專利名稱：納米尺度傳感器的制作方法
優(yōu)先權(quán)本申請請求享有2000年10月10日提交的臨時申請No.60/238,518和2001年10月9日提交的美國專利申請No.＿＿的優(yōu)先權(quán)。臨時申請No.60/238,518和美國非臨時申請No.＿＿的發(fā)明公開內(nèi)容被引用作為本申請的參考。
在掃描探針方法中，微米尺寸量級的探針用于詢問載體上分子的形貌特征或其它特征。在一個變型中，可使化學(xué)的、生物分子的或改進的微粒附著在探針的頂端，并且當(dāng)對表面或表面上的樣品進行微粒掃描時可以進行極其微細的力的測量。通過這些力的測量，人們可以獲悉附著在探針頂端的微粒何時會與表面或淀積在表面上的物體有相互作用。
上述研究方法存在的一個問題是，”報告者(reporter)”系統(tǒng)涉及的物體是微米空間尺度或更大的。與此相反，令人感興趣的分子常常是納米尺度或更小的；令人感興趣的分子的活動也是在納米尺度上發(fā)生的。即使應(yīng)用先進的原子力顯微鏡(AFM)探針技術(shù)，對納米尺度的分子相互作用事件進行檢測也是很困難的。用于栓系分子的探針比其上栓系的分子或令人感興趣的分子要大得多也重得多，這種情形使問題變得復(fù)雜起來。由于這兩種分子和探針之間存在很大的尺寸差異，可能導(dǎo)致單一分子相互作用事件的靈敏度較低或者減低。因此就有這樣一種需求，即，需要改進的檢測微米與納米尺度分子相互作用事件的裝置及方法。
因此，存在這樣一種需求，即，需要用于檢測在納米尺度上發(fā)生的分子相互作用事件的裝置及方法。進一步的需求是，直接檢測這些分子相互作用事件而毋需借助于總體平均。最后，存在這樣一種需求，即，需要一種能夠用作單一的生物分子相互作用事件的報告者的裝置及方法。
在本發(fā)明中，可能參與分子相互作用事件的有機的、無機的、或其它物體被物理地連接到納米尺度的物體，典型地，但非限制性地是，碳納米管，硅納米管，金屬納米棒，以及諸如微管和肌動蛋白絲這樣的生物構(gòu)件，以構(gòu)建一個用于報告微米尺度或更小尺度的分子相互作用事件的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
在一個實施例中，第一納米尺度物體被形成并被可操作地相對于第二納米尺度物體進行定位，而第二納米尺度物體的一端則拴系分子。第一納米尺度物體的各端都連接有單獨的微米尺寸的導(dǎo)電焊點。然后使電流流過第一納米尺度物體并進行監(jiān)測。當(dāng)與第二納米尺度物體結(jié)合的分子參與分子相互作用事件時，第二納米尺度物體的物理性質(zhì)改變，從而影響第一納米尺度物體的電導(dǎo)率。在最簡的情況下，由于第二納米尺度物體比結(jié)合在它上面的分子尺寸小，所以第二納米尺度物體可能發(fā)生物理位移，因此影響第一納米尺度物體的電流或電阻。這種電流或電阻可被檢測出來用以報告分子相互作用事件。可以理解，納米尺度物體相互作用中的其它物理性質(zhì)也可被測量出來。
在本發(fā)明的第二個實施例中，第一納米尺度物體被形成在一個表面上，其一端拴系有分子而另一端拴系有導(dǎo)電焊點。掃描隧道顯微鏡被用來監(jiān)測該納米尺度物體的位置和電子學(xué)特性。當(dāng)發(fā)生分子相互作用事件時，該納米尺度物體的位置和電子學(xué)特性會有改變。而掃描隧道顯微鏡被用來對該納米管的位置變化或電子學(xué)特性變化進行檢測和報告。
本發(fā)明還包括一種納米尺度傳感器，其包括形成在一個表面上的第一納米管，可操作地連接于第一納米管的監(jiān)測裝置，形成在所述表面上并與第一納米管具有可操作關(guān)系的第二納米管，以及拴系在第二納米管的第一端的至少一個分子，其中，當(dāng)發(fā)生有該拴系分子參與的分子相互作用事件時，所述監(jiān)測裝置檢測到該分子相互作用事件。
本發(fā)明的另一個實施例包括一種檢測分子相互作用事件的方法，其包括將第一納米管可操作地耦合到第二納米管，其中第一納米管的第一端被可操作地耦合到第一導(dǎo)電焊點而其第二端被可操作地連接到第二導(dǎo)電焊點，并且其中第二納米管的第一端被可操作地耦合到第三導(dǎo)電焊點而其第二端被可操作地與分子連接；施加電流通過第一與第二納米管；以及利用安培計監(jiān)測通過第一與第二納米管的電流，其中當(dāng)生物分子經(jīng)歷分子相互作用事件時，第一與第二納米管的電導(dǎo)率變化由所述安培計檢測出來。
此外另一種檢測分子相互作用事件的方法包括將分子拴系到納米尺度物體的第一端，利用掃描隧道顯微鏡掃描納米尺度物體，以及當(dāng)分子經(jīng)歷分子相互作用事件時檢測納米尺度物體的移動。
