JP2004511762A - Nanoscale sensor - Google Patents

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Abstract

本発明では、相互作用事象に関与しうる有機、無機、又は他の分子若しくは物体を、限定するものではないが、カーボンナノチューブ、シリコンナノチューブ、ナノバー、及び微小管やアクチンフィラメントのような生物学的構造要素を代表とするナノスケール物体に物理的に連結し、ミクロンスケール以下の事象を報告する信号伝達システムを創造する。分子又は物体が分子相互作用事象又は何らかの他の相互作用事象に関与した時、ナノチューブの物理的性質の動き又は変化を監視し、該相互作用事象の発生を報告するように、電流計又は走査型トンネル顕微鏡を利用して分子相互作用事象を検出する。The present invention includes, but is not limited to, organic, inorganic, or other molecules or entities that may be involved in interaction events, including, but not limited to, carbon nanotubes, silicon nanotubes, nanobars, and biological materials such as microtubules and actin filaments. Create a signaling system that physically connects to nanoscale objects represented by structural elements and reports events on the submicron scale. When a molecule or object is involved in a molecular interaction event or some other interaction event, monitor the movement or change in the physical properties of the nanotube and report the occurrence of the interaction event using an ammeter or scanning Detect molecular interaction events using a tunneling microscope.

Description

【0001】
(優先権)
この出願は、2000年10月10日に提出した先行仮出願第60/238,518号及び2001年10月9日提出の米国特許出願第   号の利益を請求する。仮出願第第60/238,518号及び非仮出願第   号の発明の開示は、参照によって本明細書に取り込まれる。
【0002】
(分野)
本発明は、ナノスコピック事象を検出する装置及び方法に関する。特に、本発明は、分子相互作用事象に関与する1種以上の分子又は物体が結合されているナノスケール物体に基づいて該相互作用事象が有する効果を監視することによって、分子相互作用事象を監視する方法である。
【0003】
(背景)
ナノメートルスケールで起こる事象を検出すること及びミクロの世界のこれら事象を報告することは、非常に有用である。このような事象には、生体分子、抗体及び抗原、酵素間の分子相互作用事象、及び他の化学及び無機分子事象が包含される。ナノメートルスケールの事象を検出する1つの先行技術の方法は、平均化された現象の変化の使用による。このような方法は、集団法を含む。しかし、集団法は多数の分子を必要とし、かつ集団全体の平均化した特徴を報告するだけである。最近、小集団の分子、又は単一の分子でさえ調査できる方法が開発されている。この新しく開発された方法には、走査型プローブ顕微鏡及び高分解能光学法がある。
【0004】
走査型プローブ顕微鏡では、ミクロン次元スケールに基づくプローブを用いて、固体支持体上の分子の組織分布的又は他の特徴を問い合わせる。一変形では、化学的、生体分子的又は修飾した微小粒子をプローブの末端に付着させ、該微小粒子を表面又は表面上の試料を横切って走査しながら、極微小な力の測定を行うことができる。この力の測定は、プローブの末端に付着した微小粒子が表面又は表面上に沈着した物体と相互作用を持つ時に効果を表す。
【0005】
上記研究方法の1つの問題は、“リポーター”システムがミクロン空間スケール又はそれより大きいスケールに基づく物体に関与することである。対照的に、関心分子は、ナノメートルスケール以下に基づくことが多く、関心分子の活性はナノメートルスケールでも起こりうる。ナノメートルスケール分子相互作用事象の検出は、高度なAFMプローブ技術を利用してさえも困難である。この問題を悪化させているのは、分子をつなぐプローブが、その上につながれている分子、つまり関心分子よりもずっと大きく、かつ重いという事実である。この2分子とプローブのサイズが大きくずれているため、単一分子の相互作用事象に対して低い又は減じた感受性となってしまう。従って、ミクロン及びナノメートルスケールに基づく分子相互作用事象を検出する改良された装置及び方法が要望されている。
【0006】
従って、ナノメートルスケールで起こる分子相互作用事象を検出するための装置及び方法に対する要望がある。更に、集団平均に頼ることなくこれら分子相互作用事象を直接検出することが要望されている。最後に、単一の生体分子相互作用事象用のリポーターとして作用しうる装置及び方法に対する要望がある。
【0007】
(概要)
本発明は、ミクロンスケール以下に基づく分子又は他の物体の活性の検出を可能にするリポーターシステムの一部としてナノチューブ及び他のナノメートル物体を使用するための装置及び方法について述べる。この新しい装置及び方法は、分子及びナノメートルスケールで起こる分子活性に対する感受性及び応答性を改善できる。
本発明では、分子相互作用事象に関与しうる有機、無機、又は他の物体を、限定するものではないが、カーボンナノチューブ、シリコンナノチューブ、金属ナノチューブ、及び微小管やアクチンフィラメントのような生物学的構造要素を代表とするナノスケール物体に物理的に連結し、ミクロンスケール以下の事象を報告する信号伝達システムを創造する。
【0008】
一実施形態では、第1ナノスケール物体を形成し、一端に分子を有する第2ナノスケール物体に対して作動可能に位置づける。第1ナノスケール物体をその各末端で個々のミクロンサイズの伝導パッドに連結する。そして、第1ナノスケール物体を通して電流を流し、監視する。第2ナノスケール物体に結合している分子が分子相互作用事象に関与すると、第2ナノスケール物体の物理的性質が変化し、第1ナノスケール物体の電気伝導率に影響を及ぼす。最も単純な場合、第2ナノスケール物体は、その上に結合している分子に対してナノスケール物体の大きさが小さいため物理的に動いて、第1ナノスケール物体の電流又は抵抗に影響を及ぼす。この電流又は抵抗を検出して、分子相互作用事象を報告することができる。明らかなように、ナノスケール物体相互作用の他の物理的性質を測定することもできる。
【0009】
本発明の第2実施形態では、一端につながれた分子と、他端につながれた伝導パッドを有する表面上に第1ナノスケール物体を形成する。走査型トンネル顕微鏡を利用してナノスケール物体の位置及び電子的特徴を監視する。分子相互作用事象が起こると、ナノスケール物体の位置又は電子的性質が変化する。走査型トンネル顕微鏡によってナノチューブの位置又は電気的性質の変化を検出かつ報告する。
【0010】
本発明は、更に、表面上に形成された第1ナノチューブと、この第1ナノチューブに作動可能に取り付けられた監視装置と、表面上かつ第1ナノチューブと作動可能な関係で形成された第2ナノチューブと、この第2ナノチューブの第1末端につながれた少なくとも1つの分子とを含み、このつながれた分子を伴って分子相互作用事象が起こった時、監視装置で分子相互作用事象を検出することを特徴とするナノスケールセンサーを含む。
【0011】
本発明の別の実施形態は、分子相互作用事象の検出方法であって、第1ナノチューブを第2ナノチューブに作動可能に結合する工程であって、第1ナノチューブは、第1末端で第1伝導パッドに作動可能に結合し、第2末端で第2伝導パッドに結合し、かつ第2ナノチューブを第1末端で第3伝導パッドに、第2末端で分子に結合する工程、第1及び第2ナノチューブを通って流れる電流を与える工程、及び第1及び第2ナノチューブを通る電流を電流計で監視する工程であって、生体分子が分子相互作用事象を受けた時、第1及び第2ナノチューブの伝導率の変化を電流計で検出する工程を包含する方法を含む。
【0012】
分子相互作用事象の更に別の検出方法は、ナノスケール物体の第1末端に分子をつなぐ工程、ナノスケール物体を走査型トンネル顕微鏡で走査する工程、及び分子が分子相互作用事象を受けた時、ナノスケール物体の動き検出する工程を含む。
また、本明細書には、分子相互作用事象を検出するための装置であって、表面に作動可能に取り付けられた第1ナノチューブと、該表面に作動可能に取り付けられ、かつ第1ナノチューブに作動可能に接続された第2ナノチューブと、第2ナノチューブの第1末端につながれた分子とを含み、この分子が分子相互作用事象に関与すると、第1及び第2ナノチューブの物理的性質に測定可能な変化が生じることを特徴とする装置が包含される。
【0013】
