JP2022526665A - 分子エレクトロニックセンサーのための多環式芳香族架橋物 - Google Patents

分子エレクトロニックセンサーのための多環式芳香族架橋物 Download PDF

Info

Publication number
JP2022526665A
JP2022526665A JP2021560018A JP2021560018A JP2022526665A JP 2022526665 A JP2022526665 A JP 2022526665A JP 2021560018 A JP2021560018 A JP 2021560018A JP 2021560018 A JP2021560018 A JP 2021560018A JP 2022526665 A JP2022526665 A JP 2022526665A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
molecule
sch
linked
och
compound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021560018A
Other languages
English (en)
Inventor
バリー メリマン，
ティム ガイザー，
ポール モーラ，
ダリル ライドアウト，
Original Assignee
ロズウェル バイオテクノロジーズ，インコーポレイテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ロズウェル バイオテクノロジーズ，インコーポレイテッド filed Critical ロズウェル バイオテクノロジーズ，インコーポレイテッド
Publication of JP2022526665A publication Critical patent/JP2022526665A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C13/00—Cyclic hydrocarbons containing rings other than, or in addition to, six-membered aromatic rings
    • C07C13/28—Polycyclic hydrocarbons or acyclic hydrocarbon derivatives thereof
    • C07C13/32—Polycyclic hydrocarbons or acyclic hydrocarbon derivatives thereof with condensed rings
    • C07C13/62—Polycyclic hydrocarbons or acyclic hydrocarbon derivatives thereof with condensed rings with more than three condensed rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C321/00—Thiols, sulfides, hydropolysulfides or polysulfides
    • C07C321/24—Thiols, sulfides, hydropolysulfides, or polysulfides having thio groups bound to carbon atoms of six-membered aromatic rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D495/00—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • C07D495/02—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms in which the condensed system contains two hetero rings
    • C07D495/04—Ortho-condensed systems
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813—Hybridisation assays
    • C12Q1/6816—Hybridisation assays characterised by the detection means
    • C12Q1/6825—Nucleic acid detection involving sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/14—Organic dielectrics
    • H01G4/18—Organic dielectrics of synthetic material, e.g. derivatives of cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2603/00—Systems containing at least three condensed rings
    • C07C2603/02—Ortho- or ortho- and peri-condensed systems
