KR20210150549A - 분자 전자 센서를 위한 다환 방향족 브릿지 - Google Patents
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Abstract
여러 실시형태들에서, 분자 전자 센서들에 사용가능한 합성 브릿지 분자들이 개시된다. 여러 양태들에서, 브릿지 분자들은 길고 좁은 리본의 형상으로 융용된 고리 다환 방향족 히드로카본 구조를 포함하고, 금속 전극들에 선택적 결합하기 위하여 대향하는 짧은 단부들 상의 말단 기들, 프로브 분자에 결합하기 위한 긴 에지의 중간 부분 근방에 있는 하나 이상의 치환기들, 및 용해도 또는 다른 효과들을 위한 하나 이상의 추가 치환기를 갖는다. 여러 실시형태들에서, 본원에서의 브릿지 분자들은 전도성이고, 갭 형성된 전극들 사이에 브릿지를 형성할 때 센서에 폐 회로를 제공한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019 년 4 월 12 일에 출원된 "Polycyclic Aromatic Bridges for Molecular Electronic Sensors" 라는 명칭의 미국 특허 가출원 제 62/833,562 호를 우선권으로 하여 그 이익을 주장하며, 그 개시는 그 전체를 참조로서 본원에 통합된다.
기술 분야
본 개시는 일반적으로 분자 전자 센서들에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 분자 전자 센서들에서 컴포넌트들로서 전자 전도성 다환 방향족 분자들의 설계, 합성 및 용도에 관한 것이다.
광범위한 분자 전자기술들의 분야는 1970 년대 Aviram 과 Ratner 에 의해 소개되었다. 그 사상은 최소의 가능한 전기적 회로들이 회로 컴포넌트들로서 단일 분자들을 통합하는 것이다. 이와 같은 분자 회로 요소들은 분자에 따라 스위치, 정류기, 액추에이터 또는 센서로서 동작하는 다양한 기능들을 제공할 수 있다. 이러한 구조는, 분자 상호작용이 단일 분자 감지를 위한 기반을 제공할 수 있기 때문에 센서들로서 적용될 수 있다.
예를 들어, 확장적으로 연구되어 있는 전자 회로들에서 사용가능한 분자 엘리먼트들의 일 종류는 카본 나노튜브들 (CNTs) 이다. 카본 나노튜브는 두개의 전극 사이를 브릿지하는데 사용될 수 있고 이에 의해 분자 와이어를 형성한다. CNT들은 모든 나노-스케일 회로부 옵션 중에서도, 이들이 벌크로 쉽게 형성되기 때문에 확장적으로 연구되고 있다. 예를 들어, 이들은 분자 레벨에서 연소 부산물로서 발생하고 이들은 양호한 전기 전도성 특성을 갖는다. 그러나, 이들은 정밀하게, 매우 제어된 반응들로 형성되지 않고, 이들의 치수를 조작, 규정 또는 설계 및 제어하거나, 위치 및 원소 조성의 관점에서 원자 정밀도로 그들을 개질하는 능력은 매우 적다.
분자 센서들은 2개의 전극들 사이의 브릿지들로서 다양한 바이오폴리머들을 포함할 수 있고, 그들의 제조시 적어도 어느 정도의 분자 자기-조립에 의존할 수 있다. 분자 전자 센서들의 분야에서 최근 보여지는 진보에도 불구하고, 이를 테면, 비용을 감소시키고 다른 컴포넌트들로의 거대분자의 자기-조립을 용이하게 하고 거대분자 회로 컴포넌트들을 포함하는 분자 센서들의 성능, 내구성 및 신뢰성을 개선하기 위해 CNT들 또는 바이오분자 보다는, 새로운 거대분자들이 이러한 센서들에 요구된다.
여러 실시형태들에서, 여러 분자 전자 센서들에 사용가능한 합성 거대분자들이 개시된다. 여러 양태들에서, 분자 전자 센서 회로들에서 브릿지 분자들로서 본원에서의 분자들의 용도에 더하여, 다환 방향족 화합물의 설계 및 합성이 개시된다.
여러 실시형태들에서, 본원의 다환 방향족 브릿지 분자들은 융합된 벤젠 고리 및/또는 헤테로방향족 고리로 본질적으로 이루어진 코어 구조를 갖는 분자 리본들을 포함하여 리본이 sp2 혼성화된 카본 원자들만을 전체적으로 포함하도록 한다. 여러 예들에서, 분자 리본은 금속 전극로의 그리고 다른 분자들, 이를 테면, 프로브 분자들로의 분자 리본의 결합을 보조하기 위해 그리고 여러 용매에서 분자 리본의 원하는 용해도를 최적화하기 위해 특정 위치에서 관능화된다.
도 1 은 분자 전자장치의 일반 개념도를 예시하고, 분자 회로 소자는 두개의 이격된 전극들 사이를 브릿징한다.
도 2 는 분자 전자 센서의 일 실시형태 및 그 기능화의 일 실시예를 예시한다.
도 3 은 분자 전자 센서의 제조시 자기-조립의 일 실시형태를 예시한다.
도 4 는 DNA 시퀀싱을 위해 사용가능한 분자 전자 센서의 일 실시형태를 예시한다.
도 5 는 DNA 시퀀싱 실험들에 이용가능한, 전극 갭을 스패닝하는 브릿지 분자에 컨쥬게이트하는 폴리머라제를 포함하는 분자 센서 구조의 일 실시형태를 예시한다.
도 6 은 분자 센서들 상에서의 전기 측정들에 대한 세트업의 일 실시형태를 예시한다.
도 7 은 분자 브릿지 결합을 위한 금 금속 도트 콘택들을 포함하는 이격된 전극들의 전자 현미경 (EM) 의 이미지를 나타낸다.
도 8 은 DNA 시퀀싱 시험에서 실험적 분자 센서로부터 생성된 신호들을 시퀀싱하는 일 예를 예시한다.
도 9 는 다환 리본 구조, 화합물 (I) 로 표현되는 본 개시에 따른 다환 방향족 고리 브릿지 분자들에 대한 일반 구조 방식 및 설계 합리성을 예시한다.
도 10 은 다환 리본 구조, 화합물 (II) 로 표현되는 여러 다환 방향족 고리 브릿지 분자들에 대한 일반 구조 방식 및 설계 합리성을 예시한다.
도 11 은 본 개시에 따른 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들, 화합물 (III) 의 속 (genus) 을 예시한다.
도 12 는 수 용해도를 촉진하기 위한 PEG 측쇄를 포함하는 다환 방향족 히드로카본 (PAH) 브릿지 분자 화합물 (IV) 의 일 실시형태의 3D 공간-충전 모델을 예시한다.
도 13 은 PEG 측쇄를 더 포함하는 다환 방향족 히드로카본 ("PAH") 나노리본에 연결된 E. coli Klenow 단편 폴리머라제를 포함하는 브릿지 및 프로브 분자 복합 화합물 (V) 의 일 실시형태의 3D 공간-충전 모델을 예시한다.
도 14 는 본원에 개시된 브릿지 분자들 내의 서브 구조 또는 모노머 모이어티를 나타내거나 또는 본원의 브릿지 분자들의 합성시 빌딩 블록들 또는 중간체로서 사용가능한 저분자중량 다환 지방족 히드로카본의 실시형태들을 예시한다.
도 15 는 본원에 개시된 브릿지 분자들 내의 서브 구조 또는 모노머 모이어티를 나타내거나 또는 본원의 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들에 대한 빌딩 블록들로서 사용가능한 호모시클릭 카본 고리 구조의 실시형태들을 예시한다.
도 16 은 본원에 개시된 브릿지 분자들 내의 서브 구조 또는 모노머 모이어티를 나타내거나 또는 본원의 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들에 대한 빌딩 블록들로서 사용가능한 헤테로시클릭 고리 구조의 실시형태들을 예시한다.
도 17 은 화합물 (III) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지의 속을 예시하고, 분자의 관능성 영역들은 화학 구조 아래에 라벨링된다.
도 18 은 단일의 연속하는 13-원자 폭 다환 방향족 히드로카본 컨덕터 (본원에서, "13-APAH") 를 포함하는 화합물 (VI) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자의 속을 예시하며, 리본의 방향족 부분은 약 1.4 nm 폭이다.
도 19 는 단일의 연속하는 9-원자 폭 다환 방향족 히드로카본 컨덕터 (본원에서, "9-APAH") 를 포함하는 화합물 (VII) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자의 속을 예시한다.
도 20 은 2-모노 PEG-PAH 구조를 포함하는 화합물 (VIII) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들의 속을 예시한다.
도 21 은 전극 결합을 위한 각각의 말단에서 티오메틸 치환기 및 모노머 단위들의 수에 기초하여, 여러 길이를 갖는 2-모노 PEG-PAH 구조를 포함하는 화합물 (XV) 에 의해 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들의 속을 예시한다.
도 22-30 은 도 21 의 화합물 (XV) 에 의해 표현되는 합성 브릿지 분자들에 대한 합성 루트의 일 실시형태를 예시한다.
도 31a 및 31b 는 단일 덴드론이 부착된 폴리안트라센 나노리본 및 대응하는 3D 구조 모델을 포함하는 합성 브릿지 분자의 2D 화학 구조를 각각 예시한다.
도 32 는 센서 회로에 대한 분자 컴포넌트의 일 실시형태를 예시하며, 분자 컴포넌트는 회로 내에 센서 프로브 분자를 배선하기 위해 아암으로서 작용하는 두개의 PAH 분자들을 포함한다.
도 33 은 DNA 시퀀싱에 사용가능한 단일의 PAH 전극 브릿지 분자의 일 실시형태를 예시한다.
도 34 는 DNA 시퀀싱에 사용가능한 단일의 PAH 전극 브릿지 분자의 일 실시형태를 예시한다.
도 35a 및 35b 는 지그-재그 엣지 PAH 브릿지, 화합물 (XIII) 및 대응하는 3D 구조 모델을 포함하는 합성 브릿지 분자의 2D 화학 구조를 각각 예시한다.
도 36-42 는 도 18 의 화합물 (VI) 로의 합성 루트의 일 실시형태를 예시한다.
도 43 은 지그-재그 엣지를 갖는 페닐 치환된 12-APAH 리본 구조를 포함하는 화합물 (XII) 에 의해 표현되는 다환 브릿지 분자들의 일 실시형태를 예시한다.
도 44a-44e 는PAH 브릿지 분자의 일 실시형태를 예시하며, 여기에서, 도 44a 는 화합물 (XIX) 의 2D 화학 구조를 예시하고; 도 44b 는 화합물 (XIX) 의 3D 모델을 도시하고; 도 44c 는 벌크 샘플의 픽처 및 화합물의 TEM 이미지를 도시하고; 도 44d 는 화합물의 질량 스펙트럼을 도시하고; 도 44e 는 화합물의 1H-NMR 스펙트럼을 도시한다.
도 2 는 분자 전자 센서의 일 실시형태 및 그 기능화의 일 실시예를 예시한다.
도 3 은 분자 전자 센서의 제조시 자기-조립의 일 실시형태를 예시한다.
도 4 는 DNA 시퀀싱을 위해 사용가능한 분자 전자 센서의 일 실시형태를 예시한다.
도 5 는 DNA 시퀀싱 실험들에 이용가능한, 전극 갭을 스패닝하는 브릿지 분자에 컨쥬게이트하는 폴리머라제를 포함하는 분자 센서 구조의 일 실시형태를 예시한다.
도 6 은 분자 센서들 상에서의 전기 측정들에 대한 세트업의 일 실시형태를 예시한다.
도 7 은 분자 브릿지 결합을 위한 금 금속 도트 콘택들을 포함하는 이격된 전극들의 전자 현미경 (EM) 의 이미지를 나타낸다.
도 8 은 DNA 시퀀싱 시험에서 실험적 분자 센서로부터 생성된 신호들을 시퀀싱하는 일 예를 예시한다.
도 9 는 다환 리본 구조, 화합물 (I) 로 표현되는 본 개시에 따른 다환 방향족 고리 브릿지 분자들에 대한 일반 구조 방식 및 설계 합리성을 예시한다.
도 10 은 다환 리본 구조, 화합물 (II) 로 표현되는 여러 다환 방향족 고리 브릿지 분자들에 대한 일반 구조 방식 및 설계 합리성을 예시한다.
도 11 은 본 개시에 따른 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들, 화합물 (III) 의 속 (genus) 을 예시한다.
도 12 는 수 용해도를 촉진하기 위한 PEG 측쇄를 포함하는 다환 방향족 히드로카본 (PAH) 브릿지 분자 화합물 (IV) 의 일 실시형태의 3D 공간-충전 모델을 예시한다.
도 13 은 PEG 측쇄를 더 포함하는 다환 방향족 히드로카본 ("PAH") 나노리본에 연결된 E. coli Klenow 단편 폴리머라제를 포함하는 브릿지 및 프로브 분자 복합 화합물 (V) 의 일 실시형태의 3D 공간-충전 모델을 예시한다.
도 14 는 본원에 개시된 브릿지 분자들 내의 서브 구조 또는 모노머 모이어티를 나타내거나 또는 본원의 브릿지 분자들의 합성시 빌딩 블록들 또는 중간체로서 사용가능한 저분자중량 다환 지방족 히드로카본의 실시형태들을 예시한다.
도 15 는 본원에 개시된 브릿지 분자들 내의 서브 구조 또는 모노머 모이어티를 나타내거나 또는 본원의 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들에 대한 빌딩 블록들로서 사용가능한 호모시클릭 카본 고리 구조의 실시형태들을 예시한다.
도 16 은 본원에 개시된 브릿지 분자들 내의 서브 구조 또는 모노머 모이어티를 나타내거나 또는 본원의 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들에 대한 빌딩 블록들로서 사용가능한 헤테로시클릭 고리 구조의 실시형태들을 예시한다.
도 17 은 화합물 (III) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지의 속을 예시하고, 분자의 관능성 영역들은 화학 구조 아래에 라벨링된다.
도 18 은 단일의 연속하는 13-원자 폭 다환 방향족 히드로카본 컨덕터 (본원에서, "13-APAH") 를 포함하는 화합물 (VI) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자의 속을 예시하며, 리본의 방향족 부분은 약 1.4 nm 폭이다.
도 19 는 단일의 연속하는 9-원자 폭 다환 방향족 히드로카본 컨덕터 (본원에서, "9-APAH") 를 포함하는 화합물 (VII) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자의 속을 예시한다.
도 20 은 2-모노 PEG-PAH 구조를 포함하는 화합물 (VIII) 로 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들의 속을 예시한다.
도 21 은 전극 결합을 위한 각각의 말단에서 티오메틸 치환기 및 모노머 단위들의 수에 기초하여, 여러 길이를 갖는 2-모노 PEG-PAH 구조를 포함하는 화합물 (XV) 에 의해 표현되는 다환 방향족 히드로카본 브릿지 분자들의 속을 예시한다.
도 22-30 은 도 21 의 화합물 (XV) 에 의해 표현되는 합성 브릿지 분자들에 대한 합성 루트의 일 실시형태를 예시한다.
도 31a 및 31b 는 단일 덴드론이 부착된 폴리안트라센 나노리본 및 대응하는 3D 구조 모델을 포함하는 합성 브릿지 분자의 2D 화학 구조를 각각 예시한다.
도 32 는 센서 회로에 대한 분자 컴포넌트의 일 실시형태를 예시하며, 분자 컴포넌트는 회로 내에 센서 프로브 분자를 배선하기 위해 아암으로서 작용하는 두개의 PAH 분자들을 포함한다.
도 33 은 DNA 시퀀싱에 사용가능한 단일의 PAH 전극 브릿지 분자의 일 실시형태를 예시한다.
도 34 는 DNA 시퀀싱에 사용가능한 단일의 PAH 전극 브릿지 분자의 일 실시형태를 예시한다.
도 35a 및 35b 는 지그-재그 엣지 PAH 브릿지, 화합물 (XIII) 및 대응하는 3D 구조 모델을 포함하는 합성 브릿지 분자의 2D 화학 구조를 각각 예시한다.
도 36-42 는 도 18 의 화합물 (VI) 로의 합성 루트의 일 실시형태를 예시한다.