(詳細な説明)
本発明で利用されるように、ナノスケール物体は、該物体の物理的な位置又は他の特性の変化をナノスケール事象の指標として認識できるような様式で監視される。例えば、カーボンナノチューブは、それらがワイヤー、スイッチ、及びダイオードのように作用できるような様式で電子を伝導する。従って、電気抵抗は、分子相互作用事象の発生を指し示すために監視できる1つの特性である。本発明では他のナノスケール物体も利用できる。このようなナノスケール物体には、シリコンナノチューブ、微小管及びアクチンフィラメントのような生体構造要素、並びにナノバー及びナノワイヤーが包含される。本発明は、好ましいナノスケール物体としてカーボンナノチューブを利用する。明らかなように、十分定義された金属特性、並びに物理的及び化学的属性が定義されているナノバーを創造する能力は、本明細書で述べるナノセンサー構成のための代替装置を提供することができる。更に、このタイプのシステムは、より簡単に大量に作成できる。従って、上掲したもののような他のナノスケール物体の置換は、本発明の特徴及び範囲を変えることなく当業者によって達成することができる。
【0014】
ナノメートル寸法を有する針様の単層又は多層チューブ形態のC60フラーレン構造の合成は技術的に公知である。この拡張型フラーレンチューブ構造は、カーボンナノチューブ、又は薄壁カーボンナノチューブとしても知られている。構造的に、カーボンナノチューブは、フラーレンとして知られる分子カーボン分類のメンバーである。六角形のカーボンリングのナノチューブ軸に対する原子配列はチューブごとに異なり、通常らせん状である。ナノチューブは、六角形に配列された炭素原子の多数の同軸円柱シート(1〜約50の範囲)で構成される。チューブは、通常数ナノメートル〜数十ナノメートルの直径及び数マイクロメートルまでの長さを有する。このようなナノチューブは、当業者に周知である。
【0015】
標準カーボンを用いた実験量のこれらナノチューブの合成方法は公知である。ナノチューブの製造は、通常、真空チャンバー内に無定形炭素又はグラファイトロッドの2つの水冷炭素電極を約1ミリメートル離して配置する工程、チャンバーを約1.3×10−5Pa(約10−7トル)の圧力に減圧する工程、チャンバーをヘリウム、窒素、アルゴン又は水素のような不活性ガスで埋め戻し、約7×10〜7×10Pa(50〜500トル)の範囲の圧力にし、それらを継続的に調整して1ミリメートルの電極間隙を維持しながら、電極間に高電流電弧をとばす工程から成る。その結果、負電極上にカーボンナノチューブ及び他の小さいカーボン粒子が成長する。電極沈着物中に生成されるナノチューブの量は、最適成長条件をどの程度長く維持できるかによって決まる。
【0016】
この方法及び他の方法で築いたプローブは多くの実験に利用できる。Wong,S.S.,E.Joselevich,A.T.Woolley,C.L.Cheung,及びC.M.Lieber,化学及び生物学におけるナノメートルサイズのプローブとしての共有結合機能性ナノチューブ,Nature,1998,p.52−5;Wong,S.S.,A.T.Woolley,E.Joselevich,C.L.Cheung,及びC.M.Lieber,化学力顕微鏡用の共有結合機能性単壁カーボンナノチューブプローブチップ,Journal of the American Chemical Society,1998,p.8557−8558;Wong,S.S.,A.T.Woolley,E.Joselevich,及びC.M.Lieber,チップ活性化ガスを用いたカーボンナノチューブAFMプローブの機能化,Chemical Physics Letters,306,p.219;Dai,H.E.W.Wong及びC.M.Lieber, ナノ材料内での探索電気輸送:個々のカーボンナノチューブの伝導率,Science,1996,272:p.523−526;Shoushan Fan,Michael Chapline,Nathan Flanklin,Thomas Tombler,A.Cassell及びHongjie Dai,カーボンナノチューブ及びその機能性デバイスの自己志向性規則的配列構造,Science,283,512(1999);Hyonsok T.Soh,Alberto Morpurgo,Jing Kong,Charles Marcus,Calvin Quate及びHongjie Dai,集積ナノチューブ回路:単壁カーボンナノチューブのために制御された成長及びオーム接触,Appl.Phys,Lett.,75,6951,(1999);Hongjie Dai,Jing Kong,Chongwu Zhou,Nathan Franklin,Thomas Tombler,Alan Cassell,Shoushan Fan及びMichael Chapline,ナノチューブ構築、物理学及びデバイスのために制御された化学経路,J.Phys.Chem B.1999,103,11246−11255(1999);Martin,B.R.,Nanobars,Advanced Materials,11,p.1021(1999);Cui,Y.ら,生物及び化学種の高い感度及び選択性の検出用ナノワイヤーナノセンサー,Science,293,p.1289(2001);Martin,B.R.,Nanobars,Advanced Materials,11,p.1021(1999)を参照せよ。
【0017】
このような実験装置では、約7×10Pa(約500トル)のヘリウム下、チャンバー内の2つの炭素電極間に約18VのDC電圧をかける。近接して間隔を置いた電極間にプラズマが生じる。正電極が消費されるにつれ、カーボンが負電極上に蓄積して成長する。正しい電極間隔が維持されている場合、沈着物が成長して、外側の硬い殻と内側の軟らかい繊維状の核を有する円柱構造になる。灰色の外殻は、カーボンナノチューブと他のカーボンナノ粒子で構成され、融合して硬い塊になっている。軟らかい黒色の内核は、繊維状の自由ナノチューブとナノ粒子を含み、該繊維は電極間の電流の向きに整列している。ナノチューブを製造するさらなる方法は、米国特許第5,753,088号及び第5,482,601号に記述されている方法のように公知である。
【0018】
本発明の装置及び方法は、巨視的信号として事象を報告するためにカーボンナノチューブを利用する装置及び方法について述べる。まず本発明の装置及び方法について述べ、その後にその方法及びナノスケールリポーターとしての装置を利用するいくつかの特定例について述べる。
本発明の装置の一実施形態は、第1カーボンナノチューブ10と、第2カーボンナノチューブ12と、表面14を含む。第1及び第2カーボンナノチューブ10、12は、作動可能に表面14に接続し、かつ付けられている。第1カーボンナノチューブ10は、更に、一端に作動可能に取り付けられた伝導パッド16を含む。伝導パッド16は、表面10にも作動可能に取り付けられている。第2カーボンナノチューブ12は、更に第1末端に取り付けられた伝導パッド18と、第2末端につながれた分子20とを含む。第2ナノチューブ12につながれている分子20が、研究する予定の分子である。
【0019】
本実施形態では、伝導パッド16、18は白金格子で形成され、カーボンナノチューブ10、12に取り付けられている。ミクロンサイズの金島のような他の伝導パッドも利用することができる。
構成されたナノチューブの長さ及びサイズは、当業者により決定することができ、検出すべき分子相互作用事象の性質に依る。種々の方法により、個々のナノチューブによって架橋される確実な電気接続を構成することができる。例えば、半導体単壁カーボンナノチューブを達成してから、本実施形態の白金電極のような2つの金属電極に接続するという方法が前出のNature,292,(1998)に記述されている。更に、カーボンナノチューブは、集積して電子回路になるように成長することが分かっている。前出のJ.Phys.Chem B.1999,103 11246−11255(1999)を参照せよ。1〜5ミクロン幅の触媒島でパターン化された基板を利用するナノチューブの蒸着生成を利用して、該基板上の所望位置内にナノチューブチップを成長させることができる。ナノチューブの位置は、原子力顕微鏡又は走査型トンネル顕微鏡を利用して確認することができる。種々の方法、例えば、化学蒸着を利用すると、シリコンオキシド基板を含むシリコン表面上に成長する単壁又は多壁カーボンナノチューブを考慮することができる。
【0020】
次に、公知技術を利用して、分子20を第2ナノチューブ12の自由端につなぐ。関心のある分子相互作用事象によっては、第2ナノチューブ12の複合端に、無機又は有機分子20をつなぐことができる。一実施形態のチップの変形は、アミンをペンダントカルボキシル基に結合させることで達成される。別の実施形態では、前述した共有結合的に修飾したナノチューブチップも利用できる。前出のNature,395、July 1998を参照せよ。更に別の実施形態では、カルボキシル基をさらなる複合体を与えるように修飾することができる。明らかなように、必ずしも分子20を第2ナノチューブ12の末端につなぐ必要はないが、第2ナノチューブ12の全長に沿った位置につないでもよい。
【0021】
本実施形態は、更に電源22を含むこともできる。電源22は、第1ナノチューブ10に取り付けられた伝導パッド16と、第2ナノチューブ12に取り付けられた伝導パッド18に作動可能に取り付けられる。電源22は、第1及び第2カーボンナノチューブ10、12を通して加えられる小電圧を考慮する。電源22は、更にナノチューブ10、12に供給される電力量を精密に監視かつ制御するようにコントロールすることもできる。ナノチューブ橋で形成される回路は、電気抵抗又は伝導度を測定することによって特徴づけすることもできる。