    • C07C2603/54—Ortho- or ortho- and peri-condensed systems containing more than five condensed rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869—Methods for sequencing

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Oxygen Or Sulfur (AREA)
  • Polyoxymethylene Polymers And Polymers With Carbon-To-Carbon Bonds (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

様々な実施形態では、分子エレクトロニックセンサーに使用可能な合成架橋分子が開示される。様々な態様では、架橋分子は、金属電極への選択的結合のための短い反対端部に末端基、プローブ分子への結合のための長い縁部の中間点付近に１つまたは１つより多くの置換基、および溶解性または他の効果のための１つまたは１つより多くの追加の置換基を有する、長く狭いリボンの形状の縮合環である多環式芳香族炭化水素構造を含む。様々な実施形態では、本明細書における架橋分子は導電性であり、隙間の設けられた電極間に架橋物を形成すると、センサーに閉回路をもたらす。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体の開示が参照により本明細書に組み込まれている、「Ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ Ａｒｏｍａｔｉｃ Ｂｒｉｄｇｅｓ ｆｏｒ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｓ」と題する２０１９年４月１２日出願の米国仮特許出願第６２／８３３，５６２号に対する優先権およびその利益を主張する。
分野
本開示は、概して、分子エレクトロニックセンサー、より詳細には分子エレクトロニックセンサーにおける構成成分としての電子導電性多環式芳香族分子の設計、合成および使用に関する。
背景
幅広い分野の分子エレクトロニクスが、ＡｖｉｒａｍおよびＲａｔｎｅｒによって１９７０年代に導入された。その考えとは、可能な限り小さな電気回路が、回路構成成分として単一分子を組み込むというものであった。分子回路素子は、分子に応じて、スイッチ、整流器、作動装置またはセンサーとして、多様な機能、作動を実現することができる。このような構築物は、分子相互作用が単一分子センシングに対する基礎をもたらし得るので、センサーとして応用することができる。
例えば、広範囲に検討が行われてきた電子回路に使用可能な分子素子のクラスの１つは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。カーボンナノチューブは、２つの電極間を架橋するために使用することができ、これによって、分子ワイヤを形成する。ＣＮＴは、すべてのナノスケール回路の選択肢の中で、バルクで容易に形成されるので、ＣＮＴが広範囲に検討されてきた。例えば、ＣＮＴは、分子レベルで燃焼の副生物として発生し、良好な導電特性を有する。しかし、ＣＮＴは、精密で、高度に制御された反応では形成されず、その寸法を立案すること、処方することまたは設計すること、および制御すること、または位置および元素組成に関する原子精度でＣＮＴに修飾を行うことはほとんどできない。
分子センサーは、２つの電極間の架橋物として様々なバイオポリマーを含むことができ、その製造において、少なくともある程度の分子自己組織化に依存することがある。分子エレクトロニックセンサーの分野において最近、進歩が見られるにもかかわらず、費用を削減するため、マクロ分子の他の構成成分への自己組織化結合を容易にするため、ならびにマクロ分子回路構成成分を含む分子センサーの性能、耐久性および信頼性を改善するなどのために、ＣＮＴまたは生体分子ではない、上記のようなセンサーのための新規なマクロ分子が望まれている。
概要
様々な実施形態では、様々な分子エレクトロニックセンサーに使用可能な合成マクロ分子が開示されている。様々な態様では、分子エレクトロニックセンサー回路における架橋分子として、本明細書における分子の使用に加えて、多環式芳香族化合物の設計および合成が記載されている。
様々な実施形態では、本明細書における多環式芳香族架橋分子は、縮合ベンゼン環および／または複素芳香族環から実質的になるコア構造を有する分子リボンを含み、こうしてこのリボンは、全体として、ｓｐ２混成炭素原子しか含まない。様々な例において、分子リボンは、分子リボンの金属電極およびプローブ分子などの他の分子への結合を補助するために、および様々な溶媒への分子リボンの所望の溶解度を最適化するため、特定の位置で官能基化される。
図１は、１つの分子回路素子が、間隔が設けられた２つの電極間を架橋している、分子エレクトロニクスの一般概念を例示する。
図２は、分子エレクトロニックセンサーの実施形態、およびその機能発揮の一例を例示する。
図３は、分子エレクトロニックセンサーの製造における、自己組織化プロセスの実施形態を例示する。
図４は、ＤＮＡ配列決定に使用可能な分子エレクトロニックセンサーの実施形態を例示する。
図５は、ＤＮＡ配列決定実験に使用可能な、電極隙間にまたがる架橋分子にコンジュゲートされているポリメラーゼを含む分子センサー構造の実施形態を例示する。
図６は、分子センサーに関して電気的測定のための装置の実施形態を例示する。