도 43 은 지그-재그 엣지를 갖는 페닐 치환된 12-APAH 리본 구조를 포함하는 화합물 (XII) 에 의해 표현되는 다환 브릿지 분자들의 일 실시형태를 예시한다.
도 44a-44e 는PAH 브릿지 분자의 일 실시형태를 예시하며, 여기에서, 도 44a 는 화합물 (XIX) 의 2D 화학 구조를 예시하고; 도 44b 는 화합물 (XIX) 의 3D 모델을 도시하고; 도 44c 는 벌크 샘플의 픽처 및 화합물의 TEM 이미지를 도시하고; 도 44d 는 화합물의 질량 스펙트럼을 도시하고; 도 44e 는 화합물의 1H-NMR 스펙트럼을 도시한다.
분자 전자 장치는 전자 회로의 컴포넌트들로서 단일 분자 또는 분자 어셈블리들을 사용하는 회로들을 의미한다. 도 1 은 분자 전자 장치의 일반 개념을 예시하며, 분자는 전자 회로에 회로 소자로서 참여한다. 예시된 실시예에서, 분자는 양극 및 음극 또는 소스 및 드레인 전극 사이에 전기 회로를 완성하는 전도성 브릿지로서 사용된다. 이러한 회로는 감지 회로일 수 있고, 여기에서 단일 분자 브릿지는 테스트 용액의 조성에 관련된 전기 신호을 생성하기 위해 테스트 용액과 상호작용하는 트랜스듀서를 구성한다. 특히, 이러한 센서 복합체는 단일의 전도성 브릿지 분자를 포함할 수도 있고, 신호는 분자 컨덕터를 통과하는 전류의 변조에 관련된다.
도 2 는 브릿지 분자에 더하여 프로브 모듈을 더 포함하는 회로를 포함하는 분자 전자 센서의 일 실시형태를 예시한다. 도면의 상단 부분에서, 프로브 분자는 용액에서의 여러 타겟 분자들과 상호작용하는 것으로 묘사되며, 프로브 분자는 회로에 직접 있는 분자 브릿지 분자에 커플링된다. 도면의 하단 부분은 브릿지 분자를 통과하는 전류의 모니터링을 통하여 기능하는 센서를 도시하며, 이산 전류 스파이크의 생성은 여러 타겟 분자와 프로브 분자의 여러 상호작용을 나타낸다.
도 3 은 분자 센서의 제조시 자기-조립의 일 개념을 예시한다. 여러 양태들에서, 분자 전자 센서들은 화학 반응을 통하여 자기-조립할 수 있어, 상업적 스케일로 효율적인 제조를 허용한다. 도 3 은 자기-조립할 수 있는 화학적 기 L, R 및 P 를 갖는 브릿지 분자를 예시하며, 이에 의해 프로브 분자 ("Probe") 는 P 관능기에 컨쥬게이트하고, 좌측 전극은 L 관능기에 컨쥬게이트하고, 우측 전극은 R 관능기에 컨쥬게이트한다. 여러 실시형태들에서, L 및 R 은 각각 브릿지 분자가 전극에 대한 특정 배향으로 자기-조립할 수도 있도록 하는 화학적으로 상이한 치환기이다. 다른 예들에서, L 및 R 은 동일 기들이다. "좌측" 및 "우측"은 이격된 전극들에 부착될 수 있는 2개의 말단들을 갖는 분자의 배향에 관한 논의를 단순화하기 위해 본 개시 전반에 걸쳐 사용되며, 이격된 2개의 전극들 사이의 갭을 브릿지하기 위해 분자의 하나의 말단은 하나의 전극에 부착되고, 분자의 다른 말단은 다른 전극에 부착된다. 뷰어의 공간 배향에 따라, 좌측 전극은 소스 전극일 수도 있고 우측 전극은 드레인 전극일 수 있으며 그 반대의 경우도 가능하다. 이와 마찬가지로, 길고 좁은 분자 (예를 들어, DNA 올리고머, 폴리펩티드, 또는 다환 방향족 히드로카본 나노리본) 는 좌측 원단 및 우측 원단, 이를 테면, 직사각형 스트립 또는 리본의 짧은 말단 또는 스트링의 피스의 말단들을 가질 수도 있다.
관심 대상은 DNA 시퀀싱에 적용되고 이를 위해 설계되는 분자 센서들이다. DNA 시퀀싱의 분자 센서의 일 실시형태는 도 4 및 도 5 에 예시되어 있다. 이들 예들에서, 전자 회로는 효소, 이를 테면, 브릿지 분자에 컨쥬게이트되는 폴리머라제를 더 포함하는 분자 복합체를 포함한다. 효소는 민감한 전류계로 검출가능한 분자 전자 회로에서 전기 섭동들을 야기하는 DNA 가닥과 프로세스적으로 결합한다. 전도성 브릿지 분자는 바이오폴리머, 예를 들어, 이중가닥 DNA 분자를 포함할 수도 있고, 프로브 분자는 단일 가닥 DNA 의 타겟들과 결합가능한 폴리머라제를 포함하여, 시퀀스 관련 신호들을 생성할 수도 있다. 전기 신호들은 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따라 전류 스파이크들을 포함할 수도 있다. 이에 따라 관찰되는 전류 신호들은 특정 DNA 염기에 대응하는 특유의 스파이크를 포함할 수 있어 DNA 시퀀스의 결정을 허용한다.
도 5 는 DNA 시퀀싱 시스템에 대한 DNA 판독기 디바이스로서 본원에서 사용되는 작동 센서 (200) 의 일 실시형태를 구체적으로 예시한다. 분자 센서 구조체 (200) 는 두개의 전극들 (201 및 202) 을 포함하고, 이들은 티탄 (Ti), 알루미늄 (Al), 구리 (Cu), 루테늄 (Ru), 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 크로뮴 (Cr) 또는 다른 금속을 포함한다. 전극들 (201 및 202) 은 회로 내에 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수도 있다. 전극들 (201 및 202) 은 약 10 nm 의 나노갭 만큼 분리된다. 이에 컨쥬게이트되는 프로브 분자의 상대적 사이즈와 바이오분자 브릿지의 다른 길이를 수용하기 위해 다른 갭 길이들이 요구될 수도 있다. 이 예에서, 브릿지 분자 (203) 는 각각의 금속 전극 (201 및 202) 상에 제공된 금 콘택들 (206 및 207) 에의 브릿지 분자 (203) 의 커플링을 위해 (3' 및 5') 말단들 양자에서 구성된 티올 기들 (204 및 205) 를 갖는, 약 20 nm 길이 (예컨대, 60 개의 염기들; 6 회 나선형 권회) 의 이중 가닥 DNA 올리고머 분자를 포함한다. DNA 올리고머의 말단들과 금 콘택 지점들 사이의 결합들은 금에 결합하는 DNA 브릿지 분자의 5' 말단들 상의 티올 기들로부터 입수가능한 황-금 결합들을 포함한다. 이 센서에서의 프로브 분자는 결국, 합성 DNA 올리고머 (203) 에서의 비오틴화된 뉴클레오티드를 통해서 결합 부위 (214) 에 커플링되는 폴리머라제 상의 비오틴화된 부위를 이용하여, 스트렙타비딘 단백질 (212) 에 대한 공유 결합 (211) 에 화학적으로 가교된 대장균 폴리머라제 I 분자 (210) 의 Klenow 단편을 포함한다. 동작 시, 센서 (200) 는 폴리머라제 (210) 에 의해 프로세싱되는 DNA 가닥 (220) 을 더 포함한다. 도 5 는 분자들 및 원자들의 상대적인 사이즈들을 근사한다. 본 개시 내용에 따르면, 이러한 예시적인 이중 가닥 DNA 브릿지 분자 (203) 는 합성 브릿지 분자, 예컨대 본원에 기재된 융합된 다환 방향족 히드로카본 리본으로 대체될 수 있다.
여러 실시형태들에서, DNA 시퀀싱에 대한 분자 센서는 나노-스케일 전극들, 이를 테면, 복수의 전극쌍들로 배열된 전극들의 어레이들을 더 포함한다. 전극쌍들 중 두개의 전극들은 "나노갭"으로서 본원에서 지칭되는 나노-스케일 갭만큼 이격 (갭 형성) 될 수도 있다. DNA 염기들에 대응하는 센서 신호들을 생성하는데 사용가능한 측정 시스템의 일 예가 도 6 에 예시된다.
도 6 에 예시된 바와 같이, 이러한 나노-스케일 센서는 CMOS 센서 픽셀 어레이의 픽셀들 상으로 사후-프로세싱함으로써 배치될 수 있으며, 이는 병렬로 동작하는 다수의 센서들로부터 이들 신호들을 발생시키는데 필요한 모든 지원 측정, 판독 및 제어 회로부를 더 포함한다. 도 6 은 분자 센서들 내 다양한 전기 컴포넌트들 및 접속들의 일 실시형태를 예시한다. 도면의 상부 부분에, 전극-기판 구조체 (300) 의 단면이, 전압들을 인가하고 센서의 브릿지 분자를 통해서 전류들을 측정하기 위한 분석기 (301) 에 부착된 상태로 예시된다. 도면의 하부 부분에, 브릿징 회로들에 사용가능한 전극 어레이 (302) 의 사시도가 예시된다. 전극들의 각각의 쌍은 제 1 금속 (예컨대, "금속-1"), 및 전극들을 분리하는 갭 근처 각각의 전극 단부에서의 제 2 금속 (예컨대, "금속-2") 의 콘택 도트 또는 아일랜드를 포함한다. 다양한 예들에서, 금속-1 및 금속-2 는 동일한 금속 또는 상이한 금속들을 포함할 수도 있다. 다른 양태들에서, 콘택 도트들은 상이한 금속을 포함하는 금속 전극들 상부의 금 (Au) 아일랜드들이다. 다양한 실험들에서, 콘택 도트들은 예컨대, 브릿지 분자의 각각의 말단에서 티올-금 결합, 또는 반응성 카르벤-금 결합을 통한, 전극 쌍들 사이의 각각의 갭 상에 걸친 단일 브릿지 분자의 자기-조립을 지원하는 금 (Au) 비드들 또는 금 (Au)-코팅된 전극 팁들을 포함한다.
도 7 은 DNA 시퀀싱 센서의 실시형태의 구체화 (reduction to practice) 를 예시한다. 전자 현미경 이미지들은 브릿지 결합에 대한 금 금속 도트 콘택들을 갖는 전극들을 도시한다. 이 예에서, 전극들은 실리콘 기판 상에 배치되며, e-빔 리소그래피를 통해서 제조되었다. 좌측에는, 전극들의 어레이, 이 경우에 금 도트 콘택들을 갖는 티탄이 도시된다. 도면에서의 중간 이미지는 약 15 nm 만큼 이격된 전극들 상의 금 도트 콘택 및 7 nm 의 전극 갭을 보여주는 클로즈업이다. 우측의 이미지는 전극들의 팁에 대략 10 nm 금 도트들을 보여주는 클로즈업이다.
DNA 시퀀싱으로부터 결과적으로 측정된 신호들은 도 8 에 도시되어 있다. 이들 신호들은 시퀀스 G4A8-G4A8-G4A8-G4A8 를 갖는 템플릿을 프로세싱하는 폴리머라제로부터 획득되었다. 신호들은 실험 실행 동안에 전류 대 시간을 도시한다. t = 34 초 내지 39 초까지의 삽입도면은 이 기본이 되는 시퀀스를 반영하는 전기 신호들을 도시한다. 여러 실시형태들에서, 이러한 신호들의 강화는 더욱 정확한 시퀀싱을 제공한다.
분자 전자 센서, 이를 테면, 본원에 논의된 센서들에서의 브릿지 분자는 DNA 이외의 다른 분자들을 포함할 수도 있고, 일부 경우들에 이들 브릿지 분자는 전체적으로 합성 분자들, 이를 테면, 융합 방향족 고리들을 포함하는 다환 방향족 화합물일 수도 있다. 본원에서의 여러 실시형태들에서, 브릿지 결합의 새로운 부류가 분자 전자 센서들에서의 사용을 위해 개시된다. 본원에서는, 부착된 폴리머라제에 의해 매개되는 dNTP (DNA template-driven single molecule nucleotide) 통합 이벤트들을 감지시의 적용을 위한, 그리고 특히, DNA 시퀀싱을 위한, 이들 신규의 분자들을 합성하는 수단 및 이들의 사용 방법을 추가로 개시한다.
본 개시의 추가의 양태들에서, 다환 방향족 분자들이 개시된다. 합성 분자들은 고유 구조 및 여러 관능기를 포함하고 분자 센서 적용에 적합한 부류의 브릿지 분자들을 형성한다. 본원에 개시된 하나의 일반 부류의 이러한 분자들은 도 9 에 개략적으로 예시된 화합물 (I) 에 의해 나타내어진다. 도 9 는 본 개시에 따른 다환 방향족 고리 브릿지 분자들에 대한 일반 구조 방식 및 설계 합리성을 서술한다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 화합물 (I) 에 의해 나타낸 일반 부류의 분자들은 원하는 구조적 그리고 전기적 전도 특성들을 제공하는 융합된 방향족 고리들을 포함한, 폴리머라제 리본형 구조체 또는 나노리본을 포함한다. 방향족 고리들은 이를 테면 나노리본에 대한 특정 구조를 정의하기 위해 호모시클릭 (예를 들어, 완전 헤테로시클릭) 또는 헤테로시클릭 (예를 들어, 리본에서의 방향족 고리에서의 하나 이상의 헤테로원자들), 또는 카보시클릭 및 헤테로시클릭 방향족 고리들의 임의의 조합들일 수도 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 두문자 "PAH" 는 카보시클릭 나노리본, 즉, 융합된 방향족 고리를 포함한 "다환 방향족 히드로카본"을 지칭한다. 여러 실시형태들에서, PAH 내의 방향족 고리들 모두는 벤젠 고리이고, 전체 리본은 π-오비탈로부터 탈국소화된 전극들을 포함한다.
도 9 에서의 화합물 (I) 에 도시된 바와 같이, 좌측 및 우측 기들 (각각, L 및 R 기들) 는 리본의 대향하는 에지들에서의 임의의 위치에 제공된다. 이들 관능기들은 개별적인 회로 전극 쌍들에 대한 자기-조립을 지원하도록 선택되어, 나노리본이 결합될 때 브릿지-투-전극 전도성을 보장하여, 전극들의 쌍 사이를 브릿지한다. 선택적으로, 그리고 관능기 L 및 R 의 특성에 따라, 나노리본, 이를 테면, 화합물 (I) 은 자체를 공간적으로 배향하고 이격된 전극들의 쌍에서 L 이 한 전극에 그리고 R 이 다른 전극에 특이성으로 결합하는 능력을 갖도록 설계될 수도 있다. 화합물 (I) 는 또한 프로브 분자 복합체를 형성하기 위해 나노리본에 대한 프로브 분자의 자기-조립을 지원하는 하나 이상의 부착 기 P 를 포함한다. P-관능기는 분자 리본의 평행의 긴 에지들 중 하나를 따라, 이를 테면, PAH 리본의 길이에서 중간부에 또는 그 근처에 어디에든 위치될 수도 있다. 도 9 에 개략적으로 추가로 예시된 바와 같이, 화합물 (I) 은 또한 PAH 리본의 용해성, 센서 자기-조립, 및 강화된 시그널링 성능을 촉진하도록 선택되는 하나 이상의 다양 관능화 측쇄들 S1, S2, S3 등을 포함할 수도 있다. 도 9 는 개략적으로, 여러 용해도, 구조적, 배좌의 및/또는 자기-조립 특성들을 제공하기 위해 나노리본 화합물 (I) 의 두 에지들 중 어느 하나에 결합된 이들 측쇄들 S1, S2, S3 등을 도시한다. 그러나, 리본 내에 원하는 구조적 및 기능적 특성을 제공하기 위해 리본의 4개의 에지 중 임의의 에지를 따른 임의의 위치에 결합된 임의의 수의 S1, S2, S3 등의 측쇄가 있을 수 있다는 것을 주목하는 것이 중요하다.