【0022】
本実施形態は、更に電流計24を含むことができる。電流計24は、作動可能に第1及び第2カーボンナノチューブ10、12に取り付けられ、その電流を監視する。ナノアンペア及びピコアンペアスケールに基づく抵抗を測定できる電流計24は、当業者には公知である。
ナノチューブ10、12の電子的性質のため、ナノチューブ構造の形状は、使用するナノチューブの化学的詳細によってコントロールできる種々の電子的特性を有する。伝導パッド16、18及び電源22によって、第1ナノチューブ10と第2ナノチューブ12との間の交差は、伝導パッド、整流経路、スイッチ経路でよく、又はトランジスターでさえよい。本実施形態では、交差がユーザーによって監視される伝導パッドを造る。ナノチューブ接触の電子署名を測定し、酵素の活性化前のベースラインとして使用する。つながれた分子20を伴って分子相互作用事象が起こると、動的な分子特性がナノチューブ10、12によって伝達され、巨視的信号に増幅される。例えば、その物理的配向性の変化は、流れている電流量の変化となるので、該システムの抵抗を監視することで測定することができる。
【0023】
本発明を分子事象検出器として利用するときは、第2ナノチューブ12に取り付けた分子20を標的試料にさらす。標的試料は、第2ナノチューブ12の末端につながれている分子20と反応する可能性のある物質を含むことができる。反応する可能性があることで、本実施形態は、該分子が存在すれば、それはつながれている分子と検出可能な方法で反応すると予想する。反応は、結果として該システム内の何らかの報告可能な変化となるいずれの分子相互作用事象でもよい。本実施形態は、電気抵抗の変化を予想し、かつ電流計によって検出できる。当業者には明らかなように、本発明の方法の教示は、広範な選択システムにも適用できる。
【0024】
前述したように、第2ナノチューブ12の末端につながれている分子20は、分子相互作用事象を受けると、該事象が第1ナノチューブ10と第2ナノチューブ12との間の物理的関係に変化を生じさせる。本実施形態では、この変化は、第1及び第2ナノチューブ10、12の末端上の白金パッド16、18を通じて測定される監視電圧又は抵抗の変化によって報告される。この抵抗の変化は、分子相互作用事象の結果生じるナノチューブ10、12の物理的関係の変化、すなわち、電流通路の長さを変え、それによって電流計24で検出される抵抗を変えることによって生じる。他言すれば、各ナノチューブ10、12は、伝導パッド16、18を通じて巨視的回路に接続されているので、2つのナノチューブ10、12を通る電流の変化の測定は、起こっている分子の活動と関係している。
【0025】
代替実施形態では、限定するものではないが、運動、熱伝導、抵抗、圧縮、膨張等のようなナノチューブの特性が変わり、かつ検出される。ナノチューブの特性の変化は、ナノチューブ−ナノチューブ接触の特徴を変え、それによって巨視的な世界に酵素活性の特徴を報告する。当業者には明かなように、代替実施形態では、第1及び第2ナノチューブ10、12の種々の特性を監視して、分子相互作用事象の発生を検出することができる。
【0026】
本発明の一代替実施形態では、ナノチューブを1つだけ利用して分子相互作用事象を報告することができる。1つのナノチューブを選択表面上に形成し、そこに分子をつなぐ。ナノチューブに対して作動可能に走査型トンネル顕微鏡を位置づけ、ナノチューブの位置又は電子的特徴を監視する。ナノチューブの末端につながれている分子に分子相互作用事象が起こると、走査型トンネル顕微鏡は、ナノチューブの位置の変化を報告し、ひいては相互作用事象の発生を報告する。
【0027】
本発明の別の代替実施形態では、本発明は、第1ナノチューブと、第2ナノチューブと、第1伝導パッドと、第1ナノチューブに取り付けられた第2伝導パッドと、第2ナノチューブに接続された第2伝導パッドとを含むことができる。ナノチューブは、相互に作動可能に取り付けられ、分子は第2ナノチューブの末端につながれる。この実施形態は、パッド間に接続された電源と電流計を含むこともできる。この実施形態では、電流は第1ナノチューブに取り付けられている第1パッドを通り、第2ナノチューブまで横断してから、第2ナノチューブを通り、第2パッドまで流れる。明らかなように、この実施形態では第2ナノチューブの末端につながれている分子は、該システム上に置かれる小電流によって影響されないだろう。前の実施形態におけるように、分子によって起こる分子相互作用事象は、該システムを通して流れる電流に影響し、電流計によって報告される。
【0028】
以下の実施形態は、本発明を教示するために提示され、かつ本発明の種々の選択的な適用の代表である。本発明は化学検出、物質相互作用、及び他の物理的又は電子的相互作用に適用できるので、以下の実施形態は、いかなる場合にも本発明を限定するものではない。
【0029】
実施例1:風媒性粒子の検出
風媒性分子は、レシピエントの挙動及び一般的な物理的状態に影響を及ぼす。風媒性分子は、少量でさえ、動物又はヒトの行動及び生理的効果の両方を引き起こしうるので、風媒性粒子を検出できることには非常に関心がある。このような風媒性粒子としては、種々の毒素、化学薬品、又はフェロモンのような他の物質が挙げられる。
【0030】
一実施例では、フェロモン用受容体を第1ナノチューブに取り付ける。この第1ナノチューブは他端で固着され、金電極に両端が接続されているほぼ垂直な第2ナノチューブを横切っている。更に、電源と電流計を含み、システムに作動可能に取り付けられている。このシステムの定常状態の電子署名は、2つの金電極間に設置された高感度回路を用いて確証される。フェロモンがナノチューブ結合受容体近傍の環境中に導入される。受容体は、フェロモンに結合すると、取り付けられている第1ナノチューブの特性に影響を及ぼす構造変化を受ける。分子相互作用事象は、第2ナノチューブの回路内の変化を検出することによって報告される。代替実施形態では、この装置は、当業者に公知のKellmanフィルターの実行のような標準的なフィルタリング法の利用によって一過性の事象に対して感受性にすることができる。
【0031】
代替実施形態では、本発明を利用して他の風媒性病原体を検出することができる。例えば、炭疽菌は、風媒性粒子として伝達されうる致命的な病原体である。検出可能な他の物質としては、カビ胞子及びウイルス病原体が挙げられる。
これら代替実施形態では、ナノチューブにつなぐ分子はアプタマーを含むことができる。アプタマーは、生体又は非生体分子の表面及び構造に特異的に結合するように設計された分子である。当業者に公知の方法によって、種々多様な相互作用のため、かついろいろな条件下で反応するアプタマーを作ることができる。アプタマーが風媒性病原体と相互作用すると、アプタマーは構造変化を受け、上記実施例におけるように伝達され、ナノチューブ結合回路機構によって検出される。
【0032】
別の代替実施形態では、本発明を光子検出に利用することができる。この実施例では、光受容体をナノチューブに基づいたナノセンサーの末端に結合する。光子受容体は、眼内の光受容体を含め、生物学の種々多様ないずれの光子センサーに基づいてもよく、この光受容体は光合成の第1工程に関与し、かつラン藻類(誤った名であるblue−green algaeとしても知られる)内の光エネルギーの取り入れに関与している。これとは別に、光受容体は、天然又は人工、光反応性鉱物(例えばシリコン)のような非生体物質でありうる。この実施例では、所定エネルギーレベルの光子間相互作用が、光検出器内にナノスケールセンサーを通じて伝達される構造変化を生じさせる。別の代替実施形態では、本発明は、同様に熱センサーとして利用することができる。これらの実施例から、提示した中心的な概念に基づいて種々多様な相互作用のためのセンサーを設計できることは明白である。これには、限定するものではないが、粒子センサー、化学センサー、及び鉱物センサーが包含される。
【0033】
上記実施例では結合反応は空中で起こり、かつ検出は機械的に伝達される構造変化という検出に基づいて行われることに留意すべきである。代替実施形態では、検出事象は、結合相互作用によって直接伝達されるナノチューブの電子状態の変化に基づくことができる。例えば、上述したように、ナノチューブが2つの金電極を架橋するようにセンサーを構成する。ナノチューブの中央につなぐのは、上述したフェロモン受容体のような検出実体である。このつなぎ鎖は、ナノチューブ内に生じることが分かっている欠陥領域で達成することができる。センサーの電子状態は、回路を測定することで確証される。フェロモンリガンドと反応すると、新しい成分のシステムへの付加のため、この電子状態が変化し、その電子的特徴を既存のシステムの電子状態と溶け込ませる。この状態変化を検出回路機構の変化によって監視する。
【0034】
今までのところでは、全実施例は、あるレベルの湿度の空中又は真空中で操作するシステムを用いて述べてきた。しかし、センサーが液体環境から保護され、かつ区別される限り、溶液内で同様の反応を行うことができる。走査型トンネル顕微鏡は、プローブの大部分を絶縁材料で覆い、最頂端だけを周囲の液体環境に開放したままにすることで溶液中で走査できることは周知である。これと同じ方法を用いて同様の性状を有するナノスケールセンサーシステムを作ることができる。例えば、システムの検出部分を除いて全体に絶縁材料をイオンビームスパッタリングすることによって、ナノスケールセンサーを絶縁材料で被覆することができる。この場合、システムは溶液中で作動させることができ、液体系内で生体分子事象を検出することができる。以下に、特に有用な実施例を示す。
