KR20020062283A - 나노바 코드로서의 콜로이달 로드 입자 - Google Patents

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KR20020062283A
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마이클 제이. 나탄
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써로메드, 인크.
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Abstract

본 발명은 자립성 입자에 관한 것이고, 이는 복수의 세그먼트를 포함하고, 길이가 10㎚ 내지 50㎛이고, 폭이 5㎚ 내지 50㎛이다.

Description

나노바 코드로서의 콜로이달 로드 입자{COLLOIDAL ROD PARTICLES AS NANOBAR CODES}
본 발명은 세그먼트화된 입자 물질의 조성물, 구별가능한 입자들의 어셈블리(이것은 세그먼트화 되거나 또는 되지 않을 수 있다) 및 이들의 용도에 관한 것이다.
의심할 여지 없이, 바이오분석 화학으로서 전통적으로 정의된 것의 패러다임이 변화하고 있다. 이런 새로운 기술의 주된 촛점은 "부피당 증가되는 정보 컨테츠"라고 불릴 수 있는 것을 만드는 것이다. 이런 용어는 여러가지 접근, 어세이를 수행하기 위해 요구된 샘플의 부피를 감소시키는 것에서부터, 매우 병렬적인 측정("다중화"), 예를 들면 고정화된 분자 어레이를 포함하는 것, 예를 들면 2-D 겔 전기영동 또는 CE-전기분무 MS/MS에 제 2(또는 제 3)의 정보 채널의 병합에 이르기까지를 모두 포함한다.
불행하게도, 이들 대다수의 외관상으로 혁명적인 기술은 비교적 개발속도가 늦은 재료, 방법 및 분석에 의존하는 것으로 제한된다. 예를 들면, Affymetrix, Incyte 및 유사한 회사들에 의한 유전자 발현 및 유전자형의 분석을 위한 DNA 마이크로어레이("유전자 칩")의 개발은 최대 20,000의 다른 단편 또는 DNA의 전장 조각을 공간적으로 정의된 1-㎠ 어레이에 고정화하는 수단을 생성하는 것이다. 그러나, 동시에 모든 경우에서 이들 칩의 사용은 평면의 표면상에 고정화된 DNA에 용액중의 DNA의 혼성화를 요구하고, 이것은 혼성화(특히 cDNA에 대한)의 효율의 감소 및 비특이 결합의 정도를 더 크게하는 두가지를 특징으로 한다. 이들 문제가 완전히 극복될 수 있는지에 대해서는 불명확하다. 게다가, 외부 기술을 얻기 위한 비용 및 DNA 어레이를 내부적으로 개발하기 위해 요구되는 리드 타임(lead-time)에 대한 일반적인 불만이 있다.
착수가 내부 툴에 의해 어떻게 느려질 수 있는지의 두번째 실예는 조합 화학에 의한 제약 개발에 있다. 순간적으로, 용액상의, 5 내지 10㎛ 직경 라텍스 비드는 분자 고정화를 위한 지점으로서 광범위하게 사용된다. 광범위하게 채택된 "스플릿 및 풀(split and pool)" 전략을 이용하는 것은 100,000 이상의 화합물들의 라이브러리를 단순하고 빠르게 만들 수 있게 한다. 결과적으로, 약 개발과정에서 병목현상은 합성으로부터 스크리닝 및 동등하게 중요한 화합물의 동정화(예를 들면, 어떤 화합물이 어떤 비드상에 있는가?)로 이전되고 있다. 후자에 대한 현재의 접근은 비드에 적용되는 각각의 합성 단계가 유기 "코드" 분자의 병렬적인 첨가에 의해 기록되는 "비드 코드화"하는 단계; 동정되어지는 비드상에 유도된 약물의 동정을 허용하는 코드를 판독하는 단계를 포함한다. 불행하게도, "코드 판독(code reading)" 프로토콜은 최적조건과는 거리가 멀다: 모든 전략에서, 코드 분자는 비드로부터 분리되어야 하고, HPLC, 질량 분석 또는 기타 방법에 의해 독립적으로 분석되어야 한다. 다른 말로, 이런 가능성이 바람직할 수 있는 다수의 스크리닝 프로토콜이 있지만, 잠재적으로 흥미로운 약물 후보를 이들이 존재하는 비드상에서 직접적으로, 빠르게 조사하는 것으로 동정하는 방법은 현재 없다는 것이다.
조합 화학과 유전자 분석 모두에 잠재적인 관련성을 갖는 두개의 대안적인 기술은 스펙트럼적으로 동정가능한 비드가 공간적으로 정의된 위치에 대해 치환하는 "자기-코드화된 비드"를 포함한다. 월터와 그의 동료(Walt and co-worker)에 의해 주창된 접근에서, 비드는 비드를 독특하게 동정하기 위해 고려된 형광 염료의 비율로 화학적으로 변형되고, 이것은 이어서 독특한 화학(예를 들면, 다른 항체 또는 효소)을 가지고 추가로 변형된다. 상기 비드는 이어서 하나의 비드가 각각의 섬유와 결합하도록 에칭된 섬유 어레이상에 무질서하게 분산된다. 비드의 동정은 그의 형광 판독에 의해 확인되고, 분석물은 다른 스펙트럼 영역의 동일한 섬유에서의 형광 판독에 의해 검출된다. 이런 주제에 대한 종자가 되는 논문(Michael et al., Anal. Chem.70, 1242-1248(1998))에서는 6개의 다른 염료(15 쌍의 조합)와 10개의 다른 염료 비율을 가지고, 150의 "독특한 광학적 사인"이 생성될 수 있다고 지적하고 있으며, 각각은 다른 비드 "향미(flavor)"를 나타낸다. 매우 유사한 전략이 루미넥스(Luminex)의 연구원들에 의해 기재되었고, 이들은 화학적 변형(100개가 상업적으로 이용가능하다)을 위해 준비된 향미 비드를 흘림 세포계측법과 같은 분석법과 조합하였다. (McDade et al., Med. Rev. Diag. Indust.19, 75-82(1997) 참조). 입자 향미가 형광에 의해 결정되고, 생화학이 비드에 관련된다면, 분석물의 존재에 기인하여 발생된 모든 스펙트럼적으로 명백한 형광이 판독될 수 있다. 현재 배열된 상태에서, 입자 향미를 조사하기 위해 단일 색의 레이져를 사용할 필요가 있고, 또 다른 별도의 레이져가 바이오어세이 형광단을 여기하기 위해 사용될 필요가 있다.
자기-코드화된 라텍스 비드와 관련된 보다 중요한 문제는 분자 형광과 관련된 넓은 밴드폭에 의해 부과된 한계이다. 분자 형광의 주파수 간격(frequency space)이 코드화와 바이오어세이 분석을 위해 모두 사용되는 경우, 예를 들어 최대 20,000개의 다른 향미가 어떻게 발생될 수 있는지 상상하는 것은 어렵다. 이 문제는 보다 좁은 형광 밴드폭을 보여주는 유리-코팅된 양자 도트(dots)의 조합을 사용하는 것에 의해 다소 경감된다. (Bruchez et al., Science,281, 2013-2016(1998) 참조). 그러나, 이들 "디자이너(designer)" 나노입자는 제조하기 매우 어렵고, 현재 (발표된) 양자 도트 보다 더 많은 형광단 유형이 존재한다. 그러나. 이것이 다수의 본질적으로-구별가능한 입자를 일부의 수단에 의해 발생하는 것이 가능하다면, 이어서 입자-기초된 바이오분석은 예외적으로 매력적이 될 수 있고, 단일 기술로서 플랫폼은 다중 고-정보 컨테츠 리서치 영역(조합화학, 게노믹스(genomics) 및 단백질학(proteomics)(다중화된 면역어세이를 통해)를 포함)을 위해 고려될 수 있다.
이전 작업은 호스트에 끼워진 금속 나노입자의 어레이를 만들기 위해 어떻게금속이 금속화된 멤브레인의 기공으로 증착될 수 있는 지를 교시하였다. 이들의 촛점은 이들 재료의 광학적 및/또는 전기화학적 특성에 있었다. 유사한 기술은 입자들의 조성이 길이를 따라 변화되는 곳인 호스트 멤브레인에서 세그먼트화된 원통형 마그네틱 나노입자를 만들기 위해 사용되었다. 그러나, 그들의 길이를 따라 변화는 조성을 갖는 자립성(freestanding) 로드 형태의 나노입자들이 제조되는 경우는 없었다. 또한, 단일 조성이며, 그의 길이가 적어도 1 마이크론인 "자립성" 로드 형태의 금속 입자들도 결코 기록된 적이 없었다. 마찬가지로, 이런 호스트 재료에 끼어져 있지 않거나 또는 함유된 자립형 로드 형태의 금속 입자에 대해 지금까지 기록되어 있는 것은 없었다.
본 발명은 나노입자, 바람직하게는 금속 나노입자, 및 이들의 제조방법 및 나노입자를 다양한 용도에 사용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 특정의 바람직한 구현예에서, 나노입자는 정보를 코드화하는데 사용되고, 이것으로 분자(또는 세포) 태그(tag), 라벨(label) 및 기판(substrate)으로서 제공된다.
도 1A 내지 도 1D는 본 발명의 4개의 다른 실예가 되는 나노입자를 개략적으로 묘사한다.
도 2는 벌크 Pt 및 Au의 반사율 대 파장의 그래프를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 9-스트립된 바 코드(Au/Ag/Au/Ag/Au/Ag/Au/Ag/Au)의 반사 광 모드에서 광학 현미경으로부터 얻은 이미지를 나타낸다.
도 4는 반사율에 의한 바 코드 검출과 형광에 의한 분석물 정량을 동시에 나타낸다. 각각의 이미지는 실시예 4에 설명된 바와 같이 스트립된 나노로드의 혼합물의 이미지이다. 도 4A는 밴드패스 필터로 FITC 방출의 파장에서의 이미지이다. 도 4B는 텍사스 레드의 파장에서의 이미지이다. 도 4C는 400㎚에서 반사율 이미지이다.
도 5는 나노바 코드의 6개 유형의 어셈블리를 보여주는 이미지이다. 이 도면은 나노바 코드의 6개의 향미, A-F를 도식으로 보여주며, 이미지는 이미지중의나노바 코드가 나노바 코드의 다양한 향미 또는 유형에 상응한다는 것을 보여주기 위해 라벨화된다.
도 6A는 400㎚에서 Ag/Au의 수집체 이미지이고, 도 6B는 600㎚에서 동일한 수집체 이미지이다.
로드의 길이를 따라 조성이 변화하는 로드 형태의 나노입자가 제조된다. 이들 입자는 사실 일부 또는 모든 칫수가 마이크론 크기 범주내에 있을 지라도, 나노입자 또는 나노바 코드로 언급된다.
본 발명은 다수의 세그먼트를 포함하는 자립성 입자들을 포함하며, 여기서 입자 길이는 10㎚ 내지 50㎛이고, 입자 폭은 5㎚ 내지 50㎛이다. 본 발명의 입자들의 세그먼트는 임의의 재료를 포함할 수도 있다. 가능한 물질중에서 포함되는 것은 금속이며, 금속, 임의의 금속 칼코겐화물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 셀렌화물, 금속 텔루리드(telluride), 금속 합금, 금속 질화물, 금속 인화물, 금속 안티몬화물, 반도체, 반금속, 모든 유기 화합물 또는 유기 재료, 임의의 무기 화합물 또는 무기 재료, 물질의 입상층 또는 복합 재료가 있다. 본 발명의 입자의 세그먼트는 폴리머성 재료, 결정성 또는 비결정성 재료, 무정형 재료 또는 유리를 포함할 수도 있다. 본 발명의 특정의 바람직한 구현예에서, 입자는 "관능화"된다(예를 들면, IgG 항체로 코팅된 이들의 표면을 갖는다). 이런 관능화는 선택된 또는 모든 세그먼트에, 입자의 몸체 또는 입자의 하나 또는 양쪽 팁(tip)에 부착될 수 있다. 관능화는 실제로 세그먼트 또는 전체 입자를 코팅할 수도 있다. 일반적으로, 이런 관능화는 유기 화합물, 예를 들면, 항체, 항체 단편 또는 올리고뉴클레오티드, 무기 화합물 및 이들의 조합물을 포함한다. 이런 관능화는 또한 검출가능한 태그일 수 있거나 또는 검출가능한 태그에 결합하려는 종을 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명내에 포함된 것은 다수 유형의 입자들을 포함한 입자들의 어셈블리 또는 수집체이고, 여기서 각각의 입자들은 길이가 10㎚ 내지 50㎛이고, 다수의 세그먼트로 구성되며, 여기서 입자들의 유형은 구별가능하다. 바람직한 구현예에서, 입자 유형은 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 상기 세그먼트의 갯수, 조성, 길이 또는 패턴의 차이에 기초하여 구별가능하다. 다른 구현예에서, 입자들은 이들의 관능화의 특성 또는 물리적 특성에 기초하여 구별가능하다(예를 들면, 질량 분석 또는 광산란에 의해 측정).
본 발명은 또한 입자 및 관능성 유닛(예를 들면, 표면상의 IgG 항체)를 포함하는 조성물을 포함하고, 여기서 상기 입자는 복수의 세그먼트를 포함하고, 10㎚ 내지 50㎛의 길이를 갖는다. 특정 구현예에서, 관능성 유닛의 특이한 특성은 입자, 바람직하게는 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 세그먼트의 갯수, 조성, 길이 또는 패턴에 기초된 입자에 의해 코드화된다.
본 발명은 복수의 유형의 입자를 포함하는 입자들의 어셈블리를 포함하고, 여기서 각각의 입자들은 10㎛ 미만의 칫수를 하나 이상 가지고, 입자들의 유형은 구별가능하다. 바람직하게, 입자의 유형은 입자의 길이, 폭, 형태 및/또는 조성에 기초하여 구별가능하다. 또한, 본 발명에 포함된 것은 입자와 관능성 유닛을 포함하는 조성물이며, 여기서 입자는 10㎛ 미만의 칫수를 하나 이상 가지고, 관능성 유닛의 특성은 입자에 의해 코드화된다.
본 발명은 정보를 코드화하는 자립성 입자를 재료 또는 생성물 내에 포함시키거나 또는 부착하는 단계를 포함하는 재료 또는 생성물(예를 들면, 페인트, 고무, 금속, 나무, 텍스타일, 화약, 종이, 플라스틱, 유리, 폴리스티렌 비드 등등)에 대한 정보를 코드화하는 방법을 포함하고, 상기 입자는 복수의 세그먼트를 포함하고, 여기서 입자의 길이는 10㎚ 내지 50㎛이고, 입자 폭은 5㎚ 내지 50㎛이며; 상기 코드화된 정보는 입자의 길이, 폭, 또는 형태 및/또는 세그먼트의 갯수, 조성, 길이 또는 패턴에 기초된다.
분석물 농도 또는 활성의 어세이 또는 측정을 실행하는 방법은 본 발명 내에 또한 포함된다. 이런 방법은 상기 분석물을 포함한 용액을 복수의 세그먼트를 포함한 입자에 연결된 상기 분석물과 상호작용하는 분자, 종, 또는 재료를 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계, 여기서 상기 입자 길이는 10㎚ 내지 50㎛이고, 입자 폭은 5㎚ 내지 50㎛이고; 및 상호작용이 일어났는지의 여부를 검출하는 단계를 포함한다. 이런 방법은 또한 증기 또는 고형상의 분석물을 위한 어세이 또는 측정을 실행하는 것을 포함한다.
복수의 분석물에 대한 분석물의 농도 또는 활성의 다수의 어세이 또는 측정을 실행하는 방법이 교시되어 있고, 이 방법은 또한 상기 분석물을 포함하는 용액을 다수의 조성물과 접촉시키는 단계, 여기서 각각의 조성물은 다수의 세그먼트를 포함한 입자에 결합된 상기 분석물의 하나와 상호작용하는 분자, 종 또는 재료를 포함하고, 여기서 입자의 길이는 10㎚ 내지 50㎛이고, 입자의 폭은 5㎚ 내지 50㎛이고, 및 여기서 상기 조성물의 특성은 이것이 결합되는 입자에 의해 코드화되며; 및 상호작용이 일어났는지를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명은 나노입자에 관한 것이다. 이런 나노입자 및 이들의 용도는 2000년 6월 20일자로 "나노바 코드로서 콜로이달 로드 입자"의 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제09/598,395호에 상세히 설명되어 있고, 이것은 전체로서 참조를 위해 본 명세서에 포함된다. 본 발명과 동시에 출원되었으며 또는 참조로서 이들 전체를 본 명세서에 포함시킨 두개의 미국 특허 출원 "나노바 코드로서 콜로이달 로드 입자의 제조방법" 및 "나노바 코드로서 콜로이달 로드 입자의 이미지화하는 방법"이 있다. 본 발명은 미국 특허 출원 제09/598,395호에 부분계속 출원(CIA)된 것이다.
바 코딩(bar coding)이 거시 세계에서 광범위하게 사용되기 때문에, 이 개념은 다양한 상징적인 표시의 분자 세계로 이동되어진다. 따라서, 오픈 리딩 프레임의 분석에 기초된 "바 코드", 동위(원소)의 질량 변수에 기초된 바 코드, 화학적 또는 물리적 리포터 비드의 스트링에 기초된 바 코드, 제한-효소 분열된 mRNA의 전기영동 패턴에 기초된 바 코드, 스캐닝 프로브 현미경을 사용한 생물학적 분자의 재현성 있는 이미지화를 위한 바-코드된 표면 및 다중-발색단 형광 원 위치(in situ) 혼성화에 의해 생성된 염색체 바 코드(a.k.a. 염색체 착색)가 있다. 이들방법 모두는 생물학적 정보를 코드화하는 방법을 포함하지만, 나노미터 규모로 변형된 본 발명의 진실한 바 코드의 이점을 제공하지 않는다.
본 발명의 입자는 선택적으로 나노입자, 나노바 코드, 로드, 로드 형태 입자로 언급된다. 이들 설명 모두를 본 발명의 개념을 벗어남 없이 확대하기 위해, 적용된 라벨은 무시되어야 한다. 예를 들면, 본 발명의 특정 구현예에서 입자의 조성이 정보 컨테츠를 포함할 지라도, 이것은 본 발명의 모두 구현예에 대해 적용되는 것은 아니다. 마찬가지로, 나노미터 크기의 입자가 본 발명의 개념내에 있을지라도, 본 발명의 입자 모두가 이런 크기 범위내에 있는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 나노바 코드 입자는 알루미나 또는 폴리카보네이트 템플릿에 전기화학적 증착에 이은 템플릿 용해에 의해 제조되고, 전형적으로, 이들이 템플릿 재료 있이 또는 없이 다른 수단에 의해 용이하게 제조될 수도 있지만, 이들은 금속 이온의 전기화학적 환원을 조정하는 것으로 제조된다. 전형적으로, 나노바 코드는 이들이 여러가지 마이크론의 폭을 가질 수 있지만 30 나노미터 내지 300 나노미터 사이의 폭을 갖는다. 마찬가지로, 재료의 길이(즉, 긴 칫수)가 1 내지 15 마이크론의 범위에 있을지라도, 이들은 50 마이크론 만큼 길게 및 10 나노미터 만큼 짧게 용이하게 제조될 수 있다. 일부의 구현예에서, 나노바 코드는 원칙적으로 12개 만큼 많은 다른 재료가 사용될 수 있지만 길이를 따라 변경된 두개 이상의 다른 재료를 포함한다. 마찬가지로, 세그먼트는 비금속 재료로 구성될 수 있고, 이것으로 제한되는 것은 아니지만 폴리머, 산화물, 황화물, 반도체, 절연체, 플라스틱, 및 유기 또는 무기 종의 박막(예를 들면, 단일층) 조차도 포함할 수 있다.
본 발명의 입자가 전기화학적 증착에 의해 만들어진다면, 세그먼트의 길이는 각각의 전기도금 단계에서 지나는 전류의 양을 제어하는 것으로 조정될 수 있다. 입자(또는 입자 세그먼트)의 밀도 및 다공성은 마찬가지로 전기화학적으로 제어될 수 있다.
얻어진 로드는 미리 프로그램화된 각각의 세그먼트 길이(및 동일성)을 가지며 나노미터 규모의 "바 코드"와 비슷하다. 동일한 결과가 세그먼트의 길이 또는 다른 특징이 제어될 수 있는 또 다른 제조방법을 사용하여 얻어질 수 있다. 로드의 직경과 세그먼트 길이가 전형적으로 나노미터 크기일지라도, 전체적인 길이는 바람직한 구현예에서 금속 성분의 다른 반사율을 이용하는 광학 현미경에서 직접 볼 수 있는 길이이다.
바 코드라는 용어는 예를 들면 4개의 다른 재료(이들 각각은 다른 반사율을 갖는다)로 이루어진 세그먼트를 갖는 입자로써 9개의 세그먼트를 갖는 로드가 제조될 수 있기 때문에 적절하다. 따라서, 이 실시예에서, 잠재적으로 제조될 수 있는 바 코드 나노입자의 독특한 유형이 49(＞260,000) 이다. 입자 직경, 폭, 세그먼트의 길이, 및 전체 입자 길이가 변화될 수 있고, 이미 유용한 이들에 추가될 수 있는 거대한 수의 추가 재료가 있다고 고려된다면, 이들은 실제로 더 많을 것이다. 중요한 것은 문자적으로 10억개의 독특한(및 동정가능한) 물질의 조성물이 있다는 것이다.
바 코드 나노입자의 두번째 중요한 특징은 완전한 범위의 화학적 표면 관능화, 예를 들면 이것으로 제한되는 것은 아니지만 자가 어셈블리화된 단일층(SAMs), 폴리머, 산화물, 기타 금속, 핵산, 단백질, 지질 및 이들의 조합물과의 관능화가 나노입자 표면에 적용될 수 있다는 것이다. 따라서, 이들은 형광에 기초된 센서에 대한 지지체(금속 표면은 표면-한정된 분자의 형광을 억제하지 않는다)로서 사용될 수 있고, 반사율 변화에 기초된 매우 신규한 활성 센서 부재를 형성할 수 있다. 임의의 센서 배열이 나노바 코드 표면에 인식될 수 있기 때문에, 검출은 전기화학, 질량 분석, 중량 분석, 광학, 기계 및 다수의 기타 방법에 의해 성취될 수 있다. 로드가 제 1 근사법에 대해, 1-D 구조이기 때문에, 고정된 바이오분자에 접하는 용매는 동일한 선형 차원의 구에 비해서 현저하게 증가되고 특히 평면의 표면에 대해서 현저하게 증가된다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 이것은 반구와 반-부정 원통형 미세 전극에 대해 및 그리고 거시적 평면 전극에 대해 예를 들면 질량 전달 방정식(mass transport squations)의 검사에 의해 용이하게 확인될 수 있다. 따라서, 보다 좁은 바의 경우에 특히, 분자 인식 반응(molecular recognition reaction)이 이들의 용액 대응물과 매우 유사하게 행동할 것이다. 동일한 이유로, 비특이 결합은 현저하게 감소되어야 한다: 200㎚ 폭, 3㎛ 길이 로드의 전체 표면적은 0.1㎛2보다 작다. 간단히, 원통형의 나노입자들은 바이오어세이 구축을 위해 유용한 표면 특성을 제공한다.
다중 세그먼트화된 입자의 합성 및 특성화는 Martin et al., Adv. Materials11:1021-25(1999)에 설명되어 있다. 이 논문은 전체를 참조로서 본 명세서에 포함한다. 또한 전체를 참조로서 본 명세서에 포함하는 것은 1999년 10월 11일자로 "자가 바-코드된 콜로이달 금속 나노입자"의 명칭으로 출원된 미국 특허 가출원 제60/157,326호; 2000년 3월 14일자로 "나노스케일 바코드"의 명칭으로 출원된 미국 가특허출원 제60/189,151호; 2000년 3월 17일자로 "바코드로서 콜로이달 로드 입자"의 명칭으로 출원된 미국 가특허출원 제60/190,247호; 2000년 4월 5일자로 "나노바코드: 표현형화를 위한 기술 플랫폼"의 명칭으로 출원된 미국 가특허출원 제60/194,616호가 있다.
본 발명의 입자의 개념을 설명하는데 도 1이 참조되어야 한다. 이 도면은 본 발명의 나노바 코드의 4개의 비제한적으로 가능한 형태를 도식적으로 나타낸다. 이 다이아그램에서, 각각의 입자들은 3개의 세그먼트, A, B 및 C로 이루어지고, 길이로서 정의된 칫수는 x로 표시되며, 폭으로서 정의된 칫수는 y로 표시된다. 이들 각각의 구현예에서, 길이는 세그먼트 변화를 한정하는 라인에 일반적으로 수직으로 움직이는 축으로서 정의되며, 반면 폭은 세그먼트 변화를 한정하는 라인에 평행하게 움직이는 입자의 칫수이다. 도 1C에 나타난 바와 같이, 입자 폭은 입자의 길이를 가로질러 변화할 수 있고, 동일한 방식으로 입자 길이는 입자의 폭을 가로질러 변화할 수도 있다. 도 1D에 나타난 바와 같이, 본 발명의 입자들은 굽어질 수 있다. 본 발명의 다른 가능한 형태는 분지된 "T" 형태 또는 심지어 도너스-형태 입자일 수도 있다. 이런 구현예에서, 입자의 가장 큰 칫수는 그의 길이로서, 보다 짧고 거의 수직인 칫수는 폭으로서 언급되는 것이 편리하다. 본 발명의 입자들은그들의 크기에 의해 일부 한정되고, 두개 이상의 세그먼트의 존재에 의해 한정된다. 입자의 길이는 10㎚에서 최대 50㎛일 수 있다. 바람직한 구현예에서, 입자는 500㎚ 내지 30㎛이다. 가장 바람직한 구현예에서, 본 발명의 입자의 길이는 1 내지 15㎛이다.
본 발명의 입자들은 자주 "로드" 형태로서 언급되어진다. 그러나, 장축을 따라 본 입자의 단면의 형태는 모든 형태일 수 있다. 이와 같은 단면은 원, 타원, 정사각형, 다이아몬드 또는 심지어 관모양일 수 있다. 게다가, 단면은 입자의 다른 부위에서 변화할 수 있다. 따라서, 입자들은 한쪽 말단이 삼각형 단면이고 다른 말단이 원 단면을 가질 수 있다. 선택적으로, 입자는 전반적으로 원형의 단면을 가지지만, 반경은 길이를 따라 변할 수 있다(예를 들면, "원뿔" 형태의 세그먼트). 본 발명의 바람직한 구현예에서, 단면이 원형이고, 입자가 "로드" 형태이다. 비록 본 발명의 입자들은 많은 형태를 취할 수도 있지만, 본 발명의 순차적인 세그먼트는 구가 아니다.
본 발명의 입자의 폭 또는 직경은 5㎚ 내지 50㎛ 내에 있다. 바람직한 구현예에서, 폭은 10㎚ 내지 1㎛이고, 가장 바람직한 구현예에서, 폭 또는 단면 칫수는 30㎚ 내지 500㎚이다.
상기 논의된 바와 같이, 본 발명의 입자는 두개 이상의 세그먼트의 존재에 의해 특징지워진다. 세그먼트는 입자의 근접 영역으로부터 임의의 수단에 의해 구별될 수 있는 입자의 영역을 나타낸다. 도 1A를 참조하여, 입자의 세그먼트는 입자의 길이로 이등분하여 전체 입자와 동일한 단면(일반적으로)과 폭을 갖는 영역을형성하고, 반면 전체 입자 길이의 일부를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 세그먼트는 그의 근접 세그먼트와 다른 재료로 이루어진다. 그러나, 모든 세그먼트가 입자의 다른 기타 세그먼트와 구별될 필요는 없다. 예를 들면, 입자는 2 유형의 세그먼트, 예를 들면, 골드와 플래티늄으로 이루어질 수 있고, 반면 골드와 플래티늄의 세그먼트를 단순히 교대하여 10 또는 그 이상의 20개의 다른 세그먼트를 가질 수 있다. 본 발명의 입자는 두개 이상의 세그먼트, 50개 만큼 많이 포함한다. 본 발명의 입자들은 2 내지 30개의 세그먼트를 가지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3 내지 20개의 세그먼트를 갖는 것이다. 입자들은 2 내지 10개의 다른 유형의 세그먼트를 가질 수 있고, 바람직하게는 2 내지 5개의 다른 유형의 세그먼트를 가질 수 있다.
