JP2005509846A - 薄層を用いた生体分子の電子的検出 - Google Patents

薄層を用いた生体分子の電子的検出 Download PDF

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Abstract

本発明は、本質的にあらゆるアナライトの検出を容易にする新規なセンサーを提供する。一般に、本発明のバイオセンサーは、１つまたは複数の標的アナライトに特異的に結合する結合剤（例えば、生体分子）を利用する。好ましい実施形態において、生体分子は、２つの電極間のギャップにまたがる。標的アナライトが結合すると、センサーの導電性が変化し、それによって結合現象の検出が容易になり、したがって結合したアナライトの検出および／または定量が容易になる。

Description

本発明は、アナライトを検出および／または定量するためのバイオセンサーに関する。より詳細には、本発明は、２つの電極にまたがる単一の巨大分子である検出エレメントに基づくバイオセンサーに関する。
本願は、２００１年６月１１日に出願された米国特許出願第６０／２９７，５８３号の優先権および利益を主張する２００１年１０月２日に出願された米国特許出願第０９／９７０，０８７号の一部継続出願である。両方の特許の全体をあらゆる目的に対して参照により本明細書に援用する。
連邦政府委託研究および開発の下で成された発明に対する権利に関する記載（該当なし）
バイオセンサーは、標的アナライトと一般に酵素、受容体、核酸、タンパク質、レクチン、抗体などの生体巨大分子である結合剤との既知の相互作用を用いて、アナライトを検出および／または定量することができるデバイスである。バイオセンサーは、人間が手がける実質的にすべての分野で使用される。例えば、バイオセンサーは、糖尿病患者の血中グルコースのモニター、毒性ガスおよび／または爆発物の識別、腐敗した食物や汚染された食物に一般に付随する化学物質の検出、遺伝学的スクリーニング、環境試験など多様な分野で利用される。
バイオセンサーは、一般に、２つの特徴、すなわち、デバイスに利用する巨大分子のタイプおよび結合剤と標的アナライトの接触を検出する手段によって分類される。主な種類のバイオセンサーには、酵素（または触媒）バイオセンサー、免疫センサー、ＤＮＡバイオセンサーなどがある。
酵素（または触媒）バイオセンサーは、一般に、巨大分子として１つまたは複数の酵素を利用し、選択した酵素と標的アナライトの相補的な形状を利用する。酵素は、生体系において触媒作用のほとんどを行うタンパク質であり、その触媒作用が極めて特異的であることが知られている。所与の酵素の形状および反応性のため、その触媒活性は、極めて僅かな基質に限定されている。酵素バイオセンサーは、標的アナライトとの接触を認識するための手段として酵素／アナライト相互作用に関係する特異的化学変化を基にしている。例えば、酵素バイオセンサーは、アナライトと相互作用すると、それに関連した酵素反応の結果、電子、発色団またはｐＨ変化を生じ得る。あるいは、酵素バイオセンサーは、アナライトとの相互作用によって、適切な検出システムによって記録可能である蛍光信号または化学発光信号に変化を引き起こし得る。
免疫センサーは、結合剤として抗体を利用する。抗体は、一般には触媒反応を起こさないが、特定の「標的」分子（抗原）に特異的に結合するタンパク質分子である。抗体はその相互作用が極めて特異的であり、ほとんどの酵素と異なり、単一細胞などの極めて大きな物体を認識し、それに選択的に結合することができる。したがって、抗体ベースのバイオセンサーは、小さなアナライトの検出に加え、危険な菌種などある種の病原体を識別することができる。
ＤＮＡバイオセンサーは、一般に、ＤＮＡまたはＲＮＡ二本鎖の相補的な性質を利用し、特定の核酸を特異的に検出するように設計されている。ＤＮＡバイオセンサーは、一般に、結合剤として一本鎖ＤＮＡを使用する。バイオセンサーＤＮＡと標的核酸アナライトがハイブリッド二重鎖を形成できる諸条件下で、所与の試験試料中の核酸材料を結合剤と接触させる。試験試料中の核酸が、バイオセンサーに使用されている核酸と相補的である場合、両者は相互作用／結合する。この相互作用は、センサー表面における質量変化、あるいは蛍光性信号または放射性信号の有無など様々な手段によってモニターすることができる。あるいは、標的核酸がセンサーと結合し、標識プローブと接触して、目的配列の同定が可能になる。
バイオセンサーの利用可能性は大きく、数百のバイオセンサーが特許および文献に記載されているが、実際に市場でバイオセンサーが使用されるのは依然として限られている。バイオセンサーが市場であまり受け容れられないのは、ある種の課題を達成するのに必要な検出感度および／または検出速度の不足、長期安定性に関する諸問題、センサーの小型化が困難なことなどによる。また、いくつかのバイオセンサーは、塩および／または酵素補助因子を用いて前処理せねばならず、その実施は非効率的で厄介である。
本発明は、新規な分子検出装置（バイオセンサー）の開発およびその使用方法に関する。好ましい実施形態において、特定の検出装置は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間の絶縁体と、第１の電極を第２の電極に接続する結合剤（例えば、生体巨大分子）とを備える。特に好ましい実施形態においては、電極から結合剤または結合剤から電極に電荷が流れるように、結合剤が電極に付着している。好ましい結合剤としては、生体巨大分子（例えば、核酸、タンパク質、多糖、レクチン、脂質など）が挙げられ、核酸が最も好ましいが、これらだけに限定されない。核酸は、本質的にどんな長さでもよいが、好ましい核酸は、約５〜約５，０００ヌクレオチド、より好ましくは約８〜約１，０００または５００ヌクレオチド、さらにより好ましくは約１０〜約３００ヌクレオチド、最も好ましくは約１５、２０、２５、３０または５０ヌクレオチドから約１００または１５０ヌクレオチドの長さである。一般に、核酸は、核酸の複雑な集団（例えば、全ゲノムＤＮＡ）において、ストリンジェントな諸条件下で標的核酸に特異的にハイブリダイズするのに十分な長さである。
好ましい実施形態において、生体巨大分子は、化学基により官能基化されており、それによって巨大分子が電極に付着するのが容易になる。好ましい化学基は、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能（ｌｉｇｈｔ−ａｃｔｉｖａｔａｂｌｅ）（不安定）基、電位により活性化可能な基などであるが、これらだけに限定されない。特定の実施形態において、生体巨大分子は、第２の生体巨大分子（例えば、受容体、受容体リガンド、抗体、エピトープ、核酸、レクチン、糖など）によって官能基化されている。しかし、好ましい実施形態において、このような第２の生体巨大分子には核酸が含まれない。
好ましい絶縁体は、抵抗率が約１０−３オーム・メートルを超え、より好ましくは約１０−２オーム・メートルを超え、最も好ましくは約１０−１、１または１０オーム・メートルを超える絶縁体である。適切な絶縁体は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、石英、磁器、セラミック、ポリスチレン、テフロン（他の高抵抗率プラスチック）、元素周期表中の遷移金属の絶縁性酸化物または絶縁性スルフィドなどであるが、これらだけに限定されない。
特定の好ましい実施形態において、第１の電極と第２の電極は１〜１０９オングストロームの距離だけ離れている。一般に、第１の電極と第２の電極は、約３００オングストローム未満、好ましくは約１５０オングストローム未満、より好ましくは約５００未満、好ましくは約２５０未満、より好ましくは約１５０未満、最も好ましくは約７０オングストローム未満または約５０オングストローム未満の距離だけ離れている。
特定の実施形態において、第１の電極および／または第２の電極の抵抗率は、約１０−２オーム・メートル未満、好ましくは約１０−３オーム・メートル未満、より好ましくは約１０−４オーム・メートル未満、最も好ましくは約１０−５または１０−６オーム・メートル未満である。特に好ましい電極には、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素、カーボンナノチューブなどの材料が含まれる。特定の好ましい実施形態において、第１の電極は官能基化されており、誘導体化または架橋可能である化学基（例えば、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、電位によって活性化可能な基など）を含む。第１の電極および／または第２の電極は、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を有することができる。特に好ましいＳＡＭには、アルカンチオール、リン脂質、双頭型両親媒性化合物（ｂｏｌａ ａｍｐｈｉｐｈｉｌｅ）およびオリゴ（フェニレンビニレン）からなる群から選択される化合物が含まれる。
特に好ましい実施形態において、生体巨大分子は、チオール基によって直接に、またはチオール基を有するリンカーを介して、第１の電極および／または第２の電極に付着している。特に好ましい別の実施形態において、生体巨大分子は、ホスホロチオエートおよび／またはホスホネートによって直接に、あるいはホスホロチオエートおよび／またはホスホネートを有するリンカーを介して、第１の電極および／または第２の電極に付着している。好ましい実施形態において、生体巨大分子は、リンカー（例えば、ＤＦＤＮＢ、ＤＳＴ、ＡＢＨ、ＡＮＢ−ＮＯＳ、ＥＤＣ、ＮＨＳ−ＡＳＡ、ＳＩＡ、オリゴ（フェニレンビニレン）など）によって、第１の電極および／または第２の電極に付着している。
装置は、（電極および／または絶縁体以外の）基板をさらに備えることができ、第１の電極および第２の電極は、この基板と一体化されている。特定の実施形態において、第１の電極および第２の電極は、絶縁体と一体化されて基板を形成する。電極は、（例えば、凸状、凹状、肌目（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）、波形、均一な模様（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ）、ランダムな模様（ｒａｎｄｏｍｌｙ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ）などの）本質的に任意所望の形状で形成することができる。特定の好ましい電極配置（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）は、環状、平面状、直交などである。特定の実施形態において、第１の電極は第１の表面を備え、第２の電極は第２の表面を備え、第１の表面と第２の表面は同一平面上にない。
装置は、複数の電極対を備えることができる。したがって、特定の実施形態において、第１の電極および第２の電極は第１の電極対を構成し、分子検出装置は第２の第１の電極および第２の第２の電極を備える第２の電極対をさらに備える。特定の実施形態において、装置は、少なくとも３つ、好ましくは少なくとも１０または２０個、より好ましくは少なくとも５０、１００または１，０００個、最も好ましくは少なくとも１０，０００個または少なくとも１，０００，０００個の電極対を備える。特定の実施形態において、装置は、１平方センチメートル当たり約１０個を超える、好ましくは約１００または１０００個を超える、より好ましくは約５，０００、１０，０００または５０，０００個を超える、最も好ましくは約１００，０００または１，０００，０００個を超える電極対密度で電極対を備えることができる。
特定の実施形態において、装置は、少なくとも１つの前記電極対の第１の電極および第２の電極に電気的に接続された測定装置をさらに備える。好ましい測定装置は、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を測定するものである。特に好ましい一測定装置は、ポテンシオスタットである。
装置は、第１の電極および第２の電極に電気的に接続された電気回路をさらに備えることができる。このような回路の１つは、電気信号ゲーティング・システム（例えば、ＣＭＯＳゲーティング・システム）、および／または電圧源、および／またはマルチプレクサー、および／またはコンピュータを備える。
特定の実施形態において、第１の電極対および第２の電極対を備える電極には、同一（種の）生体巨大分子が付着している。特定の実施形態において、異なる電極対には異なる生体分子が付着している。
特定の実施形態において、第１の電極および／または第２の電極は、半導体材料を含む。好ましい半導体材料は、約１０−６オーム・メートル〜約１０７オーム・メートルの抵抗率を有する。好ましい半導体材料は、シリコン、高密度シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、Ｆｅ３Ｏ４、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、テルル化水銀カドミウム、テルル、セレン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｔｅ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、二硫化タングステンなどであるが、これらだけに限定されない。
一実施形態において、装置は、第１の表面を有する第１の電極と、第１の表面と同一平面上にある第２の表面を有する第２の電極と、前記第１の表面と前記第２の表面の間にある絶縁体と、第１の電極を前記第２の電極に連結する核酸とを備える。
本発明は、分子検出装置を作製する方法も提供する。特定の実施形態において、この方法は、絶縁体によって分離された第１の電極と第２の電極を用意するステップ；第１の電極および第２の電極を生体巨大分子（例えば、核酸）を含む第１の溶液と接触させるステップ；第１の電極上に電荷を置いて生体巨大分子を第１の電極に引き付け、巨大分子を第１の電極に付着させて付着巨大分子を形成させるステップ；および第２の電極上に電荷を置いて付着巨大分子の一部を第２の電極に引き付けて、巨大分子を第２の電極に付着させるステップを含む。好ましい巨大分子、電極、電極配置、絶縁体、測定装置、回路などは、上述のものであるが、それらだけに限定されない。装置が複数の電極対を備える場合、この方法は、さらに、第２の電極対を第２の生体巨大分子を含む第２の溶液と接触させるステップ；第２の電極対の第１の電極上に電荷を置いて第２の生体巨大分子を第２の電極対の第１の電極に引き付け、それによって第２の生体巨大分子を前記第１の電極に付着させて第２の付着巨大分子を形成させるステップ；および前記第２の電極対の第２の電極上に電荷を置いて前記第２の付着巨大分子の一部を引き付けて前記第２の巨大分子を前記第２の電極対の前記第２の電極に付着させるステップを含むことができる。第１の溶液と第２の溶液は同じでも異なっていてもよい。同様に、第１の生体巨大分子と第２の生体巨大分子は同じでも異なっていてもよい。
さらに別の実施形態において、本発明は、アナライトを検出する方法を提供する。この方法は、ｉ）絶縁体によって分離された、生体巨大分子が付着した第１の電極と、第２の電極とを備える分子検出装置を用意するステップ、ｉｉ）付着巨大分子を前記アナライトと接触させ、それにより前記アナライトを前記巨大分子に結合させることによって巨大分子／アナライト複合体を形成させるステップ、ｉｉｉ）前記第２の電極上に電荷を置いて前記結合アナライトの一部を前記第２の電極に引き付け、巨大分子／アナライト複合体が第１の電極と第２の電極の間で接続部（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を形成するように前記第２のアナライトを第２の電極に結合させるステップ、およびｉｖ）前記第１の電極と前記第２の電極との接続部を検出するステップを含む。特定の実施形態において、用意するステップには、第１の電極を生体巨大分子を含む第１の溶液と接触させるステップ、および電荷を第１の電極上に置いて、それによって生体巨大分子を電極に引き付け、生体巨大分子を電極に付着させるステップが含まれる。複数の電極対が存在する場合、この方法は、各電極対に対するこれらのステップの繰り返しを含むことができる。「電荷を置くステップ」は、場合によっては、第２の電極上の電荷と反対の電荷を第１の電極上に置くステップでもよい。特定の実施形態において、「検出するステップ」には、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を検出するステップが含まれる。好ましい巨大分子、電極、電極配置、絶縁体、測定装置、回路などは、上述のものであるが、それらだけに限定されない。
さらに別の実施形態において、本発明は、アナライトを検出する方法を提供する。この方法は、ｉ）絶縁体によって分離された、第１の生体巨大分子が付着した第１の電極と、第２の生体巨大分子が付着した第２の電極とを備える分子検出装置を用意するステップ、ｉｉ）第１の付着巨大分子および第２の付着巨大分子をアナライトと接触させ、それにより前記アナライトが第１の巨大分子および第２の巨大分子に付着することによって、前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続部を形成する巨大分子／アナライト複合体を形成させるステップ、およびｉｉｉ）前記第１の電極と前記第２の電極との接続部を検出するステップを含む。特定の実施形態において、「用意するステップ」には、第１の電極を第１の生体巨大分子を含む第１の溶液と接触させるステップ、および第１の電極上に電荷を置いて、それによって第１の生体巨大分子を電極に引き付け、電極に付着させるステップが含まれる。同様に、特定の実施形態において、「用意するステップ」には、第２の電極を第２の生体巨大分子を含む溶液と接触させるステップ、および第２の電極上に電荷を置いて、それによって第２の生体巨大分子を第２の電極に引き付け、第２の生体巨大分子を第２の電極に付着させるステップが含まれる。特定の実施形態において、「検出するステップ」には、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を検出するステップが含まれる。好ましい巨大分子、電極、電極配置、絶縁体、測定装置、回路などは、上述のものであるが、それらだけに限定されない。
本発明は、アナライトを検出するさらに別の方法を提供する。この方法は、ｉ）絶縁体によって分離された第１の電極と第２の電極を含み、生体巨大分子が第１の電極と第２の電極の間に接続部を形成している分子検出装置を用意するステップ、ｉｉ）前記第１の電極と第２の電極との接続部を検出するステップ、ｉｉｉ）巨大分子（結合剤）をアナライトと接触させ、それによってアナライトを巨大分子に結合させて巨大分子／アナライト複合体を形成させるステップ、およびｉｖ）前記第１の電極と前記第２の電極の接続部における差を検出するステップを含む。特定の実施形態において、「接触させるステップ」には、第１の電極および／または第２の電極上に電荷を置くことによって、アナライトを生体巨大分子に引き付けるステップが含まれる。特定の実施形態において、「用意するステップ」には、第１の電極を生体巨大分子を含む第１の溶液と接触させるステップ、第１の電極上に電荷を置いて生体巨大分子を電極に引き付け、生体巨大分子を電極に付着させるステップ、および第２の電極上に電荷を置いて結合巨大分子の一部を第２の電極に引き付け、前記巨大分子が第１の電極と前記第２の電極との間に接続部を形成するように巨大分子を第２の電極に結合させるステップが含まれる。特定の実施形態において、「電荷を置くステップ」には、前記第２の電極上の電荷と反対の電荷を前記第１の電極上に置くステップが含まれる。「検出するステップ」は、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を検出するステップを含むことができる。特に好ましい実施形態において、生体巨大分子は、導電性リンカーによって前記第１の電極に付着している。特定の実施形態において、結合剤は核酸であり、アナライトはタンパク質またはタンパク質複合体である。好ましい巨大分子、電極、電極配置、絶縁体、測定装置、回路などは、上述のものであるが、これらだけに限定されない。
本明細書に記載する方法およびデバイスのいずれもが、結合剤が第１の電極および／または第２の電極、第２の核酸または第３の核酸に結合していない実施形態を含む。したがって、このような実施形態において、結合剤が核酸の場合、単一核酸分子は第１の電極と第２の電極にまたがり、リンカーまたは官能基が存在する場合、それら自体は核酸ではない。
定義
「バイオセンサー」という用語は、生体巨大分子（例えば、核酸、炭水化物、タンパク質、抗体など）を用いて標的アナライトを特異的に認識し、それに特異的に結合するセンサーを指す。「分子検出装置」という用語は、「バイオセンサー」という用語と区別なく使用される。
本明細書で使用する「生体巨大分子」という用語は、核酸、タンパク質、抗体、炭水化物、多糖、脂質などの生体分子を指す。
リンカー、分子または分子複合体に関連して用いられる「導電性」という用語は、リンカー、分子または分子複合体がそれ自体を介して電荷を通す能力を指す。好ましい導電性分子は、抵抗率が約１０−３オーム・メートル未満、より好ましくは約１０−４オーム・メートル未満、最も好ましくは約１０−６または１０−７オーム・メートル未満である。
「電気的に結合された」結合剤と電極という用語は、電子が結合剤から電極に、または電極から結合剤に移動可能であるような結合剤と電極の関係を指す。電気的結合には、結合剤と電極の直接的共有結合、（例えば、リンカーを介した）間接的共有結合、結合剤と電極の直接的または間接的イオン結合、他の結合（例えば疎水性結合）などが含まれ得る。また、実際の結合を必要とせず、結合剤が電極表面に単に接触していてもよい。
本明細書で使用する「センサー・エレメント」という用語は、１対の電極（例えば、第１の電極１０と第２の電極１２）とそれに付随する結合剤１４を指す。結合剤は、アナライトが結合したときに電極対にまたがる分子複合体を形成する。
「ポリペプチド」、「ペプチド」および「タンパク質」という用語を、アミノ酸残基ポリマーを称するのに本明細書では区別なく使用する。この用語を、１つまたは複数のアミノ酸残基が対応する天然のアミノ酸の人工化学アナログであるアミノ酸ポリマー、および天然のアミノ酸ポリマーに適用する。