【0035】
実施例2:酵素活性の検出
第1ナノチューブを上述したように形成し、生体分子に結合させる。第1カーボンナノチューブを一端で酸処理し、終端にダングリング−COOH基を作る。−COOH基を縮合化学によって酵素に結合させる。本発明の方法の一実施形態では、カルボジイミド試薬を用い、自由なカルボキシル基と酵素上の一級アミンとの縮合を触媒し、それによって水分子を遊離させ、酵素とナノチューブとの間に共有結合鎖を形成する。
次に、基質及び必要な補助因子の添加によって酵素を活性化する。酵素がその触媒機能を果たすにつれ、酵素の触媒機能に応じて第1及び第2ナノチューブの特性が変化する。
【0036】
一実施形態では、分子相互作用事象の際、連結された酵素の動きが、ナノチューブで形成された回路の抵抗の変化となる。一実施形態では、分子相互作用事象が第1及び第2ナノチューブの相対的な位置を変えると、回路経路の長さが変化する。抵抗の変化は、第2ナノチューブがスライドし、動き、又は第1ナノチューブと何らかの方法で反応するにつれて第2ナノチューブを通じて引き出される電子によって測定される。別の代替実施形態では、分子相互作用事象が起こった時、2つのナノチューブの他の物理的特徴及び関係を検出することができる。
【0037】
一代替実施形態では、トランジスタースイッチを生じさせる交差ナノチューブの構築で電子ゲートのような構造を取り込むことができる。
本実施例では、引き出される一次情報は、酵素が活性であり、かつ分子相互作用事象を受けるか否かである。この情報は、例えば、酵素がある試薬の存在下又は非存在下でのみ活性である場合に非常に有用である。一実施例は、化学反応を触媒する金属イオンの検出にある。別の実施例は、その存在又は非存在が特定状態の診断である特定タイプの酵素基質の検出である。本発明は、これら特徴づけの両者に有用である。
【0038】
他の代替実施形態では、酵素がDNAポリメラーゼの場合、分子形状又は他の特徴の変化で特定核酸の存在が検出される。核酸は、相補プライマーDNA分子が標的DNA分子に結合し、それによってポリメラーゼが作用する適切な基質を形成した時だけ、活性になる酵素によって検出される。
更に別の実施形態では、あるタンパク質の他のタンパク質への結合を検出する。抗体があるナノチューブセンサー上に作られると、抗体の抗原への結合が抗体構造の変化を生じさせる。この構造の変化が、前述したのと同様の方法で電子信号に翻訳される。
【0039】
本発明の本実施形態の1つの利点は、ナノチューブセンサーが酵素と同じサイズであることである。ナノチューブと酵素が同一サイズということは、酵素の活性がナノチューブの特性に及ぼす深い効果を有することを意味する。これは、例えば、従来のAFMプローブがその頂端に結合している単一酵素分子の質量の何千倍もの質量を有するのと対照的である。サイズの相異の結果、低感度となる。
【0040】
実施例3:DNA配列決定の検出
この実施形態では、ナノチューブ接合部を作り、その中でDNAポリメラーゼ酵素を第2ナノチューブの一端につなぐ。本実施形態では、DNA基質と相補プライマーをシステムに加える。基質とプライマーが一緒に結合し、つながれているDNAポリメラーゼに結合すると、酵素はすぐに作用できる。適宜の緩衝液と触媒を含むヌクレオチドトリホスフェート前駆体を加えて酵素活性を始める。酵素がヌクレオチドをプライマー分子に加えるにつれ、酵素は、ナノチューブ接合部内の第1及び第2ナノチューブ間の電流に影響を及ぼす信号を生じさせ、これは酵素によって消費されるエネルギーの結果であり、かつ電流計によって検出される。生成された信号は、エネルギーの機械的、熱的、又は他の何らかの形態である。本実施形態では、これら信号が、ヌクレオチドのプライマーへの付加によって合成されるDNAの配列に対応する。
【0041】
ポリメラーゼが活性になるためには、ポリメラーゼは標的DNAとプライマー鎖の両方を含有するDNA基質を必要とする。プライマー鎖は、3’−OH基を与え、それにポリメラーゼがヌクレオチドを加え始め、同時に標的鎖をコピーすることができる。DNAポリメラーゼが作用して相補分子をDNAの成長鎖中に取り込む時、各ヌクレオチド型に対する立体化学とエネルギー要求がわずかに異なる。この相異が、ヌクレオチドA、C、G、又はT(RNAではU)が取り込まれる別個の指標を構成する。この情報が、本明細書で述べるナノセンサーによって伝達され、ナノセンサーのポリメラーゼ成分によって合成される分子のDNA配列の即時知識となる。本実施形態は、DNA及びRNA分子の両者に適用できる。従って、本実施形態により、ユーザーは生成される信号を解析して、生成されるDNA又はRNA配列を直接推論することができる。該発明の用途及び利点は明白である。
【0042】
代替実施形態では、上記方法を同一表面上に形成されたナノスケールセンサーの大きなセットで実施することができる。各バイオセンサーは、空間寸法約2μ×2μなので、固形基質又は1cm“チップ”上に何百万も存在しうる。このような方法と装置を利用すると、DNA断片の配列を同時に決定することができる。更に、DNAポリメラーゼの反応速度は1秒当たり20〜40ヌクレオチド以上と高速なので、極端に速くかつ効率的な配列決定速度に換算される。
【0043】
本明細書で述べた情報及び実施例は、説明の目的のためであり、本発明の概念的内容内にあるいずれの派生物又は代替方法をも排除する意味ではない。本発明の範囲から逸脱することなく、この実施形態に対する種々の逸脱を構成することができると考えられる。従って、本発明の範囲は、この実施形態の前述の説明によってではなく特許請求の範囲によって決定されることを意図している。
この出願で引用した全出版物は、目的にかかわらず全体的に参照によって取り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の一実施形態のナノチューブ回路の概略図を示す。
[0001]
(priority)
This application is based on prior provisional application Ser. No. 60 / 238,518 filed Oct. 10, 2000 and U.S. Pat.   Claim the benefit of the issue. Provisional Application No. 60 / 238,518 and Non-Provisional Application No. 60 / 238,518   The disclosure of the present invention is incorporated herein by reference.
[0002]
(Field)
The present invention relates to an apparatus and a method for detecting a nanoscopic event. In particular, the invention relates to monitoring molecular interaction events by monitoring the effects of the interaction event based on a nanoscale object to which one or more molecules or objects involved in the event are bound. How to
[0003]
(background)
It is very useful to detect events that occur on the nanometer scale and report these events in the micro world. Such events include molecular interaction events between biomolecules, antibodies and antigens, enzymes, and other chemical and inorganic molecular events. One prior art method of detecting events on the nanometer scale relies on the use of an averaged phenomenon change. Such methods include the population method. However, the population method requires a large number of molecules and only reports the averaged characteristics of the entire population. Recently, methods have been developed that allow the investigation of a small group of molecules, or even a single molecule. The newly developed methods include scanning probe microscopy and high resolution optics.