화합물 (I) 의 개략적 구조는 예시된 바와 같이 균일한 폭 리본으로 제한되도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 다환 브릿지 분자들의 여러 실시형태들은 3-고리 폭 및 5-고리 폭의 단면과 같은 폭에서의 반복 주기를 포함한다. 이들 불균일한 폭이 본원에 보다 자세하게 논의된다.
이 때 도 10 을 참조하여 보면, 나노리본의 속은 융합된 벤젠 고리들로 완전하게 이루어진 직사각형상의 PAH 코어 리본 구조를 포함하는 화합물 (II) 의 구조로 보다 명료하게 이해될 수 있다. 예시된 바와 같이, 화합물 (II) 은 분자의 코어 구조에서 복수의 융합 고리들로 주로 결정되는 폭 (w) 및 길이 (l) 를 갖는 시트형 구조를 갖는다. 특정적으로, 리본에 결합된 긴 확장 관능기는 분자 브릿지의 폭 및/또는 길이를 과장할 수 있고, 심지어 코어 리본 구조의 폭 및/또는 길이를 능가하지만, 본원에서는 간단하게 코어 리본 구조 치수 w 및 l 을 참조로 한다. 화합물 (II) 의 시트형 구조는 에지 1, 에지 2, 에지 3 및 에지 4 로서 예시된 바와 같이 정의된 리본에 대한 4 개의 에지들을 가져온다. 에지들 1 및 3 은 보다 긴 평행 에지들로서 본원에서 지칭되는 반면, 에지들 2 및 4 은 보다 짧은 평행 에지들로서 본원에서 지칭된다. PAH 리본의 "단부들" 은 본질적으로 에지들, 에지 2 및 에지 4 이다. 이격된 전극들 사이의 갭을 브릿지하기 위하여 에지들 2 및 4, 즉, 리본의 대향하는 보다 짧은 에지들 또는 "단부들" 상에서 L 및 R 관능기들을 갖는 것이 실제적이지만, 화합물 (I) 에 대하여 위에 언급된 바와 같이, 여러 치환기 L, R, P 및 S1, S2, S3 등은 리본 주변 어디에든 위치될 수 있다. 여러 실시형태들에서, 프로브 분자에 대한 결합을 위하여 P 관능기는 길이 (l) 의 중간 근처 어느 곳, 보다 긴 에지들 중 하나, 에지 1 또는 에지 3 를 따라 위치될 수도 있다. 프로브 분자에 결합하도록 구성된 하나 보다 많은 P 관능기가 있을 수 있다. 여러 측쇄들 S1, S2, S3 등의 수와 위치는 전체적으로 가변적임을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어, 화학식 (II) 에서 특정 벤젠 고리에 매우 특이적으로 결합된 하나의 S1 기가 있을 수도 있고 S2 또는 S3 기는 존재하지 않는다. 또는, 수개의 또는 그 이상의 상이한 기들 S1, S2, S3 등이 여러 별개의 부위들에 결합된다. 코어 PAH 리본은 융합된 방향족 시스템을 포함하기 때문에, 하나 이상의 치환기 S1, S2, S3 등은 리본의 에지들을 따라 카본 원자들에만 결합될 수도 있다. 여러 실시형태들에서, 둘 이상의 S1, S2, S3 기들 중 임의의 조합은 추가의 방향족 고리들 또는 비방향족 고리들을 형성할 수도 있다.
여러 실시형태들에서, 리본은 전체적으로 카르보시클릭이고 각각 카본 원자 sp 2 혼성화되도록 융합된 벤젠 고리들을 포함한다. 이러한 나노리본 코어를 갖는 본원의 합성 브릿지 분자들은 전자들의 탈국소화를 통하여 전기 전도성으로 된다. 융합된 벤젠 고리의 공간적 배향에 의존하여, 일정 폭을 갖는 직사각형 리본 구조를 포함하는 PAH 리본은 필수적으로 그 대향하는 평행 에지들 중 두개에서 지그-재그 주기성을 갖고 다른 두개의 대향하는 평행 에지들 상에서 치형 주기성을 갖지만, 리본에서의 고리들 각각에 대한 육각형 형상에 기인하여 어느 경우에도 리본의 4 개의 에지들 모두가 지그-재그형이거나 치형인 것은 아니다. 두개의 평행한 에지들은 필수적으로 치형 주기성을 갖는 한편, 다른 두개의 평행 에지들은 필수적으로 지그-재그 주기성을 갖는다. 도 10 에서의 화합물 (II) 에서, 에지 2 및 에지 4인 보다 짧은 에지들은 지그-재그 주기성을 포함하는 한편, 에지 1 및 에지 3 인 보다 긴 에지들은 치형 주기성을 포함한다. 폭 (w) 이 길이 (l) 보다 더 길게 신장되는 리본은 이 배향을 역전시키고 PAH 리본의보다 짧은 에지들이 치형 주기성을 가질 것이다. 코어 구조가 융용된 벤젠 고리들의 선형 스트링일 때 (즉, 단일 고리 폭 리본), 이들 엄격한 규칙들이 따르지 않는다. 이들 양태들은 여러 아속 및 종 분자들이 논의될 때 보다 명백해질 것이다.
본원에서, "지그-재그" 나노리본은 보다 긴 평행 에지들이 지그-재그 주기성을 포함하는 한편, 단축된 평행 에지들은 치형 주기성을 포함하도록 배향된 융합된 벤젠 고리를 갖는 다환 방향족 나노리본을 지칭한다 (도 35a 는 "지그-재그" 나노리본 구조로서 본원에서 지칭되는 것의 일 예이다).
본원에서, "비-지그-재그" 나노리본은 보다 긴 평행 에지들이 치형 주기성을 갖는 한편 보다 짧은 평행 에지들이 지그-재그 주기성을 포함하도록 배향된 융합된 벤젠 고리들을 갖는 다환 방향족 히드로카본 나노리본을 지칭한다 (도 10 에서의 화합물 (II) 은 보다 긴 평행 에지가 아닌, 보다 짧은 평행 에지들인 에지 2 및 에지 4 가 지그-재그 주기성을 갖기 때문에, "비-지그-재그" 나노리본 구조로서 본원에서 지칭되는 것의 일 예이다).
지그-재그 나노리본들 (예를 들어, 도 35a, 35b 및 43 에서 예시화된 구조) 에 대해, 각각의 융합된 벤젠 고리는 나노리본의 길이에 대해 0.23 nm 로, 나노리본의 폭에 대해 0.46 nm 로 기여한다. 여러 실시형태들에서, 지그-재그 나노리본의 길이는 약 12 내지 약 434 개의 벤젠 고리의 범위 (약 3 nm 내지 약 100 nm) 그리고 약 1 내지 약 50 개의 벤젠 고리 (약 0.46 nm 내지 약 23 nm) 의 범위에 있다. 비-지그-재그 나노리본 (예를 들어, 도 9 에서 화합물 (I) 및 도 10 에서 화합물 (II)) 에 대해, 벤젠 고리의 배향은 역전되고, 각각의 벤젠 고리는 0.46 nm 를 나노리본의 길이로 그리고 0.23 nm 를 나노리본의 폭으로 기여한다. 여러 실시형태들에서, 지그-재그 나노리본, 이를 테면, 화합물 (II) 의 길이는 약 6 내지 약 217 개의 벤젠 고리의 범위 (약 3 nm 내지 약 100 nm) 그리고 약 1 내지 약 100 개의 벤젠 고리 (약 0.23 nm 내지 약 23 nm) 의 범위에 있다.
화합물 (II) 의 예시된 실시형태 (도 10) 에서, 리본 형상의 분자의 폭을 가로지르는 8 개의 방향족 고리와 길이 아래의 36 개의 방향족 고리가 존재한다. 도시된 바와 같이, 보다 긴 평행 에지들인, 에지 1 및 에지 3 은 치형 주기성을 갖는 한편, 보다 짧은 평행 에지들은 지그-재그 주기성을 가지며 이에 따라, 보다 긴 에지들이 비-지그-재그이기 때문에 (즉, 이들은 치형 주기성을 포함하고 있기 때문에) 이 분자는 본원에서의 명명법에 따라 "비-지그-재그" 나노리본 구조를 포함한다.
여러 실시형태들에서, 분자 센서에서의 사용을 위한 합성 브릿지 분자는 융합된 다환 방향족 히드로카본 PAH 고리 코어 구조를 포함하고, 리본 코어 구조는 분자의 상부 및 하부 에지들로 지정된 2 개의 일반적으로 평행한 보다 긴 에지들 및 분자의 좌측 및 우측 에지들 (또는 말단기) 로 지정된 2 개의 일반적인 짧은 평행 에지들을 갖는 직사각형 및 시트형이고, 리본의 2 개의 보다 긴 에지들은 지그-재그 주기성을 포함하고, 분자의 2 개의 보다 짧은 에지들은 치형 주기성을 포함하고 ("지그-재그" 나노리본), 또는 위에 설명된 바와 같이 그 반대 ("비-지그-재그" 나노리본) 도 가능하며, 합성 브릿지 분자는 분자의 좌측 (짧은) 말단기에 결합된 적어도 하나의 좌측 치환기 "L" 및 분자의 우측 (대향하는 짧은) 말단기에 결합된 적어도 하나의 우측 치환기 "R" 을 더 포함하고, L 및 R 은 각각 전극 상에 배치된 금속 콘택 포인트에 또는 금속 전극에 결합가능하고 그리고, 리본 코어 구조에 대한 관능기 L 및 R 의 결합은 주변 벤젠 고리 중 하나의 카본 원자에 대한 직접 공유 결합을 포함할 수도 있거나 또는 L 및/또는 R 은 ("연결기"로서 지칭되는) 임의의 수의 개재 원자들에 의해 리본 코어 구조에 연결될 수도 있다. 일반적으로, L 및 R 양쪽 모두는 금속, 이를 테면, 금에 대한 나노리본의 결합을 용이하게 하는 관능기를 갖는다. 여러 양태들에서, L 및 R 은 황 원자를 포함하고, 일부 예들에서, L 및 R 각각은 티올, 티올 에테르, 디술파이드 또는 디술파이드 에테르를 포함한다. 다른 실시형태들에서, L 및 R 의 일방 또는 양방은 금 및 다른 금속들에 결합가능한 반응성 카르벤 모이어티를 포함한다. 특정 양태들에서, 이를 테면, PAH 브릿지 분자의 배향을 위하여 제공하기 위하여 L 또는 R 은 티올 관능기를 포함할 수도 있는 한편 L 또는 R 은 반응성 카르벤을 포함할 수도 있다. 여러 예들에서, L 및/또는 R 은 금 또는 다른 금속들에 대한 결합을 위한 반응성 카르벤을 형성할 수 있는 카르벤 전구체를 포함한다.
여러 실시형태들에서, L 및/또는 R 은 반응성 카르벤 원자 또는 반응성 카르벤 원자를 유도할 수도 있는 카르벤 전구체를 포함할 수도 있고, 이는 이후 금 또는 다른 금속에 결합할 수 있다. 본원에서, 용어 "반응성 카르벤" 은 하나의 추가적인 비공유된 전자들의 쌍을 갖는 2가 중성 카본 원자로서 화학적으로 정의되는 카르벤 원자를 갖는 임의의 치환기를 포함하기 위해 넓게 사용된다. 이에 따라, 여러 실시형태들에서, L 및/또는 R 은 적어도 하나의 카르벤 원자를 포함한다. 카르벤 원자는 임의의 다른 유형들의 원자들에 의해 플랭킹될 수도 있다. 여러 양태들에서, 카르벤 원자는 N 개의 원자들로 양측면에 플랭킹될 수도 있다. N 개의 원자들 및 중앙 카르벤 원자는 인접하고 고리 내에 있으며 반응성 카르벤 모이어티는 "N-헤테로시클릭 카르벤" 또는 "NHC" 로서 지칭된다. NHC 에서의 반응성 카르벤의 안정성 및/또는 지속성은 종종 각각의 N-원자 상에 벌크한 치환기, 이를 테면, i-프로필 기, t-부틸 기, 또는 아다만틸 기 등을 갖는 것에 의해 입체적으로 촉진된다. 또한, 용어 "카르벤 전구체" 는 이를 테면, 염기와의 반응시 반응성 카르벤 원자를 생성하는 모이어티를 나타나는데 사용된다. 여러 양태들에서, 카르벤 전구체는 구조, -+N=CH-N- 를 포함하고, 염기와의 반응시 (중앙 알케닐 카본 원자를 탈양성자화하기 위해), 반응성 카르벤, -N-C-N-을 생성한다. 안정화 카르벤 및 금에 결합한 카르벤의 여러 양태들은 Crudden, C. M., 등의 "Ultra Stable Self-Assembled Monolayers of N-Heterocyclic Carbenes on Gold" Nature Chemistry, 6, 409-414 (2014) 에 개시되어 있으며, 본원에서는 이를 참조로서 포함한다.
여러 실시형태들에서, L 및/또는 R 은 디아졸 또는 벤조디아졸 기를 더 포함하는 카르벤 전구체를 포함한다. 각각의 N-원자는 입체적으로 벌크한 기, 예를 들어, i-프로필, t-부틸 또는 아다만틸 기를 더 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 금에 결합한 L 및/또는 R 말단기는 다음 구조, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일을 포함하고, 이는 염기, 예를 들어, KOtBu에 의해 탈양성화되어 NHC 를 생성할 수 있다:
위의 구조에서, 물결선은 나노리본의 주변부를 둘러싸는 방향족 고리 중 하나로의 직접 또는 개재 원자들을 통한 나노리본 코어 구조에 대한 부착 지점을 나타낸다. 위의 NHC-전구체 치환기는 대칭성이며, 이에 따라 6-일 또는 5-일 위치들로의 연결은 등가이다. 치환기가 또한 이성체화될 수 있고, 이중 결합의 위치는 양의 전하가 다른 N-원자로 이동함을 주지한다. 위에 언급된 바와 같이, i-프로필 기는 다른 입체적으로 벌크한 기로 대체될 수 있다.
다른 실시형태들에서, 금 또는 다른 금속에 결합한 L 및/또는 R 말단기는 다음 구조, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-티오일을 포함하고, 이는 염기, 예를 들어, KOtBu에 의해 탈양성화되어 NHC 를 생성할 수 있다:
위의 구조에서, 물결선은 나노리본의 주변부를 둘러싸는 방향족 고리 중 하나로의 직접 또는 개재 원자들을 통한 나노리본 코어 구조에 대한 부착 지점을 나타낸다. 위의 NHC-전구체 치환기는 대칭성이며, 이에 따라 6-일 또는 5-일 위치들로의 연결은 등가이다. 치환기가 또한 이성체화될 수 있고, 이중 결합의 위치는 양의 전하가 다른 N-원자로 이동함을 주지한다. 위에 언급된 바와 같이, i-프로필 기는 다른 입체적으로 벌크한 기로 대체될 수 있다. 위에 제공된 2 개의 카르벤 전구체 구조는 나노리본에 대한 이들의 부착 연결에서 즉, 개재하는 S-원자의 존재 또는 부재에서 상이하다.
도 9 에서의 화합물 (I) 및 도 10 에서의 화합물 (II) 을 계속 참조하여 보면, 본 개시에 따른 나노리본은 프로브 분자, 이를 테면, 효소 또는 다른 결합 프로브에 결합 가능한 적어도 하나의 치환기 P 를 더 포함한다. 여러 실시예에서, P 는 리본의 상부 또는 하부 에지에 결합되고 리본의 긴 에지들 중 하나를 따라 주변 벤젠 고리 상에 이용가능한 부위에 직접 결합되거나 또는 임의의 수의 개재 원자들을 통하여 결합된다. 여러 비-제한적인 예들에서, P 는 아지드, 알킨, 티올, 비오틴, 카르복실산, 케톤, 알데히드, 알코올 또는 스트렙타비딘을 포함할 수도 있다. 여러 실시형태들에서, P, 즉, P-기의 구조의 부분으로서 반응성 아지드, 알킨, 티올, 비오틴, 카르복실산, 케톤, 알데히드, 또는 알코올 모이어티를 갖거나 스트렙타비딘을 포함하는 P 에 대한 이들 관능성 선택들은 다방향족 코어 구조의 부분으로부터 이격될 수도 있고, 이 코어 구조는, AHX 연결기 (6-아미노헥사노산), 임의의 길이의 PEG, 또는 C- 및 에테로원자의 여러 조합을 갖는 테더의 임의의 다른 구성에 의해 결합된다.