본 발명의 입자의 세그먼트는 입자의 근접 세그먼트로부터 구별될 수 있는 것에 의해 한정된다. 세그먼트 사이를 구별할 수 있는 능력은 임의의 물리적 또는 화학적 조사 수단(이것으로 제한되는 것은 아니지만, 전자기, 자기, 광학, 분광광도, 분광분석 및 기계적 수단을 포함)에 의해 구별되는 것을 포함한다. 본 발명의 특정의 바람직한 구현예에서, 세그먼트 사이를 조사하는 방법은 광학(반사율)적 방법이다.
근접 세그먼트는 이들이 일부 수단에 의해 구별될 수 있다면 동일한 재료일 수 있다. 예를 들면, 동일한 원소 물질의 다른 상(phase), 유기 폴리머 재료의 거울상이성질체는 근접 세그먼트를 채울 수 있다. 게다가, 단일 재료로 이루어진 로드는 세그먼트가 예를 들면 표면상의 관능화 또는 다양한 직경을 갖는 것에 의해다른 것과 구별될 수 있다면, 본 발명의 범위내에 있다고 여겨질 수 있다. 또한 유기 폴리머 재료로 이루어진 입자들은 세그먼트의 상대적인 광학 특성이 변화되는 염료의 포함에 의해 한정된 세그먼트를 가질 수 있다.
본 발명의 입자들의 조성물은 입자들을 구성하는 세그먼트의 조성물을 설명하는 것으로 최상으로 한정된다. 입자는 매우 다른 조성을 갖는 세그먼트들을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 단일 입자는 금속인 하나의 세그먼트와 유기 폴리머 재료인 하나의 세그먼트를 포함할 수도 있다.
본 발명의 세그먼트는 임의의 물질로 이루어질 수도 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 세그먼트는 금속(예를 들면, 실버, 골드, 구리, 니켈, 팔라듐, 플래티늄, 코발트, 로듐, 이리듐); 임의의 금속 칼코겐화물; 금속 산화물(예를 들면, 산화제2구리, 이산화티탄); 금속 황화물; 금속 셀렌화물; 금속 텔루리드; 금속 합금, 금속 질화물; 금속 인화물; 금속 안티몬화물; 반도체; 반 금속을 포함한다. 세그먼트는 또한 유기 단일- 또는 이중충, 예를 들면, 분자막과 같은 것으로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 유기 분자의 단일 층 또는 자기 어셈블화되고 제어된 분자 층은 다양한 금속 표면과 결합될 수 있다.
세그먼트는 임의의 유기 화합물 또는 재료 또는 무기 화합물 또는 재료 또는 유기 폴리머성 재료로 이루어질 수 있고, 당업자에게 알려진 큰 몸체의 모노 및 코폴리머를 포함한다. 예를 들면, 펩티드, 올리고뉴클레오티드 및 카보하이드라이드와 같은 생물학적 폴리머는 세그먼트의 주된 구성분이 될 수도 있다. 세그먼트는 입자성 재료, 예를 들면, 금속, 금속 산화물 또는 유기 입자성 재료; 복합 재료,예를 들면, 폴리아크릴아미드중의 금속, 폴리머성 재료중의 염료, 다공성 물질이 있다. 본 발명의 입자의 세그먼트는 폴리머성 재료, 결정성 또는 비결정성 재료, 무정형 재료 또는 유리로 이루어질 수도 있다. 세그먼트는 입자의 표면상에 금간 곳(notch), 움푹 패인곳(dent) 또는 구멍에 의해 한정되고, 이것은 또 다른 재료로 채워지거나 채워지지 않을 수 있다. 직물과 같은 표면은 예를 들면, 실버/골드 합금을 증착하고, 이어서 실버를 용해하는 것으로 제조될 수 있다.
세그먼트는 입자의 외부 표면과 접촉하거나 접촉하지 않으며, 다른 재료에 의해 채워지거나 채워지지 않는 입자중의 베지클(vesicle), 기포, 기공, 중공관(hollow) 또는 터널에 의해 한정될 수 있다. 직물과 같은 표면 또는 다공성 입자들은 더 큰 표면적의 잇점을 가질 것이고, 동시에 크로마토그래피 연구를 위한 단일 조각 정지상(기둥)으로 그 자체가 사용될 수 있다. 세그먼트는 또한 입자의 형태, 각도 또는 윤곽에서의 식별할 수 있는 변화 또는 입자의 기타 다른 물리적 특성에 의해 한정된다. 예를 들어 폴리머 또는 유리로 입자가 코팅되는 본 발명의 구현예의 세그먼트는 기타 재료 사이에서 틈으로 이루어질 수 있다.
각각의 세그먼트의 길이는 10㎚ 내지 50㎛일 수 있다. 바람직한 구현예에서, 각각의 세그먼트 길이는 50㎚ 내지 20㎛이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 세그먼트 사이의 접합은 깨끗한 단면의 계면으로서 나타난다. 그러나, 특정 구현예에서, 세그먼트 사이의 계면은 입자의 길이에 대해 수직일 필요가 없고, 완만한 선으로의 변화일 필요도 없다. 더 나아가, 특정 구현예에서, 한 세그먼트의 조성은 인접 세그먼트의 조성속으로 블렌딩될 수도 있다. 예를 들면, 골드 및 플래티늄의세그먼트 사이에, 골드와 플래티늄으로 이루어진 5 내지 50㎚ 영역이 있을 수 있다. 이런 유형의 변화는 세그먼트가 구별될 수 있는 한 받아들여질 수 있다. 임의의 제공된 입자에 대해, 세그먼트는 나머지 입자의 세그먼트 길이에 상대적인 임의의 길이일 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명의 입자는 임의의 단면적 형태를 가질 수 있다. 바람직한 구현예에서, 입자는 일반적으로 세로 축에 나란하게 일반적으로 직선이다. 그러나, 특정 구현예에서, 입자들은 곡선이거나 또는 나선형일 수 있다. 본 발명의 입자의 말단은 평평하거나, 오목하거나 또는 볼록할 수 있다. 게다가, 말단은 못과 같이 길죽하거나 또는 펜 촉과 같을 수 있다. 본 발명의 뾰족한 팁의 구현예는, 입자들이 라만 스펙트로스코피 적용 또는 에너지 필드 효과가 중요한 다른 것에 사용되는 경우 바람직하다. 임의의 제공된 입자의 말단은 동일하거나 다를 수 있다. 유사하게, 입자의 윤곽은 어세이의 감도 또는 특이성에 기여하도록 이롭게 선택될 수도 있다(예를 들면, 잔물결 윤곽은 단면이 V자형의 긴 구유에 위치된 형광단의 "소광"을 증가시킨다고 기대될 것이다.).
본 발명의 많은 구현예에서, 입자들의 어셈블리 또는 수집체가 제조된다. 특정 구현예에서, 다른 구현예에서의 어셈블리가 복수의 다른 유형의 입자들로 이루어지는 반면, 어셈블리의 부재들은 동일하다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 동일한 입자들의 어셈블리를 포함하고, 1㎛ 내지 15㎛ 범위에 입자들에 대해, 모든 입자의 실질적인 길이는 최대 10%에서 변화할 수 있다. 길이가 10㎚인 세그먼트는 ±5㎚로 변화할 것이고, 반면 1㎛ 범위의 세그먼트는 최대 10%에서 변화할 것이다.이런 입자들의 폭은 10 내지 100% 사이에서 변화할 것이고, 바람직하게는 50% 미만이고 가장 바람직하게는 10% 미만이다. 이들 사양과 맞는 폭 및 길이 변수를 갖는 입자의 어셈블리는 직접적으로 합성될 수도 있다. 선택적으로, 이런 어셈블리는 공지된 방법(예를 들면, 구배 원심분리)에 의해 입자들의 보다 이종의 혼합물로부터 분리될 수도 있다. 이들 동일한 방법은 직접적으로 합성된 입자들 사이에 존재될 수 있는 깨어진 또는 뒤틀린 입자들을 제거하기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명은 서로서로 구별가능한 복수의 입자들로 구성된 나노바 코드의 어셈블리 또는 수집체를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 어셈블리 또는 수집체는 어셈블리 또는 수집체를 구성하는 나노입자들이 임의의 특별한 방식으로 배열되거나 조직되는 것을 의미하지 않는다. 이런 어셈블리는 복수의 다른 유형 또는 "향미"의 입자들로 구성된다고 여겨진다. 이런 어셈블리에서, 어셈블리의 각각의 나노바 코드는 동일한 방식으로 관능화될 수도 있다. 많은 적용에서, 관능화는 다르고, 나노입자의 특정 향미에 대해 특이하다. 본 발명의 어셈블리는 2 내지 1010개의 다르고 동정할 수 있는 나노입자들을 포함한다. 바람직한 어셈블리는 10 이상, 100 이상, 1,000 이상, 일부의 경우에는 10,000 이상의 다른 향미의 나노입자들을 포함한다. 본 발명의 어셈블리 또는 수집체를 구성하는 입자들은 대부분의 구현예에서 세그먼트화된다. 그러나, 본 발명의 특정의 구현예에서, 입자들의 어셈블리의 입자는 복수의 세그먼트를 포함할 필요가 있는 것은 아니다..
나노바 코드가 일부의 정보적인 컨테츠를 포함하거나 또는 나노바 코드의 어셈블리가 복수 유형의 입자를 포함하는 본 발명의 구현예에서, 입자의 유형은 각각의 입자 유형의 관능화의 특성과 별도로 구별가능하다. 이 발명에서, 입자 유형을 구별하거나 또는 입자 내에 코드화된 정보를 해석하는 능력은 나노입자를 "조사(interrogating)" 또는 "판독(reading)" 또는 "구별화(differentiating)" 또는 "동정화(identifying)"하는 것으로 언급된다. 이런 입자들의 구별은 임의의 수단, 예를 들면 광학 수단, 전자 수단, 물리적 수단, 화학적 수단 및 마그네틱 수단에 의해 읽혀질 수 있다. 입자는 다른 수단에 의해 조사되거나 또는 읽혀질 수 있는 다른 섹션을 포함할 수 조차 있다. 예를 들면, 입자의 반은 그의 패턴과 형태가 광학적 수단에 의해 읽혀질 수 있는 세그먼트로 이루어지고, 나머지 반은 그의 패턴과 형태가 마그네틱 수단에 의해 읽혀질 수 있는 세그먼트로 이루어진다. 또 다른 실시예에서, 두개 이상의 다른 형태의 조사는 입자에 적용될 수 있고, 예를 들면 입자의 형태 또는 길이는 광학적 수단에 의해 읽혀지고 세그먼트의 패턴은 마그네틱 수단에 의해 읽혀질 수 있다. 이런 다양한 형태의 조사는 전체 입자, 입자의 주어진 세그먼트 또는 이들의 조합에 적용될 수 있다.
본 발명의 많은 구현예에서, 입자의 하나 이상의 세그먼트, 입자의 말단 또는 전체 입자는 관능화될 수도 있다. 관능화 또는 관능성 유닛의 부착은, 일부 종 또는 재료의 입자의 표면에 공유적으로 또는 비공유적으로 부착된다는 것을 의미한다. 관능화의 실예는 주로 링커를 통한 항체 또는 항체 단편에, 올리고뉴클레오티드에 또는 검출가능한 태그에의 부착을 포함한다. 일부의 구현예에서, 본 발명의 입자들은 다중 관능화된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 관능성 유닛의 용어는변형, 부착, 추가, 코팅 또는 나노바 코드 입자의 임의의 부위의 표면에 공유적으로 또는 비공유적으로 결합되는 임의의 종을 한정하는 것을 의미한다.
본 발명의 입자들의 관능화는 많은 형태를 취할 수도 있다. 본 명세서에 정의된 바와 같이 관능화된 것은 공유적으로 또는 비공유적으로 변형되고, 유도되고, 그렇지 않으면, 유기, 무기, 유기 금속성 또는 조성물 단일층, 다중층, 필름, 폴리머, 유리, 세라믹, 금속, 반-금속, 반도체, 금속 산화물, 금속 칼코겐화물, 또는 이들의 조합물로 코팅되는 바와 같이 입자의 표면의 임의의 변형을 포함한다. 이런 관능화는 입자의 외부 표면에서 대부분 일어나고, 다공성 또는 중공 입자의 경우에서와 같이, 또한 입자의 내부 표면에서 일어날 수도 있다. 이런 관능화는 개개의 세그먼트에서 일어날 수도 있다. 따라서, 예를 들면, 골드 및 실버 입자는 골드에서 관능화되고 실버에서 관능화되지 않는다. 선택적으로, 골드 세그먼트는 하나의 방법으로 관능화(예를 들면, 하나의 유형의 항체를 가지고)될 수도 있고, 반면에 실버는 다르게 관능화(예를 들면, 다른 유형의 항체를 가지고)될 수 있다. 또 다른 가능성은, 양쪽 모두의 세그먼트가 동일한 방식(예를 들면, 하나의 유형의 항체)으로 그러나 다른 정도로 관능화될 수도 있다.
또 다른 구현예에서, 전체 입자는 동일한 물질로 코팅될 수 있고, 입자의 특정 세그먼트 만이 코팅되거나, 또는 다양한 세그먼트는 다른 코팅을 가질 수 있다. 이런 코팅은 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 본 발명의 입자들이 코팅되고, 분리가 코팅 물질로부터 차별적인 흡착/탈착에 의해 일어나는 발명의 구현예에서, 관능화 코팅 또는 필름은 유기 관능성기를 포함하고, 이것은 이것으로 제한되는 것은아니지만, 산, 아민, 티올, 에테르, 에스테르, 티오에스테르, 티오에테르, 카바메이트, 아미드, 티오카보네이트 디티오카보네이트, 이민, 알켄, 알칸, 알킨, 방향족 기, 알콜, 이종고리족, 시아네이트, 이소시아네이트, 니트릴, 이소니트릴, 이소티오시아네이트, 및 유기시아나이드, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 코팅 또는 관능화는 임의의 무기 배위 착물을 포함하고, 이것은 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- 및 9-배위 착물을 포함한다. 코팅 또는 관능화는 임의의 유기 금속 착물을 포함할 수도 있고, 이것은 이것으로 제한되는 것은 아니지만 하나 이상의 금속-탄소, 금속-규소, 또는 금속 질소 결합을 포함한 종을 포함한다. 게다가, 본 발명의 입자들의 코팅 또는 관능화는 임의의 유기 관능성기 또는 분자, 무기 또는 유기 금속 종 또는 이들에 기초된 복합재의 임의의 조합물을 포함한다.
본 발명의 입자들의 관능화는 전체 입자에 대해, 선택된 세그먼트에 대해 또는 특정 구현예에서, 입자들의 팁 또는 말단에서 일어날 수도 있다. 이런 구현예에서, 모두 또는 팁중의 하나가 관능화 될 수도 있고, 관능화의 특성은 팁에서 다를 수 있다.
본 발명의 특정 구현예에서, 입자들의 관능성 유닛 또는 관능화는 검출가능한 태그를 포함한다. 검출가능한 태그는 검출, 동정화, 열거화, 추적, 위치, 위치적 삼각측량 및/또는 정량을 위해 사용될 수 있는 임의의 종이다. 이런 측정은 하나 이상의 양자의 흡착, 방출, 발생 및/또는 산란; 하나 이상의 입자의 흡착, 방출, 발생 및/또는 산란; 질량; 전하; 패러데이 또는 비 패러데이 전기화학 특성;전자 친화성; 양자 친화성; 중성자 친화성; 또는 기타 임의의 물리적 또는 화학적 특성, 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 용해도, 극성, 용융점, 비등점, 삼중점, 쌍극자 모멘트, 자성 모멘트, 크기, 형태, 산도, 염기도, 등전점, 확산 계수, 퇴적 계수등을 포함한다. 이런 분자 태그는 이런 특성의 하나 또는 임의의 조합을 통해 검출되거나 확인될 수 있다.
본 발명의 특정의 다른 구현예에서, 본 발명의 입자는 단일-분자층을 포함할 수도 있다. 이런 단일-분자 층은 입자의 팁 또는 말단 또는 세그먼트 사이에서 발견될 수도 있다. 세그먼트 사이의 단일-분자 층의 사용의 실예는 이하에 "전자 장치"라는 타이틀의 섹션에서 설명된다.
본 발명은 자립성 나노바 코드 및 이들의 용도에 관한 것이다. "자립성"이란 템플릿 내의 증착 또는 성장의 일정 형태에 의해 생성된 나노바 코드가 템플릿으로부터 방출될 수 있다는 것을 의미한다. 이런 나노바 코드는 전형적으로 액체중에 자유롭게 분산될 수 있고, 정지상과 영구적으로 결합되지 않는다. 템플릿 내에 증착 또는 성장의 일부 형태에 의해 생성되지 않은 나노바 코드(예를 들면, 자기 어셈블리화된 나노바 코드)는 이들이 템플릿으로부터 방출되지 않을 지라도 자립되어 있다고 여겨진다. "자립성"이란 용어는 이런 나노입자들이 용액중에 있어야 하거나(비록 이들이 존재할 지라도) 또는 나노바 코드가 거대 구조에 결합되거나, 거대 구조에 포함되거나 또는 거대 구조의 일부가 될 수 없다는 것을 암시하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 특정 구현예에서, 나노입자는 용액, 예를 들면, 페인트 중에 분산되거나 또는 폴리머성 조성물 중에 포함될 수도 있다.
본 발명의 입자들은 다양한 적용에 사용될 수 있다. 두개의 주된 용도가 있다: 입자의 세그먼트가 정보적인 컨텐츠를 갖는 구현예 및 세그먼트가 정보적인 컨테츠를 갖지 않는 구현예. 세그먼트가 정보적인 컨테츠를 갖는 이들 구현예에서, 가장 최선의 유추는 거시적 바 코딩이다. 통상적인 바 코딩은 라인 사이의 거리 및 라인의 두께가 현저한 양의 정보를 "코드화"하는데 사용되는 검은 라인의 스트립으로 제공한다. 본 발명의 입자들의 크기가 작기 때문에, 특정 구현예에서 본 발명의 입자를 분자 또는 세포 태그로서 사용하는 것이 가능하다. "판독할 수 있는(read)" 독특한 동정화 태그는 분자 사건(molecular events)을 추적하기 위해 분자 전체를 포함한 임의의 재료에 부착될 수 있다.
본 발명의 비-정보적인 모드는 입자의 세그먼트들의 구별적인 특성이 나노규모의 템플릿을 제공하기 위해 이용되는 구현예를 포함한다. 구별적인 반응성의 실예는 입자가 다른 금속 세그먼트를 포함하는 경우에 볼 수 있다. 골드는 티올 함유 화합물, 플래티늄-이소시아나이드, 구리- 디티오카바메이트, 니켈- 글리옥심을 결합한다. 세그먼트의 구별적인 반응성과 결합된 본 발명의 입자의 정확하게 제어된 크기는 정확한 나노미터 분리가 요구되는 본 발명의 분야에 허용한다. 예를 들면, 본 발명의 나노입자와 이하의 도 1에 일반적으로 나타낸 전기도금 공정을 사용하는 것은, 비교적 정확한 세그먼트 길이를 만들 수 있게 한다. 분자 상호작용이 세그먼트의 표면에 부착된 종을 분리하고, 다르게 관능화된 세그먼트 사이에 세그먼트의 길이를 변화시키는 것에 대해 연구되어, 결과적으로 종 사이의 거리를 정확하게 조율한다. 또 다른 구현예에서, 본 발명의 입자들은 세그먼트의 병렬에 의해얻어진 특성(이런 특성에는 물리적, 화학적, 광학적, 전기적 및 자기적 특성을 포함)에 의해 유용해질 수 있다. 예를 들면, 두개의 금속 사이의 계면에서만 일어나는 화학적 반응은 본 발명의 입자를 사용하는 촉매화에 의해 최적화될 수 있다.
본 발명의 입자들은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 특별한 입자의 바람직한 제조방법은 입자를 포함한 세그먼트의 특성과 관계될 수 있다. 본 발명의 대부분의 바람직한 구현예에서, 다양한 세그먼트를 구성하는 재료가 도입되는 템플릿 또는 몰드가 이용된다. 정의된 기공 재료는 본 발명의 많은 바람직한 입자에 대한 바람직한 템플릿이다. 일관된 크기의 기공을 갖는 Al2O3멤브레인은 바람직한 템플릿 사이에 있고, 반면에 다공성 폴리카보네이트 멤브레인, 지올라이트 또는 블록 공중합체가 또한 사용될 수 있다. 입자의 세그먼트를 형성하는 방법은 전기증착, 화학적 증착, 증발, 화학적 자기 어셈블리, 고형상 제조 기술, 광화학 또는 사진평판 기술을 포함한다. 화학적 자기 어셈블리는 미리형성된 세그먼트으로부터 입자들을 형성하는 방법이고, 여기서 세그먼트는 유도되고, 다른 세그먼트상의 종들 사이에 화학적 반응은 세그먼트 사이의 접합을 만든다. 화학적 자기 어셈블리화된 나노입자는 화학적 결합 형성 과정을 역전하는 것으로 세그먼트 사이에 제어되면서 분리되는 독특한 능력을 갖는다. 나노바 코드(및 템플릿) 합성에 적용될 수 있는 기타 방법은 용액(예를 들면, 마이크로유체 합성)에서 일어나는 것을 포함하고, 및/또는 광화학적 기술, MEMS, e-빔, 마이크로-접촉 인쇄 및 레이져 제거 방법을 포함한다.
본 발명의 입자들의 특정 구현예의 중요한 특성은, 나노로드가 세그먼트화되는 경우, 구성 금속의 반사율에서 차이가 광학 현미경에 의해 볼 수 있다는 것이다. 따라서, 예를 들면, 200㎚ 직경이면서 전체 길이가 4 내지 5 마이크론인 세그먼트화된 Au/Pt/Au 로드에서, 세그먼트는 통상적인 광학 현미경에서 골드 광택을 갖는 Au 세그먼트와 더 백색의 밝은 광택을 갖는 Pt 세그먼트로 용이하게 볼 수 있다. 재료의 또 다른 중요한 특징은 이들이 멤브레인중에서 두개 이상의 금속 이온의 전기화학적 환원을 조정하는 것으로 제조되는 경우 세그먼트 길이가 a) 용액의 조성에 의해 및 b) 전기화학적 환원의 각각의 단계에서 통과된 전하의 쿨롱 갯수에 의해 완벽하게 제어(또는 한정)될 수 있다는 것이다. 세그먼트의 갯수는 의지에 따라 변화될 수 있다. 마찬가지로, 입자의 직경과 단면은 적절한 기공 크기와 형태를 갖는 멤브레인을 선택(생성)하는 것으로 제어될 수 있다. 도 5는 나노입자의 6개의 다른 유형 또는 향미로 이루어진 본 발명의 나노입자의 수집체의 이미지를 보여준다. 이 이미지는 나노바 코드의 수집체에서 다른 유형의 나노바 코드 사이를 구별할 수 있는 능력을 보여준다.
특정 구현예의 또 다른 중요한 특징은 다른 금속 나노입자와 같이 이들의 표면을 다양한 다른 접근을 이용하여 유도하거나 또는 관능화하기 쉽다는 것이다. 이런 방식으로, 바이오분자는 공유 또는 비공유 수단을 통해 완전한 생물학적 활성이 보존되는 방식으로 표면에 부착될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 관능화는 바이오분자에 한정되는 것은 아니며; 또한, 표면이 임의의 유기 화합물, 무기 화합물, 분자 또는 재료, 이들의 조합물로 관능화될 수도 있다.
그의 반사율을 통한 나노바코드를 확인하는 능력과 이들의 표면을 바이오분자로 변형하는 능력은 광학적 태그로서 나노바 코드가 사용되어지게 한다.
본 발명의 나노바 코드 입자는 형광 태그 또는 양자 도트가 실제적으로 현재 사용되는 임의의 분야에서 태그로서 사용되거나, 또는 당업자들에게 익숙한 실제적인 임의의 어세이 또는 분석적 절차와 조합해서 사용될 수 있다. 예를 들면, 표준 샌드위치 유형 면역 어세이가 실시될 수 있고, 여기서 본 발명의 나노바 코드 입자는 정지상으로 사용되거나 잠재적으로 "태그"로서 사용된다. 입자의 표면은 항체를 분석물에 포함하기 위해 관능화된다. 분석물이 상기 항체에 결합하는 경우, 제 2 형광의 라벨화된 항체는 분석물의 존재를 감지한다. 나노바 코드의 사용은 다수의 어세이를 동시에 실시할 수 있게 하는 것으로 다중화를 가능하게 한다. 포지티브 시그널은 확인될 수 있고, 분석물이 검출되어지는지를 결정하기 위해 나노바 코드를 읽는다. 동일한 일반 원리는 이들이 당업자에게 널리 알려져 있는 바와 같이 경쟁적인 어세이와 함께 사용될 수 있다.
잉크 또는 다른 재료의 밀접하게 배치된 라인과 대조적인 차이에 기초된 거시적 바 코드와 같이, 많은 구현예에서, 본 발명의 나노바 코드는 다양한 세그먼트의 반사율의 다른 패턴에 기초하여 구별되거나 확인된다. 나노바 코드를 다른 유형의 광학 태그와 또는 분자 시스템(이등방성 태그, 방사성 태그, 조합적인 비드에 대한 분자 태그, 형광 기초된 태그, 라만 기초된 태그, 전기화학적 태그 및 이 분야에 공지된 기타 태그)에 적용된 태그의 임의의 유형과 구별하는 것은 본질적으로 비제한된 변수이다. 7 이상의 다른 금속, 20 이상의 다른 세그먼트, 및 4 이상의다른 세그먼트 길이 및 3 이상의 다른 로드 폭을 사용하는 능력으로 제조될 수 있는 다른 나노바 코드의 수는 무한한다. 단지 두개 유형의 금속 및 10개의 세그먼트, 하나의 세그먼트 길이 및 하나의 로드 폭을 가지고, 수천개의 다른 유형의 나노바 코드가 제조될 수 있다.
본 발명의 입자들이 한번에 하나의 배치를 제조하는 경우도 엄청나게 유용하지만, 수백, 수천 및 수만의 다른 입자 향미를 동시에 제조하는 방법도 가능하다. 본 발명의 입자들은 존재하는 도구, 예를 들면 원자력 현미경, 광학 판독기 등을 사용하여 읽을 수 있다. 그러나, 나노바 코드를 확인하기 위해 디자인된 도구 및 소프트웨어 또한 본 발명의 범위 내에 있다.
나노바 코드의 또 다른 구별할 수 있는 특징은 이들의 안정성이다. 예를 들어, 가장 튼튼하고 불활성인 금속으로 알려진 Pt 및/또는 Au로 이루어진 경우, 이들은 관련된 물리적 성질을 변화시키지 않으면서 가열, 소각, 냉각 및 등등 될 수 있다. 일부의 바람직한 구현예에서, 나노바 코드는 고압에 적용되거나 또는 진공중에 도입된다(예를 들면, 질량분석에 사용하는 경우). 따라서, 나노바 코드는 대부분의 태그(예를 들면, 형광단)와 바람직하게 비교되고, 여기서 환경적 조건은 현저하게 판독을 교란할 수 있다. 예를 들면 많은 형광단의 최대 방출 파장은 용매의 극성에 따라 변화한다. 이것은 환경적 조건을 측정하기 위해 사용될 수 있는 반면, 이런 감도가 측정을 불필요하게 복잡하게 하는 경우가 더 많다. 보다 중요하게, 양자의 높은 플럭스는 형광단을 충분히 높게 가열할 수 있는 바와 같이 광표백할 수 있고, 종을 화학적으로 반응시킬 수 있다(싱글렛 또는 트리플렛 산소, 오존, 등) 금속 나노바 코드는 거대한 수의 환경적 교란(perturbation)에 불활성이고, 대부분 현저하게 구별적인 반사율은 양자 플럭스에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 근접 스트립의 구별적인 반사율은 여기된 상태의 광방출에 기초된 것에 대한 우수한 판독이다.
나노바 코드의 독특한 특성은 이들의 표면을 구별적으로 변형할 수 있는 능력이다. 따라서, Au/Pt 나노바 코드를 고려하면, 각각의 금속은 선택적으로 변형될 수도 있고, 매우 근접하게 위치될 수 있는 두개의 다른 화학을 제공한다. 나노바 코드의 경우에, 다른 분자들을 단일 입자의 Pt 및 Au 스트립에 위치시키는 능력이 보여진다. 나노입자의 선택된 일부를 합리적으로 변형하는 능력은 선례가 없었다.