[0004]
Scanning probe microscopes use a probe based on a micron dimensional scale to interrogate the tissue distribution or other characteristics of molecules on a solid support. In one variation, a chemical, biomolecular or modified microparticle is attached to the end of a probe and the microparticle is scanned across a surface or a sample on the surface while measuring a very small force. it can. The measurement of this force is effective when the microparticles attached to the end of the probe interact with the surface or objects deposited on the surface.
[0005]
One problem with the above research methods is that the "reporter" system involves objects based on the micron space scale or larger. In contrast, molecules of interest are often based on the sub-nanometer scale, and the activity of the molecule of interest can also occur at the nanometer scale. Detection of nanometer-scale molecular interaction events is difficult, even using advanced AFM probe technology. Compounding this problem is the fact that the probe connecting the molecules is much larger and heavier than the molecule on which it is connected, the molecule of interest. The large deviation in size between the two molecules and the probe results in low or reduced sensitivity to single molecule interaction events. Accordingly, there is a need for improved devices and methods for detecting molecular interaction events based on the micron and nanometer scale.
[0006]
Accordingly, there is a need for an apparatus and method for detecting molecular interaction events that occur on a nanometer scale. Further, there is a need to directly detect these molecular interaction events without resorting to population means. Finally, there is a need for devices and methods that can act as reporters for a single biomolecular interaction event.
[0007]
(Overview)
The present invention describes an apparatus and method for using nanotubes and other nanometric objects as part of a reporter system that allows detection of the activity of molecules or other objects on a sub-micron scale. This new device and method can improve sensitivity and responsiveness to molecular and molecular activities that occur on the nanometer scale.
In the present invention, organic, inorganic, or other objects that can be involved in molecular interaction events include, but are not limited to, carbon nanotubes, silicon nanotubes, metal nanotubes, and biological materials such as microtubules and actin filaments. Create a signaling system that physically connects to nanoscale objects, represented by structural elements, and reports events on the submicron scale.
[0008]
In one embodiment, a first nanoscale object is formed and operably positioned relative to a second nanoscale object having a molecule at one end. A first nanoscale object is connected at each end to an individual micron-sized conductive pad. Then, a current is passed through the first nanoscale object and monitored. When a molecule bound to the second nanoscale object participates in a molecular interaction event, the physical properties of the second nanoscale object change, affecting the electrical conductivity of the first nanoscale object. In the simplest case, the second nanoscale object physically moves due to the small size of the nanoscale object relative to the molecules bound thereon, affecting the current or resistance of the first nanoscale object. Exert. This current or resistance can be detected to report a molecular interaction event. Obviously, other physical properties of the nanoscale object interaction can also be measured.
[0009]
In a second embodiment of the present invention, a first nanoscale object is formed on a surface having a molecule tethered at one end and a conductive pad tethered to the other end. The position and electronic characteristics of the nanoscale object are monitored using a scanning tunneling microscope. When a molecular interaction event occurs, the position or electronic properties of the nanoscale object change. Changes in the position or electrical properties of nanotubes are detected and reported by scanning tunneling microscopy.
[0010]
The invention further comprises a first nanotube formed on the surface, a monitoring device operably attached to the first nanotube, and a second nanotube formed on the surface and in operative relationship with the first nanotube. And at least one molecule tethered to the first end of the second nanotube, wherein when a molecular interaction event occurs with the tethered molecule, the monitoring device detects the molecular interaction event. Including nanoscale sensors.
[0011]
Another embodiment of the invention is a method of detecting a molecular interaction event, wherein the first nanotube is operably coupled to a second nanotube, wherein the first nanotube comprises a first conductive material at a first end. Operably coupling to a pad, coupling to a second conductive pad at a second end, and coupling the second nanotube to a third conductive pad at a first end and to a molecule at a second end; Providing a current flowing through the nanotubes and monitoring the current through the first and second nanotubes with an ammeter, wherein when the biomolecule undergoes a molecular interaction event, the first and second nanotubes Detecting a change in conductivity with an ammeter.
[0012]
Yet another method of detecting a molecular interaction event includes connecting a molecule to a first end of a nanoscale object, scanning the nanoscale object with a scanning tunneling microscope, and when the molecule has undergone a molecular interaction event, Detecting the movement of the nanoscale object.
Also provided herein is an apparatus for detecting a molecular interaction event, comprising: a first nanotube operably attached to a surface; and an operably attached and operatively attached to the first nanotube. A second nanotube operably connected to the second nanotube and a molecule tethered to the first end of the second nanotube, wherein the molecule is involved in a molecular interaction event, and the physical properties of the first and second nanotubes can be measured. An apparatus is characterized, wherein the change occurs.
[0013]
(Detailed description)
As utilized in the present invention, a nanoscale object is monitored in such a way that a change in the physical location or other property of the object can be recognized as an indicator of a nanoscale event. For example, carbon nanotubes conduct electrons in such a way that they can act like wires, switches, and diodes. Thus, electrical resistance is one property that can be monitored to indicate the occurrence of a molecular interaction event. Other nanoscale objects can be used in the present invention. Such nanoscale objects include anatomical elements such as silicon nanotubes, microtubules and actin filaments, as well as nanobars and nanowires. The present invention utilizes carbon nanotubes as a preferred nanoscale object. Clearly, the well-defined metal properties, and the ability to create nanobars with defined physical and chemical attributes, can provide an alternative device for the nanosensor configurations described herein. . In addition, systems of this type can be more easily created in large quantities. Accordingly, replacement of other nanoscale objects, such as those listed above, can be achieved by one of ordinary skill in the art without altering the features and scope of the present invention.
[0014]
C in the form of a needle-like monolayer or multilayer tube with nanometer dimensions60The synthesis of fullerene structures is known in the art. This expanded fullerene tube structure is also known as a carbon nanotube or a thin-walled carbon nanotube. Structurally, carbon nanotubes are a member of the molecular carbon class known as fullerenes. The atomic arrangement of the hexagonal carbon ring with respect to the nanotube axis varies from tube to tube and is usually helical. Nanotubes are composed of a large number of coaxial cylindrical sheets (ranging from 1 to about 50) of hexagonally arranged carbon atoms. Tubes typically have diameters of a few nanometers to tens of nanometers and lengths up to a few micrometers. Such nanotubes are well-known to those skilled in the art.
[0015]
Methods for synthesizing experimental amounts of these nanotubes using standard carbon are known. The production of nanotubes typically involves placing two water-cooled carbon electrodes, either amorphous carbon or graphite rods, in a vacuum chamber about 1 millimeter apart;-5Pa (about 10-7Depressurizing the chamber, backfilling the chamber with an inert gas such as helium, nitrogen, argon or hydrogen,3~ 7 × 104It consists of skipping a high current arc between the electrodes while maintaining a pressure in the range of Pa (50-500 Torr) and continuously adjusting them to maintain a 1 millimeter electrode gap. As a result, carbon nanotubes and other small carbon particles grow on the negative electrode. The amount of nanotubes produced in the electrode deposit depends on how long optimal growth conditions can be maintained.
[0016]
Probes constructed in this and other ways can be used for many experiments. Wong, S.M. S. , E .; Joselevic, A .; T. Woolley, C.I. L. Cheung, and C.I. M. Lieber, Covalent functional nanotubes as nanometer-sized probes in chemistry and biology, Nature, 1998, p. 52-5; Wong, S .; S. , A. T. Woolley, E .; Joselevic, C.I. L. Cheung, and C.I. M. Lieber, Covalently Functional Single-Walled Carbon Nanotube Probe Tip for Chemical Force Microscopy, Journal of the American Chemical Society, 1998, p. 8557-8558; Wong, S .; S. , A. T. Woolley, E .; Joselevic, and C.I. M. Lieber, Functionalization of Carbon Nanotube AFM Probe Using Tip Activating Gas, Chemical Physics Letters, 306, p. 219; Dai, H .; E. FIG. W. Wong and C.I. M. Lieber, Exploring Electric Transport in Nanomaterials: Conductivity of Individual Carbon Nanotubes, Science, 1996, 272: p. 523-526; Shoushan Fan, Michael Chapline, Nathan Franklin, Thomas Tommbler, A .; Cassell and Hongjie Dai, Self-Oriented Regular Array Structure of Carbon Nanotubes and Their Functional Devices, Science, 283, 512 (1999); Soh, Alberto Morpurgo, Jing Kong, Charles Marcus, Calvin Quate and Hongjie Dai, Integrated Nanotube Circuit: Controlled Growth and Ohmic Contact for Single-Walled Carbon Nanotubes, Appl. Phys, Lett. , 75, 6951, (1999); Hongjie Dai, Jing Kong, Chongwu Zhou, Nathan Franklin, Thomas Tombler, Alan Cassell, Shoushan Fan and Michael for the Physics and Construction of the Chemical Chapline for the Physical Chapline, and the Nanotube for the Physical Chapline, Michael Chapline . Phys. Chem B. 1999, 103, 11246-11255 (1999); Martin, B .; R. , Nanobars, Advanced Materials, 11, p. 1021 (1999); Cui, Y .; Et al., Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species, Science, 293, p. 1289 (2001); Martin, B .; R. , Nanobars, Advanced Materials, 11, p. 1021 (1999).
