である。 図20および21はBおよびDアイデンティティを「オン」にし、AおよびCアイデン ティティを「オフ」にすることを示している。UV書込み工程を開始する前は、4 つのクアドラント1、2、3および4中の特定A、B、CおよびD配列はすべてハイブリ ダイズ可能である。書込み工程はクアドラント2および4を遮蔽し、表面を高エネ ルギー（254nm）UV照射にさらすことによって開始される。クアドラント1および 3はUV照射によって効果的に不活化またはハイブリダイズ不能にされ、一方2およ び4のDNA配列はハイブリダイズ可能なままである。 図22は、この材料を4つのDNAアイデンティティすべてに対する各蛍光DNA相補 体とハイブリダイズさせてもBおよびDアイデンティティに対する蛍光DNA相補体 だけが効果的にハイブリダイズして最終的な蛍光色を生じる仕組みを示している 。UV書込み工程が完了した時点でこの材料はBおよびDクアドラントに2つ異なる 蛍光色を持ち、AおよびCクアドラントには蛍光色をもたない。二色DNA書込み法の実験的証明 我々はソラーレン/UV法を使って二色書込みを実証した。一連の工程と書込み 段階を以下に説明する。図23AおよびB、図24AおよびB、図25AおよびBは基板と蛍 光書込み材料の実物写真を示す。図27A、BおよびCと図28A、BおよびCはこの方法 をさらに模式的に説明したものである。 第一段階：コントロールチップ表面（シリコン酸化膜/アルミニウム/シリコン ）をアミノプロピルトリエトキシシラン（APS）で処理した。図23Aは背景蛍光レ ベルが比較的低いためにチップ表面が基本的に黒く見えることを示している。図 27Aは本工程のこの時点の材料の模式図である。すべての写真はJenalumarエピ蛍 光顕微鏡/浜松高感度CCDカメラ/Argus-10イメージングシステムを使って撮影し た。 第二段階：次に第二コントロールチップ表面（APS反応済）を後のソラーレン 架橋に適した塩基組成を持つDNA（A）アイデンティティ捕捉配列と反応させた。 DNA（A）配列はその3'末端にジアルデヒドに酸化されるリボ基を持ち、そのジア ルデヒドは表面上のアミン基と反応してDNAを共有結合する。図23BはDNA（A）は 存在するが、蛍光相補DNAは存在しない基板表面の写真である。チップ表面は背 景蛍光レベルが比較的低いためまだ黒く見える。図27Bは本工程のこの時点の材 料の模式図である。 第三段階：APSと反応させDNA（A）捕捉配列を取付けた第三コントロールチッ プ表面をBODIPY Texas Redで蛍光標識した相補配列とハイブリダイズさせる。図 24Aはチップ表面全体が強い赤色蛍光を生じていることを示す。図27Cは本工程の この時点の材料の模式図である。 第四段階：第四チップをAPSで処理した後、第二段階と同様に（A）アイデンテ ィティDNA捕捉配列を表面に結合する。 第五段階：次にソラーレン分子を取付けた相補（B）アイデンティティ配列を 表面全体にわたって（A）アイデンティティ配列にハイブリダイズさせる。 第六段階：チップ表面の半分を遮蔽し、残りの半分を低エネルギー（365nm）U V光にさらす。これによって（A）アイデンティティDNA配列の（B）アイデンティ ティDNA配列との共有結合的架橋が起こる。 第七段階：次にチップの遮蔽した部分から非架橋DNAを除去（デハイブリダイ ズ）するために、表面を0.1規定水酸化ナトリウム溶液で処理する。この時点で チップの半分は共有結合的に架橋した（B）アイデンティティDNA配列で覆われ、 半分は元の（A）アイデンティティDNA配列を含有する。 第八段階：ここでBODIPY Texas Red蛍光色素（励起極大595nm、放射極大626nm )で標識した相補（A）アイデンティティDNA配列をチップにハイブリダイズさせ る。相補蛍光（A）アイデンティティDNA配列は（A）アイデンティティ捕捉配列 を含有するチップ表面の半分にのみハイブリダイズする（図24B）。図28Aは本工 程のこの時点の材料の模式図である。第四〜第七段階を第五チップ表面で繰り返 す。 第九段階：次にBODIPY Orange蛍光色素（励起極大558nm、放射極大568nm）で 標識された、（B）アイデンティティ配列だけに相補的な配列を、チップ全体に わたってハイブリダイズさせる。このDNA配列は（B）アイデンティティを含むチ ップの半分にのみハイブリダイズする（図25A）。図28Bは本工程のこの段階の材 料の模式図である。 第十段階：（A）アイデンティティ捕捉配列にのみ相補的でBODIPY Texas Red 蛍光色素で標識された配列を第五チップにハイブリダイズさせる。この蛍光標識 DNAは再び（A）アイデンティティを含むチップの半分にのみ結合する。この時点 でチップはそれぞれに対応する色を持つ両アイデンティティを含む（図25B）。 図28Cは本工程のこの時点の材料の模式図である。