JP4671215B2

JP4671215B2 - ナノ・アセンブリの製造方法、ナノ・アセンブリ及びその使用方法

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Publication number: JP4671215B2
Application number: JP2003283205A
Authority: JP
Inventors: ハルナック、オリバー; イーフォード、ウィリアム; ウェッセルズ、ジュリナ; ヤスダ、アキオ
Original assignee: ソニードイチュラントゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: DE60211685D1; EP1387169A1; JP2004068020A; DE60211685T2; US7785901B2; EP1387169B1; US20040023287A1

Description

本発明は、親水性種を親水性高分子に結合させて、親水性高分子を疎水性表面に固定する方法に関する。

ナノテクノロジーの出現により、予め定めたパターンに分子／高分子を結合させ構成させることが、活発な研究の焦点と課題になってきている。この点について、表面に結合させられた場合と溶液中における、核酸や蛋白質のような高分子の振る舞いが研究されてきた（ワイ・シャ（Y. Xia）等、ケミカル・レビュー９９（１９９９）１８２３−１８４８）。小型化に対する継続的な追求により、単一の分子に基づくデバイスの構成を可能にする技術開発の必要性が高まっている。そのために、核酸が、親水性と疎水性の基板材料の両方に固定されていた。親水性表面上へのＤＮＡの固定に関しては、プラズマ処理シリコン酸化物（オー・ハルナック（O. Harnack）、ダブル・イー・フォード（W.E. Ford）、ジェイ・メム・ベッセル（J.M. Wessels）、欧州特許公開番号ＥＰ１２０７２０７Ａ１）、アミノ−シラン処理表面（ジェイ・エフ・アルマンド（J.-F. Allemand）等、バイオフィジカル・ジャーナル７３（１９９７）２０６４−２０７０）、マイカ表面等で報告されいた。ＷＯ９５／１５７９０は、適切な化学機能性を加えることにより親水性にされたポリスチレン表面に核酸分子を固定する方法を述べている。

欧州特許公開番号ＥＰ１２０７２０７Ａ１米国特許番号ＵＳ５，７４７，２４４ワイ・シャ（Y. Xia）等、ケミカル・レビュー９９（１９９９）１８２３−１８４８ジェイ・エフ・アルマンド（J.-F. Allemand）等、バイオフィジカル・ジャーナル７３（１９９７）２０６４−２０７０ディ・シー・ジー・クライン（D.C.G. Klein）等、Appl. Phys. Lett.、７８、１６（２００１）２３９６−２３９８エチ・ナカオ（H. Nakao）等、ナノレターズ２（２００２）４７５−４７９イー・ブラウン（E. Braun）等、ネーチャー（Nature）１９９８，３９１，７７５ジェイ・リクター（J. Richter）等、Appl. Phys. Lett. ２００１，７８，５３６フォード（Ford）等、Adv. Mater、２００１，１３，１７９３エス・エル・ウエスコット（S. L. Westcott）等、ラングミュア（Langmuir）１９９８，１４，５３９６ダフ（Duff）等、J.Chem.Soc., Chem.Commun.（１９３）９６ダフ（Duff）等、ラングミュア（Langmuir）９（９９３）２３０１ダブル・ボーゲル（W.Vogel）、ラングミュア（Langmuir）１１（１９９５）４０１

疎水性表面に核酸を固定することに関しては、ポリメチルメタクリラテ（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン等のような種々のポリマー表面も報告されていた（ジェイ・エフ・アルマンド（J.-F. Allemand）等、バイオフィジカル・ジャーナル７３（１９９７）２０６４−２０７０）。クライン（Klein）等は、リソグラフィでパターン化した疎水性ポリスチレン・ラインに対するＤＮＡの結合について報告していた（ディ・シー・ジー・クライン（D.C.G. Klein）等、Appl. Phys. Lett.、７８、１６（２００１）２３９６−２３９８）。最近、ナカオ（Nakao）等は、ポリビニルブチラールとポリ（ビニルカルバゾール）及びポリフェナザシリンの処理表面に対するＤＮＡの固定に成功したことを報告していた（エチ・ナカオ（H. Nakao）等、ナノレターズ２（２００２）４７５−４７９）。米国特許番号ＵＳ５，７４７，２４４は、表面に吸着されたポリペプチドに対する核酸の共有結合を可能にする、多数の反応性第１アミノ・グループ又はスルフヒドリル或いはその両方又はカルボキシレート・グループを有する、ポリペプチドで前処理されたポリスチレンの表面に核酸プローブを固定したことを述べていた。