本明細書で使用する「核酸」という用語は、一本鎖または二本鎖の形のデオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチドを指す。この用語は、所望の目的のために、基準核酸として類似または改善された結合諸特性を有する天然ヌクレオチドの既知のアナログを含む核酸、すなわち、オリゴヌクレオチドを包含する。この用語は、合成骨格を有する核酸様構造体も包含する。本発明によって提供されるＤＮＡ骨格アナログには、ホスホジエステル、ホスホロチオエート、ホスホロジチオエート、メチルホスホネート、ホスホロアミデート、アルキルホスホトリエステル、スルファメート、３’−チオアセタール、メチレン（メチルイミノ）、３’−Ｎ−カーバメイト、モルフォリノカーバメイトおよびペプチド核酸（ＰＮＡ）などが含まれる。Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ ａｎｄ Ａｎａｌｏｇｕｅｓ、ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ、Ｆ．Ｅｃｋｓｔｅｉｎ編、ＩＲＬ Ｐｒｅｓｓ ａｔ Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９９１）；Ａｎｔｉｓｅｎｓｅ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ、Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、６００巻、ＢａｓｅｒｇａおよびＤｅｎｈａｒｄｔ編（ＮＹＡＳ １９９２）；Ｍｉｌｌｉｇａｎ（１９９３）Ｊ．Ｍｅｄ．Ｃｈｅｍ．３６：１９２３〜１９３７；Ａｎｔｉｓｅｎｓｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（１９９３、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ）を参照されたい。ＰＮＡは、Ｎ−（２−アミノエチル）グリシン単位などの非イオン骨格を含む。ホスホロチオエート結合は、国際公開第９７／０３２１１号；同９６／３９１５４号；Ｍａｔａ（１９９７）Ｔｏｘｉｃｏｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈａｒｍａｃｏｌ．１４４：１８９〜１９７に記載されている。この用語によって包含される他の合成骨格には、メチルホスホネート結合、メチルホスホネートとホスホジエステルの交互結合（Ｓｔｒａｕｓｓ−Ｓｏｕｋｕｐ（１９９７）Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ３６：８６９２〜８６９８）、ベンジルホスホネート結合（Ｓａｍｓｔａｇ（１９９６）Ａｎｔｉｓｅｎｓｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｄｒｕｇ Ｄｅｖ ６：１５３〜１５６）などが含まれる。核酸という用語は、遺伝子、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、オリゴヌクレオチド・プライマー、プローブおよび増幅産物と区別なく使用される。
「抗体」という用語は、アナライト（抗原）に特異的に結合し、それを認識する、免疫グロブリン遺伝子またはその断片によって実質的にコードされるポリペプチドを指す。存在が認められている免疫グロブリン遺伝子には、カッパ、ラムダ、アルファ、ガンマ、デルタ、イプシロンおよびミュー定常領域遺伝子、ならびに無数の免疫グロブリン可変領域遺伝子などがある。軽鎖は、カッパまたはラムダに分類される。重鎖は、ガンマ、ミュー、アルファ、デルタまたはイプシロンに分類され、これらはそれぞれ免疫グロブリン・クラスＩｇＧ、ＩｇＭ、ＩｇＡ、ＩｇＤおよびＩｇＥを規定するものである。例示的な免疫グロブリン（抗体）の構造単位には四量体が含まれる。各四量体は、２つの同一のポリペプチド鎖対で構成され、各対は１本の「軽」鎖（約２５ｋＤ）および１本の「重」鎖（約５０〜７０ｋＤ）を有する。各鎖のＮ末端は、抗原認識を主に担う約１００〜１１０またはそれ以上のアミノ酸の可変領域を規定するものである。可変軽鎖（ＶＬ）および可変重鎖（ＶＨ）という用語は、それぞれこれらの軽鎖および重鎖を指す。
抗体は、例えば、完全な免疫グロブリンとして、または様々なペプチダーゼによる消化によって産生され特性が十分に明らかにされているいくつかの断片として存在する。すなわち、例えば、ペプシンは、ヒンジ領域中のジスルフィド結合よりも下の抗体を消化して、Ｆａｂの２量体であるＦ（ａｂ）’２を産生する。Ｆａｂ自体はジスルフィド結合によってＶＨ−ＣＨ１に連結された軽鎖である。Ｆ（ａｂ）’２は、温和な条件下で還元されてヒンジ領域中のジスルフィド結合が切断され、それによってＦ（ａｂ）’２２量体がＦａｂ’モノマーに転化され得る。Ｆａｂ’モノマーは、本質的にヒンジ領域の一部を含むＦａｂである（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ、第３版、Ｗ．Ｅ．Ｐａｕｌ編、Ｒａｖｅｎ Ｐｒｅｓｓ、Ｎ．Ｙ．１９９３参照）。様々な抗体断片が完全な抗体の消化という形で規定されているが、このような断片が化学的にまたは組換えＤＮＡ法を用いて新規に合成できることを当業者は理解すべきである。したがって、本明細書で使用する抗体という用語には、抗体全体の改変によって産生される抗体断片、組換えＤＮＡ法を用いて新規に合成される抗体断片（例えば、単鎖Ｆｖ）、ディスプレイ・ライブラリ（例えばファージ・ディスプレイ・ライブラリ）に見られる抗体断片なども含まれる。
「〜に特異的にハイブリダイズする」、「特異的ハイブリダイゼーション」または「〜に選択的にハイブリダイズする」という句は、特定のヌクレオチド配列が複雑な混合（例えば、全細胞）ＤＮＡまたはＲＮＡ中に存在するときに、その配列に核酸分子がストリンジェントな条件下で優先的に結合、二重鎖形成（ｄｕｐｌｅｘｉｎｇ）またはハイブリダイズすることを意味する。
「ストリンジェントな条件」という用語は、プローブがその標的配列に優先的にハイブリダイズし、他の配列にはわずかしか、またはまったくハイブリダイズしない条件を指す。サザンおよびノーザン・ハイブリダイゼーションなどの核酸ハイブリダイゼーション実験に関連した「ストリンジェント・ハイブリダイゼーション」および「ストリンジェント・ハイブリダイゼーション洗浄条件」は、配列に依存し、異なる環境パラメータの下では異なる。核酸のハイブリダイゼーションに対する詳細な入門書は、Ｔｉｊｓｓｅｎ（１９９３）Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ−Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｐｒｏｂｅｓ ｐａｒｔ Ｉ 第２章 Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ ｐｒｏｂｅ ａｓｓａｙｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋである。一般に、高度にストリンジェントなハイブリダイゼーションおよび洗浄条件は、規定されたイオン強度およびｐＨにおいて、特異的配列の融点（Ｔｍ）よりも約５℃低く設定される。Ｔｍは、標的配列の５０％が、完全に適合するプローブとハイブリダイズする（規定されたイオン強度およびｐＨの下での）温度である。極めてストリンジェントな条件では、特定のプローブのＴｍと同じに設定される。
サザンまたはノーザン・ブロットにおけるフィルター上で１００を超える相補残基を有する相補核酸のハイブリダイゼーションに対するストリンジェント・ハイブリダイゼーション条件の例は、４２℃においてヘパリン１ｍｇを含む５０％ホルムアミドを用いて、終夜ハイブリダイゼーションを実施することである。高度にストリンジェントな洗浄条件の例は、０．１５Ｍ ＮａＣｌで７２℃約１５分間である。ストリンジェントな洗浄条件の例は、６５℃１５分間の０．２ｘＳＳＣ洗浄である（Ｓａｍｂｒｏｏｋ等（１９８９）Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ−Ａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｍａｎｕａｌ（第２版）１〜３巻、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｐｒｅｓｓ、ＮＹを参照されたい。ＳＳＣ緩衝液の記載については（Ｓａｍｂｒｏｏｋ等）同上を参照されたい）。高ストリンジェンシー洗浄では、バックグラウンド・プローブ信号を除去する低ストリンジェンシー洗浄を先に行なうことが多い。例えば１００を超えるヌクレオチドの二重鎖形成に対する中程度のストリンジェンシー洗浄の例は、１ｘＳＳＣで４５℃１５分間である。例えば１００を超えるヌクレオチドの二重鎖形成に対する低ストリンジェンシー洗浄の例は、４〜６ｘＳＳＣで４０℃１５分間である。一般に、特定のハイブリダイゼーション・アッセイにおいて、信号／雑音比が、無関係なプローブに対して観察される信号／雑音比の２倍（またはそれ以上）であることは、特異的ハイブリダイゼーションが検出されたことを意味する。ストリンジェントな条件下で互いにハイブリダイズしない核酸は、それらがコードするポリペプチドが実質的に同一である限り実質的に同一である。これは、例えば、核酸のコピーが遺伝コードによって許される最大のコドン縮重を用いて作製されるときに起こる。
特に好ましい一実施形態において、ストリンジェントな条件は、１Ｍ ＮａＣｌ、１０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ｐＨ８．０、０．０１％Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００、０．１ｍｇ／ｍｌの断片化されたニシン精子ＤＮＡにおいて、４５℃でハイブリダイゼーションし、５０ＲＰＭで回転させ、その後最初に０．９Ｍ ＮａＣｌ、０．０６Ｍ ＮａＨ２ＰＯ４、０．００６Ｍ ＥＤＴＡ、０．０１％Ｔｗｅｅｎ−２０で４５℃１時間洗浄し、次いで０．０７５Ｍ ＮａＣｌ、０．００５Ｍ ＮａＨ２ＰＯ４、０．５ｍＭ ＥＤＴＡで４５℃１５分間洗浄することを特徴とする。
「高抵抗率プラスチック」とは、抵抗率が約１０−３オーム・メートルよりも大きく、より好ましくは約１０−２オーム・メートルよりも大きく、最も好ましくは約１０−１、１または１０オーム・メートルよりも大きいプラスチックを指す。
図面の説明
図１Ａから１Ｄは、本発明の基本的なバイオセンサーのいくつかの変形形態を示す図である。センサー・エレメントは、結合剤（例えば、生体分子）によって連結された２つの電極１０および１２を備える。アナライトを結合剤に結合させることによって、電極にまたがる結合剤／アナライト複合体が形成される。この複合体は、例えば電気的手段を用いて容易に検出される。この２つの電極は、スペーサー１６によって分離することができ、場合によっては、基板２４の上に作製することができる（図１Ｄ）。
図２は、サンドイッチ配置とサンドイッチされていない配置の一実施形態との差を示す図である。サンドイッチ配置（デバイス「Ａ」）では、スペーサー１６が、第１の電極１０の全体または一部に重なり、第２の電極１２がスペーサー１６の反対の面の全体または一部に重なる（または隣接する）。デバイス「Ｂ」では、２つの電極とスペーサーは「サンドイッチ配置」を形成していない。スペーサー１６は、第１の電極１０の全体または一部に重なるが、第２の電極１２はスペーサーの反対の面の全体または一部に重ならない。両方の実施形態において、デバイスは、基板２４上にあり結合剤１４を有する。
図３は、２つの電極とスペーサーがサンドイッチ配置を形成していない２つの別の実施形態を示す図である。デバイス「Ａ」において、第１の電極１０および第２の電極１２は、どちらもスペーサー１６の同一面に接している。デバイス「Ｂ」において、第１の電極１０はスペーサー１６に接しているが、第２の電極１２はスペーサー１６に全く接していない。
図４は、２つの電極（１０および１２）およびスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成していない一実施形態を示す図である。図示した実施形態において、スペーサー１６の上に導体１０を配置し、基板２４に重なる絶縁体２６の上にスペーサー１６を配置する。第２の導体１２を、導体１０／スペーサー１６積層体に隣接して配置し、結合剤１４により導体１０を導体１２に連結する。スペーサー／絶縁体１６および２６は同一材料でも異なる材料でもよく、それぞれ材料を組み合わせることもできる。デバイスは、図示したように、様々な材料を（例えば、フォトリソグラフィ・プロセスを用いて）角度θで堆積させて容易に形成することができる。
図５Ａおよび５Ｂは、２つの電極（１０および１２）およびスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成せず、第１の電極１０がスペーサー１６の上に張り出している実施形態を示す図である。これは、図示したように、電極材料を角度θで堆積することによって（例えば、図５Ａ参照）かつ／または導体１０の下部からスペーサー１６をエッチングして除去することによって（図５Ｂ参照）容易に実施される。
図６は、サンドイッチ配置を持たない様々な実施形態（デバイス「Ａ」〜「Ｅ」）を示す図である。スペーサー／絶縁体層２６は必須ではない。
図７は、サンドイッチ配置を持たない様々な実施形態（デバイス「Ｆ」〜「Ｉ」）を示す図である。スペーサー／絶縁体層２６は必須ではない。
図８Ａおよび８Ｂは、各電極上の２つの結合剤１４ａおよび１４ｂを備えるバイオセンサーの一実施形態を示す図である（図８Ｂ）。２つの結合剤は、アナライトによって連結されて、電極にまたがる結合剤／アナライト複合体を形成する。この複合体は、例えば電気的手段を用いて容易に検出される。
図９Ａは、１対の電極の第１の電極１０に結合した結合剤を備えるバイオセンサーの一実施形態を示す図である。図９Ｂは、アナライトが結合剤および第２の電極１２アナライトに結合して電極にまたがる結合剤／アナライト複合体を形成している図である。この複合体は、例えば電気的手段を用いて容易に検出される。
図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明による簡単な平面センサー・アレイを示す図である。図１０Ａは平面図であり、図１０Ｂは側面図である。
図１１は、本発明によるセンサー・アレイの集合体を示す図である。
図１２Ａから１２Ｃは、様々なセンサーの実施形態を示す図である。
図１３は、１つの共通電極を共有している２つのセンサー・エレメント（例えば、１サブセットのセンサー・アレイ）を示す図である。図示した実施形態において、第１の導体１０、スペーサー１６および第２の導体１２は、サンドイッチ配置を形成していない。デバイスＢでは、スペーサー１６が部分的にエッチング除去されて電極間に「エア・ギャップ」が設けられている。数千のこのようなセンサー・エレメントを含むセンサー・アレイを容易に作製することができる。
図１４は、独立した第１の導体１０および第２の導体１２をそれぞれが有する２つのセンサー・エレメントを備えるセンサー・アレイ領域を示す図である。図示した実施形態において、第１の導体１０、スペーサー１６および第２の導体１２は、サンドイッチ配置を形成していない。デバイスＤでは、スペーサー１６が部分的にエッチング除去されて電極間に「エア・ギャップ」が設けられている。
図１５は、センサー・エレメントが階段状に設けられた本発明のセンサー・アレイの断面図である。
図１６は、本発明のセンサー・アレイの階段状配置を示す図である。図示した実施形態において、各センサー・エレメント。
図１７は、コンピュータ制御された電極対（センサー・エレメント）のアレイを有する担体の概略図である。
図１８は、電極対（センサー・エレメント）のアレイを有する担体の概略図である。
図１９は、電極対アレイを有する担体、および各電極対（センサー・エレメント）の電圧印加を制御するコンピュータ・システムの概略図である。
図２０は、電極対アレイを有する担体、および各電極対（センサー・エレメント）の電圧印加を制御する複数の電圧源およびマルチプレクサーを備えるコンピュータ・システムの概略図である。
図２１は、電極対アレイを有する担体、および各電極対（センサー・エレメント）の電圧印加を制御する複数のスイッチ付き電圧源を備えるコンピュータ・システムの概略図である。
図２２は、デバイス構造に対する堆積角度の効果を示す図である。
図２３は、堆積工程、その後のエッチング工程、その後の第２の堆積を含むデバイス作製を示す図である。
図２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃおよび２４Ｄは、導体と絶縁体層交互の堆積を示す図である。
図２５は、タンパク質／ＤＮＡ相互作用を検出するバイオセンサーの使用について示す図である。核酸１４を含むバイオセンサーは、第２の核酸２４とハイブリダイズして２つの電極にまたがる二本鎖核酸を形成する。タンパク質アナライト２０（例えば、ＤＮＡ結合タンパク質）が核酸に結合すると、核酸のコンダクタンスが変化し、それによって検出可能な信号が発生する。
本発明は、広範なアナライトの検出に有用な新規センサー（バイオセンサー）に関する。このセンサーは、１つまたは複数の標的アナライトに特異的に結合する結合剤（例えば、生体分子）を利用し、それによって特異性および選択性をもたらす。好ましい実施形態において、結合剤（例えば、生体分子）は、２つの電極間のギャップにまたがる。標的アナライトが結合すると、センサーの導電性または他の電気特性が変化し、それによって結合現象の検出が容易になり、したがって結合したアナライトの検出および／または定量が容易になる。本発明のバイオセンサーは、標的アナライトが結合したときに、コンダクタンスまたは電荷の流れが変化するので、電子／電気化学的手段を用いて容易に読み取ることができ、検出可能な標識または外部電子供与体もしくは受容体を使用する必要がない。
Ｉ．センサー・エレメント配置
本発明の基本的なバイオセンサー（分子検出装置）の一実施形態を図１に概略的に示す。このセンサーは、第１の電極１０、第２の電極１２および２つの電極間のギャップにまたがる結合剤（例えば、生体分子）１４を備える。２つの電極は、エア・ギャップによって分離することができるが、好ましい実施形態においては、電極はスペーサー１６（例えば、絶縁体、誘電体または半導体）によって分離されている。結合剤１４は、電極に直接結合させることができ、あるいは１つまたは複数のリンカーまたは官能基１８を介して第１の電極１０および／または第２の電極１２に結合させることができる。結合剤１４は、その「同族の（ｃｏｇｎａｔｅ）」標的分子２０（標的アナライト）と自由に結合するのに十分なセンサー分子領域を残すように電極に付着している。結合剤１４がその同族の標的分子２０に結合すると、結合剤１４単体の導電性とは異なる導電性の結合剤／標的分子複合体が形成される。この導電性の変化は容易に検出され、標的分子２０の存在および／または濃度が示される。
ある例では、電極が互いに十分接近して配置されて生体分子が２つの電極にまたがることができる（分子距離）場合、分離スペーサー／絶縁体を通る漏れ電流が結合剤の導電性測定を妨害し得ることが、驚くべきことに本発明で発見された。この問題は、第１の電極、スペーサー（例えば、絶縁体、誘電体、半導体など）および第２の電極がサンドイッチ配置を形成しない配置にすることによって解決される。サンドイッチ配置とは、スペーサー（例えば、絶縁体、誘電体、半導体など）が第１の電極の全体または一部に重なり、第２の電極がスペーサーの反対の表面の全体または一部に重なる電極配置を指す（例えば、図２参照）。図２（デバイス「Ｂ」）および図３に、サンドイッチ配置ではないいくつかの電極／スペーサー配置を示す。
図４に、２つの電極（１０および１２）とスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成していない一実施形態を概略的に示す。図示した実施形態において、基板２４には絶縁体２６（例えばスペーサー、誘電体など）が重なっている。絶縁体２６にはスペーサー１６が重なり、スペーサー１６には導体１０が重なっている。第２の導体１２は、導体１０／スペーサー１６積層体に隣接して配置され、結合剤１４が導体１０を導体１２に連結している。スペーサー／絶縁体１６および２６は同一材料でも異なる材料でもよく、それぞれ材料を組み合わせることもできる。デバイスは、図示したように、様々な材料を（例えば、フォトリソグラフィ・プロセスを用いて）角度θで堆積させて容易に形成することができる。
図５Ａおよび５Ｂに、２つの電極（１０および１２）とスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成せず、第１の電極１０がスペーサー１６の上に張り出している実施形態を示す。これは、図示したように、電極材料を角度θで堆積することによって、かつ／または導体１０の下部からスペーサー１６をエッチングして除去することによって（図５Ｂ参照）容易に実施される。
図６および７も、サンドイッチ配置ではない様々な実施形態（デバイス「Ａ」〜「Ｉ」）を示している。これらの実施形態は、例示的なものであって、限定的なものではない。本明細書が提供する教示を利用して、当業者は多数の他のサンドイッチおよび非サンドイッチ配置を作製することができる。
一実施形態において、結合剤１４は一本鎖核酸である。この核酸は、電極間のギャップにまたがるように、電極１０および１２それぞれに核酸を物理的および電気的に結合させるリンカーで各末端が誘導体化されている。一本鎖核酸は、本質的に非導電性である。しかし、核酸結合剤が、核酸ハイブリダイゼーション可能な条件下で相補核酸アナライトに接触すると、相補塩基の対合によりアナライト核酸がセンサー核酸に結合して、電極にまたがる二本鎖ハイブリッド二重鎖が形成される。この二重鎖（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ｄｕｐｌｅｘ）は導電性である。このような結合によって引き起こされる導電性の変化は、電気的／電気化学的手段を用いて容易に検出される。
結合剤は核酸だけに限定されない。多数の他の結合剤もこのようなバイオセンサーに使用することができる。一般に、特定の標的アナライトに特異的に結合可能である結合剤が選択される。このような結合剤には、（一本鎖ＤＮＡまたはＲＮＡ、二本鎖ＤＮＡまたはＲＮＡ、ペプチド核酸、ホスホロチオエートなどを含めて、ただしこれらだけに限定されない）核酸、タンパク質、抗体、レクチン、糖、脂質、多糖などがあるが、これらだけに限定されない。
好ましい実施形態では、それ自体では非導電性であるが標的アナライトに結合すると導電性複合体を形成する結合剤が利用される。本発明のセンサーは、そのような分子だけに限定されない。特定の実施形態においては、アナライト／結合剤複合体が結合剤単体とは異なる導電性を示すだけで十分である。
あるいは、アナライト／結合剤複合体が結合剤単体と同じ導電性を示す場合、アナライト／結合剤複合体中にインターカレートし、この複合体の有効導電性を変化させる様々な化学試薬を使用することができる。インターカレーション部位は一般に存在するが、結合剤単体によって提供される部位は少ない。したがって、アナライト結合複合体は、このような試薬を多数インターカレートすることによって、異なる導電性を示す。