Pt 스트립을 "화학 A"로 및 Au 스트립을 "화학 B"로 선택적으로 변형하는 것이 가능하다. 이 능력은 다중 센서가 동일한 입자 상에 직교적으로 어셈블리될 수 있고, 형광의 공간적인 패턴 또는 임의의 다른 분별할 수 있는 시그널에 의해 동일한 입자로부터 독립적으로 판독할 수 있는 가능성을 유도한다. 예를 들면, 두개의 분리 샌드위치 면역어세이(형광적으로-태그된 이차 항체를 사용)는 다른 항체로 유도되는 Au 세그먼트 및 Pt 세그먼트를 갖는 단일 나노입자에서 행해질 수 있고, Pt 스트립으로부터의 형광 강도는 하나의 항원 농도에 비례하고, Au 스트립으로부터의 형광 강도는 다른 하나에 상응한다. 다른 세그먼트 패턴을 갖는 다른 입자는 두개의 완전하게 다른 센서를 품는다: 각각의 경우에서, 이것은 바 시퀀스이고, 특정화학을 확인하는 간격이다. 게다가, 네개 이상의 세그먼트 유형을 포함하고, 네개이상의 직교 화학을 포함한 콜로이달 로드를 만드는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따라, 단일 입자에서 다중 어세이를 수행하는 것이 가능하다(게다가, 본질적인 다중화는 바 코딩에 의해 허용된다). 하나의 중요한 실시예에서와 같이, 네개의 직교 화학(예를 들면, 네개의 세그먼트 유형, 각각은 독특한 화학을 포함한다)을 갖는 나노바 코드의 사용은 특이 잔기에 각각의 가능한 염기 치환을 갖는 핵산이 하나의 입자에 위치될 수 있게 한다. 이런 입자는 빠른 다중화된 단일 뉴클레오티드 다형성(single nucleotide polymorphism : SNP) 분석에 사용된다
본 발명의 나노바 코드의 또 다른 특징은 이들을 통상적인 흘림 세포계측법으로 확인하는 능력이다. 따라서, 광산란은 레이져가 지나 흐르는 나노바 코드의 전체 칫수를 확인할 수 있다; 보다 일반적으로 금속 나노입자로부터의 산란은 입자 크기, 입자 형태 및 입자 조성에 의존된다고 알려져 있다. 이런 산란은 통합된 산란 프로파일을 얻기 위해 다중 방향으로 측정될 수 있다.
금속 반사율의 파장 의존성은 나노바 코드에 대한 또 다른 흥미있고 강력한 검출 포맷이다. 예를 들면, Au와 Pt의 % 반사율 대 파장 플롯을 보는 경우, 가교점이다(도 2). 다른 말로, 금속의 반사율이 동일한 파장이다. 이것은 반사율 등흡수성으로서 언급된다. 반사율 등흡수성에서, 나노바 코드의 반사율은, 길이를 따라 조성이 변할 지라도 균일하다. 중요하게, 이 반사율 등흡수성은 입자들(예를 들면, 금속 또는 유기)이 나노바 코드 표면에 결합하는 것으로 또는 다른 수단에 의해 교란될 수 있다. 따라서, 분자 인식 또는 입자의 나노바 코드의 표면에의 결합(또는 탈결합)을 유도할 수 있는 임의의 기타 사건은 반사율에 의한 사건을 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 나노바 코드의 100개의 다른 향미가 있다고 가정하면, 각각은 수백개의 대응 이차 항체를 포함하는 용액에서 다른 포획 항체와 연결되고, 각각은 콜로이달 Ag 나노입자로 표지된다. 입자들은 반사율 등흡수성에서 관찰되고, 모두 균일하게 나타난다. 하나 이상의 항원을 포함한 용액의 도입은 특정 나노바 코드에서 항체-항원-항체 복합체의 형성을 유도할 것이다. 이들 및 유일한 이들 나노바 코드에서, 금속의 반사율은 교란(차별)될 것이고, 더 이상 등흡수성이 되지 않을 것이며, 이것은 이들 나노바 코드가 이들의 세그먼트화된 패턴에 의해 확인될 수 있다는 것을 의미한다. 반사율 등흡수성 및 이들의 교란은 따라서 "시그널"(예를 들면, 식별될 수 있는 패턴)이 나노바 코드의 향미 집단의 소 하위집단에 대해서만 일어나는 것이 기대될 수 있는 복합, 다중 어세이에서 빠르게 스크리닝되게 한다.
반사율 등흡수성을 사용한 간단한 확인 이외에 상기 실시예에서 구별적인 반사율의 강도 정량을 위해 사용될 수 있다는 것에 주목해야하는 것이 중요하다.
도 2는 벌크 Pt와 Au에 대한 반사율 대 파장의 플롯을 보여준다. 한정-크기 효과 때문에, 플롯은 나노입자에 대해 다소 다르지만, 두개의 관련점은 a) 대부분의 파장에서 반사율이 다르다(따라서, 대조 메카니즘). 및 b) 약 600㎚에서, 이들 동일한 반사율을 갖는다(반사율 등흡수성). 도 6은 이 원리를 나타내는 400㎚ 및 600㎚에서 골드 및 실버 나노입자의 이미지를 보여준다. 전자 스펙트럼의 가시영역에서 박막 금속의 벌크 반사율이 형태에 어떻게 의존하는지에 대해 공지되어 있다; 이것은 특히 귀금속 표면에 대해서 그렇고, 여기서 나노미터-규모의 조도 특징은 표면 플라즈몬에 대한 산란 위치처럼 작용 할 수 있다. 이것은 크게 증가된 항원 감도를 유도한다. 이런 개념을 바 코드에 이전하면, 이 생각은 콜로이달 바 코드의 Au 세그먼트에 대한 콜로이달 Au의 분자 인식 유도된 결합이 벌크 반사율을 변화시킬 것이고 반사율 등흡수성에서 반사율 대조를 유도할 것이라는 것이다. 따라서, 콜로이달 금속 나노입자들을 대조 제제로 여길 수 있다. 이 반사율 대조 메카니즘-이것은 표면 프라즈몬 공명에 대한 필수적인 용액 유사물이다-은 더할나위 없이 민감하게 되는 잠재성을 갖는다. 상업적인 도구를 사용하여, 10 제곱 마이크론 당 하나의 40㎚ 직경 콜로이달 Au 입자의 검출은 용이하게 얻어질 수 있다. 바 코드의 표면적이 1㎛2보다 매우 작기 때문에, 단일 입자의 단일 세그먼트에의 결합이 검출될 것으로 예상되고; 더 나아가 입자 마다 하나에 대한 대상 바이오 분자의 콜로이달 적용범위를 한정하는 방법이 가능하다고 예상된다.
이 구현예의 검출 메카니즘의 또 다른 매우 중요한 태앙은 콜로이달 Au를 결합하는 바 코드가 스크리닝에서 매우 큰 대조적인 이점을 보여준다는 것이다. 따라서, 하나는 용액중에 100개의 다른 유형의 바 코드를 가질 수 있고, 각각은 다른 포획 분자 및 적절한 콜로이달 Au-표지된 인식 부재로 유도된다. 반사율 등흡수성에서의 조사된 것은, 로드가 모두 특색이 없다는 것이다. 하나의 미지의 용액의 도입은 바 코드에 의해 확인된 분석물과 통합된 반사율 변화에 의해 정의된 분석물 농도를 가지고 단지 하나의 유형의 바 코드를 밝히게 한다. 분자 생물학에서 긴 올리고뉴클레오티드를 형광 소광의 선택적인 간섭에 의해 검출하는데 사용되는 분자 비콘(beacon) 접근(예를 들면, Piatek et al., Nature Biochem. 16, 359-363(1998) 참조)과 같이, 이 방법은 화학적 사건이 일어나는 입자들을 가려내고, 추가적으로 방법이 완전히 일반적이고, 다음과 같은 시스템, 무엇보다도 올리고머-올리고머, 항체-항원 및 리간드-수용체 시스템에 적용될 수 있다는 이점을 갖는다. 이 효과는 콜로이달 Au에 대해 상기에서 논의되었지만, 이것은 다른 금속 입자, 예를 들면 Ag와 같은 것으로도 관찰된다. 게다가, 반사율 등흡수성의 교란은 다수의 비금속 재료, 예를 들면, 산화물로 성취될 수 있다. 보다 일반적으로, 등흡수성 및 상호작용을 포함하는 세그먼트의 표면에 결합하는 임의의 재료는 등흡수성을 다르게 교란할 수 있다. 예를 들면, Ag 및 Au 사이의 등흡수성에서, 대략 400㎚에서 최대 흡광도를 갖는 강하게 흡착하는 발색단은 Au보다 Ag와 더 강하게 상호작용하는 것이 예상될 것이다. 이런 상호작용은 반사율 등흡수성을 교란하기에 충분하다.
반사율을 교란하는 또 다른 접근은 구별적인 결합을 통해서이다. 따라서, 상기 실시예에서, 콜로이달 금속 입자들은 전체 나노바 코드에 결합되지만, 이것은 그럴 필요가 없다. 만일 다른 화학이 다른 세그먼트 상에 위치되는 경우, 입자의 결합은 단지 하나의 세그먼트에서 일어나고, 반사율 등흡수성은 교란될 것이다.
따라서, 분석물을 정량하는 두개 이상의 다른 방법이 구성되고, 하나는 정량이 특별한 나노바 코드(이것은 분자 또는 입자상의 형광 태그로부터 유도할 수 있다)로부터 또는 다른 반사율의 강도로부터 발산된 형광 강도를 기초로 만들어진다. 이 두가지 경우에서, 반사율은 나노바 코드를 확인하는데 사용된다. 그러나, 다양한 다른 스킴(schemes)이 분석물을 정량하고, 나노바 코드 향미를 확인하기 위해 모두 사용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 분석물 정량에서, 이들은 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 형광 태그, 전기화학적 태그, 방사성 태그, 질량 태그(예를 들면, 질량 분석에서 사용된 것), 기타 분자 태그(예를 들면, 조합 화학에서 사용된 것) 또는 다른 입자성 태그를 포함할 수 있다. 게다가, 나노바 코드는 모두 알려진 분석물 검출 메카니즘과 양립될 수 있다. 마찬가지로, 나노바 코드 확인을 위해, 다수의 검출 메카니즘이 사용될 수 있고, 이것은 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 광학 검출 메카니즘(흡광도, 형광, 라만, 하이퍼라만, 레일리 산란, 하이퍼레일리 산란, CARS, 총주파수 발생, 겹친 네개의 웨이브 혼합, 전면 광산란, 후면 산란 또는 각 광선 산란), 스캐닝 프로브 기술(근접 스캐닝 광학 분광법, AFM, STM, 화학력 또는 측면력 현미경 검사 또는 기타 변화), 전자 빔 기술(TEM, SEM, FE-SEM), 전기, 기계 및 마그네틱 검출 메카니즘(SQUID 포함)을 포함할 수 있다. 비록 상기 논의가 반사율 등흡수점(예를 들면, 광학 특성에 기초됨)을 언급했지만, 나노바 코드 어세이는 동일한 유형의 이점(예를 들면, "전도도 등흡수성")을 얻기 위해 다른 물리적 또는 화학적 특성에 기초된 다른 유형의 포인트를 이용할 수 있다. 게다가, 보다 일반적으로 특성이 주된 재료에서 동일하도록 수단이 조건을 제어하기 위해 존재하는 경우, 재료로부터 재료로 변화할 수 있는 임의의 특성은 유사하게 이용될 수 있다. 예를 들면, 얇은 Au 필름에 대해 분자의 단일층 결합이 전도성을 교란할 수 있는 여러가지 그룹에 의해 보여진다. 마찬가지로, 이 개념은 다른 세그먼트가 하나의 자기장에서 동일한 접근성을 가지고, 다른 자기장에 다른접근성을 갖는 곳인 나노바 코드에 대한 마그네틱 입자의 결합에 적용될 수 있다.
비록 많은 구현예가 항체 기초된 검출 스킴에 촛점을 맞추고 있지만, 이들 원리는 올리고뉴클레오티드, cDNA, mRNA, 단백질, 리간드, 소분자, 지질, 슈거, 무기 양이온 및 음이온, 세포 또는 세포 성분, 기관, 기관 시스템 또는 심지어 전체 유기체의 검출에도 동일하게 잘 적용된다는 것이 인식되어야 한다. 다른 말로, 나노바코딩은 원칙적으로 화학 또는 생물학적 시스템에서 발견된 임의의 및/또는 전체 종, 작은 분자 및 큰 유기체를 검출하는데 사용될 수 있다. 게다가 나노바 코드가 세포를 침투하기에 충분히 작고, 원칙적으로 세포의 성분(예를 들면, 미토콘드리아, 핵, 등등)을 침투하기에 충분히 작게 만들어질 수 있기 때문에, 이들을 생물학적 시스템에서 사용하는 한계는 없다.
게다가, 본 발명의 많은 구현예가 정량, 나노바코딩에 관한 것인 반면, 이들의 거시적 상대물도 마찬가지로 비정량적인 방식으로 추적(tracking), 위치(locating) 또는 추종(follow)하는 것에 사용될 수 있다는 것이 명확하게 되어야 한다. 게다가, 이들 입자들은 개개의 분자만큼 작은 크기에서 사람, 자동차, 탱크, 다리, 빌딩 등과 같은 거대한 것에 이르기까지 라벨화, 검출, 정량, 추종, 위치, 재고조사, 인식, 비교, 확인, 스폿, 이해, 분류, 관찰, 카레고리화, 라벨화 또는 발견하는 것에 사용될 수 있다.
게다가, 본 발명의 많은 구현예는 생물학적 시스템에의 이용에 관한 것이고, 나노바코딩은 비-생물학적 시스템(예를 들면 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 화학약품, 분자, 재료, 입자, 페인트, 패스너, 타이어, 종이, 서류, 환약 등을 포함)을 위해 상기 언급된 방법에 동일하게 이용된다는 것이 명확하게 되어야 한다. 태그 또는 라벨로서 사용되는 경우, 본 발명의 입자들은 하여튼 라벨링되는 재료와 결합되어질 수 있다. 입자성 태그는 이것과 결합된 재료에 관한 정보를 제공하기 때문에 선별되거나 동정될 수 있다. 예를 들면, 페인트중의 태그는 제조일, 페인트 혼합에 사용된 화학약품, 제조자 이름, 페인트의 광학적 특성 또는 다수의 기타 정보의 단편들을 코드화할 수도 있다. 나노바 코드가 정보를 코드화한다고 말하는 것은, 입자의 정보를 읽을 수 있다는 것을 의미하는 것은 아니다. 대부분의 구현예에서, 특정 유형의 나노바 코드를 나타낼 것이고, 이어서 나노바 코드의 유형에 관해 기록하기 위해 참조가 만들어질 것이다.
본 발명의 하나의 구현예에서, 나노입자들은 세그먼트를 포함하는 것이 아니라, 이들의 크기, 형태 또는 조성에 기초되어 구별가능할 수 있는 것이다. 이 구현예에서, 입자들의 어셈블리 또는 수집체에서 각각의 입자는 10㎛ 미만인 하나 이상의 크기를 갖는다. 바람직한 구현예에서, 입자들은 500㎚ 미만의 하나의 크기를 갖고, 보다 바람직하게는 200㎚ 미만의 하나의 크기를 갖는 것이다.
임의의 재료들로 만들어질 수 있는 이와 같은 입자들의 어셈블리는 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상, 가장 바람직하게는 5개 이상의 유형의 입자들을 포함하고, 여기서 각각의 입자의 유형은 입자의 서로 다른 유형과 구별가능하다. 바람직한 구현예에서, 입자들의 유형이 단일 재료를 포함할 수도 있기 때문에 및 다른 유형의 입자들이 어셈블리에서 기타 유형의 입자들과 동일한 재료를 포함할 수도 있기 때문에, 유형들 사이의 차이는 입자 유형의 크기 또는 형태에 기초된다. 예를 들면, 본 발명의 입자들의 어셈블리는 5개의 다른 유형의 골드 로드-형태의 나노입자를 포함할 수도 있다. 비록, 각각의 유형의 로드-형태 입자가 10㎛ 미만의 폭 또는 직경을 가지지만, 다른 유형의 입자들은 그들의 길이에 따라 구별가능하다. 또 다른 실시예에서, 7개 유형의 구형의 실버 입자들은 어셈블리를 구성한다. 다른 유형의 입자들은 이들의 상대적인 크기에 기초되어 구별가능하다. 또 다른 실시예에서, 동일한 폴리머성 재료로 모두 구성된 8개 유형의 로드-형태 입자들은 어셈블리를 구성한다; 비록 각각의 유형의 로드 형태 입자들이 동일한 길이를 가지지만, 이들은 이들의 직경 및/또는 단면적 형태에 기초되어 달라질 수 있다.
본 발명의 이 구현예의 나노입자들은 상기 설명된 바와 같이 관능화될 수도 있고, 세그먼트화된 나노바 코드 입자와 같이 동일 유형의 적용에 사용될 수도 있다. 본 구현예에 따른 입자들의 어셈블리에서, 입자 유형은 동일한 재료로 구성될 수 있지만, 그러나, 그렇지 않을 수도 있다.
본 발명의 이 구현예의 범위 내에 있는 나노입자의 어셈블리의 또 다른 실예는 입자들의 어셈블리이고, 각각의 유형은 동일한 크기 및 형태(하나 이상은 10㎛ 미만의 크기를 갖는다)가질 수 있고, 여기서 입자 유형은 이들의 조성에 기초하여 다를 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 입자들의 어셈블리는 동일한 크기 및 형태의 5개의 다른 로드-형태 나노입자를 포함할 수도 있다. 이 실시예에서, 다른 유형의 입자들은 이들이 만들어지는 물질에 기초해서 다를 수 있다. 따라서, 하나의 유형의 나노로드가 골드로 만들어지고, 또 다른 것은 플래티늄, 또 다른 것은 니켈, 또 다른 것은 실버, 나머지 유형은 구리로 만들어진다. 선택적으로 각각의 입자 유형은 다른 양의 염료 재료 또는 다른 퍼센트의 자기성 금속을 포함할 수도 있다. 각각의 경우에서, 제공된 입자 유형은 어셈블리 또는 수집체에서 기타 입자 유형으로부터 구별가능하다.
물론, 본 발명의 이 구현예는 크기, 형태 및 조성의 조합이 변화되어지는 어셈블리 또는 수집체를 포함한다. 본 구현예의 입자들의 어셈블리의 중요한 태양은 모든 입자 유형이 10㎛ 미만의 칫수를 하나 이상 갖고, 입자 유형은 어셈블리중의 기타 입자 유형으로부터 임의의 수단에 의해 구별가능하다는 사실이다. 이 구현예에서, 다른 유형의 입자들은 관능화되어질 수도 있고, 입자들의 유형의 구별가능한 특징들은 관능화의 특성을 코드화한다. 관능성 유닛의 특성을 코드화하는 것은 나노입자의 특이적으로 확인가능한 특징이 공지된 관능성 유닛에 선택적으로 부착될 수 있다는 것을 의미하고, 따라서 키(key) 또는 로그(log)가 유지될 수 있고, 여기서 일단 특이적인 입자 유형이 확인되고, 연결된 관능성 유닛의 특성이 알려진다.
금속성 세그먼트화된 입자들의 제조
본 발명의 구현예에 따른 금속성 나노바 코드를 제조하기 위해 사용된 바람직한 합성 프로토콜은 템플릿-관련된 전기화학 합성에서의 Al-Mawlawi et al.(Al-Mawlawi, D.; Liu, C.Z.; Moskovits, M.J. Mater. Res. 1994,9, 1104; Martin, C.R.Chem. Mater. 1996,8, 1739)의 작업에 기초된다. 이런 접근에서, 금속은 다공성 멤브레인 안쪽에 전기화학적으로 증착된다. 본 발명의 합성 방법은 여러가지 태양에서 이전 작업과 다르고, 이하의 것을 포함한다. 첫번째, 전기도금은 초음파 용기에서 실시된다. 두번째, 온도는 재순환 온도 용기를 사용하여 제어된다. 이들 첫번째 두개의 변형은 멤브레인의 기공을 통해 이온과 가스의 질량 전달을 촉진하는 것으로 로드 샘플의 재현성과 단일 분산성을 증가시킨다. 세번째, 다중 스트립을 갖는 로드는 멤브레인의 기공 내에 있는 금속 이온(예를 들면, Pt2+, Au+)의 순차적인 전기화학적 환원에 의해 제조된다. 세그먼트의 길이가 각각의 전기도금 단계에서 통과된 전류의 양을 제어하는 것으로 조절될 수 있고, 로드는 미리 프로그램된 각각의 세그먼트 길이(및 동정)를 갖는 나노미터 규모의 "바 코드"와 비슷하다. 로드의 폭 및 세그먼트 길이는 일반적으로 나노미터 칫수이고, 전체 길이는 금속 성분의 다른 반사율을 이용하여 일반적으로 광학 현미경으로 직접적으로 볼 수 있는 것이 일반적이다.
이론적으로 수백만의 다른 패턴을 생성하는 것이 가능하고, 통상적인 광학 현미경을 통해 독특하게 확인할 수 있도록 가변성인 나노로드 합성에서 많은 파라미터가 있다. 변화될 수 있는 가장 중요한 특징은 스트립된 로드의 조성이다. 나노입자의 가장 간단한 형태는 오로지 하나의 세그먼트만을 갖는 것이다. 결국, 여러가지 다른 유형의 이들 고형 바 코드가 제조된다. 제조동안 하나의 도금 용액만을 간단히 사용하는 것에 의해, 고형의 나노입자가 제조된다.
두개의 세그먼트 나노바 코드를 생성하기 위해, 두개의 금속(예를 들면, Au, Ag, Pd, Cu 등)은 합금을 형성하기 위해 순차적으로 또는 동시에 전기도금될 수 있다. 나노바 코드는 또한 3개의 다른 금속을 사용하여 발생될 수 있다. Au/Pt/Au로드의 합성은 1C의 Au, 8C의 Pt, 및 1C의 Au로 얻을 수 있다. 세그먼트의 공칭 칫수(nominal dimensions)는 1㎛의 Au, 3㎛의 Pt, 1㎛의 Au이다. 5-세그먼트 나노바 코드, Ag/Au/Ag/Au/Ag는 적절한 금속을 순차적으로 도금하고, 선택적으로 린스하는 것으로 생성된다. 일부 구현예에서, 용액 중의 모든 금속을 포함시키는 것이 가능하지만 전하 전위 전류를 변화시키는 것으로 증착을 제어하는 것이 가능하다. 도 3에 보여진 9개-세그먼트 나노바 코드, Au/Ag/Au/Ag/Au/Ag/Au/Ag/Au가 또한 제조될 수 있다. 다수의 세그먼트는 요구된 사양으로 변경될 수 있다.
다음의 제어가능한 인자는 개개 로드의 직경(때때로 본 명세서에서 폭으로 언급)이다. 설명된 다수의 나노바 코드는 250㎚의 기공 직경을 갖는 멤브레인을 사용하여 합성된다. 기공 직경을 변경하는 것으로, 다른 직경의 로드가 만들어질 수 있다. Au 로드는 10㎚ 직경 기공, 40㎚ 기공, 및/또는 200 내지 300㎚의 범위의 기공을 갖는 멤브레인에서 합성되어진다.
로드의 말단은 전형적으로 둥근 말단 또는 평평한 말단을 갖는다. 전류 흐름(-0.55mA/㎠에서 환원으로부터 +0.55mA/㎠에서의 산화로))을 역전시키고, 및 로드의 팁으로부터 골드의 일부를 제거하는 것으로 만들어진 Au 로드의 TEM 이미지는 로드의 팁으로부터 확장하는 스파이크를 발생시켰다. 추가적으로 분지된 말단이 발생된다. 이것은 전형적으로 멤브레인으로 도금된 금속의 양을 제어하는 것으로 제어될 수 있다. 멤브레인 기공의 가장자리는 이런 유형의 구조를 이루도록 분지되는 경향성을 갖는다.
로드의 말단을 변경하는 추가적인 방법은 증착의 속도를 조절하는 것이다.골드 로드(총 2C, 3㎛)는 0.55mA/㎠의 전류밀도에서 도금되었다. 이어서, 전류 밀도는 0.055mA/㎠으로 감소되고, 1C의 Au가 도금되었다. 골드 증착의 마지막 세그먼트는 멤브레인 벽과 나란한 중공 튜브이다.
수천개의 나노로드의 향미를 실제적인 양으로 제조하고, 분자를 대부분 또는 전부에 부착하기 위해, 신규한 조합적인 합성 기술이 필요하다. 여러가지 합성 구현예는 본 발명의 범위내에 포함된다. 각각의 접근은 특이적인 적용 및 적용을 위해 필요로 되는 요구된 수의 유형 또는 나노로드의 총수에 따라 이롭거나 바람직하지 않다.
세개의 구현예는 한정된-기공 멤브레인을 사용하는 존재하는 절차에 기초된다. (ⅰ) 첫번째 기술은 수백 내지 수천개의 유형의 나노로드를 고립된 섬으로 멤브레인상에 증착된 후면 실버를 석판술(lithography)적으로 패터닝하는 것으로 생성하고, 각각의 섬은 개개의 어드레스로 불러낼 수 있는(addressable) 전기적인 접촉을 형성한다. 실시예를 통해, 각각의 섬은 106내지 108개개의 로드 사이에 모든 동일한 유형을 포함시키는 충분한 표면적을 갖고, 따라서 기공 길이는 나노로드 길이보다 훨씬 길며, 다중 나노로드는 각각의 기공에서 합성될 수 있다. 각각의 나노로드는 후에 용해될 수 있는 실버 플러그에 의해 동일한 기공에서 다른 것과 분리될 수도 있다. 이것은 전체 수율을 10배 증가시킬 수 있다. 멤브레인은 이어서 "네일의 베드(bed-of-nail)" 장치 상에 조심스러운 조절로, 멤브레인상에 각각의 전극을 접촉시키는 개개의 스프링-부하된 핀을 가지고 위치시킨다. 네일의 베드에 부착된 컴퓨터 제어된 회로는 각각의 전극을 개별적으로 켜고 끌 수 있다. 전기도금 공정동안, 각각의 섬은 금속 유형과 두께의 독특한 조합으로 도금될 수 있다. 이런 방식으로, 각각의 섬은 다른 길이의 로드, 다른 수의 스트립 및 다른 재료의 조합물을 생성하여, 궁극적으로 디자인을 다양하게 한다. (ⅱ) 첫번째 접근은 네일의 베드 장치의 이용가능성과 패킹(packing) 밀도에 의해 합성될 수 있는 로드의 유형의 수를 제한할 것이다. 이런 한계를 피하기 위해, 네일의 베드 장치는 액체 금속 접촉에 의해 교체될 수 있다. 액체 욕조가 모든 전극을 동시에 접촉하는 것을 방지하기 위해, 멤브레인의 후면은 비전도성 코팅으로 패턴화될 것이다. 합성 동안 개별적으로 전극을 어드레스하기 위해, 전기도금 단계 사이에서 패턴이 제거되고 교체된다. 이런 접근은 고립된 섬의 밀도를 더 높게 할 수 있고, 따라서 로드의 더 많은 유형이 합성될 수 있다. 석판술 패터닝을 사용하여 얻어질 수 있는 통상적인 100마이크론 간격으로 떨어져 있는 섬으로, 최대 105유형의 로드가 합성될 수 있다. 각각의 멤브레인에서 기공의 전체수가 일정하기 때문에, 각각의 유형의 로드는 비례적으로 적어질 것이다. (ⅲ) 첫번째 두개의 접근은 시판되는 알루미늄 산화물 멤브레인 필터를 사용하고, 이것은 나노로드 합성에 적합한 기공 크기와 밀도를 갖는다. 그러나, 멤브레인 두께는 전형적으로 요구된 것 보다 크고, 이것은 전기도금 동안 기공으로의 비균일한 질량 전달에 기인하여 로드 및 스트립 길이를 변화시킬 수 있다. 또한, 이들 멤브레인(및 따라서 나노로드 폭)에서 유용한 가장 큰 기공은 250㎚이고, 이것은 1 마이크론 이상의 로드 폭을 갖는 일부의 적용에 대해 바람직할 것이다(이것은 1㎛ 미만의 폭을 갖는 구현예에 대해 사용될 수 있다). 이들 논쟁을 어드레스하기 위해, 기공 매트릭스는 사진석판술 기술를 사용하여 구축될 수 있고, 이것은 기공 크기 및 길이 전반을 궁극적으로 제어할 것이고, 얻어진 나노로드의 디자인의 유연성과 질을 증가시킨다. 이 구현예에 따라 포지티브 포토레지스트 코팅된 웨이퍼는 석판술-발생된 회절 격자를 위해 사용된 것과 유사한 기술을 사용하여 광선의 간섭 패턴에 노출된다. 정 각도(right angles)에서 두번의 노출과 이어진 현상은 포토레지스트에서 수직 홀(hole)의 어레이를 얻는다. 금속의 홀로의 전기도금과 포토레지스트의 제거는 템플릿-관련 합성을 위해 새로운 유형의 템플릿을 얻는다. 나노로도의 형태와 직경은 광원과 얻어진 스탠딩 웨이브 패턴을 조절하는 것으로 제어될 수 있다. 이 기술에 대한 이점은 기공 길이와 동일한 템플릿 두께가 로드의 길이를 따라 재단될 수 있고, 이것은 멤브레인을 가로지르는 전기도금의 균일성을 향상시킨다. 이 기술로, 1010내지 1012나노로드의 유형을 단일 기판상에 구축될 수 있다. 상기 설명된 이 두개의 접근은 많은 유형의 나노바 코드를 단일 웨이퍼로부터 합성하는데 이용될 수 있다. (ⅳ) 또 다른 접근은 상기로부터 관습화된 석판술적으로 한정된 기공을 사용하고, 신규한 광-관련 전기도금을 사용하여 궁극적으로 디자인의 유연성을 얻는 것이다. 템플릿 기공은 단지 세번째 접근에서와 같이 그러나 광감성 반도체 웨이퍼 상에 구축된다. 웨이퍼의 기공-측면은 전기도금 시약에 침지되고, 나머지 면은 광선의 패턴으로 조명된다. 광노출은 웨이퍼에서 광전류를 발생시키는데 사용되고, 도금 전류를 웨이퍼 내의 각각의 전도성 영역에서 절환하는데 사용된다. 컴퓨터-제어된 공간적 광선 모듈레이터는 다른 시간에 다른 영역을 선택적으로 조명하여, 각각의 영역이 다른 컴퓨터 제어된 도금 방법으로 수행될 것이다. 웨이퍼를 노출하는 광학 시스템의 해상도에 의존함에 따라, 이것은 단일 웨이퍼 상에 합성된 나노로드의 104내지 106분리 향미를 얻을 수 있다. 웨이퍼 당 1012전체 기공으로, 각각의 향미의 106내지 108나노로드가 합성될 수 있다.