ナノデバイスの製作は、分子／高分子の特異的な構成体だけでなく、おそらく、分子構成体に特異的な特性を呈する金属ナノ粒子のように、分子／高分子の構成体を適切な種で装飾（decoration）も必要とする。例えば、線状分子構成体の金属処理により、導電性のナノワイヤが製作できる。今までのところ、核酸の金属処理については、親水性表面（プラズマ処理ＳｉＯ_２表面、シラン化表面）上に対するＤＮＡが報告されているだけである。例えば、ブラウン（Braun）等は、ＳｉＯ_２に対するＤＮＡのＡｇ金属処理を報告していた（イー・ブラウン（E. Braun）等、ネーチャー（Nature）１９９８，３９１，７７５）。更に、ＤＮＡは、Ｐｔで金属処理され、ＳｉＯ_２に固定される（ジェイ・リクター（J. Richter）等、Appl. Phys. Lett. ２００１，７８，５３６）、また、フォード（Ford）等（Adv. Mater、２００１，１３，１７９３）は、酸素プラズマ処理したＳｉＯ_２に固定したＤＮＡのＰｔ金属処理を報告していた。しかし、多くの実施例において、全ての更なる反応が行われる基板として疎水性表面を有することが望まれる。前述した従来技術では、しかし、疎水性表面に、種による固定と装飾のような上記反応を行う方式について示唆していない。更に、親水性表面に関連して従来技術で述べた方法は、長い反応処理時間を必要とする。そのうえ、従来技術に基づいて今まで製造されてきたナノデバイスにおいては、このように製作したデバイスの形状（ナノワイヤの伸長等）や欠陥の有無について、満足できる結果を呈していなかった。

本発明の目的は、ナノデバイスを製造する方法であって、費やされる時間が短く、より完全なナノデバイスを実現する方法を提供することにある。更に、本発明の目的は、高分子に種を結合させるプロセスが、高分子の表面への固定を妨げない方法を提供することにある。更に、本発明の目的は、種を用いた高分子の特異的な装飾を可能にし、表面と該種との非選択的な結合を回避する方法を提供することにある。

上述した本発明の目的の全ては、親水性種を親水性高分子に結合させて、該親水性高分子を疎水性表面に固定する方法において、親水性高分子を親水性種にさらして、該親水性種を該親水性高分子に結合させるステップと、疎水性表面を設けるステップと、該親水性高分子を該疎水性表面上に固定するステップとを含むことで達成される。

また、本発明の目的は、親水性種を疎水性表面上に固定された親水性高分子に結合させる方法において、疎水性表面を設けるステップと、親水性高分子を該疎水性表面上に固定するステップと、該疎水性表面上に固定された該親水性高分子を親水性種にさらして、該親水性種を該親水性高分子に結合させるステップとを含むことで達成される。

本発明の一実施形態においては、上記親水性種がナノ粒子を含む。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性種が溶液に溶かれている。

より好ましくは、本発明に基づく上記方法において、上記結合した親水性種をより大きなサイズに成長させるステップをさらに含み、更に好適には、上記結合した親水性種をより大きなサイズに成長させるステップが、上記結合した親水性種を無電解メッキ溶液にさらすことによって行われる。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性高分子を上記疎水性表面上に固定するステップは、上記親水性高分子を上記疎水性表面に適用することによって行われる。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性高分子を上記疎水性表面に適用するステップは、スピン・コーティング、ディップ・コーティング、ドロップ・キャスティング、スタンピング、分子結合、スプレー噴射技術、インクジェット印刷、及びドクター・ブレーディングから選択されたプロセスによって行われる。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性種が上記親水性高分子に結合させるために、上記親水性高分子を上記親水性種にさらすステップが、１秒から１２０分の間の期間中に行われ、より好ましくは、上記親水性高分子を親水性種にさらすステップは１０秒から１０分の間の期間中に行われる。