여러 실시형태들에서, P 는 하기로부터 선택된다:
-CH(CH3)-SH;
-C(CH3)2-SH;
-CH2-C(CH3)2-SH;
-(CH2)10-N3;
-PEG-5-비오틴;
-(CH2)7-C(=O)NH-(CH2CH2O)4-(CH2)3-N3;
-(CH2)9-C(=O)NH-(CH2CH2O)6-(CH2)2-O-NH2;
클릭 화학물질을 위한 임의의 다른 아지드 또는 알킨;
알콕시아민, 또는 알콕심 클릭 화학물질을 위한 케톤 또는 알데히드; 또는
생화학적 연결을 위한 스트렙타비딘.
프로브 분자, 이를 테면 DNA 폴리머라제 또는 다른 프로세스적 효소는 이를 테면, 티아졸, 알콕심, 비오틴-스트렙타비딘 복합체 또는 이들의 임의의 조합의 형성을 통하여 다환 방향족 브릿지 화합물 상에서 P-기에 대한 프로브 분자의 연결을 허용하기 위해 상보적 모이어티로 유도될 수 있다.
화합물 (I) 및 (II) 로 표현되는 합성 브릿지 분자는 하나 이상의 측쇄, S1, S2, S3 등을 더 포함하고, 그 각각은 리본의 4 개의 에지들 중 어느 것에, 이를 테면, 상부 또는 하부의 보다 긴 평행 에지들에 결합된다. 이들 하나 이상의 측쇄들은 PEG 에스테르 또는 PEG 에테르, 덴드론, 또는 다른 기 이를 테면, 본원에 설명된 바와 같은 짧은 또는 긴 사슬 에스테르 또는 에테르를 포함할 수도 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 약어 표기 "X-APAH" 는 다환 방향족 히드로카본 구조에 기초하고 그 폭을 따라 X 원자를 포함하는 나노리본 브릿지 분자의 폭을 나타낸다. PAH 리본은 이를 테면, (8) 융합된 벤젠 고리 및 이로부터의 17 개의 인접하는 카본 원자들로 정의되는 폭 (w) 을 갖는 도 10 의 화합물 (II) 로 예시된 리본에 대한 폭 및 길이를 정의하는 방향족 고리의 융합체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 좌우로 융합된 테트라센 (나프타센) 단위를 갖는 분자는 "9-APAH" 구조를 갖는 것으로서 지정될 수도 있는데 이는 이러한 분자가 테트라센 구조에서 말단에서 말단까지의 라인에서 9-카본 원자들을 갖기 때문이다. 헥사센, 6 개의 벤젠 고리의 선형 융합체는 말단에서부터 말단까지 13 개의 원자들을 제공하고, 이에 따라 헥사센에 기초한 구조는 "13-APAH" 구조를 갖는 것으로서 본원에서 지칭될 수도 있다. 도 10 에서의 화합물 (II) 의 구조는 "17-APAH" 구조를 갖는 것으로서 지칭될 수도 있다. 여러 실시형태들에서, X-APAH 나노리본에 대한 X 는 약 2 (예를 들어, 선형으로 융합된 시클로부타디엔의 스트링) 내지 약 201 (예를 들어, 리본의 폭을 따라 함께 융합된 약 100 개의 벤젠 고리를 갖는 다환 방향족 히드로카본 리본) 이다. 비-지그재그 융합된 벤젠 고리 시스템들, 이를 테면, 예시된 화합물 (I) 및 (II) 구조에 대해, X = 2 곱하기 (벤젠 고리의 수) - 1 이다. 따라서, 도 10 에서의 화합물 (II) 에 대해, X = (2 x 8) -1 = 17 이다. 이에 따라, 화합물 (I) 및 (II) 로서 표기된 리본은 17-APAH 리본으로서 지정될 수 있다.
관능화된 다환 방향족 히드로카본 나노리본은 이전에 설명되었다. 그러나, 개시된 분자는 부속물, 이를 테면, 본원에 개시된 바와 같이 L, R, P, S1, S2, S3 등의 기로 정확하게 관능화되지 않는다 (Y. Huang 등의 "Poly(ethylene oxide) Functionalized Graphene Nanoribbons with Excellent Solution Processability" J. Am. Chem . Soc ., 2016, 138 (32), pp 10136-10139 를 참조한다).
다환 방향족 브릿지 분자의 다른 실시형태, 화합물 (III) 이 도 11 에 예시되어 있다. 화합물 (III) 은 방향족 히드로카본 고리로부터 형성된 리본을 포함하고, 자기-조립 및/또는 수용성 측쇄의 임의의 조합을 제공하는 다양한 기를 더 포함한다. 여러 실시형태들에서, 화합물 (III) 은 프로브 분자 복합체 형성 및 화합물 (III) 의 각각의 말단의 전극에 대한 결합을 용이하게 하는 치환기를 포함한다. 구조에서 주지된 바와 같이, 여러 기는 하나보다 많은 카본 원자에서 리본에 결합할 수 있고, 이를 테면, 치환기는 리본의 주변 벤젠 고리 중 하나에 융합된 시클릭 구조를 포함한다. 정수 n 및 m 에 의해 결정된 바와 같이 리본의 길이 및 여러 치환기들 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, Y, W, Y', W', Y", W" 의 범위가 본원에서 아래 논의된다. 여러 치환기의 특정 선택에 의해, 화합물 (III) 은 여러 회전적 대칭을 가질 것이다.
도 12 는 강화된 수용성을 위한 폴리에틸렌 글리콜 ("PEG") 폴리머 측쇄 및 금속 전극에 커플링하기 위한 말단 티올기를 갖는 다환 방향족 히드로카본 융합된-고리 나노리본 구조를 포함하는 다환 방향족 브릿지 분자, 화합물 (IV) 의 일 실시형태의 3D 공간-충전 모델을 예시한다. 화합물 (IV) 의 나노리본 부분의 폭은 약 0.95 nm 이고 길이는 약 6 nm 이다. 여러 실시형태들에서, 이 분자는 분자의 코어 리본 부분에 추가적인 융합된 방향 고리들을 첨가하는 것에 의해 약 5 nm 내지 약 50 nm 의 길이를 갖도록 합성될 수도 있다.
도 13 은 DNA 시퀀싱에 대하여 구체적으로 적용가능한 다환 방향족 브릿지 복합체, 화합물 (V) 의 일 실시형태의 3D 공간-충전 모델을 예시한다. 복수의 PEG 측쇄를 또한 담지하는 PAH 에 연결된, 그 위에 dNTP 가 복합화된 E. coli Klenow 단편 폴리머라제가 3D 공간-충전 모델로 도시된다. 이 경우에, 폴리머라제는 자기-조립 측면 기에 컨쥬게이트되고, 나머지 PEG 측쇄는 수용성을 제공하고, 및 티올기는 티올-금 결합을 통하여 금 전극들에 커플링하기 위하여 리본의 2 개의 대향하는 짧은 말단들 각각에 제공된다. 화합물 (V) 복합체는 약 6 nm 폭으로 약 7 nm 깊이로 약 16 nm 길이로 측정된다. 분자의 PAH 부분은 그 길이가 약 5.7 nm 로 측정된다. 다른 변형에서, PAH 컴포넌트의 길이는 약 5 nm 내지 약 50 nm 일 수도 있고 보다 긴 PEG 측쇄들 및/또는 다양한 수의 PEG 측쇄들을 포함할 수도 있다. 도 13 의 모델에서 중심 원자들 (130) 은 폴리머라제와 복합화되는 dNTP 분자의 인 원자이다.
도 14, 15, 및 16 은 본원에서의 다환 방향족 브릿지 분자의 합성시 빌딩 블록 또는 반응 중간체로서 사용가능한 저분자 중량 시클릭 방향족 고리의 비제한적 실시형태들을 예시하거나, 또는 본원에 개시된 최종 브릿지 분자 구조에서 나타나는 여러 서브구조 또는 폴리머 단위의 실시예들로서 예시한다.
본 개시의 여러 실시형태들에서, 다환 방향족 브릿지 분자는 "정밀-제조가능"하며, 본원에서 이는 원자적으로 정밀한 분자 구조를 실현하기 위해 합성 유기 화학물질 및 폴리머 화학물질의 기법을 사용한 상향식 합성을 포함하는 제조를 의미한다. 이 합성 방법은 센서 성능에서의 감소된 변동의 이점을 제공할 뿐만 아니라 자기-조립 화학적 합성 방법을 사용한 상업적 적용에 필요한 스케일에서 효율적이고 정밀한 대량 생산을 제공한다. 다른 이점은 이러한 분자들이 에너지 밴드 갭에서 이를 테면, 분자 전자 회로에서의 트랜스듀서로서 유리한 전기 성능 특성을 제공하는 규칙적인 카본 고리 폴리머 구조 또는 다른 방향족 고리기의 사용을 통하여 매우 전도성이거나 또는 반도체성인 것으로 설계될 수 있다는 것이다. 이러한 방향족 분자들은 전자 전도성을 촉진하는 것으로 알려져 있고 이러한 구조의 나노-스케일 치수는 에너지 밴드갭을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 더 높은 전류는 신호 전류의 더 효율적인 측정 및 개선된 신호 대 잡음 비를 제공할 수도 있다. 또한, 밴드 갭의 도입은 변조 팩터에 대한 더 큰 또는 비선형 전류 신호 응답을 위해 제공할 수도 있다. 다른 이점은 센서 구성의 정밀한 자기-조립을 가능하게 하는 자기-조립 그룹을 포함하는 것이다. 본원에서의 화학 구조는 고도의 스케일러블 멀티-센서 포맷에서, 및 특히 CMOS 칩 상의 대규모 센서 얼레이로서 상업적 배치를 위한 이점을 제공한다. 이 CMOS 포맷은 수천, 수백만 또는 심지어 수십억 개의 센서들을 경제적이고 대량생산가능한 포맷으로 제공한다.
특정 나노리본 상의 측쇄가 용해성을 촉진시키는데 사용될 수 있다는 것이 본원에 개시된 분자의 추가의 이점이며, 이는 관심있는 상이한 용액에서의 이들의 사용에 중요하다. 여러 실시형태들에서, 이를 테면, 수용액에서, PEG 와 같은 측쇄는 이러한 측면 기의 부재에서 달리 낮은 용해성을 갖는 코어 방향족 리본에 대한 수용성을 제공한다.
DNA 시퀀싱 적용을 위한
다환
방향족
브릿지
분자의 용도
여러 실시형태들에서, 본원에 개시된 다환 방향족 브릿지 분자는 DNA 시퀀싱을 위한 분자 전자 센서들에서의 사용에서 찾는다. DNA 또는 게놈 시퀀싱 적용을 위해, 분자 센서의 브릿지 분자는 도 4 및 5 에서 그리고 PAH 브릿지 프로브 복합체의 특정 실시형태, 화합물 (V) 에 대해 도 13 에서 개념적으로 예시된 바와 같이 폴리머라제 프로브 분자에 컨쥬게이트될 수도 있다. 이 적용을 위해, 인가된 전압의 가압 하에서 브릿지 분자를 통과하는 전류는 폴리머라제가 테스트 DNA 템플릿의 상보적 가닥을 합성할 때 모니터링된다. 혼입 이벤트의 신호들, 및 염기 특정 혼입 이벤트들은 DNA 시퀀싱 적용을 위한 감지 용량을 제공한다. 하나의 실시형태에서, 천연 폴리머라제 효소 및 천연 dNTP들 (dATP, dCTP, dGTP, 및 dTTP) 이 표준 효소 버퍼에서 사용되어 이러한 전기 신호들을 발생시킨다.
다른 실시형태에서, 분자 센서의 사용의 소자들은 전류의 변조를 직접 또는 간접으로 강화하기 위해 그리고 개질된 dNTP들 및 개질된 버퍼 조성물들과 같은 혼입 또는 염기 식별의 시퀀스 관련된 신호들을 증가시키기 위해 개질될 수도 있다. 이들 설정들 모두에서, 적절하게 설계되고 최적화된 다환 방향족 브릿지 분자의 사용은 분자 브릿지에 대한 다른 옵션들-이를 테면, 바이오폴리머 분자 와이어들 (도 4 에서의 DNA, 또는 단백질), 카본 나노튜브들과 같은 재료로부터 형성된 분자 스케일 와이어, 실리콘 나노와이어, 또는 금속 나노와이어, 또는 그래핀, 몰리브덴 디술파이드 (MoS2) 와 같은 2D 재료로부터 형성된 브릿지부 등에 비해, 향상된 신호들 또는 향상된 신호 대 잡음 비, 또는 개선된 자기-조립 프로세스, 또는 이러한 DNA 시퀀스 센서들에 대해 제조하는 개선된 정밀성을 제공할 수 있다. 이들 이점은 위와 같이, 구조 상의 정밀한 제어, 조립, 용해도, 전기 전도성, 및 효율적인 대량 생산 및 제조에 관련된다.
DNA 시퀀싱에 대한 센서들의 문맥에서, 본 개시에 따른 둘 이상의 다환 방향족 브릿지 분자들은 폴리머라제 프로브 분자 상의 두개의 별개의 부위에 대한 "아암"으로서 부착될 수도 있고, 아암의 다른 말단은 전극에 커플링하여, 폴리머라제가 전극들 사이에서 전체적인 전도 경로의 중심 소자를 직접 형성하게 한다. 폴리머라제에 대한 브릿지 분자 아암들의 커플링은 여러 컨쥬게이션 방법에 기초할 수도 있다. 예를 들어, 폴리머라제는 표면 시스테인 기를 포함하도록 변이될 수 있고, 시스테인 결합 말단들, 이를 테면, 말레이미드는 폴리머라제를 커플링하도록 의도된 아암의 말단 상에 제공될 수 있다. 다른 예들에서, 이들 아암의 두개 이상이 이 적용에 사용될 수도 있다. 또한, 혼입 동안에 dNTP들 (천연 또는 개질된) 또는 폴리머라제 (천연 또는 개질됨) 와의 상호작용을 촉진하도록 구조화된 브릿지 분자들이 시그널링을 추가로 강화할 수 있다. 예를 들어, 이러한 상호작용은 dNTP 기질을 프로세싱하는, 이를 테면, 이를 늦추거나, 배좌 변화를 증폭하거나, 또는 유입 dNTP들 (천연 또는 개질됨) 과 직접 상호작용하는 효소의 역학을 변경할 수 있다. 히드로카본 고리를 포함하는 다환 방향족 브릿지에 대해, 브릿지 상의 피렌 또는 다른 다환 방향족 서브구조체의 적층은 브릿지-폴리머라제 또는 브릿지-dNTP 상호작용을 촉진하거나, 또는 폴리머라제, 또는 dNTP들에 대한 피렌 타입 기의 첨가를 통한 브리지-폴리머라제 자기-조립을 촉진할 수도 있다. 히드로카본 방향족 고리 브릿지의 이러한 경우에, 다양한 세제, 또는 구체적으로 피렌계 세제는 조립 동안에 브릿지 분자의 응집을 방지하기 위해 또는 센서 동작 동안에 원하지 않는 상호작용을 방지하기 위해 유익한 효과를 제공할 수도 있다.
특히, DNA 시퀀싱을 위한 적용을 위하여, 다환 방향족 브릿지 분자 및 합성 화학물질 프로세스에 의한 이들의 제조, 및 이들의 사용을 위한 방법에 대한 여러 실시형태가 아래 설명되어 있다.
다환
방향족
히드로카본
(
PAH
)
브릿지
분자들의 구조
본원에서의 다환 방향족 브릿지 분자의 하나의 속 부류는 이를 테면, 도 9 에 도시된 화합물 (I) 및 도 10 에 도시된 화합물 (II) 에 개략적으로 나타낸 다환 방향족 히드로카본 (PAH) 브릿지 분자이고, 여기에서, 분자의 방향족 나노리본 백본은 융합된 히드로카본 고리, 이를 테면, 벤젠 고리, 또는 도 14 및 15 에 보다 일반적으로 나타내어진 것들과 같은 다른 빌딩 블록 및 서브구조를 포함한다. 단일- 및 다중-컴포넌트 PAH 브릿지 분자 양쪽의 특정 실시형태들이 본원에 서술된다.
