KR20030055346A - 나노센서 - Google Patents

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KR20030055346A
KR20030055346A KR10-2003-7007723A KR20037007723A KR20030055346A KR 20030055346 A KR20030055346 A KR 20030055346A KR 20037007723 A KR20037007723 A KR 20037007723A KR 20030055346 A KR20030055346 A KR 20030055346A
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nanowires
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nanowire
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Application number
KR10-2003-7007723A
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리버찰스엠.
박홍군
웨이퀸키아오
쿠이이
리앙웬지
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프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하버드 칼리지
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Publication date
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Abstract

나노와이어들로 구성된 전기 장치들이 그들의 제조 및 사용 방법과 함께 설명된다. 상기 나노와이어는 나노튜브 또는 나노와이어일 수 있다. 나노와이어들의 표면은 선택적으로 기능화될 수 있다. 나노검출기 장치들이 설명된다.

Description

나노센서{NANOSENSORS}
나노와이어는 이상적으로 대전 운반체 및 엑시톤의 효과적인 수송에 적합하므로, 나노스케일 전자 및 광전자 공학에 대한 중요한 빌딩 블록이 되도록 예상된다. 탄소 나노튜브에서 전기 수송의 연구는 전계 효과 트랜지스터, 단일 전자 트랜지스터 및 조정 접합점의 생성을 유도한다.
본 발명은 국립 과학 재단 승인 제981226호 및 네이벌 연구소 협정 번호 제N00014-00-0-0476호에 의해 후원되었다. 정부는 본 발명에 일정 권리를 갖는다.
본 출원은, 2001년 5월 18일자로 출원된 "나노와이어 및 나노튜브 나노센서" 및 2000년 12월 11일자로 출원된 "나노와이어 및 나노튜브 나노센서" 각각이 본 명세서에서 참조되어, 일반적으로 소유되고, 현재 출원중인 미국 가특허 출원 일련번호 제60/292,035호에 대해 35 U.S.C. §119(e)하에 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 나노와이어 및 나노스케일 장치에 관한 것이며 특히, 샘플에 존재하도록 기대되는 분해자의 존재 또는 부재를 검출하기 위한 나노와이어 또는 기능적 나노와이어를 갖는 나노스케일 장치 및 이와 동일하게 사용하기 위한 방법에 관한 것이다.
도1a는 나노스케일 검출기의 개략도이다.
도1b는 나노와이어의 평행 어레이를 갖는 나노스케일 검출기의 개략도이다.
도2a는 나노와이어가 상보적 결합 협력자를 검출하기 위해 결합제로 변성된 나노스케일 검출기의 개략도이다.
도2b는 상보적 결합 협력자가 결합제에 고정될 때, 도2a의 나노스케일 검출기의 개략도이다.
도3a는 두 금속 전극에 접속된 단일 실리콘 나노와이어의 저 해상도 스캐닝 전자 현미경 사진이다.
도3b는 두 금속 전극에 접속된 단일 실리콘 나노와이어 장치의 고 해상도 스캐닝 전자 현미경 사진이다.
도4a는 백게이트를 갖는 나노스케일 셈서의 다른 실시예의 개략도이다.
도4b는 컨덕턴스 대 다양한 백게이트 전압을 갖는 시간을 도시한다.
도4c는 컨덕턴스 대 백게이트 전압을 도시한다.
도5a는 pH의 기능으로서 단일 실리콘 나노와이어에 대한 컨덕턴스를 도시한다.
도5b는 표면에서 아민기를 노출하도록 변성되는 단일 실리콘 나노와이어에 대한 pH 대 컨덕턴스를 도시한다.
도6은 올리고뉴클레오티드제로 변성된 표면을 갖는 실리콘 나노와이어에 대한 시간 대 컨덕턴스를 도시한다.
도7은 전형적인 단일 벽 나노튜브 검출기의 원자력 현미경 사용한 화상이다.
도8a는 공기에서 단일 벽화된 탄소 나노튜브 장치에 대한 전류-전압(I-V) 측정값을 도시한다.
도8b는 NaCl에서 도8a의 단일 벽화된 탄소 나노튜브에 대한 전류-전압(I-V) 측정값을 도시한다.
도8c는 CrClx에서 도8b의 단일 벽화된 탄소 나노튜브에 대한 전류-전압(I-V) 측정값을 도시한다.
도9a는 2부터 9까지 pH 레벨로 노출될 때 하이드록실기가 변성된 나노센서의 컨덕턴스를 도시한다.
도9b는 2부터 9까지 pH 레벨로 노출될 때 아민기가 변성된 나노센서의 컨덕턴스를 도시한다.
도9c는 pH 레벨에서 변화를 갖는 나노센서의 상대적 컨덕턴스를 도시한다.
도10a는 먼저 블랭크 완충 용액으로, 다음으로 250 nM 스트렙타비딘을 포함하는 용액으로 노출되는 바와 같이, BSA 비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도10b는 먼저 블랭크 완충 용액으로, 다음으로 25 pM 스트렙타비딘을 포함하는 용액으로 노출되는 바와 같이, BSA 비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도10c는 먼저 블랭크 완충 용액으로, 다음으로 스트렙타비딘을 포함하는 용액으로 노출되는 바와 같이, 베어 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도10d는 완충 용액으로, 다음으로 d-비오틴 스트렙타비딘을 포함하는 용액으로 노출되는 바와 같이, BSA 비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도10e는 블랭크 완충 용액으로, 다음으로 스트렙타비딘을 포함하는 용액으로, 다시 블랭크 완충 용액으로 노출된 비오틴으로 변성된 나노센서의 컨덕턴스를 도시한다.
도10f는 완충 용액 및 스트렙타비딘을 포함하는 용액으로 선택적으로 노출되는 바와 같이, 베어 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도11a는 먼저 완충 용액으로, 다음으로 안티비오틴을 포함하는 용액으로 노출되는 바와 같이, BSA-비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도11b는 완충 용액 및 다음으로 안티비오틴을 포함하는 용액과 접촉하는 동안베어 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도11c는 완충, 다른 IgG형 항체, 다음으로 안티비오틴에 노출되는 동안 BSA-비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도12a는 블랭크 완충 용액 및 1 mM Cu(Ⅱ)를 포함하는 용액으로 선택적으로 노출될 때, SiNW으로 변성된 아민의 컨덕턴스를 도시한다.
도12b는 0.1 mM 내지 1 mM까지 Cu(Ⅱ)의 농도로 노출된 SiNW으로 변성된 아민의 컨덕턴스를 도시한다.
도12c는 Cu(Ⅱ)의 농도 대 컨덕턴스를 도시한다.
도12d는 먼저 블랭크 완충 용액에, 다음으로 1 mM Cu(Ⅱ)-EDTA에 노출될 때 변성되지 않은 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도12e는 먼저 블랭크 완충 용액에, 다음으로 1 mM Cu(Ⅱ)-EDTA에 노출될 때 아민-변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다.
도13a는 완충 용액에, 다음으로 칼슘이온을 포함하는 용액으로 노출되는 단백질 변성된 실리콘 나노와이어의 컨덕턴스를 도시한다.
도13b는 완충 용액에, 다음으로 칼슘이온을 포함하는 용액으로 노출되는 베어 실리콘 나노와이어의 컨덕턴스를 도시한다.
도14a는 도핑 농도 및 나노와이어 직경과 비교하여 5 농도까지 검출하기 위한 민감성의 계산을 도시한다.
도14b는 단일 전하를 검출하기 위한 나노와이어 직경과 비교된 초기 도핑 밀도의 계산을 도시한다.
도15a는 InP 나노와이어의 개략도이다.
도15b는 pH가 변화함에 따른 시간 동안 도15a의 나노와이어의 발광에서 변화를 도시한다.
도16a는 나노와이어 센서, 특히 화학 또는 리간드-게이티 전계 효과 트랜지스터(FET)의 일 실시예를 도시한다.
도16b는 도16a의 나노와이어의 다른 도면을 도시한다.
도16c는 표면에서 일부분을 갖는 도16a의 나노와이어를 도시한다.
도16d는 소모 영역을 갖는 도16c의 나노와이어를 도시한다.
본 발명은 일련의 나노스케일 장치 및 이와 동일하게 사용되는 방법을 제공한다.
일 태양에서, 본 발명은 나노스케일 장치를 제공한다. 장치는 샘플 노출 영역 및 나노와이어에 의해 형성되고, 나노와이어의 적어도 일부는 샘플 노출 구역에서 샘플에 의해 어드레스 가능하다. 일 실시예에서, 장치는 나노와이어와 관련된 특성을 판단할 수 있도록 검출기를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 장치는 샘플 노출 영역 및 나노와이어를 포함하는 샘플 카세트이다. 나노와이어의 적어도 일부분은 샘플 노출 구역에서 샘플에 의해 어드레스 가능하고, 샘플 카세트는 나노와이어로 합체된 특성을 판단할 수 있는 검출기로 효과적으로 접속될 수 있다.
다른 실시예에서, 장치는 적어도 하나의 나노와이어의 특성으로 변화를 측정하기 위한 적어도 하나의 나노와이어 및 수단을 포함하는 센서이다.
다른 실시예에서, 장치는 벌크 나노와이어의 중심 영역 및 기능적 부분의 외부 영역을 포함하는 기능적 나노와이어를 포함한다.
본 발명의 다른 태양은 나노와이어가 어날라이트(analyte)를 포함이 예상되는 샘플과 접촉될 때 나노와이어의 특성 변화를 판단하는 방법을 제공한다.
다른 방법은 나노와이어가 약 10 마이크로리터보다 적은 양을 갖는 샘플과 접촉될 때 나노와이어와 합체된 특성에서 변화 측정을 포함한다.
다른 방법은 어날라이트를 포함이 예상되는 샘플에서 어날라이트의 존재 또는 양의 판단을 포함한다. 나노와이어의 특성에서 변화는 나노와이어와 접촉하게하고 샘플은 측정된다.
어날라이트를 검출하기 위한 다른 방법은 샘플을 갖는 나노와이어와 접촉 및 나노와이어와 합체된 특성의 판단을 포함한다. 나노와이어의 특성에서 변화는 샘플에서 어날라이트의 존재 또는 양을 나타낸다.
다른 방법은 샘플을 갖는 전기 도체와 접촉하고 접촉의 결과인 도체의 특성에서 변화를 측정함으로써 샘플에서 어날라이트의 존재 또는 양의 판단을 포함한다. 10 분자량 보다 적은 어날라이트는 특성에서 변화에 기여한다.
본 발명의 다른 태양은 나노와이어 센서, 단일 해석기, 단일 피드백 구성요소 및 간섭 이동 구성요소를 포함하는 일체형 다기능 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 태양은 반도체 나노와이어를 포함하는 나노와이어 센서 장치 및 선택된 부분에 대해 특이성을 갖는 결합 협력자를 포함한다. 나노와이어는 또한 소스 전극을 형성하도록 도체와 전기 접촉하는 제1 단부 및 드레인 전극을 형성하도록 도체와 접촉하는 제2 단부를 갖는다.
본 발명의 다른 태양은 소정의 전류-전압 특성을 갖는 어날라이트-게이티 전계 효과 트랜지스터를 포함하고 화학적 또는 생물적 센서로서 사용하기 위해 적용된다. 전계 효과 트랜지스터는 제1 절연 재료, 소스 전극, 드레인 전극 및 소스와 드레인 전극 사이에 배치된 반도체 나노와이어로 형성된 기판과 나노와이어의 표면상에 배치된 어날라이트-특이성 마인딩(minding) 파트너를 포함한다. 대상 어날라이트 및 결합 협력자 사이의 결합 이벤트 발생은 전계 효과 트랜지스터의 전류-전압 특성에서 검출가능한 변화를 야기한다. 본 발명의 다른 태양은 적어도 100 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스트의 어레이를 제공한다.
본 발명의 다른 장점, 신규한 특징 및 목적들은, 개략적이며 범위 내에 제한되지 않는 첨부한 도면과 결합하여 고려될 때, 본 발명의 실시예에 제한되지 않는 다음의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 도면에서, 다양한 도면으로 도시된 동일하거나 거의 동일한 각각의 구성요소는 하나의 도면 부호로 표현된다. 본 발명을 명확히 하기 위해서, 모든 구성요소를 모든 도면에서 나타내지 않고, 이 기술분야의 당업자가 본 발명을 이해하는데 필수적이지 않은 본 발명의 모든 실시예의 모든 구성요소도 도시하지 않았다.
본 발명은 나노와이어를 포함하는 일련의 기술 및 장치를 제공한다. 본 발명의 일 태양은 기능화된 나노와이어를 제공한다. 나노와이어에 대한 이용이 많이 개발되어져 왔지만, 상이하고 더욱 중요한 이용은 나노와이어가 그 표면에서 기능화 되거나 그 표면에 인접될 때, 본 발명에 의해 용이하다. 하나의 특정한 경우에, 균일하게 또는 불균일하게, (예를 들어, 반응 엔티티과 함께) 기능화는 분자 존재 등, 다양한 존재와 함께 기능화 된 나노와이어의 상호작용을 허용하고, 상호작용은 나노스케일 센서 장치용 기구를 제공하는 기능화 된 나노와이어의 특성에서 변화를 야기한다. 본 발명의 다른 태양은 나노와이어 또는 기능화 된 나노와이어를 포함하는 센서이다. 본 발명의 다른 태양은 이하에서 더욱 상세히 기술된다.