本発明の他の実施形態においては、上記溶液が、上記親水性種を水中に溶いているか、又は、上記親水性種を水混和性の有機溶媒／水の混合物に溶いたものである。上記水混和性の有機溶媒がアルコールであることが好ましく、更にメタノール又はエタノール又はその組み合わせであることが好ましい。

上記疎水性表面上での水の接触角度が３０°〜１１０°の範囲内であることが好ましい。

また、上記疎水性表面上での水の接触角度が６０°〜１１０°の範囲内であることがより好ましい。

接触角度は、現状技術による任意の接触角度ゴニオメータで測定できる。好ましい実施形態によれば、ラモー・ハート・インク（Rame-Hart, Inc.米国）のゴニオメータ、更に好ましくは、モデル１００−００−（１１５／２２０）−Ｓが測定に使用される。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性種が、水溶性金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、誘電体（絶縁体）ナノ粒子、親水性クラスタ及び金属錯体を含むグループから選択される。

本発明の他の実施形態においては、上記ナノ粒子がコアを有しており、上記コアには金属又は金属酸化物が含有されている。上記金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、又は、それらの組み合わせ、特にこれら金属の合金を含むグループから選択される。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性高分子が、核酸、蛋白質、デンドリマー、ラテックス・スフィア、高分子電解質、及び水溶性ポリマーを含むグループから選択される。

好ましくは、上記核酸が、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＣＮＡ、オリゴヌクロチド、ＲＮＡのオリゴヌクレオチド、Ａ−ＤＮＡ、Ｂ−ＤＮＡ、Ｚ−ＤＮＡ、ＤＮＡのポリヌクレオチド、ＲＮＡのポリヌクレオチド、核酸のＴ−接合、核酸の三重鎖、核酸の四重鎖、非核酸ポリマー核酸ブロック−コポリマーのドメイン、それらの組み合わせを含むグループから選択される。

更に好ましくは、上記核酸が二重螺旋状又は単一螺旋状である。

本発明の他の実施形態においては、上記親水性種が、トリス（ハイドロキシメチル）ホスフィン−ゴールド・ナノ粒子（ＴＨＰＡｕＮＰ）を含むグループから選択される。

好ましくは、上記無電解メッキ溶液が金塩と還元剤とを含む。

また本発明の目的は、疎水性表面と、上記疎水性表面上に固定された親水性高分子と、上記親水性高分子に結合させられた親水性種とを備えているナノ・アセンブリよっても達成される。

また、本発明の目的は、本発明に基づく上記方法によって製造されたナノアセンブリによっても達成される。

また本発明の目的は、本発明の上記方法に基づいて製造され、２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の平均直径をもち、親水性種で完全に装飾されている、蛋白質ワイヤ又は核酸或いはその両方によって達成される。上記平均直径は、５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。

また本発明の目的は、デバイスでのナノスケール・エレメントとして、本発明に基づくナノアセンブリを使用する方法によって達成される。より好ましくは、上記ナノスケール・エレメントの機能は、インターコネクト、センサ、光学的吸収器、アクチュエータ、トランスジューサ、及びメモリを含むグループから選択される。

ここで用いる“適切な種による高分子の装飾”という用語は、その意味において“高分子に対する適切な種の結合”と代替可能とする。本発明に基づく上記方法は上記３つのステップを備えていると記されているが、具体的なシーケンスは明記されていない。すなわち、上記３つのステップは任意の順で実施可能であるが、疎水性表面を設けるステップは疎水性表面上に親水性高分子を固定するステップより常に先行するという制約がある。