DNA 시퀀싱을 위한 단일
PAH
전극
브릿지
(
PAHEB
) 분자
DNA 시퀀싱 센서에서의 사용을 위해 의도된 단일 컨덕터 PAH 전극 브릿지 분자 (본원에서 "PAHEB") 가 본원에 개시되어 있다. 이들 실시형태들에 대해, PAHEB 가 결합해야 하는 프로브 분자는 폴리머라제를 포함할 수도 있다. 다른 결합 프로브 분자들이 다른 감지 적용을 위하여 폴리머라제를 대체할 수 있고 본원에 개시된 브릿지 분자 구조로부터 이익을 달리 도출할 수 있음을 이해할 것이다.
PAHEB 의 두개의 예시적인 구조적 부류는 도 33 에서의 화합물 (IX) 및 도 34 에서의 화합물 (X) 로 나타내어진다. 화합물 (IX) 및 화합물 (X) 양쪽에, 도 33 및 34 에 도시된 구조 "캡-폴리머1-브랜치-폴리머2-캡" 는 보다 짧은 에지들의 각각에서 유도된 인접하는 융합된 다환 방향족 히드로카본 나노리본을 포함하며, 약 3 nm 내지 약 1000 nm 길이, 약 5 nm 내지 약 100 nm 길이, 약 10 nm 내지 약 50 nm 길이, 또는 약 15 nm 내지 약 30 nm 길이를 측정한다. 비-지그-재그 나노리본에서, 구조 "캡-폴리머1-브랜치-폴리머2-캡"은 6 내지 약 2173 개의 벤젠 고리, 약 10 내지 약 217 개의 벤젠 고리, 또는 약 21 내지 약 108 개의 벤젠 고리를 그 길이 아래로 포함한다. 지그-재그 나노리본에서, 구조 "캡-폴리머1-브랜치-폴리머2-캡"은 12 내지 약 4346 개의 벤젠 고리, 약 20 내지 약 434 개의 벤젠 고리, 또는 약 42 내지 약 216 개의 벤젠 고리를 그 길이 아래로 포함한다.
화합물 (IX) 및 화합물 (X) 양쪽에서, 도 33 및 34 에 도시된 각각의 "캡"은 구체적으로 그리고 전극들 사이의 갭에 걸쳐 있도록 전극 쌍에서의 두개의 이격된 전극들 각각에 대한 자기-조립, 이를 테면, PAH 상에서 티올, 티오에테르, 디술파이드, 디술파이드 에테르, 금 결합 펩티드, 디티오카르복실레이트, 또는 반응성 카르벤 또는 이들의 임의의 조합의 사용을 통한 금 전극 표면에 대한 고유 결합에 의해 결합할 수 있는 단일 모노머 단위를 나타낸다. 별개의 좌측 및 우측 전극 재료들 또는 앵커 부위에 대한 배향된 결합을 촉진하기 위하여 상이한 화학 구조의 좌측 및 우측 "캡" 모이어티가 있을 수 있다.
화합물 (IX) 및 화합물 (X) 양쪽에서, 도 33 및 34 에 도시된 "폴리머1" 및 "폴리머 2" 각각은 유기 용매 이를 테면, 테트라히드로푸란에서의 용해성 및 수중 분산성을 가능하게 하기 위해 적어도 하나의 가용화기로 유도된 폴리머의 부분, 이를 테면, 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 을 나타낸다. PEG 모이어티의 길이는 비치환된 폴리머가 물과 같은 특정 용매에서 가질 수 있는 용해도 문제를 극복하기 위해 임의의 적절한 길이로 이루어질 수 있다.
화합물 (IX) 및 화합물 (X) 양쪽에서, 도 33 및 34 에 도시된 "브랜치" 는 예를 들어, 하나 이상의 S-알킬 또는 S-아릴 접속에 의해 폴리머라제 상에서 표면 시스테인 잔기를 통하여 DNA 폴리머라제 상에서 1 이상의 부위에 연결된 단일의 모노머 유닛 또는 짧은 분자 연결기 (어느 것이든 2가이다) 를 나타낸다. 이러한 표면 시스테인 부위는 효소 상에 천연 또는 변이된 부위들을 포함한다.
화합물 (IX) 및 화합물 (X) 양쪽에서, "-S-"는 폴리머라제에 대한 2가 술파이드 연결을 나타낸다. 도 33 에서의 화합물 (IX) 은 하나의 술파이드 연결을 예시하고 도 34 에서의 화합물 (X) 은 폴리머라제에 대한 두개의 술파이드 연결의 사용을 예시한다.
여러 실시형태들에서, 단일 컨덕터 PAHEB, 이를 테면, 화합물 (IX) 및 (X) 은 PAH 리본의 대향하는 말단 상에 제공된 "캡" 관능기들을 통하여 이격된 전극 쌍에서 두개의 전극 각각에 부착될 수 있다.
분자 전자 센서용
다환
방향족
브릿지
분자의 실시형태
다음은 여러 분자 전자 센서 적용을 위한 브릿지 분자의 비제한적 예시의 실시형태들이다. 각각의 이러한 실시형태는 유기 화학물질 및 분자 감지의 당해 기술 분야의 당업자에게 명백한 추가의 많은 변형들을 가질 수 있음을 이해할 것이다. 또한 이들 실시형태들이 이점있는 구조를 강조하고 개시된 이해 및 교시를 위한 목적으로 제공되며 어느 경우에도 본 개시의 범위를 제한하지 않음을 이해해야 한다.
대략 균일한 폭을 갖는 실질적
직사각형 나노리본
구조
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 브릿지 분자는 도 9 에서의 화합물 (I) 에 의해 개념적으로 그리고 도 10 에서의 속 구조 화합물 (II) 에 의해 보다 명확하게 나타내는 일반 구조를 포함한다. 화합물 (I) 및 (II) 에서, 전기 전도성 나노카본은 다환 시스템에서 함께 융합된 방향족 고리를 포함한다. 고리는 카보시클릭 또는 헤테로시클릭일 수 있고, 리본은 하나의 고리 유형 또는 일정한 구조로 배열된 고리 유형들의 혼합으로부터 형성될 수도 있다. 여러 실시형태들에서, 도 10 의 화합물 (II) 에 의해 예시된 바와 같이 융합된 고리 시스템은 리본에서의 여러 위치들에서 임의의 수의 질소 원자들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 임의의 수의 고리는 예를 들어, 구조 전반에 걸쳐 산재된 피리딘 또는 피리미딘을 포함할 수도 있다. 나노리본은 다음의 설계 합리성에 따라 착안될 수도 있고: 리본의 링 구조는 구조적 특성 및 전도도를 제공한다. 좌측 (L) 및 우측 (R) 말단 기는 L 및 R 의 화학적 성질에 따라 분자의 좌측 및 우측 말단의 배향으로 가능하게 전극들에 자기-조립을 제공한다. 말단 기는 직접 결합 상호작용 (예를 들어, 예컨대, S-Au 결합들) 을 통하여, 방향족 π-클라우드 상호작용을 통하여, 또는 양쪽 종류의 콘택을 통하여 전극 표면으로 브릿지-대-전극의 전기 전도를 제공한다. 관능적 치환기 (P) 는 프로브 분자에 대한 자기-조립 컨쥬게이션을 제공한다. 나노리본 코어 구조의 에지들의 어느 것 상의 측쇄들은 용해도, 구조적 및/또는 배좌 특성을 제공한다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 브릿지 분자는 도 11 에서의 화합물 (III) 로 표현되는 구조를 포함하고, 전도성 올리고머 리본 = 7-APAH (분자의 폭을 가로질러 걸쳐있는 안트라센 단위를 통하여 7 원자 폭 다환 방향족 히드로카본) 이다. 화합물 (III) 은 폭에서 대략 0.7 nm 이다. 도 17 은 구조 아래에 적절하게 라벨링된 분자의 관능성 영역을 갖는 속 화합물 (III) 을 도시한다. 여러 실시형태들에서, 프로브 분자, 이를 테면, 폴리머라제는 이를 테면, 브랜치 영역에서 R3 및/또는 R4 을 통하여, 직접 또는 2가 연결기를 통하여 합성 분자 브릿지에서 중앙 모노머에 결합될 수도 있고, 다음의 교차 적합성 세트들로부터 선택된 1 내지 3 연결기를 더 포함할 수도 있다.
a. (클릭 화학물질을 위한) 아지드 또는 알킨;
b. 알콕시아민, 또는 (알콕심 클릭 화학물질을 위한) 케톤 또는 알데히드; 또는
c. (생화학적 결합을 위한) 비오틴 또는 스트렙타비딘.
프로브 분자 (이를 테면 DNA 폴리머라제 또는 다른 결합 프로브) 는 이를 테면, 티아졸, 알콕심, 비오틴-스트렙타비딘 복합체 또는 이들의 임의의 조합의 형성을 통하여 전도성 PAH 리본에 대한 프로브 분자의 연결을 허용하기 위해 상보적 모이어티로 유도될 수 있다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 12 에서의 3D 공간 충전 모델로서 예시된 화합물 (IV) 을 포함한다. 화합물 (IV) 은 화합물 (III) (도 11) 로 표현되는 속 내에 종 분자이며, 여기에서:
R1 = PEG-20;
Y 및 W 는 -O-이고;
R3 및 R4 는 아지도-(CH2)10 및 비오틴-PEG-5 이고;
R5 = H;
R6 = 메틸티올; 그리고
R7 = H.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 11 에 예시된 화합물 (III) 을 포함하며, 여기에서:
n 및 m 은 독립적으로 0 내지 30 이고;
W 및 Y 는 -O-, -CH2-, CR8R9, CH2CR8R9, CR8CR9CH2, OCR8R9, 및 CR8R9O 로부터 독립적으로 선택되고, R8 및 R9 은 동일한 카본 원자에 부착되고 H, CH3, C2H5, CH2CH2CH3, 또는 (CH2)x(OCH2CH2)yOR10 로부터 독립적으로 선택되고, x 는 2 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R10 은 H, Me, 또는 Et 이고, R8 및 R9 는 고리를 형성하기 위해 임의로 연결될 수 있고, O 는 방향족 고리에 직접 임의로 결합되고, W 및 Y 는 고리 내에서 서로 임의로 교환될 수 있고;
W' 및 Y' 는 -O-, -CH2-, CR8R9, CH2CR8R9, CR8CR9CH2, OCR8R9, 및 CR8R9O 로부터 독립적으로 선택되고, R8 및 R9 은 동일한 카본 원자에 부착되고 H, CH3, C2H5, CH2CH2CH3, 또는 (CH2)x(OCH2CH2)yOR10 로부터 독립적으로 선택되고, x 는 2 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R10 은 H, Me, 또는 Et 이고, R8 및 R9 는 고리를 형성하기 위해 임의로 연결될 수 있고, O 는 방향족 고리에 직접 임의로 결합되고, W' 및 Y' 는 고리 내에서 서로 임의로 교환될 수 있고;
R1 은 에스테르 연결된 PEG 사슬 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 (x 는 0 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임) 로부터 선택되는 모이어티이고; R1 은 또한 각각 수용화된 PEG 사슬 (CH2CH2O)zR14 로 유도된 8 내지 64 개를 갖는 코어 부위로부터 연결된 수용성, 에스테르 연결된 덴드론 (z 는 1 내지 8 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 일 수 있고, R1 은 원자와 PEG 사슬 또는 덴드론 사이에서 1) 광 분해성, 2) 레독스 분해성, 3) 산 분해성 또는 4) 염기-분해성 연결기를 임의로 포함할 수 있어, 분자의 캡 부분이 금 전극에 연결된 후에, 상기 PEG 사슬 또는 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) + 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
R2 는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 (x 는 0 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임) 로부터 선택되는 모이어티이고; R2 는 또한 각각 수용화된 PEG 사슬 (CH2CH2O)zR14 로 유도된 4 내지 16 개를 갖는 코어 부위로부터 연결된 수용성, 에스테르 연결된 덴드론 (z 는 1 내지 4 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 일 수 있고, R2 는 원자와 PEG 사슬 또는 덴드론 사이에서 1) 광 분해성, 2) 레독스 분해성, 3) 산 분해성 또는 4) 염기-분해성 연결기를 임의로 포함할 수 있어, 캡이 금 전극에 연결된 후에, 상기 PEG 사슬 또는 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) + 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
W" 및 Y" 는 -S-, -CH2-, CH2CH2, CR11R12, 및 SCR11R12 로부터 독립적으로 선택되고, R11 및 R12 은 동일 카본 원자 상에 결합되고 H, CH3, C2H5, CH2CH2CH3, CH2CH2SCH3, SCH3, 또는 SCH2CH2SCH3 로부터 독립적으로 선택되고, R8 및 R9 는 고리를 형성하기 위해 임의로 연결될 수 있고, S 는 방향족 고리에 직접 임의로 연결되고, W" 및 Y" 는 고리 내에서 서로 임의로 교환될 수 있고;
R5 는 H, SMe, 또는 CH2CH2SMe 이고;
R6 은 H, SMe, SCH2CH2SMe, SCH2C(CH2SMe)3, SH, CS2H, CH2SMe, CH2SH, CH2CS2H, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일 또는 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-티오일이고; 그리고
R7 은 H, SMe, SCH2CH2SMe, SH, CS2H, CH2SMe, CH2SH, 또는 CH2CS2H 이다.
여러 실시형태들에서, R6 및 R7 의 적어도 하나에 대한 선택시 -SH, -SSH, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일 또는 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-티오일 모이어티의 존재는 금 전극 또는 금속 전극들에 배치된 금 콘택에 대한 리본 형상의 화합물 (III) 의 말단의 자기-조립을 허용한다. 기 -SH 및 -SSH 로 관능화된 브릿지 분자는 Au-S 결합을 통하여 금에 연결하는 한편, 기 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일 또는 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-티오일로 관능화된 브릿지 분자는 Au-C 결합을 통하여 금 전극 또는 금 콘택에 연결된다. 여러 예들에서, 두개의 R6 기 및 네개의 R7 기에 대한 선택은 분자의 전반적인 회전 대칭성을 결정한다. 여러 실시형태들에서, R7 의 모든 네개의 인스턴스는 H 이고 R6 의 두개의 인스턴스는 금속에 결합가능한 동일한 관능기이다.