チップ表面の2つの独立した部 分に対する2つの異なる配列の排他的ハイブリダイゼーションを示すこれらの結 果（図24B、25Aおよび25B）から、我々は上述のプロトコルにより実際にシリコ ン基板表面に多重アイデンティティを作成できると合理的に確信している。 基板への160nmナノスフェア結合の実験的証明 図26Aと26Bは160nm DNA誘導体化蛍光ナノスフェアをDNA誘導体化シリコン酸化 膜表面に取付けた結果を示す。ナノスフェアはDNA不活化部分に対して活性DNAを 持つ画像部分に結合する。この結合はハイブリダイゼーション相互作用だけでな く静電相互作用にもよると考えられる。 低密度光学メモリ応用例 DNAに基く光学データ記憶装置およびメモリのいくつかの重要な応用例は文書 、通貨、ラベルおよび他の物品への組み込みに関する分野で考えられる。蛍光エ ネルギー移動と発色性DNAに基く機構をこれらの「低密度」応用例に使用するこ とは、そのような情報またはコード化の模造を試みることが極めて困難であるこ とから、バーコードや他の方法に優る利点を持つだろう。光電子光学メモリ書込みシステムおよび素子 DNAポリマーは数多くのフォトニクスおよびエレクトロニクス的応用に使用で きる。DNAポリマーを用いる主な応用例の一つは高密度光学データ記憶媒体への 応用である。この応用例では発色性DNAポリマーが単一の波長で光エネルギーを 吸収し、予め決められた複数の波長で再放出する（図45参照）。一態様として本 発明は光電子書込み法と呼ばれる方法に関する。この方法では微小電界を生じ、 それら選択した位置への帯電した発色性（有色）DNAの選択的輸送と取付けに影 響を及ぼす光活性基板材料への空間光アドレッシングが使用される。 作動原理 光/電子書込み法に関する基本的原理を図46aと図46bに示す。提案される書込 み基板はDNAポリマー配列を取付けた光電子活性化マトリックス材料（例えば光 伝導膜）である。これらDNA配列のそれぞれは多重アイデンティティを持つ。例 示のため図46aには3つのアイデンティティ（A、BおよびC）を持つDNA配列を含む 3つの光活性化部位を示す。相補アイデンティティ（A'）を持つ発色性DNAを含む 溶液をその基板材料にさらし、対電極をその溶液と下部基板材料の上に設置する 。ここで基板材料上の特定の微小位置は、その位置にある材料に電荷を発生させ る空間光アドレッシングによつて活性化できる（図46b参照）。電荷の生成によ り、逆の電荷を持つ分子をその位置に誘引し同じ電荷アイデンティティを持つ分 子を拒絶する電界が溶液中に生じる。天然DNAは負の実効電荷を持ち、正に帯電 した位置に移動することになる。合成DNAは負の実効電荷を持たさせることも正 の実効電荷を持たせることもでき、また中性状態にもできる。図46bは中央の微 小位置2の光活性化と、その位置に移動してDNA（A）アイデンティティー配列位 置に結合（ハイブリダイズ）する発色性DNA（A'）を示している。電界強度が十 分に強い場合、DNA発色団単位の輸送と濃縮は極めて迅速で、1〜2秒以内に起こ る。 特定の微小位置における多重発色法を図46c〜46fに示す。図46Cは6つの微小位 置からなる群を示し、各微小位置はA、BおよびC配列アイデンティティ（これら の図では一つの捕捉配列のみを示している）を持つDNAポリマーを含む。位置1、 3および5の空間光アドレッシングを行う。発色性DNA A'配列（赤）がこれらの位 置に選択的に輸送、濃縮およびハイブリダイズされる。図46dは次の発色性DNAB' 配列（緑）のために繰返される工程を示す。ここで位置1、3および4の空間光ア ドレッシングを行う。発色性DNA B'配列はこれらの位置に選択的に輸送、濃縮お よびハイブリダイズされる。図46eは次の発色性DNA C'配列（青）のために繰返 される工程を示している。ここで位置1、3、5および6の空間光アドレッシングが 行われる。発色性DNA C'配列はこれらの位置に輸送、濃縮およびハイブリダイズ される。書込み工程が完了して、図46fは発色性DNA A'/B'/C'（赤/緑/青）を微 小位置1および3に持ち、発色性DNA A'/C'（赤/青）を微小位置5に持ち、発色性D NA B'（緑）を微小位置4に持ち、発色性DNA C'（青）を微小位置6に持ち、微小 位置2には発色性DNAを持たない（無色）最終的な光学材料を示す。 光伝導材料の空間光活性化だけでなく、他の選択肢もある。例えば電極アレイ 素子を空間光アドレッシングによってスイッチングできる。もうひとつの例とし て電極アレイは電子工学的にもスイッチングできる。 上述の発明は明解に理解されるように例示を目的として多少詳細に説明したが 、本発明の教示するところに照らせば添付の請求の範囲の思想または範囲から逸 脱することなく一定の変更をこれに加えうることは当業者には容易にわかるだろ う。