本発明に基づく上記使用方法によれば、上記固定された高分子は上記親水性種の結合ステップに対して非常に高い耐性を示し、上記疎水性表面に非選択的に結合された親水性種の密度を、親水性種で固定された高分子の装飾の程度を低下せずに減少できる（すなわち、結合ステップが更に特異的になる）。更に、結合ステップの期間は僅か数分に短縮できる。これは、親水性表面に対する現状技術の結合手法と比べると非常に大きな利点になる。例えば、本発明の方法を用いるＤＮＡ分子の完璧な金属処理は、無電解メッキ・ステップの時間に加えて、５分未満という短い結合ステップを行うことで達成できる。本発明に基づく上記方法の他の利点は、例えば、現状技術のアセンブリと比べると、伸長ワイヤの量が多く、欠陥も少ないことにある。

統計学的に言えば、本発明に基づく上記方法を用いることで、平均直径が、現状技術の方法と比べると、広範囲で変更できて、欠陥も少ない、特に長いワイヤの製作が可能になる。更に、本発明に基づく疎水性基板の使用方法によれば、親水性基板の使用時には不十分な結果しか得られない、水性のＴＨＰＡｕＮＰ貯蔵溶液を用いたＤＮＡ金属処理を可能とする。さらに高い再現性も示している。

詳細な理論上の問題は別として、疎水性ポリマー表面のＤＮＡに対し水溶性ＮＰが高い“結合性”を示すメカニズムは、疎水性基板表面上では親水性領域に結びつきやすいという粒子の特性によって生じるというが示唆される。固定されたＤＮＡ分子は、このような親水性領域を提供している。これは、ＤＮＡ分子に沿ってナノ粒子の自己組織化／自己構成（self-assembly）をサポートする推進力になっている。もちろん、本願発明者は、ＤＮＡに対するＮＰの結合において、最終的に関与する、更なる結合メカニズムの存在の可能性を放棄するものではない。

水混和性の有機溶媒、特に、アルコールの存在が、金属処理プロセスの再現性と収率とを高めることが更に示唆される。理由として、水混和性の有機溶媒／水の混合物の低い誘電率が、純水と比べると、負に帯電されたＴＨＰＡｕＮＰの静電反発力を低減することによると考えられる（エス・エル・ウエスコット（S. L. Westcott）等、ラングミュア（Langmuir）１９９８，１４，５３９６を参照）。また、ＤＮＡを囲む水和シェルに溶けるという粒子の傾向は、ＮＰ／水混合物に無極性溶媒を加えることにより拡大できると考えられる。

ＳＥＭ画像を更に観察すると、親水性と疎水性の相互作用に起因する推進力というアイデアをサポートすることができる。図７、図８は、後述するステップ１、２、３、４Ｂ、５を適用して金属処理されたＤＮＡ分子のネットワークを示す。ＤＮＡ分子は、ＮＰが薄膜状に集められた領域に広がっているようにみえる。ＤＮＡ分子がこのような領域を囲んでいるということは、このような領域では水が安定化され得るという結論が導かれる。この結果として、ＤＮＡ分子間の表面に導電性材料の集合体（aggregation）が観察されている。

ＴＨＰＡｕＮＰは、実施例の手順で用いたが、本願発明者が行った異なるタイプの実験でも疎水性表面に対し低減した親和力を示していた。ここでＳｉＯ_２／Ｓｉの表面には、ＳＥＭの電子ビームが照射されている。非晶質炭素による疎水性表面層は、電子の注入量を多くし、真空中で炭化水素成分を分解することにより、形成できる。以下に示す実験では、このような電子ビームで照射した領域が、ステップ４Ａ／Ｂ及び５に基づき水溶性ゴールドＮＰで処理され（詳細は実施例１を参照）、僅かの粒子が上記照射（今は疎水性の）領域に観察されただけである（図９、１０）。これは、本発明によって実現された、親水性高分子に対する親水性種の結合に関する高い特異性を示している。

以下に示す各実施例は、親水性種が疎水性表面に固定した親水性高分子に結合させられている様子を述べているが、一般原則として、親水性表面に固定した疎水性高分子に対する疎水性種の結合の逆のケースもまた効果的である。