여기 사용된 바와 같이, "나노와이어"는 길이에 따른 임의의 지점에서 연장된 나노스케일 반도체이며, 적어도 하나의 단면 치수를 갖고, 임의의 경우에, 두 직각 교차 치수가 500 나노미터보다 적고, 양호하게는 200 나노미터보다 적고, 더욱 양호하게는 150 나노미터보다 적고, 더욱 양호하게는 70 나노미터보다 적고, 더욱 양호하게는 50 나노미터보다 적고, 더욱 양호하게는 20 나노미터보다 적고, 더욱 양호하게는 10 나노미터보다 적고, 더욱 양호하게는 50 나노미터보다 적다. 다른 실시예에서, 단면 치수는 2 나노미터 또는 1 나노미터보다 적을 수 있다. 실시예의 일 세트에서, 나노와이어는 0.5 나노미터부터 200 나노미터까지의 범위에서 적어도 하나의 단면 치수를 갖는다. 나노와이어가 핵 및 외부 영역을 갖도록 설명될 때, 상기 치수는 핵에 관한 것이다. 연장된 반도체의 단면은 원형, 정사각형, 직사각형, 타원형 및 관형에 제한되지 않지만, 이를 포함하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 규칙 및 불규칙한 형상도 포함된다. 본 발명의 나노와이어가 형성될 수 있는 재료의 예에 제한되지 않은 리스트는 이하에 나타난다. 나노튜브는 본 발명에서 이용법을 발견한 한 종류의 나노와이어이며, 일 실시예에서, 본 발명의 장치는 나노튜브를 갖는 같은 크기의 와이어를 포함한다. 여기에서 사용된 바와 같이, "나노튜브"는 움푹 파여진 핵을 갖는 나노와이어이고, 이 기술 분야의 당업자에게 알려진 나노와이어를 포함한다. "비-나노튜브 나노아이어"는 나노튜브가 아닌 임의의 나노와이어이다. 본 발명의 실시예의 일 세트에서, (이것이 위치된 환경의 나노뉴브에서 고유하지 않은 보조 반응 엔티티을 포함하지 않는) 수정되지 않은 표면을 갖는 비-나노튜브 나노와이어는 나노와이어 또는 나노튜브가 사용될 수 있을 때 여기서 기술된 본 발명의 임의의 장치로 이용된다. "와이어"는 적어도 반도체 또는 금속만큼의 전도성을 갖는 임의의 재료를 의미한다. 예를 들어, "전기 전도성" 또는 "전도체"라는 용어가, "전도성" 와이어 또는 나노와이어와 관련해 사용될 때, 전하가 그 자체를 통과하기 위한 와이어의 능력을 의미한다. 양호하게 전기전도성 재료는 대략 10-3이하, 더욱 양호하게는 10-4이하, 가장 양호하게는 10-6또는 10-7옴미터 이하의 저항을 갖는다.
본 발명은 나노와이어(들)가 노출된 샘플에서 어날라이트(analyte)를 판단하기 위해 구성되고 배열된 시스템의 일부를 양호하게 형성하는 하나의 나노와이어 또는 나노와이어들을 포함한다. 문단에서, "판단"은 샘플에서 어날라이트의 양 및/또는 존재를 판단하는 것을 의미한다. 어날라이트의 존재는 나노와이어에서 특성, 전형적으로 전기 특성 또는 광학 특성에서 변화를 판단함으로써 판단될 수 있다. 예를 들어, 어날라이트는 나노와이어 또는 광학 특성의 전기 전도성에서 검출가능한 변화를 야기한다. 일 실시예에서, 나노와이어는 어날라이트를 판단하기 위한 고유의 능력을 포함한다. 나노와이어는 기능화될 수 있으며, 즉 어날라이트가 결합하고 나노와이어에 측정가능한 특성 변화를 유도하도록 기능적 부분을 포함한다. 결합 이벤트는 특이성 또는 비특이성일 수 있다. 기능적 부분은 -OH, -CHO, -COOH, -SO3H, -CN, -NH2, -SH, -COSH, COOR, 활로겐화물에 제한되지 않지만, 이를 포함하는 그룹으로부터 선택된 단순한 그룹; 아미노산, 단백질, 당, DNA, 항체, 항원 및 효소에 제한되지 않지만 이를 포함하는 생체 고분자물; 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아크릴에 제한되지 않지만, 이를 포함하는 중합체 그룹으로부터 선택된 나노와이어 핵의 직경보다 적은 사슬 길이를 갖는 합체된 중합체 사슬; 금속 요소, 산화물, 황화물, 질화물, 셀레나이드, 중합체 및 중합체 겔이 될 수 있는 금속, 반도체 및 절연체의 금속 그룹에 제한되지 않지만 이를 포함하는 나노와이어 핵의 표면을 피복하는 얇은 코팅을 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 어날라이트가 나노와이어의 특성에서 변화를 판단함으로써 판단될 수 있는 것처럼 나노와이어와 관련하여 위치된, 어날라이트와 상호작용하는 반응 엔티티 및 나노와이어를 포함한다.
"반응 엔티티"이라는 용어는 나노와이어의 특성에서 검출가능한 변화를 야기하기 위한 방법 등 어날라이트와 상호작용할 수 있는 임의의 물질을 의미한다. 반응 엔티티은 나노와이어 및 어날라이트 사이의 반응을 강화할 수 있거나, 나노와이어에 대해 높은 친화력을 갖는 새로운 화학적 종을 발생하거나, 나노와이어 주변에 어날라이트를 강화할 수 있다. 반응 엔티티은 어날라이트를 결합하도록 결합 협력자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 엔티티은 핵산, 항체, 당, 탄수화물 또는 단백질이 될 수 있다. 이와 달리, 반응 엔티티은 중합체, 촉매 또는 양자점이 될 수 있다. 촉매인 반응 엔티티은 나노와이어에서 검출가능한 변화를 야기하는 제품을 발생하고, 즉 나노와이어와 전기적으로 결합된 제품의 임의적 결합 협력자로 결합에 의한 어날라이트를 포함하는 반응을 촉진시킬 수 있다. 다른 예의 반응 엔티티은 나노와이어에서 검출가능한 변화를 야기할 수 있는 제품을 생산하는, 어날라이트와 반응하는 반응 엔티티이다. 반응 엔티티은 나노와이어 상의 코팅, 즉 나노와이어에서 검출가능한 변화를 차례로 야기하는 중합체의 전도체에서 변화를 야기하는 분자, 예를 들어 기체 샘플을 인식하는 중합체의 코팅을 포함할 수 있다.
"양자점"이라는 용어는 이 기술 분야에서 당업자에게 알려져 있고, 일반적으로 도트의 크기에 의존하여 상이한 색상에서 빛을 흡수하고 재빨리 재방출하는 반도체 또는 금속 나노입자를 의미한다. 예를 들어, 5 나노미터 양자점이 붉은색 빛을 방출하는 동안, 2 나노미터 양자점은 초록색 빛을 방출한다. 카드뮴 셀레나이드 양자점 나노촉매는 캘리포니아, 헤이워드의 퀀텀 도트(Quantum Dot)사로부터 입수가능하다.
"결합 협력자"라는 용어는 특이성 어날라이트와 함께 결합을 경험할 수 있는 분자 또는 그 "결합 협력자"는 이 기술 분야에서 당업자에게 알려진 특이성, 반특이성, 비특이성 결합 협력자를 포함한다. 예를 들어, 단백질 A는 대개 "비특이성" 또는 반특이성 바인더로 여겨진다. 결합 협력자(예를 들어, 단백질, 핵산, 항체 등)를 참조할 때, "특이성 바인드"라는 용어는 불균일 분자(예를 들어, 단백질 및 다른 생물 체제)의 혼합물에서 바안딩 쌍의 하나 또는 다른 멤버의 존재 및/또는 동일성을 판단하는 반응을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 수용체/리간드 결합 쌍의 경우에, 리간드는 분자의 복합 혼합물 또는 그 반대로부터 수용체를 명확하게 및/또는 우선적으로 선택한다. 효소는 특히 기판에 결합하고, 핵산은 특히 그 상보물에 결합하고, 항체는 특히 항원에 결합한다. 다른 실시예는 그 상보물에 특히 결합하는(잡종이 되는)핵산 및 항원 등과 특히 결합하는 항체를 포함한다.
결합은 이온 상호작용 및/또는 전자쌍 공유 상호작용 및/또는 하이드로포빅 상호작용 및/또는 반데르 발스 상호작용 등에 제한되지 않지만, 이를 포함하는 다양한 메카니즘 중의 하나 또는 그 이상일 수 있다.
"유체"라는 용어는 용기의 윤곽을 유동하고 일치하는 물질로서 정의된다. 전형적으로 유체는 정지 절단력을 철회할 수 없는 재료이다. 절단력이 유체에 가해질 때, 이것은 연속적이고 영구적인 변형을 경험한다. 전형적 유체는 액체 및 기체를 포함하지만, 자유 유동 고체 입자도 포함할 수 있다.
"샘플"이라는 용어는 임의의 세포, 조직, 또는 생물적 소스("생물학적 샘플")으로부터 유체 또는 세럼 또는 물 등을 포함하는, 본 발명에 따라 평가된 생물학적 또는 비생물학적 임의의 다른 매체를 의미한다. 샘플은 생물로부터 도출된 생물학적 샘플(예를 들어, 인간, 인간이 아닌 동물, 무척추 동물, 식물, 진균류, 조류, 박테리아 및 바이러스 등)에 제한되지 않지만, 인간 소비에 대해 설계된 식량로부터 도출된 샘플, 가축 식량, 우유, 장기 기증 샘플 등 동물 소비에 대해 설계된 식량을 포함하는 샘플, 혈액 공급에 대해 설계된 혈액의 샘플, 물 공급 등으로부터의 샘플을 포함한다. 샘플의 일 실시예는 특정 핵산 결과물의 존재 또는 부재를 판단하도록 인간 또는 동물로부터 도출된 샘플이다.
"함유가 예상되는 샘플"은 특정 구성요소가 공지되지 않은 구성요소의 함유물과 관련한 샘플을 의미한다. 예를 들어, 질병을 갖는다고 공지되지는 않았지만, 퇴행성 질병 또는 비퇴행성 질병 등, 질병을 갖는다고 예상되는 인간으로부터 유체 샘플은 퇴행성 질병의 포함이 예상되는 샘플을 의미한다. 문단에서 "샘플"은 인간 또는 다른 동물로부터 생리학적 샘플 등 자연 발생 샘플 및 가축에게 공급되는 식량 등으로부터의 샘플을 포함한다. 인간 또는 동물로부터 취득된 전형적인 샘플은 조직 생체검사, 세포, 전혈(whole blood), 세럼 또는 다른 피 조각, 소변, 시각적 분비룰, 타액, 중추신경 분비물, 분비물, 또는 편도선, 림프 마디, 바늘 생체실험으로부터의 다른 샘플을 포함한다.
반응 엔티티 등 나노와이어 및 어날라이트 또는 다른 일부분을 참조하여 이용될 때, "전기적으로 결합된"이라는 용어는 전자가 하나에서 다른 것까지 이동할 수 있는, 또는 하나의 전기적 특성에서의 변화가 다른 것에 의해 판단될 수 있는 어날라이트, 다른 부분 및 나노와이어 사이의 관계를 의미한다. 이것은 물질들 사이를 유동하는 전자, 또는 나노와이어에 의해 판단될 수 있는 대전, 산화 등의 상태에서 변화를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기적 결합은 어날라이트 또는 다른 일부분 및 나노와이어 사이의 직접 공유 결합, (예를 들어, 링커에 의한) 간접 공유 결합, 어날라이트(또는 다른 부분) 및 나노와이어 또는 다른 결합(예를 들어, 하이드로포빅 결합) 사이의 직접 또는 간접 이온 결합을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 실제 결합이 필요로 될 수 없고 어날라이트 또는 다른 일부분은 나노와이어 표면과 단지 접촉될 수 있다. 어날라이트와 나노와이어 사이에 전자 터널링을 허용하도록 나노와이어가 어날라이트와 충분히 가까울 때 나노와이어 및 어날라이트 또는 다른 부분 사이의 임의의 접촉이 반드시 필수적이지는 않다.
여기서 상호 교환가능하게 사용된 "폴리펩티드", "펩티드" 및 "단백질"이라는 용어는 아미노산 잔기의 중합체를 의미한다. 이 용어는 하나 이상의 아미노산 잔기가 대응하는 자연 발생 아미노산뿐만 아니라, 자연 발생 아미노산 중합체의 인공 화학 아날로그일 때 아미노산 중합체에 적용한다. 이 용어는 또한 폴리펩티드를 구성하는 아미노산과 결합하는 전통적 펩티드 결합 상의 변형을 포함한다.