本發(fā)明還包括一種用于檢測分子相互作用事件的裝置，其包括可操作地連接于一個表面的第一納米管，可操作地連接于所述表面且可操作地連接到第一納米管的第二納米管，拴系到第二納米管第一端的分子，其中，當(dāng)該分子參與分子相互作用事件時，它導(dǎo)致第一與第二納米管的物理性質(zhì)產(chǎn)生可測量的變化。
附圖簡介

圖1是本發(fā)明的一個實施例的納米管電路的原理示意圖。
詳細說明在本發(fā)明應(yīng)用中，可以用這樣一種方式監(jiān)測納米尺度物體，其中，該物體的物理位置或其它物理性質(zhì)的改變可被作為納米尺度事件的表征而被識別出來。例如，碳納米管可以像導(dǎo)線、開關(guān)、以及二極管一樣傳導(dǎo)電子。因此，其電阻就是一種用于表征分子相互作用事件出現(xiàn)的可監(jiān)測的性質(zhì)。本發(fā)明也可以使用其它的納米尺度物體。這些納米尺度物體包括硅納米管、諸如微管和肌動蛋白絲這樣的生物構(gòu)件、以及納米棒和納米線。本發(fā)明將利用碳納米管作為優(yōu)選的納米尺度物體。清楚限定的金屬性質(zhì)以及制作具有限定物理與化學(xué)屬性的納米棒的能力是人們可以理解知曉的，因此可以提供一種用于制造本發(fā)明所述納米傳感器的可替選的裝置。另外，這種類型的系統(tǒng)更易于實現(xiàn)批量制造。因此，替換代入其它納米尺度物體(諸如那些上面列述的)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能夠?qū)崿F(xiàn)的，但不會背離本發(fā)明的精神與范圍。
以針狀的單層或多層納米尺寸管形式的C60富勒烯結(jié)構(gòu)的合成是本領(lǐng)域公知的。這些擴展開的富勒烯管結(jié)構(gòu)也稱為碳納米管，或薄壁碳納米管。在結(jié)構(gòu)上，碳納米管是一些稱為富勒烯的分子碳的構(gòu)件。六角形的碳環(huán)相對于納米管軸線的原子排列形式各不相同且通常是螺旋狀的。納米管由許多同軸的圓筒形的薄片(由一片至約50片)構(gòu)成，薄片由六角形排列的碳原子組成。該管通常具有幾個至幾十個納米的直徑和達到幾個微米之多的長度。這樣的納米管是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。
利用標準碳弧方法在實驗數(shù)量上合成這些納米管是已知的。納米管的制作通常包括將兩個水冷的由無定形碳制成的碳電極或者石墨棒以大約一毫米間距分開放置于真空室中，將該真空室抽真空至大約10-7托的氣壓，用諸如氦氣、氮氣、氬氣的惰性氣體或者氫氣回填該真空室使氣壓達到約50至500托，而后在兩個電極之間進行大電流電弧放電，同時持續(xù)調(diào)整兩個電極以維持一毫米的電極間隙。結(jié)果是在負極上生長碳納米管以及其它小的碳顆粒。在電極沉淀中產(chǎn)生的納米管的數(shù)量取決于最佳生長條件能夠維持多長時間。
由這種或其它的方式制成的探針可應(yīng)用于許多實驗。參見Wong，S.S.，E.Joselevich，A.T.Woolley，C.L.Cheung和C.M.Lieber的“在化學(xué)和生物學(xué)中作為納米尺寸探針的共價功能化的納米管”(CovalentlyFunctionalized Nanotubes as Nanometre-sized Probes in Chemistry andBiolog)，Nature，1998，p52-5；Wong，S.S.，A.T.Woolley，E.Joselevich，C.L.Cheung，和C.M.Lieber的“用于化學(xué)力顯微術(shù)的共價功能化單壁碳納米管探針尖端”(Covalently-functionalized Single-walled Carbon NanotubeProbe Tips for Chemicalforce Microscopy)，Joumal of the AmericanChemical Society，1998，p8557-8558；Wong，S.S.，A.T.Woolley，E.Joselevich，和C.M.Lieber的“使用尖端觸發(fā)氣體的碳納米管AFM探針的功能化”(Functionalization of carbon nanotube AFM probes usingtipactivated gases)，Chemical Physics Letters，306，p.219；Dai，H.