JP5743974B2 - Ｄｎａ検出用ナノチューブセンサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、特定のＤＮＡ配列用センサーであって、ＤＮＡハイブリッド形成の電子的変換器としてナノチューブを具備する該センサーに関する。

関連出願のクロス・レファレンス
この出願は、米国特許法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に従って、米国仮出願第６０／６０４２９３号（出願日：２００４年８月２４日）及び米国仮出願第６０／６２９６０４号（出願日：２００４年１１月１９日）に基づいて優先権を主張する出願であり、これらの出願の明細書に開示された内容も本願明細書の一部を成すものである。

また、この出願は、米国仮特許出願第６０／３４９６７０号（出願日：２００２年１月１６日）に基づいて優先権を主張する米国特許出願第１０／３４５７８３号（出願日：２００３年１月１６日）［発明の名称：機能化ナノ構造体を用いる生物学的／化学的作因の電子的検知；公開番号：２００３−０１３４４３３］の一部継続出願として優先権を主張する出願であり、これらの出願の明細書に開示された内容も本願明細書の一部を成すものである。

さらに、この出願は、米国仮特許出願第６０／４２４８９２号（出願日：２００２年１１月８日）に基づいて優先権を主張する米国特許出願第１０／７０４０６６号（出願日：２００３年１１月７日）［発明の名称：ナノチューブの使用に基づく生体分子の電子的検知；公開番号：２００４−０１３２０７０（公開日：２００４年７月８日）］の一部継続出願として優先権を主張する出願であり、これらの出願の明細書に開示された内容も本願明細書の一部を成すものである。

従来技術の説明
ポリヌクレオチド中の塩基配列は遺伝情報をコードするので、これらの配列の解読性は生物工学の多くの進歩に寄与している。この研究によって、医療条件に関連する多くの重要な配列が確認されている。例えば、ＢＲＣＡ遺伝子は、通常は乳癌で患う女性の体内に存在する。医療的検査において、このような関連性を利用する目的で、特定の重要な配列が発現するかどうかを調べるために組織試料を走査する多くの技術が開発されている。これらの技術は、コスト高で、遅く、複雑であるために日常的な医療検査に適用するには不適当であるという難点がある。

一般にこれらの技術は、ポリヌクレオチドがハイブリッドを形成するという傾向に依存する。溶液中の短鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）の鎖は、ｓｓＤＮＡ中の各々の塩基と対を形成する反対塩基を含む相補鎖ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）と容易に結合する。この結合の結果、二重鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）が形成される。ｄｓＤＮＡは加工処理によってｓｓＤＮＡから分離することができる。従って、特定の標的配列を走査するためには、実験者はプローブ配列として適当なｃＤＮＡを提供する。標的配列が試料中に存在するときには、標的ｓｓＤＮＡはプローブｓｓＤＮＡとハイブリッドを形成してｄｓＤＮＡを生成する。このハイブリッド形成はいくつかの方法によって検知することができる。

この場合の第１の問題点は、このハイブリッド形成を検知するための多くの方法には、ハイブリッド形成前に試料中のｓｓＤＮＡを変性させる過程が含まれるということに起因する。ｓｓＤＮＡに対して蛍光分子を結合させることがしばしばおこなわれている。標識（label）として知られているこのような分子は光学的機器（例えば、顕微鏡及び分光器等）によるｓｓＤＮＡの検知を可能にする。標識化は、ハイブリッド形成後のＤＮＡ試料を検知するために利用されている。標的配列が標識化試料中に存在するときには、標識化されたｓｓＤＮＡは標識化されたｄｓＤＮＡに組み込まれので、該ｄｓＤＮＡは光学的機器を用いて検知することが可能となる。光学的検知法の利用により、上記方法は簡便なものとなるが、ＤＮＡを標識化する化学反応はコスト高で長時間を要する。標識化を必要としない検知法は、日常的な医療検査に対するＤＮＡ走査法の有用性を著しく増大させるであろう。

第２の問題点は、伝統的な検知法の感度が低いことに起因する。この種の方法の一部の方法は低濃度のＤＮＡに対して感度を示すが、該方法においては、絶対数として多数のＤＮＡ分子を必要とする。医療的用途においては、通常は僅かな細胞のみが入手できるにすぎないため、試料中に存在する標的配列のＤＮＡ分子は僅かである。この問題は、標的ＤＮＡの量を百万倍増幅させることができるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の利用によって改良されている。しかしながら、標識化法の場合と同様に、ＰＣＲは複雑な化学反応であるために、検査に要するコストが高くなり、また、時間もかかる。

このため、当該分野においては、特定の標的ＤＮＡ配列を高感度で迅速に検知できる技術であって、標識化やＰＣＲを利用しない技術が要請されている。

本発明は、ポリヌクレオチドの特定の標的配列を検出する電子センサー装置であって、ポリヌクレオチドと反応して検出素子として作用するナノ構造素子（例えば、単層及び／又は多層カーボンナノチューブ（carbon nanotube）及び／又は該ナノチューブを含有する連結性網状構造体）を具備する該電子センサー装置に関する。以下に詳述する特定の実施例においては、ナノ構造素子はカーボンナノチューブ、特にカーボンナノチューブがランダムに配列した網状構造体を含有する。これらの実施例においては、該ナノチューブは、検出前に、ｓｓＤＮＡプローブ配列の吸着によって改質される。ＤＮＡの標識化は不要である。さらに本発明は、該電子センサー装置の使用方法も提供する。

ここで用いる「ナノ構造体（nanostructure）」という用語は、少なくとも１つの次元が１００ｎｍよりも小さく、グラファイト様化学結合を有する結晶性物質から成る少なくとも１つのシートを含有する構造体を意味する。このような構造体としては、特に限定的ではないが、単層ナノチューブ、二層ナノチューブ、多層ナノチューブ及びオニオン状構造体等が例示される。このような結晶性物質の化学的成分としては、特に限定的ではないが、炭素、窒化硼素、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンが例示される。

簡単化のために、以下に詳述する実施例に含まれるナノ構造体は「ナノチューブ」と呼ぶ。実施態様においては、１又は複数のカーボンナノチューブを含む態様が好ましく、また、１又は複数の単層ナノチューブを含む態様がより好ましい。別の態様においては、本発明の技術的思想を逸脱することなく、ナノ構造センサー中に別のナノ構造体を含有させてもよい。

ここで用いる「ナノチューブ網状体（nanotube network）」という用語は、基板上の特定の領域内に配置されたナノチューブのフィルムを意味する。ナノチューブのフィルムは、基板上において該基板に対して実質上平行に配置された少なくとも１つのナノチューブを含有する。このようなフィルムは、相互に平行に配向された多くのナノチューブを含有していてもよい。あるいは、該フィルムはランダムに配向された多くのナノチューブを含有していてもよい。また、該フィルムは基板の選択された領域内に配置された少数のナノチューブを含有していてもよく、また、該フィルムは基板の選択された領域内に配置された多数のナノチューブを含有していてもよい。基板の領域内に配置されるナノチューブの数は、網状構造体の密度と呼ばれる。好ましくは、該フィルムはランダムに配向された多数のナノチューブを含有し、その密度は、電流が網状構造体の特定の領域の一方の側から他方の側へ向かって該網状構造体を通過して（例えば、ナノチューブとナノチューブの接点を経由して）流れるのに充分に高い値にする。

基板は、一般的には電気絶縁性表面を含む平坦な物体である。基板の化学的組成としては、特に限定的ではないが、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、ポリイミド及びポリカーボネート等が例示される。本明細書に記載の多くの実施例において、基板は、酸化ケイ素、ＳｉＯ_２、及びＳｉＮ_４等をシリコンウェファー又はシリコンチップ上に存在する１又は複数の層、フィルム又は塗膜を含む。

ナノチューブ網状体は、伝統的なリソグラフィーを用いる化学蒸着（ＣＶＤ）法、溶剤懸濁沈着法及び真空蒸着法等によって調製してもよい。この点に関しては、下記の文献を参照されたい：米国特許出願第１０／１７７９２９号明細書（該明細書はＷＯ２００４／０４０６７１に対応する）；同第１０／２８０２６５号明細書；同第１０／８４６０７２号明細書；Ｌ．フーら、ナノ・レターズ（２００４年）、第４巻、第１２号、第２５１３〜２５１７頁（「透明な導電性カーボンナノチューブ網状体におけるパーコレーション」）。これらの文献の開示内容も本明細書の一部を成すものである。

ナノ構造体素子（例えば、ナノチューブ網状体）の特性は、接触子（contact）を用いて測定してもよい。接触子は、ナノチューブ網状体のようなナノ構造体素子と電気的に接続するように配置させた導電性素子を含む。例えば、接触子は、基板の表面上へ直接的に配置させてもよく、あるいは、ナノチューブ網状体上に配置させてもよい。ナノチューブ網状体を流れる電流は、ナノチューブ網状体の特定の領域内において該網状体と電気的に接続させた少なくとも２個の接触子を用いて測定してもよい。

本発明の一部の実施態様においては、ゲート電極又は対電極と呼ばれる付加的な導電性素子が配置される。即ち、該導電性素子は、ナノ構造体素子（例えば、少なくとも１つのナノチューブ）とは電気的に接続せず、ケート電極とナノ構造体素子との間に電気的キャパシタンスが存在するように配置される。

好ましい実施態様においては、ゲート電極は、酸化ケイ素の下方の基板内の導電性平面である。この種のナノチューブ電子装置としては、特に下記の文献に記載されているものが例示される：米国特許出願第１０／６５６８９８号（出願日：２００３年９月５日）及び同第１０／７０４０６６号（出願日：２００３年１１月７日）（該出願は、ＵＳ２００４／０１３２０７０として公開された）。これらの文献の記載内容も本明細書の一部を成すものである。ナノチューブの抵抗、インピーダンス、相互コンダクタンス及びその他の特性は、選定されるか又は可変性のゲート電圧の影響下で測定してもよい。

別の好ましい態様においては、ゲート電極は、ナノチューブ構造体と接触した導電性液体と接触する導電性素子である。この態様例は、特に次の文献に記載されており、該文献の開示内容も本明細書の一部を成すものである：ブラッドリーら、Phys. Rev. Lett.、第９１巻、第２１８３０１頁（２００３年）。

別の態様においては、電圧を１又は複数の接触子に印加することによって、対電極又はゲート電極に対するナノチューブ網状体中に電場が誘発されるので、網状体のキャパシタンスを測定してもよい。１又は複数のチャンネル相互コンダクタンス特性を測定するための別の又は付加的なセンサー信号として、ゲート電極に対するチャンネルのキャパシタンスを測定するのに適当な回路部品を用いることによって、ナノ構造のチャネル（例えば、ナノチューブ網状体）を有するトランジスターの電源（及び／又はドレイン）及びゲート電極を使用するのが簡便である。キャパシタンス又はその他の特性の測定を最適化するように設定される別の態様も、本発明の技術的思想を逸脱することなく可能である。

導電性素子はナノチューブセンサーの電気的特性を観測するための電気回路への接続子を提供する。適当ないずれの電気的特性をセンサーの感度の基礎としてもよく、このような特性としては、電気抵抗、伝導度、電流、電圧、キャパシタンス、トランジスターのオン電流、トランジスターのオフ電流、及びトランジスターの限界電圧等が例示される。当業者であれば、その他の電気的特性を容易に観察し、測定することができる。従って、上記の例示した電気的特性は、測定できる装置特性の種類を限定することを意味するものではない。