図７は、分子架橋結合のための金金属のドット接触点を含む、間隔が設けられた電極の電子顕微鏡（ＥＭ）画像を説明する。
図８は、ＤＮＡ配列決定試験における、実験分子センサーから発生した配列決定シグナルの例を例示する。
図９は、化合物（Ｉ）である多環式リボン構造によって表される、本開示による多環式芳香族環架橋分子に関する一般構造スキームおよび設計根拠を例示する。
図１０は、化合物（ＩＩ）である多環式リボン構造によって表される、様々な多環式芳香族環架橋分子に関する一般構造スキームおよび設計根拠を例示する。
図１１は、本開示による化合物（ＩＩＩ）である多環式芳香族炭化水素架橋分子の種類を例示する。
図１２は、水溶性を促進するためのＰＥＧ側鎖を含む、化合物（ＩＶ）である多環式芳香族炭化水素（ＰＡＨ）架橋分子の実施形態の３Ｄ空間充填モデルを例示する。
図１３は、架橋物、およびＰＥＧ側鎖をさらに含む多環式芳香族炭化水素（「ＰＡＨ」）ナノリボンに連結したＥ．ｃｏｌｉのクレノウ断片ポリメラーゼを含む架橋およびプローブ分子複合体化合物（Ｖ）の実施形態の３Ｄ空間充填モデルを例示する。
図１４は、本明細書の架橋分子の合成におけるビルディングブロックまたは中間体として使用可能な低分子量多環式芳香族炭化水素、または本明細書において開示されている架橋分子内のモノマー部分もしくは部分構造を代表する実施形態を例示する。
図１５は、本明細書における多環式芳香族炭化水素架橋分子のためのビルディングブロックとして使用可能な単素環式炭素環構造、または本明細書において開示されている架橋分子内のモノマー部分もしくは部分構造を代表する実施形態を例示する。
図１６は、本明細書における多環式芳香族炭化水素架橋分子ためのビルディングブロックとして使用可能な複素環式環構造、または本明細書において開示されている架橋分子内のモノマー部分もしくは部分構造を代表する実施形態を例示する。
図１７は、化学構造の下に表示されている分子の機能領域を伴う、化合物（ＩＩＩ）によって表される多環式芳香族炭化水素架橋の種類を例示する。
図１８は、リボンの芳香族部分が約１．４ｎｍの幅である、単連続１３－原子の幅の多環式芳香族炭化水素導体（本明細書において、「１３－ＡＰＡＨ」）を含む、化合物（ＶＩ）によって表される多環式芳香族炭化水素架橋分子の種類を例示する。
図１９は、単連続９－原子の幅の多環式芳香族炭化水素導体（本明細書において、「９－ＡＰＡＨ」）を含む、化合物（ＶＩＩ）によって表される多環式芳香族炭化水素架橋分子の種類を例示する。
図２０は、２－モノＰＥＧ－ＰＡＨ構造を含む、化合物（ＶＩＩＩ）によって表される多環式芳香族炭化水素架橋分子の種類を例示する。
図２１は、モノマー単位の数に基づいた様々な長さ、および電極結合のための各端部にチオメチル置換基を有する、２－モノＰＥＧ－ＰＡＨ構造を含む、化合物（ＸＶ）によって表される、多環式芳香族炭化水素架橋分子の種類を例示する。
図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。 図２２～３０は、図２１の化合物（ＸＶ）によって表される合成架橋分子への合成経路の実施形態を例示する。
図３１ａおよび３１ｂは、それぞれ、単一デンドロンが結合したポリアントラセンナノリボンを含む合成架橋分子の２Ｄ化学構造、および対応する３Ｄ構造モデルを例示する。 図３１ａおよび３１ｂは、それぞれ、単一デンドロンが結合したポリアントラセンナノリボンを含む合成架橋分子の２Ｄ化学構造、および対応する３Ｄ構造モデルを例示する。
図３２は、分子構成成分が、回路へのセンサープローブ分子をワイヤ接続するためのアームとして作用する２つのＰＡＨ分子を含む、センサー回路のための分子構成成分の実施形態を例示する。
図３３は、ＤＮＡ配列決定において使用可能な単一ＰＡＨ電極架橋分子の実施形態を例示する。
図３４は、ＤＮＡ配列決定において使用可能な単一ＰＡＨ電極架橋分子の実施形態を例示する。
図３５ａおよび３５ｂは、それぞれ、化合物（ＸＩＩＩ）であるジグザグ縁部ＰＡＨ架橋を含む合成架橋分子の２Ｄ化学構造、および対応する３Ｄ構造モデルを例示する。 図３５ａおよび３５ｂは、それぞれ、化合物（ＸＩＩＩ）であるジグザグ縁部ＰＡＨ架橋を含む合成架橋分子の２Ｄ化学構造、および対応する３Ｄ構造モデルを例示する。
図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。 図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。 図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。 図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。 図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。 図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。 図３６～４２は、図１８の化合物（ＶＩ）への合成経路の実施形態を例示する。
図４３は、ジグザク縁部を有するフェニル置換１２－ＡＰＡＨリボン構造を含む化合物（ＸＩＩ）によって表される、多環式架橋分子の実施形態を例示する。