本発明について、本発明の範囲を限定する趣旨でなく、より詳細に説明するために、以下に示す実施例を参照して更に説明する。

実施例１
サンプルの準備
以下に示す全実験結果は、ＳＩＧＭＡ又はＤＮＡラダー（ロッシュ診断用ＤＮＡ分子ウェイト・マーカＸＶＩ、Ｃａｔ．Ｎｏ．１８５５６３８）から提供された子牛の胸線ＤＮＡ（ｃｔＤＮＡ）分子を用いて得た。ｃｔＤＮＡを、２５８ｎｍ波長と１ｃｍ経路長とで１．２６の光学的密度を得るために、リン酸ナトリウム・バッファ（１０ｍＭ）に溶解した。ＤＮＡラダーは、２５０〜３０００塩基対のサイズ範囲をカバーする、１２個の平滑末端（blunt-ended）で、二重螺旋状ＤＮＡフラグメントの混合物から成り、１０ｍＭ、トリス−ＨＣＬ、１ｍＭＥＤＴＡ、ｐＨ８．０の２５０μｇ／ｍｌ溶液として与えられている。この溶液を水で薄めて、使用前に０．５μｇ／ｍｌの濃度とした。

全てのケースにおいて、基板材料はＳｉ上のＳｉＯ_２である。これらの基板の最上部で、ポリマー・フィルムが、スピン・コーティングによって通常は塗布されていた。次に示すように、溶液の一滴が、約２５μｌの容積になると見なされている。

本発明の一実施形態の方法では、下記のように処理が行われる。

ステップ１
１．２ｇのポリスチレン（製品番号４４，１１４−７、オールドリッチ・インク（Aldrich Inc.）、平均分子量ｃａ．３５０．０００）が、５０ｍｌトルエンに溶融された。

ステップ２
この溶液を用いて、基板に対して４０００ｒｐｍで４０秒間スピン・コーティングを実施し、薄いポリマー・フィルムを形成した。溶媒を除去するためのポストベークは、通常の場合、実施しなかった。

ステップ３
ｃｔＤＮＡの一滴を、ポリマー・フィルムの表面に適用した。この一滴を、約４０秒間３０００〜４０００ｒｐｍでスピン・コーティングした。この後、一滴の水を適用し、スピン・コーティングして、表面を洗浄し、全ての緩衝塩を除去した。

ステップ４
（バージョンａ）：純水中のＴＨＰＡｕＮＰ
純水におけるＴＨＰＡｕＮＰの一滴（合成の詳細は、次の実施例２を参照）をサンプル表面に適用し、少なくとも数秒間から最大１時間まで、好ましくは、５〜１０分間そのまま保持した。
（バージョンｂ）：アルコール／水の混合物中のＴＨＰＡｕＮＰ
１ｍｌのＴＨＰＡｕＮＰ溶液を、１０ｍｌのエタノールで薄め、４°Ｃで２時間冷却して、粒子を沈殿させた。混合物を、１０分間５０００ｒｐｍで遠心分離器にかけて、表面浮遊物を除去した。沈殿したナノ粒子を０．０５〜１．０ｍｌの水に再び溶融し、適量のメタノール又はエタノールを加えて、総量を１．０ｍｌにした。この溶液の一滴を、サンプル表面に適用し、少なくとも数秒間、好ましくは、５〜１０分間そのまま保持した。

最後に、サンプル表面を一滴の水で洗浄し、次に、それを圧縮空気の流れを用いて乾燥した。両方のバージョンが、ＤＮＡに対する金属ナノ粒子の結合に関して希望通りの結果を導いていた。しかし、バージョンｂは更に再現可能な結果を呈しているようにみえるが、このケースでは、僅かな欠点として実験の手間がより必要となる。

ステップ５
一滴の市販の無電解メッキ溶液（ゴールドエンハンス−ＬＭ（GoldEnhance-LM^ＴＭ）、カタログ・ナンバー２１１２、www.nanoprobes.com, Nanoprobles Inc, USA）を、少なくとも数秒間、好ましくは、約５分間、基板表面に適用した。このステップで、最初に結合させていたＮＰは、より大きなサイズに成長し、連続金属鎖を形成していた。この後、サンプル表面を一滴の水で洗浄し、次に、それを圧縮空気の流れを用いて乾燥した。