生体分子または分子複合体の導電性を変化させるインターカレート剤は、当業者には周知である。このようなインターカレーターには、レドックス活性カチオン（例えばＲｕ（ＮＨ３）６ ３＋および様々な遷移金属／リガンド錯体などがあるが、これらだけに限定されない。遷移金属は、原子が不完全な電子殻を有する金属である。本発明で使用する適切な遷移金属としては、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）などがあるが、これらだけに限定されない。遷移金属の第１シリーズ（ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｅｒｉｅｓ）、白金属（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔ）、ならびにＲｅ、Ｗ、ＭｏおよびＴｃが好ましい。特に好ましいのは、ルテニウム、レニウム、オスミウム、白金および鉄である。
遷移金属は、当分野で周知のとおり、様々なリガンドと錯化して適切な遷移金属錯体を形成する。適切なリガンドとしては、−ＮＨ２；ピリジン；ピラジン；イソニコチンアミド；イミダゾール；ビピリジンおよびビピリジンの置換誘導体；フェナントロリン、特に１，１０−フェナントロリン（ｐｈｅｎと略称）および４，７−ジメチルフェナントロリンなどのフェナントロリンの置換誘導体；ジピリドフェナジン；１，４，５，８，９，１２−ヘキサアザトリフェニレン（ｈａｔと略称）；９，１０−フェナントレンキノンジイミン；１，４，５，８−テトラアザフェナントレン（ｔａｐと略称）；１，４，８，１１−テトラ−アザシクロテトラデカン；ジアミノピリジン（ｄａｍｐと略称）；ポルフィリンおよびポルフィリン類の置換誘導体などがあるが、これらだけに限定されない。
このようなインターカレート剤を使用して結合剤と標的アナライトのミスマッチを検出することもできる。すなわち、例えば、結合剤およびアナライトが核酸である場合、ナフチリジン２量体を含むインターカレート剤は、結合剤と標的アナライトの間にＧ−Ｇミスマッチがあると、特異的にインターカレートし、局在化する（例えば、Ｎａｋａｔａｎｉ等（２００１）Ｎａｔｕｒｅ／Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９（１）：５１〜５５参照）。このようなミスマッチ特異的試薬を用いて一塩基多型（ＳＮＰ）を検出またはスクリーニングすることができる。
図１に本発明による本質的に単一のセンサー・エレメントを示すが、様々な実施形態が複数のセンサー・エレメントの使用を企図している。すなわち、様々な実施形態において、単一の電極対および／または複数の電極対２０にまたがる複数の結合剤１４が存在し、各電極対に１つまたは複数の結合剤１４がまたがることができる。センサー・エレメントのサイズが小さいので、多数のセンサー・エレメントが、比較的小さな面積（例えば、１つのチップ上）に配置されることになり、それによって感度が増大し、信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比が向上する。また、少量の試料を用いてアッセイを実施することができる。単一の基板／チップに、いくつかの異なるアナライトの検出／定量を容易にするいくつかの異なるセンサー・エレメントを組み込むことができる。
センサー・エレメントは、多種多様な配置をとることができる。したがって、例えば、図８Ａおよび８Ｂに示す別の実施形態においては、電極にまたがるのは単一の結合剤ではない。そうではなく、第１の結合剤１４ａが第１の電極１０に付着し、第２の結合剤１４ｂが第２の電極１２に付着している（図８Ａ）。アナライト２０が２つの結合剤に結合すると、２つの電極間にあるギャップにまたがる導電部が形成されて電極間に電流が流れ、それによって結合したアナライトの検出／定量が容易になる。
したがって、例えば、一実施形態において、第１の結合剤および第２の結合剤は、それぞれ標的アナライトの半分に相補的な核酸である。アナライトが、ハイブリダイゼーション可能な条件下で結合剤に接触すると、２つの結合剤がアナライトにハイブリダイズして、２つの電極にまたがる二本鎖核酸を形成する（例えば、図８Ｂ参照）。この図は、サンドイッチ配置を形成する電極１０および１２とスペーサー１６により示されているが、サンドイッチ配置ではない配置の同様な手法を考えることができる。
さらに別の好ましい実施形態を図９Ａおよび９Ｂに示す。この実施形態において、結合剤１４は、第１の電極１０に付着している（図９Ａ）。標的アナライトには、アナライトが第２の電極と相互作用しかつ／または結合するようにする成分が付けられている。使用時、アナライト２０は、例えば第２の電極１２に結合し、それに生体分子１４が結合する。全体として、結合剤１４とアナライト２０が電極間のギャップに架橋して、コンダクタンスに検出可能な変化をもたらす。また、この図は、サンドイッチ配置を形成する電極１０、電極１２およびスペーサー１６により示されているが、サンドイッチ配置ではない配置の同様な手法を考えることができる。
特定の実施形態においては、アナライトを結合剤に接触させ、結合剤／アナライト複合体を形成させる。次いで、第２の電極に電荷（場合によっては、第１の電極と反対の電荷）を加えると、アナライトまたはその一部が第２の電極側に引かれ、それによってアナライトまたはアナライトのリンカーもしくは官能基および／または電極がアナライトを第２の電極に連結させ、それによって２つの電極にまたがるアナライト／結合剤複合体が形成される。
これらの配置は、本発明の特定の好ましい実施形態を単に説明するためのものである。本明細書が提供する教示を利用して、当業者は、他のセンサー・エレメント配置を容易に開発することができる。
各電極（電極対）は単一の結合剤１４を有することができるが、一般に、各電極（電極対）は複数の結合剤１４を有する。すなわち、好ましい実施形態において、各電極または電極対は、少なくとも２つ、好ましくは少なくとも１０個、より好ましくは少なくとも５０個、さらにより好ましくは少なくとも１００個、最も好ましくは少なくとも１，０００個、少なくとも１０，０００個、少なくとも１００，００００個、または少なくとも１，０００，０００個の結合剤（例えば、生体分子）１４を有する。
電極対（センサー・エレメント）を含む電極は、任意の都合のよい大きさにすることができる。好ましい実施形態において、電極対を含む電極は、アナライトおよび／またはアナライト／結合剤の組み合わせが電極間のギャップにまたがるように間隔を置いて配置されている。特定の実施形態において、電極は、約１〜約１０１０オングストローム、好ましくは約１０〜約１０５オングストローム、より好ましくは約２５〜約１０４オングストローム、最も好ましくは約４０〜約１０２オングストロームの距離だけ離れている。好ましい電極間の間隔は、約２００オングストローム未満、好ましくは約１５０オングストローム未満、より好ましくは約１００オングストローム未満、最も好ましくは約５０未満、約４０未満または約３０オングストローム未満である。
電極間のギャップは、酸素または不活性ガス（例えば、アルゴンなど）を満たしたエア・ギャップ、または真空とすることができ、あるいはギャップを絶縁体、半導体または誘電体で満たすことができる。好ましい実施形態において、電極間のギャップには絶縁体が充填されている。好ましい絶縁体は、抵抗率が約１０−３オーム・メートルよりも大きく、好ましくは約１０−２オーム・メートルよりも大きく、より好ましくは約１０−１オーム・メートルよりも大きく、最も好ましくは約１０オーム・メートルよりも大きい元素、化合物、物質などである。特に好ましい絶縁体は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、磁器、セラミック、ガラス、クレイ、ポリスチレン、テフロン、抵抗率が１０−３オーム・メートルよりも大きいプラスチック、他の高抵抗率プラスチック、元素周期表における遷移金属の絶縁性酸化物または絶縁性スルフィドなどであるが、これらだけに限定されない。
電極は、本質的にいかなる導電性材料からでも都合よく形成される。好ましい導電性材料は、抵抗率が約１０−３オーム・メートル未満、好ましくは約１０−４オーム・メートル未満、より好ましくは約１０−６オーム・メートル未満、最も好ましくは約１０−７オーム・メートル未満である。好ましい実施形態において、電極は、これらだけに限定されないが、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素またはカーボンナノチューブ、およびこれらの材料のアロイまたは化合物を含む材料から形成される。
ＩＩ．センサー・エレメント・アレイ
本発明の様々な実施形態では、単一のセンサー・エレメントを利用することができる。しかし、好ましい実施形態においては、複数のセンサー・エレメントが存在し、場合によっては、センサー・エレメントのアレイが形成されている。本明細書で使用するセンサー・エレメントのアレイとは、共通の基板上に集合しかつ／または１つまたは複数の共通の電気的接続を共有する複数のセンサー・エレメントを指す。
センサー・エレメント・アレイは、意図する用途に都合のよい本質的に任意の形状をとることができる。すなわち、特定の実施形態において、センサー・エレメント・アレイは、センサー・エレメントの平面状アレイ（例えば、図１０Ａおよび１０Ｂ参照）および／またはこのようなアレイの集合体（例えば、図１１参照）とすることができる。
センサー・エレメント・アレイは、平面状アレイだけに限定されない。実質的に任意の配置とすることができる。したがって、例えば、センサー・エレメントまたはそのアレイを、キャピラリー、チャネルまたはマイクロチャネルの１つまたは複数の壁、（例えば、マイクロタイター・プレートなどのマルチウェル・プレート中の）試料ウェルの１つまたは複数の壁またはフロア、センサー・プローブ（例えば、挿入可能または移植可能なセンサー）の１つまたは複数の表面などに配置することができる。特定の実施形態において、センサー・アレイを積層して３次元アレイとすることができる。
特定の好ましい配置を図１０および図１２Ａ〜１２Ｃに示す。すなわち、例えば、図１０Ｂに、同一面上にあるセンサー・アレイを示す。電極および絶縁体は、同一表面を有する多層材料中に組み込まれる。アナライトまたはアナライトを含有する溶液はその表面を通過し、そこでアナライトが結合剤１４に結合する。図１２Ａに、介在する絶縁体から電極が突き出し、それによって１つまたは複数のチャネルを形成している実施形態を示す。チャネルは、例えば様々なマイクロフルイディクス・デバイスにおいて、試薬／アナライトなどを導入するのに有用である。電極に付着した結合剤は、このようなチャネルにおいて都合の良い「検出ドメイン」を形成する。このようなデバイスは、例えば以下に示すように多層材料を用意し、絶縁体を選択的にエッチングして電極から除去することによって容易に作製される。
さらに別の実施形態を図１２Ｂに示す。この実施形態では、絶縁体／担体が電極間から除去され、それによって電極壁を有する基板内にチャネルが形成されている。必須ではないバイアス電極２２がこれらの図には示されている。
図１２Ｃに、センサー・エレメント・アレイがチャネルの２つの壁の中に存在する閉じたチャネルまたはウェル（断面）を示す。
図１３に、１つの共通電極を共有する２つのセンサー・エレメントを示す。図示した実施形態において、第１の導体１０、スペーサー１６および第２の導体１２はサンドイッチ配置を形成していない。デバイスＢにおいて、スペーサー１６は部分的にエッチング除去されて電極間に「エア・ギャップ」が設けられている。数千のこのようなセンサー・エレメントを含むセンサー・アレイを容易に作製することができる。
図１４および１５に、独立した第１の導体１０および第２の導体１２をそれぞれが有する２つのセンサー・エレメントを備えるセンサー・アレイ領域を示す。図示した実施形態において、第１の導体１０、スペーサー１６および第２の導体１２は、サンドイッチ配置を形成しない。デバイスＤでは、スペーサー１６が部分的にエッチング除去されて電極間に「エア・ギャップ」が設けられている。デバイスＦでは、第２の導体１２が、スペーサー１６に隣接しないようにエッチング除去または堆積されている。数千のこのようなセンサー・エレメントを含むセンサー・アレイを簡単なフォトリソグラフィ堆積技術により容易に作製することができる。
図１６に、本発明のセンサー・アレイの階段状配置を示す。図示した実施形態において、各センサー・エレメント（第１の導体１０、結合剤１４および第２の導体１２）は、個別の導体セットを備える。「分子サイズ」（例えば、分子が１つの階段から次の階段にまたがることができる最低限の大きさ）の各階段間の距離。階段状配置（図示したようにサンドイッチ配置ではない配置）によって、多数のセンサー・エレメントが比較的小さな表面上に分布可能になる。デバイス「Ｈ」において、スペーサー１６はエッチング除去されて、第１の導体と第２の導体の間に「オーバーハング」が設けられている。
これらの配置は、単に説明のためのものであって、限定的なものではない。本明細書が提供する教示を利用して、当業者には多数の他の配置が利用可能になるはずである。
好ましいセンサー・アレイは、少なくとも２つ、好ましくは少なくとも１０個、より好ましくは少なくとも１００個、最も好ましくは少なくとも１，０００個、１０，０００個または１，０００，０００個のセンサー・エレメントを備える。センサー・エレメントは、すべて同じ生体分子１４を有することができ、あるいは様々なセンサー・エレメントは異なる生体分子を有し、様々なアナライトに対して特異性を示すことができる。すなわち、特定の実施形態において、単一のセンサー・アレイは、２つ以上、好ましくは４つ以上、より好ましくは１０個以上、さらにより好ましくは１００個以上または１０００個以上、最も好ましくは１００００個以上、１００，０００個以上、さらには１，０００，０００個以上もの様々なアナライトを検出／定量することができる。
アレイのセンサー・エレメントを備える電極は、すべて分離することができ、様々な組み合わせで接続することができる。したがって、例えばすべてのセンサー・エレメントの第１の電極１０またはサブセットのセンサー・エレメントの第１の電極１０が、電気的に接続されて共通の電極を形成し、あるいは切り換え可能に接続されて所望の様々な電気接続を形成することができる。同様に、追加の「バイアス」電極２２を接続することができ、あるいは切り換え可能に相互接続することができる。
多数の方法を用いて、本発明のセンサー・エレメント・アレイを備える複数のセンサー・エレメントをアドレスすることができる。いくつかの技術を図１７から図２１に概略的に示す。これらの図に例として示したのは、４つのセンサー・エレメント１０１、１０２、１０３、１０４、およびそれらを読み取る適切な計器装備、一般にはデジタル・コンピュータを組み込んだ電圧電流計である。
図１７において、各センサー・エレメント（電極対）対１０１〜１０４は、電圧電流計９９に接続された１対の配線によって個別にアドレスされる。例として、配線１０５、１０６は電極／対電極対１０１にアクセスする。適切な電圧を印加することができ、様々な電極対に接続された配線対のうちいずれか１つまたは複数の配線対に対して任意所与の時間において電圧電流計でコンダクタンス／抵抗を測定することができる。
電極対をアドレスするのに必要な接続部の数を削減するために、図１７の直接接続方式の代案を提供する。例えば、電極のいくつかまたはすべてに電圧を印加するための縦横アクセス方式を図１８に示す。この方式では、複数の電極対の各縦列における電極２０１、２０２の１つが担体２００上の共通導電体２０５に接続されており、複数の電極対の各横列における電極の各々が担体２００上の導体２０７、２０８に接続されている。導体２０５、２０６は、担体２００の端部においてそれぞれ接続部Ｃ１、Ｃ２に接続され、導体２０７、２０８は、それぞれ接続部Ｒ１、Ｒ２に接続されている。次いで、これらの接続部の各々が別々の配線によって電圧電流計に接続されている。その結果、図１８の配置では、電圧電流計からの必要な接続部および信号線の数が８から４に削減された。
各電極対の迅速で連続した電圧印加／読み取りを可能にするために、コンピュータ制御スイッチング・デバイスが有益である。図１９の配置は、第１のマルチプレクサー３１０に接続された複数の第１の電極を示している。複数の第２の電極は、第２のマルチプレクサー３２０に接続されている。第１のマルチプレクサーは、本明細書に記載するサイクリック・ボルタンメトリーに対して経時変化する電位を通常印加する電圧源／電圧電流計３３０の第１の電極にも接続されている。第２のマルチプレクサーは、電圧源／電圧電流計の第２の電極にも接続されている。各々のマルチプレクサーおよびラッチ３４０に電気的に接続されたアドレッシング配線Ａ０〜Ａ３を用いて、コンピュータ・プロセッサ３５０は、マルチプレクサーに命令して第１の電極のいずれかまたはすべてを電圧電流計の第１の電極に、第２の電極のいずれかまたはすべてを電圧電流計の第２の電極に選択的に接続させることができる。
図２０に示すように、複数の電圧源が、別々のマルチプレクサー・セットを介して電極の各々に接続されている。第１の電位または第１の一連の電位が特定の電極対において必要な場合、その電位を供給する電圧源４３０に接続されたマルチプレクサー４１０、４２０を、通常はラッチ３４０を介してコンピュータ・プロセッサ３５０によってアドレス指定し、それによってその特定の電圧源を当該の電極対に接続させる。異なる電位または異なる一連の電位が別の電極対に対して必要な場合、異なる電圧源４６０に接続されたマルチプレクサー４４０、４５０をコンピュータ・プロセッサによってアドレス指定することによって、接続されたマルチプレクサー４４０、４５０を介して電極対に電圧源を接続させる。
この実施形態における電極アレイが、別個に駆動可能な電極対の少なくとも一部を有する場合、図１８または図１９に示すように、例えば、１つの電極対を１つの電圧源／電圧電流計を用いて駆動させながら、別の電極対を別の電圧源／電圧電流計によって同時に駆動させることができる。あるいは、図２０の２つの電圧源を、並列接続されているマルチプレクサーの両方のセットに接続された単一の電圧源／電圧電流計で置き換えて、２つの電極対を同一電圧源で駆動させることができる。
図２０に示す各電圧源用の２組のマルチプレクサーの代わりに、図２１に示すように複数の電圧源／電圧電流計５２０、５３０を設けることができる。これらの電圧源は、コンピュータ制御された電気スイッチ５１０または単一セットのマルチプレクサー３１０、３２０に対するスイッチを介して接続することができる。図２１に示すように、コンピュータは、スイッチ５１０に指示して特定の電圧源／電圧電流計がマルチプレクサーに接続されるようにし、また、（それらのアドレス配線Ａ０〜Ａ３に信号を送ることによって）マルチプレクサーに指示して、選択した電圧源が所望とする特定の電極対に接続されるようにする。
また、いずれの実施形態においても電極対の各々に印加した電位を変えることができる。これは、複数の異なるセンサー・エレメントを有するカセットを使用するとき特に有利である。このようなカセットは、異なるセンサー・エレメントにおいて、異なる範囲の印加電位を必要とすることがある。各電極に印加される電位を変えることができるいくつかの異なる実施形態も企図される。
コンピュータ制御電圧源／電圧電流計を使用できることが有利である。コンピュータ制御電圧源／電流計は、適用すべき特定の電位／波形を選択するためにコンピュータによってアドレスすることができるものである。また、コンピュータ制御電圧源／電流計は、特定の範囲の電位を所定の時間にわたって連続的に印加するようにプログラムすることができる。このようなシステムにおいて、コンピュータおよび電圧源に電気的に接続されたアドレス配線によって、コンピュータは、電圧印加すべき電極対に印加される特定の電位を発生するように電圧源をプログラムできるようになる。
複数の電極対をアドレスするための別の方法を使用することもできる。例えば、複数の基準電極を、複数の電極対の各々の近傍に、電極対に印加される電圧を感知するために配置することができる。こうして、電圧波形をさらに制御することができる。
前述の考察は電圧源／電流計に関するものであるが、センサー・エレメントを駆動し、読み取る他の手段でこれを置き換えることができる。このような手段としては、電流計、電量計などがあるが、これらだけに限定されない。
ＩＩＩ．センサー分子および標的アナライト
Ａ）好ましいセンサー分子および標的アナライト
多種多様な結合剤（結合試薬）１４を本発明のデバイスに使用することができ、このような結合剤を用いて検出可能なアナライトは実質的に無限である。結合剤は、目的とする少なくとも１つのアナライト（リガンド）に特異的に結合する。結合試薬は、目的アナライトに特異的に結合可能なまたは結合可能と考えられる当分野で既知の任意の分子のなかから選択することができる。
好ましい目的アナライトとしては、試料中に存在する細胞全体、細胞レベル以下の粒子、ウイルス、プリオン、ウイロイド、核酸、タンパク質、抗原、リポタンパク質、リポ多糖、脂質、糖タンパク質、炭水化物成分、セルロース誘導体、抗体またはその断片、ペプチド、ホルモン、薬剤、細胞または細胞成分、有機化合物、非生物学的ポリマー、合成有機分子、有機金属化合物、無機分子などがあるが、これらだけに限定されない。
試料は、例えば、固体、エマルジョン、懸濁液、液体または気体から誘導することができる。また、試料は、例えば、体液または体組織、水、食物、血液、血清、血しょう、尿、糞便、組織、唾液、油、有機溶媒、土壌、水、空気または食品から誘導することができる。試料は、還元剤または酸化剤、可溶化剤、希釈剤、防腐剤または他の適切な薬剤を含むことができる。
適切な結合剤（生体分子）１４としては、受容体、受容体に対するリガンド、抗体またはその結合部分（例えば、Ｆａｂ、（Ｆａｂ）’２）、タンパク質またはその断片、核酸、オリゴヌクレオチド、糖タンパク質、多糖、抗原、エピトープ、炭水化物成分、酵素、酵素基質、レクチン、タンパク質Ａ、タンパク質Ｇ、有機化合物、有機金属化合物、脂質、脂肪酸、リポ多糖、ペプチド、細胞代謝産物、ホルモン、薬剤、トランキライザー、バルビツレート、アルカロイド、ステロイド、ビタミン、アミノ酸、糖、非生物学的ポリマー、ビオチン、アビジン、ストレプトアビジン、ポリマー樹脂などの有機リンキング化合物、リポタンパク質、サイトカイン、リンホカイン、ホルモン、合成ポリマー、有機分子、無機分子などがあるが、これらだけに限定されない。
結合剤（例えば、生体分子）１４およびその標的アナライト２０が、１対の「結合パートナー」、例えば、リガンドおよびその同族受容体、抗体およびそのエピトープなどとして存在し得ることは上記から明らかなはずである。すなわち、生物学的「結合パートナー」または「結合対」のメンバーとは、他の分子に特異的に結合して抗体−抗原、レクチン−炭水化物、核酸−核酸、ビオチン−アビジンなどの結合複合体を形成する分子または組成物を指す。
本明細書で使用する「特異的に結合する」という用語は、結合剤（例えば、タンパク質、核酸、抗体など）に言及するときには、本結合剤とは異質なタンパク質および他の生物製剤の集団に限定される結合反応を指す。したがって、指定の条件（例えば、抗体の場合はイムノアッセイ条件、核酸の場合はストリンジェント・ハイブリダイゼーション条件）下で、規定のリガンドまたは抗体は、その特定の「標的」（例えば、タンパク質または核酸）に結合し、他の分子には有意な量では結合しない。