図４４ａ～４４ｅは、ＰＡＨ架橋分子の実施形態を例示する；図４４ａは、化合物（ＸＩＸ）の２Ｄ化学構造を例示する；図４４ｂは、化合物（ＸＩＸ）の３Ｄモデルを示す；図４４ｃは、バルク試料の図およびこの化合物のＴＥＭ画像を示す；図４４ｄは、この化合物の質量スペクトルを示す；図４４ｅは、この化合物の１Ｈ－ＮＭＲスペクトルを示す。 図４４ａ～４４ｅは、ＰＡＨ架橋分子の実施形態を例示する；図４４ａは、化合物（ＸＩＸ）の２Ｄ化学構造を例示する；図４４ｂは、化合物（ＸＩＸ）の３Ｄモデルを示す；図４４ｃは、バルク試料の図およびこの化合物のＴＥＭ画像を示す；図４４ｄは、この化合物の質量スペクトルを示す；図４４ｅは、この化合物の１Ｈ－ＮＭＲスペクトルを示す。 図４４ａ～４４ｅは、ＰＡＨ架橋分子の実施形態を例示する；図４４ａは、化合物（ＸＩＸ）の２Ｄ化学構造を例示する；図４４ｂは、化合物（ＸＩＸ）の３Ｄモデルを示す；図４４ｃは、バルク試料の図およびこの化合物のＴＥＭ画像を示す；図４４ｄは、この化合物の質量スペクトルを示す；図４４ｅは、この化合物の１Ｈ－ＮＭＲスペクトルを示す。 図４４ａ～４４ｅは、ＰＡＨ架橋分子の実施形態を例示する；図４４ａは、化合物（ＸＩＸ）の２Ｄ化学構造を例示する；図４４ｂは、化合物（ＸＩＸ）の３Ｄモデルを示す；図４４ｃは、バルク試料の図およびこの化合物のＴＥＭ画像を示す；図４４ｄは、この化合物の質量スペクトルを示す；図４４ｅは、この化合物の１Ｈ－ＮＭＲスペクトルを示す。 図４４ａ～４４ｅは、ＰＡＨ架橋分子の実施形態を例示する；図４４ａは、化合物（ＸＩＸ）の２Ｄ化学構造を例示する；図４４ｂは、化合物（ＸＩＸ）の３Ｄモデルを示す；図４４ｃは、バルク試料の図およびこの化合物のＴＥＭ画像を示す；図４４ｄは、この化合物の質量スペクトルを示す；図４４ｅは、この化合物の１Ｈ－ＮＭＲスペクトルを示す。
詳細な説明
分子エレクトロニクスとは、電子回路の構成成分として、単一分子または分子アセンブリを使用する回路を指す。図１は、分子が電気回路における重要な素子として関与する分子エレクトロニクスの一般概念を例示している。例示された実施例では、分子は、陽極と陰極との間またはソース電極とドレイン電極との間の電気回路を完成する、導電性架橋物として使用される。このような回路は、検出回路とすることができ、この場合、単一分子架橋物が、試験溶液と相互作用する変換器を構成し、試験溶液の組成に関連する電気シグナルを発生する。特に、このようなセンサー複合体は、単一の導電性架橋分子を含んでもよく、シグナルは、分子導体を流れる電流の調節に関係する。
図２は、架橋分子に加えて、プローブ分子をさらに含む回路を含む分子エレクトロニックセンサーの実施形態を例示している。図の上側の部分では、溶液中で様々な標的分子と相互作用するプローブ分子が図示されており、この場合、プローブ分子は、回路に直接存在する分子架橋分子に連結している。図の下側の部分は、架橋分子を流れる電流のモニタリングによるセンサー機能、および本プローブ分子と様々な標的分子との様々な相互作用を示す個別の電流スパイクの発生を示している。
図３は、分子センサーの製造における、自己組織化の一般概念を例示している。様々な態様では、分子エレクトロニックセンサーは、化学反応により自己組織化することが可能であり、これにより、商業規模での効率的な製造が可能となる。図３は、自己組織化を可能にする化学基Ｌ、ＲおよびＰを有する架橋分子を例示しており、これらにより、プローブ分子（「プローブ」）は、Ｐ官能基にコンジュゲートし、左の電極は、Ｌ官能基にコンジュゲートし、右の電極は、Ｒ官能基にコンジュゲートする。様々な実施形態では、ＬおよびＲは、化学的に異なる置換基であり、こうして、この架橋分子は、電極に対して特定の配向で自己組織化することができる。他の例では、ＬおよびＲは、同じ基である。「左」および「右」は、本開示全体を通して、間隔を設けて隔てた電極に結合することができる２つの末端部を有する分子の向きに関して議論を単純化するために使用されているに過ぎず、間隔が設けられた２つの電極間の隙間を架橋するため、分子の末端の１つが一方の電極に結合しており、分子のもう一方の末端がもう一方の電極に結合していることに留意されたい。見る人の空間の向きに応じて、左の電極はソース電極となることができ、右の電極はドレイン電極となることができるか、またはそれらの逆となり得る。同様に、長く狭い分子（例えば、ＤＮＡオリゴマー、ポリペプチドまたは多環式芳香族炭化水素ナノリボン）は、１本の糸の端部、または矩形型ストリップもしくはリボンの短い端部などの、一番左の端部および一番右の端部を有する。
ＤＮＡ配列決定のために設計され、これに適用される分子センサーの関心が高い。ＤＮＡ配列決定のための分子センサーの実施形態が、図４および５に例示されている。これらの実施例では、電子回路は、架橋分子にコンジュゲートされているポリメラーゼなどの酵素をさらに含む分子複合体を含む。酵素は、ＤＮＡ鎖とプロセッシブに（processively）結合し、高感度の電流計により検出可能な分子電子回路に電気的摂動を引き起こす。導電性架橋分子は、バイオポリマー、例えば二本鎖ＤＮＡ分子を含んでもよく、プローブ分子は、一本鎖ＤＮＡの標的に結合可能なＤＮＡポリメラーゼを含んで、配列関連シグナルを発生することができる。電気的シグナルは、示されているような、経時的な電流スパイクを含むことができる。こうして観察された電流シグナルは、特定のＤＮＡ塩基に相当する個別のスパイクを含有することができ、ＤＮＡ配列の決定が可能となる。