，E.W.Wong，和C.M.Lieber的“納米材料中電運輸?shù)奶綔y單個碳納米管的導(dǎo)電率”(Probing Electrical Transport in NanomaterialsConductivity ofIndividual Carbon Nanotubes)，Science，1996，p.523-526；Shoushan Fan，Michael Chapline，Nathan Franklin，Thomas Tombler，A.Cassell和HongjieDai的“碳納米管的自定向規(guī)則陣列以及它們的功能器件”(Self-OrientedRegular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Functional Devices)，Science，283，512(1999)；Hyonsok T.Soh，Alberto Morpurgo，Jing Kong，Charles Marcus，Calvin Quate和Hongjie Dai的“集成納米管電路受控生長以及與單壁碳納米管的歐姆接觸”(Integrated Nanotube CircuitsControlled Growth and Ohmic Contacts to Single-walled CarbonNanotubes)，Appl.Phys.Lett.，75，6951，(1999)；Hongjie Dai，Jing Kong，Chongwu Zhou，Nathan Franklin，Thomas Tombler，Alan Cassell，ShoushanFan和Michael Chapline，的“納米管架構(gòu)的受控化學(xué)方法，物理與設(shè)備”(Controlled Chemical Routes to Nanotube Archrtecture，Physics andDevices)，J.Phys.Chem B，1999，103 11246-11255(1999)；Martin，B.R.的“納米桿，高級材料”(Nanobars，Advanced Materials)，11，p.1021(1999)；Cui，Y.等人的“用于生物和化學(xué)物質(zhì)的高靈敏度和選擇性檢測的納米線納米傳感器”(Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and SelectiveDetection of Biological and Chemical Species)，Science，293，p.1289(2001)；以及Martin，B.R.的“納米桿，高級材料”(Nanobars，AdvancedMaterials)，11，1021(1999)。
在這些實驗裝置中，將約18V的直流電壓施加到兩個碳電極之間，兩個碳電極位于充有大約500托氦氣的室內(nèi)。在相近間距的電極之間產(chǎn)生等離子體。隨著正電極的消耗，碳逐漸積聚在負電極上并不斷生長。當(dāng)維持準確的電極間距時，淀積生長形成圓柱形結(jié)構(gòu)，它具有堅硬的外殼和松軟的內(nèi)纖維芯?；疑鈿び商技{米管和熔為硬塊的其它碳納米粒子組成。松軟的黑色內(nèi)芯包括游離的納米管和以纖維形式存在的納米顆粒，該纖維順著電極之間的電流方向排列。已知的制造納米管的其它方法還有例如在美國專利5,753,088和5,482,601中描述的那些。
本發(fā)明的裝置及方法描述了一種利用碳納米管將事件以宏觀信號方式報告出來的裝置及方法。首先將對本發(fā)明的裝置及方法進行描述說明；然后再描述說明一些利用本發(fā)明裝置及方法作為納米尺度報告者的具體本發(fā)明裝置的一個具體實施例包括第一碳納米管10、第二碳納米管12以及表面14。第一與第二碳納米管10、12被可操作地連接并且被固定到表面14。第一碳納米管10進一步包括可操作地與其一端相連的導(dǎo)電焊點16。導(dǎo)電焊點16也被可操作地連接到表面14。第二碳納米管12可進一步包括與其第一端相連的導(dǎo)電焊點18以及栓系于其第二端的分子20。拴系到第二碳納米管12的分子20是待研究的分子。
在本實施例中，導(dǎo)電焊點16、18由鉑格柵制成并且連接到碳納米管10、12。也可以使用其它導(dǎo)電焊點，例如微米尺寸的金導(dǎo)電微區(qū)(goldisland)。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以根據(jù)待檢測的分子相互作用事件的特性來決定構(gòu)造的納米管的長度和尺寸大小。不同方法都考慮顧及了用可靠的電連接來接通單獨的納米管。例如，在supra，Nature，292，(1998)中披露的制造半導(dǎo)體單壁碳納米管的方法中，該單壁碳納米管就連接了兩個諸如本發(fā)明實施例中鉑電極那樣的金屬電極。另外，已經(jīng)有資料披露顯示，以這種方式生成的碳納米管可以被集成為電子電路。參見supraJ.Phys.Chem B.1999，103 11246-11255(1999)。應(yīng)用帶有1-5微米寬的催化島圖案的基底汽相淀積形成的納米管可用以在該基底上所期望位置處生成納米管芯片?？梢越柚谠恿︼@微鏡或掃描隧道顯微鏡確認納米管的位置。應(yīng)用不同的方法，例如，化學(xué)汽相淀積法可應(yīng)用于在包括氧化硅基底的硅表面上生長單壁或多壁碳納米管。