本発明で使用する結合パートナーは、同定／定量すべき標的に基づいて選択される。すなわち、例えば、標的が核酸である場合、結合パートナーは、好ましくは、核酸または核酸結合タンパク質もしくはタンパク質複合体である（例えば、図２５参照）。標的がタンパク質である場合、結合パートナーは、好ましくは、そのタンパク質に特異的に結合する受容体、リガンドまたは抗体である。標的が糖または糖タンパク質である場合、結合パートナーは、好ましくは、レクチンなどである。
Ｂ）結合パートナー（捕捉剤（ｃａｐｔｕｒｅ ａｇｅｎｔ））の調製
適切な結合剤を合成または単離する方法は、以下に説明するように当業者には周知である。
１）核酸
本発明において結合剤１４として使用する核酸は、当業者に周知のいくつかの方法のいずれかに従って生成または単離することができる。一実施形態において、核酸は、単離された天然の核酸（例えば、ゲノムＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡなど）とすることができる。天然の核酸を単離する方法は、当業者に周知である（例えば、Ｓａｍｂｒｏｏｋ等（１９８９）Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ−Ａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｍａｎｕａｌ（第２版）、１〜３巻、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ参照）。
好ましい実施形態においては、核酸を、例えば化学合成により、例えば、ＢｅａｕｃａｇｅおよびＣａｒｕｔｈｅｒｓ（１９８１）、Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｌｅｔｔｓ．、２２（２０）：１８５９〜１８６２に記載された固相ホスホアミダイトトリエステル法に従い、例えば、Ｎｅｅｄｈａｍ−ＶａｎＤｅｖａｎｔｅｒ等（１９８４）Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ．、１２：６１５９〜６１６８に記載された自動合成装置を用いて新規に生成させる。オリゴヌクレオチドの精製は、必要な場合、ＰｅａｒｓｏｎおよびＲｅｇｎｉｅｒ（１９８３）Ｊ．Ｃｈｒｏｍ．２５５：１３７〜１４９に記載の未変性アクリルアミド・ゲル電気泳動法またはアニオン交換ＨＰＬＣのいずれかによって一般に実施される。合成オリゴヌクレオチドの配列は、ＧｒｏｓｓｍａｎおよびＭｏｌｄａｖｅ（編）Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、Ｍｅｔｈ．Ｅｎｚｙｍｏｌ．６５中のＭａｘａｍおよびＧｉｌｂｅｒｔ、４９９〜５６０（１９８０）の化学分解法を用いて確認することができる。
２）抗体／抗体断片
本発明のセンサー・エレメントに使用する抗体または抗体断片は、当業者に周知のいくつかの方法によって産生させることができる（例えば、Ｈａｒｌｏｗ＆Ｌａｎｅ（１９８８）Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ：Ａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｍａｎｕａｌ、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、およびＡｓａｉ（１９９３）Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ３７巻：Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ ｉｎ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．Ｎ．Ｙ．参照）。一手法では、抗体を、認識／捕捉しようとするエピトープを含む免疫原を用いて動物（例えば、ウサギ）を免疫することによって産生させる。いくつかの免疫原を用いて、特異的に反応する抗体を産生させることができる。組換えタンパク質は、モノクローナル抗体またはポリクローナル抗体の産生に好ましい免疫原である。天然のタンパク質も、純粋でも不純物の混じった形でも使用することができる。標準のペプチド合成化学によって合成ペプチドも同様に生成される（例えば、Ｔｈｅ Ｐｅｐｔｉｄｅｓ：Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｂｉｏｌｏｇｙ．２巻：Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｐａｒｔ Ａ．中のＢａｒａｎｙおよびＭｅｒｒｉｆｉｅｌｄ Ｓｏｌｉｄ−Ｐｈａｓｅ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；３〜２８４頁、Ｍｅｒｒｉｆｉｅｌｄ等（１９６３）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、８５：２１４９〜２１５６、およびＳｔｅｗａｒｔ等（１９８４）Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ、第２版、Ｐｉｅｒｃｅ Ｃｈｅｍ．Ｃｏ．、Ｒｏｃｋｆｏｒｄ、Ｉｌｌ．参照）。
ポリクローナル抗体の産生方法は、当業者に既知である。簡潔に述べると、免疫原をアジュバントと混合し、動物を免疫する。試験採血し、免疫原に対する反応性の力価を決定することによって、免疫原製剤に対する動物の免疫応答をモニターする。免疫原に対する抗体の力価が高く適切なときに、血液を動物から採取し、抗血清を調製する。必要に応じ、抗血清をさらに分画して免疫原に対して反応する抗体を濃縮することができる（ＨａｒｌｏｗおよびＬａｎｅ、同上参照）。
モノクローナル抗体は、当業者に周知の様々な技術によって得ることができる。手短に述べると、所望の抗原で免疫された動物由来のひ臓細胞を、通常は骨髄腫細胞と融合することによって、不死化させる（ＫｏｈｌｅｒおよびＭｉｌｓｔｅｉｎ（１９７６）Ｅｕｒ．Ｊ．Ｉｍｍｕｎｏｌ．６：５１１〜５１９参照）。不死化の別の方法としては、エプスタイン・バー・ウイルス、癌遺伝子またはレトロウイルスを用いた形質転換、当分野で周知の他の方法などがある。単一の不死化細胞から生じるコロニーを、抗原に対して所望の特異性および親和性のある抗体を産生するかどうかによってスクリーニングする。このような細胞によって産生されるモノクローナル抗体の収率は、脊椎動物宿主の腹腔に注射することを含めて様々な技術によって向上させることができる。あるいは、Ｈｕｓｅ等（１９８９）Ｓｃｉｅｎｃｅ、２４６：１２７５〜１２８１によって概説された一般的なプロトコルに従ってヒトＢ細胞由来のＤＮＡライブラリをスクリーニングすることによって、モノクローナル抗体またはその結合断片をコードするＤＮＡ配列を単離することができる。
抗体断片、例えば単鎖抗体（ｓｃＦｖなど）は、ファージ・ディスプレイ技術を用いて産生／選択することもできる。細菌に感染するウイルス（バクテリオファージまたはファージ）の表面で抗体断片を発現できることにより、１０１０よりも多い非結合クローンのライブラリから単一の結合抗体断片を単離することが可能になる。ファージの表面で抗体断片を発現させるために（ファージ・ディスプレイ）、ファージ表面タンパク質（ｐｈａｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｔｅｉｎ）（ｐＩＩＩ）をコードする遺伝子中に抗体断片遺伝子を挿入し、抗体断片−ｐＩＩＩ融合タンパク質をファージ表面にディスプレイさせる（ＭｃＣａｆｆｅｒｔｙ等（１９９０）Ｎａｔｕｒｅ、３４８：５５２〜５５４；Ｈｏｏｇｅｎｂｏｏｍ等（１９９１）Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ．１９：４１３３〜４１３７）。
ファージ表面の抗体断片は機能的であるので、抗原結合抗体断片を有するファージを抗原アフィニティクロマトグラフィーによって非結合ファージから分離することができる（ＭｃＣａｆｆｅｒｔｙ等（１９９０）Ｎａｔｕｒｅ、３４８：５５２〜５５４）。抗体断片の親和性に応じ、一回のアフィニティ選択（ａｆｆｉｎｉｔｙ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）によって、２０倍〜１，０００，０００倍の濃縮係数が得られる。しかし、溶出ファージを細菌に感染させることによって、より多くのファージを増殖させることができ、別のラウンドの選択にかけることができる。こうして、１ラウンドで１０００倍の濃縮が、２ラウンドの選択によって１，０００，０００倍になる（ＭｃＣａｆｆｅｒｔｙ等（１９９０）Ｎａｔｕｒｅ、３４８：５５２〜５５４）。したがって、濃縮がわずかのときでさえ（Ｍａｒｋｓ等（１９９１）Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２２２：５８１〜５９７）、複数ラウンドのアフィニティ選択によって、希少なファージを単離することができる。抗原に対してファージ抗体ライブラリを選択することは、濃縮する結果となるので、わずか３〜４ラウンドの選択の後に、大多数のクローンが抗原に結合する。したがって、抗原への結合を解析する必要があるのは、比較的ごく少数のクローン（数百）である。
ヒト抗体は、極めて大きく多様なＶ遺伝子レパートリーをファージ上でディスプレイすることによって、先に免疫化することなく産生することができる（Ｍａｒｋｓ等（１９９１）Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２２２：５８１〜５９７）。一実施形態において、ヒト末梢血リンパ球中に存在する天然のＶＨおよびＶＬレパートリーを、免疫されていないドナーからＰＣＲによって単離した。Ｖ遺伝子レパートリーを共にＰＣＲによってランダムにスプライスしてｓｃＦｖ遺伝子レパートリーを作製した。これをファージ・ベクター中にクローン化して、３０００万の（同一）ファージ抗体ライブラリを作製した。この単一の「未処置の」ファージ抗体ライブラリから、ハプテン、多糖およびタンパク質を含めて１７を超える異なる抗原に対する結合抗体断片が単離された（Ｍａｒｋｓ等（１９９１）Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２２２：５８１〜５９７；Ｍａｒｋｓ等（１９９３）Ｂｉｏ／Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１０：７７９〜７８３；Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ等（１９９３）ＥＭＢＯ Ｊ．１２：７２５〜７３４；Ｃｌａｃｋｓｏｎ等（１９９１）Ｎａｔｕｒｅ．３５２：６２４〜６２８）。抗体が、ヒト・チログロブリン、免疫グロブリン、腫瘍壊死因子およびＣＥＡを含めた自己タンパク質に対して産生された（Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ等（１９９３）ＥＭＢＯ Ｊ．１２：７２５〜７３４）。無傷の細胞上で直接選択することによって、細胞表面抗原に対する抗体を単離することもできる。この抗体断片は、選択に使用する抗原に対して極めて特異的であり、１：Ｍ〜１００ｎＭの範囲の親和性を有する（Ｍａｒｋｓ等（１９９１）Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２２２：５８１〜５９７；Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ等（１９９３）ＥＭＢＯ Ｊ．１２：７２５〜７３４）。ファージ抗体ライブラリが大きいほど、より大きな比率の抗原に対して結合親和性のより高い抗体がより多く単離される。
３）結合タンパク質
一実施形態において、結合パートナー（捕捉剤）は、結合タンパク質でもよい。適切な結合タンパク質としては、受容体（例えば、細胞表面受容体）、受容体リガンド、サイトカイン、転写因子および他の核酸結合タンパク質、成長因子などであるが、これらだけに限定されない。
タンパク質は、自然源から単離し、単離したタンパク質に突然変異を誘発させ、または新規に合成することができる。天然タンパク質を単離する手段は、当業者に周知である。このような方法には、硫酸アンモニウム沈殿法、アフィニティカラム、カラム・クロマトグラフィー、ゲル電気泳動法などを含めた周知のタンパク質精製方法があるが、これらだけに限定されない（一般には、Ｒ．Ｓｃｏｐｅｓ、（１９８２）Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｎ．Ｙ．；Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ（１９９０）Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｚｙｍｏｌｏｇｙ １８２巻：Ｇｕｉｄｅ ｔｏ Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．Ｎ．Ｙ．を参照されたい）。
タンパク質が標的に可逆的に結合する場合、標的を有するアフィニティカラムを用いて、タンパク質をアフィニティ精製する（ａｆｆｉｎｉｔｙ ｐｕｒｉｆｙ）ことができる。あるいは、タンパク質をＨＩＳ−Ｔａｇによって組換え発現させ、Ｎｉ２＋／ＮＴＡクロマトグラフィーを用いて精製することができる。
別の実施形態において、タンパク質は、標準化学ペプチド合成技術によって化学合成することができる。所望の部分配列が比較的短い場合、その分子を単一の隣接ポリペプチドとして合成することができる。より大きな分子が必要な場合、部分配列を（１つまたは複数の単位で）別々に合成し、次いで１つの分子のアミノ末端をもう１つの分子のカルボキシル末端と縮合することによって融合させ、それによってペプチド結合を形成させる。これは、通常、市販のペプチド合成装置において単一アミノ酸を結合させるのに使用するのと同じケミストリー（例えば、Ｆｍｏｃ、Ｔｂｏｃ）を用いて実施することができる。
この配列のＣ末端アミノ酸を不溶担体に付着させ、その後この配列の残りのアミノ酸を逐次的に付加する固相合成は、本発明によるポリペプチドの化学合成に好ましい方法である。固相合成技術は、Ｔｈｅ Ｐｅｐｔｉｄｅｓ：Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｂｉｏｌｏｇｙ．２巻 Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｐａｒｔ Ａ．中のＢａｒａｎｙおよびＭｅｒｒｉｆｉｅｌｄ（１９６２）Ｓｏｌｉｄ−Ｐｈａｓｅ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；３〜２８４頁、Ｍｅｒｒｉｆｉｅｌｄ等（１９６３）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、８５：２１４９〜２１５６、およびＳｔｅｗａｒｔ等（１９８４）Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ、第２版、Ｐｉｅｒｃｅ Ｃｈｅｍ．Ｃｏ．、Ｒｏｃｋｆｏｒｄ、Ｉｌｌ．に記載されている。
好ましい実施形態において、タンパク質は、組換えＤＮＡ法を用いても合成することができる。一般に、組換えＤＮＡ法は、結合タンパク質をコードするＤＮＡ配列を作製し、特定のプロモーターの制御下にある発現カセット中にこのＤＮＡを置き、宿主中でタンパク質を発現させ、発現したタンパク質を単離し、必要に応じて、このタンパク質を再生するものである。
本発明の結合タンパク質または部分配列をコードするＤＮＡは、例えば、適切な配列のクローニングおよび制限、またはＮａｒａｎｇ等（１９７９）Ｍｅｔｈ．Ｅｎｚｙｍｏｌ．６８：９０〜９９のホスホトリエステル法；Ｂｒｏｗｎ等（１９７９）Ｍｅｔｈ．Ｅｎｚｙｍｏｌ．６８：１０９〜１５１のホスホジエステル法；Ｂｅａｕｃａｇｅ等（１９８１）Ｔｅｔｒａ．Ｌｅｔｔ．、２２：１８５９〜１８６２のジエチルホスホアミダイト法；米国特許第４，４５８，０６６号の固体担体法などの方法による直接化学合成を含めて、上述した任意の適切な方法によって調製することができる。
所望の結合タンパク質をコードする核酸配列は、大腸菌、他の細菌宿主、酵母、およびＣＯＳ細胞系、ＣＨＯ細胞系、ＨｅＬａ細胞系、骨髄腫細胞系などの様々な高級真核細胞を含めて多様な宿主細胞において発現させることができる。組換えタンパク質遺伝子は、各宿主に適切な発現制御配列に作動可能に連結されることになる。大腸菌の場合、この発現制御配列には、Ｔ７プロモーター、ｔｒｐプロモーター、ラムダ・プロモーターなどのプロモーター、リボソーム結合部位、および好ましくは転写終結シグナルが含まれる。真核細胞の場合、制御配列は、プロモーター、および好ましくは免疫グロブリン遺伝子、ＳＶ４０、サイトメガロウイルスなどに由来するエンハンサー、およびポリアデニレーション配列を含み、スプライス・ドナーおよび受容体配列を含むことができる。
プラスミドは、大腸菌の塩化カルシウム形質転換、哺乳動物細胞のリン酸カルシウム処理またはエレクトロポレーションなどの周知の方法によって、選択した宿主細胞中に移入することができる。プラスミドによって形質転換された細胞は、ａｍｐ遺伝子、ｇｐｔ遺伝子、ｎｅｏ遺伝子、ｈｙｇ遺伝子などプラスミドに含まれる遺伝子によって付与される抗生物質耐性によって選択することができる。
組換え結合タンパク質は、発現された後、上述のこの分野での標準手順に従って精製することができる。
４）糖および炭水化物
本発明のセンサー・エレメントに適切な他の結合剤としては、糖、炭水化物などがあるが、これらだけに限定されない。糖および炭水化物は、自然源から単離し、あるいは酵素的または化学的に合成することができる。特定のオリゴ糖構造体の生成経路は、インビボでそれらを生成する酵素、すなわちグリコシルトランスフェラーゼの使用を経る。このような酵素は、オリゴ糖のインビトロ合成用の位置選択的で立体選択的な触媒として使用することができる（Ｉｃｈｉｋａｗａ等（１９９２）Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．２０２：２１５〜２３８）。シアリルトランスフェラーゼを別のグリコシルトランスフェラーゼと組み合わせて使用することができる。例えば、シアリルトランスフェラーゼとガラクトシルトランスフェラーゼを併用することができる。グリコシルトランスフェラーゼを用いて所望のオリゴ糖構造体を合成する方法がいくつか知られている。例示的な方法が、例えば、国際公開第９６／３２４９１号、Ｉｔｏ等（１９９３）Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．６５：７５３、および米国特許第５，３５２，６７０号、同５，３７４，５４１号および同５，５４５，５５３号に記載されている。酵素と基質を初期反応混合物中で混合することができ、あるいは、第１のグリコシルトランスフェラーゼ・サイクルが終了間際になったら第２のグリコシルトランスフェラーゼ・サイクル用の酵素および試薬を反応中間体に添加することができる。２つのグリコシルトランスフェラーゼ・サイクルを単一の反応器中で連続して実施することによって、全体の収率が、中間体種を単離する手順よりも向上する。
化学合成方法は、Ｚｈａｎｇ等（１９９９）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１２１（４）：７３４〜７５３に記載されている。手短に述べると、この手法では、各成分が異なる保護基で前処理された１セットの糖をベースとする成分が生成する。これらの成分を各保護基の反応性によってランク付けする。次いで、コンピュータ・プログラムによって、最も速い反応から最も遅い反応までの一連の反応によって所望の化合物が生成するようにどの成分を反応物に添加しなければならないかを正確に決定する。
ＩＶ．センサーの作製
本発明のバイオセンサーは、当業者に周知の方法を用いて構築することができる。一般に、生体分子／標的アナライト複合体が一方の電極から他方の電極に電荷を運ぶことが可能であるように十分狭い内部電極間隔を有する２つ以上の電極を用意する。次いで、生体分子が（デバイスの配置に応じて）片方または両方の電極に容易に電気的に結合し、物理的に付着するように、電極を生体分子１４と接触させる。分子自体が電極に集合／付着するように、電極および／または生体分子を誘導体化することができる。
Ａ）２つ以上の電極の用意
互いの近傍に位置する電極を用意する方法は、当業者に周知である。すなわち、例えば、マイクロマニピュレータ、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、ＳＴＭチップなどを用いて電極を正確に配置することができる。好ましい実施形態において、複数の電極（オプションの対電極）などを、一般に、機械的手段、例えば、ガイド・ポスト、アライメント・ピン、ガイド・エッジなどを用いて、登録された互いの近傍に配置する。電気的または磁気的登録手段を用いる他のシステムも利用可能である。
特に好ましい実施形態では、固体電子工学産業において周知の微細機械加工法（例えば、フォトリソグラフィ）を用いて電極を組み立て配置する。一般に、マイクロデバイスは、集積回路の製造に使用される半導体ウェーハの形で広く入手可能である結晶シリコンなどの半導体材料基板またはガラスから作製される。半導体ウェーハ基板からのマイクロデバイスの作製は、材料が共通しているので、集積回路（ＩＣ）製造の半導体加工産業によって開発された表面およびバルクの両方のエッチング技術における広範な経験を活かすことができる。
ＩＣ製造において半導体ウェーハの薄い表面パターンを画定するために使用される表面エッチングを改変して、半導体材料薄層を犠牲アンダーカット・エッチング（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｕｎｄｅｒｃｕｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）して空間またはギャップを作製できるようにすることができる。ＩＣ製造において異方性エッチング法によってウェーハ中に深いトレンチを形成するときに一般に使用されるバルク・エッチングは、マイクロデバイスのエッジまたはトレンチを正確に機械加工するのに使用することができる。ウェーハ表面およびバルクのエッチングは、水酸化カリウム溶液などの化学物質を用いて、マスクされていない材料をウェーハから除去する「湿式処理」によって進めることができる。マイクロデバイスを作製する場合、材料の結晶配向の違いに基づく異方性湿式処理技術または電気化学エッチング停止（ｅｔｃｈ ｓｔｏｐ）を使用して、様々なチャネル・エレメントを画定することさえ可能である。