図５は、ＤＮＡ配列決定システムのためのＤＮＡ読取りデバイスとして、本明細書において使用される、詳細な作業センサー２００の実施形態を例示している。分子センサー構造体２００は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）または他の金属を含む、２つの電極２０１および２０２を備える。電極２０１および２０２は、回路中のソース電極およびドレイン電極を含むことができる。電極２０１および２０２は、約１０ｎｍのナノ隙間によって隔離されている。他の長さの生体分子架橋物、およびそれにコンジュゲートされているプローブ分子の相対サイズを収容するために、他の隙間の距離が必要なことがある。この実施例では、架橋分子２０３は、長さが約２０ｎｍの二本鎖ＤＮＡオリゴマー分子（例えば、６０個の塩基；６つのらせん回転数）を含み、チオール基２０４および２０５が、各金属電極２０１および２０２に設けられている金接触点２０６および２０７への架橋分子２０３のカップリングのためのオリゴマーの３’末端および５’末端の両方で構成されている。ＤＮＡオリゴマーの両末端と金の接触点との間の結合は、金に結合しているＤＮＡ架橋分子の５’末端上のチオール基から使用可能な、硫黄－金結合を含む。このセンサー中のプローブ分子は、ポリメラーゼ上のビオチン化部位を使用して、共有結合性連結基２１１における、ストレプトアビジンタンパク質２１２に化学的に架橋されている、Ｅ．ｃｏｌｉのポリメラーゼＩ分子２１０のクレノウ断片を含んでおり、転じて、合成ＤＮＡオリゴマー２０３中のビオチン化ヌクレオチドを介して結合部位２１４に結合する。操作では、センサー２００は、ポリメラーゼ２１０によって処理されるＤＮＡ鎖２２０をさらに含む。図５は、分子および原子の相対サイズを近似している。本開示によれば、この例示的な二本鎖ＤＮＡ架橋分子２０３は、本明細書に記載されている縮合多環式芳香族炭化水素リボンなどの、合成架橋分子により置き換えられ得る。
様々な実施形態では、ＤＮＡ配列決定のための分子センサーは、複数の対になった電極に並べられた電極などの、ナノスケール電極の配列をさらに含む。一対の電極における２つの電極は、本明細書において「ナノ隙間」と称されるナノスケールの隙間によって間隔を設けて離されて（隙間が設けられて）いてもよい。ＤＮＡ塩基に対応するセンサーシグナルを発生させるために使用可能な測定システムの一例が、図６に例示されている。
図６に例示されている通り、このようなナノスケールセンサーは、ＣＭＯＳセンサーピクセルアレイのピクセル上に後処理によって置くことができ、このセンサーは、支持測定、読取りおよび並行して動作する多数のセンサーからこのようなシグナルを発生させるために必要な制御回路構成のすべてをさらに含む。図６は、分子センサーにおける様々な電気的構成成分および接続の実施形態を例示している。図の上側の部分において、センサーの架橋分子に電圧を印加して、そこに流れる電流を測定するための分析器３０１への取り付けを含む、電極－基板構造３００の断面が例示されている。図の下側の部分では、ブリッジ回路に使用可能な電極アレイ３０２の斜視図が例示されている。電極の各対は、両電極を分離する隙間の近傍の各電極の端部において、第１の金属（例えば、「金属－１」）、および第２の金属（例えば、「金属－２」）の接触ドットまたはアイランドを含む。様々な例では、金属－１および金属－２は、同一金属を含んでもよく、または異なる金属を含んでもよい。他の態様では、接触ドットは、異なる金属を含む金属電極上の金（Ａｕ）アイランドである。様々な実験では、接触ドットは、架橋分子の各末端における、チオール－金結合または反応性カルベン－金結合を介するなどの、電極対の間の各隙間の上での単一架橋分子の自己組織化を支持する、金（Ａｕ）ビーズまたは金（Ａｕ）コーティングされている電極先端部を備える。
図７は、ＤＮＡ配列決定センサーの実施形態を実施するための還元を例示している。電子顕微鏡画像は、架橋結合のための金金属ドット接触点を有する電極を示している。この例において、電極はケイ素基板上に配設されており、ｅ－ビームリソグラフィにより生成した。並んだ電極が左に示されており、この場合、金ドット接触点を有するチタンである。図中の中央の画像は、７ｎｍの電極隙間、および約１５ｎｍ離して間隔が設けられた電極上の金ドット接触点を示す拡大図である。右側の画像は、電極の先端部における約１０ｎｍの金ドットを示す拡大図である。
ＤＮＡ配列決定から得られた測定されたシグナルが、図８に示されている。これらのシグナルは、配列Ｇ４Ａ８－Ｇ４Ａ８－Ｇ４Ａ８－Ｇ４Ａ８を有する鋳型を処理する、ポリメラーゼセンサーから得た。このシグナルは、実験の実施中の電流対時間を示している。ｔ＝３４秒から３９秒までの挿入図は、この基本配列を反映する、電気シグナルを示している。様々な実施形態では、このようなシグナルの増強は、一層正確な配列決定をもたらす。
本明細書において議論されているセンサーなどの分子エレクトロニックセンサーにおける架橋分子は、ＤＮＡ以外の分子を含んでもよく、一部の場合、これらの架橋分子は、縮合芳香族環を含む多環式芳香族化合物などの完全な合成分子とすることができる。様々な本明細書の実施形態では、新規なクラスの架橋分子が、分子エレクトロニックセンサーに使用するために開示されている。さらにこれらの新規分子の合成手段、および結合したポリメラーゼによって媒介されるＤＮＡ鋳型駆動型単一分子ヌクレオチド（ｄＮＴＰ）組み込み事象を検出する際の用途のため、特にＤＮＡ配列決定のためのその使用方法が本明細書において開示されている。