[0017]
In such an experimental device, about 7 × 104Under a helium pressure of about 500 Torr, a DC voltage of about 18 V is applied between two carbon electrodes in the chamber. Plasma is generated between closely spaced electrodes. As the positive electrode is consumed, carbon accumulates and grows on the negative electrode. If the correct electrode spacing is maintained, the deposit will grow into a cylindrical structure with an outer hard shell and an inner soft fibrous core. The gray outer shell is composed of carbon nanotubes and other carbon nanoparticles, which fuse into a hard mass. The soft black inner core contains fibrous free nanotubes and nanoparticles, which are aligned in the direction of the current between the electrodes. Additional methods of making nanotubes are known, such as those described in US Patent Nos. 5,753,088 and 5,482,601.
[0018]
The devices and methods of the present invention describe devices and methods that utilize carbon nanotubes to report events as macroscopic signals. The device and method of the present invention will be described first, followed by a description of the method and some specific examples utilizing the device as a nanoscale reporter.
One embodiment of the device of the present invention includes a first carbon nanotube 10, a second carbon nanotube 12, and a surface 14. First and second carbon nanotubes 10, 12 are operatively connected to and attached to surface 14. The first carbon nanotube 10 further includes a conductive pad 16 operatively attached to one end. Conductive pad 16 is also operatively attached to surface 10. The second carbon nanotube 12 further includes a conductive pad 18 attached to the first end, and a molecule 20 connected to the second end. The molecule 20 connected to the second nanotube 12 is the molecule to be studied.
[0019]
In the present embodiment, the conductive pads 16 and 18 are formed of a platinum lattice, and are attached to the carbon nanotubes 10 and 12. Other conductive pads, such as micron-sized gold islands, can also be used.
The length and size of the constructed nanotubes can be determined by one skilled in the art and will depend on the nature of the molecular interaction event to be detected. By various methods, a secure electrical connection bridged by individual nanotubes can be constructed. For example, a method of achieving a semiconductor single-walled carbon nanotube and then connecting it to two metal electrodes such as the platinum electrode of the present embodiment is described in Nature, 292, (1998). Furthermore, it has been found that carbon nanotubes grow to accumulate into electronic circuits. J. above. Phys. Chem B. 1999, 103 11246-11255 (1999). Nanotube tips can be grown in desired locations on a substrate using the deposition of nanotubes utilizing a substrate patterned with 1-5 micron wide catalyst islands. The position of the nanotube can be confirmed using an atomic force microscope or a scanning tunneling microscope. Using various methods, for example, chemical vapor deposition, single-wall or multi-wall carbon nanotubes growing on a silicon surface, including a silicon oxide substrate, can be considered.
[0020]
Next, the molecule 20 is connected to the free end of the second nanotube 12 using a known technique. Depending on the molecular interaction event of interest, an inorganic or organic molecule 20 can be attached to the composite end of the second nanotube 12. A modification of the chip of one embodiment is achieved by attaching an amine to a pendant carboxyl group. In another embodiment, the covalently modified nanotube tips described above can also be utilized. See Nature, 395, July 1998, supra. In yet another embodiment, the carboxyl groups can be modified to provide additional conjugates. As is evident, the molecule 20 need not necessarily be connected to the end of the second nanotube 12, but may be connected to a position along the entire length of the second nanotube 12.
[0021]
This embodiment can further include a power supply 22. Power supply 22 is operatively attached to conductive pad 16 attached to first nanotube 10 and to conductive pad 18 attached to second nanotube 12. The power supply 22 takes into account the small voltage applied through the first and second carbon nanotubes 10,12. The power supply 22 may also be controlled to precisely monitor and control the amount of power provided to the nanotubes 10,12. Circuits formed with nanotube bridges can also be characterized by measuring electrical resistance or conductivity.
[0022]
This embodiment can further include an ammeter 24. An ammeter 24 is operatively attached to the first and second carbon nanotubes 10, 12 and monitors the current. Ammeters 24 capable of measuring resistance based on the nanoamp and picoamp scales are known to those skilled in the art.
Due to the electronic properties of the nanotubes 10, 12, the shape of the nanotube structure has various electronic properties that can be controlled by the chemical details of the nanotubes used. Depending on the conductive pads 16, 18 and the power supply 22, the intersection between the first nanotube 10 and the second nanotube 12 may be a conductive pad, a rectifying path, a switching path, or even a transistor. In this embodiment, a conductive pad is created whose intersection is monitored by the user. The electronic signature of the nanotube contact is measured and used as a baseline before activation of the enzyme. When a molecular interaction event occurs with the tethered molecule 20, the dynamic molecular properties are transmitted by the nanotubes 10, 12 and amplified into a macroscopic signal. For example, a change in the physical orientation can be measured by monitoring the resistance of the system, since the change in the amount of current flowing therethrough can be measured.
[0023]
When the present invention is used as a molecular event detector, the molecule 20 attached to the second nanotube 12 is exposed to a target sample. The target sample can include a substance that can react with the molecule 20 attached to the end of the second nanotube 12. Due to the potential for reaction, this embodiment contemplates that, if present, the molecule will react in a detectable manner with the tethered molecule. A reaction can be any molecular interaction event that results in any reportable change in the system. In the present embodiment, a change in the electric resistance can be predicted and detected by an ammeter. As will be apparent to those skilled in the art, the teachings of the method of the present invention are applicable to a wide variety of selection systems.
[0024]
As described above, when the molecule 20 tethered to the end of the second nanotube 12 undergoes a molecular interaction event, the event causes a change in the physical relationship between the first nanotube 10 and the second nanotube 12. Let it. In this embodiment, this change is reported by a change in monitored voltage or resistance measured through platinum pads 16, 18 on the ends of the first and second nanotubes 10, 12. This change in resistance is caused by a change in the physical relationship of the nanotubes 10, 12 as a result of a molecular interaction event, ie, changing the length of the current path, thereby changing the resistance detected by the ammeter 24. In other words, since each nanotube 10,12 is connected to a macroscopic circuit through conductive pads 16,18, the measurement of the change in current through the two nanotubes 10,12 will be a measure of the molecular activity taking place. Involved.
[0025]
In alternative embodiments, nanotube properties such as, but not limited to, motion, heat transfer, resistance, compression, expansion, etc. are altered and detected. Changes in the properties of the nanotubes alter the characteristics of the nanotube-nanotube contacts, thereby reporting the enzymatic activity characteristics to the macroscopic world. As will be apparent to those skilled in the art, in alternative embodiments, various properties of the first and second nanotubes 10, 12 can be monitored to detect the occurrence of a molecular interaction event.
[0026]
In an alternative embodiment of the present invention, only one nanotube can be utilized to report a molecular interaction event. One nanotube is formed on the selected surface and the molecule is attached to it. The scanning tunneling microscope is operatively positioned relative to the nanotube to monitor the position or electronic characteristics of the nanotube. When a molecular interaction event occurs on a molecule tethered to the end of the nanotube, the scanning tunneling microscope reports a change in the position of the nanotube and thus the occurrence of an interaction event.
[0027]
In another alternative embodiment of the present invention, the invention is directed to a first nanotube, a second nanotube, a first conductive pad, a second conductive pad attached to the first nanotube, and connected to the second nanotube. A second conductive pad. The nanotubes are operatively attached to each other and the molecule is tethered to the end of the second nanotube. This embodiment may also include a power supply and an ammeter connected between the pads. In this embodiment, current flows through the first pad attached to the first nanotube, traverses to the second nanotube, and then through the second nanotube to the second pad. As will be apparent, in this embodiment, the molecules tethered to the end of the second nanotube will not be affected by the small currents placed on the system. As in the previous embodiment, molecular interaction events caused by the molecule affect the current flowing through the system and are reported by the ammeter.