好ましい実施態様においては、ナノチューブセンサー装置はトランジスターを含む。トランジスターは最大の電導度、即ち、所定範囲のゲート電圧を用いて測定された最も大きな電導度、及び最少の電導度、即ち、所定範囲のゲート電圧を有いて測定された最も小さな電導度を有する。トランジスターは、最大電導度と最小電導度との比であるオン−オフ比を有する。高感度の化学センサーを製造するためには、ナノチューブトランジスターのオン−オフ比は、好ましくは１．２よりも大きな値であり、より好ましくは２よりも大きな値であり、最も好ましくは１０よりも大きな値である。

例えば、図１に、ナノチューブ電子装置におけるゲート電圧（＋１０Ｖ〜−１０Ｖ）の関数としての電導度曲線を例示する。約−５Ｖ未満のゲート電圧においては、「オン」曲線部分１０１に比較的高い電導度が発生し、また、約０Ｖよりも大きなゲート電圧においては、「オフ」曲線部分１０２に比較的低い電導度が発生する。この装置の場合のオン−オフ比は約１００である。

本明細書で使用する「ＤＮＡ」という用語はポリヌクレオチドを意味する。ポリヌクレオチドとしては、特に限定的ではないが、デオキシリボ核酸、リボ核酸、メッセンジャーリボ核酸、転移リボ核酸及びペプチド核酸が例示される。ポリヌクレオチドの明確な特徴は、核酸の鎖と塩基の配列であり、各々の塩基は核酸に化学的に結合し、また、各々の塩基は適合配列（matching sequence）上で適当な塩基と対を形成する。

当業者であれば、これらの明確な特徴を有するポリヌクレオチドのその他の変形誘導体を調製することができる。従って、「単鎖ＤＮＡ」（以下においては、「ｓｓＤＮＡ」で表示する）はデオキシリボ核酸、リボ核酸又はその他の前記のポリヌクレオチドの単鎖であってもよい。「相補ＤＮＡ」（以下においては、「ｃＤＮＡ」で表示する）は、既に言及した単鎖配列に対して相補的な単鎖配列である前記のポリヌクレオチドのいずれの鎖であってもよい。

特定の実施態様においては、本発明は、ナノチューブ網状体、１又は複数の接触子、及び該ナノチューブに接触するｓｓＤＮＡを具備するナノチューブセンサー装置を提供する。ナノｔｙ−ブと接触するｓｓＤＮＡを調製するためには、複数の方法が利用可能である。１つの実施態様においては、次の文献に記載されている方法に従って、溶液状態のｓｓＤＮＡを懸濁液状態のナノチューブと混合する：Ｍ．ツェングら、ネイチャー・マテリアルズ、２００３年、第２号、第３３８頁〜第３４２頁。得られる溶液は、ｓｓＤＮＡ鎖で覆われたナノチューブを含有する。この溶液を基板上に流延させることによって、ｓｓＤＮＡで被覆されたナノチューブを該基板上へ沈着させる。ナノチューブを配置させた後、リソグラフィーと金属沈着の標準的な技術を用いて接触子を調製する。好ましい実施態様においては、ナノチューブ網状体を基板上に配置させ、次いで接触子を調製する。得られる電子装置を、ｓｓＤＮＡを含有する溶液と接触させる。溶液を除去することによって、ｓｓＤＮＡは、基板を被覆することなく、ナノチューブ網状体を被覆する。

特定の実施態様においては、ｓｓＤＮＡが、介在するリンカー分子を用いることなく、ナノチューブに直接的に接触する装置が提供される。さらに、ｓｓＤＮＡはナノチューブと接触するが、ナノチューブと接触しない基板上の領域とは接触しない。

特定のセンサー装置中のｓｓＤＮＡは、特定の標的配列のためのｃＤＮＡになるように選択してもよい。標的配列は、センッサー装置によって検出されるべき塩基配列である。標的配列用のｃＤＮＡは、プローブ（probe）配列として知られている。標的配列が特定されたならば、プローブ配列を有する一定量のＤＮＡを入手しなければならない。特定配列を有するＤＮＡの合成及び所定の配列に対して相補的なＤＮＡの合成に関しては種々の技術が知られている。当業者であれば、これらの技術に関する知識を有している。所望の標的配列に対して特異的なプローブを調製するのに適当なｃＤＮＡ又はその他のポリヌクレオチドは、バイオテクノロジー工業に関連する既知の商業的製造業者から一般的に入手することができる。

センサー装置は、試料ｓｓＤＮＡを含有する溶液にナノチューブ網状体を接触させることによって使用してもよい。網状体は、ハイブリッド形成がおこなわれるのに充分に長い時間にわたって該溶液と接触させるべきである。この接触時間は、試料ＤＮＡの濃度、該溶液の量、室内の温度、溶液のｐＨ、及びその他の可変要因によって左右される。当業者であれば、ＤＮＡのハイブリッド形成に対するこれらの可変要因の効果について精通しており、適当な接触時間、溶液の組成、温度及びその他のハイブリッド形成に関連する条件を過度の実験を伴うことなく選定することができる。

センサー装置の種々の使用法について開示する。
１つの実施態様においては、センサー装置の最初の測定は、基板の絶縁体の下方に存在する導電性平面によって印加されるゲート電圧を変化させることによっておこなわれる。次いで、網状体を、試料ｓｓＤＮＡを含有する溶液と上記の時間にわたって接触させる。該溶液を除去した後、基板が実質的に乾燥するために充分な時間にわたって放置する。この放置時間は、乾燥過程を促進する措置を講ずることによって短縮させることができる。例えば、乾燥空気を基板上へ吹き付けてもよい。基板が乾燥した後、ゲート電圧を変化させることによって、センサー装置の測定を再度おこなう。得られる測定結果を最初の測定結果と比較することによって、ｄｓＤＮＡが存在するかどうかを確認する。

別の実施態様においては、網状体を純水と接触させることによって基準となるデータを得る。センサー装置の最初の測定は、基板の絶縁体の下方に存在する導電性平面によって印加されるゲート電圧を変化させることによっておこなわれる。次いで、網状体を、純水中に試料ＤＮＡを含有する溶液と接触させる。試料ＤＮＡが標的ＤＮＡを含有する場合には、ハイブリッド形成が経時的におこなわれ、得られるセンサー装置の測定結果は最初の測定結果に比べて変化する。

さらに別の実施態様においては、網状体を純水と接触させることによって基準となるデータを得る。センサー装置の最初の測定は、基板の絶縁体の下方に存在する導電性平面によって印加されるゲート電圧を変化させることによっておこなう。次いで、網状体を、ハイブリッド形成を促進するように、温度、ｐＨ及び溶解種等の点で調整された緩衝液中に試料ＤＮＡを含有する溶液と接触させる。ハイブリッド形成を所定時間おこなった後、網状体を洗浄することによって、ハイブリッド形成しなかったＤＮＡとその他の付着物を除去してもよい。洗浄後、網状体を純水と再度接触させ、測定を再度おこなう。試料ＤＮＡが標的ＤＮＡを含有する場合には、このＤＮＡのハイブリッド形成によって、最初の測定に比較して特徴的で測定可能な変化がセンサー装置内にもたらされる。

さらにまた別の実施態様においては、ハイブリッド形成のために使用した緩衝液と同じ緩衝液中において、基準となる測定をおこなう。次いで、網状体を、ハイブリッド形成用緩衝液中に試料ＤＮＡを含有する溶液に接触させる。ハイブリッド形成をおこなった後、測定を繰り返す。試料ＤＮＡが標的ＤＮＡを含有する場合には、このＤＮＡのハイブリッド形成によって、最初の測定に比較して特徴的で測定可能な変化がセンサー装置内にもたらされる。

他の実施態様においては、網状体を導電性液体と接触させる。好ましくは、導電性液体は、生理学的液体に対して適当な緩衝液である。最も好ましくは、導電性液体はリン酸塩緩衝液（ＰＢＳ）である。センサー装置の最初の測定は、導電性液体と接触する導電性素子によって印加されるゲート電圧を変化させることによっておこなわれる。次いで、網状体を、同じ伝導性液体中に試料ＤＮＡを加えた溶液に接触させる。網状体を該溶液に接触させている間に、ゲート電圧を変化させることによってセンサー装置の測定をおこなう。試料ＤＮＡが標的ＤＮＡを含有する場合には、ハイブリッド形成は経時的におこなわれ、センサー装置について得られた測定結果は、最初の測定結果に比較して変化する。

さらにまた別の実施態様においては、電子センサーシステムは、基板を有するセンサープラットホーム、１又は複数の電極、少なくとも１つの電極に電気的に接続する基板に隣接して配置されるナノ構造体素子、及び該電極に接続されると共にセンサープラットホームの１又は複数の電気的特性を測定するように設定された電子的測定用回路部品を具備する。この電子的センサーシステムは、センサープラットホームと作動可能な状態で結合する少なくとも１つの検出プローブを具備する。該プローブは、（ａ）センサープラットホームと関連して配置されたリンカー基であって、ナノ構造体素子、基板及び電極から選択される１又は複数の部材に接続された該リンカー基、（ｂ）被検体（ポリヌクレオチド）に対して結合親和性を有する検出生体分子、及び（ｃ）リンカー基と検出生体分子との間の結合連結部を具有する。

検出生体分子は、ポリヌクレオチドに対して選択的親和性を有する種を含んでいてもよい。このような種としては、相補ポリヌクレオチド、転写因子及び／又は転写プロモータ、合成変種及びこれらの類似体等が例示される。好ましい実施態様においては、検出生体分子は、被検体（ポリヌクレオチド）のヌクレオチド標的配列に対して少なくとも部分的に相補的な少なくとも１つのヌクレオチド配列を有する検出ポリヌクレオチドを含む。詳述する実施例においては、センサーシステムによって、標的配列の少なくとも部分的なハイブリッド形成による被検体（ポリヌクレオチド）とプローブとの結合によって影響を受ける特性が測定される。

前記の全てのセンサーの実施態様におけるポリヌクレオチドのハイブリッド形成の発生、速度及び特異性が種々の条件に左右されることに留意すべきである。各々のハイブリッド形成過程においては、ｄｓＤＮＡの結合エネルギーは厳密な技術によって測定することができる。このような測定は、温度を増加させるか、又は緩衝液を、例えば、水酸化ナトリウム等に変更することによっておこなうことができる。

付加的な厳密な対照は、ハイブリッド形成媒体の種々のイオン性成分（例えば、ナトリウムイオン又はマグネシウムイオン等）を含有していてもよい。あるいは、又は、さらに、ハイブリッドの形成前、形成中及び／又は形成後において、センサーの素子（例えば、ナノチューブ網状体）に電圧を印加することによって、ポリヌクレオチドの挙動に影響を及ぼしてもよい。例えば、ｃＤＮＡのようなポリヌクレオチドはホスフェートに基づく骨格を有しており、該骨格は、一般的にはハイブリッド形成媒体中においてはイオン化されており、局在化された負電荷を保有する。選択的に帯電したセンサー素子は、例えば、対応する完全に整合化したプローブの対応するハイブリッドに対してＳＮＰ−不整合化プローブのハイブリッドを不安定化させるために、例えば、インキュベーション中又はすすぎ処理中において、牽引性又は反発性の厳密な調節因子を付与するために使用してもよい。

厳密な変化をさせることによって、完全または不完全な相補塩基対と鎖との結合を差別化することが可能である。厳密な過程に応答してナノチューブの電気的特性が変化することによって、特に、単一塩基の不整合（ＳＮＰ）の差別化が可能となる。当業者であれば、標的配列の完全なハイブリッド形成と不完全なハイブリッド形成に対する感度の選択度を得るために、本発明によるセンサーの特定の実施態様の操作を適合させるように、ハイブリッド形成の条件を変化させることができる。

例えば、特定の対立遺伝子に対して同型のＤＮＡ試料と該対立遺伝子に対して異型の他の比較試料とを区別するためのアッセイにおいては、ハイブリッド形成の厳密な条件を、例えば、温度を変化させることにより調整することによって、同型試料と異型試料との間において明確に異なる装置の測定応答が得られるようにしてもよい。