본 발명의 입자들은 실시예 1에 설명된 기본적인 전기도금 공정을 자동화하는 것으로 대량으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 일련의 멤브레인과 분리 전극을 포함하는 장치는 다수의 다른 향미의 나노입자들을 충분하게 컴퓨터 제어된 방식으로 만드는데 사용될 수 있다.
사용된 합성 접근법에 독립하여, 최종적인 중요한 단계는 각각의 독특한 유형의 나노로드를 분리하고, 표면 제조 또는 변성화를 위해 모든 나노로드를 용액중에 방출하는 것이 요구된다. 각각의 상기 합성 접근법은 나노로드 분리와 방출을 위한 동일한 공정을 이용할 수 있다. 두개의 주된 기술이 있다. (ⅰ) 멤브레인 또는 평면의 기판 상에서의 다음의 합성, 반도체 산업의 다이(die) 분리 기술이 이용될 수 있다. 상기 기판은 유연한 접착성 재료와 엉키게 될 것이다. 기질을 통한 다이싱 톱 컷팅은 본래의 접착제를 남긴다. 이어서, 접착제는 각각의 섬 사이에 물리적 분리를 제공하기 위해 균일하게 신장되고, 이어서, 각각은 자동적으로 로봇에 의해 취해지고, 분리 마이크로웰(microwell)에 위치된다. 자동화된 유체 스테이션은 각각의 로드를 용액으로 방출하기 위해 필요한 에칭 용액을 도입하는데 사용된다. (ⅱ) 또 다른 구현예는 멤브레인중의 개개의 섬처럼 동일한 패턴의 웰과 에칭 용액이 흐르는 채널의 매칭 어레이를 포함하는 매칭 마이크로웰 기판이다. 멤브레인 또는 웨이퍼는 마이크로웰 기판과 채널 어레이 사이에 샌드위치될 수 있다. 에칭 유체는 Ag 베킹(backing)을 용해하고 나노로드를 대응 웰로 운송하는 채널로 도입된다. 입자를 멤브레인으로부터 제거하는 기타 수단이 가능하며, 예를 들면, 레이져 제거, 제어된 산 또는 염기 제거 등등이 있다.
멤브레인을 가로지르는 불균일한 도금 또는 평면의 기판상의 증착은 스트립 길이를 변화시킬 것이고, 따라서 최소의 스트립 길이상에 한계를 부과한다. 일부의 포인트에서, 이것은 스트립의 수를 한정하고, 따라서 제공된 나노로드 길이에 대해 가능한 유형의 최대 수를 한정한다.
멤브레인-기초된 템플릿-관련 합성 기술은 이들이 매우 많은 수의 매우 작은 로드를 만들 수 있기 때문에 바람직하다. 전기도금 조건은 많은 유형의 나노로드 바 코드를 제조하기 위해 적절하게 제어될 수 있다. 이런 수십 내지 수백개 유형이 요구되는 다중화된 면역어세이와 같은 적용에서, 공지된 기술을 적절하고 필요한 수를 제공하기 위해 간단하게 규모를 크게 할 수 있다. 이런 수천개의 유형이 요구되는 단백질학 서명(signature)에서와 같은 적용에서, 높은 처리량 합성 기술과 수천개의 다른 바 코드 각각을 독특하게 확인하는 능력이 요구된다.
통신, 디스크 드라이브 및 바 코드 산업으로부터의 알고리즘과 기술이 제공된 길이의 나노로드에서 대부분의 "정보"를 얻을 수 있도록 최적의 나노로드 디자인을 결정하는데 이용될 수 있다. 잡음 통신 채널에서 정보를 코드화하고 최소의 에러로 정보를 검출하기 위한 근본적인 요구는 잘 알려져 있다. 이들 문제에 적용되는 용액을 나노바 코드의 디자인, 합성 및 검출과 관련될 것이다.
나노바 코드 검출 및 동정화
폭이 대략 100㎚ 이상이고 길이가 약 2 내지 15 마이크론인 금속성 바 코드의 경우에서, 금속 세그먼트 반사율에서의 차이는 통상적인 광 현미경을 사용하여 볼 수 있다. 중요하게, λ/2 기준은 파장 λ의 광선으로의 조사하에 목적물의 크기를 확립하는 것에 관한 것이다. 정확한 크기를 결정하는 것이 불가능할지라도 직경이 λ/2 보다 많이 적은 특징이 보여질 수 있는 것이 가능하고, 사실상 거대한 그룹들에 의해 보여질 수 있다. 즉, Au/Ag 나노바 코드로부터 Au/Au 나노바 코드를 용이하게 구별할 수 있고, 여기서 세그먼트들의 정확한 크기가 정보의 요구된 단편이 아닌 한, 모든 세그먼트는 그의 폭이 50㎚이다.
따라서, 다수의 로드를 눈으로 검사하여 구별하는 것이 가능하고, 이런 작업은 자동화될 수 있다. 또한 λ/2 기준이 만족스러운 경우 개개의 바 코드 내에 다른 길이의 세그먼트를 구별하는 것이 가능한다. 이미지는 Ag 세그먼트가 다른 길이로 성장되는 9-스트립된 바 코드(Au/Ag/Au/Ag/Au/Ag/Au/Ag/Au)에서 얻어진다. 도 3을 참조한다. 이미지는 해상도를 개선시키고 이미지 대비를 보강하기 위해 반사된 광선 모드의 광학 현미경을 사용하고, 400±40㎚ 밴드패스 필터를 사용하여 얻는다. 상기 설명된 비쥬얼/광학적 방법에 덧붙여, 검출과 확인은 다수의 다른방법에 의해 만들어질 수도 있다.
이미지는 여러가지 면에서 흥미롭다. 첫번째, 이것은 네개의 명백한 밝은 영역이 보여질 수 있게 명확하다(이것은 Ag 세그먼트에 상응한다). 이 이미지에서, 뚜렷한 길이(현미경에 의한)는 평가된 길이와 일치하지 않는다. 실예로, 가장 작은 밝은 세그먼트는 가장 긴 세그먼트 길이의 1/10이 되는 것으로 보여지지 않는다. 이것은 비-선형 전류 대 길이 관계에 기인한 것이지만, 보다 광학의 물리적 한계를 반영하는 것 같다. 이미지는 반사된 광선의 밝은 필드 현미경으로 얻어진다. 이런 방식에서, 회절-한계된 광학은 약 2 NA의 이론적인 해상도를 제공하고, 여기서 NA= 개구수(numerial aperture)(이들 이미지를 얻기 위해 사용된 시스템에서, 해상도는 약 400㎚/2(1.4) = 143㎚)이다. 따라서, 143㎚(레일리 기준)과 매우 근접한 두개의 특징을 구별하는 것이 가능하다. 이것보다 더 근접한 포인트는 단일 특징으로 나타날 것이다. 그러나, 143㎚ 보다 적은 Ag 스트립은 여전히 현미경하에서 보여질 것이고, 이는 이것을 분리하는 Au 섹션이 이 거리보다 길기 때문이라는 점에 주목해야 한다. 따라서, 2.5 마이크로 바 코드에서, 200㎚의 12 스트립을 각각 용이하게 상상할 수 있고, 이들 모두는 광학적으로 구별될 수 있다. 선택적으로, 10개의 스트립을 갖는 2 마이크론의 바 코드는 150㎚의 5개의 세그먼트와 50㎚의 5개의 세그먼트로 만들고 "읽는"것이 가능해진다.
반사율에 의해 바코드 검출과 형광에 의한 분석물 정량을 동시에 하는 것이 가능하다. 실예는 도 4에 나타냈다. 판넬 C는 각각의 유형의 나노로드를 확인하는데 사용되는 400㎚에서 얻어진 반사율 이미지를 보여준다. 이 경우에서, 이미지는 스트립된 나노로드의 혼합물을 보여준다. FITC의 파장에서 이미지화된 판넬 A는 첫번째 유형의 나노바 코드의 밝은 이미지와 디지탈적으로 용이하게 제거되는 두번째 유형의 나노바 코드의 드물게 검출가능한 고스트(ghost)를 포함한다. 텍사스 레드(Texas Red)의 파장에서 이미지화된 판넬 B에서, 두번째 유형의 나노바 코드는 밝게 나타나고, 반면 나노바 코드의 첫번째 유형은 매우 희미하다.
형광을 읽을 수 있고, 동시에 나노바 코드를 확인할 수 있는 능력은 다중화 어세이를 위한 강력한 툴 세트를 포함한다. 일부의 구현예에서, 동정화 및 검출은 동일한 시그널을 사용하여 얻을 수 있다. 예를 들면, 형광 패턴은 동정화를 위해 사용될 수 있고, 반면 형광 강도는 분석물의 농도를 나타낸다. 그러나, 형광 이외의 수단에 의해 수행된 다수의 바이오분석이 있다. 이들 중에서 우세한 것은 질량 분석이며, 이것은 폴리펩티드와 단백질의 상세한 동정화와 분석을 위해 선택 툴이 된다. 질량 분석법에서 바이오분자 샘플 도입을 위한 널리 알려진 두개의 방법이 있다: 전자분무 및 매트릭스 보조 레이져 탈착/이온화(MALDI)이다. MALDI에서, 대상 분석물은 펄스된-레이져 조사에 의해 증발하는 고형의 자외선-흡착 유기 매트릭스로 끼워넣어지고, 이것은 분석물로 수행한다. (Karas et al., Anal. Chem.60, 2299-2301(1988) 참조). 이 과정 동안, 매트릭스에 의해 흡착된 에너지는 이온화되는 분석물로 전달된다. 가스상태의 분석물 이온은 이어서 TOF(Time-Of-Flight) 질량 분석기로 보내진다. MALDI-TOF는 현재 단백질, 폴리펩티드 및 기타 거대분자를 위해 성공적으로 이용되고 있다. 에너지를 전달하는 유기 매트릭스를 분석물로의 도입은 탈착 질량 분석의 필드를 엄청나게 진보시키지만, MALDI-TOF는 여전히일부의 한계를 갖는다. 예를 들면, 소분자의 검출은 실제적이지 않고, 이는 매트릭스로부터 배경 이온의 존재 때문이다. 또한, MALDI 실험은 매트릭스 선택에 본래 민감하다: 매트릭스 양 뿐만 아니라 매트릭스 유형은 분석물의 특성에 주로 조정되어야 한다(복합 매트릭스의 분석에 대한 여러가지 한계).
최근에, Sunner et al.은 표면-보조 레이져 탈착/이온화를 위한 SALDI 용어를 도입하였다(Sunner et al., Anal. Chem.67, 4335(1995)). 이 기술은 매트릭스 없이 소유기(samll organic) 분자의 분석을 허용하고 MALDI와 유사한 성능을 얻는다. 귀금속 나노입자는 두가지 이유로 인해 레이져-기초된 이온화를 위해 더 우수한 선택이다. (ⅰ) 콜로이달 귀금속 나노입자들은 가시영역 및 IR 근처에서 매우 큰 소광 계수(extinction coefficients)를 보여준다. 이것은 유기 매트릭스와 대비된다. (ⅱ) Au 나노입자의 조사는 입자 표면에서 전기장 세기에서 매우 극적인 증가를 유도한다고 알려져 있다: 이것은 표면 증강 라만 산란의 기초이다. 이것은 증가된 이온화 효율을 유도한다. 게다가, 나노바 코드 기술과 조합된 SALDI-MS는 강력한 분자 지문채취 툴이 된다.
통상적인 광 현미경은 나노로드를 이미지화 하는데 사용되고 있고, 바코드 서명의 자동화된 "디코딩"을 위해 허용되어야 한다. 추가적으로 형광 현미경은 바이오분자 로드에의 결합 수준을 정량하기 위해 사용되어진다. 검출과 판독은 각각의 나노바 코드의 코드를 검출하고 판독할 수 있는 관용적인 도구 디자인 및 정교한 이미지 분석 소프트웨어 및 나노로드에 결합된 분자로부터 형광을 정량하는 것으로 성취될 수 있다. 추가적으로, 이 검출 시스템은 적절한 파장의 높게 촛점 맞추어진 레이져 여기(excitation)가 각각의 나노로드의 표면으로부터 비공유적으로 결합된 분자의 레이져 유도된 탈착을 가능하게 한다.
이들 요구조건을 만족하는 시스템은 유리 표면상에 무질서하게 분산된 나노로드를 이미지화하기 위해 만들어질 수 있다. 4k×4k 픽셀 CCD 카메라에 적합한 63×(NA=0.8) 현미경 대물렌즈를 이용하여, 카메라의 시계는 약 9×104㎛2(가장자리에서 30 마이크론)이다. 각각의 시계는 물리적 겹침의 상당히 낮은 확률을 갖는 약 600 나노로드(1% 커버리지)를 유지할 수 있다. 각각의 유형의 10 로드에 대해 형광 또는 MS 시그널을 검출하고 평균화하는 것이 바람직하다고 보수적으로 가정하면, 1000-향미 측정은 전체 10,000 나노로드를 동정하고 측정하는데 필요하다. 시계 당 600 입자로, 약 20㎟ 의 전체 면적을 덮는 약 170 이미지 프레임이 요구된다. 고속 카메라에서, 각각의 프레임은 읽는데 약 2초 걸리고, 전체 이미지화 시간은 10분 미만이다. 요구된 표면적은 96-웰(well) 마이크로플레이트의 하나의 웰과 동일하고, 전체 처리량이 10분동안 1000 어세이이거나 또는 어세이당 약 1.7초 걸린다.
이미지 분석 소프트웨어가 사용될 수도 있고, 이것은 실제 시간동안 스트립 패턴을 위치시키고, 해독하고 및 시계의 각각의 나노로드로부터 형광을 정량할 수 있다. 측정 시간을 절약하기 위해, 시스템은 두개의 CCD 카메라를 사용할 수 있고, 하나는 반사된 광선을 포획하여 스트립 패턴을 해독하고 나머지는 각각의 나노로드로부터 형광 시그널을 동시적으로 정량한다.
이 이미지화 시스템은 스트립 패턴을 검출할 뿐만 아니라 각각의 나노로드로부터 형광 방출을 동시에 측정할 수 있다. 게다가, 이것은 높게 촛점 맞추어진 레이져 스폿을 각각의 개개 나노로드에서 나노로드의 가장 큰 크기에 매치시킨 스폿 크기로 유도하는데 사용될 수 있다. 빔 조타 광학(beam steering optics)은 각각의 나노로드로부터 단백질 및/또는 분자를 순차적으로 조명하고 탈착하는데 사용될 수 있고, 이것은 이어서 TOF 질량 분석기(time-of-flight mass spectrometer)로 가속될 것이다. 개개의 나노로드는 검출된 형광 시그널에 기초된 질량 분광 분석을 위해 선택될 수 있고, 따라서 현저한 결합을 갖는 이들 로드 만을 분석하는 것으로 시간을 최소화한다.
상기 논의된 바와 같이, 바람직한 구현예가 입자 동정화를 위한 메카니즘으로서 반사율과 센서 판독으로서 형광을 포함하고 있지만, 반사율 자체의 변화가 탐사(sensing)를 위해 잠재적으로 큰 보상(payoff)을 가지고 사용될 수 있다. Pt 및 Au 반사율에 의해 보여진 두개의 관련점은 (a) 대부분의 파장에서 반사율이 다르고(이것으로 대비 메카니즘 제공), (b) 약 600㎚에서, 이들은 동일한 반사율을 갖는다(반사율 등흡수성). 450㎚에서, Pt 스트립은 Au보다 더 밝게(더 반사) 나타날 것이고, 600㎚에서 그 반대가 된다. 중간 파장은, 대비가 관찰되지 않는 반사율 등흡수성이다.
EM 스펙트럼의 가시 영역에서 금속 박막의 벌크 반사율이 어떻게 형태에 의존하는 지는 잘 알려져 있다; 이것은 특히 귀금속 표면에서 그렇고, 나노미터-규모의 조도 특징은 표면 플라즈몬을 위한 산란 위치로서 작용한다. 간단히, 작은 구형의 콜로이달 Au 나노 입자로 태그된 이차 항체를 포획 항체로 유도된 Au 박막에 항원-관련 결합하는 것은 Au 필름 반사율에 크게 확대된 변화를 유도한다. 이것은 크게 증가된 항원 감도를 유도한다. 이 개념을 바 코드에 적용하면, 콜로이달 Au의 콜로이달 바 코드의 Au 세그먼트에의 분자 인식-유도된 결합은 벌크 반사율을 변화시키고, 반사율 등흡수성에서 반사율 대비를 유도한다. 따라서 콜로이달 금속 나노입자들은 제제와 대비될 수 있다고 여겨질 수 있다. 이 표면 플라즈몬 공명에 대한 필수적인 용액 유사물인 반사율 대비 메카니즘은 정교하게 민감하게 될 수 있다. 상업적인 도구를 이용하여, 10 제곱 마이크론 당 하나의 40㎚ 직경 콜로이달 Au 입자의 검출이 용이하게 얻어질 수 있음이 보여졌다. 바 코드의 표면적이 1㎛2미만이기 때문에, 단일 입자의 단일 세그먼트에의 결합은 검출될 것이고, 더 나아가, 입자당 하나에 대한 대상 바이오분자의 콜로이달 커버리지를 제한하는 방법이 가능하다.
본 발명의 나노바 코드는 거의 제한없이 생명과학 분야에 적용된다. 이들중 포함되는 것은 게노믹스, 단백질학, 관능성 단백질학, 신진대사의 프로파일링, 소분자 분석, 조합 비드 동정화 및 표현형화에 사용된다. 이것은 또한 전통적인 바 코딩 유형 적용 및 나노 다이오드와 같은 비-바이오분석적으로 사용된다. 이런 적용의 여러가지를 이하에 상세히 설명된다.
게노믹스 적용
본 발명의 나노바 코드 기술은 하나 이상의 구현예에서 유용하다: (ⅰ) 예를 들면, 100개 샘플에서 동시적으로 유전자 발현 모니터; (ⅱ) 자기-참조(self-referencing) 입자상에서 게노믹스 분석 수행; 및 (ⅲ) 용액중의 10,000 입자상에서 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP) 분석을 동시 수행.
게노믹스의 전문가들을 유기체내에서 유전자 발현을 글로벌하게 모니터하고 및/또는 유전적 다형성을 검출하는 것을 목적으로 한다. 사람에서, 이런 툴은 진단 및 예후 의학 모두에 사용될 수 있고, 이것은 유전자 칩 제조에 관련된 회사의 거대한 시장 자본화의 일부를 설명한다. 그러나, 유전자 칩의 최초 상업적인 출연 후 몇년이 지난 후에 조차, 해결되어야 할 기술적인 일부의 근본적인 문제가 여전히 있다. 이들 중에서 가장 두드러진 것은 식물의 다양한 부분에서 유전자 발현을 모니터링할 목적으로 또는 보다 중요하게 다수의 환자를 스크리닝하기 위해 다수의 샘플을 동시에 비교할 수 없다는 것이다. 나노바 코딩에 의해 제공된 매우 높은 수준의 다중화는 이들 문제를 경감시키고, 고처리량, 낮은 비용의 게노믹스 적용을 실제로 만든다.
오늘날 실제적으로 유전자 발현의 cDNA 어레이-기초된 분석에서, 두개 cDNAs의 혼합(각각은 형광 염료의 다른 색으로 표지된다)은 다수의 다른 cDNA 스폿을 포함한 표면에 적용된다; 혼성화 후에, 두개 색깔의 강도 비율의 분석은 상향 조절된, 하향 조절된 및 영향을 받지 않는 유전자를 결정한다. 이론적으로, 이것은 최대 cDNA의 4개의 샘플의 혼합물로 수행될 수 있고, 예를 들어 DNA 시퀀싱에서 사용된 4개의 염료의 각각을 사용한다. 이런 실험은 유전자 발현이 유기체의 다른 부분(예를 들면, 옥수수의 뿌리, 줄기, 잎 및 꽃)에서, 또는 치료 개입 후에 다른 시간에서 모니터되게 한다. 실제로, 이것은 상업적인 스케일로 보여질 수 없다: 분명히, 사용의 예상이 현재 존재하지 않는 단지 두개의 색깔을 사용한다는 큰 문제가 있다. 게다가, 현재의 기술을 사용하여 대량 다중화(예를 들면, 10 내지 100개의 DNA 샘플의 혼합)하는 것이 가능하지 않을 것이다. 반면에, 이런 실험은 바 코딩을 사용하여 매우 직선적이 될 것이고, 수행되어지는 대량 집단의 스크리닝을 빠르게 하고, 이것은 질병의 초기 진단에 대한 현저한 중요성을 갖는다.
이중 나선(ds) cDNA의 임의의 다수의 스폿을 포함한 표면은 제조될 수 있다(예를 들면, 게놈에서 모든 유전자에 대한 스폿). 그러나, 설명할 목적으로, 이중 나선(ds) cDNA의 50 내지 100 스폿을 포함하고, 대상 유전자의 부분 집단에 촛점을 맞추는 표면은 특정 질병에 관련된다고 알려진 바와 같이 용이하게 제조될 것이다. 이들과 매우 유사한 유전자 클러스터는 현재 멤브레인 및/또는 유리 지지체상에서 시판된다. (멤브레인의 백색 배경은 나노바 코드 동정화를 위한 우수한 대비를 제공할 것이다). 각각의 스폿은 대략적으로 400 마이크론 ×400 마이크론 크기이다. 단리된 mRNA의 각각의 100개의 샘플이 cDNA로 역전사되는 경우, 독특한 올리고뉴클레오티드 태그(15 염기)가 각각의 폴리-T 프라이머에 부착될 것이고; 따라서 모든 각각의 샘플로부터 cDNA는 동일한(독특한) 태그를 가질 것이다. 본 발명의 실시예에서, 50개의 샘플은 혈액 은행으로부터 얻고, 50개는 초기- 또는 만성-단계 질병을 나타내는 환자로부터 얻는다. 라벨화된 cDNA의 100 샘플은 혼합될 것이고 표준 프로토콜을 이용하여 표면에 혼성화된다(표면상에 이중나선 cDNA가 변성된 후에). mRNA 발현의 레벨이 각가의 샘플에서 동정되는 경우, 이어서 각각의 샘플로부터 동일한 수의 cDNA가 표면에 결합할 것이다. 1012cDNAs/㎠의 커버리지와 혼성화의 1% 효능(과소평가)만을 사용하는 것은 각각의 스폿(1.6×107전체 cDNA 분자)에서 각각의 독특한 cDNA의 1.6×105과 일치한다. 비교적 크거나 또는 낮은 수준의 발현을 갖는 샘플은 증가된 또는 감소된 수의 결합된 분자를 각각 보여주기 위해 결정된다.
결합의 상대적인 양의 정량은 이 표면을 나노바 코드의 100 향미의 혼합물을 가지고 개발하는 것에 의해 얻어질 것이고, 각각은 cDNA의 샘플을 표지하는데 사용된 독특한 올리고머 보색으로 표지된다. 바의 길이를 따라 5 내지 10 나노미터 규모에서의 조도 때문에, 혼성화는 올리고머가 나노바 코드 표면으로부터 이격된 경우 보다 효율적으로 진행한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 보색 태그는 랜덤화된 DNA의 30 염기와 15-염기 올리고머를 포함하는 45-머(mer)를 사용하여 입자들에 첨부될 것이다. 잘 알려진 방법의 하나는 45-머를 표면에 부착하기 위해 사용된다: 하나는 티올-라벨화된 DNA의 사용을 포함하고, 다른 것은 아민-종결된 DNA에 표준 EDC 커플링을 사용한다. 티올 라벨화된 재료의 경우에서, 45-머가 메르캅토헥사놀로 미리 유도된 입자에 첨가되는 것은 DNA가 표면에 보통으로 결합하는 경향성을 증가시킨다(그리고, 이것은 혼성화 효율을 증가시킨다)는 것이 주목된다.
측정의 동적 범위는 스폿의 크기에 상대적으로 나노바 코드의 크기에 의해 감소된다: 0.1×1 마이크론 바 코드는 1000 cDNA 분자를 덮을 것이고, 이것은 발현에서의 차이가 없고, 스폿이 200×200 마이크론인 경우 각각의 스폿에 오직 1.6×104바코드 만이 있거나, 또는 160의 각각의 향미 만이 있다는 것을 의미한다. 만일 비교적 낮은 동적 범위(예를 들면, 20(2 decades))가 충분하지 않다면, 다수의 샘플이 50으로 감소될 것이고, 스폿 크기는 3배가 되어 30(3-decades) 동적 범위를 얻는다. 이것은 요구된 재료의 세배를 요구하지 않는다. 관련된 작업은 단일 결합이 부착된 종을 함께 고정하는데 충분하다는 것을 보여준다.
이 유형의 매우 높은 수준의 다중화(예를 들면, 다중 스폿에서 다중 태그)는 임의의 다른 현 기술을 사용하여 수행될 수 없다. 구형의 입자들로, 하나는 다른 향미를 얻을 수 있지만, 입자들은 오직 몇몇의 각각의 유형 만이 표면에 결합할 수 있는 나노바 코드와 크게 비교된다. 하나는 100개의 다른 cDNA를 이런 입자(예를 들면, 각각에 대하 하나의 유형) 상에 둘 수 있고, 이는 효과적으로 어레이가 비드와 교체될 수 있게 하지만, 하나는 형광 태그의 3-4 유형에 속박된다. 선택적으로, 하나는 양자 도트로 여겨질 수 있고, 이것은 바 코드보다 많이 작으며, 이것은 보다 많은 입자들이 각각의 스폿에 결합하게 하지만, 100개의 다른 향미의 제조가 가까운 미래에 예상되지 않는다: 25㎚의 형광 반-폭으로, 500㎚ 내지 3 마이크론 사이에서 균일하게 이격된 최대 방출을 갖는 한 세트의 입자가 요구된다. 나노바 코드는 여기에 적용할 수 있는 작은 크기와 높은 판독 유지능력의 독특한 균형을 유지한다.