"핵산" 또는 "오리고뉴클레오티드" 또는 여기서 문법적으로 동일한 용어는 적어도 두 개의 핵산이 서로 공유 결합됨을 의미한다. 본 발명의 핵산은 양호하게는 단일 꼬임 또는 이중 꼬임이고, 비록 일부 경우에 이하의 윤곽과 같이, 핵산 아날로그가 예를 들어, 포스포라마이드(phosphoramide)(베오케이지 등(1993) 테트라헤드론 49(10):1925) 및 그 참조; 레친거(1970) 제이. 오르그. 켐.(Chem.) 35:3800; 스프린즐 등(1977) 유어. 제이. 바이오켐.(Biochem.) 81;579; 레친거 등(1986) 뉴클. 애시드 레. 14;3487; 사와이 등(1984) 켐. 레트. 805, 레친거 등(1988) 제이. 암. 켐. 소크. 110;4470; 및 파우웰 등(1986) 케미카 스크립타 26;1419), 포스포로티오에이트(phosphorothioate)(마그 등(1991) 핵산 레스.(Res.) 19;1437; 및 미국 특허 제5,644,048호), 포스포로디티오에이트 (phosphorodithioate) (브리우 등(1989) 제이. 암. 켐. 소크. 111;2324, 0-메틸포포로아미다이트 결합(O-methylphosphoroamidite linkages)(오스포드 대학 출판부, 실용적 접근; 에크스테인 올리고뉴클레오티드 및 아날로그 참조) 및 펩티드 핵산 백본(backbone) 및 결합(에그홀름(1992) 제이. 암. 켐. 소크. 114:1895; 메이에르 등(1992) 켐. 인트. 에드.엔글. 31:1008; 니엘슨(1993) 네이쳐 365:556; 칼슨 등(1996) 네이쳐 380:207)을 포함하는, 선택적 백본을 가지질 수 있게 포함된다. 다른 아날로그 핵산은 양의 백본(덴시 등(1995) 프록. 나틀. 아카드. 에스시. 미국 92: 6097; 비이온 백본(미국 특허 제5,386,023호, 제5,637,684호, 제5,602,240호, 제5,216,141호 및 제4,469,863호; 앤규(1991) 켐. 인틀. 에드. 영국 30:423; 레친거 등(1988) 제이. 암. 켐. 소크. 110:4470; 레친거 등(1994) 뉴클레오사이드 & 뉴클레오티드 13:1597; 에드. 와이. 에스. 산후이 및 피. 단 쿡의 "안티센스 연구에서 탄수화물 변형"의 ASC 심포지움 시리즈 580의 2 및 3장; 메스막커 등(1994) 바이오오르가닉 & 메디신널 켐. 레트. 4:395; 제프 등(1994) 제이. 바이오몰 NMR 34;17; 테트라헤드론 레트. 37:743(1996)) 및 미국 특허 제5,235,033호 및 제5,034,506호 및 에드. 와이. 에스. 산후이와 피. 단 쿡의 안티센스 연구에서 탄수화물 변형의 ASC 심포지움 시리즈 580의 6 및 7장에서 기술된 것을 포함하는 비-리보스 백본을 갖는 것을 포함한다. 하나 이상의 카보사이클릭 슈가(carbocyclic sugars)를 포함하는 핵산은 또한 핵산(젠킨 등(1995) 켐. 소크. 레브. 페이지 169-176 참조)의 정의 내에 포함될 수 있다. 몇 개의 핵산 아날로그는 1997년 6월 2일 C&E 뉴스 35페이지, 라울에서 기재되어 있다. 리보스-포스페이트 백본의 변형은 라벨 등 추가 부분의 추가물을 촉진하도록, 또는 생체 환경에서 이러한 분자의 안정성 및 절반의 수명을 증가하도록 될 수 있다.
여기서 이용된 바와 같이, "항체"는 면역 항체 글로불린 또는 면역 항체 글로불린 유전자의 파편에 의해 실질적으로 암호화된 하나 이상의 폴리펩티드를 구성하는 단백질 또는 당단백을 의미한다. 인지된 면역 항체 글로불린 유전자는 무수한 면역 항체 글로불린 가변 영역 유전자뿐만 아니라, 카파, 람다, 알파, 감마, 델타, 입실론 및 뮤 일정 영역 유전자를 포함한다. 경량 사슬은 카파 또는 람다 중 하나로 정의된다. 중량 사슬은 IgG, IgM, IgA, IgD 및 IgE 차례로 면역 글로불린 항체 분류를 정의하는 각각, 감마, 뮤, 알파, 델타 또는 입실론으로 정의된다. 전형적 면역 글로불린 항체(항체) 구조적 단위는 테트라머를 포함하도록 알려져 있다. 각각이 테트라머는 하나는 "경량"(약 25kD) 및 하나는 "중량" 사슬(약 50-70kD)을 갖는 각각의 폴리펩티드 사슬의 두 개의 동일한 쌍으로 구성된다. 각각의사슬의 N-단부는 최초로 항원 인지의 책임을 맡은 100 내지 110 또는 그 이상의 아미노산의 가변 영역을 정의한다. 가변 경량 사슬(VL) 및 가변 중량 사슬(VH)이라는 용어는 각각 가볍고, 중량 사슬을 의미한다.
항체는 다양한 펩티다아제를 갖는 소화에 의해 생성된 다수의 특성 있는 파편으로 또는 접촉 면역 항체 글로불린으로 존재한다. 따라서, 예를 들어, 펩신은 이황화물 결합에 의해 VH-CH1로 결합된 경량 사슬인 Fab의 2분자사슬, F(ab)'2를 생성하도록 힌지 영역에서 2황화물 결합 아래의(즉, Fc 도메인으로 향하는) 항체를 소화한다. F(ab)'2 는 힌지 영역에서 2황화물이 끊어지기 위한 느슨한 상태아래에서 감소될 수 있다. Fab' 모노머는 (다른 항체 조각의 더욱 상세한 설명에 대한 엔. 와이., 라벤 출판사에서 폴(1993)에 의한 기초 면역학 참조) 힌지 영역의 일부분을 갖는 필수적인 Fab이다. 다양한 항체 조각이 접촉 항체의 소화에 관하여 정의되는 동안, 기술 중 하나는 파편이 화학적으로 재조합형 DNA 방법론을 이용함으로써, 또는 "파지 디스플레이" 방법(바우간 등(1996)에 의한 자연 생물 공학, 14(3) 및 PCT/US96/10287 참조)에 의해 새로이 합성될 수 있음이 이해될 것이다. 양호한 항체는 단일 사슬 항체, 즉 가변 중량 및 가변 경량 항체가 연속적 폴리펩티드를 형성하도록 함께 (직접 또는 펩티드 결합을 통해) 결합되는 단일 사슬 Fv(scFv) 항체를 포함한다.
본 발명의 일 태양은 전자 감지 요소가 될 수 있는 감지 요소 및 어날라이트의 포함이 예상되거나 포함하는 샘플(예를 들어, 유체 샘플)에서 어날라이트의 존재 또는 부재를 검출할 수 있는 나노와이어를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 나노스케일 센서는 pH 또는 금속 이온의 존재를 검출하기 위한 화학적 출원; 단백질, 핵산(예를 들어, DNA, RNA 등), 당 또는 탄수화물 및/또는 금속 이온을 검출하기 위한 생물학적 출원; 및 pH, 금속 이온 또는 인터레스트(interest)의 다른 어날라이트를 검출하기 위한 환경적 용도로 이용될 수 있다. 본 발명의 다른 태양은 나노와이어의 전기적 특성에서 변화를 판단하도록 구조되고 배열된 검출기 및 나노와이어를 포함하는 제품을 제공한다. 나노와이어의 적어도 일부는 어날라이트의 포함이 예상되거나 포함하는 샘플에 의해 어드레스 가능하다. "유체에 의해 어드레스 가능한"이라는 구절은 유체에 존재한다고 예상되는 어날라이트가 나노와이어와 접촉할 수 있기 위해 나노와이어에 대해 위치되도록 유체의 능력으로 정의된다. 유체는 나노와이어와 접촉 또는 인접될 수 있다.
여기서 기술된 도시되어진 실시예 전부에서, 임의의 나노와이어는 탄소 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 유기 및 무기 전도성과 반도체 중합체 등을 포함한다. 분자 와이어가 될 수 없지만, 다양한 작은 나노스코픽-스케일 치수인 다른 전도성 또는 반도체 요소는 일부 경우, 예를 들어, 주요 그룹과 금속 원자계 와이어형 실리콘, 변이 금속-포함 와이어, 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 인듐 인화물, 게르마늄, 카드뮴 셀레나이드 구조 등 무생물 구조에서 또한 이용될 수 있다. 나노와이어의 많은 다양성은 부적절한 실험 없이, 나노와이어를 포함하여 여기서 기재된 기술과 유사한 방식으로 전자 장치에 유용한 패턴으로 표면에 결합 및/또는 적용될 수 있다. 나노와이어는 길이가 적어도 1 미크론, 양호하게는 적어도 3 미크론, 더욱 양호하게는 5 미크론, 더욱 양호하게는 적어도 10 또는 20 미크론, 두께(높이 및 폭)가 양호하게는 100 나노미터 이하, 더욱 양호하게는 75 나노미터 이하, 더욱 양호하게는 약 50 나노미터이하, 더욱 양호하게는 약 25 나노미터 이하로 형성될 수 있다. 와이어는 적어도 약 2:1, 양호하게는 약 10:1보다 큰, 더욱 양호하게는 약 1000:1보다 큰 영상비(두께에 대한 길이)를 갖는다. 본 발명의 장치에서 사용하기 위한 양호한 나노와이어는 나노튜브 또는 나노와이어 중 하나가 될 수 있다. 나노튜브(즉, 탄소 나노튜브)는 공동형이다. 나노와이어(즉, 실리콘 나노와이어)는 고체이다.
나노뉴브가 선별되는지, 나노와이어가 선별되는지 간에, 본 발명에서 사용되는 나노와이어 및 다른 도체 또는 반도체의 선택에 대한 크리테리아가 기초가 되고, 일부 경우에, 주로 나노와이어 자체가 어날라이트와 상호접촉할 수 있는지에 따라, 또는 적절한 반응 엔티티, 즉 결합 파트너가 나노와이어의 표면에 쉽게 부착될 수 있는지, 또는 적절한 반응 엔티티, 즉 결합 파트너가 나노와이어의 표면 근처에 있는지에 달려 있다. 나노와이어를 포함하는 적절한 도체 또는 반도체의 선택은 본 기재에 의해 이 기술분야의 당업자에 의해 명백하고 쉽게 재생될 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 나노튜브는 유일 전자 및 극소 전자공학에 특히 적합한 화학적 특성을 나타내는 단일 벽의 나노튜브(SWNTs)를 포함한다. 구조적으로, SWNTs는 약 0.5 nm 내지 약 5nm의 치수의 직경으로 솔기가 없는 튜브로 회전된 단일 그래핀 시트로 형성된다. 직경 및 헬리시티 상에 의존하여, SWNTs는 하나의 치수 금속 또는 반도체로 작동할 수 있고 금속 및 반도체 나노튜브의 혼합물로써현재 이용가능할 수 있다. SWNTs를 포함하여, 나노튜브의 제조 방법 및 특징은 공지되어 있다. 나노튜브의 단부 및/또는 측면 상의 선택적 기능화의 방법은 또한 공지되어 있고, 본 발명은 극소 전자공학에 대한 이러한 능력을 이용할 수 있다. 나노튜브의 기본 구조적/전기적 특징은 접속 또는 입력/출력 신호를 생성하도록 될 수 있고, 나노튜브는 분자 크기 구조와 조화를 이운 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 양호한 나노와이어는 개별 나노와이어이다. 여기서 이용된 "개별 나노와이어"는 다른 나노와이어와 접촉하지 않는(그러나 크로스 바 어레이에서 개개의 나노와이어 사이에서 요구될 수 있는 타입의 접촉부를 제외하지 않는) 나노와이어를 의미한다. 예를 들어, 전형적인 개별 나노와이어는 약 0.5 nm 만큼 적은 두께를 가질 수 있다. 이는 고질의 재료이지만, 약 2 내지 약 5 나노미터 또는 그 이상의 직경을 갖고 많은 개별 나노와이어를 포함하는 로프로 형성된 재료를 생산하는 레이저 증발 기술에 의해 최초로 생산된 나노와이어와 대조적이다(본 명세서에서 참조된, 사이언스 273, 483-486(1996)의 테스 등에 의한 "금속 탄소 나노튜브의 촉매 로프" 참조). 나노와이어 로프가 본 발명에서 이용될 수 있는 동안, 개별 나노와이어는 양호하다.
본 발명은 극소 전자공학에 대해 나노튜브 등 고질의 개별 나노와이어를 합성하기 위해 금속 결정된 CVD를 이용할 수 있다. 표면상에 직접 개별 와이어를 준비하도록 요구된 CVD 합성 절차 및 대량 형태는 공지되어 있고, 이 기술 분야의 당업자에 의해 쉽게 수행될 수 있다. 예를 들어, 콩 등에 의해 네이쳐 395호 878-881(1998)의 "패턴화된 실리콘 웨이퍼 상의 개별 단일 벽 탄소 나노튜브의 합성";콩 등에 의해, 케미컬. 피직스. 레트. 292, 567-574(1998)의 "단일 벽 탄소 나노튜브에 대한 메탄의 화학적 수증기 침전" 둘 다 본 명세서에서 참고한다. 예를 들어, 모라레스 등에 의해 사이언스 279, 208-211(1998)의 "결정 반도체 나노와이어의 합성에 대한 레이저 제거 방법"은 본 명세서에서 참고된다.
이와 달리, 나노와이어는 필요에 따라 n형 또는 p형 반도체를 생성하도록 적절한 불순물로 도핑된 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘은 붕소, 알루미늄, 인 또는 비소로 도핑될 수 있다. 레이저 촉매 성장은 실리콘 나노와이어의 증기 상 성장 동안 불순물이 제어가능하게 유도되어질 수 있다.
나노와이어의 제어된 도핑은 예를 들어 n형 또는 p형 반도체를 형성하도록 수행될 수 있다. 다양한 실시예에서, 본 발명은 인듐 인화물, 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 카드뮴 셀레나이드 및 아연 셀레나이드로부터 선택된 반도체의 제어된 도핑을 포함한다. 아연, 카드뮴 또는 마그네슘에 제한되지 않지만, 이를 포함하는 불순물은 실시예의 이러한 세트에서 p형 반도체를 형성할 수 있고, 텔루르, 황, 셀레늄 또는 게르마늄에 제한되지 않지만 이를 포함하는 불순물은 이러한 재료로부터 n형 반도체를 형성하도록 불순물로써 이용될 수 있다. 이러한 재료는 직접 밴드 결함 반도체 재료를 형성하고 도핑된 실리콘은 이 기술 분야에서 당업자에게 잘 알려져 있다. 본 발명은 다양하게 사용되기 위한 임의의 도핑된 실리콘 또는 직접 밴드 결함 반도체 재료의 사용을 계획한다.