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘラー，マイケル・ジェイ アメリカ合衆国92024カリフォルニア州エ ンシニタス、ホーク・ビュー・ドライブ 1614番 (72)発明者 ケーブル，ジェフリー・エム アメリカ合衆国92591カリフォルニア州テ メキュラ、バイア・ロス・アルトス40905 番 (72)発明者 エセナー，サディック・シー アメリカ合衆国92075カリフォルニア州ソ ラナ・ビーチ、サン・マリオ・ドライブ 743番 【要約の続き】 ナノスケールおよびマイクロスケール構造の製作法を提 供する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. マイクロスケールおよびナノスケール素子製作法であって、次の各段階を 含む方法： 第一部品素子を第一支持体上で製作し（ただし該第一部品素子は少なくとも第 一特定DNAポリマー配列をその上に含む）、 少なくともーつの第一部品素子を第一支持体から溶液中に放出し、 第一部品素子をホスト支持体に輸送し、 ホスト支持体上の選択した位置に第一部品素子を取付ける（ただしホスト支持 体は第一部品素子上の第一特定DNAポリマー配列に対する相補DNAポリマー配列を 含有し、その取付けには第一部品素子上の第一特定DNAポリマー配列とホスト支 持体上の相補DNAポリマー配列の相互作用が含まれる）。 2. 第一部品素子がレーザーである請求項1のマイクロスケールおよびナノス ケール素子製作法。 3. 一部品素子がディスプレイ要素である請求項1のマイクロスケールおよび ナノスケール素子製作法。 4. ディスプレイ要素が能動ディスプレイ要素である請求項１のマイクロスケ ールおよびナノスケール素子製作法。 5. 素子を放出する段階がエピタキシャルリフトオフによって行われる請求項 1のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 6. 輸送が液体を通して達成される請求項1のマイクロスケールおよびナノス ケール素子製作法。 7. 少なくともホスト支持体と取付けられた素子を乾燥する段階をさらに含む 請求項6のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 8. 輸送が電気泳動的である請求項1のマイクロスケールおよびナノスケール 素子製作法。 9. 第二支持体への素子の取付けが移植によって行われる請求項1のマイクロ スケールおよびナノスケール素子製作法。 10. さらに次の各段階を含む請求項1のマイクロスケールおよびナノスケール 素子製作法： 第二部品素子を第二支持体上で製作し、 少なくとも一つの第二部品素子を第二支持体から放出し、 第二部品素子をホスト支持体に輸送し、 第二部品素子をホスト支持体上で取付ける。 11. 第二部品素子がホスト支持体に取付けられる請求項10のマイクロスケー ルおよびナノスケール素子製作法。 12. 第二部品素子が第一部品素子に取付けられる請求項10のマイクロスケー ルおよびナノスケール素子製作法。 13. 第一支持体とホスト支持体が物理的に別個の構造である請求項1のマイク ロスケールおよびナノスケール素子製作法。 14. 第一支持体とホスト支持体が共通する構造の独立した領域である請求項1 のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 15. 第一支持体と第二支持体が物理的に別個の構造である請求項10のマイク ロスケールおよびナノスケール素子製作法。 16. 第一支持体と第二支持体が共通する構造の独立した領域である請求項10 のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 17. 第一部品素子がエミッタを含み、ホスト素子がエミッタアレイである請 求項1のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 18. 第一部品ホスト素子が発色メモリユニットを含み、素子が光学メモリで ある請求項1のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 19. 第一部品素子をホスト支持体に取付けた後、第一部品素子上で構造を形 成するさらなる段階を含む請求項1のマイクロスケールおよびナノスケール素子 製作法。 20. 第一部品素子と取付けられた構造が全体としてフォトニックバンドギャ ップ素子を形成する請求項19のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法 。 21. ホスト支持体上で接触を形成する段階をさらに含む請求項1のマイクロス ケールおよびナノスケール素子製作法。 22. 