本発明の特徴を有する各々のセンサーの実施態様においては、これらのセンサーはアレイ（array）（例えば、複数の異なる標的ＤＮＡフラグメントに対して機能化されたトランジスターセンサーのアレイ）として構築させてもよい。これに関しては、下記の文献を参照されたい：米国特許出願第１０／３８８７０１号（特許公報ＵＳ２００３−０１７５１６１）（発明の名称：ナノ構造体装置アレーの検出感度の修正）。この文献の記載内容も本明細書の一部を成すものである。

当業者によるナノチューブセンサー装置のより完全な理解並びに該装置のさらに別の利点及び目的の実現は、以下の好ましい実施態様の詳細な説明を参酌することによっておこなわれる。

添付図面を簡単に説明する。
図１は、ナノチューブトランジスター装置に関する例示的な電導度曲線を示す模式図である。
図２は、ナノチューブのランダムな網状構造体を用いたナノチューブセンサーに関する例示的な形態を示す模式図である。
図３は、図２に示す例示的なナノチューブセンサーの模式的な断面図である。
図４は、実施例Ａに記載の本発明によるナノ電子センサーの製造法の例示的な工程を示すフローチャートである。
図５は、本発明によるポリヌクレオチドの検出方法の例示的な段階を示すフローチャートである。
図６は、３つの環境下におけるナノチューブ電子装置に関するゲート電圧の関数としての電導度を示すチャートであり、これに関しては、後述の好ましい実施態様の詳細な説明においてさらに記載する。

図７Ａは、ピレン−ＤＮＡ接合体を用いる機能化処理及びｃＤＮＡを用いる処理に付した後の実施例Ｂに記載のセンサーの装置特性を示す。
図７Ｂは、ピレン−ＤＮＡ接合体を用いる機能化処理、ＳＮＰ−ＤＮＡを用いる処理及びｃＤＮＡを用いる処理に付した後の実施例Ｂに記載のセンサーの装置特性を示す。
図８Ａは、本発明の特定の観点による実施態様であって、センサーに結合させた検出プローブを使用する例示的なＤＮＡアッセイの実施態様を示す。
図８Ｂ〜図８Ｆは、本発明の特定の観点による実施態様であって、電子活性なインカレーター（incalator）を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様を示す。
図９Ａ〜図９Ｄは、本発明の特定の観点による実施態様であって、増幅基を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様を示す
図９Ｅ及び図９Ｆは、本発明の特定の観点による実施態様であって、センサーに検出プローブを結合させる抗体−抗原結合を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様を示す。
図１０Ａ〜図１０Ｄは、本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがナノチューブのようなナノ構造体に結合した該センサーを示す。
図１１Ａ〜図１１Ｃは、本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー基板に結合した該センサーを示す。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー電極に結合した該センサーを示す。

以下においては、本発明の好ましい実施態様についてさらに詳細に説明する。
特定の実施態様においては、標的ＤＮＡ配列を検出するナノチューブセンサー装置が提供される。この装置は、標的ＤＮＡの標識化を必要とせず、標的ＤＮＡの存在に対して電子的に応答する。以下の詳細な説明においては、同じ素子を示す数字は、１又は複数の図面に表れる同じ素子を示すために用いられる。

図２及び図３において、本発明によるナノチューブＤＮＡセンサー１００は、適当な基板１４０、例えば、縮退的にドープしたシリコンウェーハを具有していてもよい。その他の基板には、例えば、他の半導体、又はセラミック若しくはポリマー等の絶縁性基板が包含される。基板１４０は、当該分野において知られているように、酸化ケイ素フィルム１８０を用いて不働態化されていてもよい。

所望により、ゲート電極１７０は、基板の下層中に形成され、適当な導体１７５を介して接点１７６へ接続されていてもよい。あるいは、基板は、絶縁層（例えば、ＳｉＯ_２層等）によって被覆された導電性基材（例えば、ドープ化ケイ素等）を含有していてもよい（この場合、導電性基材は回路へ接続されて、ゲート電極又は対電極として機能する）。

図示する実施例においては、ランダムに配列されたナノチューブの網状体１２０はケイ素基板１４０の上部に配置され、また、該装置は、網状体１２０の上部に配置された交互配置部を有する一対の接点１０１及び１１０を具有する。該網状体は該接点対の間に導電性溝を提供する。一般的には長方形の領域１３０の外側の基板１４０は、ナノチューブ網状体１２０からは実質的に開放されている。

別の実施態様においては、基板に隣接して配置された１若しくは複数のナノチューブが含まれており、該ナノチューブは１若しくは複数の接点と電気的に接続する。いくつかの実施態様においては、大部分の又は全てのナノチューブは一対の隣接接点対間へ電導状態で延びていてもよい。

しかしながら、図示する実施例においてランダムに配置されて相互に連絡されたナノチューブの網状体１２０においては、全ての又は大多数のナノチューブが１若しくは複数の電極と電気的に接触している必要はない。ナノチューブ間の接点は、網状体を経由する電流若しくは電荷の伝送を可能にする導電性路を提供してもよい。

図示する実施例においては、接点１０１及び１１０は網状体１２０の上部に配置される。あるいは、接点を基板１４０の上部に配置させ、網状体１２０を接点上に形成させてもよい。

１若しくは複数の接点１０１及び１１０を配置させてもよく、該接点は、所望により、当該分野において知られているように、不働態被覆層１８０を有していてもよい。例えば、接点１０１及び１１０は１若しくは複数の金属層（例えば、チタン層及び金層等）を具有していてもよい。

接点１０１及び１１０は、一般的に長方形の領域１３０の上部に配置された複数の交互配置部を具有していてもよい。この交互配置構造は、接点間のナノチューブフィルムに接触させることができる接点の表面積を増加させる点で有利である。接点の別の配置構造、例えば、いずれかの所望の形態を有する適当な平行ラビリンス（labyrinth）又は対置する接点間にセンサー領域を提供するその他の配置構造であってもよい。領域１３０の長方形の形態は単なる例示であって、該領域はいずれかの所望の形態を有していてもよい。接点１０１及び１１０は、電界効果トランジスター用の電源又はドレイン電極として機能するような構造を有していてもよく、あるいは、抵抗型センサー又は容量型センサーへの接続部材として機能するような構造を有していてもよい。特定の実施態様においては、単一の接点（例えば、１０１）を用いて、ゲート電極又はその他の対電極に対する網状体１２０のキャパシタンス又は電界を誘導させることによって、センサー信号を提供するようにしてもよい。

接点（１０１及び１１０）及び基板１４０の該接点間以外の部分は遮断材１６０によって保護してもよい。例えば、エポキシ樹脂又はその他の適当なポリマー材料若しくは樹脂材料を沈着させて遮断層を形成させ、次いで対置する接点１０１及び１１０の間の領域部の遮断層をエッチング等によって除去してもよい。

複数の単鎖ＤＮＡ分子１５０は、いずれかの適当な方法（例えば、以下に説明する方法等）によってナノチューブ膜上に配置させてもよい。該ＤＮＡ分子は、ナノチューブ膜中のナノチューブへ直接的に付着させてもよく、あるいは該ナノチューブ膜中のナノチューブに近接する基板１４０の上部に載置させてもよい。別の態様においては、ＤＮＡ分子を、ナノチューブ膜とＤＮＡとの間の介在物上に配置させてもよい。しかしながら、ＤＮＡは、ｓｓＤＮＡ鎖と相補ｓｓＤＮＡ鎖との間の反応がセンサー１００の測定された電気的特性に影響を及ぼすようにするために、ナノチューブ膜へ充分に近接して配置させるべきである。

本発明の１つの実施態様においては（実施例Ａ参照）、ｓｓＤＮＡは、介在リンカー分子を使用することなく、ナノチューブと直接的に接触する。さらに、ｓｓＤＮＡはナノチューブと接触するが、ナノチューブと接触しない基板領域とは接触しない。ｓｓＤＮＡ分子１５０は、ナノチューブ膜１２０の上部以外の基板（１４０）領域から除去してもよい。

特定のセンサー装置中のｓｓＤＮＡは、特定の標的配列に対してｃＤＮＡになるように選択される。標的配列は、センサー装置によって検出されるべき塩基配列である。標的配列用のｃＤＮＡはプローブ配列として知られている。標的配列が規定されたならば、プローブ配列を有する相当量のＤＮＡを入手しなければならない。規定された配列を有するＤＮＡ、及び所定の配列に対して相補的なＤＮＡを合成するためには、種々の技術が知られている。当業者であれば、この種の技術に関する知識を有している。さらに、ｃＤＮＡは、しばしば市販品として入手することができる。

センサー１００と同様の複数のナノチューブセンサーを単一の基板上に平行状態で形成させた後、各センサーを分離させてもよいことに留意すべきである。分離される装置は、当該分野において知られているようなチップキャリヤー（chip carrier）中に組み込んだ後、常套の電子工学装置と一体化させることによって、標的となるポリヌクレオチドの検出を可能にする有用な測定装置を製造してもよい。異なる配列に感知する多重センサーを電子装置中に組み込むことによって、種々のポリヌクレオチソ配列を同時に検出できるようにしてもよい。本明細書の開示内容に従って、いずれかの慣用技術を用いることによって、検出機器用の適当な電子工学装置を製造してもよい。

図４は、特定のＤＮＡ配列用の電子センサーを製造するための方法４００における例示的な工程を示す。工程４１０〜４９０までは、いずれの操作順におこなってもよい。

工程４１０において、ゲート電極は基板（例えば、不動態化ケイ素若しくはその他の半導性基板）又はセラミックやポリマー材料等の半導性基板の上部に形成させてもよい。該電極は金属又はその他の導電性材料を含有していてもよく、また、該電極は、当該分野において知られている写真印刷法とリフトオフ（lift-off）法、又はその他の適当な方法によって形成させてもよい。特定の態様においては、ゲート電極は、適当な回路に接続されたバルク状のケイ素基板ウェーハ材料を含有する。

工程４２０において、基板（及びゲート電極が含まれるときには、埋設されたゲート電極）は不動体化層又は絶縁層、例えば、当該分野において知られているような酸化ケイ素層によって被覆されてもよい。

工程４４０においては、１又は複数のナノチューブが、対置する各々の接点と電気的に接続した状態で基板中に配置される。例えば、基板１４０は、先に言及した米国特許出願第１０／１７７９２９号に記載されているようにして、ランダムに網状配置されたカーボンナノチューブによって被覆されてもよい。あるいは、接点間にナノチューブを形成させるために当該分野において知られているその他の方法を使用してもよい。得られるナノチューブは特定の様式で配置させてもよく、あるいはランダムに配置させてもよい。ランダム配置の場合には、ナノチューブは、少なくとも１つの経路を介して対置する接点を連結する連結ナノチューブによる網状構造体を提供すべきである。ナノチューブは、対置する接点間以外の領域においては、いずれかの適当な方法（例えば、プラズマエッチング法）によって、基板から除去すべきである。

工程４３０において、一対の対置する接点（例えば、電源とドレイン電極）を基板上に形成させてもよい。接点はナノチューブの上方に配置させてもよく、あるいはナノチューブと基板の間に配置させてもよい。例えば、チタン接点を形成させ、写真印刷法とリフトオフ法を用いて該接点を金層で被覆することによって対置接点を形成させてもよい。このような接点は、いずれかの所望の形態を有する中間領域上に配置される複数の交互配置部分を含んでいてもよい。