接下來，利用已知技術(shù)將分子20拴系到第二碳納米管12的自由端。根據(jù)人們感興趣的分子相互作用事件，可以決定第二碳納米管12的復(fù)合端(complexed end)連接無機或有機分子20。在一個實施例中，通過將胺結(jié)合到懸吊的羧基上以實現(xiàn)對尖端的改造。在另一個實施例中，也可以應(yīng)用先前已經(jīng)說明的共價改造的納米管尖端，參見Supra，Nature，395，1998年7月。在再一個可選擇的實施例中，可以這樣一種方式修飾羧基以便提供更進一步的復(fù)合?？梢岳斫?，分子20不一定必須拴系在第二納米管12的端部，也可以拴系在沿著第二納米管12整個長度的一個位置上。
本發(fā)明實施例還可進一步包括電源22。電源22可操作地連接到導(dǎo)電焊點16和導(dǎo)電焊點18，導(dǎo)電焊點16是連接在第一納米管10上的，而導(dǎo)電焊點18連接在第二納米管12上。電源22用于提供微小電壓給第一與第二碳納米管10、12。電源22可進一步包括控制裝置，因此可以精密地監(jiān)測和控制輸送給納米管10、12的電量。這些由納米管接通構(gòu)成的電路的特征還在于可測量電阻或電導(dǎo)。
本發(fā)明實施例還可進一步包括安培計24。安培計24可操作地連接到第一與第二碳納米管10、12，用以監(jiān)測其中的電流。可以測量納安與皮安級電阻的安培計24是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。
由于納米管10、12的電子特性，該形式的納米管結(jié)構(gòu)可以具有可借助于所用納米管的化學(xué)細節(jié)(chemical details)來控制的各種電子屬性。借助于導(dǎo)電焊點16、18和電源22，第一與第二納米管10、12之間的相交部分(intersection)可以是導(dǎo)電焊點、整流通路、開關(guān)通路、乃至晶體管。在本實施例中，相交部分產(chǎn)生了供使用者監(jiān)測用的導(dǎo)電焊點。納米管觸點(contact)的電子信號受到測量并且在酶活化之前被用作基線。當(dāng)發(fā)生被拴系分子20參與的分子相互作用事件時，動態(tài)分子特性通過納米管10、12被轉(zhuǎn)換并被放大為宏觀信號。例如，他們的物理方向的變化會導(dǎo)致電流流量變化且因此可以通過對該系統(tǒng)電阻的監(jiān)測而測知變化。
當(dāng)本發(fā)明被用作分子事件檢測器時，連接到第二納米管12的分子20被暴露于目標樣品中。目標樣品可包含有可能與拴系在第二納米管12端部的分子20發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)。本發(fā)明企望存在這樣一種分子，借助于所述可能發(fā)生的反應(yīng)，它與所述拴系分子以一種可檢測方式發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)可以是能夠在該系統(tǒng)中導(dǎo)致一些可報告的變化的任意分子相互作用事件。本發(fā)明實施例企望電導(dǎo)率改變并且可以通過安培計檢測到該變化。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明白，本發(fā)明方法所教導(dǎo)的東西還可應(yīng)用于范圍廣闊的選擇系統(tǒng)中。
如前面提到的那樣，當(dāng)拴系在第二納米管12端部的分子20經(jīng)歷分子相互作用事件時，該事件會導(dǎo)致第一納米管10和第二納米管12之間物理關(guān)系的改變。在本實施例中，通過監(jiān)測經(jīng)由位于第一與第二納米管10、12端部的鉑金焊點16、18測得的電壓或電阻的變化來報告所述改變。由納米管10、12的物理關(guān)系改變可導(dǎo)致這種電阻變化，而納米管10、12的物理關(guān)系改變則是由分子相互作用事件導(dǎo)致的，即改變了電流途徑的長度，由此改變了通過安培計24測得的電阻。換言之，由于每個納米管10、12都經(jīng)由導(dǎo)電焊點16、18而連接到宏觀電路，測量流經(jīng)兩個納米管10、12的電流變化被與分子活動的發(fā)生相關(guān)聯(lián)起來。