여러 실시형태들에서, 화합물 (III) 은 프로브 분자, 이를 테면, 폴리머라제에 공유 결합된다. DNA 시퀀싱에 대한 특정 예들에서, 프로브 분자는 DNA 폴리머라제, 이를 테면, E. coli Klenow 단편을 포함하고, 화합물 (III) 에 대한 연결은 "클릭 화학물질" 연결기 (알킨 및 아지드로부터 형성된 티아졸, 및/또는 케톤 또는 알데히드 및 알콕시아민으로부터 형성된 O-알킬-옥심, R-O-NH2) 를 통하여 및/또는 생물학적 연결기 (예를 들어, 스트렙타비딘-검출기 컨쥬게이트에서의 스트렙타비딘에 연결할 수 있는 비오틴 연결기) 를 통하여 획득된다. 화합물 (III) 의 여러 실시형태들에서, R4 는 임의로: (i) DNA 폴리머라제 분자에서의 별개의 시스테인 잔기에 공유 결합되거나 (또는 R3 및 R4에 대한 선택을 통하여 PAH 로부터 폴리머라제로의 두개의 연결); (ii) 고리를 형성하기 위해 R3 에 공유결합되거나; 또는 수소이다 (즉, R3에 대한 비-H 선택을 통한 PAH 로부터 폴리머라제로의 단일 연결을 남김). 여러 양태들에서, R3 및 R4 는 dNTP 에서 γ-포스페이트에 근접하여 가깝거나 또는 개질된 dNTP, 이를 테면, dN4P-R 에서의 델타 포스페이트에 가까운, 폴리머라제에서의 하나 이상의 시스테인 잔기에 연결된 유연 사슬, 이를 테면, PEG 또는 폴리글리신 상에 1 내지 4 의 방향족 측쇄 (이를 테면, 예를 들어, 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 페난트레닐, 파이레닐, 티오페닐, 벤조티오페닐, 페로세닐) 를 임의로 포함할 수도 있고, 여기에서, R 은 강성의 수용성 기, 이를 테면, 글루코스, 만노스 또는 α-시클로덱스트린이다. 사슬은 소수성 또는 정전기적 상호작용을 통하여 PAH 에 결합할 수 있고, 이는 dN4P-R 이 폴리머라제의 활성 부위에 결합하고 올리고뉴클레오티드로의 혼입을 겪을 때 교란된다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 11 에 예시된 화합물 (III) 을 포함하며, 여기에서:
m + n = 10 내지 24;
Y= W = -CH2- 또는 -O-;
Y'= W' = -CH2- 또는 -O-;
Y" = W" = -S-;
R1 = -CO-O-(CH2CH2O)n-OCH3, n 은 2 내지 7 이거나 또는 20 내지 48 이고;
R2 = -CO-O-(CH2CH2O)n-OCH3, n 은 2 내지 7 이거나 또는 20 내지 48 이고;
R3 = (L-Phe-Gly)4-NHOCH2CH2O-N=CH(p-C6H4)CH2-;
R4 = H;
R5 = CH2CH2SMe;
R6 = SCH2CH2SMe; 그리고
R7 = H.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 11 에 예시된 화합물 (III) 을 포함하며, 여기에서:
m + n = 10 내지 24;
Y= W = -CH2- 또는 -O-;
Y'= W' = -CH2- 또는 -O-;
Y" = W" = -S-;
R1 = H;
R2 = -CO-O-(CH2CH2O)n-OCH3, n 은 2 내지 7 이거나 또는 20 내지 48 이고;
R3 = -(CH2)nC(O)NH-CH[(CH2)r(CH2)R18][CH2CH2-O-CH2CH2O-(CH2)s-R19), 여기에서, n, r 및 s 는 독립적으로 2 내지 7이고; R18 및 R19 는 R18 및 R19 가 서로 반응할 수 없도록 표 1 에서의 조합으로부터 선택되고;
R4 = R5 = p- 또는 m-C6H4-(CH2)tCOO(CH2CH2O)uCH3, 여기에서, t 는 0 내지 10 이고 u 는 5 내지 50 이고;
R6 = SCH2CH2SMe; 그리고
R7 = H.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 35a 에서의 화학 구조, 및 (두개의 회전 모델을 예시하는) 도 35b 에서의 3D 공간-충전 모델로서 양쪽으로 예시된 화합물 (XIII) 을 포함한다. 분자는 지그-재그 긴 에지, PEG 측쇄, 티올 연결을 갖는 캡, 및 프로브 분자 결합을 위하여 이를 테면, 자기-조립을 통하여 테더링된 비오틴을 포함하는 부위를 포함한다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 18 에 예시된 화합물 (VI) 을 포함한다. 화합물 (VI) 은 단일의 연속하는 13-APAH (13-원자 폭 다환 방향족 히드로카본) 컨덕터를 포함하고, 방향족 부분은 약 1.4 nm 폭이다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 화합물 (VI)(도 18) 을 포함하며, 여기에서:
R4 = R5 = H; 그리고
R3 = NR9R10, R9 는 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결되고, R10 는 H 이거나 또는 폴리머라제를 포함하지 않는 R9 와 고리를 형성하거나, 또는 R9 에 연결된 잔기와 별개인 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결된다. R3 = H인 다른 실시양태에서, R4 는 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결되고, R5 는 H 이거나 또는 폴리머라제를 포함하지 않는 R4 와 고리를 형성하거나, 또는 R9 에 연결된 잔기와 별개인 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결된다.
화합물 (VI) 의 합성에 유용한 유기 반응 방식의 실시형태는 도 36-42에 나타낸다. 화합물 (VI) 은 단일의 연속하는 13-APAH 컨덕터를 포함하고, 분자의 방향족 리본 부분은 약 1.4 nm 폭이다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 화합물 (VI) (도 18) 을 포함하며, 여기에서:
R1 = R2 = (CH2)4C(O)O-PEG-48;
R3 은 (CH2)4C(O)NH-CH2CH2CH(CH2CH2CH2N3)(CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2NH-비오틴) 이고;
R4 = R5 = H;
R6 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 H;
R7 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 H; 그리고
R8 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 -SH.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 19 에 예시된 화합물 (VII) 에 의해 표현된다. 화합물 (VII) 은 단일의 연속하는 9-APAH (9-원자 폭 다환 방향족 히드로카본) 컨덕터를 더 포함하는 전도성 올리고머를 포함하고, 방향족 부분은 약 0.95 nm 폭이다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자 분자는 도 19 에 예시된 화합물 (VII) 을 포함하며, 여기에서:
4 개의 치환기 R1, R2, R3, 및 R4 중 3 개는 수소이고 나머지 4번째 치환기는 하기로부터 선택된다:
(1) 구조 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x 는 3 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임);
(2) 구조 (CH2)xO-CH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x > 2, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); 또는
(3) 각각 수용화된 PEG 사슬 (CH2CH2O)zR14 로부터 유도된 8 내지 64 개의 브랜치를 갖는 코어 부위로부터 연결된 수용성 에스테르-연결된 덴드론 (z 는 1 내지 8 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 으로부터 선택되고, 그리고 R1 은 원자와 PEG 사슬 또는 덴드론 사이에서 1) 광 분해성, 2) 레독스 분해성, 3) 산 분해성 또는 4) 염기-분해성 연결기를 임의로 포함할 수 있어, 분자의 캡 부분이 금 전극에 연결된 후에, 상기 PEG 사슬 또는 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) + 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
분자의 어느 말단에 부가된 4 개의 R8 치환기들 중 3 개는 수소이고 4번째 R8 치환기는 메톡시 또는 카르복실기로 치환된 짧은 알킬 기 (1-5 카본) 이고; 그리고
R7 은 CH2SCH2CH2SCH3 또는 -SH 이다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 20 에 예시된 화합물 (VIII) 을 포함한다. 이 화합물은 본원에서 "2-모노 PEG-PAH 단일 성분 폴리머로서 지칭되고 브랜치 모노머를 갖지 않는 브릿지 분자이다. 도시된 중심 모노머는 필요에 따라 여러 길이의 PAH 브릿지들을 가능하게 한다. 이 화합물의 속은 용해도에 영향을 주기 위해 임의적인 수의 모노머 단위 및 임의적인 PEG 사슬을 갖는다.
여러 실시형태들에서, 합성 브릿지 분자는 도 20 의 화합물 (VIII) 을 포함하며, 여기에서:
n = 3;
m = 3 내지 1000, 또는 여러 실시형태들에서, 3 내지 10 이고;
4 개의 R15 치환기들 중 3개는 수소이고, 4번째 R15 치환기는 구조 (CH2CH2)O(CH2CH2O)24CH3 를 갖는 PEG 사슬이다;
8 개의 R16 치환기들 중 6 개는 수소이고 나머지 R16 치환기들 중 두개는 2-메톡시에틸이고; 그리고
각각의 R17 은 -S-CH3이다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 21 에 예시된 화합물 (XV) 을 포함한다. 화합물 (XV) 은 메틸티올 말단 기 및 임의적인 수의 중심 모노머 단위 n 및 m 을 포함하고, 여기에서 n = 2 및 m = 3 내지 1000 또는 3 내지 10 이다. PEG 측쇄의 존재는 달리 소수성의 방향족 코어 구조의 용해도를 개선한다.
도 22 내지 30 은 화합물 (XV) 을 제조하는 합성 프로토콜의 일 실시형태를 서술한다. 여러 실시형태들에서, 화합물 (XV) 은 방향족 고리와 PEG 산소 원자 사이에 위치한 3 이상의 카본, 또는 임의의 PEG 치환기에 대한 에스테르 연결기를 포함한다.
도 22 는 수용성 THF 중의 토실-Cl 및 KOH 와의 PEG-24 (22a) 의 반응을 포함하는 토실-PEG-24 (22b) 의 합성을 서술한다. 도 23 은 퍼브로모벤젠, 1-브로모-4-(2-메톡시에틸)벤젠 및 브로모벤젠으로 시작하는 테트라페닐 디아이오도벤젠 메톡시에테르 메톡시에테르 (23c) 의 합성을 도시한다. 도 24 는 디클로로메탄에서의 트리메틸아이오도실란과 이전 메톡시 모노머의 디메틸화에 의한 모노머 알코올 (24e) 의 합성을 도시한다. 도 25 는 THF 중의 NaH 와 형성된 알코올 모노머의 음이온과 이전 토실-PEG-24 의 SN2 반응에 PEG 모노머 (25f) 의 합성을 도시한다. 도 26 및 27 은 1,4-벤젠디보론산 비스(피나콜) 에스테르 (26a) 및 PEG 모노머 (25f) 로부터의 여러 융합된 고리 시스템을 생성하기 위한 열 및 마이크로웨이브 Suzuki-Miyaura 커플링 반응을 도시한다. 도 28 은 나노리본 중간체 CX-13-336 을 생성하기 위한 추가적인 Suzuki-Miyaura 커플링을 서술한다. 도 29 는 나노리본 중간체 CX-13-337 을 생성하기 위한 추가적인 Suzuki-Miyaura 커플링을 서술한다. 마지막으로, 도 30 은 FeCl3 과의 처리에 의한 화합물 (XV) 의 합성을 예시한다.
여러 실시형태들에서, 전도성 합성 유기 브릿지 분자는 적어도 하나의 덴드론에 의해 용해된다. 예를 들어, 도 31a 에 예시된 화합물 (XVI) 은 폴리안트라센 나노리본 및 그 위에 부착된 단독 단일 덴드론을 포함하는 단순화된 버전의 브릿지 분자를 도시한다. 화합물 (XVI) 의 사용가능한 실시형태는 (i) 나노리본의 보다 긴 에지들 양쪽을 따르는 하나보다 많은 덴드론, 예를 들어, 나노리본의 1 내지 3 nm 길이 마다 1개 수의 덴드론, 및 (ii) 금속 전극에 대한 결합을 위한 분자의 좌측 및 우측 말단 각각 상의 -SH 또는 -S-알킬 기를 더 포함한다.
도 31b 는 나노리본 상의 오직 하나의 덴드론을 포함하고 그 외 다른 치환기를 나노리본 상에 포함하지 않는 3D 구조 모델의 화합물 (XVI) 을 도시한다.
여러 실시형태들에서, 전도성 합성 유기 브릿지 분자는 도 32 에 예시된 화합물 (XVII) 을 포함한다. 이 개략도는 센서 회로 내에 센서 프로브 분자를 직접 배선하기 위한 아암으로서 두개의 별개의 다환 방향족 분자의 사용을 예시한다. 예시된 바와 같이 전기 전도는 Au 결합 부위로부터 아암들 중 하나를 통하여, 센서 프로브 분자를 통하여, 그리고 나서 제 2 아암을 통하여 제 2 Au 결합 부위로 이어지며, 여기에서:
"캡1-폴리머1-브랜치-폴리머2-캡2" 및 "캡1'-폴리머1'-브랜치'-폴리머2'-캡2'" 은 에지들에서 유도되는 두개의 별개의 융합된 다환 방향족 히드로카본 분자 아암을 나타내며, 이는 각각 약 5 내지 약 100 nm 길이, 약 8 내지 약 60 nm 길이 또는 약 10 내지 약 30 nm 길이이다;
캡1 및 캡1' 은 예를 들어, 티오에테르, 반응성 카르벤, 금 결합 펩티드 또는 다른 재료 결합 시퀀스, 티올, 및/또는 디티오카르복실레이트를 통하여 전극 표면, 이를 테면 금 표면에 결합할 수 있는 단일 모노머 단위들이고;
캡2 및 캡2' 는 단일의 저유도성 모노머 단위이고;
폴리머1, 폴리머1', 폴리머2, 및 폴리머2' 는 수중 분산성 및 테트라히드로푸란과 같은 유기 용매에서의 용해성을 가능하게 하기 위해 임의의 수의 가용화 기, 이를 테면 PEG 기로 임의로 유도된 다환 융합된 고리 세그먼트들이다. 여러 실시형태들에서, 폴리머1 및 폴리머1' 세그먼트는 임의의 길이로 이루어질 수도 있고 폴리머 2 및 폴리머 2' 세그먼트와는 상이하거나 이들과 동일할 수도 있다;
브랜치 및 브랜치' 는 각각 폴리머라제가 dNTP 를 하나 이상의 S-알킬 또는 S-아릴 접속들을 통하여 혼입할 때 브랜치 및 브랜치' 사이의 거리가 변화하도록 선택된 DNA 폴리머라제 상의 상이한 핑거 또는 헬릭스에 연결된다; 그리고
L 은 (i) 별개의 다방향족 아암을 함께 묶고; (ii) 이격된 전극들의 쌍에서 일 전극으로 아암 일방 또는 양방을 묶고; (iii) 도시된 바와 같이 전극들을 지지하는 하지 기판에 아암 일방 또는 양방을 묶고; 및/또는 (iv) 아암 일방 또는 양방을 따르는 임의의 위치로부터 센서 프로브 분자로 추가적인 부착 지점을 제공하는 2가의 앵커링 연결과 같은 임의적인 접속들이다. 여러 실시형태들에서, 브릿지 복합체의 하나 이상의 아암을 앵커링하는 것으로 도시된 바와 같이 적어도 하나의 2 가의 연결이 존재할 수도 있다. 여러 실시형태들에서, 존재하는 경우 L 은 임의의 길이의 그리고 C 대신 임의의 수의 개재하는 헤테로원자를 갖는 (폴리)메틸렌, -(CH2)x-; 임의의 길이의 PEG; 폴리펩티드; 여러 고리 구조, 예를 들어, 1,4-페닐렌; 또는 위의 것의 임의의 조합으로부터 선택된다.
여러 실시형태들에서, 도 32 에서의 화합물 (XVII) 은 각 말단 상에 "Au-바인더"로서 본원에서 라벨링된 두개의 관능 기를 각각의 대향하는 말단들 각각에 하나씩 포함한다. 각각의 아암의 대향하는 말단에서 "Au 바인더"는 금속 결합 모이어티, 이를 테면 -SH, -SMe, 또는 -CS2H 를 포함할 수도 있다.
여러 실시형태들에서, 본 개시에 따른 합성 브릿지 분자는 도 10 의 화합물 (II) 에 기초하며, 여기에서, 전도성 나노리본 코어 구조는 지그재그 에지를 갖는 페닐-치환된 12-APAH 전도성 리본을 포함한다. 여러 실시예들이 아래 설명된다.
여러 실시형태들에서, 합성 브릿지 분자는 도 35a 에 예시된 화합물 (XIII) 을 포함한다. 이 분자는 12-APAH 리본 컨덕터 구조에 기초한 지그-재그 에지 PAH 브릿지를 포함한다. 화합물 (XIII) 은 PEG 에스테르 측쇄, 금속 전극에 결합하기 위한 티올 결합을 갖는 캡, 및 프로브 분자의 결합을 위한 그리고 센서 자기-조립을 위한 테더링된 비오틴을 포함하는 측쇄로 완전하게 관능화된다. 화합물 (XIII) 의 여러 실시형태들에서, PEG 에스테르 측쇄는 구조 -p-(C6H4)-(CH2)tCOO(CH2CH2O)uCH3를 포함하고 여기에서, t 는 0 내지 10 이고 u 는 5 내지 50 이다.
도 35b 는 화합물 (XIII) 의 3D 모델을 도시한다.
일반적으로, 본원에 개시된 바와 같이 융합된 다환 방향족 히드로카본 나노리본을 포함하는 합성 브릿지 분자는 보론 화합물과 유기 할라이드 사이의 팔라듐 촉매화된 Suzuki-Miyaura 크로스-커플링에 기초하여 수렴 합성 방식에 의해 수득가능하다. 선형 합성 방식이 아닌 수렴 합성은 이들 분자의 사이즈에 기인하여 본원에서 실용적이다. 이들 분자를 조립함에 있어서의 주요 단계들은 (i) 비아릴을 형성하기 위한, 아릴 4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤레인 및 아릴 할라이드의 팔라듐 또는 마이크로웨이브 촉매화된 Suzuki-Miyaura 크로스-커플링 및 (ii) 융합된 고리 나노리본을 형성하기 위해 FeCl3 촉매화된 분자간 탈수소화 커플링 (예를 들어, 앞의 Y. Huang 등의 문헌을 참조) 을 포함한다. 본원에서의 합성 방식의 여러 실시형태들에서, 합성에 있어서의 단계들의 순서는 주요 측쇄 모이어티가 팔라듐 또는 FeCl3 촉매화된 커플링 반응 전에 또는 후에 부착되게 하도록, 예를 들어, 이들 반응 조건에 대한 특정 측쇄의 양립가능성에 기초하여, 변경될 수 있다.