工程４５０において、所望により、遮断材から成る層を該接点上に配置させてもよい。当該分野においては、種々のポリマーと樹脂が知られており、これらは適当な遮断材を含有していてもよい。本発明の１つの実施態様においては、エポキシ被覆材を使用してもよい。遮断材は基板の特定の領域のみに適用してもよく、あるいは、遮断材を基板全体に適用した後、センサーの操作領域（例えば、接点間領域）に対応する領域から遮断材を除去してもよい。遮断材によって電気絶縁性を付与し、これによって、導電性流体と接触したときの短絡を防止してもよく、あるいは、環境に曝されることからセンサーを保護してもよい。遮断材は、他の物質（特に限定的ではないが、ナノチューブ及びＤＮＡ分子を含む）の沈着を制御するために役立ててもよい。いずれの数の遮断層を使用してもよい。

工程４６０においては、オリゴヌクレオチド（ｓｓＤＮＡ）の溶液を調製してもよい。所望のｓｓＤＮＡ（「プローブ配列」）は市販品から入手してもよく、あるいは当該分野における既知の方法によって合成してもよい。プロ−ブ配列の水溶液又は有機溶剤溶液は適当な濃度で調製してもよい。例えば、１０^−４Ｍ濃度の溶液は、オリゴヌクレオチド１００，０００ピコモルを純水（１８ＭΩ）１０００μＬに溶解させることによって調製してもよい。ｓｓＤＮＡと相溶性のあるその他の溶剤を使用してもよい。ｓｓＤＮＡの沈着の前に、センサー装置の電気的特性を基準として適宜記録してもよい。

工程４７０においては、オリゴヌクレオチド溶液は、センサー装置の活性領域１３０上に塗布してもよい。例えば、ＤＮＡ溶液の液滴を領域１３０上のチップに置いてもよい。次いで、該溶液を乾燥させてキャリヤーを蒸発させることによって、ｓｓＤＮＡを無傷の状態で残存させてもよい。例えば、該チップを室温の加湿チャンバー内に乾燥するまで放置してもよい。次いで、チップを該チャンバーから取り出し、純水（１８ＭΩ）ですすいだ後、乾燥窒素流で風燥させる。

工程４９０においては、過剰のｓｓＤＮＡを除去してもよい。この除去処理は、上記のようなすすぎ処理と風乾処理によっておこなってもよい。過剰のｓｓＤＮＡが基板のその他の領域に付着しているときには、より強力な方法（例えば、エッチング法）を使用してもよい。あるいは、過剰のＤＮＡは、それによってセンサーの操作が妨げられないときには、そのまま放置してもよい。

センサー装置の電気的特性を再度測定し、上記の基準特性と比較してもよい。ｓｓＤＮＡが首尾よく沈着されるならば、電気的特性の変化が観測されるべきである。測定してもよい特性には、例えば、センッサーのゲート電圧、電導度、抵抗、又はこれらの組合せ、これらの特性若しくはその他の電気的特性に関連する曲線若しくはヒステリシス等が含まれる。

図５は、本発明によるセンサー装置の使用方法５００の例示的な工程を示す。センサーの使用法は、実質的には、試料ｓｓＤＮＡを含有する溶液をナノチューブの網状構造体に曝した後、センサーの電気的特性の変化を測定することからなる。工程５１０においては、試料は、当該分野において既知の方法によって調製される。例えば、ＤＮＡは、患者の細胞から溶解によって抽出してもよい。二重鎖ＤＮＡは、当該分野において既知の方法によってｓｓＤＮＡまで還元させるべきである。充分に多量のＤＮＡ試料が入手できる場合には、ＤＮＡの濃度を高めるためのＰＣＲ法の使用を回避することが可能である。本発明によるセンサーは、著しく少容量（例えば、１００μＬ未満）の試料を用いて操作することができるので、場合によっては、ＰＣＲ法の使用を省略してもよい。

工程５２０においては、センサーは試料溶液に曝される。該溶液中でのセンサーの放置時間は、ナノチューブの網状構造体上の少なくとも１個のｓｓＤＮＡ分子と溶液中の相補ｓｓＤＮＡ分子との間にハイブリッド形成が発生するのに充分な時間にすべきである。この放置時間は、試料ＤＮＡの濃度、溶液の量、室内の温度、溶液のｐＨ及びその他の変数によって左右される。当業者であれば、ＤＮＡのハイブリッド形成に対するこれらの変数の効果については熟知しているので、適当な放置時間を選定することができる。

工程５３０においては、センサーの電気的応答が測定される。センサーの構造形態に応じて種々の異なる特性が利用可能である。１つの実施態様においては、基板の絶縁体の下部に存在する導電性平面によって印加されるゲート電圧を変化させることによって、センサー装置の最初の測定がおこなわれる。次いで、網状構造体を、前記の時間にわたって試料ｓｓＤＮＡを含有する溶液に曝した後、溶液を除去し、さらに、基板が実質的に乾燥するのに充分な時間にわたって放置する。この放置時間は、乾燥過程を促進する措置を講ずることによって短縮させてもよい。例えば、乾燥空気を基板上へ吹き付けてもよい。基板が乾燥したならば、ゲート電圧を変化させることによって、センサー装置の測定を再度おこなう。得られる測定結果を最初の測定結果と比較することによって、ｄｓＤＮＡの存在の有無を確認する。

別の実施態様においては、網状構造体を純水に曝す。基板の絶縁体の下部に存在する導電性平面によって印加されるゲート電圧を変化させることによって、センサー装置の最初の測定がおこなわれる。次いで、網状構造体を、純水中に試料ＤＮＡを含有させた溶液に曝す。網状構造体が該溶液中に曝されている間に、ゲート電圧を変化させることによってセンサー装置の測定をおこなう。試料ＤＮＡが標的ＤＮＡを含有する場合には、ハイブリッド形成が経時的におこなわれ、センサー装置において得られる結果は、最初の測定結果と比較して変化する。

さらに別の実施態様においては、網状構造体を導電性液体に曝す。好ましくは、導電性液体は、生理的液体に対して適当な緩衝液であり、最も好ましい導電性液体は燐酸塩緩衝液（ＰＢＳ）である。導電性液体と接触する導電性素子によって印加されるゲート電圧を変化させることによって、センサー装置の最初の測定をおこなう。次いで、網状構造体を、同じ導電性液体中の試料ＤＮＡ溶液に曝す。網状構造体が該溶液に曝されている間に、ゲート電圧を変化させることによってセンサー装置の測定をおこなう。試料ＤＮＡが標的ＤＮＡを含有している場合には、ハイブリッド形成が経時的におこなわれ、センサー装置について得られた測定結果は、最初の測定結果と比較して変化する。

工程５４０においては、測定された電気的応答を標的種と相関させることによって、肯定的結果又は否定的結果が決定される。例えば、遺伝子試験においては、標的配列の存否が決定される。センサーと標的遺伝子との間の反応によれば、所定型のセンサーによって一定した再現性のある結果がもたらされるべきである。従って、同じ型のセンサーに対しては、肯定的な結果若しくは否定的な結果、及び信頼度は、特定のセンサーの応答と統計的な対照データとの比較に基づいてもよい。結果における信頼性は、多数のセンサーを同時に使用する多数の測定によって高めてもよい。

実施例Ａ
先に言及した米国特許出願第１０／１７７９２９号に記載のようにして、一般的には前述の記載に従って、二酸化ケイ素膜を有する縮重的にドープ化したケイ素ウェーハを、ランダムな網状形態のカーボンナノチューブで被覆した。金接点（厚さ：１２０ｎｍ）で被覆したチタン接点（厚さ：３０ｎｍ）を写真印刷法とリフトオフ法によって沈着させてパターンを形成させることによって、対置接点を形成させた。これらの接点の各々は、一般的には長方形状の領域にわたって配置された複数の交互配置部を含む。ランダムに配列されたナノチューブの網状構造体はケイ素基板上に亘って配置される。網状構造体中のナノチューブは、接点の交互配置部と電気的に接触する。接点の沈着後、一般的には長方形状の領域の外側のナノチューブを酸素プラズマエッチングによって除去し、残りのナノチューブの網状構造体を残存させる。一般的には交互配置された接点間に介在させたナノチューブの網状構造体と金属電極を交互に配置させて併用することによって、電極を横切って平行に接続された多数のナノチューブがもたらされる。

ダイはウェーハから分離されて標準的な４０−ピンのチップキャリヤー中に設置され、チップ上に交互配置されたワイヤとチップキャリヤー上の接点はワイヤによって連結される。パッケージ上のワイヤと接点のパッドはエポキシ樹脂によって被覆され、該樹脂は硬化される。このようにして調製されたパッケージ中のチップはアセトン、イソプロパノール及び脱イオン水を用いてすすいだ後、最後に純水（１８ＭΩ）ですすいだ。

オリゴヌクレオチド（５’−ＣＣＴ ＡＡＴ ＡＡＣ ＡＡＴ−３’）の１０^−４Ｍ溶液を、該オリゴヌクレオチド８４５００p mole を純水（１８ＭΩ）（ナノピュア・インフィニティＵＶウォーターシステム社製）８４５μＬに溶解させることによって調製した。前記のようにして調製したチップの測定を、絶縁体の下部の導電性面によって印加されたゲート電圧を変化させることによっておこなった。得られた曲線を図６において６００で示す。ＤＮＡ溶液２０μＬを含有する液滴をチップ上に載せた。このチップを、室温下の湿潤チャンバー内に１２時間放置した。次いで、チップを湿潤チャンバーから取り出し、純水（１８ＭΩ）ですすいだ後、乾燥窒素ガスを吹き付けて乾燥させた。チップの測定は、ゲート電圧を変化させることによっておこなった。得られた曲線を図６において６１０で示す。この曲線は、センサーとして使用するために調製されたセンサー装置の特性を示す。この段階では、ナノチューブの網状構造体は、プローブ配列を有するｓｓＤＮＡと接触している。電子的測定に対するｓｓＤＮＡ被覆層の効果によって、曲線６１０は曲線６００の左側へシフトする。

ナノチューブとプローブｓｓＤＮＡとの接触を証明するために、標識化したｓｓＤＮＡを用いてチップを調製した。標識化ｓｓＤＮＡは好ましい実施態様においては不必要であるが、ここでは証明のためにのみ説明する。オリゴヌクレオチド（５’−ＨＳ−（ＣＨ_２）_６−ＣＣＴ ＡＡＴ ＡＡＣ ＡＡＴ−フルオレセイン−３’）の１０^−５Ｍ溶液（溶媒：１８ＭΩ純水）を、レセプターＤＮＡ配列として調製した。チップをこの溶液中に一夜曝し、すすぎ処理に付した後、窒素ガスを用いて乾燥させた。このチップの光学蛍光顕微鏡写真を観察したところ、ナノチューブの網状構造体が存在する特定の領域のみに緑色のフルオレセイン標識が明るい領域として出現したが、基板のその他の領域には該標識は出現しなかった。このことは、レセプターＤＮＡ鎖がセンサーのナノチューブへ結合したことを証明する。

次に、濃度が１０^−４Ｍの標的ＤＮＡ、即ち、レセプターＤＮＡ鎖に対して相補的なオリゴヌクレオチド５’−ＡＴＴ ＧＴＴ ＡＴＴ ＡＧＧ−３の溶液を、該オリゴヌクレオチド１３２０００p mole を純水（１８ＭΩ）１３２０μＬに溶解させることによって調製した。この溶液を用いて、標的ＤＮＡの希釈溶液（１０^−８Ｍ）を調製した。室温下の湿潤化チャンバー内において、チップをこの溶液の液滴（２０μＬ）に１時間曝した。チップを該チャンバー内から取り出し、純水（１８ＭΩ）ですすいだ後、乾燥窒素を吹き付けて乾燥させた。

得られた曲線を図６において６２０で示す。この曲線は、プローブＤＮＡと標的ＤＮＡによるハイブリッド形成の結果を示す。電子的測定における標的ＤＮＡのハイブリッド形成の効果により、曲線６２０は曲線６００の右側へシフトした。