本開示の様々な態様では、多環式芳香族分子が開示される。合成分子は、特定の構造および様々な官能基を含み、分子センサー用途に好適な架橋分子のクラスを形成する。本明細書において開示されているこのような分子の一般的なクラスの１つは、図９に概略的に例示されている化合物（Ｉ）によって表されている。図９は、本開示による多環式芳香族環架橋分子に関する一般構造スキームおよび設計根拠を説明する。図９において示されている通り、化合物（Ｉ）によって表される一般クラスの分子は、所望の構造および導電特性をもたらす縮合芳香族環を含む、ポリマー状のリボン様構造またはナノリボンを含む。芳香族環は、単素環式（例えば、全体が炭素環式である）芳香族環または複素環式（例えば、リボン中の芳香族環のいずれかにおいて１つまたは１つより多くのヘテロ原子がある）芳香族環とすることができるか、またはナノリボンのための特定の構造を定義するような炭素環式および複素環式芳香族環の任意の組合せ物とすることができる。本明細書で使用する場合、頭字語「ＰＡＨ」とは、炭素環式ナノリボン構造を、言い換えると、縮合芳香族環を含む「多環式芳香族炭化水素」を指す。様々な実施形態では、ＰＡＨ内の芳香族環のすべてがベンゼン環であり、リボン全体が、π－軌道に由来する非局在化電子を含む。
図９の化合物（Ｉ）に示されている通り、左および右の末端基（それぞれ、Ｌ基およびＲ基）は、リボンの反対側の縁部におけるいずれかの位置に設けられている。これらの官能基は、個々の回路の一対の電極への自己組織化を支持するように選択され、ナノリボンが結合されて、こうして一対の電極の間が架橋されると、架橋部と電極との間に導電性が確保される。必要に応じて、官能基ＬおよびＲの性質に応じて、化合物（Ｉ）などのナノリボンは、それ自体を空間的に配向し、特異的に、すなわち間隔を設けて離された一対の電極において、Ｌを一方の電極に、Ｒをもう一方の電極に結合することができるように設計され得る。化合物（Ｉ）はまた、プローブ分子のナノリボンへの自己組織化を支持して、プローブ－分子複合体を形成する、１つまたは１つより多くの結合基Ｐを含む。Ｐ－官能基は、ＰＡＨリボンの長さの中間点またはその近傍などにおいて、分子リボンの並行な長い縁部の一方に沿ったどこかに位置され得る。図９にさらに概略的に例示されている通り、化合物（Ｉ）はまた、ＰＡＨリボンの溶解性、センサー自己組織化、およびシグナル伝達性能の増強を促進するために選択される、１つまたは１つより多くの多様な官能性側鎖Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などを含むことができる。図９は、様々な溶解性、構造上の立体構造特性および／または自己組織化特性を実現するための、ナノリボン化合物（Ｉ）の２つの縁部のいずれか１つに結合した、これらの側鎖Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などを概略的に示している。しかし、リボンにおける所望の構造特性および機能特性を実現するため、リボンの４つの縁部のいずれかに沿った任意の位置に結合した、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３側鎖などの任意の番号が存在し得ることに留意することが重要である。
化合物（Ｉ）の概略構造は、例示されている一様な幅のリボンに限定されることを意図するものではない。例えば、多環式架橋分子の様々な実施形態は、３－環の幅および５－環の幅の区間などの、幅の繰り返し周期性を含んでもよい。これらの非一様な幅のリボンは、本明細書においてさらに詳細に議論されている。
図１０をこれより参照すると、ナノリボンの種類は、縮合ベンゼン環から完全になる矩形形状のＰＡＨコアリボン構造を含む、化合物（ＩＩ）の構造によって一層明確に認識され得る。例示されている通り、化合物（ＩＩ）は、この分子のコア構造における縮合環の数によって主に決定される、幅（ｗ）および長さ（ｌ）を有する、シート様構造を有する。確かに、リボンに結合している長く延在する官能基は、分子架橋部の幅および／または長さを誇大していることがあり、コアリボン構造の幅および／または長さを覆い隠すことさえあるが、本明細書では、簡単にするため、コアリボン構造の寸法ｗおよびｌを参照する。化合物（ＩＩ）のシート様構造は、例示されている通り、縁部１、縁部２、縁部３および縁部４として定義される、リボンへの４つの縁部をもたらす。縁部１および縁部３は、本明細書において、長い方の平行縁部と称される一方、縁部２および縁部４は、本明細書において、短い方の平行縁部と称される。ＰＡＨリボンの「端部」は、必ず、縁部２および縁部４という縁部である。化合物（Ｉ）に関して上で明記されている通り、様々な置換基Ｌ、Ｒ、ＰおよびＳ１、Ｓ２、Ｓ３などは、リボンの周りのどこかに位置し得るが、間隔を設けて離された電極間の隙間を架橋する場合、縁部２および縁部４上の、すなわちリボンの反対側の短い方の縁部または「端部」上のＬ官能基およびＲ官能基を有するのが実際的である。様々な実施形態では、プローブ分子への結合の場合、Ｐ官能基は、長さ（ｌ）の中間点近傍のどこかの、縁部１または縁部３である、長い方の縁部の１つに沿って位置していてもよい。プローブ分子に結合するよう構成されている、１つより多いＰ官能基が存在することがある。様々な側鎖Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などの数および位置は、完全に可変性であることを理解することが重要である。例えば、化合物（ＩＩ）中の特定のベンゼン環に非常に特異的に結合したＳ１基がちょうど１つ存在することができ、Ｓ２基またはＳ３基は存在しない。または、様々な個別の部位に結合する、いくつかのまたはそれより多くの異なる基Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などが存在してもよい。コアＰＡＨリボンは、縮合芳香族システムを含むので、１つまたは１つより多くの置換基Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などが、リボンの縁部に沿った炭素原子に結合しているだけになり得る。様々な実施形態では、２つまたはそれより多いＳ１、Ｓ２、Ｓ３基の任意の組合せは、さらなる芳香族環または非芳香族環を形成してもよい。