두개의 다른 화학을 동일한 Au/Pt 나노바 코드상에 위치시키는 능력은 본 발명의 구현예에서 또한 사용될 수 있다. 이것은 두개의 조건, 자기-참조(self-referencing) 나노바 코드 및 이중-어세이 나노바 코드를 유도한다. 이 둘의 조건은 스트림 세트가 단일 나노바 코드 내에 있는 것을 제어하는 것이 가능하기 때문에 형광이 관찰되는 입자상에 위치를 제어하는 것이 가능하다는 사실로부터 유래된다. 예를 들면, 포획 항체가 Au 스트립에 단독으로 위치되고, 샌드위치 면역어세이가 형광적으로-표지된 이차 항체를 사용하여 수행되는 경우, Pt 스트립으로부터 발산하는 형광은 없다: Pt 스트립은 내부 기준으로서 작용한다. 따라서, Pt로부터 나오는 임의의 형광은 비특이 결합에 기인되어야 하고, 디지탈적으로 제거될 수 있다. 이 원리는 다른 금속상에서 매칭된 및 매칭되지 않은 포획 올리고뉴클레오티드를 사용하여 보여질 수 있다. 이것은 자기-참조 나노입자가 된다. 상기 언급된 바와 같이, 4개의 직교 화학을 갖는 4개의 유형의 세그먼트를 갖는 나노바 코드는 특이 잔기에서 각각 가능한 염기 치환을 갖는 핵산이 하나의 입자 상에 위치되게 한다. 이런 입자들의 사용은 자체적으로 빠르고 다중화된 단일 뉴클레오티드 다형화(SNP) 분석을 이끈다.
구별적인 스트립 변형을 사용하는 또 다른 중요한 적용은 바이오분석에서 가짜의 포지티브의 제거용이다. 예를 들면, 간염 C에 대해 포지티브 라벨화된 혈액 샘플의 오직 25% 만이 실제로 포지티브적으로 오염된다. 따라서, FDA는 현재 혈액의 핵산 테스트(Nucleic Acid Testing)를 보다 정확한 방법으로 여기고 있다. 이상적으로 항체- 및 핵산-기초된 시험으로부터 포지티브 시그널은 모호하지 않은 동정화를 위해 요구되어지고, 특히 가짜 포지티브 결과가 생명을 위협하는 경우에 그렇다. 결국, 정부 기관은 생물전 제제의 동정화를 위한 보완적인 기술을 적극적으로 추진한다. 탄저병을 위한 항원과 핵산의 동시적인 검출은 스트립의 한쪽 세트상에 항체로 및 다른 쪽에 올리고머로 유도된 입자를 사용하여 또한 성취될 수 있다(올리고머 및 항체 모두 메릴랜드, 록크빌의 Tetracore LLC로부터 시판된다). DNA 어세이는 "샌드위치" 모드로 수행될 것이다. 전체 나노바 코드 표면이 광선을 방출하는 경우(예를 들면, 두 분석물 모두 존재한다)에만, 포지티브 ID가 만들어질 것이다. 원칙적으로, 이것은 나노바 코드의 다른 향미상에 고정화된 적절한 시약을 가지고 동시에 다중으로 의심된 생물학전 제제로 행해질 수 있다.
본 발명의 나노입자를 이용하는 기타의 구현예는 매우 많은 수의 바 코드로 유용해질 것이다. 예를 들면, 1,000 내지 10,000 향미의 바코드를 갖는 충분한 나노바 코드 다양성이 용액중의 유전적 분석(예를 들면 단일 뉴클레오티드 다형화(SNP) 맵핑을 포함)을, 유전자 칩 또는 고정화된 DNA의 복잡(및 비용)화 없이, 완벽하게 수행하는데 이용된다. 이 구현예에서, 각각의 향미의 나노바 코드는 유전자 어레이상에서 공간적인 위치에 대해 정확한 대체물이다. 게다가, 실험은 올리고뉴클레오티드가 사진평판-추진된(photolithography-driven) 반응에 의한 것 대신 화학적으로 부착(예를 들면, 상기에 설명된 바와 같이 티올의 공유적 흡착)될 것이라는 것만 제외하고 동일하게 수행된다.
이들 실험에서 어레이 및 나노바 코드(0.2×3 마이크론)에서 표면적의 합계를 비교하는 것이 유익하다. 직경이 50 마이크론인 원형의 스폿은 2000 제곱 마이크론의 영역과 대응한다. 기공당 하나의 나노바 코드를 가지며 전체 멤브레인의기공 밀도를 30%로 하여 3" 직경 멤브레인에서 합성을 수행하고, 1536 나노바 코드/멤브레인을 제조하면, 각각의 합성은 단지 이천팔백만 이상의 나노바 코드를 제조할 것이다. 각각 0.2 마이크론 ×5 마이크론 바 코드 각각은 3 제곱 마이크론의 면적을 갖는다. 고정된 나노바 코드 상에 형광단 검출의 효능은 평면의 어레이상에 유사한 크기의 스폿과 동일하다고 여긴다. 전체 유용한 표면적(입자의 각각의 향미에 대해)이 유전자 칩에 대한 2,000 제곱 마이크론과 비교하여 이천팔백만 제곱 마이크론이기 때문에 고정된 나노바 코드 상에 형광단의 오직 1/3 만이 검출될 수 있고(나머지 2/3은 바닥 또는 측면에 있다고 가정), 입자 면적당 효과적인 검출 면적이 1 제곱 마이크론이라고 보수적으로 여겨진다. 다른 모든 것이 동일하면, 나노바 코드의 각각의 합성은 14,000 유전자 어레이 실험의 등가물에 대해 충분하게 각각의 향미를 제조한다. (유전자형 실험에서 전형적으로 유용한 바와 같이, 10,000 다른 향미를 얻기 위해 1536 나노바 코드의 7가지 다른 합성을 한다는 것에 주목).
발명자들은 선택적인 올리고뉴클레오티드 혼성화가 나노바 코드 표면상에서 행해질 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 시퀀스 A의 올리고뉴클레오티드가 표면에 부착되는 경우, 시퀀스 A'(여기서, A'는 완벽하게 A에 대해 상보적이다)는 결합하고, 양면의 용융 온도에 도달할 때까지 가열에 의해 비공유적으로 결합되어 남을 것이다. 대조 실험에서, 올리고뉴클레오티드 B(이것은 A에 비상보적이다)는 나노바 코드상에서 A와 반응되고, 세척 및/또는 용융점 이하의 온도로 가열한 후에 부착된 상태로 남아 있지 않는다. A'의 결합(B의 비-결합과 함께)은 형광적으로 라벨화된 DNA의 사용에 의해 실험적으로 확인될 수 있다: 형광적으로 라벨화된 A'와의 반응, 이어지는 세척 및 가열은 나노바 코드(예를 들면, 용액중에서가 아님)에 만 결합된 A'를 보여주는 형광 이미지를 유도한다. 동일한 조건하에서, 형광적으로 라벨화된 B와의 반응은 분별할 수 있는 형광 없는 이미지를 이끈다. 게다가 이런 결과의 확인은 결합된 A'가 나노바 코드의 MALDI-TOF를 사용하여 직접적으로 동정될 수 있는 질량 분석 데이타로부터 나온다.
이 결과는 SNP 분석 뿐만 아니라 용액중에서 수행되는 "유전자 칩" 실험을 할 수 있다. 설명을 위해, "유전자 칩" 실험은 전형적으로 하기와 같이 수행된다. DNA 샘플이 분해되고, 형광 프로브와 반응되고, 공지된 위치에서 표면에 부착된 공지된 올리고뉴클레오티드의 어레이와 반응된다. 형광 이미지를 표면으로부터 맵핑하는 것은 특정 올리고뉴클레오티드의 존재/부재를 밝힌다. 이 실험은 나노바 코드에 대해 엄밀하게 동일한 방식으로 수행되고, 단 현재 표면-결합된 올리고머의 확인이 칩상에 그의 위치보다는 나노바 코드 ID에 의해 결정된다는 것만 제외한다. 중요하게, 이런 접근은 용액중에서 혼성화가 일어나게 하고(여기서, 나노바 코드는 자유롭게 분산할 것이다), 이것은 매우 빠른 평형의 형성을 이끈다. 게다가, 어세이에 특정 올리고머(또는 올리고머들)을 첨가하거나 또는 제거하는 것이 용이하게 성취된다. 필수적으로 동일한 방식으로 수행될 수 있는 핵산을 포함한 실험의 12가지 유사한 포맷인 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 각각에서, 표면-결합된 분자의 확인은 나노바 코드 ID에 의해 결정된다. 마찬가지로, 실험은 핵산 이외의 분자의 결합이 검출될 수 있게 수행될 수도 있다(예를 들면, 전사 인자). 게다가,결합된 분자는 전장 DNA, 전장 RNA, 또는 핵산의 양면일 수 있다.
단일 뉴클레오티드 다형화(SNPs)를 검출하는 다수의 다른 생물학적 접근이 있다. 각각은 나노바 코드 상에서 다중화된 방식으로 수행될 것이다. 여기서, 사람 게놈이 100,000 SNPs의 순서상에 포함되는 지가 평가되는 바와 같이, 이상하게 많은 수의 구별가능한 입자들을 만드는 나노바 코드의 독특한 능력은 필수적이 될 것이다.
소분자의 분석
본 발명의 나노입자의 또 다른 구현예는 나노바 코드상에 조합적으로 자기-어셈블리화된 단일층 화학이고, 따라서, SALDI-TOF 스펙트럼이 SAM-코팅된 나노바 코드에 흡착된 분자를 얻게 하고, 조합적인 분리/SALDI 분석이 복잡한 생물학적 유체 중에서 수행될 수 있게 한다.
생명 과학자들은 환자 샘플로부터 단백질과 펩티드의 완벽한 프로파일을 구축하는 것에 매우 흥미를 가지고 있고, 단백질학 분야에서 창조에 대한 힘을 부여한다. 이런 노력에서 절대적인 것은 질병에 대한 생물학적 마커(또는 적어도 생물학적 마커의 성분)를 포함할 수 있는 질병에 걸린 집단들로부터 얻은 샘플중에서 단백질 발현에서 변하는 개념이다. 소분자의 완전한 프로파일은 적어도 흥미적이 될 것이다: 결국, 지금까지 알려진 두개의 가장 중요한 생물학적 마커는 콜레스테롤과 단순한 혈당이고, 둘 모두는 1000 미만의 분자량을 보인다. 불행하게도, 본질적인 이론상의 제한을 갖는 순차적인 분리(예를 들면, LC-CE 또는 CE-CE)에서 노력에도 불구하고, 2-D 소분자 분리에 대한 합리적인 접근으로 보여지지 않는다. 이런 방법의 원리는 고형상 마이크로 추출(SPEM)에서 사용된 기술과 유사한다. 화합물의 선택적인 흡착/탈착은 무용매 시스템(solvent-less system)에서 행해질 수 있다. 통상적인, SPME는 종의 선택적인 흡착/탈착이 효과적인 다양한 다른 재료를 포함하기 위해 확장되지 않는다.
관능화된 표면에 혼합물로부터의 종을 선택적으로 결합하는 전략은 표면상에 이들의 농축을 유도하고, 이것은 고감도로 검출하는 가능한 경로를 만든다. 표면 농축된 레이져 탈착 이온화(SELDI), MALDI의 다양성은 이런 원리에 기초된다. (예를 들면, Weinberger, Electrophoresis,6, 1164-1177 (2000) 참조). 5 내지 6개의 다른 표면은 단백질 및/또는 소분자가 적용되는 것에 따라 얻어질 수 있고, 이어서 증가된 스트린전시(stringency)로 세척된다. 각각의 표면/스트린전시 조합은 다른 흡착 프로파일을 이끌고, 기술은 복잡한 혼합물의 분석을 위한 수단을 제공한다. 본 발명의 이 구현예는 이런 접근을 수 천의 다른 표면 화학을 나노바 코드에서 발생시키는 것으로 기하급수적으로 확장한다. 각각의 화학은 이들의 나노바 코드 ID에 의해 확인되고, SALDI에 의한 이어지는 분석은 복잡한 혼합물의 광대하게 향상된 분석을 이끌어 낼 것이다.
생물학적 샘플로부터 여러가지 분석물을 분명하게 코드화된 입자들상에 동시에 포획하는 조합적으로 디자인된 표면은 분리 과학 또는 임상적인 화학 영역에서 우선순위를 갖지 않는다. 하나의 구현예에서, 이들 표면을 만들기 위해, 시약의 라이브러리로 유도화된 반응성의 관능성 기로 종결된 자기 어셈블리화된단일층(SAMs)이 사용될 수 있고, 이로부터 표면 화학에서 특이한 다양성을 갖는 나노바 코드를 얻는다. 게다가, 나노입자들은 자석으로 만들어 질 수 있고, 이것은 이들이 도입되어 있는 용액, 샘플 또는 유기체로부터 이들을 추출하는 직접적인 방법을 제공한다.
당업자들에게 인식되는 바와 같이, 표면 화학 또는 코팅제를 나노바 코드에 적용하기 위해 사용될 수 있는 방법에 관한 문헌이 광범위하게 존재한다. 이들 방법중의 하나가 SAMS에 의한 것이다. SAMS는 당업자에게 친숙한 다양한 방법으로 형성될 것이다. 하나의 실예에서, 골드의 표면상에 ω-카르복시 치환된 알칸티올로부터 형성된 SAMs는 표면과 단백질의 상호작용을 연구하기 위한 모델 표면으로서 사용된다. 상기 화학은 캡핑, 예를 들면, 수용성 매르캅토 유도체, 전형적으로 메르캅토 카르복실산 또는 아민과의 캡핑을 포함한다. 카르복실 또는 아민은 단백질, 펩티드 또는 핵산을 공유적으로 라벨화하기 위해 순차적으로 사용되어 생물학적 어세이에 사용될 수 있는 이들 분자의 바이오분자 컨쥬게이트를 얻는다. 혼합된 SAMs는 피브리노겐, 리소자임, 피루베이트 키나제, RNAse 및 탄산 탈수효소의 흡착을 연구하기 위해 다른 것에 의해 사용되고 있다.
본 발명의 실예적인 구현예에 따르면, 나노로드는 카르복실 관능성기로 종결된 SAMs를 처리하면서 ω-카르복시 알칸티올과 로드를 반응시키는 것으로 합성된다. 카르복실 관능성기는 다양한 관능성기를 갖는 광범위한 아민과의 추가적인 반응을 위해 무수물에 활성적이 된다. 아민 반응성 관능성기를 제공할 뿐만 아니라 단백질과의 비특이성 상호작용을 방지하는 또 다른 부류의 유도체는 카르복시메틸덱스트란으로부터 용이하게 제조된 덱스트란 락톤이다. 나노로드의 초기 유도화는 3-메르카토 프로필(트리메톡시)실란과 락톤 유도된 카르복시메틸 덱스트란의 유리(free) 수산기들로 교환된 실란 알콕시로 행해질 수 있다. 이어지는 다양한 관능성기를 수반하는 아민을 갖는 락톤의 분열은 텍스트란 코팅된 나노입자들의 λ히드록시 아민의 라이브러리를 얻는다. 이들 방법은 용이하게 제조되는 공통의 반응성 중간체를 제공한다. 코팅된 덱스트란 또는 친수성 SAMs은 동시에 나노로드와 넓은 범위의 분자량과 등전점을 갖는 단백질 사이의 비 특이적 상호작용에 내성인 표면을 제공한다. 유도화를 위해 구조적으로 다른 아민 반응물 칵텍일을 적절하게 선택하고 디자인하는 것은, 표면의 광대한 라이브러리를 만드는 조건이다. 이들 조합적으로-유도된 나노입자들은 SELDI에 대해 설명된 것보다 더 많은 효능을 가지고 생물학적 샘플중에 존재하는 광범위한 분자에의 결합을 위한 열의를 다양하게 갖는 표면을 갖는다.
칩-기초된 시스템과 달리 이들 나노로드를 갖는 친화성 포획 기술은 분석물을 포획하기 위한 오프라인 배양을 사용한다. 이런 접근은 운동학적 관점(분석물의 빠른 포획)에서 본질적으로 우수할 뿐만 아니라, 결합 결정요소의 밀도가 생물학적 유체중에 맞게 광범위한 분석물 농도를 적절하게 하기 위해 다양해 질 수 있는 바와 같이 질량 작용법으로부터 결합을 추진하는 것이 이롭다. 다양한 밀도를 갖는 카보하이드레이트 유도된 SAMs는 세포-표면 카보하이드레이트-단백질 상호작용을 포함한 쟁점을 어드레스하는데 사용되어진다. 본 발명의 표면은 유리(free) 다당류를 인식하기 위해 조정될 수 있고, 동시에 예를 들어 글리코프로테인중의 카보하이드레이트에 대해 다중 결합 결정요소를 이용하여 디자인될 수 있다. 이 접근은 저분자량의 유기 화합물로부터 큰 단백질까지 광범위하게 분자를 결합할 수 있는 표면을 제공하고, 이것은 분석에 어드레스될 수 있고, 분석을 받을 수 있다. 생물학적 소스는 주로 무기염의 착 혼합물, 완충액, 카오트롭스(chaotropes), 방부제 및 기타 첨가제를 대상 분자에 대해 높은 농도로 포함하고, 이것의 일부는 MALDI MS에 대해 유해적이다. 본 발명의 이 구현예는 생물학적 샘플중에 존재하는 분자의 수와 동일한 크기의 다수의 표면을 만들 수 있다. 동시에, 대상 분자의 결합이 질량 분석에 의해 분석되게 한다. 결과적으로 이전 분석에 비해 매우 유용하고 효율적인 방식의 샘플 제조법을 제공한다.
지금까지 본 발명자들은 낮은 분자량 기관, 펩티드 및 큰 분자를 마이크로볼륨 다중화된 분석법에서 동시에 조사하는 기술에 대해 인식하지 못했다. 다른 분자에 대한 친화성을 다양하게 하여 표면 변형된 나노로드의 방대한 라이브러리는 생물학적 생물에 추가되고, 배양되고, 세척되고, SALDI MS에 의해 분석되며, 각각의 나로로드는 특정 분자 또는 분자 세트를 나타내고, 이것으로 전체 앙상블은 분석된 샘플의 흔적을 제공한다.
관능화 단백질학
본 발명의 추가적인 구현예에 따르면, 나노로드 기술은 다음에 사용될 수 있다: (ⅰ) 매우 감도 높은 다중화된 면역어세이 또는 알려진 단백질에 대한 다른 형태의 어세이 개발; (ⅱ) 번역후 변형의 동정화를 위한 방법 개발; 및 (ⅲ) 단백질-단백질 상호작용 연구.
단백질 분석의 일차 목적은 유전자 산물(단백질)의 빠른 특성화이다. 단백질학에서의 기술 단계는 전체 세포, 조직 또는 전체 유기체의 레벨에서 발현된 복합 단백질 혼합물의 분리를 허용하는 2차원적인(2-D) 겔 전기영동에 의존될 것이다. 2-D 겔 전기영동 및 겔 착색 후에, 밝혀진 단백질 스폿은 겔로부터 절단되고, 추출되고 효소적으로 분해된다. 얻어진 펩티드 단편들은 이어서 질량 분석(MALDI-TOF MS 또는 ESI-MS)에 의해 특성화된다. 원래의 단백질 구조는 시판되는 데이터베이스(예를 들면, SWISS-PROT)에서 발견된 공지된 단백질에 대한 이론적인 펩티드 질량에 대한 펩티드 질량을 매치시키는 것으로 재구축될 것이다. 2-D 겔 프로세스의 재현성의 부족, 단백질 정량에서의 어려움 및 샘플 추출과 관련된 복잡성은 이 기술에서 문제의 일부이다. 2-D 겔은 매우 낮은 및 매우 높은 분자량의 단백질에 대한 분리 바이어스(bias)가 문제가 된다. 따라서, 2-D 겔은 소유기 분자, 신진대사물, DNA, RNA 및 중요하게 15kDa 이하의 단백질을 믿을 수 있게 프로파일 할 수 없다.
단백질학에 대한 추가의 접근은 공지된 단백질에 대한 분석을 제한하는 것을 포함한다(예를 들면, 항체는 시판된다). 이 기술에 기초된 단백질학을 수행하기 위한 최선의 기술은 고형 지지체로서 마이크로스피어를 사용한다: 현재 100개의 다른 비드 세트가 이용가능하다. 각각의 비드 세트는 원칙적으로 분리 면역어세이를 지지할 수 있다. 데이타 인식은 통상적인 흘림 세포계측기와 유사한 도구에 의해 행해진다. 15 사이토카인의 동시적인 정량은 이 기술을 사용하여 나타내어진다.이런 접근의 주된 한계는 마이크로스피어에 대한 표지화(tagging) 및 검출을 위해 모두 사용된 분자 형광성의 주파수 간격이 나노바 코드(구별적인 반사율 간격에서) 만큼 많은 수의 향미를 수용하기에 충분히 넓지 않다는 것이다. 이것은 이런 접근에서 선형의 진행을 만들 뿐만 아니라 단백질학에서 착수를 진전시키기 위해 MALDI의 최상의 태양과 다중화의 최상의 태양을 조합하는 기회를 제공한다.
단백질학 분야에서, 발현된 단백질의 대량적으로 병렬적인 분석에 대한 필요성이 있다. 나노바 코드 기술, SALDI 및 형광 기초된 면역어세이의 하나의 플랫폼으로의 조합은 이하에 설명되는 바와 같이, 공지된 단백질에 대한 매우 민감하고 정량적인 다중화된 면역 어세이를 만들 수 있다. 이 능력은 선택성, 감도, 다중화, 정량화 및 질량 분석을 동일한 측정법으로 통합하기 위해 존재하고, 다른 이점중에서도 감도에서 최소 100 배 증가를 제공한다.
우선, 특이성 면역어세이는 특이 포획 항체의 부착을 통해, 나노바 코드의 각각의 향미에 결합된다. 분석물은 항체-코팅된 나노로드에 결합되고, 분석물 상에서 다른 에피토프(epitope)를 인식하는 형광 염료로 표지된 두번째 항체로 검출된다.
유용한 포획 및 검출 항체 만큼 많은 단백질에 대한 동일한 샘플에서 행해질 수 있다; 수백 쌍의 항체가 현재 시판되고, 이 수는 점점 증가될 것이다. 게다가, 단백질 어세이에 대한 다른 접근(예를 들면, 압타머(aptamer)) 기술, 및 파지(phage) 디스플레이)는 현재 개발 및 개선시키려고 하고 있다. 따라서, 상기 방법은 적절한 선택적인 결합 화학이 존재하는(존재하려는) 모든 공지된 단백질의존재에 대한 생물학적 샘플을 동시적으로 조사할 수 있는 능력을 갖는다. 이 시스템의 이점은 더 많은 다중화가 두개 이상의 형광단으로 가능하다는 것이다.
번역 후 변형된 단백질(새로운 질병 마커에 대한 우수한 후보)은 동일한 플랫폼을 사용하여 검출될 것이다. 임의의 단백질은 번역과 동시 및 번역후 변형될 수 있다. 이들 변형은 전하, 소수성, "모 단백질"의 형태에 대한 영향성을 가지며, 다른 수준에서 일어날 수 있다. 아세틸화, 인산화, 메틸화, 수산화, N- 및 O-글리코실화와 같은 변형이 세포 수준에서 뿐만 아니라 세포외 유체에서 일어날 것이다. 현재까지 100개 이상의 알려진 번역후 변형이 있다.
번역후 변형을 검출하기 위해, 단백질에 대해 일어난 폴리클로날 항체는 특이 바 코드 향미에 접합된다. 폴리클로날 항체는 이것이 일어나는 단백질 뿐만 아니라 단백질 등형태(isoform)(유사한 에피토프를 공유하지만 다른 지역에서 변형된다)를 포획할 것이다. 등형태가 검출 항체에 의해 인식되는 경우, 이것은 "모 단백질"(예를 들면, 형광 면역어세이에 의해)과 함께 정량될 것이다. 번역후 변형이 검출 항체에 의해 인식되는 에피토프에 영향을 미치는 경우, 등형태는 형광에 의해 정량되지 않을 것이다. 포획 항체 및 검출 항체 모두가 폴리클로날 항체인 경우, 다수의 변형된 단백질이 정량될 수 있는 좋은 찬스가 된다. 형광 측정 후, 나노로드는 질량 분광 분석될 것이다. SALDI-MS는 단백질을 특징화하기 위해, 및 다른 번역 후 변형을 확인하기 위해 사용된다. SALDI-MS 레이져 에너지는 나노로드 상에 복잡화된 임의의 분자의 검출을 허용하고, 심지어 두개의 항체에 의해 샌드위치된 단백질을 포함하는 모든 비공유 결합을 단절한다.
특이 나노바 코드로 어세이를 표지화(tagging)하는 것은 이 방법의 성공에 매우 중요하다. 바 상에 코드는 특이 분자량을 갖는 특이적인 예정된 단백질과 결합될 것이다. 나노로드가 분석되는 경우, 완전한 스캔 분석 대신 질량 분석기가 단일 이온 모니터링(Single Ion Monitoring, SIM)이라고 불리는 기술을 사용하여 특정 질량에 집중하도록 전환될 것이다. SIM 모드는 데이타의 빠른 인식과 분석적 감도를 증가시킨다(SIM 모드에서 이온 검출 대 완전한 스캔 모드에서 동일 이온 검출은 최대 100배 증대). 분석물의 기대된 질량(및 시퀀스)의 정보로, 질량 분석기는 모 단백질에 관해 가능한 모든 등형태의 검출을 허용하는 질량 범위에 촛점이 맞추어 질 것이다. 모니터링 범위는 실예로서 모 +/- 500 Da의 분자량으로 고정될 수 있다. 등형태의 분자량의 결정은 모 단백질이 겪는 변형이 즉각적으로 밝혀질 것이다. 따라서, 나노로드와 폴리클로날 항체의 조합은 모 단백질의 국소화의 이점 뿐만 아니라 나노로드의 하나의 향미에 대응하는 등형태를 갖는다. 나노로드는 "모 단백질"과 대응 등형태 사이에 연결을 허용한다. 이것은 2-D 겔 전기영동에 대한 경우가 아니고, 여기서 번역후 변형된 단백질은 전하가 변하는 경우 겔의 다른 위치에서 "출현"될 것이다(예로서, 이어지는 인산화). 간단히, 2-D 겔은 변형된 단백질의 동정화를 위한 다량의 추가적인 노력(예를 들면, 시퀀스 결정)을 요구하고, 이는 동일한 군집의 단백질 사이에 연결이 보이지 않기 때문이다.
번역후 변형을 검출하는 또 다른 접근이 또한 가능하다. 예를 들면, 다양한 유형의 번역후 변형 모두를 인식하는 화학이 개발될 수도 있고, 예를 들면, 나노바 코드가 미리스틸레이티드된(myristlyated) 모든 단백질을 인식하기 위해 관능화될수 있고, 다른 것은 모든 글리코실화된 종에 결합할 수 있다. 이런 나노입자들의 수집체 또는 어셈블리는 따라서 전반적인 번역후 변형의 프로브가 될 수 있다. 각각의 나노바 코드 상에 흡착된 종들의 분석은 질량 분석을 포함한 임의의 적절한 수단에 의해 행해질 수 있다. 중요하게, 개개의 종의 정확한 화학적 특성이 특정화되지 않는 경우에서 조차, 번역후 변형의 전체량을 아는 것은 가치가 있다. 번역후 변형의 양은 스트레스의 측정일 수 있고, 따라서 전반적인 건강의 측정일 수 있다.
단백질-단백질 상호작용은 특이 단백질을 분자 인식할 수 있는 잠재적인 실체들을 위한 생물학적 샘플을 스크리닝하기 위한 나노로드에 결합하는 것으로 본 발명에 따라 조사된다. 형광-기초된 정량 및 질량분석기-기초된 동정화에 조합된 나노로드 기술은 특이 단백질-단백질 상호작용의 조사를 허용한다. 다른 어세이 포맷은 유리 분석물 A의 존재에 대해 또는 분석물 A용 유리 수용체 R의 존재에 대해 생물학적 샘플을 조사하는데 사용된다. 이들 두개의 포맷은 상기 설명되었다. A 에 대해 관련된 항체로 라벨화된 나노로드의 또 다른 세트는 수용체에 대해 관련된 검출 항체를 사용하여 그의 수용체 R에 결합된 분석물 A를 정량하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 자가-항체 및 자가-항체 결합 분석물 A가 예를 들어 형광 안티-Fc 항체를 사용하여 정량될 수 있는 유사한 분석이 착수될 것이다.
상기 설명된 바와 같이, 나노로드는 다른 등형태의 존재를 동정하도록 SALDI-TOF-MS에 의해 분석된다. 검출 항체가 유용하지 않는 경우, SALDI-TOF는 여전히 다른 성분들을 동정하고 특성화할 수 있다. 형광에 의한 정량은 불가능하지만, 포획된 분석물의 질량 분석에 의한 동정화는 가능하다. 선택적으로, 임의의 단백질로 라벨화된 나노로드는 단백질 또는 나노로드 접합된 단백질에 대한 어떤 친화성을 갖는 기타 실체의 존재에 대해 생물학적 샘플을 스크리닝하기 위해 사용될 수 있다. 결합된 단백질의 존재는 질량 분광 분석에 의해 검출될 것이다.