[0028]
The following embodiments are presented to teach the present invention and are representative of various alternative applications of the present invention. The following embodiments are not intended to limit the invention in any way, as the invention is applicable to chemical detection, material interactions, and other physical or electronic interactions.
[0029]
Example 1: Detection of airborne particles
Airborne molecules affect the behavior and general physical state of the recipient. It is of great interest to be able to detect airborne particles, as even small amounts can cause both animal or human behavior and physiological effects. Such airborne particles may include various toxins, chemicals, or other substances such as pheromones.
[0030]
In one embodiment, a pheromone receptor is attached to the first nanotube. The first nanotube is secured at the other end and traverses a substantially vertical second nanotube connected at both ends to a gold electrode. In addition, it includes a power supply and an ammeter and is operably attached to the system. The steady state electronic signature of this system is verified using a sensitive circuit placed between two gold electrodes. The pheromone is introduced into the environment near the nanotube-bound receptor. When the receptor binds to the pheromone, it undergoes a structural change that affects the properties of the attached first nanotube. Molecular interaction events are reported by detecting changes in the second nanotube circuit. In an alternative embodiment, the device can be made susceptible to transient events by utilizing standard filtering techniques, such as performing a Kellman filter known to those skilled in the art.
[0031]
In alternative embodiments, the present invention can be used to detect other airborne pathogens. For example, Bacillus anthracis is a deadly pathogen that can be transmitted as airborne particles. Other detectable substances include mold spores and viral pathogens.
In these alternative embodiments, the molecule that attaches to the nanotube can include an aptamer. Aptamers are molecules designed to specifically bind to the surface and structure of biological or non-biomolecules. Aptamers that react for a wide variety of interactions and under a variety of conditions can be made by methods known to those skilled in the art. When the aptamer interacts with an airborne pathogen, the aptamer undergoes a structural change, is transmitted as in the above example, and is detected by the nanotube binding circuitry.
[0032]
In another alternative embodiment, the invention can be used for photon detection. In this example, a photoreceptor is attached to the end of a nanotube-based nanosensor. Photon receptors may be based on any of a wide variety of photonic sensors in biology, including photoreceptors in the eye, which are involved in the first step of photosynthesis, and (Also known as blue-green algae). Alternatively, the photoreceptor can be a non-biological material, such as a natural or artificial, photoreactive mineral (eg, silicon). In this embodiment, a photon interaction at a predetermined energy level causes a structural change to be transmitted through the nanoscale sensor into the photodetector. In another alternative embodiment, the present invention can be utilized as a thermal sensor as well. It is clear from these examples that sensors can be designed for a wide variety of interactions based on the core concepts presented. This includes, but is not limited to, particle sensors, chemical sensors, and mineral sensors.
[0033]
It should be noted that in the above example the binding reaction takes place in the air and the detection is based on the detection of mechanically transmitted structural changes. In an alternative embodiment, the detection event can be based on a change in the electronic state of the nanotube that is directly transmitted by the binding interaction. For example, as described above, the sensor is configured such that the nanotube bridges two gold electrodes. Connected to the center of the nanotube is a detection entity such as the pheromone receptor described above. This tether can be achieved at defective areas known to occur within the nanotube. The electronic state of the sensor is established by measuring the circuit. Upon reaction with the pheromone ligand, this electronic state changes due to the addition of new components to the system, blending its electronic characteristics with the electronic state of existing systems. This state change is monitored by a change in the detection circuit mechanism.
[0034]
So far, all embodiments have been described using systems operating in air or vacuum at some level of humidity. However, similar reactions can be performed in solution as long as the sensor is protected and distinguished from the liquid environment. It is well known that scanning tunneling microscopes can scan in solution by covering most of the probe with an insulating material, leaving only the top end open to the surrounding liquid environment. Using this same method, nanoscale sensor systems with similar properties can be made. For example, a nanoscale sensor can be coated with an insulating material by ion beam sputtering the insulating material entirely except for the sensing portion of the system. In this case, the system can be operated in solution and detect biomolecular events in a liquid system. The following are particularly useful examples.
[0035]
Example 2: Detection of enzyme activity
A first nanotube is formed as described above and attached to a biomolecule. The first carbon nanotube is acid-treated at one end to form a dangling-COOH group at the end. -The COOH group is attached to the enzyme by condensation chemistry. In one embodiment of the method of the present invention, a carbodiimide reagent is used to catalyze the condensation of a free carboxyl group with a primary amine on an enzyme, thereby liberating a water molecule and providing a covalent chain between the enzyme and the nanotube. To form
The enzyme is then activated by the addition of a substrate and the necessary cofactors. As the enzyme performs its catalytic function, the properties of the first and second nanotubes change depending on the catalytic function of the enzyme.
[0036]
In one embodiment, upon a molecular interaction event, movement of the linked enzyme results in a change in resistance of the circuit formed by the nanotubes. In one embodiment, when a molecular interaction event changes the relative position of the first and second nanotubes, the length of the circuit path changes. The change in resistance is measured by electrons drawn through the second nanotube as the second nanotube slides, moves, or reacts in some way with the first nanotube. In another alternative embodiment, other physical characteristics and relationships of the two nanotubes can be detected when a molecular interaction event occurs.
[0037]
In an alternative embodiment, structures such as electronic gates can be incorporated in the construction of crossed nanotubes that give rise to transistor switches.
In this example, the primary information derived is whether the enzyme is active and undergoes a molecular interaction event. This information is very useful, for example, if the enzyme is only active in the presence or absence of certain reagents. One example is in the detection of metal ions that catalyze a chemical reaction. Another example is the detection of a particular type of enzyme substrate, the presence or absence of which is diagnostic of a particular condition. The present invention is useful for both of these characterizations.
[0038]
In another alternative embodiment, when the enzyme is a DNA polymerase, a change in molecular shape or other characteristic detects the presence of a particular nucleic acid. Nucleic acids are detected by enzymes that become active only when the complementary primer DNA molecule binds to the target DNA molecule, thereby forming a suitable substrate on which the polymerase acts.
In yet another embodiment, the binding of one protein to another is detected. When an antibody is made on a nanotube sensor, the binding of the antibody to the antigen causes a change in the antibody structure. This structural change is translated into an electronic signal in a manner similar to that described above.
[0039]
One advantage of this embodiment of the present invention is that the nanotube sensor is the same size as the enzyme. The fact that the nanotube and the enzyme are the same size means that the activity of the enzyme has a profound effect on the properties of the nanotube. This is in contrast, for example, to the fact that conventional AFM probes have thousands of times the mass of a single enzyme molecule attached to its apex. The difference in size results in low sensitivity.
[0040]
Example 3: Detection of DNA sequencing
In this embodiment, a nanotube junction is created in which a DNA polymerase enzyme is connected to one end of a second nanotube. In this embodiment, a DNA substrate and a complementary primer are added to the system. As soon as the substrate and primer bind together and bind to the tethered DNA polymerase, the enzyme is ready to work. The enzymatic activity is initiated by the addition of a nucleotide triphosphate precursor containing the appropriate buffer and catalyst. As the enzyme adds nucleotides to the primer molecule, the enzyme produces a signal that affects the current between the first and second nanotubes within the nanotube junction, which is a result of the energy consumed by the enzyme, and Detected by the meter. The generated signal is a mechanical, thermal, or some other form of energy. In the present embodiment, these signals correspond to the sequence of DNA synthesized by adding nucleotides to the primer.
[0041]
For a polymerase to be active, it requires a DNA substrate that contains both the target DNA and the primer strand. The primer strand provides a 3'-OH group to which the polymerase can start adding nucleotides while simultaneously copying the target strand. When a DNA polymerase acts to incorporate a complementary molecule into the growing strand of DNA, the stereochemistry and energy requirements for each nucleotide type are slightly different. This difference constitutes a separate indicator of nucleotide A, C, G, or T (U for RNA) incorporation. This information is transmitted by the nanosensors described herein and provides an immediate knowledge of the DNA sequence of the molecule synthesized by the polymerase component of the nanosensor. This embodiment is applicable to both DNA and RNA molecules. Therefore, according to the present embodiment, the user can analyze the generated signal and directly infer the generated DNA or RNA sequence. The uses and advantages of the invention are clear.