도 36-42 에는 화합물 (VI) (도 18) 로의 합성 루트의 일 실시형태가 예시되어 있다. 도 36 및 37 은 Suzuki 커플링에 의한 화합물 (VI) 의 좌측 폴리머 부분의 합성을 예시한다. 도 38 및 39 는 Suzuki 커플링에 의한 화합물 (VI) 의 우측 폴리머 부분의 합성을 예시한다. 도 40 및 41 은 pre-13AGNR 화합물 (도 41) 을 생성하기 위해 중심 브랜치 지점 서브구조체에 대한 우측 및 좌측 폴리머 부분의 Suzuki 커플링을 예시한다. 마지막으로, FeCl3 처리는 화합물 (VI) 내의 pre-13AGNR 의 방향족화를 완료한다.
여러 실시형태들에서, 합성 브릿지 분자는 도 43 에 예시된 화합물 (XII) 을 포함한다. 화합물 (XII) 은 지그재그 에지를 갖는 페닐 치환된 12-APAH 리본을 포함한다.
여러 실시형태들에서, 합성 브릿지 분자는 도 43 의 화합물 (XII) 을 포함하며, 여기에서:
n = 2;
m = 3 내지 500;
R1 은: (1) 구조 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x 는 3 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); (2) 구조 (CH2)xO-CH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x > 2, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); 또는 (3) 각각 수용화된 PEG 사슬 (CH2CH2O)zR14 로부터 유도된 8 내지 64 개의 브랜치를 갖는 코어 부위로부터 연결된 수용성 에스테르-연결된 덴드론 (z 는 1 내지 8 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 으로부터 선택되고, 그리고 R1 은 원자와 PEG 사슬 또는 덴드론 사이에서 1) 광 분해성, 2) 레독스 분해성, 3) 산 분해성 또는 4) 염기-분해성 연결기를 임의로 포함할 수 있어, 분자의 캡 부분이 금 전극에 연결된 후에, 상기 PEG 사슬 또는 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) + 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
R2 는: (1) 구조 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x 는 3 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); (2) 구조 (CH2)xO-CH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x > 2, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); 또는 (3) -H 로부터 선택되고;
R3 = -(CH2)nC(O)NH-CH[(CH2)r(CH2)R18][CH2CH2-O-CH2CH2O-(CH2)s-R19),
여기에서, n, r 및 s 는 독립적으로 2 내지 7이고; R18 및 R19 는 R18 및 R19 가 서로 반응할 수 없도록 표 1 에서의 조합으로부터 선택되고;
R4 는 H 또는 SCH2CH2SCH3 이고; 그리고
R5 는 -SH 또는 SCH2CH2SCH3 이다.
여러 실시형태들에서, 합성 브릿지 분자는 도 44a 에 예시된 화합물 (XIX) 을 포함한다. 이 브릿지 분자는 PEG 측쇄, -S-CH3 말단 기, 및 코어 구조를 전도하는 PAH 나노리본을 포함한다. 약 5 nm 내지 30 nm 의 길이의 범위에 있는 이 형태의 대표적으로 다양한 길이는 아래 요약된 방법에 의해 합성되었다. 화합물 (XIX) 의 3D 모델은 도 44b 에 도시된다. 합성 생성물 화합물 (XIX) 은 도 42c 에서 THF 용매 중에 TEM 이미지로 그리고 THF 중에 현탁되어 벌크로 도시되어 있다. 화합물 (XIX) 의 질량 스펙트럼은 도 42d 에 도시되고, 이들 생성물의 조성 및 사이즈를 부분적으로 특징화하는 NMR 스펙트럼은 도 42e 에 또한 도시된다. 스펙트럼은 존재하는 질량의 범위, 및 PEG 기 대 방향족 고리의 비를 예시한다.
합성 프로토콜
다음은 PAHEB 의 일 실시형태에 대한 일련의 중간 성분들의 합성 및 최종 리본의 일 실시형태를 예시한다.
토실 PEG-24 (22b) 의 합성 (도 22)
1.5 ml 의 무수 테트라히드로푸란 중에 PEG-24 (22a) (0.750 g, 0.689 mmol) 및 토실 클로라이드 (0.197 g, 1.03 mmol) 의 0 ℃ 현탁액에, 16 M 포타슘 히드록시드 (aq.)(0.140 ml) 를 네개의 부분에서 그 온도로 1 시간에 걸쳐 첨가하였다. 첨가가 완료하면, 반응물을 16 시간 동안 실온에서 불활성 분위기 하에서 교반하였다. 반응물은 디클로로메탄/물로 희석되고 층들이 분리될 때까지 교반되었다. 층들은 분리되었고 및 수성 상이 추가 디클로로메탄으로 추출된다. 결합된 유기물은 물로 세번 세정되고 소듐 술파이트 상에서 건조되고 진공에서 농축되었다. 미가공 재료는 플래시 크로마토그래피 (실리카 겔, 0-10% 메탄올/디클로로메탄) 를 통하여 정제되어 토실 PEG-24 (22b) (0.678 g, 79% 수율) 이 백색 비정질 고체로서 제공되었다. 1H NMR (499 MHz, Chloroform-d) δ 7.80 (d, J = 8.3 Hz, 2H), 7.34 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 4.18 - 4.13 (m, 2H), 3.81 - 3.45 (m, 89H), 3.38 (s, 3H), 2.45 (s, 3H), 1.71 (s, 5H). MS: C56H106O27S 에 대하여 계산된 질량; 1242.66; 구하였음: 포지티브 (m/z): 1243.5 (M+H)+, 1265.5 (M+Na)+, 1281.9 (M+K)+.
테트라페닐 디아이오도 벤젠 메톡시에테르 (23c) 의 합성 (도 23)
1 시간에 걸쳐 용매를 비등시키지 않고, 47 ml 의 무수 테트라히드로푸란 중 마그네슘 터닝의 현탁액 (1.22 g, 50.3 mmol) 에, 1-브로모-4-(2-메톡시에틸)벤젠 (1.68 g, 7.80 mmol) 및 브로모벤젠 (4.04 g, 25.7 mmol) 의 혼합물을 조심스럽게 천천히 첨가하였다. 첨가가 완료하였다면, 반응물을 추가적인 1 시간 동안 실온에서 가열이 중단될 때까지 교반하였다. 반응물은 퍼브로모벤젠 (1.85 g, 3.35 mmol) 이 첨가되기 전에 0 ℃ 로 냉각되었고 반응물은 불활성 분위기 하에서 실온에서 16 시간 동안에 교반되었다. 반응물은 0 ℃ 로 냉각되었고 10 ml 의 테트라히드로푸란에서 용해된 아이오딘 (8.51 g, 33.5 mmol) 이 딥 퍼플 컬러 (아이오딘의 특성) 로 남을 때까지 첨가되었고 추가적인 2 시간 동안 교반되었다. 반응물은 물로 회석되었고 클로로포름 및 아이오딘은 포화된 소듐 티오술페이트 용액으로 퀀칭되었다. 상들이 분리되었고 수성 상이 100 ml 의 클로로포름으로 두번 추출되었다. 결합된 유기물은 포화된 소듐 비카보네이트로 두번 세정되었고 염수로 한번 세정되고, 소듐 술파이트 상에서 건조되고 진공에서 농축되었다. 미가공 재료가 플래시 크로마토그래피 (실리카 겔, 0-40% 에틸 아세테이트/헥산) 를 통하여 정제되어 3',6'-디아이오도-4-(2-메톡시에틸)-4',5'-디페닐-1,1':2',1''-터페닐 (23c) (0.328 g) (14-179p11) 이 제공되었고, 순도가 낮은 샘플 (djs-14-179p12) 이 플래시 크로마토그래피 (실리카 겔, 0-30% 에틸 아세테이트/헥산) 를 통하여 재정제되어 (0.175 g) 의 추가적인 생성물 (23c) 이 전체 (0.503 g, 22% 수율) 에 대해 연노란색 고체로 제공되었다. 1H NMR (499 MHz, 클로로포름-d) δ 7.20 - 6.92 (m, 19H), 3.50 (t, J = 7.3 Hz, 2H), 3.28 (s, 3H), 2.78 (t, J = 7.2 Hz, 2H); MS: C33H26I2O 에 대하여 계산된 질량: 692.01; 구하였음: 포지티브 (m/z): 715.1 (M+Na)+, 731.1 (M+K)+.
모노머 알코올 (24e) 의 합성 (도 24)
5.0 ml 의 무수 디클로로메탄에 용해된 메톡시 모노머의 용액 (23c) (0.190 g, 0.274 mmol) 에 아이오도트리메틸실란 (0.284 g, 1.42 mmol) 이 첨가되었고, 깊이 착색된 반응물이 불활성 분위기 하에서 실온에서 16 시간 동안에 교반되었다. 반응물은 2.0 ml 의 농축된 암모니아 (aq.) 와 퀀칭되고 20 분 동안에 교반되었다. 반응물은 물로 희석되고 상이 분리되었다. 수성 상은 디클로로메탄으로 두번 추출되었고 결합된 유기물은 물로 세정되었고 염수로 세정되었고, 소듐 술파이트 상에 건조되었고 진공에서 농축되었다. 미가공 재료가 추가적인 정제없이 후속 단계 (실릴 에테르 분리) 에서 사용되었다.
15.0 ml 의 무수 테트라히드로푸란에 용해된 미가공 실릴 에테르 모노머의 용액 (24d) 에, 테트라부틸암모늄 플루오라이드 TBAF (THF 중 0.612 mmol, 1.0 M) 이 첨가되었고, 반응물은 실온에서 불활성 분위기 하에서 16 시간 동안에 교반되었다. 반응물은 진공에서 농축되었고, 디클로로메탄/물에 용해되고, 상이 분리되었다. 수성 상은 디클로로메탄으로 두 개의 추가적인 횟수로 추출되었고 결합된 유기물은 염수로 세정되었고, 소듐 술파이트 상에 건조되었고 진공에서 농축되었다. 미가공 재료는 플래시 크로마토그래피 (실리카 겔, 0-50% 에틸 아세테이트/헥산) 를 통하여 정제되어 알코올 모노머 (24e) (2 단계를 통하여 60% 수율) 이 백색 고체로서 제공되었다. 1H NMR (499 MHz, 클로로포름-d) δ 7.19 - 6.97 (m, 19H), 3.76 (t, J = 6.5 Hz, 2H), 2.77 (t, J = 6.4 Hz, 2H), MS: C32H24I2O 에 대하여 계산된 질량: 677.99; 구하였음: 포지티브 (m/z): 701.0 (M+Na)+, 716.8 (M+K)+.
PEG-24-모노머 (25f) 의 합성 (도 25)
1.0 ml 의 무수 테트라히드로푸란에 용해된 알코올 모노머의 0 ℃ 용액 (24e) (0.040 g, 0.059 mmol) 에, 60% 소듐 히드라이드 (8.0 mg, 0.206 mmol) 이 조심스럽게 첨가되었고, 반응물이 불활성 분위기 하에서 실온에서 1 시간 동안에 환류 교반되었다. 반응물이 냉각되었고 1.1 ml 의 무수 테트라히드로푸란에 용해된 토실 PEG-24 (22b) (0.077 g, 0.062 mmol) 이 한방울씩 첨가되었고 반응물이 불활성 분위기 하에서 16 시간 동안에 환류 교반되었다. 반응물이 냉각되었고 추가적인 소듐 히드라이드 (10 mg) 으로 충전되었고 추가적인 24 시간 동안에 환류 교반되었다. 반응물이 몇몇 물방울로 퀀칭되었고 진공하에서 농축되었다. 결과적인 잔류물이 디클로로메탄/물에 용해되었고, 상이 분리되었다. 수성 상은 소듐 클로라이드로 포화되었고 디클로로메탄으로 여섯 개의 추가적인 횟수로 추출되었고 결합된 유기물은 염수로 세정되었고, 소듐 술파이트 상에 건조되었고 진공에서 농축되었다. 미가공 재료는 플래시 크로마토그래피 (실리카 겔, 0-10% 메탄올/디클로로메탄) 를 통하여 정제되어 PEG-24-모노머 (25f) (0.058 g, 57% 수율) 이 투명 고체로서 제공되었다. 1H NMR (499 MHz, 클로로포름-d) δ 7.22 - 6.90 (m, 19H), 3.81 - 3.45 (m, 211H), 3.38 (s, 7H), 2.79 (t, J = 7.2 Hz, 2H), NMR 로 ~50% 초과 PEG; MS: C81H122I2O25에 대하여 계산된 질량: 1748.64; 구하였음: 포지티브 (m/z): 1771.7 (M+Na)+.
열반응에 의한 나노리본 폴리머의 합성 (도 26-27)
1 ml DMF 중의 PEG-모노머 (25f) (29 mg, 0.0166 mmol), 1,4-벤젠디보론산 비스(피나콜) 에스테르 (26a) (5.5 mg, 0.0166 mmol) 및 K3PO4 (7.0 mg, 0.0332 mmol) 의 용액을 아르곤 버블링으로 5 회 탈기시켰다. 그 후, Pd(PPh3)4 (2.0 mg) 가 첨가되었고 반응 혼합물이 아르곤 버블링으로 3 회 탈기되었다. 반응 혼합물은 100 ℃ 까지 가열되었고 아르곤하에서 밤새 교반되었다. "열 반응" 미가공 생성물은 정제 없이 다음 반응에 사용된다.
마이크로웨이브 반응에 의한 나노리본 폴리머의 합성 (도 28)
1.4 ml DMF 중의 PEG-모노머 (25f) (47.3 mg, 0.027 mmol) 및 K3PO4 (11.4 mg, 0.054 mmol) 의 용액이 아르곤 버블링으로 5 회 탈기되었다. 그 후, Pd(PPh3)4 (7.8mg) 가 첨가되었고 반응 혼합물이 아르곤 버블링으로 3 회 탈기되었다. 19 밀리몰 PEG-모노머 (25f) 를 포함하는 이 중간 용액은 본원에서 "용액 A"로서 지칭된다.
2 ml DMF 중의 1,4-벤젠디보론산 비스(피나콜) 에스테르 (26a) (12.7 mg, 0.038 mmol) 및 K3PO4 (16.1 mg, 0.076 mmol) 의 용액을 아르곤 버블링으로 5 회 탈기시켰다. 19 밀리몰의 1,4-벤젠디보론산 비스(피나콜) 에스테르를 포함하는 이 중간 용액 (26a) 은 본원에서 "용액 B" 로 지칭된다.
여섯 (6) 개의 마이크로웨이브 반응 용액이, 각각의 반응에 대해, 200 μL 의 용액 B 및 각 반응에 대해 개별적으로 200 μL (B:A 몰비 1:1), 160 μL (B:A 몰비 1:0.8), 140 μL (B:A 몰비 1:0.7), 124 μL (B:A 몰비 1:0.62), 100 μL (B:A 몰비 1:0.5), 및 80 μL (B:A 몰비 1:0.4) 의 용액 A 를 사용하여 설정되었다. 각각의 마이크로웨이브 반응은 10 분동안 150 ℃ 에서 마이크로웨이브처리되었다.
마이크로웨이브 반응 후에, 1:0.62, 1:0.5 및 1:0.4 의 몰비에서의 세개의 반응물들이 결합되었고 그 후, "열반응" 생성물의 절반과 혼합되고 그 다음, 위와 동일한 절차를 뒤따라서, 더 많은 디아이도-PEG-모노머 (25f) (16.7 mg), 추가적인 K3PO4 (5.0mg) 및 Pd(PPh3)4 (3.0mg) 와 반응하였고 이는DMF 를 제거한 후 13-335-I2 폴리머 (도 27) 를 생성하여 정제없이 다음 단계에서 직접 사용되었다.