様々な実施形態では、リボンは縮合ベンゼン環を含み、こうしてこのリボンは、完全な炭素環式となり、各炭素原子のｓｐ２に混成される。このようなナノリボンコアを有する、本明細書における合成架橋分子は、電子の非局在化により導電性となる。縮合ベンゼン環の空間配向に応じて、一定幅の矩形リボン構造を含むＰＡＨリボンは、必ず、その反対側の平行縁部の２つにジグザグの周期性を有し、もう一方の反対側の平行縁部の２つに歯の様な周期性を有しているが、リボンにおける各環に対して六角形形状をしているので、リボンの４つの縁部のすべてが、ジグザグとなる場合も、歯様となる場合もない。２つの平行縁部は、必ず、歯の様な周期性を有する一方、もう一方の２つの平行縁部は、必ず、ジグザグの周期性を有する。図１０中の化合物（ＩＩ）の場合、短い方の縁部である縁部２および縁部４は、ジグザグの周期性を含む一方、長い方の縁部である縁部１および縁部３は、歯の様な周期性を含む。幅（ｗ）が、長さ（ｌ）よりも長く伸ばされたリボンは、この配向と逆になり、ＰＡＨリボンの短い方の縁部が歯の様な周期性を有する。これらの厳密な規則は、コア構造が、縮合ベンゼン環の線状の糸をちょうどしている場合（すなわち、単環の幅のリボン）には従わない。これらの態様は、様々な部分種類として一層明白になり、分子種が議論される。
本明細書において、「ジグザグ」ナノリボンとは、長い方の平行縁部がジグザグの周期性を含む一方、短くなった平行縁部は、歯の様な周期性を含むように配向した縮合ベンゼン環を有する多環式芳香族炭化水素ナノリボンを指す（図３５ａは、「ジグザグ」ナノリボン構造として本明細書において言及されているものの例である）。
本明細書において、「非ジグザグ」ナノリボンとは、長い方の平行縁部が歯の様な周期性を含む一方、短い方の平行縁部が、ジグザグの周期性を含むように配向した縮合ベンゼン環を有する多環式芳香族炭化水素ナノリボンを指す（長い方の平行縁部ではなく、短い方の平行縁部である縁部２および縁部４が、ジグザグの周期性を有するので、図１０中の化合物（ＩＩ）は、「非ジグザグ」ナノリボン構造と本明細書において称されるものの例である）。
ジグザグナノリボンの場合（例えば、図３５ａ、３５ｂおよび４３に例示されている構造）、各縮合ベンゼン環は、ナノリボンの長さに対して０．２３ｎｍ寄与し、ナノリボンの幅に対して０．４６ｎｍ寄与する。様々な実施形態では、ジグザグナノリボンの長さは、約１２～約４３４個のベンゼン環の範囲（約３ｎｍ～約１００ｎｍ）であり、幅は、約１～約５０個のベンゼン環（約０．４６ｎｍ～約２３ｎｍ）の範囲である。非ジグザグナノリボン（例えば、図９における化合物（Ｉ）、および図１０における化合物（ＩＩ））の場合、ベンゼン環の配向は反対になり、各ベンゼン環は、ナノリボンの長さに対して０．４６ｎｍ寄与し、ナノリボンの幅に対して０．２３ｎｍ寄与する。様々な実施形態では、化合物（ＩＩ）などの非ジグザグナノリボンの長さは、約６～約２１７個のベンゼン環の範囲（約３ｎｍ～約１００ｎｍ）であり、幅は、約１～約１００個のベンゼン環（約０．２３ｎｍ～約２３ｎｍ）の範囲である。
化合物（ＩＩ）（図１０）の例示された実施形態では、リボン形状の分子の幅全体に８個の芳香族環が存在し、長さ方向に３６個の芳香族環が存在する。示されている通り、長い方の平行縁部である、縁部１および縁部３は、歯の様な周期性を有する一方、短い方の平行縁部は、ジグザグの周期性を有しており、こうして、長い方の縁部が、非ジグザグとなるので（すなわち、それらの縁部は、歯の様な周期性を含む）、この分子は、本明細書の命名規則に準拠して、「非ジグザグ」ナノリボン構造を含む。
様々な実施形態では、分子センサーに使用するための合成架橋分子は、縮合多環式芳香族炭化水素ＰＡＨ環コア構造を含み、この場合、上で説明した通り、リボンコア構造は、この分子の上部縁部および底部縁部に指定される概して平行な長い方の２つの縁部、および分子の左側の縁部および右側の縁部（または端部）と指定される２つの一般的な平行の短い縁部を有する矩形およびシート様をしており、リボンの長い方の２つの縁部は、ジグザグの周期性を含み、分子の２つの短い方の縁部は、歯の様な周期性（「ジグザグ」ナノリボン）を含むか、またはその反対（「非ジグザグ」ナノリボン）であり、合成架橋分子は、分子の左（短い）端部に結合している少なくとも１つの左側の置換基「Ｌ」、および分子の右（反対側の短い）端部に結合している少なくとも１つの右側の置換基「Ｒ」をさらに含み、ＬおよびＲは、金属電極に、または電極に配設されている金属接触点に結合することが可能であり、リボンコア構造への官能基ＬおよびＲの結合は、末端部のベンゼン環のうちの１個の炭素原子への直接的な共有結合を含むことができるか、またはＬおよび／もしくはＲは、介在する任意の数の原子（「リンカー」と称される）によってリボンコア構造に連結していてもよい。一般に、ＬとＲの両方が、金などの金属へのナノリボンの結合を容易にする官能基を有する。様々な態様では、ＬおよびＲは、硫黄原子を含み、一部の例では、ＬおよびＲはそれぞれ、チオール、チオールエーテル、ジスルフィドまたはジスルフィドエーテルを含む。他の実施形態では、ＬおよびＲの一方または両方が、金および他の金属に結合することが可能な反応性カルベン部分を含む。ある種の態様では、ＬまたはＲは、チオール官能基を含むことができる一方、他の基ＬまたはＲは、ＰＡＨ架橋分子の配向をもたらすなどのために、反応性カルベンを含んでもよい。様々な例において、Ｌおよび／またはＲは、金または他の金属に結合するための反応性カルベンを形成することができる、カルベン前駆体を含む。