[0042]
In an alternative embodiment, the method can be performed on a large set of nanoscale sensors formed on the same surface. Since each biosensor has a space dimension of about 2 μ × 2 μ, a solid substrate or 1 cm2There can be millions on a “chip”. Using such a method and apparatus, the sequence of a DNA fragment can be determined simultaneously. Furthermore, the reaction rate of DNA polymerases is as fast as 20 to 40 nucleotides per second, which translates into extremely fast and efficient sequencing rates.
[0043]
The information and examples described herein are for illustrative purposes and are not meant to exclude any derivations or alternatives within the conceptual content of the invention. It is contemplated that various departures from this embodiment may be made without departing from the scope of the invention. Therefore, it is intended that the scope of the invention be determined not by the preceding description of this embodiment, but by the claims.
All publications cited in this application are incorporated by reference in their entirety, regardless of purpose.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 shows a schematic diagram of a nanotube circuit of one embodiment of the present invention.

Claims (21)

センサーであって、
表面上に形成された第1ナノスケール物体と、
前記表面上で前記第1ナノスケール物体と作動可能な関係で形成された第2ナノスケール物体と、
前記第1ナノスケール物体及び前記第2ナノチューブ物体に作動可能に取り付けられた監視装置と、
前記第2ナノスケール物体の第1末端につながれた少なくとも1つの分子と、を含み、
前記つながれた分子を含む分子相互作用事象が起こると、該分子相互作用事象を前記監視装置が検出することを特徴とするセンサー。
A sensor,
A first nanoscale object formed on a surface;
A second nanoscale object formed in operative relationship with the first nanoscale object on the surface;
A monitoring device operably attached to the first nanoscale object and the second nanotube object;
At least one molecule tethered to a first end of the second nanoscale object;
A sensor characterized in that when a molecular interaction event involving the tethered molecule occurs, the monitoring device detects the molecular interaction event.
更に、
前記第1ナノスケール物体の第1末端に取り付けられた第1伝導パッドと、
前記第2ナノスケール物体の第2末端に取り付けられた第2伝導パッドと、
を含む、請求項1の装置。
Furthermore,
A first conductive pad attached to a first end of the first nanoscale object;
A second conductive pad attached to a second end of the second nanoscale object;
The device of claim 1, comprising:
更に、前記第1及び第2伝導パッドに作動可能に取り付けられた電源を含むことによって、該電源が、前記第1ナノスケール物体及び前記第2ナノスケール物体を通して電流を流し、かつ該電流を前記監視装置が検出することを特徴とする請求項1の装置。Further, by including a power supply operably attached to the first and second conductive pads, the power supply conducts current through the first nanoscale object and the second nanoscale object and diverts the current to the The device of claim 1 wherein the monitoring device detects. 前記監視装置が、電流計であり、該電流計が、前記第1ナノスケール物体及び前記第2ナノスケール物体を通る電流の抵抗を測定し、かつ該抵抗の変化を検出することを特徴とする請求項1の装置。The monitoring device is an ammeter, wherein the ammeter measures a resistance of a current passing through the first nanoscale object and the second nanoscale object, and detects a change in the resistance. The device of claim 1. 前記表面が、シリコンである、請求項1の装置。The device of claim 1, wherein the surface is silicon. 前記表面が、更に二酸化シリコンの層を含む、請求項5の装置。The apparatus of claim 5, wherein said surface further comprises a layer of silicon dioxide. 前記第2ナノスケール物体の末端につながれた分子が、生体分子である、請求項1の装置。The device of claim 1, wherein the molecule tethered to the end of the second nanoscale object is a biomolecule. 前記生体分子が、酵素である、請求項7の装置。The device of claim 7, wherein the biomolecule is an enzyme. 前記酵素が、DNAポリメラーゼである、請求項8の装置。9. The device of claim 8, wherein said enzyme is a DNA polymerase. 前記第2ナノスケール物体の末端につながれた分子が、無機分子である、請求項1の装置。The device of claim 1, wherein the molecule tethered to the end of the second nanoscale object is an inorganic molecule. 分子相互作用事象の検出方法であって、以下の工程、
第1ナノチューブを第2ナノチューブに作動可能に結合する工程であって、前記第1ナノチューブが第1末端で第1伝導パッドに作動可能に結合されかつ第2末端で第2伝導パッドに作動可能に結合されるとともに、前記第2ナノチューブが第1末端で作動可能に結合されている工程、
前記第1ナノチューブを通って流れる電流を与える工程、及び
前記第1ナノチューブを通って流れる電流を電流計で監視する工程であって、前記生体分子が分子相互作用事象を受けると、該生体分子が前記第1ナノチューブの伝導率に影響を及ぼし、その伝導率の変化を前記電流計で検出する工程、
を含む方法。
A method for detecting a molecular interaction event, comprising the following steps:
Operably coupling a first nanotube to a second nanotube, wherein the first nanotube is operably coupled to a first conductive pad at a first end and operable to a second conductive pad at a second end. Coupled and the second nanotube is operably coupled at a first end;
Providing a current flowing through the first nanotube, and monitoring the current flowing through the first nanotube with an ammeter, wherein when the biomolecule undergoes a molecular interaction event, Affecting the conductivity of the first nanotube and detecting a change in the conductivity with the ammeter;
A method that includes
前記分子が、生体分子である、請求項11の方法。12. The method of claim 11, wherein said molecule is a biomolecule. 前記生体分子を前記第2ナノチューブに作動可能に結合する工程が、更にカルボキシル基と一級アミンとの縮合反応を行う工程を含む、請求項12の方法。13. The method of claim 12, wherein operably coupling the biomolecule to the second nanotube further comprises performing a condensation reaction between a carboxyl group and a primary amine. 分子相互作用事象の検出方法であって、以下の工程、
ナノスケール物体の第1末端に分子をつなぐ工程、
前記ナノスケール物体を走査型トンネル顕微鏡で走査する工程、及び
前記分子が分子相互作用事象を受けるの、前記ナノスケール物体の動きを検出する工程、
を含む方法。
A method for detecting a molecular interaction event, comprising the following steps:
Connecting the molecule to the first end of the nanoscale object,
Scanning the nanoscale object with a scanning tunneling microscope, and detecting movement of the nanoscale object as the molecule undergoes a molecular interaction event;
A method that includes
前記ナノスケール物体の動きを、前記走査型トンネル顕微鏡のプローブに対する前記ナノスケール物体の位置の変化を通じて検出する、請求項14の方法。15. The method of claim 14, wherein the movement of the nanoscale object is detected through a change in the position of the nanoscale object with respect to the scanning tunneling microscope probe. 前記分子が、生体分子である、請求項14の方法。15. The method of claim 14, wherein said molecule is a biomolecule. 前記分子が、酵素である、請求項14の方法。15. The method of claim 14, wherein said molecule is an enzyme. 分子相互作用事象を検出するための装置であって、
表面に作動可能に取り付けられた第1ナノチューブと、
前記表面に作動可能に取り付けられ、かつ前記第1ナノチューブに作動可能に接続された第2ナノチューブと、
前記第2ナノチューブの第1末端につながれた分子と、
を含み、前記分子が分子相互作用事象に関与すると、前記第1及び第2ナノチューブの物理的性質に測定可能な変化が生じることを特徴とする装置。
An apparatus for detecting a molecular interaction event, comprising:
A first nanotube operably attached to a surface;
A second nanotube operably attached to the surface and operably connected to the first nanotube;
A molecule connected to a first end of the second nanotube;
A device wherein the molecule involved in a molecular interaction event causes a measurable change in the physical properties of the first and second nanotubes.
更に、
前記第1及び第2ナノチューブに関して作動可能に位置づけられた監視デバイスを含み、前記分子相互作用事象が起こると、前記監視デバイスによって、前記第1ナノチューブ及び前記第2ナノチューブの物理的性質の変化を検出することを特徴とする請求項18の装置。
Furthermore,
A monitoring device operably positioned with respect to the first and second nanotubes, wherein the monitoring device detects a change in a physical property of the first and second nanotubes when the molecular interaction event occurs. 20. The apparatus of claim 18, wherein:
前記監視デバイスが、電流計である、請求項18の装置。19. The apparatus of claim 18, wherein said monitoring device is an ammeter. 前記監視デバイスが、走査型トンネル顕微鏡プローブである、請求項19の装置。20. The apparatus of claim 19, wherein said monitoring device is a scanning tunneling microscope probe.
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