マイクロデバイス設計の自由度を大きくする別のエッチング処理技術は、通常、「ドライ・エッチング処理」として知られる。この処理技術は、微細構造の異方性エッチングに特に適している。ドライ・エッチング処理には、高エネルギー原子またはイオンでウェーハに衝撃を与えてウェーハ原子を気相に追い出す異方性の高いスパッタリング法（例えば、イオン・ビーム・ミリング）から、化学反応性イオンを含むプラズマ・ストリームをウェーハに向けて揮発性反応生成物の形成を誘発するやや等方性の低エネルギー・プラズマ技術まで、多数のガスまたはプラズマ相エッチング技術が包含される。
高エネルギー・スパッタリング技術と低エネルギー・プラズマ技術の中間技術は、反応性イオン・エッチングとして知られる特に有用なドライ・エッチング法である。反応性イオン・エッチングは、イオンを含むプラズマ・ストリームを半導体または他のウェーハに向けて、スパッタリングとプラズマ・エッチングを同時に行うものである。反応性イオン・エッチングは、反応性プラズマ・イオンをウェーハと接触させることに対応して、依然として気相反応生成物を形成するための反応性プラズマ・イオンを提供しつつ、スパッタリングに付随する異方性のいくつかの利点を有する。実際、ウェーハ材料の除去速度は、単独のスパッタリング技術または低エネルギー・プラズマ技術よりもかなり大きくなる。したがって、反応性イオン・エッチングは、マイクロデバイスを作製するための、比較的高い異方性エッチング速度を維持することができる優れたエッチング法になる可能性がある。上述の微細機械加工技術ならびにその他多数の技術が当業者に周知である（例えば、Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ（１９９７）Ｔｈｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、Ｓｏｃ．Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、Ｂａｒｄ＆Ｆａｕｌｋｎｅｒ（１９９７）Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ参照）。また、微細機械加工技術をシリコンまたはホウケイ酸ガラス・チップに使用する例は、米国特許第５，１９４，１３３号、同５，１３２，０１２号、同４，９０８，１１２号および同４，８９１，１２０号に見られる。
特定の実施形態において、本発明の電極、特に電極アレイは、多層材料、例えば、誘電体と導体の交互層として形成される。エッチング、切断または破断されると、このような多層材料の端部から、極めて高密度の（間隔の近い）誘電体／絶縁体によって分離された電極が得られる。
多層材料は、科学的研究および物理学的応用分野の材料世界において周知であり、広範に使用されている（例えば、米国特許第４，６７３，６２３号、同４，８７０，６４８号、同４，９１５，４６３号など参照）。
このような電極アレイは、スパッタリング技術によって容易に作製される（例えば米国特許第５，２０３，９７７号、同５，４８６，２７７号、米国再発行特許第３７，０３２号、米国特許第５，７４２，４７１号など）。スパッタリングは、真空コーティング・プロセスであり、電気的に絶縁されたカソードが、減圧可能であり不活性ガスを一部充填できるチャンバ内に取り付けられている。カソード材料が導電体である場合、直流高電圧電源を用いて高電圧ポテンシャルが印加される。カソードが電気絶縁体である場合、電極の極性を極めて高い周波数で反転させて、イオン打ち込みプロセスを停止し得るカソード上での正電荷の形成を防止する。電極極性が高周波で反転するので、この方法はＲＦスパッタリングと称する。
マグネトロン・スパッタリングは、標的表面近くの領域内で磁場を用いて電子を捕捉するダイオード・スパッタリングよりも効率的な方式であり、気体原子をより高い確率でイオン化する。標的表面近くで発生した高密度のイオンによって、ダイオード・スパッタリングの何倍もの速さで材料が除去される。マグネトロン効果は、カソード・アセンブリ内に含まれる、電場に垂直な磁場を発生する永久磁石アレイによって生み出される。他のスパッタリング技術を使用することもできるが、特に好ましい実施形態においては、例えば米国特許第５，４８６，２７７号に記載されたマグネトロン・スパッタリングを使用して本発明の電極アレイが提供される。
図２２に、堆積角度を利用して様々な導体（電極）の位置を制御できる方法を示す。基板（導体セット「Ａ」）に垂直に配向する堆積ビームでは、図示したように絶縁体および導体１０および１２を互いに隣接して堆積させることができる。スペーサー１６の堆積中に適切なマスクを使用することによって、その領域がスペーサーによって覆われて正確に描出される。次いで、導電材料が堆積して、導体１０および１２が作製される。
堆積角度を変えて、交互パターンを形成することができる。図２２の導体セット「Ｂ」に示すように、基板に対して傾斜した角度で導体材料を堆積させることによって、導体１２とスペーサー１６間に空隙を作ることができる。
上で示したように、堆積技術を、エッチング法と組み合わせることができる。導体セット「Ｃ」に、導体セット「Ａ」のスペーサーを選択的にエッチングした結果を示す。これによって、導体１０と導体１２の間にエア・ギャップを有するスペーサーの「カットバック」が形成される。
図２３に、堆積とエッチングの別の組み合わせを示す。この例では、基板が始めにスペーサー材料１６で、次いで導体材料１０で均一にコートされる（導体セット「Ａ」参照）。次いで、導体材料１０およびスペーサー材料１６の一領域が選択的にエッチングされてウェルまたはチャネルが形成される（導体セット「Ｂ」参照）。適切なマスクを用いた第２の堆積ステップによって、導体材料１２がウェルまたはチャネル中に堆積する（導体セット「Ｃ」参照）。これらの変形形態は、例示的なものであり、限定的なものではない。本明細書が提供する教示を利用して、当業者は本発明のデバイスを容易に作製することができる。
Ｂ）電極への生体分子の付着
当業者に周知の方法を用いて、結合剤（例えば、生体分子）を電極に付着させる。一般に、電極および／または結合剤を、電極の結合剤への付着を容易にする反応性成分（例えば、リンカー）を用いて誘導体化する（官能基化する）。したがって、例えば特定の実施形態において、結合剤は、電極表面または電極表面に結合した官能基と反応する反応性リンカー（例えば、脂肪族チオール・リンカー）を有し、かつ／または電極は、生体分子に結合するリンカーを用いて誘導体化される。
リンカーは、導電性とすることができ、電極と生体分子１４の間を電子が直接または間接的に通過し得るのに十分な長さとすることができる。
多種多様の化合物を様々な表面に連結する方法は周知であり、文献に詳細に説明されている。生体分子１４を結合させる手段は、当業者には自明である。この結合は、共有結合でも、イオン結合でも、他の非共有相互作用でもよい。表面および／または分子を特異的に誘導体化して、都合のよいリンキング基（連結基）（例えば硫黄、ヒドロキシル、アミノなど）を用意することができる。
リンカーは、誘導体化結合剤の一部として提供することができ、または別々に提供することができる。リンカーは、連結すべき分子に結合していないときには、それぞれの結合パートナー（すなわち、電極表面または生体分子）と共有結合を各々形成することができる２つ以上の反応部位を含むヘテロまたはホモ２官能性分子のいずれかである場合が多い。一成分として生体分子が提供されるとき、または電極に付着するとき、リンカーは、好ましくは、それぞれの表面または分子に結合するのに適切な１つまたは複数の反応部位を有するスペーサーである。
分子を結合するのに適切なリンカーは、当業者に周知であり、種々の直鎖または分枝鎖炭素リンカー、複素環式炭素リンカー、アミノ酸またはペプチド・リンカーなどがあるが、これらだけに限定されない。特に好ましいリンカーは、４，４’−ジフェニルエチン、４，４’−ジフェニルブタジイン、４，４’−ビフェニル、１，４−フェニレン、４，４’−スチルベン、１，４−ビシクロオクタン、４，４’−アゾベンゼン、４，４’−ベンジリデンアニリン、４，４”−テルフェニル、オリゴフェニレンビニレンなどであるが、これらだけに限定されない（例えば、米国特許第６，２０８，５５３号参照）。
表面結合基を含む多種多様なこのようなリンカーが、当業者には既知であり、自己集合単分子層を生成するのに使用されることが多い。このような基としては、（金および他の金属に結合する）チオール（例えば、アルカンチオール）、（例えば、シリコン／二酸化ケイ素に結合する）アルキルトリクロロシラン、（例えば、酸化アルミニウムに結合する）アルカンカルボン酸、エチレングリコール誘導体、およびこれらの組み合わせなどがあるが、これらだけに限定されない（例えば、Ｆｅｒｇｕｓｏｎ等（１９９３）Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ２６（２２）：５８７０〜５８７５；Ｐｒｉｍｅ等（１９９１）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２５２：１１６４〜１１６７；Ｂａｉｎ等（１９８９）Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．１０１：５２２〜５２８；Ｋｕｍａｒ等（１９９４）Ｌａｎｇｍｕｉｒ １０：１４９８〜１５１１；Ｌａｉｂｉｎｉｓ等（１９８９）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２４５：８４５〜８４７；Ｐａｌｅ−Ｇｒｏｓｄｅｍａｎｇｅ等（１９９１）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１１３：１２〜２０などを参照されたい）。特に好ましい実施形態では、チオール・リンカー（例えば、アルカンチオール・リンカー）を用いて金属電極に生体分子１４を付着させる。
特定の実施形態において、電位を印加することによって活性化できる化学基または化学基を有するリンカーを用いて結合剤を官能基化する。このような基は、当業者に周知であり、Ｓ−ベンジルオキシカルボニル誘導体、Ｓ−ベンジルチオエーテル、Ｓ−フェニルチオエーテル、Ｓ−４−ピコリルチオエーテル、Ｓ−２，２，２−トリクロロエトキシカルボニル誘導体、Ｓ−トリフェニルメチルチオエーテルなどであるが、これらだけに限定されない。特定の実施形態においては、結合剤を、１９０ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光によって活性化できる化学基または化学基を有するリンカーを用いて官能基化する。このような化学基としては、アリールアジド、フッ化アリールアジド、ベンゾフェノン、（Ｒ，Ｓ）−１−（３，４−（メチレンジオキシ）−６−ニトロフェニル）エチルクロロフォーメート−（ＭｅＮＰＯＣ）、Ｎ−（（２−ピリジル、エチル）−４−アジド）サリチルアミドなどがあるが、これらだけに限定されない。
特に好ましい実施形態において、誘導体化された生体分子を、溶液で、電極と接触させる。電荷を第１の電極１０に置いて生体分子を第１の電極１０に引き付ける。誘導体化された生体分子は、電極と接触すると電極に結合する。誘導体化された生体分子は、２つのリンカーを持つことができ、１つは第１の電極に付着し、１つは第２の電極に付着するために誘導体化される。このような実施形態において、第２のリンカーをブロックして第１の電極との反応を防止することができる。生体分子が第１の分子に結合した後に、このリンカーを脱保護して第２の電極に結合できるようにする。
したがって、例えば、核酸である生体分子を用いて２つの電極を架橋するために、１つは保護された（ブロックされた）チオールであり、１つは脱保護された（脱ブロックされた）チオールである２つのリンカーで核酸を誘導体化する。第１の電極１２に正のバイアスをかけて、そこに核酸を引き付け、それによってチオール・リンカーが第１の電極に結合する。次いで、第１の電極１０に負のバイアスをかけ、第２の電極１２に正のバイアスをかけて、この核酸の自由端を第２の電極に引き付ける。ブロックされたチオール・リンカーを脱保護して、リンカーが第２の電極と自由に相互作用するようにする。これによって、第１の電極と第２の電極との間のギャップにまたがる核酸が得られる。
したがって、このアセンブリ手法は、このデバイス自体を使用して、結合剤を局在化し、最終的には結合剤を付着させる。したがって、本発明のデバイスは、特定の結合剤を用いて各センサー・エレメントを電子的にセルフアドレス（ｓｅｌｆ−ａｄｄｒｅｓｓ）することができる。このデバイスは、特定の位置／センサー・エレメント／電極において特異的結合剤を物理的に誘導し、位置決めし、配置するのに外部プロセス、機構または装置を必要としないという意味で、それ自体が自己組織化されている。このセルフアドレス・プロセスは、迅速かつ特異的であり、逐次でも並行してでも実施することができる。
このデバイスは、選択したセンサー・エレメント／電極をＤＣモードおよび特異的結合剤の電荷（電位）と反対の電荷（電位）に維持することによって、特異的結合剤を用いて逐次アドレスすることができる。他のセンサー・エレメント／電極は、特異的結合剤と同じ電荷に維持される。結合剤が電極上の付着部位よりも過剰でない場合、他の微小電極を１つだけ活性化して、特定の微小位置への電気泳動輸送に影響を及ぼすことが必要である。特異的結合剤を、溶液を通って（数秒、好ましくは１秒未満で）迅速に輸送し、特定の電極において直接濃縮し、電極表面に共有結合させることができる。
センサー・エレメント／電極をアドレスする並行プロセスは、単に、同じ特異的結合剤を輸送し、濃縮し、２つ以上の特異的電極と反応させるように、多数（特定のグループまたはライン）の電極を同時に活性化するものである。
この手法は、単に例示的なものにすぎない。他の多数の手法を用いて、生体分子をそれぞれの電極に付着させることができる。このような手法には、光活性化可能なケミストリー（例えば、Ｓｕｎｄｂｅｒｇ等（１９９５）Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１７（４９）：１２０５０〜１２０５７参照）、マイクロスタンピング技術（例えば、Ｋｕｍａｒ等（１９９４）Ｌａｎｇｍｕｉｒ １０（５）：１４９８〜１５１１；Ｋｕｍａｒ等（１９９３）Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３（１４）：２００２〜２００４）などを使用することによって表面に化学基を付着させることが含まれるが、これらだけに限定されない。
Ｖ．センサーの読み取り
本発明のセンサーは、当業者に周知の標準方法により読み取られる。特に、本発明のセンサーは、標的アナライトが結合すると、センサー・エレメントの導電性（抵抗率）における変化である信号を与える。
好ましい実施形態において、本発明のセンサーは、電流測定、ボルタンメトリー、キャパシタンスおよびインピーダンスを含め、ただしこれらだけに限定されない技術を用いて読み取られる。適切な技術としては、電解重量法；（定電位電量測定および定電流電量測定を含めた）電量測定；ボルタンメトリー（サイクリック・ボルタンメトリー、パルス・ボルタンメトリー（ノーマル・パルス・ボルタンメトリー、方形波ボルタンメトリー、微分パルス・ボルタンメトリー、Ｏｓｔｅｒｙｏｕｎｇ矩形波ボルタンメトリーおよびクーロスタティック・パルス技術）；ストリッピング分析（アノード（ａｎｉｏｄｉｃ）・ストリッピング分析、カソード（ｃａｔｈｉｏｄｉｃ）・ストリッピング分析、方形波ストリッピング・ボルタンメトリー）；コンダクタンス測定（電解質電導、直接分析）；時間依存電気化学分析（クロノアンペロメトリー、クロノポテンシオメトリー、循環クロノポテンシオメトリーおよびアンペロメトリー、ＡＣポログラフィ、クロノガルバメトリー（ｃｈｒｏｎｏｇａｌｖａｍｅｔｒｙ）およびクロノクーロメトリー）；ＡＣインピーダンス測定；キャパシタンス測定；光電気化学などがあるが、これらだけに限定されない。
好ましい実施形態において、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動は、電流測定検出によってモニターされる。特定の実施形態において、好ましい電流測定検出装置は、例えば、血中グルコースをモニターするのに現在使用されている多数の酵素ベースのバイオセンサーに類似したものである。この検出方法には、本発明のセンサー・エレメントを備える２つの電極間に、（別の標準電極に対する）電位差を印加することが含まれる。標的核酸の存在下または非存在下にある試料に、効率の異なる電子移動を誘発させる。すなわち、結合剤が核酸の場合、単鎖結合剤は、標的配列にハイブリダイズしたプローブとは異なる速度を示す。電子移動の効率を変えることによって、電極に発生する電流が変わることになる。
好ましい実施形態において、電子移動を電流測定により測定するデバイスには、高感度（ナノアンプからピコアンプ）の電流検出を要し、電圧ポテンシャルを制御する手段、通常はポテンシオスタットが含まれる。
別の好ましい実施形態においては、別の電子検出モードが利用される。例えば、電位差（ボルタメトリ）測定には、（正味の電流フロー（ｎｅｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｌｏｗ）がない）非ファラデー過程が含まれ、従来からｐＨおよび他のイオン検出装置に利用されている。類似のセンサーを用いて、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動をモニターすることができる。また、絶縁体（抵抗など）および導体（導電性、インピーダンス、キャパシタンスなど）の他の諸特性を用いて、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動をモニターすることができる。最後に、電流を発生するあらゆる系（電子移動など）で小さな磁場が発生し、いくつかの実施形態ではそれをモニターすることができる。
好ましい実施形態において、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動速度は比較的速く、周波数（時間）領域における分析を促進することができ、それによって信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比が劇的に向上する。したがって、特定の実施形態においては、交流（ＡＣ）法を用いて電子移動が開始され検出される。一般に、ＡＣ技術を使用すると、良好な信号および低いバックグラウンド・ノイズを得ることができる。特定の理論に拘泥するものではないが、バックグラウンド・ノイズまたは「寄生の（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）」信号、すなわち、系に固有なものであって標的配列が存在する結果によるものではない検出可能な信号の要因はいくつか考えられる。
しかし、寄生ノイズの要因はすべて、一般に、比較的速い信号を与える。すなわち、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動速度は、一般に、溶液における電荷担体の寄与、他の「短絡」機構などの寄生成分の電子移動速度よりもかなり遅い。その結果、寄生成分は、一般にすべての相に関係する。すなわち、寄生成分は、周波数と直接釣り合う一定の位相遅れまたは位相のずれを示す。これとは対照的に、結合剤／標的アナライト複合体は、入力信号と出力信号間で時間の遅れを示し、これは周波数に無関係である。したがって、アナライトが結合することによって発生する信号は、寄生バックグラウンドと比べて、比較的一定で比較的大きいままである。その結果、異なる周波数では、系の相が変化する。これは、蛍光性の系で使用される時間領域の検出に極めて類似している。
この差は、信号／雑音比を低下させるために様々な方法において利用することができる。したがって、好ましい検出方法には、ＡＣ入力信号を結合剤／標的アナライト複合体に印加することが含まれる。結合剤／標的アナライト複合体の存在は、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動に特徴的な出力信号によって検出される。すなわち、出力信号は、寄生成分または結合していない結合剤よりも結合剤／標的アナライト複合体に特徴的である。すなわち、例えば、出力信号は、結合剤／標的アナライト複合体を通る電子移動の速度に依存する時間遅れを示す。
特定の好ましい実施形態において、入力信号は、複数の周波数で送られる。というのは、これによっても、真の信号と雑音の区別が可能になるからである。本明細書における「複数の」は、少なくとも２つの周波数、好ましくはそれを超える周波数を意味する。一般に、ＡＣ周波数は、約０．１Ｈｚ〜約１０ｍＨｚであり、約１Ｈｚ〜１００ＫＨｚが好ましい。
特定の好ましい実施形態では、データ分析は、時間領域（周波数領域）において実施される。したがって、例えば、信号が基本周波数の高調波で分析されるサイクリック・ボルタンメトリーを実施する。このような測定によって、信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比をかなり向上させることができる。
好ましい実施形態において、サイクリック（例えば、正弦波の掃引電圧）が電極にかけられる。正弦波電圧に対する結合剤／標的アナライト複合体の応答は、サイクリック電圧の基本周波数ではなく、基本周波数の高調波で選択的に検出される。その結果、１サイクル以内に完全な周波数スペクトルを得ることができる。
ボルタンメトリー応答を選択的に検出するステップには、結合剤／標的アナライト複合体を通る電流フローを基本周波数の高調波で選択的に検出するステップが含まれる。高調波は、電流の基本周波数よりも高い少なくとも１つの高調波を含むことが好ましい。一般に、信号は、基本周波数の高調波および第２高調波よりも高い高調波でモニターされる。一般に、ボルタンメトリー応答を選択的に検出するステップには、アナライトを通る電流フローの周波数スペクトル内にある複数のより高い基本周波数高調波を、複数のロックイン検出装置を使用して、または時間領域におけるデータ取得によって検出し、その後、例えば、コンピュータ・ベースの方法によるフーリエ変換およびたたみこみ（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を行うステップが含まれる。サイクリック・ボルタンメトリー法は、当業者に既知であり、米国特許第６，２０８，５５３号および同５，９５８，２１５号に詳細に記載されている。
ＶＩ．アナライト検出／定量
Ａ）試料調製
本発明のデバイスおよび方法を用いて実質的にあらゆる試料を分析することができる。このような試料としては、体液または体組織、水、食物、血液、血清、血しょう、尿、糞便、組織、唾液、油、有機溶媒、土壌、水、空気、食品などがあるが、これらだけに限定されない。好ましい実施形態において、試料は生物学的試料である。本明細書で使用する「生物学的試料」という用語は、生物または生物の成分（例えば、細胞）から得られる試料を指す。試料は、任意の生物学的組織または流体とすることができる。試料は、患者由来の試料である「臨床試料」であることが多い。このような試料としては、痰、脳脊髄液、血液、血液画分（例えば、血清、血しょう）、血液細胞（例えば、白血球）、組織または細針生検試料、尿、腹膜液、胸膜腔内液、これらから得られる細胞などがあるが、これらだけに限定されない。生物学的試料には、組織学的な目的で採取された凍結切片などの組織切片も含めることができる。