친화성 크로마토그래피에 사용되어지는 가상적으로 모든 상상할 수 있는 리간드, 박층 크로마토크래피, 크로마토그래피 전기영동(및 이들의 변형물), HPLC, 또는 가스 크로마토그래피에서 사용되는 모든 정지상은 나노로드를 라벨하는데 사용될 수도 있고, 모든 것은 최소의 부피의 생물학적 샘플을 포함한 단일 튜브로 합쳐질 것이다. 나노로드의 크기 때문에, 샘플 크기는 현재 개발된 단백질 어레이와 비교해서 크게 감소될 것이다. 이하의 표는 특이 분자(카운터리간드)를 생물학적 샘플로부터 포획(추출)하도록 나노로드 유도화를 위해 사용될 수 있는 리간드의 실예를 예시하고 있다.
나노로드 포획을 위해 이용될 수 있는 리간드/카운터리간드 쌍의 실예
리간드 카운터리간드
공동인자 효소
렉틴 다당류, 글리코프로테인
핵산 핵산 결합 프로테인(효소 또는 히스톤)
바이오미메틱 염료 키나아제, 포스파타제, 디히드로게나제 등
단백질 A, 단백질 G 면역글로블린
금속 이온 대부분의 단백질은 금속 이온과 착물을 형성한다
효소 물질, 물질 유사물, 억제제, 공동인자
파지 디스플레이 단백질, 펩티드, 단백질의 모든 형태
DNA 라이브러리 상보적인 DNA
압타머 단백질, 펩티드, 단백질의 모든 형태
항체 라이브러리 단백질의 모든 형태
탄수화물 렉틴
ATP 키나아제
NAD 디히드로게나제
벤즈아미드 세린 프로테아제
페닐보론산 글리코프로테인
헤파린 응고 단백질 및 기타 플라즈마 단백질
수용체 리간드
항체 바이러스
최종적으로, 이 방법은 수천개의 다른 향미의 나노바 코드를 소량의 마이크로리터 미만의 생물학적 샘플에의 첨가를 통해 샘플 크기를 현저하게 감소시킨다는 것을 주목해야 한다. 이것은 항체 또는 단백질이 평평한 표면상에 공간적으로 배열되는 바이오칩 또는 어레이의 사용보다 이롭다. 후자의 경우, 더 많은 샘플의 부피가 전체 칩을 접촉하는데 요구된다. 더욱이, 나노입자가 마그네틱 금속을 갖는 경우, 이들은 마그네틱 상호작용에 의해 용액으로부터 채취할 수 있다.
최대 13kDa 질량을 갖는 단백질의 경우에 있어서는 SALDI 질량 분해능이 MALDI와 유사하다. 17 내지 30kDa 사이의 경우에서는 SALDI의 질량 분해능이 2 내지 3의 인자로 떨어진다. 나노바 코드는 적절한 에너지가 흡착된 단백질에 전달되도록 요구된 스펙트럼적 특성을 갖는다. 나노바 코드 세그먼트의 특성(예를 들면, 길이, 폭, 조성, 및 등등)를 다양하게 하는 것으로, 나노바 코드 스펙트럼 특성은 최적의 단백질 탈착과 이온화 에너지를 전달하도록 변화될 것이다.
표현형화
본 발명의 나노입자들은 생물학적 샘플의 매우 적은 용량에서 다중 어세이를 위한 플랫폼으로써 사용될 수 있다. 또한, 상기 플랫폼은 생물학적 샘플의 극소량으로 수백 또는 수천의 어세이를 동시에 측정하게 한다.
오늘날, 독립적이며 상이한 다수의 측정 기술은 인간 또는 큰 동물의 신진대사와 생리현상을 특징화하기 위해 사용된다. 작은 동물의 표현형화는 큰 조직 체적의 제한된 유용성으로 인하여 실제적으로 불가능하다. 본 발명은 하나의 플랫폼에서 이들 다수의 측정을 조합할 뿐만 아니라, 이들 측정 모두를 동일한 미세 샘플 부피에서 한정하는 독특한 능력을 갖는다. 상기 능력은 상기 플랫폼을 불충분한 생물학적 샘플에서의 다중 분석물 측정을 위해 매우 양호하게 만든다(예를 들면, 소형 동물로부터의 플라즈마).
본 발명의 구현예는 특히 다음에 촛점이 맞추어지는 것이다:
1) 나노로드의 광학적 조사를 허용하는 플랫폼의 개발
2) 다중화된 면역어세이의 판독과 마우스 표현형화의 실행
본 발명의 원통형의 콜로이달 금속 나노입자들은 금속 조성이 길이에 따라 변경될 수 있고(예를 들면, Pt/Au/Pt/Au/Pt), 금속 세그먼트가 길이에 따라 변화될수 있도록 사용될 것이다. 이들 나노바 코드는 개발되어지는 면역어세이에 대한 고형상 확인 태그(tag)로서 제공될 것이다. 전형적인 샌드위치 면역어세이에서, 포획 항체는 특이 나노 코드에 접합될 것이고, 대응 검출 항체는 형광단으로 라벨화될 것이다.
판독기는 통상적인 광학 현미경에 의해 개개의 바에서 금속 세그먼트의 반사율에서의 본질적인 차이를 이미지화할 수 있다. 이 반사율 측정은 나노바 코드를 동정화하고, 반면에 검출 항체의 결합을 통해 대응 나노바에 관련된 형광 강도가 분석물의 농도를 결정할 것이다. 반사율 이미지를 자동적으로 분석할 수 있고 나노바 코드를 동정할 수 있으며, 마찬가지로 형광 이미지를 자동적으로 분석할 수 있고 나노바 코드 형광을 정량할 수 있는 소프트웨어가 사용될 것이다. 샌드위치 면역어세이의 개발은 반사율 데이타와 형광 검출 데이터의 병렬적인 획득을 보여줄 것이다.
최종적으로, 매우 적은 플라즈마(50 마이크로리터 미만)에서, 어세이 다중화는 유기체의 생리적인 특성에 대한 관련 단백질의 큰 판넬에 대해 보여줄 수 있다. 샘플 부피로부터 다수의 어세이를 실시하는 능력은 많은 동물 연구에서 중요하고, 특히 주로 사용되는 마우스들의 연구에서 중요하다. 50 마이크로리터의 플라즈마는 다중 종적인 혈액을 채취하고, 측정을 반복하도록 하여 마우스의 생명에 대한 해함없이 마우스로부터 얻을 수 있다. 이 프로토콜은 예를 들면 완전히 자동화되고, 통합되고, 및 동일한 조직 샘플에서 사이토카인, 자가-항체, 일반적인 단백질 및 호르몬 프로파일을 동시적으로 측정할 수 있다.
표현형화는 사람 질병에 대한 동물 모델의 특별한 관련성에 대해 다룬다. 모델이 제브라피쉬(zebrafish), 래빗 또는 마우스인 경우, 개개의 유전자 또는 유전자 세트를 살리고 죽이는 능력은 질병 진행을 연구하기 위해 처리된 스트레인의 발생에 대한 강력한 접근이다. 마찬가지로, 동물 모델은 치료제 반응을 모니터링하기 위한 통상적인 매개물을 나타낸다. 동시에, 동물 모델에서 표현형화는 예외적으로 바이오분석적인 도전을 나타낸다: 게다가 "모든 것"을 측정하려는 것은 이들 연구에 유용한 조직의 양이 적기 때문이다. 예를 들어, 마우스 꼬리 출혈로부터 200 마이크로리터의 피를 얻는 것을 기대할 수 있다. 게다가, PCR 증폭은 매우 소량(vanishingly small amount)의 DNA를 분석적으로 유용한 양으로 전환하고, 단백질학에서 현재 이용되는 기술(예를 들면 2-D 겔 전기영동 및 표면-친화성 기초된 방법 포함)은 매우 많은 양의 샘플을 요구하고, 더 나아가 높은 분해능 분리를 얻지 못한다. 소분자 어세이에서와 같이, 광범위하게 신진대사적으로 관련된 종을 프로파일하는 소 부피 방법(samll volume method)은 제시되지 않았다: 반면에, 제약 회사와의 공동의 약물동력학적 연구의 촛점은 거의 하나 또는 소수의 종의 운명에 대해서 배타적으로 집중된다.
이 문제를 해결하는 것은 매우 민감한 측정을 다중적으로 동시에 수행하는 것이고, 두가지 접근이 널리 사용되고 있다. 어레이화(arraying)는 개개적으로 프로브될 수 있는 다른 위치에서의 조사하에서 다양한 화학의 공간적 분리를 포함한다. 유전자 칩은 올리고뉴클레오티드에 대해 이것을 하는 것이고(예를 들면, Michael et al. Anal. Chem,70, 1242-1248(1998)을 참조), 동일한 전략이 단백질에 대해 매우 초보적인 수준으로 수행된다. 다중화는 동시에 및/또는 동일한 영역의 공간에서 및/또는 동일한 재료를 사용하여 다중의 독립적인 측정을 하는 것이다. 이것은 유전자 발현을 분석하려는 현재의 접근에서와 같이, 칩에서 일어날 수 있고, 여기서 다른 형광단을 갖는 DNA 라벨의 두개의 샘플로부터 cDNA의 발현의 상대적인 수준이 측정된다. 이 전략은 두개의 단백질 샘플을 다른 형광단으로 유도하고, 및 2-D 겔 전기영동에 의한 분리 이전에 혼합하는 것으로 단백질학에서 채택된다. 이들 경우에서, 다중화의 수준은 오로지 둘이고, 효능에서 최소의 증가만을 제공한다. 본 발명의 나노바 코드를 사용하여, 당업자에게 알려진 임의의 포획 화학이 사용될 수 있다. 이것은 비병렬적인 규모에서 행해질 수 있는 다중화를 위해 제공한다. 단백질학에 덧붙혀, 동일한 전략이 게노믹스(예를 들면, SNP 맵핑) 및 기타 표현형화 어세이, 예를 들면, 임상 화학(예를 들면, 글루코스, 고밀도 리포프로테인, 락테이트, 락테이트 디히드로겐나제, 트리글리세라이드, 우레아, SGOT, SGPT, 빌리루빈(bilirubin) 및 알칼리성 포스파타제), 세포 연구(에를 들면, 세포 수 및 표면 마커) 및 무기 이온 결정에 적용될 수 있다. 당업자에게 인식될 수 있는 바와 같이, 나노바 코드의 제공된 크기는 다른 것 보다 특정한 적용에 더 적합할 것이다. 따라서, 예를 들어, 더 큰 나노바 코드는 추가적인 표면적이 분석물의 크기, 요구된 검출 시그널의 강도 등 때문에 유용해질 수 있어 바람직할 것이다. 나노바 코드의 크기 및 형태는 선택되어지는 판독의 유형에 영향을 줄 것이다.
바 코딩의 비-생물학적인 적용
바 코딩이 도입된 이래 25년 동안, 세상에 널리 알려진 대부분의 주된 산업분야는 기술의 이점을 인식하도록 성장해왔고, 그의 용도는 확장되고 있다. 예를 들면, 식료품 산업은 판매 장소에서 스캐닝하는 것을 넘어서 현재는 상품이 고객한테 도달할 때까지 제조, 분배 및 판매 공정으로부터 공급 체인을 통한 바 코딩을 사용한다. 비록 산업계에서는 특별한 이점을 찾고 있지만, 바 코딩의 일반적인 이점은 증가된 정확성, 개선된 생산성, 개선된 질 및 비용 절감을 포함한다. 바 코딩 설비의 판매는 미국에서만 1년 시장 매출이 $40억이고, 바 코드되는 재료의 가치는 더 크다. 그러나, 이 기술에서의 증가된 사용 및 개선점에도 불구하고, 많은 산업분야는 물리적인 또는 환경적인 제약때문에 바 코딩 기술을 이용할 수 없다. 실예로는 바 코딩되는 소형 상품(예를 들면, 패스너), 바 코드가 적용되어야 하는 재료(예를 들면, 굽어진 금속 표면), 바 코드가 상품 또는 그의 기능 또는 용도에 방해되는 곳(예를 들면, 예술품), 또는 상품이 생산품의 제조 또는 분배를 통과하는 과정 또는 실제적인 사용(예를 들어, 페인트)에서 겪어야 하는 프로세스(예를 들면, 극단적인 가열 또는 극단적인 냉각)을 포함한다. 나노바 코드는 여러가지 이런 분야에서 합법적인 이용성을 창출한다. 더욱이, 이들 재료의 내구성(및 화학적 불활성)이 다른 유형의 종이 또는 플라스틱 태그와 극명하게 대비되는 것을 강조하는 것이 중요하다.
태그 또는 라벨로서 나노바 코드의 사용은 라벨로서 다중 입자들의 사용에 의해 더 확장될 것이다. 재료를 라벨화하는 복수의 태그를 사용하는 것으로, 제조되어야 하는 다수의 다른 유형의 나노바 코드 입자가 감소될 것이고, 반면에 동일하게 많은 수의 명백하게 동정가능한 나노입자들의 조합을 제공할 것이다.
헬스케어 산업에서 단위 투여량 약물.헬스케어는 모든 나라에서 유사하게 쟁점화되고, 필요성을 갖는 범지구적인 산업이다. 세계적으로 산업은 비용을 감소시키 위한 강한 압력하에서 있다. 미국 단독으로 1995년에서 헬스케어를 위해 지출된 비용은 전체 $1.5조였다. 1996년에 설립된 The Efficient Healthcare Consumer Response(EHCR)은 바 코딩과 자동화가 다음 세개의 제품 카테고리에서 매년 $110억을 절약할 수 있다고 결론을 내렸다: 비-자본 의과적/외과적 공급, 비-자본 진단 및 비-소매 윤리적 제약품. 상기 산업은 제품의 용기 및 박스의 라벨링에서 진전을 보이고 있지만, 단위투여량 약물과 같은 소형 상품에서는 여전히 분투중이다. 이들 상품의 바 코딩은 매우 중요한데, 의약 연구소는 최근에 매년 44,000 내지 98,000의 사람이 미국 병원에서 발생하는 의약 과실 때문에 죽는다는 사실을 발표하였다.
패스너 산업.미국은 매년 패스너류(너트, 볼트, 스크류, 리벳, 와셔 등)를 $70 내지 $80억을 수출한다. 이들 제품은 재포장되어서 다양한 분배 방법을 통해 $300 내지 $ 400억원 시장을 형성하는 항공우주, 자동차, 핵, 상업 및 전기와 같은 주된 산업분야로 판매된다. 최근 수년 동안 제품 포장은 바 코드되고 있지만, 개개의 패스너는 그렇지 않다.
산업은 시장으로 유입되는 열악한 품질의 가짜 패스너 때문에 몇년 전에 심각한 위험성과 책임 문제를 겪어왔다. 문제를 극복하기 위해, 제품 포장에 바 코딩이 도입되고, 패스너 품질 법령(Fastener Quality Act)이 발전되었다. 이 법령은 1999년 12월에 최종적으로 승인되었다. 가열 공정을 통한 경화의 실험실 테스트 표준을 갖는 승인을 포함한 "중요한 적용"에 사용된 패스너에 대해 요구된다. 그러나, 패스너 포장은 라벨화될 수 있지만, 개개의 패스너가 표시될 수 없기 때문에 문제는 여전히 존재한다. 패스너 상의 나노바 코드는 패스너 품질 법령에도 부합하고, 사람에 대한 안전성 및 신뢰성 논쟁을 크게 개선한 수단으로써 산업계에 제공된다.
타이어. 이 산업 분야는 개개의 타이어를 추적하는 솔루션을 찾기 위해 오래동안 노력해왔다. 이것은 특히 시판(트럭) 타이어 사업에서 그러하다. 트럭 타이어는 흔히 2 내지 3번 재처리되고, 트럭의 다른 차축을 압박한다. 경제성 및 안전성을 장려하지만, 지금까지 용도 및 유지보수를 모니터하기 위해 특정 타이어를 확인하는 용이하거나 값싼 방법은 없었다. 시판 타이어는 매년 $60억 내지 $80억 규모의 사업이다. (새로운 타이어 비용은 대략 $300; 재처리는 대략 타이어당 $90이다) 새로운 설비를 위해 대략 7백만개 타이어가 판매되고, 타이어 교체를 위해 천사백만 내지 천사백오십만개 타이어가 판매되고, 매년 채처리되는 타이어는 천오백만개이다. 나노바 코드로, 각각의 타이어에 대한 기록은 타이어가 안전성을 유지하는 방법으로 유지되고 사용되는 지를 보장할 수 있다. 시판 타이어 산업에서 나노바 코드의 성공적인 적용은 자동차 타이어 산업에서도 마찬가지로 미칠 것이다.
무기 추적.권총 제어에 대해서 매우 큰 논쟁이 있다. 논쟁의 하나의 논점은 권총을 추적할 수 있게 만드는 실제적인 방법을 포함한다. 나노바 코드는 특정한 총, 칩, 발화핀(firing pin) 및 심지어 탄피(shell casings)을 확인하는 것을 가능하게 만든다. 이것은 추적력을 현저하게 개선시킬 수 있고, 보다 실행가능하게 주 및 연방 규제를 준수할 수 있게 할 뿐만 아니라 외국의 확인 조사 및 법령을 보조한다. 마찬가지로, 폭탄의 추적도 바 코드의 포함으로 이어질 수 있다. 현재, 에너지부는 폭발물 분류 추적 시스템 (http://faxback.wmnsnw.com/ects/summsrch.asp)을 가지지만, 수천의 알려진 폭발물을 직접 추적하는 메카니즘을 갖지는 않는다. 나노바 코드는 폭발물질의 표시, 제공, 불활성 및 라이센싱에 대한 사이언스 커미티의 내셔날 아카데미(National Academy of Sciences Committee)에 의해 나열된 모든 기준을 만족하는 것으로 나타난 것은 놀라운 것이다. 이들 기준은 제조 및 사용에서의 안전성, 폭발 제품의 성능에서의 효과, 법령에 대한 효용성, 법적 및 수행 효용성, 폭발시 생존성, 환경적 수용성, 비용, 및 보편적인 적용성을 포함한다.
화폐 및 법적인 서류.비록 많은 단계가 화폐 및 패스포트 및 비자와 같은 서류가 위조될 수 없다는 것을 보장하기 위해 취해지고 있지만, 보이지 않는(눈으로) 나노바 코드는 서류의 확실성을 보장하기 위해 종이에 사용될 수 있다. 게다가, 통상적인 바 코드는 나노바 코드의 위치적인 지시기로서 사용될 수 있다. 다른 말로, 서류들은 육안으로 보이는 바 코드의 조사에 의해 밝혀지는 특정 위치에서 나노바 코드가 스며들 수 있다. 이것은 서류의 확실성을 빠르게 증명하게 할 것이다. 이런 동일한 전략이 가치있는 인적 재산, 개인 외관 또는 대치할 수 없는 조상전래의 가보등에 적용될 수 있다.
페인트.페인트의 바 코딩은 1997년 미국에서 매년 천육백억달러 규모의 사업으로서 세개의 두드러진 이점을 준다. (1) 옥외 건축 페인트, 바 코딩의 전통적인 형태는 내구성의 부족때문에, 그리고 이들 크기가 제형화에 나쁘게 영향을 준다는 것 때문에 사용될 수 없다. 나노바 코드의 옥외 페인트로의 도입은 페인트 나이를 추적할 수 있고, 공적으로, 부식에 민감한 구조물(예를 들면, 다리)을 예방적으로 유지보수할 수 있다. (동일한 것이 콘크리트 및 포장에서 나노바 코드에 대해서도 말해질 수 있다). (2) 내부 건축 페인트. 많은 집소유자가 직면하는 하나의 문제는 이전에 도포되고, 제형화된(예를 들면, 혼합된) 페인트의 추적성이 부족하다는 것이다: 이런 혼합물을 정확하게 재현하기란 거의 불가능하다. 초기 제형화된 후 수년 후에 정확한 제형물이 제조될 수 있게 바 코드된 페인트를 제공하는 페인트 판매자는 매우 경쟁성 있는 이점을 가질 것이다. (3) 귀중한 예술분야의 나노바 코딩은 위조된 것은 용이하게 구별될 수 있게 한다. 게다가, 개개의 아티스트는 그들 자신의 "개성화된" 바 코드를 장기간 확실하게 보장할 수 있는 그들의 제품 모두에 포함시키기 위해 선택할 것이다.
오일.재정제된 오일은 산업 국가에서 매우 중요한 상품이 되고 있다. 미가공 오일의 이전 소스가 고갈되면서, 추가적인 소스가 이들을 대체하기 위해 발견되어야 한다. 이런 연구는 미가공 오일을 전달하는 유일한 실행 방법이 송유관(예를 들면, 트랜스-알라스카 송유관)을 이용하여 전달되는 다소 원격지에서 오일의 발견에 이르고 있다. 이런 송유관을 구축하는 비용은 어마어마하고, 불변적으로 여러 오일 회사가 동일한 파이프 라인을 공유해야 한다. 결과적으로 통과 미가공 오일이 속하는 회사를 결정하는 것은 어려워질 수 있다. 독특한 나노바 코드는 이들 미가공 오일을 확인하기 위해 모든 오일회사에 의해 사용될 수 있다. 송유관의 임의의 위치에서, 미가공 오일의 샘플이 오일의 소스가 결정될 수 있도록 얻어지고 분석될 수 있다(나노바 코드는 여과, 마그네틱 수단 또는 기타 수단에 의해 회수되어진다). 잔류 나노바 코드가 미가공 오일의 최종 사용을 방해하는 경우, 이들은 정제 공정중에 제거될 수 있다.
살아있는 또는 감소된 유기체의 동정화.나노바 코드의 안정성 및 불활성은 이들이 방해되지 않는 방식으로 유기체를 표지하는데 사용되게 한다. 예를 들면, 야생으로 방출된 작은 크기의 동물은 이들이 후에 포획되는 경우 분명하게 동정화하는 것을 제공하기 위해 나노바 코드로 표지될 수 있다. 이런 적용은 특히 추적되어지는 다수의 유기체가 큰 경우 특히 유용하게 될 것이다. 예를 들면, 개개의 식물 또는 종자의 나노바 코딩은 작물 종형성을 추적하는데 사용될 것이다. 이론적으로, 나노바 코드는 동물 또는 심지어 남아있는 사람을 명확하게 확인하기 위하여 사용될 수 있다.
전자 장치
바-코드된 다중금속 로드를 만드는 곧바른 확장은 활성적이고 능동적인 전자 장치를 형성하는 것이고, 이것은 나노규모 및 마이크로규모의 전자 회로 및 메모리의 구성분으로 기능할 수 있다. 이들 구조는 와이어, 저항기, 축전기, 다이오드 및 트랜지스터와 같은 표준 전자 장치를 포함할 것이다. 이들은 또한 보다 복잡한 전자적인 기능을 갖는 장치, 예를 들면 네가티브 회절 저항(NDR) 장치, 공진 터널링 다이오드, 강유전체 절환기, 시프트 레지스터 및 지연선 일 수 있다.
저항기는 저항 성분(예를 들면, 폴리머)을 두개의 전도성 금속 스트립(예를 들면, 골드, 구리 또는 실버) 사이에서 성장시키는 것으로 제조될 수 있다. 이런 유형의 폴리머성 분자는 예를 들어 폴리(피롤), 폴리(아닐린) 및 폴리(티오펜)과 같은 전도성 폴리머, 및 폴리(아릴아민 염산염) 및 폴리(디메틸디아릴암모니움 클로라이드)와 같은 유전성 폴리머를 포함한다. 자기 어셈블리화 단일층과 같은, 티올, 이소니트릴, 카르복실산염, 또는 기타 리간드기로 하나의 말단이 관능화될 수 있는 모노머성 유기 분자인 보다 저항성이 큰 재료의 시너(thinner) 스트립은 또한 저항 부재로서 기능할 수 있다.
본 발명은 또한 다이오드와 네가티브 회절 저항 구조체에 사용될 수 있는 나노입자의 합성을 허용한다.
A. 금속-반도체-금속 장치.이들 장치는 금속 말단과 중간에 반도체 입자를갖는 다중 성분 로드로 구성된다. 금속 말단은 통상적인 전기도금에 의해 또는 무전해 도금에 의해 만들어질 수 있고, 반도체는 예를 들어 규소, 게르마늄, 주석 또는 셀렌니움과 같은 순수한 원소, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 인화물 또는 금속 비화물과 같은 화합물 반도체일 수 있다. 로드는 두개의 말단 사이에 산화물 반도체(이산화티탄 또는 산화아연)과 칼코겐 반도체(카드늄 셀렌)을 포함하여 70 내지 200㎚에서의 다양한 직경을 가지고 만들어질 수 있다. 반도체 "스트립"의 직경은 전형적으로 로드의 나머지와 동일하고, 그의 폭은 몇몇 나노미터 내지 1 내지 2 마이크론으로 다양하다. 다이오드 로드에 날짜를 적기 위해 쓰는 금속은 골드, 실버, 플래티늄 및 니켈를 포함하지만, 원칙적으로 본 발명 이외에서 기재된 임의의 금속일 수도 있다. 반도체는 콜로이달 입자의 흡착에 의해 또는 전기 화학적 성장에 의해 멤브레인 기공 템플릿으로 도입될 수 있다. 상부 금속 접촉은 전기화학적 증착 및 무전해 증착에 의해 제조된다. 이런 다이오드는 비대칭적인 전류-전압 곡선을 만든다. 대칭 구조(예를 들면, 골드-카드늄 셀렌-골드) 및 비대칭 구조(골드-실버-아연 산화물-골드)는 정류하는 전류-전압 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
B. 금속-분자-금속 장치.반도체 입자를 스트립된 로드 구조에 포함시키는 대신에, 전기화학적 또는 자기 어셈블리적으로 증착될 수 있는 분자층을 사용하는 것이 가능하다. 이 분자는 상기 설명된 바와 같이 전도성 또는 유전성 폴리머일 수 있다. 기타 실예는 자기 어셈블리화하는 단일층을 포함한다. 분자와 금속 사이의 계면은 정류할 수 있거나 또는 다른 전자적 특성, 예를 들면 네가티브 회절저항성을 가질 것이다. 예를 들면, 본 발명자들은 분자가 16-메르캅토헥사데카논산인 골드-분자-니켈 장치가 전류 정류 특성을 갖는 것을 밝혔다. 하기 화학식의 네가티브 회절 저항성 분자 I는 또한 이런 구조로 포함되고 있다. 분자층은 전형적으로 매우 얇고(0.5 내지 3㎚), 바닥 금속 상에 흡착, 이어서 상부 금속의 전기화학적 또는 무전해 증착에 의해 도입될 수 있다. 선택적으로, 적합하게 얇은 희생 금속층(예를 들면 구리 또는 실버)을 포함하는 스트립된 로드는 표면상에 또는 회로 안에서 고정화될 수 있고, 이어서 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭되어서 금속 말단 사이에서 갭을 남긴다. 상기 갭은 이어서 전기화학적으로 증착 또는 용액으로부터 폴리머 또는 모노머성 분자를 흡착하는 것으로 또는 휘발성 분자를 열적으로 휘발시키는 것으로 채워질 수 있다.
상기 설명된 다이오드 장치의 어느 하나에 유도된 게이트를 적용하는 것으로, 트랜지스터로서 기능하는 장치를 만드는 것이 가능하다. 이런 납은 크로스바 구조에 적용될 수 있고, 이것은 전기장-구동된 어셈블리에 의해 또는 자가-어셈블리에 의해 제조될 수 있다.
전도성 재료와 기타 재료(폴리머, 반도체, 또는 무기 또는 유기 유전체)의 다중 스트림을 포함하는 높은 국면 비율(high aspect ratio) 로드는 고 및 저 전압펄스의 트레인이 하나의 말단에 적용되는 경우 지연선 또는 시프트 레지스터로서 기능할 수 있다. 로드의 하나의 말단에서 다른 말단으로의 전압의 전달의 비율이 전압 펄스를 적용하는데 사용된 회로의 클럭 주파수와 비교해 느린 경우, 시그널은 제로의 스트링에서와 같은 다른 말단 및 말단에서 판독될 수 있다.
실시예
다음의 실시예는 당업자들이 본 발명의 다양한 구현예에 관한 정보에 접근하도록 제공하는 것이며, 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명의 하나의 구현예는 다중화된 어세이를 위해 다중 향미의 나노바 코드의 템플릿-관련 합성에 관한 것이다. 이와 같은 적용을 위해, 광학 현미경에 의해 용이하게 구별되는 다양한 다른 향미를 구축하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 10개의 다른 향미의 나노바 코드는 이하의 표에 따라 골드와 실버 세그먼트를 사용하여 합성하였다. 테이블의 설명 부분은 세그먼트 재료에 의해 각각의 나노바 코드의 조성 및 괄호속은 길이(마이크론)을 나타낸다. 예를 들면, 향미 #1은 4 마이크론 길이 골드이고, 향미 #2는 2 마이크론 골드에 이어, 1 마이크론 실버, 이어서 2 마이크론 골드이다.