実施例Ｂ
この実施例においては、単一塩基不整合ＤＮＡを検出するためのカーボンナノチューブ装置の非共有結合的な化学的機能化について説明する。
Ｂ−１：概要
本発明による１つの実施態様においては、ナノチューブセンサーは、単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）によって機能化されたカーボンナノチューブ網状構造体電界効果トランジスター（「ＮＴＦＥＴ」又は「ＮＴＮＦＥＴ」）を具備する。特定の実施態様においては、ｓｓＤＮＡは、カーボンナノチューブに非共有結合的に結合したポリマー及びポリ芳香族分子を介してＮＴＦＥＴ装置に不動化させてもよい。相補的単鎖ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）及び単一塩基不適合単鎖ＤＮＡ（ｓｂｍＤＮＡ）に対する電子的応答における有意差を測定してもよい。この例示的なセンサーは下記の構造、素子及び機能を含む。

ａ）単数又は複数のカーボンナノチューブＦＥＴ装置であって、少なくとも電源とドレイン電極との間に導電性溝が形成されるように配置された単一のナノチューブ及び／又はナノチューブの網状構造体を具備する該装置。
ｂ）ＦＥＴ構造体はボトムゲート電極、及び／又は液状ゲート電極を具有していてもよい。
ｃ）ポリマー及び／又は芳香族リンカー分子は非共有結合的にカーボンナノチューブに結合する。
ｄ）ｓｓＤＮＡはリンカー分子と化学的に結合してプローブを形成する。
ｅ）操作中においては、相補的なｃＤＮＡがセンサーに曝されると、該ＤＮＡはプローブとハイブリッドを形成し、これによって装置の電気的特性に測定可能な効果がもたらされる。
ｆ）単一塩基不適合ｓｂｍＤＮＡがセンサーに曝されると、該ＤＮＡはプローブとハイブリッドを形成し、これによって測定上異なった装置特性がもたらされる。

ＮＴＮＦＥＴ装置は、先行特許文献、特に米国特許出願第１０／１７７９２９号、同第１０／６５６８９８号及び同第１０／７０４０６６号各明細書に記載されている手順に従って調製した。これらの特許文献の記載内容も本明細書の一部を成すものである。電流は、接点を用いて測定できる電気的特性である。接点は、基板上に配置されてもよい導電性素子を具有しており、該導電性素子はナノチューブの網状構造体と電気的に接続する。

本発明の一部の実施態様においては、付加的な導電性素子（ゲート電極）が配置され、該電極は少なくとも１個のナノチューブとは電気的に接続せず、ゲート電極と少なくとも１個の該ナノチューブとの間には電気的キャパシタンスが存在する。１つの好ましい例示的な実施態様においては、ゲート電極は、酸化ケイ素の下部の基板内の導電性面である。この種のナノチューブ電子装置例は前記の米国特許出願第１０／６５６８９８号及び同第１０／７０４０６６号各明細書に記載されている。

センサーＮＴ装置は、標準的な、標準的な写真印刷法によって、例えば、１００ｍｍのウェーハ上に形成させてもよい。ＮＴＦＥＴ装置は、分散された鉄のナノ粒子（成長促進剤）とメタン／水素混合ガスを使用する９００℃での化学蒸着法（ＣＶＤ）によって成長させたＳＷＮＴを用いて製造してもよい。電気的リード線は、金層（厚さ：１２０ｎｍ）で被覆したチタン膜（厚さ：３０ｎｍ）からナノチューブの上部へパターン状に形成させた。最初の電気的測定をおこなって装置の特性を確定した後、ＤＮＡの実験を実施する前に、基板をワイヤで連結させ、４０−ピンＣＥＲＤＩＰパッケージ内へ収納した。パッケージ上のワイヤと接点パッドはエポキシ樹脂で被覆し、該樹脂は硬化させた。ＤＮＡの実験は、一滴のＤＮＡ溶液を該パッケージ上へ滴下することによっておこなった。該パッケージは、該液滴の蒸発を防止するために水約１００ｍＬをいれたビーカーを保有する密封ジャー内に収容した。

ＮＴＦＥＴ装置の電子的特性の測定、例えば、印加されたゲート電圧の関数としてのＳ／Ｄ電極間の電流の測定は同時測定システム（ＰＭＳ）を用いておこなった。このシステムを使用する場合には、ナノチューブに基づく１２個までのセンサーの装置特性を同時に測定することが可能である。３２個の独立アナログ型スイッチから成る一組のスイッチはＰＣを介してデジタル方式で調整され、これによって、測定すべき接点はユーザーによって選択される。印加された電源−ドレインのバイアス及びゲート電圧はユーザーによって規定される（振幅、周波数、機能）。このシステムを用いることによって、装置の電導度は時間とゲート電圧の関数として測定することができる。

Ｂ−２：調製手順
Ｂ−２．１ チップの調製
各々のチップを使用する前に、該チップをパッケージ処理に付し、次いでワイヤと接点をエポキシ樹脂で被覆し、該エポキシを硬化させた。該チップを噴射瓶からのアセトン、イソプロパノール、脱イオン水を用いてすすぎ、最後に規定された清浄化法に従って清浄処理に付し（以下のセクションＢ−２．２参照）、次いで初期のＩ−Ｖｇ曲線を得た。

Ｂ−２．２ 洗浄手順
パッケージ化チップを純水（１８ＭＷ）の噴霧によって簡単に洗浄することによって表面上の検体を除去した。結晶皿内において、０．０１Ｍの燐酸塩で緩衝化した塩溶液（ｐＨ：７．４／２５℃）約５０ｍｌをチップ上に注いだ。該チップはオービタルシェーカー（orbital shaker）上で５分間洗浄し（速度設定値：６）、次いで溶液を廃棄した。さらに、チップは同様の操作により、１８ＭＷの水を用いて４回洗浄した。

Ｂ−２．３ Ｉ−Ｖｇ曲線
チップ上の全ての装置についてＩ−Ｖｇ曲線（走査ゲート電圧に対してＮＴＦＥＴ電流をプロットした曲線）を得たが、ここでは各々のチップの１つについてのみ示す。各々の場合に示す曲線は、各々のチップに関して得られた曲線の代表例であると考えるべきである。

Ｂ−３ ピレン−標識化とＤＮＡ
Ｂ−３．１ ピレン単層の形成
パッケージ化チップ（この場合は、Ｗ５１７ ２６：２１）を清浄化した後、初期のＩ−Ｖｇ測定をおこなった。Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を溶媒とするピレンブタン酸サクシンイミジルエステルの２．５ｍｇ／ｍｌ溶液を、該ピレン誘導体３．０８ｍｇＤＭＦ１．２３２ｍｌに溶解させることによって調製した。この溶液５０ｍｌをチップの表面上に存在させ、該チップを、蒸発による液滴の発生を防止するために、ＤＭＦを含む開放容器を設置したチャンバーの内部において、室温下で２時間密封した。次いで、チップを取り出し、ＤＭＦ、アセトン及びイソプロパノールを用いてすすいだ後、清浄化処理に付し（セクション２．２参照）、Ｉ−Ｖｇ曲線を得た。

Ｂ−３．２ ＤＮＡの共有結合的結合
ＤＮＡ−ＮＨ_２溶液２０ｍｌをチップの表面上に存在させ、次いで、該チップを、湿気を付与すると共に、蒸発による液滴の発生を防止するために、水を含む開放容器を設置したチャンバーの内部において、室温下で一夜密封した。チップを取り出し、洗浄手順に従って洗浄し、次いでＩ−Ｖｇ曲線を得た。

Ｂ−４ ＤＮＡハイブリッド形成の検出
Ｂ−４．１ 検出手順
ＤＮＡオリゴヌクレオチドの１０^−４Ｍ溶液を、燐酸塩で緩衝化した０．０１Ｍ塩溶液（ｐＨ：７．４／２５℃）で希釈化することによって、該オリゴヌクレオチドの１０^−６Ｍ溶液を調製した。このＤＮＡ溶液２０ｍｌを、セクションＢ−３に従ってＤＮＡ−ピレン層によって機能化させたチップの表面上に存在させた。該チップを、湿気を付与すると共に、蒸発による液滴の発生を防止するために、水を含む開放容器を設置したチャンバー内において、室温下で一夜密封した。チップを取り出し、洗浄処理に付した後、Ｉ−Ｖｇ曲線を得た。

Ｂ−４．２ ｃＤＮＡ
チップ（Ｗ５１７ ２６：２１）をセクションＢ−３に従って機能化させ、次いでセクションＢ−４．１に従って、ｃＤＮＡを用いて処理した。

図７ＡはＩ−Ｖｇ曲線を示すもので、該曲線は右側にシフトしており、このことは、当該装置が、共有結合的に結合したＤＮＡとｃＤＮＡとのハイブリッド形成を検出できることを示す。該曲線の右側へのシフトは、二重鎖ＤＮＡを存在させた先の実験において観察されたシフトと一致する。

Ｂ−４．３ ＳＮＰ−ＤＮＡ
セクションＢ−３に従って、チップ（Ｗ ５１７ ２６：２４）を機能化させた後、セクションＢ−４．１に従って、ＳＮＰ−ＤＮＡを用いて処理した。

図７ＢはＩ−Ｖｇ曲線を示すもので、該曲線の右側へのシフト度はあまり大きくはない。このことは、当該装置に結合したＤＮＡに対するＳＮＰ−ＤＮＡの部分的で不完全な結合に起因するか、又は、ＳＮＰ−ＤＮＡが洗浄過程中に洗い流されることによると考えられる。何故ならば、この程度のシフト度はドリフトに関連することが示されているからである（これはナノチューブに吸着された水の非常に薄い層に起因すると考えられる）。いずれにしても、当該装置によってｃＤＮＡとＳＮＰを区別できることは明らかである。

Ｂ−４．４ ＳＮＰ−ＤＮＡ＋ｃＤＮＡ
ＳＮＰ−ＤＮＡを用いて予め処理したチップ（Ｗ ５１７ ２６：２４）を、セクションＢ−４．１に従って、ｃＤＮＡを用いて処理した。

図７ＢはＩ−Ｖｇ曲線を示すもので、該曲線は右側へシフトしており、このシフトは、セクションＢ−４．２においてｃＤＮＡを用いたときに見られたシフトと類似する。このことは、ＳＮＰ−ＤＮＡに曝された後のｃＤＮＡを当該装置によって検出できることを示す。ＳＮＰ−ＤＮＡがセクションＢ−４．３において洗い流されないならば、ｃＤＮＡはＳＮＰ−ＤＮＡと置換し、これによって、セクションＢ−４．２又は本明細書のその他の部分におけるハイブリッド形成に対して得られたデータと一致する結果がもたらされる。

ナノスケールの電子装置であるＮＴＦＥＴは少量の核酸（ＲＮＡ及びＤＮＡ）のリアルタイムでの監視と検出のために使用してもよい。ＤＮＡオリゴヌクレオチドのハイブリッド形成のアッセイに関しては、ＮＴＮＦＥＴ装置を用いて少量の単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）を検出することができる。このようなアッセイは、従来法に比べて迅速かつ高感度でおこなうことができ、また、例えば、ＤＮＡ重複の必要なサイクル数を低減させるか、又はＰＣＲを不要とする。

２個のＤＮＡ鎖の間に単一の不適合塩基が存在するときには、ハイブリッド形成は発生するが、不適合に起因するキンク（kink）とのハイブリッド形成錯体の安定性は劣る。このような不適合は単一ヌクレオチドポリモフィズム（single nucleotide polymorphism;ＳＮＰ）と呼ばれているが、該不適合は、ヒトゲノム（Human Genome）プロジェクトの結果として発見されたものである。ＳＮＰは市販の遺伝子テストのためのキー標的であって、ＮＴＮＦＥＴ装置によって潜在的に同定することができる。