生物学的試料（例えば、血清）は、直接分析することができ、あるいはある調製にかけてから本発明のアッセイに使用することができる。このような調製には、分析前の、水または適切な緩衝液への試料の懸濁／希釈、細胞細片の、例えば遠心分離による除去、試料の特定画分の選択などがあるが、これらだけに限定されない。
Ｂ）系内への試料送達
試料は、当業者に周知の標準方法に従って本発明のデバイスに導入することができる。すなわち、例えば、高圧液体クロマトグラフィー・システムに使用される注入口などの注入口を通して試料をチャネルに導入することができる。別の実施形態では、チャネルに連通している試料ウェルに試料をかけることができる。さらに別の実施形態では、試料をチャネルにポンプ注入することができる。試料をチャネルに導入する手段はよく知られており、キャピラリー電気泳動法およびクロマトグラフィー技術では標準的なものである。
Ｃ）結合剤と試料の反応
アナライトを含有する試料は、センサー・エレメントを含む結合剤にアナライトが結合するのに適合した条件、またはそれを容易にする条件下で、センサー・エレメントに供給される。すなわち、例えば、センサー・エレメントが抗体またはタンパク質である場合、抗体結合を容易にする反応条件がセンサー・エレメントにおいて提供される。このような反応条件は、当業者に周知である（例えば、抗体を用い、それを操作する技術は、Ｃｏｌｉｇａｎ（１９９１）Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｉｎ Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ Ｗｉｌｅｙ／Ｇｒｅｅｎｅ、ＮＹ；ＨａｒｌｏｗおよびＬａｎｅ（１９８９）Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ：Ａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｍａｎｕａｌ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｐｒｅｓｓ、ＮＹ；Ｓｔｉｔｅｓ等（編）Ｂａｓｉｃ ａｎｄ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ（第４版）Ｌａｎｇｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｌｏｓ Ａｌｔｏｓ、ＣＡ、およびそれに引用されている参考文献；Ｇｏｄｉｎｇ（１９８６）Ｍｏｎｏｃｌｏｎａｌ Ａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ（第２版）Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、ＮＹ；ＫｏｈｌｅｒおよびＭｉｌｓｔｅｉｎ（１９７５）Ｎａｔｕｒｅ ２５６：４９５〜４９７などにある）。
同様に、結合剤が核酸である場合、センサー・エレメントは、センサー・エレメントを含む結合剤に標的核酸（アナライト）が容易に結合する条件下に維持される。反応のストリンジェンシーは、センサーが適切な／所望の特異性および選択性を示すまで高くすることができる。核酸ハイブリダイゼーションに適した条件は当業者に周知である（例えば、ＢｅｒｇｅｒおよびＫｉｍｍｅｌ、Ｇｕｉｄｅ ｔｏ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、Ｍｏｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｚｙｍｏｌｏｇｙ １５２ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．、Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ、ＣＡ；Ｓａｍｂｒｏｏｋ等（１９８９）Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ−Ａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｍａｎｕａｌ（第２版）１〜３巻、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｐｒｅｓｓ、ＮＹ；Ａｕｓｕｂｅｌ等（１９９４）Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｉｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ、Ｇｒｅｅｎｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．とＪｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．の共同事業；米国特許第５，０１７，４７８号；欧州特許第０，２４６，８６４号などを参照されたい）。
アナライトがセンサー・エレメント中の結合剤に結合した後、センサーを、場合によっては、脱水し、かつ／または貯蔵し、かつ／または読み取る。
Ｃ）アナライトの検出／定量
試料は、本発明のセンサーに導入された後、標準方法、例えば上述の、例えば電流測定、ボルタンメトリー、電量測定などを用いて検出／定量される。測定結果は、標準曲線、すなわち、アナライト濃度の関数としてプロットされたシリーズまたは測定結果と比較することができ、それによってアナライト濃度を決定することが可能になる。標準曲線は、データ取得を行うデバイスによって計算し、記憶することができる。
Ｖ．カセット
特定の実施形態において、本発明は、本発明による１つまたは複数のセンサー・エレメントまたはセンサー・エレメント・アレイを備えるカセットを提供する。好ましい実施形態において、カセットは、１つまたは複数の生体分子１４および／または１つまたは複数の作用電極１０、１２および／またはバイアス電極２２を含む。
したがって、例えば特定の実施形態において、カセットは、各々１対の電極に付着した複数の生体分子１４を含む。対電極は、例えば作用電極を備える層に組み込まれて、またはカセットを備える第２の層の部品として任意選択で提供される。
好ましい実施形態において、本発明のカセットまたは装置は、試料口および／またはリザーバおよびカセット中に存在するセンサー・エレメント上に試料を送達するための１つまたは複数のチャネルを備える。試料送達手段は、固定されていても、可動であってもよく、１つまたは複数の入口、穴、細孔、チャネル、パイプ、マイクロフルイディク・ガイド（例えば、キャピラリー）、チューブなどを含めて、ただしこれらだけに限定されない当分野で既知の手段とすることができる。
本発明のカセットを備えるチャネルには、チャネル・ネットワーク、例えば、１つまたは複数のチャネル、好ましくはマイクロチャネルが含まれる。一般に、所与のチャネル・ネットワーク内には、所望の分析が行われるチャネルまたはリザーバ（分析チャネル）が含まれ、したがって本発明のセンサー・エレメントが配置される。また、場合によっては、試薬、緩衝液、希釈剤、試料材料などを分析チャネルに送達させるためのチャネルも含まれる。
本発明のカセットは、場合によっては、分析のために、すなわち、材料、例えば、核酸、タンパク質などのサイズまたは荷電に基づく分画のために、これらのチャネルの長さを下方に輸送される物質を分離／分画する分離チャネルまたはマトリックスを含む。適切な分離マトリックスには、例えば、ＧｅｎｅＳｃａｎ（商標）ポリマー（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ−Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ、Ｆｏｓｔｅｒ Ｃｉｔｙ、Ｃａｌｉｆ．）がある。あるいは、分析チャネルには分離マトリックスがなく、代わりに、相互作用、反応などがその中で起こるチャネルが単に設けられているに過ぎない。このような分析チャネルを内蔵するマイクロフルイディク・デバイスの例は、例えば、国際出願第９８／００２３１号および米国特許第５，９７６，３３６号に記載されている。
流体は、様々な周知の方法、例えば、ポンプ、ピペット、シリンジ、自然流下、キャピラリー作用、吸上、電気泳動法、電気浸透、圧力、減圧などによって、カセット・チャネル・システムを通って移動させることができる。流体移動手段は、カセットまたは別個のユニット上に配置することができる。
試料は、すべてのセンサー・エレメント上に置くことができる。あるいは、試料は、例えば、キャピラリー流体輸送手段によって、特定のセンサー・エレメント上に置くことができる。あるいは、試料は、流体試料を直接センサー・アレイに送達する自動ピペッタによってセンサー・エレメント上に置くことができ、またはセンサー・エレメントに後で直接送達するためのカセットまたはカセット・ホルダー中のリザーバ中に入れることができる。
本発明のカセットは、ガラス、プラスチック、セラミック、ポリマー材料、エラストマー材料、金属、炭素または炭素含有材料、アロイ、コンポジット・ホイル、シリコンおよび／または積層材料などを含めて、ただしこれらだけに限定されない多種多様な材料から作製することができる。担体は、多種多様な構造的、化学的および／または光学的諸特性を有することができる。これらは、硬質でも軟質でも、平坦でも異型でも、透明、半透明、部分的または完全に反射性でも不透明でもよく、複合特性、諸特性が異なる領域を有していてもよく、２つ以上の材料の複合体でもよい。
アッセイを行うための試薬は、カセット上および／または別個の容器内に貯蔵することができる。試薬は、乾燥状態および／または湿った状態で貯蔵することができる。一実施形態において、カセット中の乾燥試薬は、試験試料を添加することによって再水和することができる。異なる実施形態において、試薬は、可動ローラまたはピストンからの圧力によって破裂して開く「ブリスター・パック」中に溶液で貯蔵される。カセットは、アッセイ終了後の液状廃棄物を貯蔵する廃棄区画またはスポンジを含むことができる。一実施形態において、カセットは、試験すべき生物学的試料を調製するためのデバイスを含むことができる。すなわち、例えば、血液から細胞を取り出すフィルターを含むことができる。別の例では、カセットは、試料を計量するための高精度キャピラリー（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ）などのデバイスを含むことができる。
本発明のカセットまたは装置は、場合によっては、標準電極、例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌまたは飽和カロメル電極（ＳＣＥ）および／または様々なバイアス／対電極を備えることができる。
カセットは、２層以上の電極も備えることができる。すなわち、例えば、異なる電極セット（例えば、センサー・エレメントのアレイ）は、カセットの異なる薄膜中に存在し、したがってセンサー・エレメントの３次元アレイを形成することができる。
ＶＩ．一体型アッセイ・デバイス／装置
化学物質製造、環境分析、医学診断および基本的検査分析に使用する最新の化学分析システムは、完全な自動化が可能であることが好ましい。このような全分析システム（ＴＡＳ）（Ｆｉｌｌｉｐｉｎｉ等（１９９１）Ｊ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．１８：１５３；Ｇａｒｎ等（１９８９）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．３４：４２３；Ｔｓｈｕｌｅｎａ（１９８８）Ｐｈｙｓ．Ｓｃｒ．Ｔ２３：２９３；Ｅｄｍｏｎｄｓ（１９８５）Ｔｒｅｎｄｓ Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．４：２２０；Ｓｔｉｎｓｈｏｆｆ等（１９８５）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５７：１１４Ｒ；Ｇｕｉｂａｕｌｔ（１９８３）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ Ｓｙｍｐ．Ｓｅｒ．１７：６３７；Ｗｉｄｍｅｒ（１９８３）Ｔｒｅｎｄｓ Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２：８）は、システムへの試料導入から、システムを通る試料の輸送、試料調製、分離、精製、ならびにデータ取得および評価を含めた検出にわたる機能を自動的に実施する。
最近、試料調製技術を小型の方式に縮小することに成功した。すなわち、例えば、ガス・クロマトグラフィー（Ｗｉｄｍｅｒ等（１９８４）Ｉｎｔ．Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１８：１）、高圧液体クロマトグラフィー（Ｍｕｌｌｅｒ等（１９９１）Ｊ．Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．１４：１７４；Ｍａｎｚ等（１９９０）Ｓｅｎｓｏｒｓ ＆ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ１：２４９；Ｎｏｖｏｔｎｙ等編（１９８５）Ｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ：Ｃｏｌｕｍｎｓ，Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎｃｉｌｌａｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．Ｌｉｂｒａｒｙ、３０巻；Ｋｕｃｅｒａ編（１９８４）Ｍｉｃｒｏ−Ｃｏｌｕｍｎ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ；Ｓｃｏｔｔ編（１９８４）Ｓｍａｌｌ Ｂｏｒｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ｃｏｌｕｍｎｓ：Ｔｈｅｉｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ、Ｗｉｌｅｙ，Ｎ．Ｙ．；Ｊｏｒｇｅｎｓｏｎ等（１９８３）Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．２５５：３３５；Ｋｎｏｘ等（１９７９）Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．１８６：４０５；Ｔｓｕｄａ等（１９７８）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５０：６３２）およびキャピラリー電気泳動法（Ｍａｎｚ等（１９９２）Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．５９３：２５３；Ｏｌｅｆｉｒｏｗｉｃｚ等（１９９０）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６２：１８７２；Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔ’ｌ Ｓｙｍｐ．Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆ．Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ（１９９０）Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．５１６；Ｇｈｏｗｓｉ等（１９９０）Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６２：２７１４）が小型の方式に縮小された。
同様に、特定の実施形態において、本発明は、本発明のセンサー・エレメント、センサー・エレメント・アレイまたはカセットを用いて、１つまたは複数のアナライトを検出および／または定量する一体型アッセイ装置（例えば、ＴＡＳ）を提供する。
したがって、特定の実施形態において、本発明のカセットは、本発明のカセットを備える１つまたは複数のセンサー・エレメントを読み取る手段を含む装置に挿入されるように設計される。この装置は、場合によっては、１つまたは複数の試験試料をセンサー・エレメント上にまたは受け口もしくはリザーバ中に送り、１つまたは複数のアナライトの検出／定量を開始する手段を含む。このような装置は、担体またはカセットに基づいて複数のアッセイを実施するように本発明に従って適切に改変された従来の装置から得ることができる。必要な改変には、場合により試料および／またはカセットの取り扱い、複数の試料送達、適切な検出装置による複数の電極読み取り、ならびに信号取得および処理手段を実現することが含まれる。
したがって、本発明による好ましい装置は、一般に、電気化学測定および付随するデータ取得およびその後のデータ分析を実施するのに適した計測手段を含む。
好ましい装置は、カセットを保持する手段も提供し、場合によっては、試薬および／または緩衝液を提供し、結合剤／標的アナライトの結合反応に適合した諸条件を提供する。
好ましい装置は、カセットの個別にアドレス可能な電極接続部のアレイを電子−電圧／波形発生装置、例えば、ポテンシオスタットに電気的に接続することが可能な電極接触手段も備える。波形発生装置手段では、信号が逐次または同時に送られ、カセット中の複数のセンサー・エレメントが個別に読み取られる。
この装置は、場合によっては、装置の様々な部品の機能を制御するデジタル・コンピュータまたはマイクロプロセッサを備える。
この装置は、信号処理手段も備える。一実施形態において、単に例として示すと、信号処理手段は、各アッセイ結果の転送、記録、解析および／または表示のためのデジタル・コンピュータを含む。
本発明のセンサー・エレメント・アレイは、「小容量試料」計測手段における検出装置として使用するのに特に適している。このような用途としては、植物または動物における遺伝子発現の監視などのゲノムに関する用途、並行した遺伝子発現の研究、ハイ・スループット・スクリーニング、臨床診断、一塩基多型（ＳＮＰ）スクリーニング、遺伝形質の決定などがあるが、これらだけに限定されない。ある特に好ましい実施形態は、数千の分析を同時に実施可能な小型分子アッセイ・システム、いわゆるラボ・オン・チップ（ｌａｂｓ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）を含む。
キット
特定の実施形態において、本発明は、本明細書に記載する方法および／または装置の作製を実施するためのキットを提供する。好ましいキットは、本発明による１つまたは複数のセンサー・エレメントを含む容器を備える。センサー・エレメントは、センサー・アレイの部品とすることができ、かつ／または本明細書に記載するセンサー・カセットを備えることができる。特定の実施形態において、キットは、場合によっては、本発明のセンサーと共に使用される１つまたは複数の試薬および／または緩衝液を含む。キットは、場合によっては、試料取得、処理などのための材料を含むことができる。
キットには、本発明のアッセイ方法の実施、本明細書に記載するカセットの使用、様々な機器にセンサー・エレメントを構築するための方法などのための指示書（すなわち、プロトコル）を含む教材を含めることもできる。教材は、一般に、筆記された教材または印刷された教材を含むが、これらだけに限定されない。このような説明書を記録し、それらをエンド・ユーザーに伝えることが可能な任意の媒体も本発明で企図される。このような媒体としては、電子記憶媒体（例えば、磁気ディスク、テープ、カートリッジ、チップ）、光学媒体（例えば、ＣＤ ＲＯＭ）などがあるが、これらだけに限定されない。このような媒体は、このような教材を提供するインターネット・サイトのアドレスを含むことができる。
以下の実施例は説明のために提供されるものであって、特許請求する発明を限定するためのものではない。
実施例１
センサー・エレメントの形成
絶縁体と導体の交互の層を、（例えば、米国特許第５，４１４，５８８号に記載されているように）スパッタリングまたは気相成長（ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成する。この層は、基板（アルカリを含まないホウケイ酸ガラス（Ｓｈｏｔｔ ＡＦ４５））、続いて第１の導体、次いで絶縁体、続いて第２の導体などからなる。第１の導体と絶縁体および第２の導体と第２の絶縁体は、１回の反復を含む。反復を、所望の数の層が得られるまで繰り返す。
導体および絶縁体の位置はマスクによって決定される。すなわち、図２４Ａに示すように、導体１は、指定のマスクおよび／またはその堆積位置を決定するマスクのマスク位置を有する。同様に、絶縁体位置は、図２４Ｂに示す第２のマスクを用いて決定され、導体２の位置は図２４Ｃに示す第３のマスクによって決定される。マスクを、各後続の反復に対して合計１０回の反復まで繰り返し使う。
スパッタリング・プロセスによって、導電層と絶縁層の多層交互構造体が得られ、これは第１の導体層が互いに接続され、第２の層は互いに接続されるが、第１の導体層には接続されない（図２４Ｄ参照）。これは米国特許第５，４１４，５８８号に記載のコンデンサと類似している。
導体を金で作製し、絶縁体層をガラス、ポリスチレンまたはテフロンで作製する。
多層構造体を切断して、導体と絶縁体の薄層を露出させる。次いで、露出表面を平滑に磨く。選択した構造体において、絶縁体層をさらにエッチングして導電層間にチャネルを形成する。
第１の導体層を、通常の半導体エッチング方法を用いて、第１のマクロ電極に接続する。第２の導体層を、やはり通常の半導体エッチング方法を用いて、第２のマクロ電極に接続する。
マクロ電極を電圧源に接続し、ＥＧ＆Ｇ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ／Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔ（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ Ｍｏｄｅｌ ２８３）を用いて、非導電性（ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を試験する。
アナライトの検出
多層電極面を、３０量体オリゴヌクレオチドを含む捕捉プローブ溶液と接触させる。オリゴヌクレオチドの５’末端を電気的に不安定なクロロギ酸アルキルまたはアリールで誘導体化する。クロロギ酸アルキルまたはアリールは、ＬｉＣｌＯ４／ＣＨ３ＯＨの存在下で−１．５ボルトで除去して、金電極とその後共有結合を形成し得るチオール基を出現させることができる。