나노와이어 성장, 배치, 도핑 및 SiNWs(긴 나노스케일 반도체)의 실시예는 레이저 조력 촉매 성장(LCG)을 이용하여 합성될 수 있다. 도2 및 도3에서 도시된바와 같이, 소정의 재료(즉, InP) 및 촉매 재료(즉, Au)로 구성된 상보적 목표의 레이저 증발은 버퍼 가스로 충돌을 통해 액체 나노크러스터로 재빨리 농축한 고온, 밀도 수증기를 생성한다. 액체 나노크러스터가 소정의 상으로 과포화될 때 성장은 시작하고 반응 엔티티이 이용가능한 만큼 길게 연속한다. 나노와이어가 고온 반응 지역밖으로 통과할 때 또는 온도가 떨어질 때 성장이 종결한다. Au은 일반적으로 긴 나노스케일 반도체의 넓은 범위를 증가하기 위한 촉매로 이용된다. 그러나, 촉매는 단지 Au에만 제한되지 않는다. (Ag, Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co...)등 재료의 넓은 범위는 촉매로써 이용될 수 있다. 일반적으로, 임의의 금속은 소정의 반도체 재료를 갖는 합금을 형성할 수 있지만, 촉매로써 이용될 수 있는 소정의 반도체의 요소를 갖는 더욱 안정한 합성물을 형성할 수는 없다. 버퍼 가스는 Ar, N2 및 다른 활성 가스가 될 수 있다. 때때로, H2 및 버퍼 가스의 혼합물은 잔여 산소에 의해 바람직하지 않은 산화를 피하게 된다. 반응 가스는 또한 바람직할 때(즉, GaN에 대한 암모니아) 유도될 수 있다. 이러한 공정의 중요한 점은 결과적으로 크기를 한정하고 결정 나노와이어의 성장 방향을 제시하는 액체 나노크러스터를 발생하는 레이저 제거이다. 최종 나노와이어의 직경은 성장 환경(즉, 배경 압력, 온도, 유동률...)을 제어함으로써 차례로 변화될 수 있는 촉매 크러스터의 크기에 의해 판단된다. 예를 들어, 낮은 압력은 일반적으로 더욱 적은 직경을 갖는 나노와이어를 생산한다. 게다가 직경은 동일한 직경 촉매 크러스터를 이용함으로써 될 수 있다.
LCG로써 동일한 기본 원칙으로, 만약 (나노크러스터가 얼마나 균일한지에 의존하여 10-20 % 변화보다 적은) 동일한 직경 나노크러스터가 촉매 크러스터로써 이용된다면, 동일한 크기(직경) 분포를 갖는 나노와이어는 도4에서 도시된 바와 같이 촉매 크러스터의 크기에의해 나노와이어의 직경이 판단될 때 생성될 수 있다. 성장 시간을 제어함으로써, 상이한 길이를 갖는 나노와이어는 성장될 수 있다.
LCG를 갖는, 나노와이어는 상보적 대상(즉, InP의 n형 토핑용 Ge)으로 하나 이상의 불순물을 유동함으로써 쉽게 도핑될 수 있다. 도핑 농도는 상보적 대상에서 유도된 전형적으로 0-20 %, 도핑 요소이 상대적 양을 제어함으로써 제어될 수 있다.
레이저 제거는 나노와이어의 성장을 위한 촉매 크러스터와 수증기 상 반응 엔티티 및 다른 관련된 긴 나노스케일 구조를 발생하기 위한 방법으로 이용될 수 있지만, 마모는 레이저 제거에 제한되지 않는다. 많은 방법은 나노와이어 성장(즉, 열적 증발)을 위한 수증기 상 및 촉매 크러스터를 발생하기 위해 이용될 수 있다.
나노와이어를 성장하기 위해 이용될 수 있는 다른 기술은 촉매 화학적 수증기 침전(C-CVD)이다. C-CVD는 C-CVD 방법에서의 것을 제외하고 LCG로서 동일한 기본 원칙을 이용하고, 반응 분자(즉, 시레인 및 불순물)는 (레이저 증발로부터 수증기 소스에 대응된) 수증기 상 분자로부터 형성된다.
C-CVD에서, 나노와이어는 도핑 요소를 기체 상 반응 엔티티(예컨대, p형 및 n형 도핑 나노와이어용 디보란(diborane) 및 포스판(phosphane)) 내로 주입함으로써 도핑될 수 있다. 도핑 농도는 복합물 대상 내로 주입된 도핑 요소의 상대량을제어함으로써 제어될 수 있다. 반드시 가스 반응 엔티티에서와 동일한 도핑율을 갖는 신장된 나노스케일 반도체를 얻어야 하는 것은 아니다. 그러나, 성장 조건(예컨대, 기온, 압력 등)을 제어함으로써, 동일한 도핑 농도를 갖는 나노와이어가 재생될 수 있다. 그리고, 도핑 농도는 간단히 가스 반응 엔티티의 비율을 변화시킴으로써(예컨대, 1 ppm 내지 10%) 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있다.
나노와이어와 같은 신장된 나노스케일 반도체를 성장시키는 데 사용될 수 있는 여러 가지 다른 기술들이 있다. 예컨대, 다양한 임의 재료의 나노와이어가 기체-고체 공정을 통해 기체 상으로부터 직접 성장될 수 있다. 또한, 나노와이어는 도5에 도시된 바와 같이 표면 단계의 에지 상에 증착시킴으로써, 또는 다른 형태로 패턴된 표면에 의해 생산될 수도 있다. 또한, 나노와이어는 예컨대 도6에 도시된 바와 같이 신장된 형판의 임의의 형태 내에, 또는 위에 증착되어 성장할 수 있다. 다공성 막은 다공성 실리콘, 음극 알루미나 또는 이중 블록(diblock) 공중합체 및 임의의 다른 유사한 구조물일 수 있다. 천연 섬유는 DNA 분자, 단백질 분자, 탄소 나노튜브 및 임의의 다른 신장된 구조물일 수 있다. 전술된 모든 기법들을 위해, 원재료는 기체 상 보다는 용매 상으로부터 얻어질 수 있다. 용매 상 동안에, 형판은 전술된 형판에 부가하여 계면 활성제 분자에 의해 형성된 종렬 교질 입자일 수도 있다.
전술된 하나 이상의 기법을 사용하여, 반도체 나노와이어를 포함하는 신장된 나노스케일 반도체 및 도핑된 반도체 나노와이어가 성장될 수 있다. 그러한 벌크 도핑된 반도체는 반도체와 불순물을 포함하는 재료의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 이하는 그러한 재료들의 대략의 리스트이다. 다른 재료들이 사용될 수 있다. 이러한 재료들을 포함하지만, 이들에 한정되지는 않는다.
기본 반도체:
실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 셀렌(Se), 텔루르(Te), 붕소(B), 다이아몬드, 인(P)
기본 반도체의 고체 용매:
B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn, Ge-Sn
Ⅳ-Ⅳ 그룹 반도체:
탄화실리콘(SiC)
Ⅲ-Ⅴ 반도체:
BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb. InN/InP/InAs/InSb,
Ⅲ-Ⅴ 그룹의 합금:
두 개 이상의 위의 조성(예컨대: AlGaN, GaPAs, InPAs, GaInN, AlGaInN, GaInAsP 등)의 임의의 조합
Ⅱ-Ⅵ 반도체:
ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe
Ⅱ-Ⅵ 및 Ⅲ-Ⅴ 반도체의 합금:
(예컨대, (GaAs)X(ZnS)1-X와 같은) 하나의 Ⅱ-Ⅵ 복합물과 하나의 Ⅲ-Ⅴ 복합물의 조합
Ⅳ-Ⅵ 반도체:
GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe
Ⅰ-Ⅶ 반도체:
CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI
다른 반도체 복합물:
Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2: BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2 등
Ⅰ-Ⅳ2-Ⅴ3: CuGeP3, CuSi2P3 등
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2: Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2
Ⅳ3-Ⅴ4: Si3N4, Ge3N4 등
Ⅲ2-Ⅵ3: Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 등
Ⅲ2-Ⅳ-Ⅵ: Al2CO 등
그룹Ⅳ 반도체 재료에서는, p형 불순물은 그룹Ⅲ으로부터 선택될 수 있고, n형 불순물은 그룹Ⅴ로부터 선택될 수 있다. 실리콘 반도체 재료에서는, p형 불순물은 B, Al 및 In으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있고, n형 불순물은 P, As 및 Sn으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료에서는, p형 불순물은 Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹Ⅱ, 또는 C 및 Si를 포함하는 그룹Ⅳ로부터 선택될 수 있다. n형 불순물은 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 본 발명이 이러한 불순물로 한정되지 않음이 이해될 것이다.
나노와이어는 제 위치에서 성장되거나, 성장 후에 증착된다. 조립체 또는 성장 후 표면 상의 나노와이어의 제어된 위치 설정은 전기장을 사용하여 나노와이어를 정렬시킴으로써 수행된다. 전기장은 전극들 사이에서 발생하고, 나노와이어는 (선택적으로 부유하는 유체 내의 전극들 사이의 영역 내로 유입된)전극들 사이에 위치되며, 전기장 내에 정렬되어 사이의 거리를 연결하고 각각의 전극을 접촉시키도록 이루어질 수 있다.
다른 배열에서, 각각의 접촉점은 서로 대향하는 관계로 배열되어, 서로를 향하는 지점을 형성하도록 테이퍼진다. 그러한 지점들 사이에 생성된 전기장은 사이의 거리를 연결하는 단일 나노와이어를 유인하여 각각의 전극을 접촉시킨다. 이러한 방법으로 각각의 나노와이어는 각각의 전기 접점 쌍들 사이에 용이하게 조립될 수 있다. 다중 교차점(제2 방향과 수직하거나 대체로 수직한 다중 평행 와이어에 의해 교차되는 제1 방향으로 평행한 다중 와이어)을 포함하는 교차된 와이어 배열은 바람직하게는 교차된 와이어의 대향 단부가 놓인 위치에서 제1 위치 설정 교차점(전극)에 의해 용이하게 형성될 수 있다. 전극 또는 접점은 통상적인 마이크로 구조물 기법을 통해 제작될 수 있다.
이러한 조립 기법은 유체가 나노와이어가 바람직하게 위치 설정된 위치와 정렬하는 방향으로, 그리고 부유된 나노와이어를 포함하는 유체를 지향시키는 장치를 향하도록 하는 위치 설정법으로 대신하거나 보완될 수 있다.
다른 배열은 선택적으로 나노와이어를 유인하지 않는 영역에 의해 둘러싸인 나노와이어를 선택적으로 유인하는 영역을 포함하는 표면을 형성하는 것을 포함한다. 예컨대, -NH2는 표면에 특정 패턴으로 존재할 수 있고, 패턴은 아민을 유인하는 기능을 하는 표면을 갖는 나노와이어 또는 나노튜브를 유인할 것이다. 표면은 전자 비임 패터닝과 같은 공지된 기법, 각각 인용문헌으로 본 명세서에 참조된 1996년 7월 26일에 공개된 특허 국제 제WO96/29629호 또는 1996년 4월 30일에 등록된 미국 특허 제5,512,131호와 같은 "소프트 리소그래피" 기법을 사용하여 패턴될 수 있다.
화학적으로 패턴되어 자체 조립된 단층 위에 사전 형성된 나노와이어의 조립체를 안내하는 기법은 공지되었다. 안내된 나노스케일 회로 원자력 현미경(AFM)의 조립체를 위해 SAM을 패터닝하는 일예는 SAM이 제거되는 곳에서 고해상도로 SAM에 패턴을 그리는데 사용된다. 예컨대, 패턴은 나노스코픽 교차 어레이를 만드는 실시예에서 선형인 라인의 평행 어레이 또는 교차 어레이의 선형일 수 있다. 다른 기법에서, 마이크로컨텍트 인쇄는 패턴된 SAM을 기판에 적용하는 데 사용될 수 있다. 다음에, 패턴된 표면 내의 개방 영역(선형 SAM 사이의 SAM이 없는 선형 영역)은 나노튜브와 같은 나노와이어를 갖고 매우 특정한 방법으로 상호 작용하는 아미노 처리된 SAM으로 충전된다. 결론적으로, 아미노 처리된 SAM 재료의 라인에 의해 분리된 선형 SAM부를 포함하는 기판 상에 패턴된 SAM이다. 물론, 와이어 증착이 바람직한 영역에 대응하는 아미노 처리된 SAM 재료의 영역에 임의의 양호한 패턴이형성될 수 있다. 그 후에, 패턴된 표면은, 예컨대 나노튜브와 같은 와이어 부유체 내에 침지되어 와이어가 SAM의 영역에 위치되는 어레이를 생성하도록 세척된다. 나노튜브가 사용된 곳에, 디메틸 포마마이드(dimethyl formamide)와 같은 유기체 용매가 나노튜브의 부유체를 형성하도록 사용될 수 있다. 다른 나노와이어의 부유 및 증착은 선택된 용매로 용이하게 달성된다.
임의의 다양한 기판 및 SAM 형성 재료는 화이트사이드 등에 허여되어 1996년 6월 26일에 공개되고 본 명세서에 인용문헌으로 참조된 특허 국제 공개 제WO 96/29629호에 기재된 바와 같은 마이크로컨텍트 인쇄 기법에 따라 사용될 수 있다. 패턴된 SAM 표면은 다양한 나노와이어 또는 나노스케일 전자 요소를 안내하도록 사용될 수 있다. SAM 형성 재료는 적절하게 노출된 화학 기능으로 다양한 전자 요소를 안내하도록 선택될 수 있다. 나노튜브를 포함하는 전자 요소는 특히 패턴된 SAM 표면의 특정한 소정 영역에 부착되도록 화학적으로 처리될 수 있다. 적절한 기능 그룹은 SH, NH3등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 나노튜브는 특히 공지된 바와 같이 외표면 상의 화학적 기능화에 적절하다.