納米管的屬性(例如但不局限于，運動、熱導(dǎo)性、電阻、壓縮率、延伸率等等)可以變化且在可選擇的實施例中檢測。納米管屬性變化會改變納米管-納米管接觸的原有狀態(tài)，由此將酶活性特性指示報告給宏觀世界。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明白，在可選擇的實施例中，可以監(jiān)測第一與第二納米管10、12的各種屬性以便檢測分子相互作用事件的發(fā)生。
在本發(fā)明一個可選擇實施例中，可以只用一個納米管來報告分子相互作用事件。所述一個納米管形成在選定表面上且拴系有一個分子。將掃描隧道顯微鏡可操作地相對于該納米管放置，以便監(jiān)測該納米管的位置或電子特性。當(dāng)對納米管端部拴系分子的分子相互作用發(fā)生時，掃描隧道顯微鏡就報告出該納米管的位置變化，如此報告了分子相互作用事件的發(fā)生。
在本發(fā)明另一個可選擇的實施例中，本發(fā)明可包括第一納米管、第二納米管、第一導(dǎo)電焊點和第二導(dǎo)電焊點，所述第一導(dǎo)電焊點與第一納米管相連，所述第二導(dǎo)電焊點與第二納米管相連。納米管被可操作地彼此相對固定，并且一個分子被拴系到第二納米管的端部。該實施例還包括電源和安培計，它們連接在焊點之間。在這個實施例中，電流通過連接在第一納米管上的第一焊點，橫跨到第二納米管，而后通過第二納米管流到第二焊點?？梢岳斫?，在這個實施例中拴系在第二納米管端部的分子不會受到施加在該系統(tǒng)上的較小電流的影響。就像前述實施例一樣，對該分子發(fā)生的分子相互作用事件會影響流經(jīng)該系統(tǒng)的電流并且通過安培計被報告出來。
下面的實施例用于幫助理解本發(fā)明并且表示本發(fā)明的各種可選擇應(yīng)用。無論如何都不應(yīng)將下面的實施例理解為對本發(fā)明的限定，本發(fā)明可以應(yīng)用于化學(xué)傳感、物質(zhì)相互作用、以及其它的物理或電子的相互作用。例1檢測空氣傳播的粒子空氣傳播粒子可能會影響接受者的行為以及通常的物理狀態(tài)。由于空氣傳播粒子在動物或人體中即使數(shù)量極低也可導(dǎo)致對行為與生理反應(yīng)的影響，因此人們非常希望能夠檢測空氣傳播粒子。這樣的空氣傳播粒子可包括各種毒素、化學(xué)品、或者其它諸如信息素之類的試劑。
在一個例子中，信息素感受器被連接在第一納米管上。第一納米管的另一端被固定并且與第二納米管近似垂直相交，所述第二納米管的兩端都連接有金電極。該例中進一步包括有電源和安培計，它們被可操作地連接到系統(tǒng)中。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電子信號利用建立在兩個金電極之間的傳感電路而被產(chǎn)生。信息素被引入該納米管結(jié)合的感受器附近的空氣中。在與信息素結(jié)合的作用下，感受器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化，因而影響了所連接的第一納米管的屬性。通過檢測第二納米管電路中的變化來指示報告分子相互作用事件。在可選擇的實施例中，通過使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的標準過濾技術(shù)(例如使用Kellman過濾器)，可使這種設(shè)備對瞬時事件敏感。
在可選擇的實施例中，本發(fā)明可用于檢測其它空氣傳播的病原體。例如，炭疽細菌是可以作為空氣傳播粒子傳播的致命病原體。其它可檢測的物質(zhì)包括真菌孢子和病毒性病菌。
在這些可選擇的實施例中，拴系在納米管上的分子可包括aptamers。aptamers是用于與特定的生物分子或非生物分子表面和結(jié)構(gòu)相結(jié)合的分子?？梢岳帽绢I(lǐng)域公知方法來制備用于相互作用和反應(yīng)條件各不相同的aptamers。當(dāng)aptamer與空氣傳播的病原體相互作用時，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，該變化像上述示例那樣經(jīng)過轉(zhuǎn)換并為納米管連接電路檢測到。