実施例Ｃ
ナノ電子装置を用いるＤＮＡアッセイ
本発明の特徴を有する多数の異なる例示的なＤＮＡ又はその他のポリヌクレオチドのアッセイ態様を図８〜図１２に示す。以下において説明する構造と方法は例示的なものであって、他の実施態様においては、本明細書の別の部分に記載されている構造と方法を使用してもよい。異なる実施態様において、実質上類似の要素が含まれる場合には、各々の実施態様の説明において該要素を示すためには同じ参照番号を使用する。

Ｃ−１ 構造
図８〜図１２に示すように、センサー１０は、少なくとも１個のナノ構造体を有するプラットフォームを具備する。ナノ構造体としては、基板１４に隣接して配置されと共に、少なくとも電源電極１６とドレイン電極１８との間に電気的に接続されるナノチューブ１２が例示される。

所望により、該装置は、少なくとも１個の付加的な電極、例えば、ナノチューブ１２に隣接して配置されるゲート電極２０を具備していてもよい。図示するゲート電極２０は基板１４に埋設されているが、別のＮＴＦＥＴセンサーの実施態様に関連して先に説明したように、別のタイプの電極（例えば、ボトムゲート電極、トップゲート電極及び／又は液状ゲート電極等）を別の設置方法で配設してもよい。

図６〜９においては、電極１６及び１８と単純な末端接触様式で単一のナノチューブ１２が模式的に示されているが、本発明の技術的思想を逸脱することなく、先に説明したようにして、別のナノ構造体の設置様式を採用してもよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、別の構造体を模式的に示す。図１０Ａは、ナノチューブによって相互連結された複数の伝導体の「アイランド（island）」を示す。また、図１０Ｂはナノチューブの網状構造体の一態様を示すもので、複数のナノチューブは、相互に連絡するナノチューブの網状体又は膜を形成し、これによって、電源電極とドレイン電極との間に導電性の溝がもたらされる。この種のナノチューブ膜においては、個々のナノチューブは電源電極とドレイン電極との間にスパンを必要とせず、また、導電性の溝は、相互に直列状に接続する複数のナノチューブを介して１又は複数の溝又は経路を含んでいてもよい。好ましくは、この種のナノチューブの網状体の密度及び／又は組成は、所望の伝導度とセンサー感度が得られるように、調整された化成（formation）及び／又は後化成の修正によって選択される。所望により、複数の電源及び／又は複数のドレイン電極、例えば、この種の電極が交互に噛み合う一連の電極を含んでいてもよい。ナノチューブ１２は、電極の下部及び／又は側部及び／又は上部に配置させてもよい。

ナノチューブ膜は基板上へ、例えば、ナノ分散触媒を仲介するＣＶＤ又は溶液沈着法等によって直接的に形成させてもよい。あるいは、ナノチューブ膜を別途に調製し、別の工程として、基板１４上へ直接的又は膜キャリヤー層を含めて付着させてもよい。これらに関しては、前記の米国特許出願第１０／１７７９２９号及び第１０／８４６０７２号各明細書を参照されたい。基板１４は硬質構造体（例えば、半導体ウェーハ、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等）であってもよく、あるいは、可撓性体（例えば、ポリマー製のシートやウェブ等）であってもよいことに留意すべきである。ナノチューブ膜の一部は基板の一部から選択的に除去することによって、電極１６と１８との関連においてナノチューブ膜を調整してもよい。

同様に、接点又は電極（１６及び１８）及び／又はゲート電極若しくは付加的電極を、ナノチューブ１２の形成前若しくは形成後において沈着させるか、又は形成させてもよい。所望により、信号処理等のために、付加的な電子回路を基板１４上においてセンサー１０と一体的に形成させてもよい。センサー１０と所望の素子の製造においては、集積電子回路の素子や層を製造するための既知の方法（例えば、ＣＶＤ、真空蒸着、写真印刷、マスキング、化学的エッチング、スピンコーティング、基板のドーピング、基板の酸化物形成及び基板の窒化物形成等）を採用してもよい。

同様に、図示するセンサーは、前述のようにして、センサーの集積アレイに含ませてもよい。所望により、他のセンサーとＮＴＦＥＴの態様（例えば、接点の不動態化、基板を被覆する誘電体及び／又は触媒保有層、及びナノ構造体状の疎水性被覆層等）に関連して先に説明したエンハンスメント（enhancement）とその他の素子を、以下において説明する態様に含めてもよいことに留意すべきである。

Ｃ−２ 検出プローブ
図８〜図１０に示すように、センサーは検出プローブ（例えば、プローブ２２）を具備しており、該プローブはリンカー基、例えば、リンカー２６を具有し、該リンカーはナノチューブ１２と連結し（好ましくは非共有結合的に連結する）、これによって、プローブをセンサー１０と結合させる。ｃＤＮＡ２４は、その１つの部位においてリンカー２６と結合する（好ましくは共有結合的に結合する）。この場合、該ｃＤＮＡも、リンカー２６から外側へ延びる露出された相補塩基配列を有する。リンカーは、ナノチューブ１２に対しては非共有結合的に結合すると共にｃＤＮＡ２４に対しては共有結合的に結合するような構造を有する分子又は基（例えば、ピレンのような芳香族分子及び／又はポリマー）であってもよい。

リンカー基は１つよりも多くのｃＤＮＡと結合していてもよく、あるいは逆に、ｃＤＮＡを、リンカーの特性とコンフォメーションに応じて、１つよりも多くのリンカー基へ結合させてもよい。例えば、分散型（distributed）ポリマー層を含むライナー基（liner group）は、該ポリマー層の異なる点に結合した複数のｃＤＮＡ分子を有していてもよい。

この点に関しては、この明細書の発明の概要に関する箇所において説明したｄｓＤＮＡ、ｓｓＤＮＡ、ｃＤＮＡ及びその他のヌクレオチド種の定義に留意すべきである。

別の特定の実施態様においては、ｃＤＮＡは必ずしもデオキシリボースポリヌクレオチドである必要はなく、選択された標的配列との少なくとも部分的なハイブリッド形成をもたらすその他の標的特異性ポリヌクレオチド種（例えば、ＲＮＡ、及び変性若しくは置換ＤＮＡ等）を含んでいてもよい。

同様に、標的「ｓｓＤＮＡ」分子は必ずしも離散した完全変性デオキシリボースポリヌクレオチド鎖である必要はなく、ＲＮＡ、ｄｓＤＮＡ、部分的に変性されたｄｓＤＮＡ、及び粘着末端を有する種等を含んでいてもよい。この場合、標的分子は、プローブのｃＤＮＡとの少なくとも部分的なハイブリッド形成をもたらす標的ヌクレオチド配列を含む。

図８Ａに示す態様においては、標的塩基配列３２とのハイブリッド形成によって、ＤＮＡ３０の単鎖フラグメントを検出するプローブ２２が図示される。適当なセンサー回路（図８〜１２においては図示せず）をセンサー１０へ連結させることによって、ＤＮＡ３０のハイブリッド形成に対するセンサー１０の電気的応答を、別のセンサーの実施態様に関連して先に説明した方法によって、検出及び／又は定量する。例えば、電源１６とドレイン１８との間の電導度はハイブリッド形成によって変化し、この変化が測定される。あるいは、ＮＴＦＥＴ ＤＮＡセンサーの実施態様においては、ＤＮＡ３０のハイブリッド形成は、ゲート電極２０の電圧が選択された電圧の範囲内において変化するときに発生するセンサー１０の装置特性のシフトをもたらす。ハイブリッド形成を検出するためには、センサー１０の付加的な特性又は別の特性を測定してもよい。

本発明の観点による特定の適用においては、ｃＤＮＡ ２４と選択された標的配列の比較的完全なハイブリッド適合（hybrid match）並びに標的配列のこれとは対照的な部分的で不連続状及び／又はループ状ハイブリッド形成とを識別するためにセンサー１０を使用してもよい。センサー１０は、このハイブリッド形成現象に対して電気的に応答し、標的配列３２に対するプローブｃＤＮＡ ２４のハイブリッド形成の程度及び／又は特徴を反映する信号特性をもたらす。例えば、対応するプローブ配列に対して単一の塩基不適合（ｓｂｍＤＮＡ）を有する配列の部分的なハイブリッド形成によってもたらされる信号は、完全な適合配列のハイブリッド形成を識別することができる。センサー１０のこの機能によって、特に単一ヌクレオチドの多形現象（ＳＮＰ）の特性がもたらされる。

この点に関しては、ｓｓＤＮＡがＲＮＡポリヌクレオチド、ヘテロ若しくは変性ポリヌクレオチド、プラスミド、ウイルス性フラグメント、二重鎖ＤＮＡフラグメント（例えば、結合末端又はプローブ２２とのハイブリッド形成に対して得られる他の露出鎖標的部）、部分的にアニールされたｄｓＤＮＡフラグメント又はオリゴヌクレオチド等であってもよいことに留意すべきである。

本発明による例示的な方法においては、プローブ２２は、選択された標的配列３２に適合させるように調製してもよく、ｃＤＮＡは既知の方法によって得られる。規定された配列を有するオリゴヌクレオチドの常套の合成法用の市販原料が入手可能であり、関連する配列は、多くの既知法（例えば、ＰＣＲ、逆転写、及びプラスミド増幅等）によって入手し、変性させ、及び／又は増幅させることができる。この点に関しては、ｃＤＮＡが、標的配列３２（例えば、リンカー２６へ結合させるために選択される尾部若しくは頭部、精製過程、増幅過程及び／又は加工過程のために選択される尾部若しくは頭部、及び所望による標識基等）に対して相補的なヌクレオチド配列を含んでいてもよいことに留意すべきである。次いで、ｃＤＮＡ ２４を既知の反応と方法（例えば、ピレンのＤＮＡ−５’−アミンの形成）によってリンカー基２６（例えば、ピレン）へ結合させることによってプローブ２２を調製してもよい。

予め調製したセンサーのプラットフォーム１０を、例えば、プローブ２２の溶液又は懸濁液を用いて処理してリンカー２６をナノチューブ１２に、例えば、ナノチューブ１２のグラファイト格子に結合したピレン分子のπ−π堆積（stacking）によって結合させた後、洗浄と乾燥処理に付すことによって機能化させてもよい。次いで、機能化されたセンサー１０は、試料媒体中に懸濁させた標的配列３２を有する被検体であるｓｓＤＮＡを検出するために使用してもよい。適当な検量試験をおこなってもよい。この検量試験は、例えば、標的配列３２を欠く既知のｓｓＤＮＡを含む同じ試料媒体にセンサー１０を曝すことによっておこなうことができる。

別の例示的な使用方法においては、予め調製したセンサー１０のプラットフォームをリンカー基の材料２６（例えば、ｃＤＮＡ ２４の一部と反応するか又は結合するように選択されるポリマー）標的特異性ｃＤＮＡ ２４を調製し、次いで、該ｃＤＮＡ ２４の結合によりセンサー１０を機能化させることによってプローブ２２をその場で調製してもよい。

本発明の観点による別のセンサーの態様（図示せず）においては、アレイセンサー系は間隔を置いて配置された複数のセンサー１０を具備する。このアレイは前述のようにして予め調製されていてもよく、また、センサー１０は、複数の異なるプローブ（各々のプローブは、特定の選択された標的配列に対して特異的なｃＤＮＡを有する）の１つによって別々に機能化されていてもよい。例えば、インクジェット型塗布法を使用することによって、予め設定された機能化パターンを有するアレイを処理してもよい。このような多機能化アレイを使用してもよく、これにより、複数の異なる標的ＤＮＡ配列に関する試験を、単一の被検体試料媒体を用いて実質上同時におこなうことができる。