オリゴヌクレオチドの３’末端を、Ｓ−ベンジルオキシカルボニル成分などの別の電気的に不安定な基で誘導体化する。Ｓ−ベンジルオキシカルボニル成分は、ＤＭＦおよび塩化テトラブチルアンモニウム中で−２．６ボルトで除去することができる。電気不安定基の各々は、固有の電圧で切断可能である。
第１の導体に、捕捉プローブ上の５’末端電気不安定基の活性化電圧によるバイアスをかけて、第１の導体にその後付着するチオール基を出現させる。
アナライト（捕捉プローブに相補的な配列を含む核酸）を含む溶液を、捕捉プローブと接触させ、電極上の捕捉プローブにハイブリダイズさせる。
第２の導体に、捕捉プローブの３’末端電気不安定基の活性化電圧によるバイアスをかけて、プローブを第２の導体に付着させ接続させる。次いで、電極を窒素またはアルゴン下で乾燥させる。
電極をマクロ電極と電圧源に接続し、非導電性を試験し、またはバックグラウンド・コンダクタンスを高速ポテンシオスタット／ガルバノスタット（例えば、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ、Ｍｏｄｅｌ ２８３）を用いて測定する。
電極を窒素またはアルゴン下で再度乾燥する。電圧（例えば、−６〜＋６Ｖ）を電極に再度印加して、電流を測定する。ハイブリダイズされた核酸の電流測定値は、ハイブリダイズされていない電極の電流測定値よりもかなり大きい。
本明細書に記載する実施例および実施形態は、説明の目的のためだけにあり、様々な変形形態またはそれを考慮した変更が当業者に示唆され、それらが本願の精神および範囲ならびに添付した特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。本明細書に引用する出版物、特許および特許出願のすべてをここにすべての目的に対して参照によりその全体を援用する。
本発明の基本的なバイオセンサーの変形形態を示す図である。 本発明の基本的なバイオセンサーの変形形態を示す図である。 本発明の基本的なバイオセンサーの変形形態を示す図である。 本発明の基本的なバイオセンサーの変形形態を示す図である。 サンドイッチ配置とサンドイッチされていない配置の一実施形態との差を示す図である。 ２つの電極とスペーサーがサンドイッチ配置を形成していない２つの別の実施形態を示す図である。 ２つの電極（１０および１２）およびスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成していない一実施形態を示す図である。 ２つの電極（１０および１２）およびスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成せず、第１の電極１０がスペーサー１６の上に張り出している実施形態を示す図である。 ２つの電極（１０および１２）およびスペーサー１６がサンドイッチ配置を形成せず、第１の電極１０がスペーサー１６の上に張り出している実施形態を示す図である。 サンドイッチ配置を持たない様々な実施形態（デバイス「Ａ」〜「Ｅ」）を示す図である。スペーサー／絶縁体層２６は必須ではない。 サンドイッチ配置を持たない様々な実施形態（デバイス「Ｆ」〜「Ｉ」）を示す図である。スペーサー／絶縁体層２６は必須ではない。 各電極上の２つの結合剤１４ａおよび１４ｂを備えるバイオセンサーの一実施形態を示す図である。 各電極上の２つの結合剤１４ａおよび１４ｂを備えるバイオセンサーの一実施形態を示す図である。 １対の電極の第１の電極１０に結合した結合剤を備えるバイオセンサーの一実施形態を示す図である。 アナライトが結合剤および第２の電極１２アナライトに結合して電極にまたがる結合剤／アナライト複合体を形成している図である。 本発明による簡単な平面センサー・アレイを示す平面図である。 本発明による簡単な平面センサー・アレイを示す側面図である。 本発明によるセンサー・アレイの集合体を示す図である。 センサーの実施形態を示す図である。 センサーの実施形態を示す図である。 センサーの実施形態を示す図である。 １つの共通電極を共有している２つのセンサー・エレメント（例えば、１サブセットのセンサー・アレイ）を示す図である。 独立した第１の導体１０および第２の導体１２をそれぞれが有する２つのセンサー・エレメントを備えるセンサー・アレイ領域を示す図である。 センサー・エレメントが階段状に設けられた本発明のセンサー・アレイの断面図である。 本発明のセンサー・アレイの階段状配置を示す図である。 コンピュータ制御された電極対（センサー・エレメント）のアレイを有する担体の概略図である。 電極対（センサー・エレメント）のアレイを有する担体の概略図である。 電極対アレイを有する担体、および各電極対（センサー・エレメント）の電圧印加を制御するコンピュータ・システムの概略図である。 電極対アレイを有する担体、および各電極対（センサー・エレメント）の電圧印加を制御する複数の電圧源およびマルチプレクサーを備えるコンピュータ・システムの概略図である。 電極対アレイを有する担体、および各電極対（センサー・エレメント）の電圧印加を制御する複数のスイッチ付き電圧源を備えるコンピュータ・システムの概略図である。 デバイス構造に対する堆積角度の効果を示す図である。 堆積工程、その後のエッチング工程、その後の第２の堆積を含むデバイス作製を示す図である。 導体と絶縁体層交互の堆積を示す図である。 導体と絶縁体層交互の堆積を示す図である。 導体と絶縁体層交互の堆積を示す図である。 導体と絶縁体層交互の堆積を示す図である。 タンパク質／ＤＮＡ相互作用を検出するバイオセンサーの使用について示す図である。

Claims (176)

  1. 第１の電極と、
    第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極の間にあるスペーサーと、
    前記第１の電極を前記第２の電極に連結する生体巨大分子と
    を備える分子検出装置。
  2. 前記第１の電極、前記スペーサーおよび前記第２の電極がサンドイッチ配置を形成していない、請求項１に記載の装置。
  3. 前記生体巨大分子が、核酸、タンパク質、多糖、レクチンおよび脂質からなる群から選択される、請求項１または２に記載の装置。
  4. 前記生体巨大分子が核酸である、請求項３に記載の装置。
  5. 前記生体巨大分子が、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、および電位によって活性化可能な基から選択される化学基によって官能基化されている、請求項３に記載の装置。
  6. 前記スペーサーが１０−３オーム・メートルよりも大きい抵抗率を有する絶縁体を含む、請求項１または２に記載の装置。
  7. スペーサーが、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、石英、磁器、セラミック、ポリスチレン、テフロン、および元素周期表における遷移金属の絶縁性酸化物または絶縁性スルフィドからなる群から選択される絶縁体を含む、請求項６に記載の装置。
  8. 前記第１の電極と前記第２の電極が１〜１０９オングストロームの距離だけ離れている、請求項１または２に記載の装置。
  9. 前記第１の電極と前記第２の電極が約５００オングストローム未満の距離だけ離れている、請求項１または２に記載の装置。
  10. 前記第１の電極および前記第２の電極が１０−２オーム・メートル未満の抵抗率を有する、請求項１または２に記載の装置。
  11. 前記第１の電極および前記第２の電極が１０−３オーム・メートル未満の抵抗率を有する、請求項１または２に記載の装置。
  12. 前記電極が、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、ケイ素、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素およびカーボンナノチューブからなる群から選択される材料を含む、請求項１０に記載の装置。
  13. 前記第１の電極が、誘導体化または架橋化が可能な化学基を含むように官能基化されている、請求項１または２に記載の装置。
  14. 前記化学基が、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、および電位によって活性化可能な基からなる群から選択される、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記第１の電極が自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を有する、請求項１または２に記載の装置。
  16. 前記ＳＡＭが、アルカンチオール、リン脂質、双頭型両親媒性化合物およびオリゴ（フェニレンビニレン）からなる群から選択される化合物を含む、請求項１５に記載の装置。
  17. 前記生体巨大分子がチオール基によって前記第１の電極に付着している、請求項１７に記載の装置。
  18. 前記生体巨大分子がホスホロチオエートまたはホスホネートによって前記第１の電極に付着している、請求項１７に記載の装置。
  19. 前記生体巨大分子がリンカーによって前記第１の電極に付着している、請求項１または２に記載の装置。
  20. 前記リンカーが、ＤＦＤＮＢ、ＤＳＴ、ＡＢＨ、ＡＮＢ−ＮＯＳ、ＥＤＣ、ＮＨＳ−ＡＳＡおよびＳＩＡからなる群から選択される、請求項１９に記載の装置。
  21. 前記第１の電極および前記第２の電極を支持し、前記第１の電極および前記第２の電極と一体化された基板をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  22. 前記第１の電極および前記第２の電極を含む基板であって、前記第１の電極および前記第２の電極が絶縁体と一体化されて形成されている基板をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  23. 前記第１の電極が、凸状、凹状、肌目、波形、均一な模様およびランダムな模様からなる群から選択される形状を有する表面を含む、請求項１に記載の装置。
  24. 前記第１の電極と前記第２の電極が、環状、平面状および直交からなる群から選択される形態に配置されている、請求項１または２に記載の装置。
  25. 前記第１の電極が第１の表面を備え、第２の電極が第２の表面を備え、前記第１の表面と前記第２の表面が同一平面ではない、請求項１または２に記載の装置。
  26. 前記第１の電極および前記第２の電極が第１の電極対を構成している請求項１または２に記載の装置であって、第２の第１の電極および第２の第２の電極を備える第２の電極対をさらに備える装置。
  27. 少なくとも２０個の電極対を備える、請求項２６に記載の装置。
  28. 少なくとも１００個の電極対を備える、請求項２６に記載の装置。
  29. 約１０２〜１０１０個の電極対を備える、請求項２６に記載の装置。
  30. １ｃｍ２当たり少なくとも約１０２個の電極対を備える、請求項２６に記載の装置。
  31. １ｃｍ２当たり少なくとも約１０４個の電極対を備える、請求項２６に記載の装置。
  32. 少なくとも１つの電極対の前記第１の電極および前記第２の電極に電気的に接続された測定装置をさらに備える、請求項２６に記載の装置。
  33. 前記測定装置が、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を測定する、請求項３２に記載の装置。
  34. 前記第１の電極および前記第２の電極に電気的に接続された電気回路をさらに備える、請求項１または２に記載の装置
  35. 前記電気回路が電気信号ゲーティング・システムを含む、請求項３４に記載の装置。
  36. 前記ゲーティング・システムがＣＭＯＳゲーティング・システムを含む、請求項３５に記載の装置。
  37. 前記第１の電極対および前記第２の電極対を備える前記電極が、同じ生体巨大分子に付着している、請求項２６に記載の装置。
  38. 前記電極対を備える前記電極が、異なる生体巨大分子に付着している、請求項２６に記載の装置。
  39. 少なくとも１つの電極対の前記第１の電極および前記第２の電極に電気的に接続されたコンピュータをさらに備える、請求項１または２に記載の装置。
  40. 前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも１つが半導体材料を含む、請求項１または２に記載の装置。
  41. 前記半導体材料が約１０−６Ω・ｍ〜約１０７Ω・ｍの抵抗率を有する、請求項４０に記載の装置。
  42. 前記半導体材料が、シリコン、高密度シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、Ｆｅ３Ｏ４、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、テルル化水銀カドミウム、テルル、セレン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｔｅ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ，および二硫化タングステンからなる群から選択される、請求項４０に記載の装置。
  43. 第１の表面を有する第１の電極と、
    前記第１の表面と同一平面にある第２の表面を有する第２の電極と、
    前記第１の表面と前記第２の表面の間にある絶縁体と、
    前記第１の電極を前記第２の電極に連結する核酸と
    を備える請求項１に記載の装置。
  44. 前記第１の電極が前記絶縁体に重なり、前記第２の電極が前記絶縁体に隣接する、請求項２に記載の装置。
  45. 絶縁体によって分離された第１の電極と第２の電極を用意するステップ、
    前記第１の電極および前記第２の電極を生体巨大分子を含む第１の溶液に接触させるステップ、
    前記第１の電極上に電荷を置いて前記生体巨大分子を前記第１の電極に引き付け、前記巨大分子を前記第１の電極に付着させて付着巨大分子を形成させるステップ、および
    前記第２の電極上に電荷を置いて前記付着巨大分子の一部を前記第２の電極に引き付け、前記巨大分子を前記第２の電極に付着させるステップ
    を含む分子検出装置を作製する方法。
  46. 前記第１の電極、前記スペーサーおよび前記第２の電極がサンドイッチ配置を形成しない、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記生体巨大分子が、核酸、タンパク質、多糖、レクチンおよび脂質からなる群から選択される、請求項４５または４６に記載の方法。
  48. 前記生体巨大分子が、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、電位によって活性化可能な基からなる群から選択される化学基によって官能基化されている、請求項４５または４６に記載の方法。
  49. 前記生体巨大分子が、核酸、タンパク質、多糖、レクチンおよび脂質からなる群から選択される、請求項４５または４６に記載の方法。
  50. 前記生体巨大分子が核酸である、請求項４５または４６に記載の方法。
  51. 前記スペーサーが約１０−３Ω・ｍよりも大きい抵抗率を有する絶縁体である、請求項４５または４６に記載の方法。
  52. 前記スペーサーが、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、磁器、セラミック、石英、高抵抗率プラスチック、および元素周期表における遷移金属の絶縁性酸化物または絶縁性スルフィドからなる群から選択される絶縁体を含む、請求項４５または４６に記載の方法。
  53. 前記第１の電極と前記第２の電極が、約１〜約１０１０オングストロームの距離だけ離れている、請求項４５または４６に記載の方法。
  54. 前記第１の電極と前記第２の電極が、約５００オングストローム未満の距離だけ離れている、請求項４５または４６に記載の方法。
  55. 前記第１の電極および前記第２の電極が、約１０−３Ω・ｍ未満の抵抗率を有する、請求項４５または４６に記載の方法。
  56. 前記第１の電極および前記第２の電極が、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素およびカーボンナノチューブからなる群から選択される材料を含む、請求項４５または４６に記載の方法。
  57. 前記第１の電極が、さらに誘導体化または架橋化が可能な化学基を有するように官能基化されている、請求項４５または４６に記載の方法。
  58. 前記化学基が、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、電位によって活性化可能な基から選択される化学基によって官能基化されたものからなる群から選択される、請求項５７に記載の方法。
  59. 前記生体巨大分子が、導電性リンカーによって前記第１の電極に付着している、請求項４５または４６に記載の方法。
  60. 前記リンカーが、ＤＦＤＮＢ、ＤＳＴ、ＡＢＨ、ＡＮＢ−ＮＯＳ、ＥＤＣ、ＮＨＳ−ＡＳＡおよびＳＩＡからなる群から選択される、請求項５９に記載の方法。
  61. 前記リンカーがオリゴ（フェニレンビニレン）である、請求項５９に記載の方法。
  62. 前記第１の電極および前記第２の電極を支持し、前記第１の電極および前記第２の電極と一体化された基板をさらに備える、請求項４５または４６に記載の方法。
  63. 前記第１の電極および前記第２の電極を含む基板であって、前記第１の電極および前記第２の電極が絶縁体と一体化されて形成されている基板をさらに備える、請求項４５または４６に記載の方法。
  64. 前記第１の電極および前記第２の電極が第１の電極対を与え、前記分子検出装置が、第２の第１の電極および第２の第２の電極を備える第２の電極対をさらに備える、請求項４５または４６に記載の方法。
  65. 前記装置が少なくとも３つの電極対を備える、請求項６４に記載の方法。
  66. 前記装置が少なくとも１００個の電極対を備える、請求項６４に記載の方法。
  67. 前記装置が約１０２〜約１０１０個の電極対を備える、請求項６４に記載の方法。
  68. 前記第２の電極対を第２の生体巨大分子を含む第２の溶液と接触させるステップ、
    前記第２の電極対の第１の電極上に電荷を置いて前記第２の生体巨大分子を前記第２の電極対の前記第１の電極に引き付け、それによって前記第２の生体巨大分子を前記第１の電極に付着させて、第２の付着巨大分子を形成するステップ、および
    前記第２の電極対の前記第２の電極上に電荷を置いて、前記付着した第２の巨大分子の一部を前記第２の電極に引き付け、それによって前記第２の巨大分子を前記第２の電極対の前記第２の電極に付着させるステップ
    をさらに含む請求項６４に記載の方法。
  69. 前記装置が第３の電極対を備える、請求項６８に記載の方法。
  70. 前記装置が３個を超える電極対を備える、請求項６８に記載の方法。
  71. 前記第１の溶液と前記第２の溶液が同じである、請求項６８に記載の方法。
  72. 前記第１の溶液と前記第２の溶液が異なる、請求項６８に記載の方法。
  73. 前記第１の生体分子と前記第２の生体分子が同じである、請求項６８に記載の方法。
  74. 前記第１の生体分子と前記第２の生体分子が異なる、請求項６８に記載の方法。
  75. 前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも１つが半導体材料を含む、請求項４５または４６に記載の方法。
  76. 前記半導体材料が１０−６Ω・ｍ〜１０７Ω・ｍの抵抗率を有する、請求項７５に記載の方法。
  77. 前記半導体材料が、シリコン、高密度シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、Ｆｅ３Ｏ４、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、テルル化水銀カドミウム、テルル、セレン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｔｅ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅおよび二硫化タングステンからなる群から選択される、請求項７５に記載の方法。
  78. ｉ）絶縁体によって分離された、生体巨大分子が付着している第１の電極と、第２の電極とを備える分子検出装置を用意するステップ、
    ｉｉ）前記付着巨大分子をアナライトと接触させ、それによって前記アナライトを前記巨大分子に結合させ、それによって巨大分子／アナライト複合体を形成させるステップ、
    ｉｉｉ）前記第２の電極上に電荷を置くことによって前記結合アナライトの一部を前記第２の電極に引き付け、前記巨大分子／アナライト複合体によって前記第１の電極と前記第２の電極との接続部が形成されるように前記アナライトを前記第２の電極に結合させるステップ、および
    ｉｖ）前記第１の電極と前記第２の電極との前記接続部を検出するステップ
    を含むアナライトを検出する方法。
  79. 前記第１の電極、前記スペーサーおよび前記第２の電極がサンドイッチ配置を形成しない、請求項７８に記載の方法。
  80. 前記用意するステップが、
    前記第１の電極を前記生体巨大分子を含む第１の溶液と接触させるステップ、および
    前記第１の電極上に電荷を置いて、それによって前記電荷が前記生体巨大分子を前記電極に引き付け、前記生体巨大分子を前記電極に付着させるステップ
    を含む、請求項７８または８０に記載の方法。
  81. 前記電荷を置くステップが、前記第２の電極上の電荷と反対の電荷を前記第１の電極上に置くステップをさらに含む、請求項７８または８０に記載の方法。
  82. 前記検出するステップが、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を検出するステップを含む、請求項７８または８０に記載の方法。
  83. 前記生体巨大分子が、核酸、タンパク質、多糖、レクチンおよび脂質からなる群から選択される、請求項７８または８０に記載の方法。
  84. 前記生体巨大分子が核酸である、請求項８３に記載の方法。
  85. 前記生体巨大分子を、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、および電位によって活性化可能な基からなる群から選択される化学基によって官能基化する、請求項８４に記載の方法。
  86. 前記スペーサーが、１０−３Ω・ｍよりも大きい抵抗率を有する絶縁体を含む、請求項７８または８０に記載の方法。
  87. 前記スペーサーが、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、磁器、セラミック、高抵抗率プラスチック、および元素周期表における遷移金属の絶縁酸化物または絶縁性スルフィドからなる群から選択される絶縁体を含む、請求項７８または８０に記載の方法。