実施例２
ナノ粒子の合成
ＴＨＰＡｕＮＰは、ダフ（Duff）等、J.Chem.Soc., Chem.Commun.（１９３）９６や、ダフ（Duff）等、ラングミュア（Langmuir）９（９９３）２３０１や、ダブル・ボーゲル（W.Vogel）、ラングミュア（Langmuir）１１（１９９５）４０１らの文献に従い合成された。これらの標準的な準備に際し、加水分解されたテトラキス（ハイドロキシメチル）ホスホニウム・クロライド（ＴＨＰＣ）の溶液にＨＡｕＣｌ_４の溶液を加えるが、ｃａ１．５ｎｍの中間粒子直径をもつＴＨＰＡｕＮＰの水性コロイド溶液が得られる。

より詳しく説明すると、次に示す試薬を、室温で一定の磁気攪拌しながら、丸底のガラス・フラスコに連続して添加した。すなわち、１８．５ｍｌの水と、１．５の水性０．２ＭＮＡＯＨと、０．５ｍｌの水性０．１３ＭＴＨＰＣと、４．５ｍｌの水性０．０１１ＭＨＡｕＣｌ_４である。ＴＨＰＣとＨＡｕＣｌ_４の溶液を、それらの準備後に、２〜１０分より短い時間、反応容器に加えた。ＴＨＰＡｕＮＰ溶液はポリプロピレン・コンテナに冷蔵保存した。

実施例３
表面調査
図１は、高分子としてＤＮＡラダーを用いて、上記ステップ１、２、３、４（ステップ５は除外）に基づいて処理された、サンプルの原子力顕微鏡検査（ＡＦＭ）画像を示す。画像は、ＮＰがＤＮＡ分子に結合させられていることを明らかに示している。

上記ステップ５を含めて処理されたサンプルは、走査型電子顕微鏡２２（ＳＥＭ）を主に用いて調査した。図２は、上記ステップ１、２、３、４ａ、５を応用して処理された、ポリスチレン表面の最終的なサンプル表面のＳＥＭ画像を示す。ＮＰ溶液を１０分間適用し、無電解メッキ・ステップを５分間実施した。画像は、高伸長され金属処理された高密度のＤＮＡ分子を示す。ＤＮＡ分子は、主としてそれらの末端で表面に結合させられているようにみえる。

図３は、上記ステップ１、２、３、４ａ、５を適用して処理された、最終的なポリスチレン表面のＳＥＭ画像を示す。このケースでは、９５％メタノール／水の混合物を、ＴＨＰＡｕＮＰの溶媒として用いた。ＮＰ溶液を１０分間適用し、無電解メッキ・ステップを６分間実施した。数μｍの長さで完全に金属処理したＤＮＡをテンプレートとしたワイヤを、この画像上で識別できる。

図４と図５は、図３に示した同じサンプルから得た。図４は、インレンズ（Inlens）検出器を用いて得た、金属処理されたＤＮＡの１つのセグメントのＳＥＭ画像を示す。この検出器は、サンプル表面の導電性に関する情報を示す反射電子を主として収集する。したがって、画像データは、ワイヤが優れた電気導体（大きな検出器信号）であることを示している。そのうえ、ＮＰに関して結合させられた枝の僅かの部分も導電性であるが、バックグランドは暗く（小さな検出器信号）みえる。図５は、ＳＥ２検出器を用いて得た、同じ領域のＳＥＭ画像を示す。この検出器は、表面の形態に関する情報を示す後方散乱電子を収集する。この画像は、高密度の過剰なＮＰを示している。それらは、しかし、図４によれば、電気導電性にそれほど関与していない。

これらの結果から、同じ金属処理手法に準じているが、親水性（酸素プラズマ処理）ＳｉＯ_２基板に実施した結果よりも更に再現可能であることが判明した。実際に、上記ステップ４のバージョンａでは、疎水性ポリマー表面にだけ高信頼性の再現可能な結果が得られていた。したがって、本発明の方法を用いると、疎水性表面に固定した親水性高分子に対し、親水性種を高い信頼性で結合可能なことを意味している。しかし、原則として、親水性表面に固定した疎水性高分子に対する疎水性種の結合と逆のケースも効果的であると言える。