在另一個可選擇的實施例中，本發(fā)明可用于光子檢測。在這個例子中，光感受器被結(jié)合到基于納米管的納米傳感器的端部。光子感受器可以基于生物學(xué)中種類廣泛的各種光子傳感器中的任意一種，包括眼睛中的光感受器，光化合成作用的第一個步驟中所用的光感受器，以及藻青菌(也稱為藍綠藻-這是一個使用不當(dāng)?shù)拿Q)中獲取光能過程中所用的光感受器。可選擇地，光感受器可以是天然的或是人造的，諸如光反應(yīng)礦物(例如硅)那樣的非生物物質(zhì)。在這個例子中，在特定能級的光子之間的相互作用會導(dǎo)致光檢測器中的結(jié)構(gòu)變化，該變化通過納米尺度傳感器得到轉(zhuǎn)換。在另一個可選實施例中，本發(fā)明類似地可被用作熱傳感器。由這些例子可以很清楚地認識到，可以圍繞這里講述的中心思路設(shè)計出種類廣泛的各種相互作用的傳感器。這些傳感器包括但不局限于粒子傳感器、化學(xué)傳感器、以及材料傳感器。
應(yīng)當(dāng)認識到，在上述示例中，結(jié)合反應(yīng)是發(fā)生在空氣中的，并且執(zhí)行檢測是基于機械轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變化而被感知的。在一個可選擇的實施例中，可以根據(jù)直接受到結(jié)合相互作用的感應(yīng)的納米管的電子態(tài)的改變而感測事件。例如，傳感器被構(gòu)造成使納米管如上所述地跨接兩個金電極。諸如上述信息素感受器那樣的傳感實體被拴系到納米管的中段?？梢栽谝阎某霈F(xiàn)在納米管中的缺陷部位處實現(xiàn)這種拴系。通過檢測電路得到傳感器的電子態(tài)。在與信息素配合基反應(yīng)作用下，由于添加到該系統(tǒng)的新成分的電子特性與先前存在系統(tǒng)中的那些相合并，因此這種電子態(tài)將改變。然后借助于傳感電路中的變化來監(jiān)測這種狀態(tài)改變。
至此，在所有描述過的示例中利用的系統(tǒng)都是在有一定濕度的空氣中或在真空中進行操作的。但是，只要傳感器電路不受液體環(huán)境侵害且能區(qū)別于液體環(huán)境，在溶液中完成類似反應(yīng)也是可行的。眾所周知，通過給探針部件覆蓋隔離材料并且只讓末端尖點露出到周圍液體環(huán)境中，掃描隧道顯微鏡可以在溶液中工作。同樣技術(shù)可以用于制造具有類似特性的納米尺度傳感器系統(tǒng)。例如，可以通過離子束濺射法將隔離材料涂覆到納米尺度傳感器，在除了該系統(tǒng)傳感部分之外的其它所有地方都涂覆隔離材料。在這個情形下，該系統(tǒng)可以在溶液中工作，用于檢測液體系統(tǒng)中的生物分子事件。下面內(nèi)容包含了幾個具體應(yīng)用的例子。例2檢測酶活性第一納米管像上述內(nèi)容那樣被形成并與生物分子連接。第一碳納米管的一端用酸處理以便在末端生成懸垂的-COOH基團。然后使該-COOH基團通過縮合作用與酶連接。在本發(fā)明方法的一個實施例中，碳化二亞胺試劑被用來對游離羧基與在酶上的伯胺的縮合起催化作用，由此釋放出水分子并且在酶和納米管之間形成共價連接。
接下來，酶會通過添加基底和所需輔助因素而被激活。當(dāng)酶發(fā)揮其催化作用時，第一與第二納米管的屬性相應(yīng)于該酶的催化功效而改變。
在一個實施例中，在分子相互作用事件期間連接的酶的運動會導(dǎo)致由納米管構(gòu)成的電路的電阻改變。在一個實施例中，當(dāng)分子相互作用事件改變了第一與第二納米管的相對位置時，該電路路徑長度也改變了。借助于當(dāng)?shù)诙{米管滑動、移動或以任意方式與第一納米管作用時經(jīng)第二納米管轉(zhuǎn)移的電子，就可測量電阻的變化。在另一個可選擇的實施例中，當(dāng)發(fā)生分子相互作用事件時可以檢測這兩個納米管的其它物理特性以及相互關(guān)系的變化。
在一個可選擇實施例中，可將諸如電子門這樣的結(jié)構(gòu)用于構(gòu)造交叉的納米管，從而制造出晶體管開關(guān)。
在本例中得出的主要信息是，酶是否為活動的并且是否經(jīng)受分子相互作用事件。這個信息具有極大的實用價值，例如該酶僅在有或沒有某些試劑出現(xiàn)時具有活性。一個例子是傳感檢測對化學(xué)反應(yīng)起催化作用的金屬離子。另一個例子是傳感檢測特定類型的酶基底，其存在或者不存在是對特定條件的診斷。本發(fā)明對所有這些特定用途都有用。
在另一個可選的實施例中，當(dāng)酶是DNA聚合酶時，通過分子形狀或其它特性的變化可以檢測得知特定核酸的存在。僅當(dāng)互補的DNA引物(primer)分子結(jié)合到目標DNA分子從而形成適當(dāng)?shù)谋幻缸饔梦?聚合酶對其起作用)時，酶才變得有活性，借此可以檢測核酸。
在本發(fā)明的再一個具體實施例中，可以檢測一個蛋白質(zhì)與另一個的結(jié)合。當(dāng)將抗體構(gòu)造到一個納米管傳感器上時，抗體與抗原的結(jié)合會導(dǎo)致抗體結(jié)構(gòu)的改變。這種結(jié)構(gòu)改變可像前面所述方式的那樣被轉(zhuǎn)換為電信號。