SAM 유도된 표면 이외에 화학적으로 패턴된 표면이 사용될 수 있고, 화학적으로 패턴된 다양한 기법이 공지되었다. 화학적으로 패턴된 표면의 적절한 예시인 화학 및 기법은 본 명세서에 인용문헌으로 참조된, 히드버 등에게 허여된 "촉매 콜로이드의 마이크로컨텍트 인쇄"라는 명칭의 특허 국제 공개 제WO 97/34025호 및 각각 란도에게 허여된 미국 특허 제3,873,359호, 제3,873,360호, 제3,900,614호 등의특허에 기재된다. 화학적으로 패턴된 표면의 다른 예시는 마이크로 상으로 분리된 블록 공중합체 구조물이다. 이러한 구조물은 밀집한 라멜라 상의 적층물을 제공한다. 이러한 상의 단면은 일련의 "레인"을 나타내고, 각각의 레인은 단일층을 나타낸다. 블록 공중합체는 통상 교차형 블록이고 나노와이어의 성장 및 조립체를 요구함으로써 다양한 범위를 제공할 수 있다. 추가적인 기법은 리버 등에게 허여되어 2001년 1월 11일에 공개되었고 본 명세서에 인용문헌으로 참조된 특허 국제 공개 제WO 01/03208호에 개시된다.
본 발명에 사용된 나노와이어와 관련된 화학 변화는 와이어의 특성을 변화시키고 다양한 형태의 전자 장비를 생성할 수 있다. 어날라이트의 존재는 나노와이어의 결합제와의 전자결합을 통해 나노와이어의 전기 특성을 변화시킬 수 있다. 바람직하다면, 나노와이어는 특정 반응체, 결합 쌍, 나노와이어는 특정 어날라이트에 선택된 화학적 또는 생물학적 특성으로 코팅될 수 있다.
반응체는 나노와이어에서 탐지 가능한 변화를 일으키도록 나노와이어에 대해 위치된다. 반응체는 나노와이어의 100 나노미터 내에 위치될 수 있고, 더욱 바람직하게는 나노와이어의 10 나노미터 내에 위치될 수 있으며, 근접도는 당해 분야의 숙련자들에 의해 결정된다. 일실시예에서, 반응체는 나노스코픽 와이어로부터 5 나노미터 이내에 위치된다. 다른 실시예에서, 반응체는 나노와이어의 4 nm, 3 nm, 2 nm 및 1 nm에 위치된다. 양호한 실시예에서, 반응체는 링커를 통해 나노와이어에 부착된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이 다른 종류에 대한 임의의 종류, 또는 제품의 표면에 "부착된"이라는 표현은 종류가 공유 결합을 통한 화학적 또는 생화학적인(예컨대, 비오틴/스트렙타비딘) 링크, 첼라이트(chelate)/금속 결합과 같은 등위 결합 등을 의미한다. 예컨대, 본문의 "부착된"이라는 표현은 다중 화학 연결, 다중 화학/생물학적 연결 등을 포함하고, 폴리스티렌 비이드 상에 합성된 펩타이드와 같은 결합, 단백질 A와 같은 단백질에 결합되는 항체에 특정 화학적으로 결합되어 공유적으로 비이드에 부착되는 결합, GST와 같은 분자의 일부(유전자 공학을 통한)를 형성하여 특히 표면(예컨대, GST의 경우에 글루타티오네)에 공유적으로 체결되는 결합 쌍에 생물학적으로 묶이는 결합 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 다른 예시로서, 티올은 금을 공유 결합시키기 때문에 티올에 부분 공유적으로 연결되는 것은 금 표면에 체결되게 한다. "공유 결합"은 하나 이상의 전자 결합을 통해 부착되는 것을 의미한다. 예를 들어, EDC/NHS 화학적 성질을 통해, 차례로 금 표면에 부착되는 카르복실기 알킬 티올에 공유적으로 결합되는 것은 그 표면에 공유적으로 결합한다.
본 발명의 다른 태양은 샘플 노출 영역을 포함하는 제품을 구비하며, 나노와이어는 어날라이트의 존재 및 부재를 감지할 수 있다. 샘플 노출 영역은 나노와이어에 매우 근접한 임의의 영역일 수 있고, 샘플 노출 영역 내의 샘플은 나노와이어의 적어도 일부에 어드레스된다. 샘플 노출 영역의 예시는 벽, 채널, 마이크로채널 및 젤을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 양호한 실시예에서, 샘플 노출 영역은 나노와이어에 근접한 샘플을 유지하거나, 샘플 내의 어날라이트를 감지하기 위해 샘플을 나노와이어를 향하도록 안내할 수 있다. 나노와이어는 샘플 노출 영역에 인접하여 위치되거나 샘플 노출 영역 내에 있을 수 있다. 다르게는, 나노와이어는 유체 내로 삽입되거나 유체 유동 경로 내에 삽입된 것을 탐지할 수 있다. 나노와이어 프로브는 마이크로 니들을 포함할 수 있고, 샘플 노출 영역은 생물학적 샘플에 의해 어드레스될 수 있다. 이러한 배열에서, 마이크로 니들 프로브를 생물학적 샘플 내에 삽입하도록 구성되고 배열된 장치는 샘플 노출 영역을 형성하는 마이크로 니들로 둘러싸인 영역일 것이고, 샘플 노출 영역의 샘플은 나노와이어에 의해 어드레스 가능하며, 그 반대도 가능하다. 유체 유동 채널은 1997년 9월 18일에 공개되어 본 명세서에 인용문헌으로 참조된 특허 국제 공개 제WO 97/33737호에 개시된 바와 같은 다양한 기법을 사용하여 본 발명(마이크로 채널)에 유용한 크기 및 스케일로 생성될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에서, 제품은 복수의 하나 이상의 어날라이트의 존재 또는 부재를 탐지할 수 있는 복수의 나노와이어를 포함할 수 있다. 각각의 나노와이어는 전술된 바와 같이 다르게 도핑될 수 있어서, 어날라이트로의 각각의 나노와이어 민감도를 변화시킨다. 다르게는, 각각의 나노와이어는 특정 어날라이트와 상호 작용하는 능력에 기초하여 선택될 수 있다. 복수의 나노와이어는 무작위적으로 지향되거나 서로 평행할 수 있다. 다르게는, 복수의 나노와이어들은 기판에 어레이로 배향될 수 있다.
도1a는 본 발명의 제품의 일례를 도시한다. 도1a에서, 나노 검출 장치(10)는 기판(16)의 상부면(18)위에 위치된 단일 나노와이어(38)으로 구성된다. 칩 캐리어(12)는 기판(16) 및 전기 연결부(22)를 지지하기 위한 상부면(14)을 구비한다.칩 캐리어(12)는 전극(36)으로의 전기 연결부(22)들의 연결을 허용하는 임의의 절연 재료로 제조될 수 있다. 양호한 실시예에서, 칩 캐리어는 에폭시이다. 칩 캐리어의 상부면(14)은, 예를 들어 평면, 볼록 및 오목을 포함하는 임의의 형상일 수 있다. 양호한 실시예에서, 칩 캐리어의 상부면(14)은 평면이다.
도1a에 도시된 바와 같이, 기판(16)의 하부면(20)은 칩 캐리어의 상부면(14)에 인접하여 위치되고 전기 연결부(22)를 지지한다. 기판(16)은, 예를 들어 중합체, 실리콘, 석영 또는 유리로 전형적으로 제조될 수 있다. 양호한 실시예에서, 기판(16)은 600 nm의 이산화실리콘로 코팅된 실리콘으로 제조된다. 기판(16)의 상부면(18) 및 하부면(20)은 평면, 볼록 및 오목과 같은 임의의 형상일 수 있다. 양호한 실시예에서, 기판(16)의 하부면(20)은 칩 캐리어(12)의 상부면(14)의 윤곽을 따른다. 유사하게는, 몰드(20)는 모두 임의의 형상일 수 있는 상부면(26) 및 하부면(28)을 구비한다. 양호한 실시예에서, 금형(24)의 하부면(26)은 기판(16)의 상부면(18)의 윤곽을 따른다.
몰드(24)는 몰드(24)의 상부면(26)의 도1a에 도시된 유체 입구(32)와 유체 출구(34)를 구비하는, 마이크로채널로서 본문에서 도시되는 샘플 노출 구역(30)을 구비한다. 나노와이어의 적어도 일부가 샘플 노출 구역(30) 내에 위치되도록 나노와이어(38)이 위치설정된다. 전극(36)들은 나노와이어(38)을 전기 연결부(22)에 연결시킨다. 전기 연결부(22)들은 나노와이어의 전기적인 특성 또는 다른 특성에서의 변화를 측정하는 검출기(도시 안됨)에 선택적으로 연결된다. 도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예의 각각 낮은 및 높은 해상도 주사 전자 현미경사진이다. 단일 실리콘 나노와이어(38)은 2개의 금속 전극(36)들에 연결된다. 도7은 2개의 전극에 대하여 위치된 전형적인 SWNT의 원자력 현미경 상을 도시한다. 도7에 도시된 바와 같이, 전극(36)들 사이의 거리는 대략 500 nm이다. 양호한 실시예들에서, 전극 거리들은 50 nm내지 대략 20000 nm, 더 양호하게는 대략 100 nm 내지 대략 10000 nm, 가장 양호하게는 대략 500 nm 내지 5000 nm이다.
검출기가 존재할 경우, 나노와이어과 관련된 특성을 판단할 수 있는 임의의 검출기가 사용될 수 있다. 특성은 전자, 광학등일 수 있다. 나노와이어의 전자 특성은, 예를 들어 그 도전율, 저항율 등일 수 있다. 나노와이어과 관련된 광학 특성은 방출이 p-n 접합부에서 발생하는 나노와이어이 방출 나노와이어인 그 방출 강도 또는 방출 파장을 포함할 수 있다. 예를 들어, 검출기는 사용될 수 있는 전자 또는 자기 특성(예를 들어, 전압, 전류, 도전율, 저항, 임피던스, 인덕턴스, 전하등)에서의 변화를 측정하도록 구성될 수 있다. 검출기는 전력원 및 전압계 또는 전류계를 전형적으로 포함한다. 일 실시예에서, 1nS 이하의 컨덕턴스가 검출될 수 있다. 양호한 실시예에서, 수천 nS의 범위에 있는 컨덕턴스가 검출될 수 있다. 종 또는 어날라이트(analyte)의 농도는 마이크로몰 이하에서부터 몰 농도 및 그 이상까지 검출될 수 있다. 종래의 검출기들을 갖춘 나노와이어들을 이용함으로써, 민감도는 단일 분자에까지 확장될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 제품은 나노와이어에 자극을 전달할 수 있고, 검출기는 자극으로부터 기인하는 신호를 판단하도록 구성 및 배치된다. 예를 들어, p-n 접합을 포함하는 나노와이어은 자극(전자 전류)이 전달될 수 있고, 검출기는 자극으로 기인하는 신호(전자 방사)를 판단하도록 구성 및 배열된다. 이러한 장치에서, 나노와이어과 어날라이트 또는 나노와이어 근방에 위치된 반응 엔티티(reaction entity)와의 상호작용은 검출가능한 방식으로 신호에 영향을 줄 수 있다. 다른 예에서, 반응 엔티티가 양자점인 경우에, 양자점은 하나의 파장의 전자 방사를 수신하고 다양한 파장의 전자 방사를 방출하도록 구성될 수 있다. 자극이 전자 방사인 경우에, 이는 어날라이트와의 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있고, 검출기는 그로부터 기인하는 신호에서의 변화를 검출할 수 있다. 자극들의 예들은 일정한 전류/전압, 교류 전압 및 광과 같은 전자 방사를 포함한다.
일 예에서, 검출 및/또는 정량화되는 어날라이트, 예를 들어 특정 화학물을 포함하는 것으로 추측되는 유체와 같은 샘플은 나노와이어(38) 또는 그 근방에서 대응 반응 엔티티를 구비하는 나노와이어(38)과 접촉한다. 유체에 존재하는 어날라이트는 대응 반응 엔티티와 결합하고 예를 들어 종래의 전자장치를 사용하면서 검출되는 나노와이어의 전기 특성들에서의 변화를 일으킨다. 어날라이트가 유체에 존재하지 않으면, 나노와이어의 전기 특성들은 변화되지 않은 상태로 남아 있고, 검출기는 무변화를 측정할 것이다. 특정 화학물의 존재 유무는 나노와이어의 전기 특성들에서의 변화 또는 그 결핍을 모니터링함으로써 판단될 수 있다. 용어 "판단"은 압전 측정, 전기화학 측정, 전자기 측정, 광검출, 기계적 측정, 음향학적 측정, 중량 측정등을 통해 종의 정량적 또는 정성적 분석을 가리킨다. "판단"은 예를 들어 2개의 종들 사이의 결합의 검출과 같은 종들 사이의 상호작용을 검출하거나 또는 정량화한다.
특히, 본 발명에서 사용하는 양호한 유동 채널(30)들은 "마이크로채널"이다. 용어 "마이크로채널"은 낮은 레이놀드수, 즉 유체 역학이 관성력보다 점성력에 의해 지배되는 작동을 제공하는 치수들을 구비하는 채널에 대하여 본문에서 사용된다. 때때로, 점성력에 대한 관성력의 비로 지칭되는 레이놀드수는 다음과 같이 주어진다.