実施例４
全体的な傾向（プロセス・パラメータの調整）
過剰な粒子
ＮＰ／水溶液の濃度を下げると、基板表面上の過剰な粒子の密度が低下した。図６に示すように、１００倍の希釈で、過剰な粒子の密度が明らかに低下し、同じ時間で、優れたテンプレート特性も観察された。このサンプルは、上記ステップ１、２、３、４ａ、５に基づいて処理されていた。溶媒は７５％メタノール／水の混合物であり、上記ステップ４ｂの処理時間は２０分であり、上記ステップ５の無電解メッキ時間は５分だった。

ワイヤ平均直径
ＤＮＡワイヤの平均直径は、約２００〜５００ｎｍであったが、この平均直径は、親水性基板上に他の金属処理手法又は本手法を用いて通常は観察した平均直径より非常に大きい。この理由は、ＤＮＡ分子が、より合わされたので、比較的厚くなったロープ構造を疎水性ポリスチレン上に形成する傾向にあるためである。ＤＮＡ濃度の低下は、ロープ平均直径を細くすると考えられる。そのうえ、金属処理に起因する最終平均直径は、無電解メッキ・ステップ（図５）の期間を短縮すると更に細くなると考えられる。

処理時間
ＤＮＡ分子の完璧な金属処理は、５分未満（無電解メッキ・ステップの時間をプラスして）というＤＮＡの短いＮＰ処理を用いることで達成できる。ほぼ完璧な金属処理とするための正確な時間は、まだ高い精度で決まっていないが、約２分と推定される。

明細書や請求項又は添付の図面或いはその両方に開示した本発明の特徴的構成は、個別に及びその任意の組み合わせにおいて、本発明の様々な実施例や実施形態を実現する構成要素となる。

本発明によれば、費やされる時間が短く、より完全なナノデバイスを実現する方法が提供される。更に、本発明によれば、高分子に種を結合させるプロセスが、高分子の表面への固定を妨げない方法が提供される。更に、本発明によれば、種を用いた高分子の特異的な装飾を可能にし、表面と該種との非選択的な結合を回避する方法を提供される。

本発明の一実施形態による方法に基づいてポリスチレン上で金属処理したＤＮＡラダーのＡＦＭ画像を示す図である。本発明の他の実施形態による方法に基づいて処理したポリスチレン・サンプル上のＤＮＡのＳＥＭ画像を示す図である。本発明の他の実施形態による方法に基づいて処理したポリスチレン・サンプル上のＤＮＡのＳＥＭ画像を示す図である。本発明の他の実施形態による方法に基づいて処理したＤＮＡワイヤ・セグメントのＳＥＭインレンズ画像（inlens-picture）を示す図である。本発明の他の実施形態による方法に基づいて処理したＤＮＡワイヤ・セグメントのＳＥＭ・ＳＥ２画像を示す図である。１００倍に薄めたナノ粒子（ＮＰ）溶液を用いて、本発明の他の実施形態による方法に基づいて処理したポリスチレン・サンプル上のＤＮＡのＳＥＭ画像を示す図である。本発明の他の実施形態による方法に基づいて処理したポリスチレン上で金属処理したＤＮＡワイヤのＳＥＭ画像を示す図である。金属集合体がＤＮＡ分子間に埋め込まれている。本発明の一実施形態による方法に基づいて処理したポリスチレン上で金属処理したＤＮＡワイヤの、図７の場合より高い倍率でのＳＥＭ画像を示す図である。金属集合体がＤＮＡ分子間に埋め込まれている。電子ビーム照射領域上のＴＨＰＡｕＮＰのＳＥＭ画像を示す図である。電子ビーム照射領域上のＴＨＰＡｕＮＰの、図９の場合より高い倍率でのＳＥＭ画像を示す図である。