향미 # 설명 # 세그먼트 길이
1 Au(4) 1 4㎛
2 Au(2), Ag(1), Au(2) 3 5㎛
3 Au(1), Ag(1), Au(1), Ag(1), Au(1) 5 5㎛
4 Au(2), Ag(2) 2 4㎛
5 Ag(1), Au(1), Ag(1), Au(1), Ag(1) 5 5㎛
6 Ag(1), Au(4) 2 5㎛
7 Ag(4) 1 4㎛
8 Ag(1), Au(2), Ag(1) 3 4㎛
9 Ag(1), Au(1), Ag(1), Au(2) 4 5㎛
10 Ag(2), Au(1), Ag(1), Au(1) 4 5㎛
향미 #4의 합성의 상세한 설명은 다음과 같다. (모든 다른 향미는 이 프로토콜에 대한 마이너하고 분명한 변화들에 의해 합성하였다.)
200㎚ 직경의 기공을 갖는 25㎜ 직경 와트만 아노포어 디스크(Whatman Anopore disks)를 나노바 코드 합성에 관한 템플릿용으로 사용하였다. 전기화학적 금속 증착은 시판되는 골드(Technic Orotemp 24), 및 실버(Technic ACR 1025 SilverStreak Bath) 도금 용액을 사용하여 수행하였다. 이하에 설명되는 모든 전기도금 단계는 초음파 용기에 침지된 전기화학 셀로 수행하고, 이것은 25℃로 제어된 온도이다.
나노바 코드 향미 #4의 합성은 다음과 같이 수행하였다. 멤브레인을 그의 분지된 측면에 실버 ~500㎚ 증발시켜 전처리하였다. 이 면에 기공을 완벽하게 채우기 위해, 대략 1C의 실버를 증발된 실버상에 15분 동안 1.7mA의 도금 전류를 사용하여 전기도금하였다. 이어서, 추가적인 1C의 실버를 증발된 실버의 반대편 면으로부터 멤브레인의 기공으로 증발된 실버상에 15분 동안 1.7mA의 도금 전류를 사용하여 전기도금하였다. 이 실버층은 멤브레인의 7-8 정도의 마이크론 두께의 "분지된-기공" 영역을 채우는데 사용하였다. 상기 실버 도금 용액을 물과의 연속 희석액에 의해 제거하고, 골드 도금 용액으로 교체하였다. 이어서, 2 마이크론 길이의 골드 세그먼트를 대략 30분 동안 1.7mA의 도금 전류를 사용하여 증착하였다. 골드 도금 용액을 물로 연속희석하여 제거하고 실버도금 용액으로 교체하였다. 이어서, 최종 2 마이크론 길이 실버 세그먼트를 대략 30분 동안 1.7mA의 도금 전류를 사용하여 증착하였다. 멤브레인을 장치로부터 제거하고, 증발된 실버층(및 분지된 기공내에 전기증착된 실버)를 멤브레인의 분지된 기공 측면만 산에 주위깊게 노출시키면서 6M 질산중에 용해하여 제거하였다. 이 단계 후에, 나노바 코드를 멤브레인을 0.5M NaOH 중에 용해시키는 것으로 알루미나 멤브레인으로부터 방출하였다. 얻어진 나노바 코드의 현탁액을 반복적으로 원심분리하고 물로 세척하였다.
실시예 2
다수의 재료를 본 발명의 나노바 코드에 사용하는 능력을 보여주는 것이 중요한 목표이다. 지금까지, 멤브레인 템플릿(알루미나 또는 트랙 에칭 폴리카보네이트)으로 전기화학적 증착에 의해 형성된 로드 구조는 Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Ni, CdSe 및 Co를 포함한다. 일차적으로 200-㎚ 직경 알루미나 멤브레인은 편리하게 사용되고 있다. 대다수의 재료는 이제 더 적은 직경의 폴리카보네이트 멤브레인에 사용되고 있다.
CdSe는 현재 CdSO4및 SeO2의 용액으로부터 전위 주사 방법(potential sweep method)을 통해 도금된다. 기계적인 안정성 문제는 금속:CdSe 계면과 직면한다;즉, 이들은 초음파 처리되는 경우 멤브레인으로부터 이들을 제거하는 공정 동안 깨진다. 이것은 각각의 표면 사이에 1,6-헥산디티올 층의 첨가로 완화되어진다. Cu 및 Ni은 시판되는 도금 용액을 사용하여 도금한다. Ag 및 Au 용액도 유사한 조건하에서 작용시켜, 이들 금속이 거의 동일한 비율 ~3㎛/hr로 도금된다는 것이 밝혀졌다. Co는 CoSO4/시트레이트 용액으로 도금된다. 이들 로드는 공평하면서 균일하게 분산되게 성장하는 것처럼 보이지만, 이들은 비교적 서서히, ~1.5㎛/hr로 성장한다.
실시예 3
Cu 및 Ni 나노바 코드의 직교적인 관능화는 Cu, 벤조트리아졸 및 부틸카바메이트 상에서, 및 Ni, 디메틸글리옥심 및 히드로퀴논 상에서 성취된다. 상기 로드는 Au 말단과 Cu 또는 Ni 중간으로 구성된다. 1,6-헥산디티올 및 2-메르캅토에틸아민은 로드의 말단을 관능화하기 위해 사용된다. 벤조트리아졸은 구리에 대한 부식 억제를 위해 전형적으로 사용된 화합물이고, 이것은 로드의 구리 섹션에 효과적으로 결합할 수 있다는 것을 의미한다. 부틸카바메이트는 동일한 말단상에 터미날 카르보닐과 아민기를 갖는 분자이고, 이들 모두는 Cu와 잘 킬레이트한다. 글리옥심 및 히드로퀴논은 Ni를 킬레이트하는 것으로 알려져 있고, 이들은 단일층을 형성하기 위한 우수한 관능성 기를 만든다. 이들은 다양한 방식으로 직교의 관능화에 대한 최상의 결과를 얻기 위해 조합된다. 구별되는 결합 평형 상수 및 다양한 직교적으로 관능화된 세그먼트를 만들기 위한 노출 정도를 사용하는 것이 가능하다.이어서, 로드는 로듐 또는 플로레신(fluorescin)으로 관능화되어 노출된 아민 및 티올 관능기의 존재를 각각 결정한다. 염료와 표면 관능화에 의존하여, 다양한 부분의 로드를 "라이트 업(light up)"하는 것이 가능하다.
실시예 4
광학 현미경 형광 검출을 사용하는 용액에 기초한 샌드위치 면역어세이는 바코드 로드상에 사용하기 위해 개발되고 있다. 상기 어세이는 다양한 세그먼트 패턴의 Au, Au/Ag 및 Au/Ni 로드 상에서 수행한다. 나노바 코드는 다른 파장에서 금속의 반사율에서 차이를 기초로하여 판독된다. 도 4는 이 실험의 결과를 나타낸 것이다.
초기에, 샌드위치 면역어세이를 두개의 유형의 로드, Au/Ag 및 Au 로드 상에서 다음과 같은 시스템을 사용하여 수행하였다: 텍사스 레드로 라벨화된 항-래빗 IgGFc/래빗 IgG/항-래빗 IgGH&L. 형광 이미지는 로드 혼합물 상에서 FITC 용 필터로 취하고, 로드는 600㎚ 밴드패스 필터를 가지고 동일한 금속 조성인 것으로 나타나지만, 400㎚ 밴드패스 필터에서의 변화는 바 코드 ID를 밝힌다.
이어서, 두개의 다른 샌드위치 면역어세이를 두개의 다른 유형의 바 코드 로드상에서 수행하였다. 이 실험을 위해, 상기 동일한 텍사스 레드(TR) 어세이를 다음과 같은 시스템을 가지고 단독으로 사용하였다: 항-사람 IgGFc/HIgG/항-사람 IgGg 특이성. FITC 이미지를 이 형광단 광표백이 TR보다 매우 빠르기 때문에 첫번째로 취하였다. 두개 이상의 형광단이 구별될 수 있게 구축되기 때문에, 동시적으로 용액 기초된 어세이를 다음에 시도하였다. 혈청 샘플에 존재하는 조건을 모방하도록 어세이의 완성을 위해 함께 혼합시킨 후에 분리 튜브에서 포획 항체로 상기 로드를 유도하였다. 두개의 형광단은 비특이성 결합 뿐만 아니라 교차-반응성의 정도를 결정하기 위해 필요하였다. 초기에, 두개의 시스템 사이에는 현저한 규모의 교차 반응성이 있을 뿐만 아니라 로드 표면에 대한 일부의 비-특이성이 있었다. 이런 문제를 피하기 위해, 아미노 종결된 PEG를 사용하고, 이것은 현저하게 비-특이성을 감소시키며, BSA는 교차 반응성을 보조하기 위해 사용하였다. 동시적으로, 용액 기초된 2-시스템 샌드위치 면역어세이를 성공적으로 완수하였다. 4㎛ Au/Ag/Au 로드를 항-사람 IgG, (FITC)로 유도하고, 8㎛ Au/Ni/Au를 항-래빗 IgG(TR)로 유도하였다. Ni 섹션에서 형광성의 부족으로 증명되는 바와 같이, Au/Ni/Au 로드의 Au 섹션은 선택적으로 유도되었다. 게다가, Ag는 FITC로부터 형광성을 보강하는 것으로 나타났다.
FITC를 가지고 Ag의 보강 인자를 조사하기 위해, 샌드위치 어세이는 동일한 유형의 로드 상에서 두개의 다른 형광단을 사용하여 수행하였다. 사람 IgG FITC 시스템과 새로운 다음의 시스템: 항-사이토크롬 c/바이오틴화된 Cc/스트렙타비딘-피코에리트린(PE)을 사용하였다. 사람 IgG 시스템의 경우에는 반사율 이미지에서 밝혀진 바와 같이 Ag 섹션과 일치하는 로드의 섹션에 더 밝은 형광이 있었다. 그러나, PE 시스템에 대해서는 Ag 보강이 관찰되지 않았다. 따라서, 형광단 흡광 및 나노바 코드 소등(extinction)(흡광 및 산란)에 대해서 모두 보강이 파장 특이성 현상인 것 같다.
실시예 5
흘림 세포계측 실험은 면역어세이 또는 나노바 코드로부터의 형광을 정량하는데 사용되어진다. 사람 IgG 및 바이오틴화된 Cc 시스템 모두를 조사하였다. 래빗 IgG 시스템은 TR이 흘림 세포계측 도구의 488㎚로 여기될 수 없기 때문에 바이오틴화된 Cc 시스템으로 교체하였다. 적정 커브는 Au/Ag 나노바 코드상의 사람 IgG와 바이오틴화된 Cc 시스템에 대해 만들었다. 그래프는 사람 IgG에 대한 적정 커브가 굴절 포인트를 포함하고, 반면에 바이오틴화된 Cc 시스템은 그렇지 않다는 것을 보여준다. 대신, 이것은 최대에 도달하고, 안정화되는 것으로 나타났다. 사람 IgG 시스템에 대한 커브의 형태는 FITC의 Ag 보강으로부터 비롯되고, 흘림 세포계측 실험은 항체 결합 용량(ABC)의 양을 결정하도록 실시되고, 마찬가지로 시스템을 최적화하기 위해 필요한 포획 항체의 농도를 결정하기 위해 실시될 수도 있다.
실시예 6
바이오어세이를 위한 콜로이달 Au 또는 Ag의 사용이 연구되고 있다. 이것은 다른 파장에서 금속의 반사율의 차이에 관한 것이다. 이론적으로, 바 코드 ID 또는 그의 일부는 반사율 등흡수성에서, 예를 들면 Au 및 Ag에 대한 600㎚에서 보여질 수 없다. 그러나, 선택적으로 바코드의 모두 또는 일부상에 콜로이달 입자를 위치시키는 것은 반사율의 변화를 초래하고, 따라사 반사율 대비를 초래한다. 콜로이달 Au 입자들은 이들을 균일하게 분산하고, 유도하고, 및 생체적합하게 만드는 것이 용이하기 때문에 이 측면에서 최상이다. 일차 실험은 Ag 콜로이드 층의 흡착이 Au/Ag 로드의 반사율을 변경할 수 있다는 것을 보여준다. 이것은 로드 상에1,6-헥산 디티올의 단일층을 흡착하고 이어서 Ag 콜로이드에 노출시키는 것으로 성취된다. TEM 데이타는 콜로이달 Ag를 나노바 코드에 결합하는 것을 확인한다. 400㎚에서, 반사율의 특징적인 스트립된 패턴은 콜로이달 Ag의 첨가 있이 또는 없이 보여질 수 있다. 그러나, 600㎚에서, 스트리핑 패턴은 Ag 파티클의 부재시에 보여질 수 없지만, Ag 나노입자의 존재시에 보여질 수 있다.
이들 데이타는 Ag 나노입자와 나노바 코드의 Ag 및 Au 세그먼트 사이에 구별적인 전자기적 상호작용이 있다는 것을 나타내고, 이는 TEM 데이터가 나노바 코드의 표면을 위에서 Ag 재료의 균일한 분포를 나타내기 때문이다. 반사율에서 변화는 등흡수성을 포함할 필요가 없다(예를 들면, 구별없는 반사율로부터 구별되는 반사율로 또는 그 반대). 요구되는 모든 것은 화학 또는 생화학적 사건이 반사율에서의 변화와 관련된다는 것이다. 게다가, 반사율에서의 이 변화는 다양한 세그먼트에 대해 다를 필요가 없다. 따라서, 가장 일반적인 이행은 전체 나노바 코드에 대한 하나 이상의 세그먼트의 반사율에서 변화 유도된 분자 결합/탈결합을 포함한다. 더욱 특이한 구현예는 반사율 등흡수성의 제거(또는 발생)를 이끄는 반사율에서 변화를 포함한다.
실시예 7
바 코드 로드는 DNA 혼성화 또는 탈혼성화의 검출을 위한 용액 기초된 어세이 방법에 대해 유용하다. 초기에, 올리고머(oligos)는 방법 개발에 사용되지만, 기술은 cDNA's로 용이하게 확장될 수 있다. 지금까지, 짧은 올리고머(12-mers)의 로드에의 부착은 검출을 위한 형광(FITC)을 사용하여 왔다. 아미노 변형된 올리고머를 사용하는 두개의 부착방법이 행해지고 있다. 하나의 방법은 아미노 변형된 올리고머를 아미노 종결된 PEG 층에 연결하는 이관능성 가교제, 1,4-페닐렌 디이소티오시아네이트(PDITC)을 사용하였다. 두번째 방법은 아미노 변형된 올리고머를 "아미노산" PEG(HCL NH2-PEG-COOH)의 흡착층에 부착하는 전통적인 카보디이미드 커플링을 사용하였다. 전통적인 카보디이미드 커플링은 이관능성 가교제를 사용하는 방법보다 더 많은 부착을 얻는다. 게다가, 카보디이미드 커플링은 하기가 더 쉽고, 수용액 상에서 모든 것이 행해질 수 있고, 재현성이 높다. 이 분야에서 알려진 부착의 임의의 추가적인 형태가 또한 사용될 수 있다.
실시예 8
이 실시예는 입자를 관능성, 하부석판, 전자 장치로 어셈블리하는 DNA 사용을 궁극적인 목적으로 하는 귀금속 나노로드의 DNA-기초된 어셈블리에 관한 것이다. 어떻게 티올 관능화된 DNA가 이들 로드의 콜로이달 졸에 부착하는지 및 이 지식이 어떻게 로드의 어셈블리에 적용되지는 이해하는 것은 중요하다.
많은 노력이 나노미터 규모의 Au 입자들을 어셈블리하는 DNA를 사용하는 것에 촛점을 맞추었다. 이들 입자가 DNA를 사용하여 어셈블리될 수 있기 전에, DNA로 입자들을 유도하는 근본적인 공정을 이해하는 것이 필수적이다. 이들 입자상에 DNA의 흡착 열역학 및 DNA의 혼성화 효능은, 이것이 이들 입자들의 표면상에 어셈블리되는 경우에, 연구되어진다. 랭뮤어 흡착 등온선은 Au 나노로드(200㎚×3㎛)의 콜로이달 졸 상에서 티올화된 및 비티올화된 DNA(36 염기 길이)의 흡착을 위해제조되었다. 이들 플롯을 사용하여, ΔG 값은 입자들 상에 티올화된 및 비티올화된 DNA의 흡착에 대해 계산될 수 있고, 각각 -1.83×105J/mol 및 -2.51×104J/mol이다.
본 발명의 이 구현예의 궁극적인 목적은 메모리 장치를 형성하기 위해 패턴화된 표면상에 나노로드를 어셈블리하는 DNA를 사용하는 것이다. 어셈블리가 패턴화된 표면상에서 시작되기 전에, 더 단순한 시스템, 예를 들면 Au 필름상에서 어셈블리를 이해하는 것이 중요하다. 다양한 파라미터(염 농도, 온도, 블록킹제 및 세개의 올리고 시스템 대 두개를 포함)가 로드의 어셈블리 상에서 이들의 영향을 연구하기 위해 사용되고 있다. 최상의 결과는 티올화된 DNA로 로드를 유도하고, 이어서 6-메르캅토헥사놀중에 침지시키는 것으로 얻을 수 있다. Au 필름은 이어서 티올화된 DNA 중에서 유도되고, 이어서 옥탄티올에 의해 유도된다. 이어서, 로드는 10mM 인산염(pH=7), 0.5% 블로토(Blotto) 블록킹제, 1mM 소디움 도데실설페이트 및 50μM 정크 올리고뉴클레오티드로 된 완충액중에서 현탁된다. 이어서, Au 필름은 이어서 이 용액에 침지되고, 밤새 좌우로 흔들었다. 이 시스템을 사용하여, 어셈블리된 로드의 수는 크게 증가되는 반면, 비특이적으로 어셈블리된 수는 감소된다.
선택적인 유도는 DNA를 나노로드 또는 Au 표면 또는 둘 모두의 표면에 부착하는 관능화된 PEGs를 사용하는 것을 포함한다. 이 기술은 로드 또는 Au 표면을 하기의 용액 : 16-메르캅토헥사데카논산, EDC/NHS, 아민화된 PEG, 1,4-페닐렌 디이소티오시아네이트, 아민화된 DNA 중에 위치시키는 것을 포함한다. 이 유도화 전략은 Au 필름 상에 Au 로드의 어셈블리를 거의 개선시키지는 않지만, Si 상의 패턴화된 Au 표면 상에 이들의 어셈블리를 크게 개선시키고, 특히 무수 숙신산 관능화된 실란이 Si 표면을 유도하기 위해 사용되는 경우 개선시킨다. 상기 무수 숙신산은 이어서 물로 처리될 수 있고, 네가티브 전하를 띄고 있는 카르복실레이트기가 양극 DNA-코팅된 나노로드를 반발하는 Si 표면에 남아있는다.
실시예 9
대부분의 로드 실험은 시판되는 알루미나 멤브레인에서 성장된 200㎚ 직경 로드를 사용하여 수행하였다. 더 작은 직경의 폴리카보네이트 멤브레인을 사용하려는 노력도 있었다. 이를 위한 합리적인 것은 특정 광학 특성 또는 마그네틱 특성 또는 물리적 또는 화학적 특성 또는 어셈블리 화학이 더 작은 입자를 사용한 경우에 대해 더 우수할 수 있다는 것이다. 로드 함유 Au 및 Ni 스트립은 Ni 킬레이팅제(디메틸기옥심(dimethylgyoxime) 또는 8-히드록시퀴놀린)으로 유도되어진다. 상기 로드는 이어서 대상 티올 용액중에 침지될 것이고, 티올은 요구되는 바와 같이 Au 상에 어셈블리되는 반면, Ni 스트립은 티올로부터 효과적으로 "블록"된다. 로드는 디메틸기옥심으로 유도되고, 이어서 티올화된 DNA로 유도된다. 상기 로드는 이어서 YOYO, 이중나선 DNA에 결합하는 DNA 개재 염료로 처리하였다. 이들 데이타는 직교의 유도가 Au/Ni(뿐만 아니라 상기 논의된 Pt/Au)를 포함하여 확장될 것이다. Au/Ni/Pt를 포함하는 나노바 코드는 세개의 다른 화학이 동일한 나노로드 상에 위치되게 해야만 한다. 선택적인 화학이 구리에 대해 개발될 수 있을 것이다(예를 들면, 디티오카바메이트 사용), 따라서, 예를 들어 단일 나노입자에 네개의 분리 올리고뉴클레오티드를 부착하는 것이 가능해져야 하고, 각각은 하나의 베이스 잔기에서 다르다. 이런 시스템은 굉장히 단순한 SNP 분석이다. 네개 유형의 세그먼트 재료 화학이 말단 또는 팁(tip) 유도화와 조합되면서, 단일 나노바는 6개 이상의 다른 화학이 특정 위치에서 유도될 수 있다.
실시예 10
입자를 배열하는 전기장이 성공적으로 사용되고 있다. 이 실험에서 장(field) 배열이 배열된 로드의 표면 화학에서 갖는 효과를 연구하였다. 로드를 메르캅토에틸아민으로 유도하였고, 전기장에 의해 배열하였다. 이들을 이어서 반려시키고, 로드아민(rhodamine) B 이소티오시아네이트의 용액중에 침지시켰다. 이어서 표면은 형광 현미경에서 이미지화하였다. 여러가지 배열 포텐셜과 주파수를 로드 표면의 티올이 산화되지 않음이 발견될 때까지 조사하였다.
실시예 11
금속 나노로드의 순서적인 2차원 구조를 조작하기 위한 노력이 있어왔다. 실행가능한 수단은 로드의 분별있는 패킷을 어셈블리하고자 한다. 네개 이상의 로드의 2-차원의 어셈블리(이것의 폭은 제공된 어셈블리에서 사용된 로드의 길이보다 짧다)는 창출될 수 있고 한정된(또는 접근가능한) 위치에 위치된다. 이 어셈블리 유형은 이어서 크로스 바 구조체의 두번째 바닥으로 제공될 수 있고, 상부층의 어셈블리에서 보조할 수도 있다. 두번째 층은 전기적으로 한정가능한 메모리 부품이고, 세번째는 첫번째에 대해 90°회전되는 또 다른 이차원의 로드 어셈블리이다.첫번째 층은 다중금속 스트립핑 및 보완적인 표면 화학을 이용하는 것으로 다른 두개의 층의 구축을 보조할 수 있다.
계면에 형성된 로드 다발
로드 래프트(raft) 형성 기술은 고분자전해질 또는 티올로 다양한 길이의 Au 로드(250㎚ 직경)을 화학적으로 변형시키려는 시도가 있어왔다. 변형된 로드는 전형적으로 물중에 있고, 이어서 유사하지 않은 용매, 예를 들면, 헥산과 혼합된다. 다양한 조직의 로드 래프트는 이어서 두개 용매의 계면 영역에서 어셈블리한다. 이들 래프트는 이어서 계면으로부터 제거될 수 있고, 또 따른 분석 및 조작을 위해 고형 기판상에 위치된다.
로드의 소규모 그룹을 형성하려는 시도에서, 로드의 농도는 수성 상 뿐만 아니라 다른 용매에서 감소되어 계면을 만든다. 가장 가능하게 보이는 표면 변형은 메르캅토에탄 황산(MESA)과 고분자전해질 폴리알릴아민 염산염(PAH)으로 변형된 Au 로드이다. 더 작은 로드 패킷이 형성된다; 그러나, 다수의 많은 단일 로드와 탈조직화된 기들이 존재한다. 물/헥산에서 여러가지 소 다발의 PAH는 비교적 몇몇의 단일 로드로 형성된다. 이 특별한 샘플은 유리 표면으로 전달된다. 게다가 고분자전해질(폴리스티렌 황산염(PSS) 및 PAH)는 로드 패킷를 강화시키기 위해 사용된다. 이어서 로드는 표면에서 제거되고 용액으로 전달된다. 이들 로드 패킷은 이어서 전기장 배열 실험에 사용되었다.
석판술적으로 한정된 표면상에서 로드의 어셈블리 형성
어레이 피트(pit)로 구성된 로드를 어셈블리하는 기판이 사용되고 있다. 상기 피트는 Au 바닥을 가지고, 400㎚ 깊이(큰 로드에 대해) 또는 100㎚ 깊이(70㎚ 직경의 로드에 대해)×2㎛×8㎛ 또는 5㎛(각각)이다. 이 둘러싸는 재료는 Si를 포함하는 중합된 벤질시클로부텐이다. 이 폴리머는 이어서 산소 플라즈마에서 에칭되고, SiO2-유사 표면을 남긴다.
로드를 상기 피트에 놓으려는 초기 시도에서, Au 로드(ca. 8㎛)를 왼쪽으로 치우져 지고, Au 피트 바닥을 1,4 부탄 디티올로 유도하였다. 상기 나체 로드(bare rods)를 에탄올중에 현탁하고, 기판은 이 용액중에 위치시켰다. 반응한 후에, 여전히 젖은 기판을 광 현미경하에서 관찰하였다. 용매 프론트가 들어감에 따라서, 로드를 석판 구조의 표면을 가로질러 이동시켰다. 용매 프론트가 이들을 지나 통과됨에 따라서 로드가 피트로 이동되고 그안에 맡겨지는 것이 관찰되었다. 로드 구조를 피트에 형성시키는 다른 접근에서, BCB 표면을 과플루오르화된 실란으로 처리하여 소수성으로 만들고, 비교적 "비-접착성"이 되도록 Au 피트 바닥은 MESA로 처리하였다. Au 로드(ca. 8㎛)는 MESA로 코팅하고 이어서 폴리디메틸디알릴 암모니움 클로라이드(PDAC)로 코팅하여 이들에 영구적인 포지티브 전하를 제공하고, 네가티브적으로 전하를 띤 피트 바닥에 이들을 끌어당기는 인력을 제공하였다. 상기 로드가 피트로 들어가는 것이 관찰되었다; 그러나, 더 많은 로드는 과플루오르화에도 불구하고 표면에 물리흡착하는 것으로 여겨진다. 로드와 피트 사이에 인력의 상호작용을 만들려는 또 다른 시도에서, 피트 바닥과 Au 로드를 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 처리하여 반응이 일어나게 하였다. 유용한 로드-피트 상호작용이 나타나지 않았다.
BCB의 과플루오르화를 제거하고 MESA 피트와 MESA/PDAC 로드가 다시 상호작용함에 의해, 피트중의 로드의 증가가 나타났다. 과플루오르화가 수성의 친수성 로드에 반발적일 수 있는 소수성 표면을 제공함에 따라서, 궁극적으로 물보다 폴리머 코팅된 로드가 더 좋다. 이 인자는 로드가 과플루오르화된 표면에 상대적으로 부착되어지게 하는 결과를 가져오는 것으로 여겨진다. 처리되지 않은 BCB를 남김에 따라서, PDAC 폴리머 코팅된 로드는 MESA 처리된 피트에 비교적 더 잘 부착된다.
또 다른 구현예에서, 표면을 아미노프로필트리메톡시실란(APTMS)로 처리하고, 이어서 PDAC로 처리하고, 메르갑토에틸아민(MEA)으로 밤새 처리하였다. MESA/PDAC 로드를 다시 사용하였다. 상기 로드와 표면은 밤새 반응하게 하였다. 비교적 높은 퍼센트의 로드는 피트에서 발견되고, 나머지 석판술적으로 한정된 Au 구조체는 높은 밀도의 로드를 갖는다.
MESA/PAH로 유도된 Au가 붙은 Ni 로드(ca.3㎛)를 MESA 유도된 표면에 위치시켰다. 상기 Ni 로드가 자성이어서, 자기장으로 정렬시키고 이동시켰다. 표면을 여러시간 또는 밤새 로드와 반응하게 하고, 여전히 젖은 기판은 자기장에 노출시켰다. 상기 로드 및 로드 다발은 장(field)으로 정렬하였다. 더 긴 마그네틱 로드가 유용하다; 그러나, 이들은 표면상에서 자기장으로 정렬되지 않는다.