Re = ρd2/ητ+ ρu d/η
여기에서, u는 속도 벡터이고, ρ는 유체 밀도이고, η는 유체 점성이고, d는 채널의 특성 길이이며, τ는 속도가 변하는 동안의 시간 스케일(여기에서, u/t=δu/dt)이다. 용어 "특성 길이"는 종래에 알려진 바와 같이, 레이놀드수를 결정하는 치수용으로 본문에 사용된다. 원통형 채널에 대해서 이는 직경이다. 직사각형 채널에 대해서, 이는 더 작은 폭 및 깊이에 주로 의존한다. V형 채널에 대해서는, 이는 "V"의 최상부의 폭등에 의존한다. 다양한 형상들의 채널에 대한 레이놀드수의 계산은 유체 역학의 교재에서 발견될 수 있다[예를 들면, "유체 역학"(그랭거-1995년), "수치적 유체 역학의 기본"(메이어-1982)].
정상 상태에서의 유체 유동 거동(τ-> 무한대)은 레이놀드 수, 즉 Re= ρu d/η에 의해 특징된다. 소형의 크기 및 저속으로 인해, 마이크로제작 유체 시스템들은 낮은 레이놀드수 구역(대략 1 미만의 레이놀드수)에서 종종 있게 된다. 이러한 구역에서, 난류 및 제2 유동을 일으키고 이에 따라 유동 내에서의 혼합이 일으키는 관성 영향들은 무시가능하고, 점성 영향이 역학을 지배한다. 이러한 상태하에서, 채널을 통하는 유동은 대체적으로 층류이다. 특히 양호한 실시예들에서, 전형적인 어날라이트 함유 유체를 갖춘 채널은 대략 0.001이하, 더 양호하게는 대략 0.0001이하의 레이놀드수를 제공한다.
레이놀드수는 채널 치수뿐만 아니라 유체 밀도, 유체 점성, 유체 속도 및 속도가 변하는 시간스케일에 영향을 받으므로, 채널 치수에 대한 절대적인 상한치는 정확하게 결정되지 않는다. 사실상, 양호하게 설계된 채널 형상을 구비하고, 난류는 R < 100 및 아마도 R < 1000에 대해서 회피될 수 있어서, 상대적으로 큰 채널 크기를 고처리율 장치들은 가능하다. 양호한 채널 특성 길이 범위는 대략 1 mm 미만, 양호하게는 대략 0.5 mm미만, 더 양호하게는 200 마이크론 이하이다.
일 실시예에서, 유체 유동 채널(30)과 같은 샘플 노출 구역은 폴리디메틸 실록산(P은) 몰드를 사용함으로써 형성될 수 있다. 채널들은 생성되고 표면에 인가될 수 있고, 몰드는 제거될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 채널들은 상기 언급된 특허 출원들과 국제 공개물에 설명된 바와 같이, 포토리소그래피를 사용함으로써 마스터를 제조하고 마스터 상에 PDMS를 성형함으로써 수비게 제조된다. 큰 조립체 또한 가능하다.
도1b는 도1a의 나노 검출 장치(10)가 다중 나노와이어(38a 내지 38h)[도시 안됨]을 추가적으로 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도1b에서, 와이어 상호연결부(40a 내지 40h)들은 대응 나노와이어(38a 내지 38h)을 각각 전기 연결부(22a 내지 22h)[도시 안됨]에 연결한다. 양호한 실시예에서, 각각의 나노와이어(38a 내지 38h)은 유체에서의 다양한 어날라이트를 검출하도록 선택된 유일한 반응 엔티티를 구비한다. 이와 같이, 몇몇 어날라이트들의 유무는 한번의 시험동안 하나의 샘플을 사용하면서 결정될 수 있다.
도2a는 나노와이어(38)가 어날라이트(44)를 검출하기 위한 결합 협력자(42)인 반응 엔티티로 변경될 수 있는 나노 검출 장치의 일부를 개략적으로 도시한다. 도2b는 어날라이트(44)가 특정 결합 협력자(42)에 부착되는 도2a의 나노 검출 장치의 일부를 개략적으로 도시한다. 나노와이어들의 표면을 선택적으로 기능화하는 것은 예를 들어 실록산 파생물들로 나노와이어을 기능함으로써 실행될 수 있다. 예들 들어, 나노와이어은 도포될 변성 화학물들을 포함하는 용액에 장치를 담금으로써 나노 검출 장치의 구성 후 변성될 수 있다. 다르게는, 미세유체 채널은 화학물들을 나노와이어에 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 아민기는 산소 플라즈마 또는 산 및/또는 산화제에 의해 나노 검출 장치를 먼저 친수성으로 만들고 아미노 시레인을 함유하는 용액에 나노 검출 장치를 담금으로써 부착될 수 있다. 예를 통하여, DNA 탐침은 상기 설명된 바와 같은 아민기를 먼저 부착하고 필요하다면, 2기능 가교제를 함유하는 용액에 변성된 나노 검출 장치를 담그고, 및 DNA 탐침를 함유하는 용액에 변성된 나노 검출 장치를 담금으로써 부착될 수 있다. 과정은 바이어스 전압을 나노와이어에 인감함으로써 가속화되고 증진될 수 있고, 바이어스 전압은 반응종의 성질에 따라양 또는 음일 수 있고, 예를 들어 양 바이어스 전압은 음대전된 DNA 탐침 종들이 나노와이어 표면 근처에 이르는데 도움을 주고 표면 아미노기와의 그 반응 가능성을 높인다.
도4a는 백게이트(46)를 구비하는 나노 센서의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 도4b는 -10V 내지 +10V의 범위의 백게이트 전압에서 컨덕턴스 대 시간을 도시한다. 도4c는 컨덕턴스 대 백게이트 전압을 도시한다. 백게이트는 나노와이어으로부터 전하 전달자를 주입 또는 제거하는데 사용될 수 있다. 따라서, 이는 나노와이어 센서의 민감도 및 동작 범위를 제어하고 나노와이어에 어날라이트를 이끄는데 사용될 수 있다.
도5a 및 도5b는 pH의 함수로서 단일 실리콘 나노와이어에 대하여 원상태, 도포된 경우에 대한 각각의 컨덕턴스를 도시한다. 도4에 도시된 바와 같이, 실리콘 나노와이어의 컨덕턴스는 샘플이 변할 때 7 내지 2.5에서 변한다. 도5의 실리콘 나노와이어은 나노와이어의 표면에서 아민기에 노출되도록 변성된다. 도5는 도4에서의 반응과 비교될 때 pH에 대한 반응의 변화를 도시한다. 도5의 변성된 나노와이어은 예를 들어 피의 생체 상태들에 존재하는 것과 같은 더 연한 상태에 대한 반응을 도시한다.
도6은 올리고뉴클리오티드제 반응 엔티티로 변성된 표면을 구비하는 실리콘 나노와이어에 대한 컨덕턴스를 도시한다. 컨덕턴스는 보족 올리고뉴클리오티드 어날라이트가 부착된 올리고뉴클리오티드제와 결합되는 곳에서 급격하게 변한다.
도8a는 단일벽 나노튜브에 대한 게이트 전압에서의 변화에 따른 정전 환경에서의 변화를 도시한다. 도8b 및 도8c는 단일벽 탄소 나노튜브의 NaCL 및 CrClx에 의해 유도된 컨덕턴스에서의 변화를 도시한다.
도9a는 하이드록실 표면기를 갖춘 나노 센서가 2 내지 9의 pH 레벨로 노출될 때 컨덕턴스에서의 변화를 도시한다. 도9b는 아민기로 변성된 나노센서들이 2 내지 9의 pH 레벨로 노출될 때 컨덕턴스에서의 변화를 도시한다. 도9c는 pH 레벨에서의 변화에 따른 나노센서들의 상대적인 컨덕턴스를 도시한다. 결과들은 넓은 pH에서의 선형 반응을 도시하고, 이는 장치가 생체 유체의 pH 상태를 측정하거나 또는 모니터링하는데 적합하는 것을 명백하게 설명한다.
도10a는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 어날라이트를 함유하는 용액, 즉250 nM 스트렙타비딘에 노출될 때, 반응 엔티티 BSA 비오틴으로 변성된 실리콘 나노와이어(SiNW)의 컨덕턴스에서의 증가를 도시한다. 도10b는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 25 nM 스트렙타비딘을 함유하는 용액에 노출될 때, 반응 엔티티 BSA 비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스에서의 증가를 도시한다. 도10c는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 스트렙타비딘에 노출될 때, 베어 SiNW의 컨덕턴스에서의 무변화를 도시한다. 도10d는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 d-비오틴 스트렙타비딘을 함유하는 용액에 노출될 때, BSA 비오틴으로 변성된 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다. 도10e는 블랭크 완충 용액에 노출되고 스트랩타비딘을 함유하는 용액에 노출되고 다시 블랭크 완충 용액에 노출된 비오틴 변성 나노센서의 컨덕턴스에서의 변화를 도시한다. 도10f는 다르게는 완충 용액 및 스트랩타비딘을 함유하는 용액에 노출될 때 베어 SiNW의 컨덕턴스에서의 무변화를 도시한다. 이러한 결과들은 나노와이어 센서가 매우 높은 정밀도로 바이오-마커들의 특정 검출에 적당하다는 것을 나타낸다.
도11a는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 안티비오틴을 함유하는 용액에 노출될 때 BSA-비오틴 변성 SiNW의 컨덕턴스에서의 감소를 도시한다. 컨덕턴스는블랭크 완충 용액으로 안티비오틴을 함유하는 용액을 대체할 때 증가되고, 다시 안티비오틴을 함유하는 용액에 나노센서를 노출할 때 감소된다. 도11a는 비오틴과 안티비오틴 사이의 가역 결합을 나타낸다. 도11b는 완충 용액, 이후에 안티비오틴을 함유하는 용액과 접촉하는 동안 베어 SiNW의 컨덕턴스를 도시한다. 도11c는 버퍼에 노출되는 동안 BSA-비오틴 변성 SiNW, 다른 IgG 타입 항체, 비오틴에 대한 IgGl 항사슬 안티비오틴의 컨덕턴스에서의 변화를 도시한다. 도11c는 IgG 타입 항체의 존재에 의해 방해받지 않고 BSA 비오틴 변성 SiNW 가 안티비오틴의 존재를 검출하는 것을 나타낸다. 이러한 결과들은 실제 생체 상태하에서 동적 바이오-마커 모니터링에 대한 나노와이어 센서의 가능성을 나타낸다.
아민 변성 SiNW는 금속 이온들의 존재를 또한 검출할 수 있다. 도12a는 블랭크 완충 용액 및 1mM Cu(Ⅱ)를 함유하는 용액에 교대로 노출될 때, 아민 변성 SiNW의 컨덕턴스에서의 변화를 도시한다. 도12b는 아민 변성 SiNW가 0.1 mM 내지 1 mM의 Cu(Ⅱ)의 농도들에 노출될 때, 컨덕턴스에서의 증가를 도시한다. 도12c는 Cu(Ⅱ)농도에 대한 컨덕턴스에서의 증가를 도시한다. 도12d는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 이후에 1 mM의 Cu(Ⅱ)에 노출될 때, 비변성 SiNW의 컨덕턴스에서의 무변화를 도시한다. 도12e는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 이후에 1 mM의 Cu(Ⅱ)-EDTA에 노출될 때, 아민 변성 SiNW의 컨덕턴스에서의 무변화를 도시하고, EDTA는 변성 SiNW와 결합되는 Cu(Ⅱ)의 능력을 방해한다. 이러한 결과들은 무기 화학 분석에서 사용되는 나노와이어 센서의 가능성을 나타낸다.
도13a는 칼슘 결합 단백질인 칼모듀린(calmodulin)으로 변성된 실리콘 나노와이어의 컨덕턴스를 나타낸다. 도13a에서, 구역 1은 블랭크 완충 용액에 노출될 때, 칼모듀린 변성 실리콘의 컨덕턴스를 도시한다. 구역 2는 하향 화살표로 도3에서 표시된 칼슘 이온들을 함유하는 용액에 노출될 때, 동일한 나노와이어의 컨덕턴스에서의 강하를 도시한다. 구역 3은 상향 화살표로 지시된, 블랭크 완충 용액과 재차 접촉되는 동일한 나노와이어의 컨덕턴스에서의 증가를 도시한다. 그 원래 레벨로 컨덕턴스의 연속적인 복귀는 칼슘 이온이 칼모듀린 변성 나노와이어에 가역가능하게 결합된다는 것을 나타낸다. 도13b는 블랭크 완충 용액에 먼저 노출되고 이후에 칼슘 이온을 함유하는 용액에 노출될 때, 비변성 나노와이어의 컨덕턴스에서의 무변화를 도시한다.
상기 언급된 바와 같이, 일 실시예에서, 본 발명은 샘플에 존재하는 것으로 추측되는 어날라이트의 존재 유무를 판단하는데 나노스케일 전기 기반 센서를 제공한다. 나노스케일은 매크로스케일 센서에 위해 제공되는 검출에서보다 훨씬 큰 감도를 제공한다. 게다가, 나노스케일 센서들에 사용되는 샘플 크기는 대략 10 마이크로리터이하, 양호하게는 대략 1 마이크로리터 이하, 더 양호하게는 0.1 마이크로리터이하이다. 샘플 크기는 대략 10 나노리터 이하일 수 있다. 나노스케일 센서는 생물학적 종에 독특한 접근가능성을 허용하고, 생체내 및 생체외의 응용분야에서 모두 사용될 수 있다. 생체내에 사용될 때, 나노스케일 센서 및 대응하는 방법은 최소 침입 과정을 얻을 수 있게 한다.