既知の形態を有する信号処理回路を使用することによって、直列、並列又はいずれかの所望のパターンで配置された複数のセンサー１０のアレイからの信号を処理してもよい。付属的な要素（例えば、ミクロ液体溜め、チャンネル、ニードル、バルブ、ポンプ及び／又はインジェクター等）をアレイの態様に含めてもよく、該態様によれば、制御されたセンサーの機能化、センサーの洗浄／再状態調整、及び／又は制御されたセンサーの検量等が可能となる。

Ｃ−３ 別のアッセイ態様
図８Ｂ及び図９は、本発明による別のアッセイ態様を示す。このうちの１又は複数の態様は、前述の態様の代わりに使用してもよく、あるいは該態様と併用してもよい。

図８Ｂは、本発明の観点による別の実施態様を模式的に示すもので、電気的に活性なインターカレータ（intercalator）３４が配置され、該インターカレータは試料媒体中に導入され、及び／又はハイブリッド形成後に別に導入される。インターカレータ３４は、プローブ２２−標的配列３２との錯体のハイブリッド形成部（二重鎖領域）と連絡し、これによってセンサー１０の測定された応答の増幅及び／又は修正がおこなわれ、また、ハイブリッド形成の測定及び／又は検出が促進される。

図８Ｃ〜図８Ｆの構造に示すように、これらの実施態様には電気的に活性なインターカレータ（例えば、ダウノマイシン、メチレンブルー、Ir(bpy)(phen)_３ ^＋等）及び溝バインダー（例えば、Ｒｕ(ＮＨ_３)_５Ｃｌ_２ ^＋等）の使用又は併用が含まれる。

図９Ａは、本発明の観点による別のアッセイ態様を模式的に示す。この場合、ｓｓＤＮＡ ３０の第二の部位とハイブリッド形成するような形態を有する二次的な又はサンドイッチ状のプローブ４０が使用される（サンドイッチ配列４４）。このサンドイッチプローブ４０は、サンドイッチ配列４４に対して相補的な塩基配列を含む部分を有する第２のｃＤＮＡ ４２を含有する。ｃＤＮＡ ４２は、増幅基４６に対して好ましくは共有結合的に結合した部分を含む。この増幅基４６は、検出プローブ２２に対する標的配列３２のハイブリッド形成に際してのセンサー１０の信号応答の増幅又は修正のために使用される。増幅基４６は、さらなる反応を伴うことなく、検出及び／又は定量が可能な信号をセンサー１０にもたらす基又は標識であってもよい。あるいは、増幅基４６は、他のプロモータ物質（例えば、化学的又は生化学的な基質等）とのさらなる反応によって検出及び／又は定量が可能な信号をセンサー１０にもたらす基であってもよい。図９Ａ〜図９Ｃに増幅基を例示する。

図９Ａに示すアッセイに関しては本発明の観点による多くの使用態様がある。例えば、下記の過程ａ）〜ｆ）を含む使用態様が挙げられる：
ａ）センサー１０のナノチューブ１２へプローブ２２を結合させ、
ｂ）標的配列３２を有する被検体ｓｓＤＮＡを含有すると推定される試料を用いてセンサー１０を処理することによって、ｓｓＤＮＡ ３０が存在する場合には、これをプローブ２２に結合させた後、洗浄処理をおこない、
ｃ）選択された増幅基４６を有するサンドイッチプローブ４０を含有する溶液を用いてセンサー１０を処理することによって、ｓｓＤＮＡ ３０が存在する場合には、これにサンドイッチプローブ４０を結合させた後、洗浄処理をおこない、
ｄ）選択された増幅基４６に対して必要な場合には、別のプロモータ物質を含有する溶液を用いて処理し、
ｅ）センサー１０から信号を入手し、次いで
ｆ）該信号を分析することによって、被検体であるｓｓＤＮＡ ３０の存在及び濃度を決定する。

上記の過程ａ）〜ｆ）は別の順序でおこなってもよい。例えば、過程ｃ）は、過程ｂ）の前におこなわれる被検体試料の処理の前処理であってもよい。同様に、付加的な検量過程を所望により種々の回数でおこなってもよい。洗浄過程は例示的なものであり、当業者であれば、本発明の技術的思想を逸脱することなく、過度の実験を伴わないで特定の用途に対して当該方法を容易に適合させるか、又は最適化することができ、これによって、複合汚染やその他のエラーの原因が回避される。

特定の実施態様においては、サンドイッチ配列４４は試料ＤＮＡフラグメント中に存在することが予想される共通の配列であってもよく、また、標的配列３２は、試料中での存在が未知の被検体−特異的配列であってもよい。あるいは、プローブ４６は、プローブ２２の比較的高い標的−特異的結合性に比べて、試料ＤＮＡに対して相対的に非特異的な結合性を示すような構造形態を有していてもよい。この点に関して、プローブ４６は、所望により、試料ＤＮＡに対する結合性を促進し、及び／又はプローブ２２の望ましくないブロッキングを防止するような付加的な基を含んでいてもよい。

特定の実施態様においては、増幅基４６は、化学的又は生化学的基質との酸化／還元又はその他の反応をもたらすことによって、センサー１０に対して検出可能な応答を示すような影響を及ぼすようなプロモータ又は触媒（例えば、酵素等）を含んでいてもよい。例えば、増幅基４６はウレアーゼを含んでいてもよい。前記の過程ｄ）には、結合したプローブが存在する場合には、尿素溶液を用いて処理することによってアンモニアと二酸化炭素を発生する過程が含まれていてもよく、これによって該溶液のｐＨが修正され、センサー１０からの信号の検出可能な変化がもたらされる。使用してもよい別の酵素系としてはコリネステラーゼ、ペルオキシダーゼ（例えば、ＨＲＰ等）及びグルコースオキシダーゼ等が例示される。増幅基４６としては、さらにフェロセン、ナノ金属粒子及び標識（例えば、ナノ粒子及びタンパク質等）が例示される。

図９Ｅは、本発明の観点によるアッセイの別の実施態様を模式的に示す。このアッセイ態様においては、サンドイッチプローブ４０及びｓｓＤＮＡ ３０は、一般的には、図９Ａに関連して説明したものと類似する。

しかしながら、図９Ｅに示す実施態様においては、検出プローブ５０は拘束基（tether group）５７及び対応する検出基（detector group）５３を含んでおり、これらの基は相互に連結するか、又は結合する。拘束基５７は、拘束種（この場合には、抗体５６）に接続されたリンカー５８を含む。検出基５３は、拘束基−適合性種に結合されたｃＤＮＡを含む。この場合、抗原５４は、レセプター又は抗体５６の結合部位へ結合するような構造形態を有するエピトープを含むように選択される。

例えば、図９Ｅに示すように、抗原５４はビオチンを含んでいてもよく、また、抗体５６はストレプタビジンを含んでいてもよい。別の実施態様（図示せず）においては、配置様式は図９Ｅに示す場合と逆であってもよい。例えば、抗原はリンカーへ連結させてもよく、また、抗体はｃＤＮＡへ連結させてもよい。拘束基と拘束基−結合性種を組み合わせる別の態様を採用してもよい。この場合、拘束基と拘束基−結合性種は、相互に容易に連結するか、又は結合することによって自己集合化検出プローブ５０を形成するように選択される。

一般的には、拘束基５７と検出基５３は別々に調製してもよいことに留意すべきである。例えば、拘束基５７を含む部分的に機能化させたセンサーのプラットフォームを調製し、検出基５３を含まない状態で供給して保存してもよい。このようなサブアセンブリーは、ポリヌクレオチド（例えば、エンドヌクレアーゼ及びエキソヌクレアーゼ等）を特異的に分解させる物質や条件に対する損傷性を有さない。従って、この実施態様は、標的−特異性ｃＤＮＡを含まないセンサーアセンブリー（即ち、比較的一般的なセンサー）を予め調製した後、試料の測定時又は測定直前に拘束基へ簡便な方法（自己集合又は簡単な反応による方法）で連結又は結合することが可能な多数の異なる標的−特異性検出基のいずれか１つの検出基を導入することが望ましいような用途に対して特に適している。迅速で強力な選択的抗原−抗体結合反応は、拘束基／拘束基−適合系の好ましい態様である。

図９Ｅに示す拘束基／拘束基−適合系は、本発明の観点による別の実施態様（例えば、類似の利点をもたらす図８〜図９Ｄに示す実施態様）と併用してもよい。同様に、特定のセンサー１０は、拘束基／拘束基−適合系の１つよりも多くの組合せを用いて機能化させてもよい。この場合、各々の検出基は選択された同型のｃＤＮＡを有する。特定の交差反応性が要求される特定の用途においては、１種よりも多くのｃＤＮＡを特定のセンサーに使用してもよい。しかしながら、より一般的には、センサーは、最大の標的選択性がもたらされるように設定される。

さらに、自己集合性の拘束基／拘束基−適合系は、複数のセンサーに結合させた拘束基を用いて比較的一般的なセンサーアレイを予め調製できるという点において、本発明の観点によるセンサーアレイの実施態様において特に有用である。次いで、センサーアレイのパターン化された標的−特異性機能化を完全にするために、異なる標的−特異性検出基の選択されたパターンを既知の方法（例えば、マルチ化又は自動化ピペット系を用いる方法又は「インクジェット」法）によって適用する。

Ｃ−４ 別のセンサー集成装置
図１０Ａ及び図１０Ｂは、「島状」センサー７０及び「ナノチューブ網状」センサー７２をそれぞれ示すもので、いずれも本発明の特定の観点による実施態様である。これらの態様は、図８及び図９に示すアッセイ態様に対して一般的に適用される。ナノ構造体１２（この場合は単一壁のカーボンナノチューブである；「ＳＷＣＮＴ」又は省略して「ＮＴ」で表示する）は電源電極１６及びドレイン電極１８と電気的に接続する。１つの実施態様７２においては、複数のナノチューブ１２は電源電極１６とドレイン電極１８との間において相互に連結する網状構造体を形成する。リンカー基７６は、ｃＤＮＡ鎖７４をナノチューブ１２と連結させてもよい。ｓｓＤＮＡ鎖７８は、ｃＤＮＡ鎖７４の近傍まで拡散してもよい。

図１０Ｃ及び図１０Ｄは、ｃＤＮＡ鎖７４とナノチューブ１２との連結がリンカー基７６の作用によることを模式的に示す。図１０Ｃに例示するように、有機基７６（例えば、ピレン）はｃＤＮＡ７４等へ共有結合的に結合し、また、図１０Ｄに例示するように、反応性ポリマー基７６’はｃＤＮＡ７４等へ共有結合的に結合する。両方の基がｃＤＮＡ７４等へ共有結合的に結合してもよい。

図１１Ａ及び図１１Ｂは別のセンサー構造体８０及び８２を示す。この場合、ｃＤＮＡ８４は基板１４’（例えば、ケイ素ウェーハを被覆する二酸化ケイ素層等）の表面上へ化学的結合（例えば、共有結合）を介して結合する。図１１Ｃは、一連の工程（工程１〜３）に示すように、既知の反応体と方法を採用することによってｃＤＮＡ８４を基板１４へ結合させるための一連の工程を含む別の結合法を示す。ｓｓＤＮＡ８８及びｃＤＮＡ８４とのハイブリッド形成はそれぞれセンサー８０又は８２の電気的特性に影響を及ぼし、これによって、一般的には前述の種々のアッセイ態様の場合に類似する検出信号をもたらす。