  88. 前記第１の電極と前記第２の電極が、約５００オングストローム未満の距離だけ離れている、請求項７８または８０に記載の方法。
  89. 前記第１の電極と前記第２の電極が、約１〜約１０１０オングストロームの距離だけ離れている、請求項７８または８０に記載の方法。
  90. 前記第１の電極および前記第２の電極が、約１０−２Ω・ｍ未満の抵抗率を有する、請求項７８または８０に記載の方法。
  91. 前記第１の電極が半導体材料を含む、請求項７８または８０に記載の方法。
  92. 前記半導体材料が約１０−６Ω・ｍ〜約１０７Ω・ｍの抵抗率を有する、請求項９４に記載の方法
  93. 前記半導体材料が、シリコン、高密度シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、Ｆｅ３Ｏ４、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、テルル化水銀カドミウム、テルル、セレン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｔｅ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅおよび二硫化タングステンからなる群から選択される、請求項９４に記載の方法。
  94. 前記第１の電極および前記第２の電極が、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素およびカーボンナノチューブからなる群から選択される材料で形成される、請求項７８または８０に記載の方法。
  95. １において前記第１の電極を、さらに誘導体化または架橋化が可能な化学基を有するように官能基化する、請求項７８または８０に記載の方法。
  96. 前記化学基が、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、および電位によって活性化可能な基からなる群から選択される、請求項９５に記載の方法。
  97. 前記官能基化された生体巨大分子を導電性リンカーによって前記第１の電極に付着させる、請求項９５に記載の方法。
  98. 前記リンカーが、ＤＦＤＮＢ、ＤＳＴ、ＡＢＨ、ＡＮＢ−ＮＯＳ、ＥＤＣ、ＮＨＳ−ＡＳＡおよびＳＩＡからなる群から選択される、請求項９７に記載の方法。
  99. 前記リンカーがオリゴ（フェニレンビニレン）である、請求項９７に記載の方法。
  100. 前記第１の電極および前記第２の電極を基板と一体化させる、請求項７８または８０に記載の方法。
  101. 前記第１の電極および前記第２の電極を前記絶縁体と一体化させて基板を形成する、請求項７８または８０に記載の方法。
  102. 前記第１の電極および前記第２の電極が第１の電極対を与え、前記分子検出装置が、第２の第１の電極および第２の電極を備える第２の電極対をさらに備える、請求項７８または８０に記載の方法。
  103. 前記装置が少なくとも３つの電極対を備える、請求項１０２に記載の方法。
  104. 前記装置が少なくとも１００個の電極対を備える、請求項１０２に記載の方法。
  105. 前記装置が約１０２〜約１０１０個の電極対を備える、請求項１０２に記載の方法。
  106. ステップｉｉ、ｉｉｉおよびｉｖを前記第２の電極対を用いて実施するステップをさらに含む、請求項１０２に記載の方法。
  107. 前記第１の電極対上の前記生体巨大分子が、前記第２の電極対に付着する前記生体巨大分子とは異なる、請求項１０２に記載の方法。
  108. ｉ）スペーサーによって分離された、第１の生体巨大分子が付着した第１の電極と第２の生体巨大分子が付着した第２の電極とを備える分子検出装置を用意するステップ、
    ｉｉ）前記第１の付着巨大分子および前記第２の付着巨大分子をアナライトと接触させ、それによって前記アナライトを前記第１の巨大分子および前記第２の巨大分子に結合させ、それによって前記第１の電極と前記第２の電極との接続部を形成する巨大分子／アナライト複合体を形成させるステップ、および
    ｉｉｉ）前記第１の電極と前記第２の電極との前記接続部を検出するステップ
    を含むアナライトを検出する方法。
  109. 前記第１の電極、前記スペーサーおよび前記第２の電極がサンドイッチ配置を形成しない、請求項１０８に記載の方法。
  110. 前記用意するステップが、
    前記第１の電極を前記第１の生体巨大分子を含む第１の溶液と接触させるステップ、および
    前記第１の電極上に電荷を置いて、それによって前記電荷が前記第１の生体巨大分子を前記電極に引き付け、前記生体巨大分子を前記電極に付着させるステップを含む、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  111. 前記検出するステップが、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を検出するステップ
    を含む請求項１０８または１０９に記載の方法。
  112. 前記生体巨大分子が、核酸、タンパク質、多糖、レクチンおよび脂質からなる群から選択される、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  113. 前記生体巨大分子が核酸である、請求項１１２に記載の方法。
  114. 前記生体巨大分子を、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、および電位によって活性化可能な基からなる群から選択される化学基によって官能基化する、請求項１１３に記載の方法。
  115. 前記スペーサーが、１０−３Ω・ｍよりも大きい抵抗率を有する絶縁体を含む、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  116. 前記スペーサーが、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、セラミック、磁器、高抵抗率プラスチック、および元素周期表における遷移金属の絶縁性酸化物または絶縁性スルフィドからなる群から選択される絶縁体を含む、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  117. 前記第１の電極と前記第２の電極が、約５００オングストローム未満の距離だけ離れている、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  118. 前記第１の電極と前記第２の電極が、約１〜約１０１０オングストロームの距離だけ離れている、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  119. 前記第１の電極および前記第２の電極が、約１０−２Ω・ｍ未満の抵抗率を有する、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  120. 前記第１の電極および前記第２の電極が、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素およびカーボンナノチューブからなる群から選択される材料を含む、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  121. 前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも１つが半導体材料を含む、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  122. 前記半導体材料が約１０−３Ω・ｍ〜約１０７Ω・ｍの抵抗率を有する、請求項１２１に記載の方法。
  123. 前記半導体材料が、シリコン、高密度シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、Ｆｅ３Ｏ４、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、テルル化水銀カドミウム、テルル、セレン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｔｅ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅおよび二硫化タングステンからなる群から選択される、請求項１２１に記載の方法。
  124. 前記第１の電極および前記第２の電極が、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素およびカーボンナノチューブからなる群から選択される材料で形成される、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  125. 前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも１つが、さらに誘導体化または架橋化が可能な化学基を含むように官能基化されている、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  126. 前記化学基が、サルフェート、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光活性化可能基、および電位によって活性化可能な基からなる群から選択される、請求項１２５に記載の方法。
  127. 前記官能基化された生体巨大分子を導電性リンカーによって前記第１の電極に付着させる、請求項１２５に記載の方法。
  128. 前記リンカーが、ＤＦＤＮＢ、ＤＳＴ、ＡＢＨ、ＡＮＢ−ＮＯＳ、ＥＤＣ、ＮＨＳ−ＡＳＡおよびＳＩＡからなる群から選択される、請求項１２７に記載の方法。
  129. 前記リンカーがオリゴ（フェニレンビニレン）である、請求項１２７に記載の方法。
  130. 前記第１の電極および前記第２の電極を基板と一体化させる、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  131. 前記第１の電極および前記第２の電極を前記絶縁体と一体化させて基板を形成する、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  132. 前記第１の電極および前記第２の電極が第１の電極対を与え、前記分子検出装置が、第２の第１の電極および第２の電極を備える第２の電極対をさらに備える、請求項１０８または１０９に記載の方法。
  133. 前記装置が少なくとも３つの電極対を備える、請求項１３２に記載の方法。
  134. 前記装置が少なくとも１００個の電極対を備える、請求項１３２に記載の方法。
  135. 前記装置が約１０２〜約１０１０個の電極対を備える、請求項１３２に記載の方法。
  136. ステップｉｉおよびｉｉｉを前記第２の電極対を用いて実施するステップをさらに含む、請求項１３２に記載の方法。
  137. 前記第２の対の電極上にある前記生体巨大分子の少なくとも１つが、前記第１の電極対の前記電極上にある前記生体巨大分子のいずれかと異なる、請求項１３２に記載の方法。
  138. 前記第２の電極対の前記電極上にある前記生体巨大分子が、前記第１の電極対の前記電極上にある前記生体巨大分子とは異なる、請求項１３２に記載の方法。
  139. ｉ）スペーサーによって分離された第１の電極と第２の電極とを備える分子検出装置を用意するステップであって、生体巨大分子が前記第１の電極と前記第２の電極との接続部を形成するステップ、
    ｉｉ）前記第１の電極と前記第２の電極との前記接続部を検出するステップ、
    ｉｉｉ）前記付着巨大分子をアナライトと接触させ、それによって前記アナライトを前記巨大分子に結合させて巨大分子／アナライト複合体を形成させるステップ、および
    ｉｖ）前記第１の電極と前記第２の電極との接続部における差を検出するステップ
    を含むアナライトを検出する方法。
  140. 前記第１の電極、前記スペーサーおよび前記第２の電極がサンドイッチ配置を形成しない、請求項１３９に記載の方法。
  141. 前記接触させるステップが、前記第１の電極上に電荷を置き、それによって前記電荷が前記アナライトを前記生体巨大分子に引き付けるステップを含む、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  142. 前記用意するステップが、
    前記第１の電極を前記生体巨大分子を含む第１の溶液と接触させるステップ、および
    前記第１の電極上に電荷を置いて、それによって前記電荷が前記生体巨大分子を前記電極に引き付け、前記生体巨大分子を前記電極に付着させるステップ
    前記第２の電極上に電荷を置いて前記結合巨大分子の一部を前記第２の電極に引き付けるステップであって、前記巨大分子が前記第１の電極と前記第２の電極との接続部を形成するように、前記巨大分子を前記第２の電極に結合させるステップ
    を含む、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  143. 前記電荷を置くステップが、前記第２の電極上の電荷と反対の電荷を前記第１の電極上に置くステップを含む、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  144. 前記検出するステップが、直流、交流、誘電率、抵抗率、電子移動、電子トンネル効果、電子ホッピング、電子伝達、電子コンダクタンス、電圧、電気インピーダンス、信号損失、散逸率、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、磁場、電位、電荷および磁気ポテンシャルからなる群から選択される電磁気特性を検出するステップを含む、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  145. 前記生体巨大分子が、核酸、タンパク質、多糖、レクチンまたは脂質からなる群から選択される、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  146. 前記生体巨大分子が核酸である、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  147. 前記アナライトがタンパク質またはタンパク質複合体である、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  148. 前記生体巨大分子が、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、ホスホネート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、光によって活性化可能な化学基、および電位を印加することによって活性化可能な化学基からなる化学基によって官能基化されている、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  149. 前記スペーサーが、１０−３Ω・ｍよりも大きい抵抗率を有する元素、化合物または物質からなる群から選択される絶縁体を含む、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  150. 前記スペーサーが、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、磁器、ポリスチレン、ポリスチレン、１０−３Ω・ｍよりも大きい抵抗率を有する重合によって生成する有機化合物、および元素周期表における遷移金属の絶縁性酸化物または絶縁性スルフィドからなる群から選択される絶縁体を含む、請求項１４９に記載の方法。
  151. 前記第１の電極と前記第２の電極が約５００オングストローム未満の距離だけ離れている、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  152. 前記第１の電極と前記第２の電極が１〜１０９オングストロームの距離だけ離れている、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  153. 前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも１つが、１０−２Ω・ｍ未満の抵抗率を有する元素、化合物または物質からなる群から選択される材料で形成される、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  154. 前記第１の電極および前記第２の電極が、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バナジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、クロム、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、鉄、銅、チタン、タングステン、銀、金、亜鉛、カドミウム、インジウムスズ酸化物、炭素、カーボンナノチューブ、またはこれらの材料のアロイもしくは化合物からなる群から選択される材料で形成される、請求項１５３に記載の方法。
  155. 前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも１つが半導体材料を含む、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  156. 前記半導体材料が約１０−２Ω・ｍ〜約１０９Ω・ｍの抵抗率を有する、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  157. 前記半導体材料が、シリコン、高密度シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、Ｆｅ３Ｏ４、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、リン化インジウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、テルル化水銀カドミウム、テルル、セレン、二硫化タングステン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅおよびＰｂＳｅからなる群から選択される、請求項１５６に記載の方法。
  158. 前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも１つを、さらに誘導体化または架橋化が可能な化学基を含むように官能基化する、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  159. 前記化学基が、スルフヒドリル、アミン、アルデヒド、カルボン酸、ホスフェート、アルケン、アルキン、ヒドロキシル基、臭素、ヨウ素、塩素、またはアリールアジド、フッ化アリールアジド、ベンゾフェノン、（Ｒ，Ｓ）−１−（３，４−（メチレン−ジオキシ）−６−ニトロフェニル）エチルクロロフォーメート−（ＭｅＮＰＯＣ）、Ｎ−（（２−ピリジル、エチル）−４−アジド）サリチルアミドのような１９０ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光によって活性化可能である化学基、またはＳ−ベンジルオキシカルボニル誘導体、Ｓ−ベンジルチオエーテル、Ｓ−フェニルチオエーテル、Ｓ−４−ピコリルチオエーテル、Ｓ−２，２，２−トリクロロエトキシカルボニル誘導体、Ｓ−トリフェニルメチルチオエーテルのような電位の印加によって活性化可能な化学基からなる群から選択される、請求項１５８に記載の方法。
  160. 前記生体巨大分子を、導電性リンカーによって前記第１の電極に付着させる、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  161. 前記リンカーが、ＤＦＤＮＢ、ＤＳＴ、ＡＢＨ、ＡＮＢ−ＮＯＳ、ＥＤＣ、ＮＨＳ、ＮＨＳ−ＡＳＡ、ＳＩＡのような、官能基を連結できる化学架橋剤からなる群から選択される、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  162. 前記リンカーがオリゴ（フェニレンビニレン）である、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  163. 前記装置が前記第１の電極および前記第２の電極を支持する基板をさらに備え、前記第１の電極および前記第２の電極を前記基板と一体化させる、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  164. 前記装置が、前記第１の電極および前記第２の電極を前記絶縁体と一体化して形成される基板をさらに備える、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  165. 前記第１の電極および前記第２の電極が第１の電極対を与え、前記分子検出装置が第２の第１の電極および第２の第２の電極を備える第２の電極対をさらに備える、請求項１３９または１４０に記載の方法。
  166. 前記装置が少なくとも３つの電極対を備える、請求項１６５に記載の方法。
  167. 前記装置が少なくとも１００個の電極対を備える、請求項１６５に記載の方法。
  168. 前記装置が１０２〜１０１０個の電極対を備える、請求項１６５に記載の方法。
  169. ステップｉｉ、ｉｉｉおよびｉｖを前記第２の電極対を用いて実施するステップをさらに含む、請求項１６５に記載の方法。
  170. 前記第１の電極対に付着した前記生体巨大分子が、前記第２の電極対に付着した前記生体巨大分子と同じである、請求項１６５に記載の方法。
  171. 前記第１の電極対に付着した前記生体巨大分子が、前記第２の電極対に付着した前記生体巨大分子と異なる、請求項１６５に記載の方法。
  172. 前記第１の電極対に付着した前記アナライトが、前記第２の電極対に付着した前記アナライトと同じである、請求項１６５に記載の方法。
  173. 前記第１の電極対に付着した前記アナライトが、前記第２の電極対に付着した前記アナライトと異なる、請求項１６５に記載の方法。
  174. 表面数５００／ｃｍ２よりも大きい密度の複数の非平面状表面を含む固体担体と、
    各表面に付着した少なくとも１つのタイプの生体巨大分子と
    を含む生体巨大分子のアレイ。
  175. 前記生体巨大分子が前記非平面状表面のうちの２つにまたがっている、請求項１７４に記載のアレイ。
  176. 前記非平面状表面が階段状配置を含む、請求項１７４に記載のアレイ。

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