도14a는 도핑 농도 및 나노와이어 직경과 비교하여 5개의 전하까지 검출하는 민감도의 계산을 도시한다. 도시된 바와 같이, 나노와이어의 감도는 도핑 농도를변화시키거나 또는 나노와이어의 직경을 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어의 도핑 농도를 증가시키면, 더 많은 전하를 검출하는 나노와이어의 능력을 증가시킨다. 또한, 20 nm 와이어는 동일한 수의 전하를 검출하도록 5 nm의 나노와이어보다 더 적은 도핑을 필요로 한다. 도14b는 나노와이어의 직경과 비교하여 단일 전하를 검출하기 위하여 임계 도핑 밀도의 계산을 도시한다. 다시, 20 nm의 나노와이어은 단일 전하를 검출하기 위해 5 nm 나노와이어보다 더 적은 도핑을 필요로 한다.
도15는 InP 나노와이어의 개략도를 도시한다. 나노와이어은 균일할 수 있거나 또는 n 및 p 불순물의 불연속 부분을 포함할 수 있다. 도15b는 pH가 변할 때 시간에 따른 나노와이어의 발광에서의 변화를 도시한다. 도시된 바와 같이, 나노와이어의 광 방사의 강도는 결합 레벨에 대해 변화한다. pH가 증가할 때, 광 강도는 감소하고, pH가 감소할 때 광 강도는 증가한다. 본 발명의 일 실시예는 마이크로어레이에서의 각각의 전극을 통해 스위프함으로써 개별적으로 어드레스된 광 신호 검출을 고려한다. 본 발명의 다른 실시예는 전기 검출기와 결합된 광학 센서와 같은 2개의 신호 검출기를 고려한다.
도16a는 나노와이어 센서의 일 실시예를 나타낸다. 도16a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 나노와이어 센서는 단일 분자의 불순물첨가된 실리콘(50)을 포함한다. 불순물첨가된 실리콘은 튜브형이고, 불순물첨가는 n-불순물첨가형 또는 p-불순물첨가형일 수 있다. 2가지의 형식으로, 불순물첨가된 실리콘 나노와이어은 전압이 인가될 수 있는 고저항 반도체 재료를 형성한다. 튜브의 내부면 및 외부면은그위에 형성된 산화물을 가지고, 튜브의 표면은 FET 장치의 게이트(52)로서 기능을 수행할 수 있고, 튜브의 양 단부의 전기 접촉부들은 튜브 단부들이 드레인(56) 및 소스(58)로서 기능을 수행하게 한다. 기술된 실시예에서, 장치는 대칭이고 장치의 양단부는 드레인 또는 드레인 또는 소스로 간주될 수 있다. 도시할 목적으로, 도16a의 나노와이어은 소스로서의 좌측 및 드레인으로서의 우측을 형성한다. 도16a는 나노와이어 장치가 2개의 도체 요소(54)들에 배치되고 전기 연결되는 것을 또한 도시한다.
도16a 및 도16b는 화학적/또는 리간드-게이트 전계 효과 트랜지스터(FET)의 일례를 도시한다. FET는 전자의 기술분야에서 또한 알려져 있다. 요약하면, FET는 하나는 드레인에 연결되고 다른 하나는 소스에 연결되는 2개의 전극들 사이의 도체가 소스와 드레인 사이의 채널에서의 전하 전달자의 유용성에 영향을 미치는 3-단자 장치이다. FET는 1989년 캠브리지 대학 출판사, 저자가 폴 호로위즈 및 윈필드 힐인, 2판인 "전자공학의 기술"(113페이지 내지 174페이지 참조)에 더 상세하게 설명되고, 그 전체 내용들은 레퍼런스로 본문에서 합체된다. 전하 전달자의 이러한 유용성은 게이트 전극으로 또한 아려진 제3 "제어 전극"에 인가된 전압에 의해 제어된다. 채널에서의 도전성은 채널을 가로질러 전기장을 만드는 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 제어된다. 도16a 및 도16b의 장치는 화학물 또는 리간드가 채널의 도전율을 변화시키는 전기장을 만드는 게이트에 전압을 제공함으로 인해 화학물 또는 리간드-FET로 간주될 수 있다. 채널에서의 도전율에서의 이러한 변화는 채널을 통한 전류의 흐름에 영향을 준다. 이러한 이유로, FET는 게이트에서의 전압이 채널, 소스 및 드레인을 통하는 전류를 제어하는 트랜스컨덕턴트(transconductant) 장치로서 종종 지칭된다. FET의 게이트는 예를 들어, 접합 FET(JFET)에서와 같은 반도체 접합을 사용하거나 또는 금속 산화막 반도체 FET(MOSFET)에서와 같은 산화물 절연체를 사용하면서 도전 채널로부터 절연된다. 이에 따라, 도A 및 도B에서, 나노와이어 센서의 SIO2 외부면은 게이트에 대한 게이 절연으로서 기능을 수행할 수 있다.
응용분야에서, 도A에 도시된 나노와이어 장치는 샘플과 접촉되거나 또는 샘플 유동로 내에 배치될 수 있는 FET 장치를 제공한다. 샘플 내에서의 관심 요소들은 나노와이어 장치의 표면과 접촉할 수 있고, 소정의 상태하에서 결합되거나 또는 다르게는 표면에 부착될 수 있다.
이러한 목적으로, 장치의 외부면은 반응 엔티티, 예를 들어 관심의 부분(moiety)에 대하여 특정한 결합 협력자일 수 있다. 결합 협력자는 샘플 내의 관심의 부분들이 나노와이어 장치의 외부면에 부착되거나 또는 결합되도록 부분들을 끌어당기거나 또는 결합된다. 이러한 예는 나노와이어 장치의 표면에 결합되는 관심 부분(60)[스케일로 도시 안됨]이 기술되는 도16c에 도시된다.
또한, 도16c를 참조하여 부분들이 증대될 때 도시되는 것은 소모 구역(62)은 와이어를 통하는 전류를 제한하는 나노와이어 장치내에 생성된다. 소모 구역은 채널의 타입에 따라 구멍들 또는 전자로 소모될 수 있다. 이는 아래의 도16d에서 개략적으로 도시된다. 부분은 게이트/드레인 접합부를 가로질러 전압차로 이르게 하는 전하를 갖는다.
본 발명의 나노스케일 센서는 실시간 데이터를 수집할 수 있다. 실시간 데이터는, 예를 들어 특정 화학 또는 생물학적 반응의 반응률을 모니터하도록 사용될 수 있다. 생체 상태 또는 체내에 존재하는 약물 농도는 약물 이송 시스템을 제어도하도록 사용될 수 있는 실시간 신호를 또한 만들 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 일 태양에서, 나노와이어 검출기, 판독기 및 컴퓨터 제어 반응 시스템을 포함하는 통합 시스템을 포함한다. 이러한 예에서, 나노와이어은 화학물 또는 약물을 억제하거나 방출하게 하는 컴퓨터 제어 반응 시스템에 신호를 제공하면서, 샘플에서의 어날라이트의 평행상태에서의 변화를 검출한다. 이는 그 소형 크기 및 낮은 에너지 요구조건으로 인해 약물 또는 화학물 이식 장치로서 특히 유용하다. 본 기술 분야의 당업자들은 본 발명과 관련하여 사용하기에 적합한 이식 장치, 판독기 및 컴퓨터 제어 반응 시스템들을 구성하기 위한 파라미터들 및 요구조건들을 잘 알고 있다. 이는 센서로서 나노와이어들의 본문에서의 개시물들과 연결된 본 기술 분야의 당업자들의 지식은 이식 장치, 실시간 측정 장치, 통합 시스템 등을 가능하게 한다. 이러한 시스템들은 하나 또는 개별적 또는 동시에 복수의 생체 특성들을 모니터링할 수 있게 할 수 있다. 이러한 생체 특성들은, 예를 들어 산소 농도, 이산화탄소 농도, 포도당 레벨, 특정 약물의 농도, 특정 약물 부산물의 농도등을 포함할 수 있다. 통합 생체 장치들은 본 발명의 센서에 의해 감지된 상태에 따라 기능을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 나노와이어 센서는 글루코오스 레벨을 감지할 수 있고, 결정된 글루코오스 레벨에 기초하여 적절한 제어기 기구를 통해 대상물 내로 인슐린의 방출하게 할 수 있다.
다른 실시예에서, 제품은 샘플 노출 구역 및 나노와이어을 포함하는 카세트를 포함할 수 있다. 샘플 노출 구역의 샘플에서의 어날라이트의 검출은 샘플들이 한 위치에 모이게 하고 다른 위치에서 검출되게 허용하면서 카세트가 검출 장치와 분리된다. 카세트는 나노와이어과 관련된 특성을 결정할 수 있는 검출 장치에 작동식 연결될 수 있다. 본문에서 사용될 때, 다른 장치와 부착되고 상호작용하는 능력을 가질 때 장치는 "작동식 연결가능"이다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 나노와이어들은 미세유체 채널에 위치될 수 있다. 하나 이상의 다양한 나노와이어들은 다양한 어날라이트를 검출하거나 또는 동일한 어날라이트의 유동율을 측정하도록 다양한 위치들에서 동일한 마이크로채널을 가로지를 수 있다. 다른 실시예에서, 미세유체 채널에 위치된 하나 이상의 나노와이어들은 마이크로 니들 프로브 또는 딥(dip) 또는 판독 프로프에서 복수의 분석 요소들 중 하나를 형성할 수 있다. 마이크로 니들 프로브는 이식가능하고 실시간으로 동시에 몇몇 어날라이트를 검출할 수 있다. 다른 실시예에서, 미세유체 채널에 위치된 하나 이상의 나노와이어들은 카세트 또는 칩 장치상의 랩에 대한 마이크로어레이에서의 분석 요소들 중 하나를 형성할 수 있다. 본 기술 분야으 당업자들은 카세트 또는 칩 장치 상의 랩은 고처리량 화학 분석 및 복합적 약물 발견에 특히 적합하다는 것을 알 것이다. 게다가, 나노스케일 센서를 사용하는 관련 방법은 다른 감지 기술에서와 같이 인식표시를 요구하지 않는다는 점에서 빠르고 단순하다. 하나의 나노스케일 센서에서 다중 나노와이어을 포함하는 능력은 단일 샘플에 존재하는 것으로 추측되는 다양한 어날라이트의 동시적인 검출을 또한 허용한다. 예를 들어, 나노스케일 pH 센서는 각각이 다양한 pH 레벨을 검출하는 복수의 나노스케일 와이어를 포함할 수 있고, 또는 다중 나노스케일 와이어를 갖춘 나노스케일 올리고 센서는 다중 시퀀스 또는 시퀀스들의 조합들을 검출하도록 사용될 수 있다.
본 기술 분야의 당업자들은 본문에 언급된 모든 파라미터들은 예를 의미하고 실질적인 파라미터들은 본 발명의 방법들 및 장치들이 사용되는 특정 응용분야에 달려있다는 것을 용이하게 평가할 것이다. 따라서, 상기 실시예들은 단지 예로서만 제공되고, 첨부된 청구범위 및 그 상응물들 내에서 본 발명은 특정하게 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (102)

  1. 샘플 노출 구역과, 적어도 일부는 상기 샘플 노출 구역의 샘플에 의해 어드레스지정가능한 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어와 관련된 특성을 결정하도록 구성되고 배치된 검출기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 샘플 노출 구역은 마이크로채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 샘플 노출 구역은 구멍(well)을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 반도체 나노와이어인 것을 특징으로 하는 제품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반도체 나노와이어는 실리콘 나노와이어인 것을 특징으로 하는 제품.
  7. 제5항에 있어서, 상기 반도체 나노와이어는 P-N 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  8. 제5항에 있어서, 상기 반도체 나노와이어는 다중 P-N 접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  9. 제5항에 있어서, 상기 반도체 나노와이어는 그 각각이 불순물의 다양한 농도로 불순물이 첨가되는 복수의 나노와이어들 중 하나인 것을 특징으로 하는 제품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 제품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 나노튜브는 단일 벽 나노튜브인 것을 특징으로 하는 제품.
  12. 제10항에 있어서, 상기 나노튜브는 다중 벽 나노튜브인 것을 특징으로 하는 제품.
  13. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 비변성 나노와이어인 것을 특징으로 하는 제품.
  14. 제24항에 있어서, 반응 엔티티는 어날라이트의 결합 협력자를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  15. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 비특이성인 것을 특징으로 하는 제품.
  16. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 특이성인 것을 특징으로 하는 제품.
  17. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 나노와이어 표면 상에서 -OH, -CHO, -COOH, -SO3H, -CN, -NH2,-SH, -COSH, -COOR, 할로겐화물으로 구성되는 그룹으로부터 조합 선택되는 화학적 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  18. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 DNA, DNA의 절편, 항체, 항원, 단백질 및 효소로 구성되는 그룹으로부터 선택된 특이성 이분자 수용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  19. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 나노와이어 표면 상에서 접붙임된 짧은 중합체 사슬을 포함하고, 상기 사슬들은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리아크릴릭, 폴리이미드로 구성되는 중합체 그룹을 형성하게 선택되는 것을 특징으로 하는제품.
  20. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 나노와이어의 표면 상에 도포된 얇은 수화 겔층을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  21. 제14항에 있어서, 상기 결합 협력자는 나노와이어들의 표면 상의 얇은 도포를 포함하고, 상기 도포는 산화물, 황화물 및 셀레나이드로 구성된 그룹을 형성하게 선택되는 것을 특징으로 하는 제품.
  22. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 나노와이어의 전기적 특성이 나노와이어의 표면 상의 화학적 변화에 민감하게 되는 화학적-게이트 나노와이어 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  23. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 전자발광 재료, 형광 물질 및 다이오드로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고, 상기 나노와이어의 발광 특성은 상기 나노와이어의 표면 상에서 화학적 변화에 민감한 것을 특징으로 하는 제품.
  24. 제1항에 있어서, 반응 엔티티와 상기 샘플에서의 어날라이트 사이에서의 상호작용이 나노와이어의 특성에서의 검출가능한 변화를 일으키게 나노와이어에 대해 위치설정된 반응 엔티티를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  25. 제24항에 있어서, 반응 엔티티는 핵산, 항체, 당, 탄수화물 및 단백질로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제품.