本發(fā)明具體實施例的一個優(yōu)點在于，納米管傳感器可具有與酶相近的尺寸。納米管與酶尺寸相近意味著酶的活性對納米管特性具有很大作用影響。與之相反，例如，傳統(tǒng)的AFM探針，其質(zhì)量數(shù)千倍于連接到它頂尖上的單個酶分子。這種尺寸的差異導(dǎo)致靈敏度的低下。例3檢測DNA排序在這個具體實施例中，納米管結(jié)(junction)被制造出來，其中DNA聚合酶被拴系到第二納米管的一端。在本發(fā)明實施例中，DNA酶作用物和互補的引物被加入到系統(tǒng)中。當(dāng)該基底和引物被結(jié)合到一起并且被結(jié)合到該拴系的DNA聚合酶時，該酶預(yù)備好即將開始工作。包含合適的緩沖劑以及催化劑的三磷酸核苷前體被加入用以激活酶的活性。當(dāng)該酶使核苷酸加到引物分子上時，由于酶耗費能量，所以它將產(chǎn)生信號以對納米管結(jié)中第一與第二納米管之間電流的信號產(chǎn)生影響，且該信號通過安培計得到檢測。產(chǎn)生的信號可以是機械的、熱的、或者其它一些能量形式。在本發(fā)明實施例中，這些信號相應(yīng)于通過將核苷酸加入引物而合成的DNA的序列。
為使聚合酶變得具有活性，就需要使DNA酶作用物含有目標DNA段與引物段。引物段給出一個3′-OH基團，在復(fù)制目標段過程中聚合酶開始將核苷酸加到該基團上。已知當(dāng)DNA聚合酶用于使互補的核苷酸加入到DNA增長段中時，每一核苷酸類型的立體化學(xué)特性以及能量需求都有些不同。由這些不同設(shè)定了組合有A、C、G、或T(在RNA中為U)的核苷酸的離散指示。這種信息被本發(fā)明描述的納米傳感器進行轉(zhuǎn)換，由此可以直接得知通過納米傳感器聚合酶組件合成的分子的DNA序列。本實施例可被應(yīng)用于DNA和RNA分子。因此，本發(fā)明實施例可使使用者分析該生成信號以便直接推斷出生成的DNA或RNA序列。這樣一種發(fā)明的應(yīng)用性和優(yōu)點是顯而易見的。
在一個可選擇的實施例中，可以利用在同一表面上形成的大量的納米尺度傳感器來實施上述方法。每個生物傳感器的空間尺寸都約為2μ×2μ，因此可以在一個固態(tài)基底或1cm2的“基片”上存在數(shù)百萬個生物傳感器。應(yīng)用這樣一種方法及裝置，就可以同時測定多個DNA片段的序列。此外，由于DNA聚合酶的反應(yīng)速率可高達每分鐘20-40個核苷酸或更多，因此測序速率非?？烨倚矢摺?br> 本發(fā)明描述的信息內(nèi)容以及示例都是解釋說明性的，且并不意味著將在本發(fā)明精神范疇內(nèi)的導(dǎo)出物或可選擇性方法排斥在外?？梢灶A(yù)見到，將各種導(dǎo)出物用于本發(fā)明實施例并不會導(dǎo)致其背離本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明保護范圍期望由附加的權(quán)利要求書限定而不是由前面的本發(fā)明實施例描述來限定。
本申請中引用的所有文獻都通過參考方式而被整體引入到本申請中。
權(quán)利要求
1.一種傳感器包括形成在一個表面上的第一納米尺度物體；形成在所述表面上并與所述第一納米尺度物體具有可操作關(guān)系的第二納米尺度物體；可操作地連接到所述第一納米尺度物體和所述第二納米尺度物體的監(jiān)測裝置；以及拴系在所述第二納米尺度物體的第一端的至少一個分子，其中當(dāng)發(fā)生有所述拴系分子參與的分子相互作用事件時，分子相互作用事件通過所述監(jiān)測裝置得到檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括連接到所述第一納米尺度物體的第一端的第一導(dǎo)電焊點；以及連接到所述第二納米尺度物體的第二端的第二導(dǎo)電焊點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括可操作地連接到所述第一與所述第二導(dǎo)電焊點的電源，所述電源通過所述第一與所述第二導(dǎo)電焊點使電流流經(jīng)所述第一納米尺度物體和所述第二納米尺度物體，并且電流在所述第一與第二導(dǎo)電焊點處受到所述監(jiān)測裝置的檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述監(jiān)測裝置是安培計，該安培計測量電流流經(jīng)所述第一納米尺度物體和所述第二納米尺度物體的電阻，并且檢測其變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表面由硅形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述表面還包括一層二氧化硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，拴系在所述第二納米尺度物體端部的分子是生物分子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述生物分子是酶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述酶是DNA聚合酶。