図１２Ａ及び図１２Ｂは別のセンサー構造体９０及び９２を示す。この場合、ｃＤＮＡ９４は電極又は接点１６’及び１８’の表面上へ、既知の反応体と方法によって化学的結合（例えば、共有結合等）を介して結合する（例えば、ｃＤＮＡの５’末端におけるＤＮＡ−５’−チオールの形成による結合）。電極は裸電極であってもよく、あるいは酸化表面又は被覆表面を有する電極であってもよい。あるいは、ｃＤＮＡ９４はポリマーリンカー基等によって接点１６’及び１８’へ結合してもよい。ｓｓＤＮＡ９８及びｃＤＮＡ９４とのハイブリッド形成はそれぞれセンサー９０又は９２の電気的特性に影響を及ぼし、これによって、一般的には前述の種々のアッセイ態様の場合に類似する検出信号をもたらす。

Ｃ−５ 別の分離と精製
ナノチューブ装置１０の近傍においてゲノムＤＮＡから標的ＤＮＡを分離するためには、当該分野において知られている種々の標識基を使用してもよい。例えば、ゲノムＤＮＡから標的ＤＮＡを付加的な工程として分離するためには、標識（例えば、ナノ粒子、タンパク質等）を使用してもよい。あるいは、このような分離に対しては、磁気ビーズ又は抗体を使用してもよい。本発明の観点による特定の実施態様においては、予備的な測定試料ＤＮＡの精製及び／又は分離（segregation）等は、統合した試料の加工／測定系の一部として、センサー又はアレイの実施態様におけるセンサーアレイに近接しておこなわれ、また、このような操作には磁気的制御及び／又は静電的制御等が含まれていてもよい。所望により、マイクロプロセッサー又はコンピュータを組み入れることによって、試料ＤＮＡの精製及び／又は分離並びに試料の検出及び測定を制御して調整してもよい。

以上の記載において、ナノチューブセンサー装置の好ましい実施態様について説明したが、当業者には明らかなように、これらの装置系に係る特定の利点は得られている。また、本発明の範囲と技術的思想の範囲内において、上記の実施態様の種々の修正、改良及び変更等をおこなってもよい。以上の本発明は、特許請求の範囲の記載によって規定される。

ナノチューブトランジスター装置に関する例示的な電導度曲線を示す模式図である。 ナノチューブのランダムな網状構造体を用いたナノチューブセンサーに関する例示的な形態を示す模式図である。 図２に示す例示的なナノチューブセンサーの模式的な断面図である。 実施例Ａに記載の本発明によるナノ電子センサーの製造法の例示的な工程を示すフローチャートである。 本発明によるポリヌクレオチドの検出方法の例示的な段階を示すフローチャートである。 ３つの環境下におけるナノチューブ電子装置に関するゲート電圧の関数としての電導度を示すチャートである。 ピレン−ＤＮＡ接合体を用いる機能化処理及びｃＤＮＡを用いる処理に付した後の実施例Ｂに記載のセンサーの装置特性を示す。 ピレン−ＤＮＡ接合体を用いる機能化処理、ＳＮＰ−ＤＮＡを用いる処理及びｃＤＮＡを用いる処理に付した後の実施例Ｂに記載のセンサーの装置特性を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、センサーに結合させた検出プローブを使用する例示的なＤＮＡアッセイの実施態様を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、電子活性なインカレータを使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、電子活性なインカレータを使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、電子活性なインカレータを使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、電子活性なインカレータを使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、電子活性なインカレータを使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、増幅基を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、増幅基を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、増幅基を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、増幅基を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、センサーに検出プローブを結合させる抗体−抗原結合を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様を示す。 本発明の特定の観点による実施態様であって、センサーに検出プローブを結合させる抗体−抗原結合を使用する別のＤＮＡアッセイの実施態様の構成成分を示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがナノチューブのようなナノ構造体に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがナノチューブのようなナノ構造体に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがナノチューブのようなナノ構造体に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがナノチューブのようなナノ構造体に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー基板に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー基板に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー基板に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー電極に結合した該センサーを示す。 本発明の特定の観点による２つの別の構造を有するセンサーであって、検出プローブがセンサー電極に結合した該センサーを示す。

１０ センサー
１２ ナノチューブ
１４ 基板
１６ 電源電極
１８ ドレイン電極
２０ ゲート電極
２２ プローブ
２４ ｃＤＮＡ
２６ リンカー
３０ ｓｓＤＮＡ
３２ 標的配列
３４ インターカレータ
４０ サンドイッチプローブ
４６ 増幅基
５０ 検出プローブ
５３ 検出基
５６ 抗体
５７ 拘束基
５８ リンカー
７０ 島状センサー
７２ ナノチューブ網状センサー
７４ ｃＤＮＡ鎖
７６ リンカー基
７８ ｓｓＤＮＡ鎖
８０ センサー構造体
８２ センサー構造体
８４ ｃＤＮＡ
８８ ｓｓＤＮＡ
９０ センサー構造体
９２ センサー構造体
９４ ｃＤＮＡ
９８ ｓｓＤＮＡ

Claims (16)

1. 下記の構成要素ａ）〜ｃ）を具備する、標的ポリヌクレオチド用電子センサーシステム：
   （ａ）少なくとも１つの電気的特性を有する少なくとも１つのセンサープラットホームであって、下記の要素i）〜iii）を具有する該センサープラットホーム：
   i）基板、
   ii）基板に隣接して配置された２つの導電性素子、及び
   iii）基板に隣接して配置された多数のナノチューブ：該多数のナノチューブは該２つの導電性素子と電気的に接続されており、多数のナノチューブの少なくともいくつかは該２つの導電性素子の１つまたは２つと直接的機械的な接触をしておらず、該多数のナノチューブの他のナノチューブによって該２つの導電性素子の該１つまたは２つに電気的に接続している、
   （ｂ）センサープラットホームに作動可能な状態で接続された少なくとも１つの検出プローブであって、下記の要素i）〜iii）を具有する該検出プローブ：
   i）センサープラットホームに接続して配置されたリンカー基であって、該多数のナノチューブの１以上、基板及び該２つの導電性素子の１つまたは２つのうちの１又は複数の要素に連結された該リンカー基、
   ii）標的ポリヌクレオチドに対して結合親和性を示す検出生体分子、および
   iii）リンカー基と検出生体分子との間の結合連結部；および
   （ｃ）該２つの導電性素子に接続された電子測定回路であって、センサープラットホームの少なくとも１つの電気的特性を測定するように設定された該電子測定回路、であり、
   検出生体分子が、標的ポリヌクレオチドのヌクレオチド標的配列に対して少なくとも部分的に相補的である少なくとも１つのヌクレオチド配列を有する検出ポリヌクレオチドを含有し、
   センサープラットホームに作動可能な状態で接続された少なくとも１つの検出プローブが、標的配列の少なくとも部分的なハイブリッド形成によって該プローブが標的ポリヌクレオチドと結合したときに、少なくとも１つの電気的特性に影響を及ぼすように設定され、
   リンカー基と検出ポリヌクレオチドとの間の結合連結部が、少なくともリンカー基と検出ポリヌクレオチドとの間の共有結合を含み、そして
   リンカー基が、ナノチューブと非共有結合的に相互作用するように設定された芳香族化合物を含む
   該標的ポリヌクレオチド用電子センサーシステム。
2. （ａ）該２つの導電性素子が、間隔をおいて基板に隣接して配置され、各々の２つの導
   電性素子が該多数のナノチューブと電気的に接続し、該多数のナノチューブが該２つの導
   電性素子間に少なくとも１つの伝導性溝を形成し、（ｂ）該２つの導電性素子が電子測定
   回路に接続され、センサープラットホームの少なくとも１つの電気的特性を測定するよう
   に設定された請求項１記載の電子センサーシステム。
3. 該２つの導電性素子が、相互に連結された多数の単層カーボンナノチューブを含有する
   網状構造体を含む請求項１記載の電子センサーシステム。
4. 該多数のナノチューブに隣接して配置されると共に電子測定回路へ接続されたゲート電
   極をさらに具備し、該電子測定回路が、センサープラットホームの少なくとも１つの電気
   的特性の測定中にゲート電極に対して選択的に少なくとも１ボルトのバイアスをかけるよ
   うに設定された請求項１記載の電子センサーシステム。
5. リンカー基と検出ポリヌクレオチド分子との間の結合連結部が、拘束種を含有し、該拘
   束種は、リンカー基に結合した少なくとも１つの拘束基及び検出ポリヌクレオチド分子に
   結合した少なくとも１つの拘束基−適合性基を含有し、該拘束基と拘束基−適合性基が、
   該拘束基と拘束基−適合性基との間の自己集合した結合連結部を増大させる相互親和性を
   有する請求項１記載の電子センサーシステム。
6. 少なくとも１つの拘束種が非生体分子を含有する請求項５記載の電子センサーシステ
   ム。
7. 少なくとも１つの拘束種が生体ポリマーを含有する請求項５記載の電子センサーシス
   テム。
8. 少なくとも１つの拘束種が、天然に存在する生体ポリマーと実質的に同等な合成ポリマ
   ーを含有する請求項５記載の電子センサーシステム。
9. 少なくとも１つの拘束基が、リンカー基に結合した抗体を含有し、少なくとも１つの拘
   束基−適合性基が、検出ポリヌクレオチドに結合した対応する抗原を含有し、該拘束基と
   拘束基−適合性基との間の相互親和性が、抗原のエピトープに対する抗体結合部位の親和
   性を含む請求項５記載の電子センサーシステム。
10. 少なくとも１つの拘束基が、リンカー基に結合したＭＨＣレセプターを含有し、少なく
    とも１つの拘束基−適合性基が、検出ポリヌクレオチドに結合した対応する結合性ペプチ
    ドを含有し、該拘束基と拘束基−適合性基との間の相互親和性が、対応するペプチドに対
    するＭＨＣレセプター親和性を含む請求項５記載の電子センサーシステム。
11. 少なくとも１つの拘束基が、リンカー基に結合したほ乳類の細胞表面レセプターを含有
    し、少なくとも１つの拘束基−適合性基が、検出ポリヌクレオチドに結合した対応するレ
    セプターの特異的結合性リガンドを含有し、該拘束基と拘束基−適合性基との間の相互親
    和性が、対応するリガンドに対する該細胞表面レセプターの親和性を含む請求項５記載
    の電子センサーシステム。
12. 少なくとも１つの拘束基が、リンカー基に結合したビロン・ホスト付着促進性表面基及
    び／又はビロン・エンドサイトーシス促進性表面基を含有し、少なくとも１つの拘束基−
    適合性基が、検出ポリヌクレオチドに結合した対応するほ乳類の細胞表面レセプターを含
    有し、該拘束基と拘束基−適合性基との間の相互親和性が、対応するビロン表面基に対す
    るほ乳類の細胞表面レセプターの親和性を含む請求項５記載の電子センサーシステム。
13. リンカー基と検出ポリヌクレオチド分子との間の結合連結部が、検出ポリヌクレオチド
    分子に結合された少なくとも１つの拘束基、およびリンカー基に結合された少なくとも１
    つの拘束基−適合性基を含有し、該拘束基と拘束基−適合性基が、該拘束基と拘束基−適
    合性基との間の自己集合した結合連結部を増大させる相互親和性を有する請求項１記載の
    電子センサーシステム。
14. １又は複数の拘束種が合成物質である請求項５記載の電子センサーシステム。
15. 該システムが複数の該センサーをさらに含有し、また、２以上の複数のセンサーに関し
    て、異なる標的特異性ｃＤＮＡプローブの選択された複合パターンの自己集合を可能にす
    るために、複数のセンサーの内の異なるセンサーが、明確に異なる相互結合親和性を有す
    る複数の拘束種対を含有する請求項５記載の電子センサーシステム。
16. センサープラットホームの電気的特性が、少なくともナノ構造素子のキャパシタンスで
    あり、また、該キャパシタンスの測定を可能にするように設定された対電極をさらに具備
    する請求項５記載の電子センサーシステム。

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