  26. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  27. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  28. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  29. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 나노와이어에 고정되는 것을 특징으로 하는 제품.
  30. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 5 nm의 나노와이어 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 제품.
  31. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 3 nm의 나노와이어 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 제품.
  32. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 1 nm의 나노와이어 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 제품.
  33. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 연결자를 통해 나노와이어에 부착되는 것을 특징으로 하는 제품.
  34. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 나노와이어에 직접 부착되는 것을 특징으로 하는 제품.
  35. 제24항에 있어서, 상기 반응 엔티티는 나노와이어에 전기 결합되게 나노와이어에 대하여 위치설정되고, 샘플의 어날라이트와 상기 반응 엔티티 사이의 검출가능한 상호작용은 나노와이어의 전기 특성에서의 검출가능한 변화를 일으키는 것을 특징으로 하는 제품.
  36. 제3항에 있어서, 상기 마이크로채널은 1 mm 미만의 최소 측방향 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
  37. 제3항에 있어서, 상기 마이크로채널은 0.5 mm 미만의 최소 측방향 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
  38. 제3항에 있어서, 상기 마이크로채널은 200 미크론 미만의 최소 측방향 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
  39. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 센서를 포함하는 복수의 나노와이어들 중 하나인 것을 특징으로 하는 제품.
  40. 제39항에 있어서, 복수의 나노와이어들 각각은 샘플 노출 구역에 위치된 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  41. 제39항에 있어서, 상기 복수의 나노와이어들은 적어도 10개의 나노와이어들을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  42. 제41항에 있어서, 상기 다중 나노와이어들은 평행하게 배열되고, 단일 쌍의 전극들에 의해 어드레스되는 것을 특징으로 하는 제품.
  43. 제41항에 있어서, 상기 다중 나노와이어들은 서로 평행하게 배열되고, 다중 쌍의 전극들에 의해 개별적으로 어드레스되는 것을 특징으로 하는 제품.
  44. 제43항에 있어서, 상기 다중 나노와이어들은 다양하고, 각각은 다양한 어날라이트를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 제품.
  45. 제41항에 있어서, 다중 나노와이어들은 임의적으로 배향되는 것을 특징으로 하는 제품.
  46. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 기판의 표면 상에 위치설정되는 것을 특징으로 하는 제품.
  47. 제1항에 있어서, 상기 샘플 노출 구역은 마이크로채널을 포함하고, 상기 나노와이어는 마이크로채널에서 현수되는 것을 특징으로 하는 제품.
  48. 제1항에 있어서, 기판의 표면 상에 형성된 센서 어레이에서의 복수의 나노와이어 센서들 중 하나인 것을 특징으로 하는 제품.
  49. 제48항에 있어서, 상기 기판은 유리, 실리콘 이산화물 도포 실리콘 및 중합체로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제품.
  50. 제3항에 있어서, 상기 마이크로채널은 샘플을 포함하는 유체에 대해 대략 1 미만의 레이놀드 수(Re)를 생성하도록 치수가 정해지는 것을 특징으로 하는 제품.
  51. 제42항에 있어서, 레이놀드 수는 대략 0.01 미만인 것을 특징으로 하는 제품.
  52. 제1항에 있어서, 상기 샘플 노출 구역에서 유체 샘플을 수용하게 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 제품.
  53. 제44항에 있어서, 상기 샘플은 가스 흐름인 것을 특징으로 하는 제품.
  54. 제44항에 있어서, 상기 샘플은 액체인 것을 특징으로 하는 제품.
  55. 제1항에 있어서, 복수의 나노와이어와, 반응 엔티티와 어날라이트 사이의 상호작용이 나노와이어의 특성에서의 검출가능한 변화를 일으키게 나노와이어에 대하여 적어도 일부가 위치설정되는 복수의 반응 엔티티를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  56. 제55항에 있어서, 적어도 하나의 반응 엔티티는 100 nm의 나노와이어 내에 위치설정되는 것을 특징으로 하는 제품.
  57. 제55항에 있어서, 적어도 하나의 반응 엔티티는 50 nm의 나노와이어 내에 위치설정되는 것을 특징으로 하는 제품.
  58. 제55항에 있어서, 적어도 하나의 반응 엔티티는 10 nm의 나노와이어 내에 위치설정되는 것을 특징으로 하는 제품.
  59. 제1항에 있어서, 상기 샘플 노출 구역은 생물학적 샘플에 의해 어드레스가능한 것을 특징으로 하는 제품.
  60. 제1항에 있어서, 마이크로니들 프로브에 대한 감지 요소를 형성하는 것을 특징으로 하는 제품.
  61. 제60항에 있어서, 상기 마이크로니들은 생체 내로 이식가능한 것을 특징으로 하는 제품.
  62. 제60항에 있어서, 생리 특성을 모니터할 수 있는 센서인 것을 특징으로 하는 제품.
  63. 제60항에 있어서, 센서는 복수의 생리 특성들을 모니터할 수 있는 것을 특징으로 하는 제품.
  64. 제60항에 있어서, 복수의 생리 특성들을 동시에 모니터할 수 있는 것을 특징으로 하는 제품.
  65. 제60항에 있어서, 대상에서의 산소 농도, 이산화탄소 농도 및 포도당 레벨들 중 적어도 하나를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 제품.
  66. 제1항에 있어서, 통합 딥-프로브 센서용 감지 요소를 형성하는 것을 특징으로 하는 제품.
  67. 제1항에 있어서, 플러그 앤드 플레이 센서 어레이용 감지 요소를 형성하는 것을 특징으로 하는 제품.
  68. 제2항에 있어서, 상기 나노와이어에 자극을 전달할 수 있고, 상기 검출기는 상기 자극으로부터 기인하는 신호를 결정하게 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 제품.
  69. 제68항에 있어서, 상기 자극은 일정 전류/전압, 교류 전압 및 전자파로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제품.
  70. 제2항에 있어서, 상기 검출기는 상기 나노와이어와 관련된 전기 특성을 결정하게 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 제품.
  71. 제2항에 있어서, 상기 검출기는 상기 나노와이어와 관련된 전자기 특성에서의 변화를 결정하게 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 제품.
  72. 제2항에 있어서, 상기 검출기는 상기 나노와이어와 관련된 발광 특성에서의 변화를 결정하게 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 제품.
  73. 어날라이트를 포함하는 것으로 추측되는 샘플과 나노와이어를 접촉시키는 단계와, 나노와이어의 특성에서의 변화를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  74. 제73항에 있어서, 나노와이어의 특성을 먼저 측정하고, 다음으로 상기 샘플과 나노와이어를 접촉시키고, 이후에 나노와이어와 관련된 특성에서의 변화를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  75. 나노와이어를 제공하고, 대략 10 마이크로리터 미만의 체적을 갖는 샘플과 상기 나노와이어를 접촉시키는 단계와,
    상기 접촉으로부터 기인된 나노와이어의 특성에서의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  76. 어날라이트를 포함하는 것으로 추측되는 샘플과 나노와이어를 접촉시키는 단계와, 상기 접촉으로부터 기인하는 나노와이어의 특성에서의 변화를 측정함으로써 상기 어날라이트의 존재 또는 양을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 어날라이트의 10개 미만의 분자가 검출된 특성에서의 변화에 기여하는 것을 특징으로 하는 방법.
  77. 제76항에 있어서, 종의 5개 미만의 분자들이 전기 특성에서의 변화에 기여하는 것을 특징으로 하는 방법.
  78. 제77항에 있어서, 종의 하나의 분자가 검출된 전기 특성에서의 변화에 기여하는 것을 특징으로 하는 방법.
  79. 샘플 노출 구역과, 적어도 일부가 상기 샘플 노출 구역에서 샘플에 의해 어드레스가능한 나노와이어를 포함하며 나노와이어와 관련된 특성을 결정할 수 있는 검출 장치에 작동식 연결가능한 샘플 카세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  80. 적어도 하나의 나노와이어와,
    적어도 하나의 나노와이어의 특성에서의 변화를 측정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  81. 샘플과 나노와이어를 접촉시키는 단계와,
    상기 나노와이어가 상기 샘플과 접촉될 때의 특성에서의 변화가 상기 샘플에서의 어날라이트의 존재 또는 양을 나타내는 나노와이어와 관련되는 특성을 결정하는 단계를 포함하는 어날라이트 검출 방법.
  82. 샘플과 전기 도체를 접촉시키는 단계와,
    상기 접촉으로부터 기인된 상기 도체의 특성에서의 변화를 측정함으로써 상기 샘플에서의 어날라이트의 존재 또는 양을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 10개 미만의 분자의 어날라이트가 상기 특성에서의 변화에 기여하는 것을 특징으로 하는 방법.
  83. 나노와이어들 코어 구역 및 외측 구역을 포함하고, 상기 외측 구역은 상기 나노와이어 코어에 화학적 또는 물리적으로 결합되는 기능 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  84. 제83항에 있어서, 상기 코어는 Si, GaN, AlN, InN, GaAs, AlAs, InAs, InP, GaP, SiC, CdSe, ZnSe, ZnTe, ZnO, SnO2및 TiO2로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 반도체 나노와이어인 것을 특징으로 하는 제품.
  85. 제83항에 있어서, 상기 나노와이어 코어는 0.5 nm 내지 200 nm의 범위의 직경을 구비한 것을 특징으로 하는 제품.
  86. 제83항에 있어서, 상기 나노와이어 코어는 2 이상의 종횡비를 구비하는 것을 특징으로 하는 제품.
  87. 제83항에 있어서, 상기 외측 구역에서의 상기 기능 부분들은 -OH, -CHO, -COOH, -SO3H, -CN, -NH2,-SH, -COSH, -COOR 및 할로겐화물로 구성되는 그룹들 또는 상기 그룹들로부터 선택된 조합 그룹들인 것을 특징으로 하는 제품.
  88. 제83항에 있어서, 상기 기능 부분들은 아미노산, 단백질, DNA, 항체, 항원 및 효소로 구성되는 그룹으로부터 선택된 그룹들인 것을 특징으로 하는 제품.
  89. 제83항에 있어서, 상기 기능 부분들은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아크릴릭을 포함하는 중합체 그룹으로부터 선택된, 나노와이어 코어의 직경 미만의 사슬 길이를 갖는 접붙임된 중합체 사슬들을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  90. 제83항에 있어서, 상기 기능 부분들은 금속, 반도체 및 절연체들로 구성되는그룹으로부터 선택된, 상기 나노와이어 코어의 표면을 덮는 얇은 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
  91. 제90항에 있어서, 상기 피막은 금속성 요소, 아녹사이드, 황화물, 질화물, 셀레나이드, 중합체 및 중합체 겔로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제품.
  92. 소스 전극을 형성하게 도체와 전기 접촉하는 제1 단부와, 드레인 전극을 형성하게 도체와 전기 접촉하는 제2 단부와, 게이트 전극을 형성하게 그 위에 형성된 산화물을 구비하는 외부 표면을 구비하는 반도체 나노와이어와,
    선택된 부분에 대하여 특이성을 갖고, 외부 표면에 결합되는 결합제를 포함하고,
    화학적 게이트 전계 효과 센서 장치를 제공하도록 상기 결합제에 대한 상기 부분의 결합에 반응하여 상기 게이트 전극의 전압이 변하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서 장치.
  93. 소정의 전류-전압 특성을 구비하고, 화학적 또는 생물학적 센서로서 사용하도록 구성되는 어날라이트 전계 효과 트랜지스터이며,
    제1 절연 재료로 형성되는 기판과,
    상기 기판 상에 배치된 소스 전극과,
    상기 기판 상에 배치된 드레인 전극과,
    소정의 전류-전압 특성을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 형성하게 상기 소스 및 드레인 전극들 사이에 배치된 반도체 나노와이어와,
    상기 나노와이어의 표면 상에 배치된 어날라이트-특이성 결합제를 포함하고,
    타겟 어날라이트와 상기 결합제 사이에서 일어나는 결합 이벤트가 상기 전계 효과 트랜지스터의 상기 전류-전압 특성에서의 검출가능한 변화를 일으키는 것을 특징으로 하는 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스터.
  94. 제93항에 있어서, 상기 어날라이트는 화학적 부분인 것을 특징으로 하는 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스터.
  95. 제94항에 있어서, 상기 화학적 부분은 작은 유기 화합물인 것을 특징으로 하는 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스터.
  96. 제94항에 있어서, 상기 화학적 부분은 이온인 것을 특징으로 하는 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스터.
  97. 제93항에 있어서, 상기 어날라이트는 생물학적 부분인 것을 특징으로 하는 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스터.
  98. 제97항에 있어서, 상기 어날라이트는 단백질, 핵산, 탄수화물, 지방질 및 스테로이드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 어날라이트 게이트 전계 효과 트랜지스터.
  99. 적어도 100개의 청구항 제93항의 어날라이트 게이트 전계 트랜지스터의 어레이를 포함하는 제품.
  100. 제99항에 있어서, 제품과 관련된 어날라이트-특이성 결합제들의 개체군에 대해서 동질성인 것을 특징으로 하는 제품.
  101. 제99항에 있어서, 제품과 관련된 어날라이트-특이성 결합제의 개체군에 대해서 이질성인 것을 특징으로 하는 제품.
  102. 제24항에 있어서, 상기 샘플에서의 어날라이트와 반응 엔티티 사이에서의 검출가능한 상호작용이 나노와이어의 특성에서의 검출가능한 변화를 일으키는 나노와이어에 광학적으로 결합되게 상기 반응 엔티티가 나노와이어에 대해 위치설정되는 것을 특징으로 하는 제품.
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