위와 동일한 절차를 뒤따라서 1:1, 1:0.8 및 1:0.7 의 몰비에서의 다른 세개의 반응물이 결합되었고 그 다음 "열반응"생성물의 다른 절반과 혼합하였고 그 다음, 더 많은 1,4-벤젠디보론산 비스(피나콜) 에스테르 (26a) (6.4 mg), K3PO4 (5.0 mg) 및 Pd(PPh3)4 (3.0 mg) 와 혼합하여, 13-335-B2 를 생성하였다. DMF 를 제거한 후에, 다음 단계에서 직접 미가공 생성물이 사용되었다 (도 28).
나노리본 중간체 (CX-13-336) 의 합성 (도 28)
1 ml DMF 중의 13-335-I2 폴리머, 13-335-B2 폴리머 및 K3PO4 (27.2 mg, 0.128 mmol) 의 용액이 아르곤 버블링으로 5 회 탈기되었다. 그 후, Pd(PPh3)4 (4.2 mg) 가 첨가되었고 반응 혼합물이 아르곤 버블링으로 3 회 탈기되었다. 그 후, 반응 혼합물은 100 ℃ 까지 가열되었고 아르곤하에서 밤새 교반되었다. 용매가 제거되었고, 잔류물이 0.5 ml THF 에 용해되었고 SEC 컬럼에 의해 정제되어 7.0 mg 폴리머 CX-13-336 가 수득되었다 (도 28).
나노리본 중간체 (CX-13-337) 의 합성 (도 29)
1 ml DMF 중의 SEC 컬럼, (7.0 mg),1,4-벤젠디보론산 비스(피나콜) 에스테르 (26a) (16.5 mg, 0.049 mmol) 및 K3PO4 (0.128mmol, 27.2mg) 에 의해 정제된 폴리머 CX-13-336 을 아르곤 버블링으로 5 회 탈기시켰다. 그 후, Pd(PPh3)4 (4.2 mg) 가 첨가되었고 반응 혼합물이 아르곤 버블링으로 3 회 탈기되었다. 그 후, 반응 혼합물은 100 ℃ 까지 가열되었고 아르곤하에서 밤새 교반되었다. DMF 를 제거한 후, 미가공 생성물이 0.5 ml THF 에 의해 용해되고 SEC 컬럼에 의해 정제되었다.
결과적인 폴리머 (5.0 mg) 가 0.5 ml DMF 에 용해되었고, 캡 화합물 29a (9 mg, 0.013 mmol) 이 첨가되었고 이어서 K3PO4 (5.0 mg, 0.023 mmol) 이 첨가되어, 아르곤 버블링으로 5 회 탈기되었다. 그 후, Pd(PPh3)4 (3.0 mg) 가 첨가되었다. 반응 혼합물은 1 시간 동안에 150 ℃ 에서 마이크로웨이브처리되었다. 냉각 후, 용매가 제거되었고 잔류물이 SEC 컬럼에 의해 정제되어 3.5 g 폴리머 CX-13-337 를 수득하였다 (도 29). MALDI/TOF 매스 스펙트로스코피는 각각의 Suzuki 커플링 단계 및 겔 침투 크로마토그래피로 20 KDalton 에서 40 KDalton 로의 폴리머의 분율을 증가시킴을 제안한다.
나노리본 화합물 (XV) 의 합성 (도 30)
폴리머 CX-13-337 (3.5 mg, SEC 컬럼으로부터 정제됨) 가 20 ml 디클로로메탄에 용해되고, 아르곤이 10 분 동안 버블링되었다. 철(III) 클로라이드 (120 mg) 용해된 3 ml 니트로메탄이 천천히 첨가되었고 그 결과적인 혼합물이 1 시간동안 RT 에서 교반되었고 그 후, 약 1-2 mg 의 불용성 흑색 침전물이 형성되었다. 반응 혼합물이 20 ml 메탄올로 퀀칭되었고, 용매가 제거되었고 잔류물이 SEC 컬럼으로 정제되어 1.5 mg 생성물을 수득하였다. 1H NMR 스펙트럼의 무결성으로부터 판단할 때가용성 생성물은 탈수소화 단계 동안에 그 PEG 사슬의 적어도 30% 를 손실하였다.
Claims (13)
- 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자로서,
상기 분자는:
각각 단일 고정 배향으로 융합된 벤젠 고리의 전기 전도성 sp 2 -혼성화된 다환 방향족 히드로카본 나노리본으로서, 상기 나노리본은 일반적 직사각형 시트형 구성 및 2 개의 실질적으로 평행한 보다 긴 상부 및 하부 에지들 및 2 개의 실질적으로 평행한 보다 짧은 좌측 및 우측 에지들에 의해 정의된 주변부를 갖고, 각각의 융합된 고리의 상기 단일 고정 배향은 상기 나노리본의 상기 보다 긴 에지들 또는 상기 보다 짧은 에지들을 따른 지그-재그 주기성을 초래하고 상기 나노리본은 길이가 약 3 nm 내지 약 100 nm 그리고 폭이 약 0.23 nm 내지 약 23 nm 로 측정되는, 상기 전기 전도성 sp 2 -혼성화된 다환 방향족 히드로카본 나노리본;
상기 나노리본의 좌측의 보다 짧은 에지에 공유결합된 치환기 L;
상기 나노리본의 우측의 보다 짧은 에지에 공유결합된 치환기 R 로서, L 및 R 은 각각 금속 전극 또는 전극에 배치된 금속 콘택에 결합가능한 적어도 하나의 황 원자 또는 카르벤 전구체 모이어티를 포함하는, 상기 치환기 R;
상기 나노리본의 임의의 에지에 공유결합되고 프로브 분자에 결합가능한 적어도 하나의 부착기 P; 및
상기 나노리본의 임의의 에지에 공유결합된 적어도 하나의 치환기 S 로서, 상기 치환기는 상기 분자 전자 센서의 제조시, 상기 합성 브릿지 분자의 용해도 또는 배좌 (conformation) 중 적어도 하나에 영향을 줄 수 있거나 상기 금속 전극, 전극 상의 상기 금속 콘택, 또는 상기 프로브 분자 중 적어도 하나에 대한 상기 합성 브릿지 분자의 자기-조립을 촉진가능한, 상기 적어도 하나의 치환기 S 를 포함하는, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 1 항에 있어서,
L 및 R 은 -SH, -SCH3, -SSH, -SS-CH3, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일 또는 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-티오일 모이어티 중 적어도 하나를 더 포함하는, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 1 항에 있어서,
P 는 아지드, 알킨, 알콕시아민, 케톤, 알데히드, 비오틴 또는 스트렙타비딘 중 적어도 하나를 더 포함하는, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자로서,
상기 분자는 하기 구조를 포함하고:
여기에서:
n 및 m 은 독립적으로 0 내지 30 이고;
W 및 Y 는 -O-, -CH2-, CR8R9, CH2CR8R9, CR8CR9CH2, OCR8R9, 및 CR8R9O 로부터 독립적으로 선택되고, R8 및 R9 은 동일한 카본 원자에 부착되고 H, CH3, C2H5, CH2CH2CH3, 또는 (CH2)x(OCH2CH2)yOR10 로부터 독립적으로 선택되고, x 는 2 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R10 은 H, Me, 또는 Et 이고, R8 및 R9 는 고리를 형성하기 위해 임의로 연결될 수 있고, O 는 방향족 고리에 직접 임의로 결합되고, W 및 Y 는 고리 내에서 서로 임의로 교환될 수 있고;
W' 및 Y' 는 -O-, -CH2-, CR8R9, CH2CR8R9, CR8CR9CH2, OCR8R9, 및 CR8R9O 로부터 독립적으로 선택되고, R8 및 R9 은 동일한 카본 원자에 부착되고 H, CH3, C2H5, CH2CH2CH3, 또는 (CH2)x(OCH2CH2)yOR10 로부터 독립적으로 선택되고, x 는 2 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R10 은 H, Me, 또는 Et 이고, R8 및 R9 는 고리를 형성하기 위해 임의로 연결될 수 있고, O 는 방향족 고리에 직접 임의로 결합되고, W' 및 Y' 는 고리 내에서 서로 임의로 교환될 수 있고;
R1 은 (i) 에스테르 연결된 PEG 사슬 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 (x 는 0 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); 또는 (ii) 각각 구조 (CH2CH2O)zR14 의 수용화된 PEG 사슬로 유도된 8 내지 64 개의 브랜치를 포함하는 수용성, 에스테르 연결된 덴드론 (z 는 1 내지 8 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 로부터 선택된 모이어티이고, R1 의 에스테르 연결 (ester-linkage) 은 1) 광 분해성 (photocleavable), 2) 레독스 분해성 (redox-cleavable), 3) 산 분해성 (acid cleavable) 또는 4) 염기-분해성 (base-cleavable) 연결기를 임의로 포함하여, 상기 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
R2 는 (i) 에스테르 연결된 PEG 사슬 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 (x 는 0 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); (ii) 각각 수용화된 PEG 사슬 (CH2CH2O)zR14 로 유도된 4 내지 16 개의 브랜치를 갖는 나노리본으로부터 연결된 수용성, 에스테르 연결된 덴드론 (z 는 1 내지 4 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 로부터 선택된 모이어티이고, R2 의 에스테르 연결은 1) 광 분해성, 2) 레독스 분해성, 3) 산 분해성 또는 4) 염기-분해성 연결기를 임의로 포함하여, 상기 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
W" 및 Y" 는 -S-, -CH2-, CH2CH2, CR11R12, 및 SCR11R12 로부터 독립적으로 선택되고, R11 및 R12 은 동일 카본 원자 상에 결합되고 H, CH3, C2H5, CH2CH2CH3, CH2CH2SCH3, SCH3, 또는 SCH2CH2SCH3 로부터 독립적으로 선택되고, R8 및 R9 는 고리를 형성하기 위해 임의로 연결될 수 있고, S 는 방향족 고리에 직접 임의로 연결되고, W" 및 Y" 는 고리 내에서 서로 임의로 교환될 수 있고;
R5 는 H, SMe, 또는 CH2CH2SMe 이고;
R6 는 H, SMe, SCH2CH2SMe, SCH2C(CH2SMe)3, SH, CS2H, CH2SMe, CH2SH, CH2CS2H, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일 또는 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-티오일이고; 그리고
R7 은 H, SMe, SCH2CH2SMe, SH, CS2H, CH2SMe, CH2SH, CH2CS2H, 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸-3-이움]-일 또는 6-[1,3-디이소프로필-1H-벤조[d]이미다졸[d]이미다졸-3-이움]-티오일인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 4 항에 있어서,
m + n = 10 내지 24;
Y= W = -CH2- 또는 -O-;
Y'= W' = -CH2- 또는 -O-;
Y" = W" = -S-;
R1 = -CO-O-(CH2CH2O)n-OCH3, n 은 2 내지 7 이거나 또는 20 내지 48 이고;
R2 = -CO-O-(CH2CH2O)n-OCH3, n 은 2 내지 7 이거나 또는 20 내지 48 이고;
R3 = (L-Phe-Gly)4-NHOCH2CH2O-N=CH(p-C6H4)CH2-;
R4 = H;
R5 = CH2CH2SMe;
R6 = SCH2CH2SMe; 그리고
R7 = H 인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 5 항에 있어서,
R1 = PEG-20;
Y 및 W 는 -O- 이고;
R3 = 아지도-(CH2)10;
R4 = 비오틴-PEG-5;
R5 = H;
R6 = 메틸티올; 그리고
R7 = H 인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 4 항에 있어서,
m + n = 10 내지 24;
Y= W = -CH2- 또는 -O-;
Y'= W' = -CH2- 또는 -O-;
Y" = W" = -S-;
R1 = H;
R2 = -CO-O-(CH2CH2O)n-OCH3, n 은 2 내지 7 이거나 또는 20 내지 48 이고;
R3 = -(CH2)nC(O)NH-CH[(CH2)r(CH2)R18][CH2CH2-O-CH2CH2O-(CH2)s-R19), n, r 및 s 는 독립적으로 2 내지 7 이고; 그리고 R18 및 R19 는 -N3, -CC-H, -NHCO-비오틴, -CHO, -COCH3 및 -O-NH2 으로부터 독립적으로 선택되고, 단, R18 및 R19 는 서로 반응할 수 없고;
R4 = R5 = p- 또는 m-C6H4-(CH2)tCOO(CH2CH2O)uCH3, t 는 0 내지 10 이고 u 는 5 내지 50 이고;
R6 = SCH2CH2SMe; 그리고
R7 = H 인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자로서,
상기 분자는 하기 구조를 포함하고:
여기에서:
n = 2;
m = 3 내지 500;
R1 은 (1) 구조 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x 는 3 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); (2) 구조 (CH2)xO-CH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x > 2, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); 또는 (3) 각각 수용화된 PEG 사슬 (CH2CH2O)zR14 로부터 유도된 8 내지 64 개의 브랜치를 포함하는 수용성 에스테르-연결된 덴드론 (z 는 1 내지 8 이고 R14 는 H 또는 Me 임) 로부터 선택되고, 그리고 R1 의 에스테르 연결은 1) 광 분해성, 2) 레독스 분해성, 3) 산 분해성 또는 4) 염기-분해성 연결기를 임의로 포함할 수 있어, 분자의 캡 부분이 금 전극에 연결된 후에, 상기 덴드론이 1) 광, 2) 산화제 또는 환원제, 3) 산 또는 4) 염기를 각각 사용하여 제거될 수 있고;
R2 는 (1) 구조 (CH2)xCO(OCH2CH2)yOR13 또는 (CH2)xOC=OCH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x 는 3 내지 10 이고, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); (2) 구조 (CH2)xO-CH2CH2CH2(OCH2CH2)yOR13 을 갖는 에스테르 연결된 PEG 사슬 (x > 2, y 는 10 내지 40 이고, R13 은 Me 또는 H 임); 또는 (3) -H 로부터 선택되고;
R3 = -(CH2)nC(O)NH-CH[(CH2)r(CH2)R18][CH2CH2-O-CH2CH2O-(CH2)s-R19), n, r 및 s 는 독립적으로 2 내지 7 이고; 그리고 R18 및 R19 는 -N3, -CC-H, -NHCO-비오틴, -CHO, -COCH3 및 -O-NH2 으로부터 독립적으로 선택되고, 단, R18 및 R19 는 서로 반응할 수 없고;
R4 는 H 또는 SCH2CH2SCH3 이고; 그리고
R5 는 -SH 또는 SCH2CH2SCH3 인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자로서,
상기 분자는 하기 구조를 포함하고:
여기에서:
n 및 m 은 독립적으로 0 내지 30 이고;
R1 = R2 = -(CH2)4C(O)O-PEG-48;
R3 = H 또는 -NR9R10, R9 는 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결되고 R10 은 H 이거나 또는 R10 은 폴리머라제를 포함하지 않는 R9 와 고리를 형성하거나, 또는 R10 은 R9 에 연결된 잔기와는 별개인 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결되고,
R4 = R5 = H
R6 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 H;
R7 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 H; 그리고
R8 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 -SH 인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 9 항에 있어서,
R1 = R2 = (CH2)4C(O)O-PEG-48;
R3 은 (CH2)4C(O)NH-CH2CH2CH(CH2CH2CH2N3)(CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2NH-비오틴) 이고;
R4 = R5 = H
R6 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 H;
R7 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 H; 그리고
R8 = CH2SCH2CH2SCH3 또는 -SH 인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 제 9 항에 있어서,
R3 = H;
R4 는 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결되고; 그리고
R5 는 H 이거나 또는 폴리머라제를 포함하지 않는 R4 와 고리를 형성하거나, 또는 R5 는 R9 에 연결된 잔기와 별개인 DNA 폴리머라제 시스테인 잔기에 연결되는, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자로서,
상기 분자는 하기 구조를 포함하고:
n 은 합성 브릿지 분자의 길이가 약 5 nm 내지 약 30 nm 이도록 선택되는 정수인, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자. - 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자로서,
상기 분자는 하기 구조를 포함하는, 분자 전자 센서에서 사용하기 위한 합성 브릿지 분자:
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