Claims

親水性種を疎水性表面上に固定された親水性高分子に結合させることで、疎水性表面と、前記疎水性表面上に固定された親水性高分子と、前記親水性高分子に結合した親水性種とを備えているナノ・アセンブリの製造方法であって、
水の接触角度が６０°〜１１０°の範囲である疎水性表面を設けるステップと、
核酸及び蛋白質を含むグループから選択された前記親水性高分子を前記疎水性表面に適用することによって、前記親水性高分子を前記疎水性表面上に固定するステップと、
前記疎水性表面上に固定された前記親水性高分子をさらし、ナノ粒子を含み、溶液中に含まれており、水溶性金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、誘電体（絶縁体）ナノ粒子、親水性クラスタ及び金属錯体を含むグループから選択された前記親水性種を前記親水性高分子に結合させるステップと
を備え、
２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の平均直径をもち、前記ナノ粒子を含む前記親水性種で完全に装飾されている、核酸又は蛋白質ワイヤ或いはその両方であるナノ・アセンブリを製造する
ナノ・アセンブリの製造方法。
前記結合した親水性種をより大きなサイズに成長させるステップをさらに備えている請求項１に記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記結合した親水性種をより大きなサイズに成長させるステップでは、前記結合した親水性種を無電解メッキ溶液にさらす請求項２に記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記親水性高分子を前記疎水性表面に適用するステップは、スピン・コーティング、ディップ・コーティング、ドロップ・キャスティング、スタンピング、分子結合、スプレー噴射技術、インクジェット印刷及びドクター・ブレーディングの中から選択されたプロセスによって行われる請求項１〜３のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記親水性種を前記親水性高分子に結合させるために、前記親水性高分子を親水性種にさらすステップは、１秒から１２０分の間の期間中に行われること請求項１〜４のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記親水性高分子を親水性種にさらすステップは、１０秒から１０分の間の期間中で行われる請求項５に記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記溶液は、前記親水性種を水に溶いた溶液、または、前記親水性種を水混和性の有機溶媒／水の混合物に溶いた溶液であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記ナノ粒子はコアを備え、該コアに金属又は金属酸化物を有しており、該金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、これらの組み合わせ、及び、これらの金属の合金を含むグループから選択されている請求項１〜７のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記核酸が、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＣＮＡ、オリゴヌクレオチド、ＲＮＡのオリゴヌクレオチド、Ａ−ＤＮＡ、Ｂ−ＤＮＡ、Ｚ−ＤＮＡ、ＤＮＡのポリヌクレオチド、ＲＮＡのポリヌクレオチド、核酸のＴ−接合、核酸の三重鎖、核酸の四重鎖、非核酸ポリマー核酸ブロック−コポリマーのドメイン、及び、それらの組み合わせを含むグループから選択されている請求項１〜８のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記核酸が二重螺旋又は単一螺旋である請求項９に記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記親水性種が、トリス（ハイドロキシメチル）ホスフィン−金ナノ粒子（ＴＨＰＡｕＮＰ）を含むグループから選択されている請求項１〜１０のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
前記無電解メッキ溶液が金塩と還元剤とを含む請求項３〜１１のいずれかに記載のナノ・アセンブリの製造方法。
水の接触角度が６０°〜１１０°の範囲である疎水性表面と、
核酸及び蛋白質を含むグループから選択された親水性高分子を前記疎水性表面に適用することによって形成された、前記疎水性表面上に固定された親水性高分子と、
ナノ粒子を含み、水溶性金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、誘電体（絶縁体）ナノ粒子、親水性クラスタ及び金属錯体を含むグループから選択され、前記親水性高分子に結合した親水性種と
を備え、
２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の平均直径をもち、前記ナノ粒子を含む前記親水性種で完全に装飾されている、核酸又は蛋白質ワイヤ或いはその両方である
ナノ・アセンブリ。
装置のナノスケール・エレメントとして請求項１３に記載のナノ・アセンブリを使用するナノ・アセンブリの使用方法。
前記ナノスケール・エレメントの機能は、インターコネクト、センサ、光学的吸収器、アクチュエータ、変換器、及び、メモリを含むグループから選択されている請求項１４に記載のナノ・アセンブリの使用方法。