실시예 12
본 발명의 하나의 구현예는 나노규모 전자 장치, 특히 다이오드의 템플릿-관련 합성에 관한 것이다. 하나의 접근은 로드 형태 금속 전극의 멤브레인 복제 전기화학적 도금을 전극들 사이에 샌드위치된 나노입자 반도체/폴리머의 층층의 무전해 자가 어셈블리와 조합하는 것이다. 이하에 설명되는 것은 알루미나 멤브레인의 200㎚ 기공 안의 금속 나노로드의 상부에 다중층 TiO2/폴리아닐린의 젖은 겹쳐진 층의 자가 어셈블리이다.
1. 재료
200㎚ 기공 직경 와트만 아노포어디스크(Al2O3-멤브레인)를 템플릿 관련된 다이오드 합성에 사용하였다. 전기화학적 금속 증착은 시판되는 골드(Technic Orotepp 24), 플래티늄(Technic TP), 및 실버 도금 용액을 사용하여 수행하였다. 티타늄 테트라이소프로폭사이드[Ti(ipro)4], 메르캅토에틸아민 염산염(MEA), 에틸트리에톡시 실란, 클로로트리메틸 실란은 알드리치(Aldrich)로부터 구매하였다. 모든 시약은 추가적인 정제없이 사용하였다. 기타 다른 화학약품은 시약 등급이고 상업적인 소스로부터 얻는다.
TiO2콜로이드는 다음과 같이 제조하였다. Ti(ipro)4를 2-메톡시에탄올중에 냉각 및 교반하에서 용해시켰다. 용액이 옅은 노란색이 될때까지 교반하면서 유지시키고, 이어서 2-메톡시에탄올 함유 HCl의 일부를 첨가하였다. 제조된 용액의 성분의 몰비율은 Ti(ipro)4:HCl:2-메톡시에탄올 = 1:0.2:20이다. 상기 용액을 물로 희석하여 TiO2농도를 1%로 조정하고, 3주 동안 숙성시켰다. 얻어진 젖빛색 졸을60℃에서 회전 증발시켜 빛나는 분말의 티타니아 75%(w/w)를 포함하는 제로겔을 얻었다. 상기 제로겔은 2.3중량%(0.29M)의 TiO2를 갖고, pH=3인 스톡 수성 TiO2졸의 제조를 위한 전구체로서 사용하였고, 이것은 여러주 동안 안정하였다. 티타니아 제로겔의 XRD 조사는 콜로이달 아나타제 결정의 평균 크기를 조사하여 6㎚임을 알게하였고, 스톡 TiO2졸의 TEM 이미지는 직경 4 내지 13㎚인 입자들을 보여준다.
폴리아닐린(PAN)의 에메랄딘 염기(EB) 형태를 또한 제조하였다. 디메틸 포름아미드중의 PAN의 암청 용액(0.006중량%)을 필름 합성을 위한 스톡 용액으로서 사용하였다.
2. 로드 형태 다이오드의 합성
로드 형태 다이오드의 합성을 하기와 같이 수행하였다. 금속 전극을 다공성 멤브레인 내에 전기화학적으로 성장시켰다. 간략히, 멤브레인을 그의 분지된 측면에 실버 ~150㎚를 증발시키는 것으로 전처리하였다. 이 측면상의 기공을 완전히 채우기 위해, 1C의 실버를 증발된 실버 위에 전기도금하였다. 이들 Ag "플러그"를 바닥 전극이 전기화학적으로 성장하게 되는 근거로서 사용하였다. 요구된 길이의 바닥 골드 전극은 초음파 처리로 전기도금하였다. 도금 용액은 물중에 멤브레인을 소킹(soaking)하는 것으로 및 Ar 스트림중에서 건조하는 것으로 제거하였다. 바닥 전극 표면을 MEA로 프라이밍하는 것은 다중층 TiO2/PAN 필름을 증착하는 것보다 선행한다. 이것은 MEA(5%) 에탄올성 용액으로부터 24시간 흡착하는 것으로 얻었다. 상기 다중층 필름을 TiO2수용액 및 DMF중의 PAN 용액 중에 1시간 동안 멤브레인을연속적으로 침지시키는 것을 반복하는 것으로 성장시켰다. 각각의 흡착 단계는 이어서 적절한 용매(0.01M 수성 HCl 또는 DMF)의 멤브레인을 여러번 1시간동안 소킹시키고, Ar 스트림중에 건조시켜 과량의 시약을 제거하였다. 최종적으로 요구된 길이의 상부 전극(Ag 또는 Pt)을 초음파 처리 없이 TiO2/PAN 다중층의 상부에서 전기도금하였다. 이어서, 증발된 실버, Ag "플러그"와 알루미나 멤브레인을 6M 질산과 0.5M NaOH, 각각에 용해시켜 제거하였다. (2 내지 4C의 Au는 Ag 전극의 상부에 항상 전기도금되어 후자가 질산중에 용해하는 것을 방지한다. 또한 일차 실험은 평면 Au(MEA) 기판상에 자기 어셈블리된 다중층 TiO2/PAN 필름이 0.5M NaOH 중에서 파괴되지 않는다는 것을 보여주었다) 얻어진 로드 형태 다이오드를 반복적으로 원심분리하고 물로 세척하였다.
대부분의 실험에서, Al2O3-멤브레인 기공 벽의 화학적 패시베이션(passivation)은 프로피온산(20은 0.0013M 수용액으로부터 흡착(sorption)을 갖는다) 또는 알킬실란 유도체로의 처리를 사용하여 적용시켰다. 후자의 경우, 멤브레인을 순수 에탄올과 무수 톨루엔 또는 디클로로에탄중에 1시간 동안 소킹시키고, 후에 무수 톨루엔(2.5부피%)중의 에틸트리에톡시 실란 용액중에 또는 무수 디클로로에탄(2.5부피%) 중의 클로로트리메틸 실란 용액중에 15시간 동안 침지시켰다. 이어서, 멤브레인을 적절한 무수 용매, 용매와 순수 에탄올의 1:1 혼합물 및 순수 에탄올 중에 1시간 동안 연속적으로 소킹시키고, 최종적으로 Ar 스트림에서 건조하였다. 이렇게 처리된 멤브레인을 물로 젖게 하는 것으로 이들의외부 표면이 소수성임을 밝혔다. 에틸트리에톡시 실란 또는 프로피온산으로 처리된 멤브레인의 투과 IR 스펙트라는 2940, 2865, 2800㎝-1에서 약한 밴드가 나타남을 보여주었고, 이것은 알킬 및 알콕시 기의 C-H 스트레칭 진동에 배치될 수 있다.
3. 특성화
투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 120kV의 가속 전압에서 JEOL 1200 EXII 및 80mA의 필라멘트 전류를 가지고 얻었다. 광학 현미경(OM) 이미지를 기록하였다. 투과 IR 스펙트라는 Specord M-80 CareZeiss Jena 스펙트로미터를 사용하여 기록하였다. 로드 형태 다이오드의 I-V 특성은 주변 온도에서 공기중에서 측정하였다.
다공성 알루미나 멤브레인 내부에 전기화학적으로 성장된 일부의 전형적인 "스트립된" 이금속성 Au/Pt/Au 나노로드의 TEM 이미지는 두개의 로드 말단이 그들의 지세면(topography)에서 다르다는 것을 보여주며, 로드 말단의 하나는 융기되거나 또는 둥근 반면, 다른 로드 말단은 중간에 뚜렷한 구멍을 갖는다. 로드 말단 외관에서 이런 차이는 일정량의 금속 이온을 기공 벽에서 흡착하고, 근처-벽 공간에서 금속(예를 들면, Ag) 성장을 촉진하고, 기공 중간 공간에 구멍을 생기게 하는 것으로 설명될 수 있다. 두번째 금속 "스트립"(예를 들면, Ag)의 전기도금 동안, 성장하는 금속은 바닥 로드의 표면을 따라가고, 구멍을 채워서 둥근 말단을 형성한다. 게다가 로드 성장은 기공 벽상에서 금속 흡착에 기인하여 컵과 같은 말단을 생기게 한다. 각각의 순차적인 금속 세그먼트는 근원적인 세그먼트의 말단에서 동일한 방식으로 성장한다.
로드의 상부 말단에서 비교적 조도 표면은 매우 얇은 TiO2/PAN 필름으로 완벽하게 덮어지고, 이로 인해 바닥과 상부 금속 전극 사이에 즉각적인 접촉이 방지되어 바람직하지 않다. 평면의 Au-기판상에 일차 실험으로부터, 본 발명자들은 더욱 부드러운 표면상에 성장된 다중층 TiO2/PAN 필름이 이들의 정류 행동에서 보다 나은 재현성을 보여준다는 것을 발견하였다. 기공 벽의 Al2O3-종결된 표면을 프로피온산 또는 알킬실란 유도체, 예를 들면 에틸트리에톡시 실란 또는 클로로트리메틸 실란으로의 패시베이션는 기공 벽에서 금속 흡착을 감소시키는 것으로 상부 로드 말단 표면을 진정시킨다. 기공 벽의 소수성화는 TiO2입자들이 기공의 깊이(~65㎜)에서 위치된 금속 전극 표면상 보다는 벽 표면상에 흡착을 방지한다고 기대될 수 있다. 이것은 TiO2입자들이 평면의 Al/Al2O3기판상에 빽빽하게 들어찬 층을 용이하게 형성하는 것을 보여준다. 로드 상부의 전형적으로 높은 해상도 이미지는 컵과 같은 말단이 로드의 상부에 위치됨을 확인시키고, 벽의 어느 정도의 패시베이션이 로드 말단의 표면을 부드럽게 한다는 것을 보여준다.
에틸트리에톡시 실란으로 유도된 멤브레인을 사용하여 제조된 Au/(TiO2/PAN)10/Ag/Au 로드의 광학 현미경 사진은 균일한 길이의 나노로드를 보여주고 있으며, 여기서 실버 세그먼트가 두개의 골드 말단 사이에 뚜렷하게 나타난다. 첫번째 수초동안에 기록된 이런 로드의 TEM 이미지는 로드내에 금속/필름/금속의 헤테로정션의 사인이 보이지 않음을 밝혔다. 그러나, 전자빔을 이 로드에 일정시간동안 촛점을 맞춘 후에(전형적으로 10초), 로드에 파열이 나타나고, 금속 세그먼트는 Au/필름/Ag 헤테로정션 근처에서 분리되었고, 이는 아마도 빔-유도된 금속 용융때문이다. 이 파열에 대한 더 높은 해상도 TEM 이미지에서, 양쪽 금속 말단에 접착하는 5 내지 10㎚ 직경의 입자가 관찰되었다. 명백하게, TiO2나노입자는 두개의 전기도금된 금속사이에 존재한다. OM 및 TEM 데이타는 Au 로드 상부에 다중층 TiO2/PAN 필름의 자기-어셈블리가 멤브레인 기공 안에서 실현될 수 있고, 자기 어셈블리화된 필름은 Ag 로드가 필름의 상부에서 전기도금하는 것을 방지하지 않는다는 것을 제안한다. 기계적인 필름 파괴의 높은 가능성 때문에, 부분적으로 용융된 금속 로드 말단을 분리하는 경우, TEM 이미지가 로드 내부의 다중층 TiO2/PAN 필름의 사실적인 그림을 제공하지 않는 것을 주목해야 한다. 더 긴 시간동안 전자빔에 로드의 노출은 헤테로정션을 완벽하게 파괴시키고, 두개의 개개의 나노로드를 이들의 말단에 부착시킨다.
Au 및 Ag 로드 사이에 샌드위치된 다중층 TiO2/PAN 필름을 조사하기 위해, Au/(TiO2/PAN)6/Ag 나노로드를 제조하고, 그들의 상부 Ag 전극을 질산중에 용해시켰다. 이들의 상부에 증착된 (TiO2/PAN)6필름을 갖는 남아있는 2C Au 로드를 TEM으로 분석하였다. 일차 연구는 평면의 Au(MEA) 기판상에 자기 어셈블리화된 다중층 TiO2/PAN의 탄원편광법적(ellipsometric)인 두께가 산성 매체중의 필름의 안정성을 제공하는 30분 동안 6M HNO3중에 침지시킨 후에 감소하지 않음을 보여주었다. 게다가, 상기 설명된 Au(TiO2/PAN)10/Ag/Au 로드와 유사하게, 첫번째 수초동안에 취한 Au/(TiO2/PAN)6로드의 TEM 이미지에서는 임의의 입자를 발견할 수 없었다. 그러나, 전자빔에 오랜동안 노출된 동안, 골드가 용융되면서 로드의 상부상에 나노입자 필름이 드러났다. 이것은 필름의 상부의 굴곡 라인이 용융전의 Au 로드의 그것과 매우 유사한다는 것을 알 수 있게 한다. 이 사실은 금속 로드의 컵형태의 상부와 일관된다. 다중 필름은 컵 바닥 및 컵 벽에서 성장하고, 박막 필름이 용융된 후에 컵 형태가 대략적으로 계속 유지된다. 이것은 필름의 높이가 약 100㎚ 로 일관되게 관찰되는 것을 설명하는 것이, 이것은 (TiO2/PAN)6필름 두께보다 깊은 골드 컵을 평가하게 한다. 평면의 Au(MEA) 기판상에 자기 어셈블리화된 타원편광법적인 (TiO2/PAN)6필름의 두께는 약 10㎚로 평가되었다.
Pt/(TiO2/PAN)3TiO2/Au 로드 형태 장치의 I-V 특성은 전류를 정류하는 행동을 밝혔다. 순방향 및 역방향 바이어스 켜짐 전위는 각각 대략 -0.2 및 0.9V이다.

Claims (86)

  1. 복수의 세그먼트를 포함하며, 길이가 10㎚ 내지 50㎛이고, 폭이 5㎚ 내지 50㎛인 자립성 입자.
  2. 제 1항에 있어서, 입자의 길이는 500㎚ 내지 30㎛인 입자.
  3. 제 1항에 있어서, 입자의 길이는 1 내지 15㎛인 입자.
  4. 제 1항에 있어서, 입자의 폭은 10㎚ 내지 2㎛인 입자.
  5. 제 1항에 있어서, 입자의 폭은 300㎚ 내지 500㎚인 입자.
  6. 제 1항에 있어서, 2 내지 50 세그먼트를 포함하는 입자.
  7. 제 1항에 있어서, 2 내지 10개의 다른 유형의 세그먼트를 포함하는 입자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 세그먼트의 길이가 1㎚ 내지 50㎛인 입자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 세그먼트의 길이가 50㎚ 내지 15㎛인 입자.
  10. 제 1항에 있어서, 2 내지 50개의 세그먼트를 포함하고, 여기서 입자의 길이는 1 내지 15㎛이고, 입자의 폭은 30㎚ 내지 2㎛이고, 상기 세그먼트의 길이는 50㎚ 내지 15㎛인 입자.
  11. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 상기 세그먼트는 금속, 임의의 금속 칼코겐화물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 인화물, 금속 셀렌화물, 금속 텔루리드, 금속 안티몬화물, 금속 합금, 반도체, 반-금속, 임의의 유기 화합물 또는 재료, 임의의 무기 화합물 또는 재료, 임의의 유기금속 화합물 또는 재료, 재료의 입상층 및 복합 재료로 이루어진 군에서 선택된 물질를 포함하는 것인 입자.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 세그먼트의 하나 이상은 금속으로 되는 것인 입자.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 금속은 실버, 골드, 구리, 니켈, 팔라듐, 플래티늄, 코발트, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군에서 선택된 금속인 입자.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 세그먼트의 하나 이상은 폴리머성 재료, 결정성 재료, 비결정성 재료, 무정형 재료 및 유리로 이루어진 군에서 선택된 재료로 되는 것인 입자.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 세그먼트의 하나 이상은 수퍼파라마그네틱 (superparamagnetic) 화합물로 되는 것인 입자.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 입자는 전자 장치로서 또는 전자 장치의 부품으로 기능할 수 있는 것인 입자.
  17. 제 16항에 있어서, 전자 장치 또는 전자 장치의 부품으로는 전도체, 다이오드, 트랜지터, 와이어, 축전기, 저항기, 네가티브 회절 저항 장치, 공진 터널링 다이오드, 강유전체 스위치, 시프트 레지스터 및 지연선으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 입자.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 세그먼트의 하나 이상은 관능화되는 것인 입자.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 관능화는 유기 물질, 무기 물질, 무기 배위 착물 및/또는 유기금속 착물을 포함하는 것인 입자.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 관능화는 유기 물질을 포함하는 것인 입자.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 유기 물질은 유기 재료인 입자.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 유기 재료는 탄소, 목탄, 다이아몬드 또는 폴리스티렌을 포함하는 것인 입자.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 유기 물질은 유기 분자인 입자.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 유기 분자는 항체 또는 항체 단편, 올리고뉴클레오티드, 압타머(aptamer), 수용체, 효소, 단백질, 촉매, 촉매적 항체, 지질, 탄수화물, 다당류, 아미노산 또는 펩티드를 포함하는 것인 입자.
  25. 제 19항에 있어서, 상기 관능화는 무기 배위 착물을 포함하는 것이 입자.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 무기 배위 착물은 2-,3-,4-,5-,6-,7-,8- 또는 9- 배위 착물을 포함하는 것인 입자.
  27. 제 19항에 있어서, 상기 관능화는 유기금속 착물을 포함하는 것인 입자.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 유기금속 착물은 하나 이상의 금속-탄소, 금속-규소 또는 금속-질소 결합을 포함하는 종을 포함하는 것인 입자.
  29. 제 19항에 있어서, 상기 관능화는 무기 재료를 포함하는 것인 입자.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 무기 재료는 유리, 인광물질, 지올라이트 또는 산화물로 되는 것인 입자.
  31. 제 18항에 있어서, 상기 관능화는 검출가능한 태그 또는 검출가능한 태그를 결합하는 재료를 포함하는 것인 입자.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 검출가능한 태그는 형광 태그, 동위원소 태그, 방사성 태그, 미립자 태그, 올리고뉴클레오티드-기초된 태그, 분자 태그, 라만-기초된 태그, 적외선 태그, 질량 분석 태그, 및 전기 화학 태그로 이루어진 군에서 선택되는 것인 입자.
  33. 제 18항에 있어서, 상기 관능화는 콜로이달 입자, 폴리머, 유리, 분자 단일층, 분자 다중층 또는 필름을 포함하는 것인 입자.
  34. 제 18항에 있어서, 두개 이상의 세그먼트가 상이하게 관능화되는 것인 입자.
  35. 제 18항에 있어서, 상기 관능화는 상기 입자의 하나 또는 양쪽 팁에서 되는 것인 입자.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 입자의 상기 팁이 상이하게 관능화되는 것인 입자.
  37. 복수의 유형의 입자를 포함하고, 여기서 각각의 입자는 그의 길이가 10㎚ 내지 50㎛이며 복수의 세그먼트를 포함하고, 입자의 유형이 구별될 수 있는 것인 입자들의 어셈블리.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 입자들의 유형은 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 상기 세그먼트의 수, 조성, 길이 또는 패턴에서 차이에 기초하여 구별될 수 있는 것인 입자의 어셈블리.
  39. 제 37항에 있어서, 상기 입자 유형은 광학 수단, 전기 수단, 물리적 수단, 화학적 수단 또는 마그네틱 수단에 의해 구별될 수 있는 것인 입자의 어셈블리.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 입자의 유형은 광학 수단에 의해 구별될 수 있는 것인 입자의 어셈블리.
  41. 제 40항에 있어서, 상기 입자 유형은 구별적인 반사율에 의해 구별될 수 있는 것인 입자의 어셈블리.
  42. 제 37항에 있어서, 상기 각각의 입자는 2 내지 50개의 세그먼트를 포함하고,각각의 입자의 길이는 1 내지 15㎛이고, 각각의 입자의 폭은 30㎚ 내지 2㎛이고, 세그먼트의 길이는 50㎚ 내지 10㎛인 입자의 어셈블리.
  43. 제 37항에 있어서, 관능화된 입자들을 포함하는 것인 입자의 어셈블리.
  44. 제 36항에 있어서, 다른 유형의 입자와는 다르게 관능화된 입자들의 유형을 포함하는 것인 입자의 어셈블리.
  45. 제 43항에 있어서, 상기 관능화는 유기 물질, 무기 물질, 무기 배위 착물 및/또는 유기금속 착물을 포함하는 것인 입자의 어셈블리.
  46. 제 43항에 있어서, 상기 관능화는 검출가능한 태그 또는 검출가능한 태그를 결합하는 재료를 포함하는 것인 입자의 어셈블리.
  47. 제 46항에 있어서, 상기 검출가능한 태그는 형광 태그, 동위원소 태그, 방사성 태그, 미립자 태그, 올리고뉴클레오티드-기초된 태그, 분자 태그, 라만-기초된 태그, 적외선 태그, 질량 분석 태그 및 전기화학 태그로 이루어진 군에서 선택되는 것인 입자의 어셈블리.
  48. 입자와 관능화 유닛을 포함하고, 여기서 상기 입자는 다수의 세그먼트를 포함하고, 10㎚ 내지 50㎛의 길이를 갖는 것인 조성물.
  49. 제 48항에 있어서, 상기 입자 길이는 500㎚ 내지 30㎛인 조성물.
  50. 제 48항에 있어서, 상기 입자 길이는 1 내지 15㎛인 조성물.
  51. 제 48항에 있어서, 관능화 유닛의 특성은 입자에 의해 코드화되는 것인 조성물.
  52. 제 51항에 있어서, 관능화 유닛의 특성은 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 세그먼트의 수, 조성, 길이 또는 패턴에 기초되어 코드화되는 것인 조성물.
  53. 제 48항에 있어서, 관능화 유닛은 분석물-특이 종을 포함하는 것인 조성물.
  54. 제 48항에 있어서, 상기 관능화 유닛은 유기 물질, 무기 물질, 무기 배위 착물 및/또는 유기금속 착물을 포함하는 것인 조성물.
  55. 복수의 유형의 입자를 포함하고, 여기서 각각의 입자들은 10㎛ 미만의 하나 이상의 칫수를 갖고, 입자들의 유형은 구별될 수 있는 것인 입자들의 어셈블리.
  56. 제 55항에 있어서, 각각의 입자는 500㎚ 미만의 하나 이상의 칫수를 갖는 것인 입자들의 어셈블리.
  57. 제 55항에 있어서, 각각의 입자는 200㎚ 미만의 하나 이상의 칫수를 갖는 것인 입자들의 어셈블리.
  58. 제 55항에 있어서, 3개 이상의 유형의 입자들을 포함하는 것인 입자들의 어셈블리.
  59. 제 55항에 있어서, 5개 이상의 유형의 입자들을 포함하는 것인 입자들의 어셈블리.
  60. 제 55항에 있어서, 상기 유형의 입자들은 입자들의 길이, 폭, 형태 및/또는 조성에서의 차이에 기초하여 구별될 수 있는 것인 입자들의 어셈블리.
  61. 제 55항에 있어서, 관능화된 입자들을 포함하는 것인 입자들의 어셈블리.
  62. 제 61항에 있어서, 다른 유형의 입자들과 다르게 관능화된 입자들의 유형을 포함하는 것인 입자들의 어셈블리.
  63. 제 61항에 있어서, 상기 관능화는 유기 물질, 무기 물질, 무기 배위 착물 및/또는 유기금속 착물을 포함하는 것인 입자들의 어셈블리.
  64. 제 61항에 있어서, 상기 관능화는 검출가능한 태그 또는 검출가능한 태그를 결합하는 재료를 포함하는 것인 입자들의 어셈블리.
  65. 입자와 관능성 유닛을 포함하고, 여기서 각각의 입자들은 10㎛ 미만의 하나 이상의 칫수를 갖고, 관능성 유닛의 특성이 입자에 의해 코드화되는 것인 조성물.
  66. 제 65항에 있어서, 상기 입자는 500㎚ 미만의 하나 이상의 칫수를 갖는 것인 조성물.
  67. 제 65항에 있어서, 상기 입자는 200㎚ 미만의 하나 이상의 칫수를 갖는 것인 조성물.
  68. 제 65항에 있어서, 관능성 유닛의 특성은 입자들의 길이, 폭, 형태 및/또는 조성에 기초하여 코드화되는 것인 조성물.
  69. 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 세그먼트의 수, 조성, 길이 또는 패턴에 기초되는 재료에 관한 정보를 코드화하며, 복수의 세그먼트를 포함하고, 길이가 10㎚ 내지 50㎛이고, 폭은 5㎚ 내지 50㎛인 자립성 입자를 상기 재료에 혼입 또는 부착시키는 단계를 포함하는 상기 재료에 관한 정보를 코드화하는 방법.
  70. 제 69항에 있어서, 상기 코드화된 정보는 재료의 조성에 관한 것인 방법.
  71. 제 69항에 있어서, 상기 코드화된 정보는 재료의 역사에 관한 것인 방법.
  72. 제 69항에 있어서, 하나 이상의 상기 세그먼트는 금속, 임의의 금속 칼코겐화물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 인화물, 금속 셀렌화물, 금속 텔루리드, 금속 안티몬화물, 금속 합금, 반도체, 반-금속, 임의의 유기 화합물 또는 재료, 임의의 무기 화합물 또는 재료, 임의의 유기금속 화합물 또는 재료, 입상층 또는 재료 및 복합 재료로 이루어진 군에서 선택된 재료로 되는 것인 방법.
  73. 분석물을 포함하는 용액을, 상기 분석물을 결합할 수 있는 종과, 복수의 세그먼트를 포함하며 입자의 길이가 10㎚ 내지 50㎛이고 입자의 폭이 5㎚ 내지 50㎛인 입자를 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계; 및
    상기 종과 분석물 사이에 상호작용이 일어나는지를 검출하는 단계를 포함하는 분석물에 대한 어세이를 수행하는 방법.
  74. 제 73항에 있어서, 상기 입자는 상기 종의 특성을 코드화하는 것인 방법.
  75. 제 74항에 있어서, 종의 특성은 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 세그먼트의 수, 조성, 길이 또는 패턴에 기초하여 코드화되는 것인 방법.
  76. 제 73항에 있어서, 상기 종은 항체 또는 항체 단편, 올리고뉴클레오티드, 압타머, 수용체, 효소, 단백질, 촉매, 촉매적 항체, 지질, 탄수화물, 다당류, 아미노산 또는 펩티드를 포함하는 것인 방법.
  77. 제 73항에 있어서, 세그먼트의 하나 이상은 금속, 임의의 금속 칼코겐화물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 인화물, 금속 셀렌, 금속 텔루리드, 금속 안티몬화물, 금속 합금, 반도체, 반-금속, 임의의 유기 화합물 또는 재료, 임의의 무기 화합물 또는 재료, 임의의 유기금속 화합물 또는 재료, 입상층 또는 재료 및 복합 재료로 이루어진 군에서 선택된 재료인 방법.
  78. 제 73항에 있어서, 상기 검출은 광학 수단, 물리적 수단, 화학적 수단, 전자적 수단 또는 마그네틱 수단에 의해 일어나는 것인 방법.
  79. 제 73항에 있어서, 상기 입자는 다른 분석물을 결합할 수 있는 복수의 종에 부착되는 것인 방법.
  80. 제 73항에 있어서, 상기 분석물은 단백질 또는 펩티드인 방법.
  81. 제 73항에 있어서, 상기 분석물은 올리고뉴클레오티드인 방법.
  82. 분석물을 포함하는 용액을, 각각의 조성물이 상기 분석물의 하나에 결합할 수 있고, 각각의 종의 특성이 결합되는 입자에 의해 코드화되는 종과, 복수의 세그먼트를 포함하며 입자의 길이가 10㎚ 내지 50㎛이고 입자의 폭이 5㎚ 내지 50㎛인 입자를 포함하는 복수의 조성물과 접촉시키는 단계; 및
    어떤 상호작용이 일어나는지를 검출하는 단계를 포함하는 복수의 분석물에 대한 복수의 어세이를 동시에 수행하는 방법.
  83. 제 82항에 있어서, 하나 이상의 상기 종은 항체 또는 항체 단편인 방법.
  84. 제 82항에 있어서, 상기 종의 하나 이상은 올리고뉴클레오티드인 방법.
  85. 제 82항에 있어서, 상기 각각의 입자 상에 상기 세그먼트의 하나 이상은 금속, 임의의 금속 칼코겐화물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 인화물, 금속 셀렌화물, 금속 텔루리드, 금속 안티몬화물, 금속 합금, 반도체, 반-금속, 임의의 유기 화합물 또는 재료, 임의의 무기 화합물 또는 재료, 임의의 유기금속 화합물 또는 재료, 입상층 또는 재료 및 복합 재료로 이루어진 군에서 선택된재료인 방법.
  86. 제 82항에 있어서, 각각의 종의 특성은 입자의 길이, 폭 또는 형태 및/또는 세그먼트의 수, 조성, 길이 또는 패턴에 기초해서 코드화되는 것인 방법.
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