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，拴系在所述第二納米尺度物體端部的分子是無機分子。
11.一種檢測分子相互作用事件的方法，其包括將第一納米管可操作地耦合到第二納米管，其中，第一納米管的第一端被可操作地耦合到第一導(dǎo)電焊點，并且第二納米管的第二端被可操作地耦合到第二導(dǎo)電焊點；施加通過第一納米管的電流；以及利用安培計監(jiān)測通過第一米管的電流，其中，當(dāng)該生物分子經(jīng)歷分子相互作用事件時會影響第一納米管的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率的變化由安培計檢測。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述分子是生物分子。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，將生物分子可操作地連接到第二納米管還包括執(zhí)行在羧基與伯胺之間執(zhí)行縮合反應(yīng)。
14.一種檢測分子相互作用事件的方法，其包括將分子拴系到納米尺度物體的第一端；利用掃描隧道顯微鏡掃描所述納米尺度物體；以及當(dāng)所述分子經(jīng)歷分子相互作用事件時檢測所述納米尺度物體的運動。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，對所述納米尺度物體運動的檢測是通過檢測所述納米尺度物體相對于掃描隧道顯微鏡探針的位置變化而實現(xiàn)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述分子是生物分子。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述生物分子是酶。
18.一種用于檢測分子相互作用事件的裝置，其包括可操作地連接于一個表面的第一納米管；可操作地連接于所述表面并可操作地連接到所述第一納米管的第二納米管；拴系到所述第二納米管的第一端的分子，其中，當(dāng)該分子參與分子相互作用事件時，其導(dǎo)致所述第一與所述第二納米管的物理性質(zhì)產(chǎn)生可測量的變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于進一步包括可操作地相對于第一與第二納米管放置的監(jiān)測裝置，其中，當(dāng)分子相互作用事件恰好發(fā)生時，所述第一納米管和所述第二納米管的物理屬性的變化由所述監(jiān)測裝置檢測。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述監(jiān)測裝置是安培計。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述監(jiān)測裝置是掃描隧道顯微鏡探針。
全文摘要
在本發(fā)明中，可以參與相互作用事件的有機、無機或其它分子或物體被與納米尺度的物體物理地連接起來，所述納米尺度的物體典型地但非限制性地為碳納米管，硅納米管，納米桿以及諸如微管和肌動蛋白絲這樣的生物構(gòu)件，用以構(gòu)建一個用于報告微米尺度或更小尺度的分子相互作用事件的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。分子相互作用事件利用安培計或者利用掃描隧道顯微鏡得到監(jiān)測，從而當(dāng)分子或物體參與一個分子相互作用事件或者其它相互作用事件時，通過對納米管的物理特性中的變化或移動進行監(jiān)測來報告相互作用事件的發(fā)生。
文檔編號G01N33/543GK1468316SQ01817079
公開日2004年1月14日 申請日期2001年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月10日
發(fā)明者埃里克·亨德森, 柯蒂斯·莫舍, 莫舍, 埃里克 亨德森 申請人:拜澳富斯毫微科學(xué)有限公司