接触がホスト支持体上で導電性物質を輸送し取付けることによって形成 される請求項21のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 23. ホスト支持体がマザーボードを含む請求項1のマイクロスケールおよびナ ノスケール素子製作法。 24. 複数のアフィニティー表面アイデンティティが極状に配置される請求項4 6のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 25. 複数のアフィニティー表面アイデンティティが四面体状に配置される請 求項46のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作法。 26. 次の各段階を含む多重アイデンティティ基板材料形成法： 第一アフィニティー配列を支持体上の複数位置に与え、 第一アフィニティー配列と反応しハイブリダイズしない突出配列を持つ機能化 された第二アフィニティー配列を与え、 第一アフィニティー配列と第二アフィニティ配列を選択的に架橋する。 27. 架橋がソラーレンのUV照射によって行われる請求項26の多重アイデンテ ィティー基板形成法。 28. 次の各段階を含む発色構造集合法： 光活性化可能領域を選択的に照射することによってその領域に対応する電界を 生じさせ、 その電界を含む溶液に帯電した反応物を与え、 選択的照射を繰り返すことによって発色構造を順次集合させる。 29. 光活性化可能領域が光伝導物質を含む請求項28の発色構造集合法。 30. 光活性化可能領域が空間光アドレッシングによってスイッチングされる 電極アレイを含む請求項28の発色構造集合法。 31. 光活性化可能領域がエレクトロニクスによってスイッチングされる電極 アレイを含む請求項28の発色構造集合法。 32. 第一部品素子が部品半導体素子である請求項1のマイクロスケールおよび ナノスケール素子製作法。 33. 第一部品素子が部品光電子素子である請求項1のマイクロスケールおよび ナノスケール素子製作法。 34. 第一部品素子が部品電子素子である請求項1のマイクロスケールおよびナ ノスケール素子製作法。 35. 第一部品素子が光学部品構造である請求項1のマイクロスケールおよびナ ノスケール素子製作法。 36. 第一部品素子が電気部品構造である請求項1のマイクロスケールおよびナ ノスケール素子製作法。 37. 第一部品素子が一般部品構造である請求項1のマイクロスケールおよびナ ノスケール素子製作法。 38. 一般部品構造がナノビーズである請求項37のマイクロスケールおよびナ ノスケール素子製作法。 39. 一般部品構造がナノ粒子である請求項37のマイクロスケールおよびナノ スケール素子製作法。 40. 輸送が電界の使用によって達成される請求項8のマイクロスケールおよび ナノスケール素子製作法。 41. 電界が交流電界である請求項40のマイクロスケールおよびナノスケール 素子製作法。 42. 電界が直流電界である請求項40のマイクロスケールおよびナノスケール 素子製作法。 43. ホスト支持体への第一部品成分の取付けが少なくとも部分的に電界の使 用によって達成される請求項40のマイクロスケールおよびナノスケール素子製作 法。 44. n部品素子がn独立支持体に取付けられる（ただしn＞2）請求項10のマイ クロスケールおよびナノスケール素子製作法。 45. 次の各段階を含むナノスケールおよびマイクロスケール構造製作法： ある構造の第一領域上に第一特定DNA配列を与え、その構造の第二領域上に第 二特定DNA配列を与え（ただし該第一および第二特定DNA構造を持つ構造は不均一 な電荷分布を持つ）、 第三特定DNA配列をその上に持つホスト支持体を準備し、 第一および第二特定DNA構造を持つ構造を、第一DNA配列または第二DNA配列が ホスト支持体上の第三DNA配列に選択的に向かうように電界中で配向させ、 配向させた第一または第二DNA配列を第三DNA配列と反応させる。 46. 第一DNA配列が第三DNA配列に相補的である請求項45のナノスケールおよ びマイクロスケール構造製作法。 47. 第一DNA配列を第四DNA特定配列とハイブリダイズさせ、その第四DNA特定 配列は第三DNA特定配列に相補的であってそれにハイブリダイズできる請求項45 のナノスケールおよびマイクロスケール構造製作法。 48. ホスト支持体が超小型電子アレイである請求項1のナノスケールおよびマ イクロスケール素子製作法。 49. ホスト支持体が超小型電子アレイである請求項10のナノスケールおよび マイクロスケール素子製作法。 50. マザーボードが超小型電子アレイを含む請求項23のナノスケールおよび マイクロスケール素子製作法。
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