様々な実施形態では、Ｌおよび／またはＲは、後で金または他の金属に結合することができる、反応性カルベン原子をもたらすことができる、反応性カルベン原子またはカルベン前駆体を含んでもよい。本明細書において、用語「反応性カルベン」は、追加の１つの非共有電子対を有する二価の中性炭素原子として化学において定義されている、カルベン原子を有する任意の置換基を含むよう幅広く使用されている。したがって、様々な実施形態では、Ｌおよび／またはＲは、少なくとも１個のカルベン原子を含む。カルベン原子は、任意の他のタイプの原子によってはさまれていてもよい。様々な態様では、カルベン原子は、Ｎ原子によって両側ではさまれていてもよい。Ｎ原子および中央のカルベン原子が、環内部で連続している場合、この反応性カルベン部分は、「Ｎ－複素環式カルベン」または「ＮＨＣ」と称される。ＮＨＣにおける反応性カルベンの安定性および／または持続性は、時として、各Ｎ－原子上に、ｉ－プロピル基、ｔ－ブチル基またはアダマンチル基などのかさ高い置換基を持たせることによって立体的に促進される。さらに、用語「カルベン前駆体」は、塩基との反応時などの、反応性カルベン原子を生成する部分を指すために使用される。様々な態様では、カルベン前駆体は、構造－＋Ｎ＝ＣＨ－Ｎ－を含み、これは、塩基との反応時（中央アルケニル炭素原子を脱プロトン化する）に、反応性カルベン－Ｎ－Ｃ－Ｎ－を生成する。安定化カルベンおよび金に結合するカルベンの様々な態様が、参照により本明細書に組み込まれている、Crudden, C. M., et al., "Ultra Stable Self-Assembled Monolayers of N-Heterocyclic Carbenes on Gold," Nature Chemistry, 6, 409-414 (2014)に開示されている。
様々な実施形態では、Ｌおよび／またはＲは、ジアゾール基またはベンゾジアゾール基をさらに含むカルベン前駆体を含む。各Ｎ－原子は、立体的にかさ高い基、例えば、ｉ－プロピル基、ｔ－ブチル基またはアダマンチル基をさらに含んでもよい。ある種の例では、金への結合のためのＬおよび／またはＲ末端基は、以下の構造、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イルを含み、これは、塩基、例えば、ＫＯｔＢｕによって脱プロトン化されて、ＮＨＣ：
Figure 2022526665000002
 を生成することができる。
上記の構造において、波線は、直接的なまたは介在する原子を介するかのどちらか一方で、ナノリボンコア構造への、すなわちナノリボンの外縁部周辺の芳香族環の１つへの結合点を示す。上記のＮＨＣ前駆体置換基は対称であり、したがって、６－イルまたは５－イルの位置への連結基は等価である。置換基は、二重結合の位置、および正電荷の別のＮ原子への移動を伴い、やはり異性化することができることに留意されたい。上記の通り、ｉ－プロピル基は、他の立体的にかさ高い基によって置き換えられてもよい。
他の実施形態では、金または他の金属への結合のためのＬおよび／またはＲ末端基は、以下の構造、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイルを含み、これは、塩基、例えば、ＫＯｔＢｕによって脱プロトン化されて、ＮＨＣ：
Figure 2022526665000003
 を生成することができる。
上記の構造において、波線は、直接的なまたは介在する原子を介するかのどちらか一方で、ナノリボンコア構造への、すなわちナノリボンの外縁部周辺の芳香族環の１つへの結合点を示す。上記のＮＨＣ前駆体置換基は対称であり、したがって、６－イルまたは５－イルの位置への連結基は等価である。置換基は、二重結合の位置、および正電荷の別のＮ原子への移動を伴い、やはり異性化することができることに留意されたい。上記の通り、ｉ－プロピル基は、他の立体的にかさ高い基によって置き換えられてもよい。上に表されている２つのカルベン前駆体構造は、ナノリボンへのその結合連結基の点、すなわちＳ原子が介在しているかまたは介在していないかの点でしか違いはない。
図９における化合物（Ｉ）および図１０における化合物（ＩＩ）を続けて参照すると、本開示によるナノリボンは、酵素または他の結合性プローブなどの、プローブ分子に結合可能な少なくとも１つの置換基Ｐをさらに含む。様々な例において、Ｐは、リボンの長い縁部の１つに沿った末端のベンゼン環上の使用可能な部位に直接結合するか、または任意の数の介在する原子を介して結合して、リボンの上部縁部または底部縁部に結合している。様々な非限定例では、Ｐは、アジド、アルキン、チオール、ビオチン、カルボン酸、ケトン、アルデヒド、アルコールまたはストレプトアビジンを含むことができる。様々な実施形態では、Ｐに関するこれらの官能基の選択、すなわちＰ基の構造の一部として反応性アジド、アルキン、チオール、ビオチン、カルボン酸、ケトン、アルデヒドまたはアルコール部分を有する、またはストレプトアビジンを含むＰは、ＡＨＸリンカー（６－アミノヘキサン酸）、ＰＥＧの任意の長さ、またはＣおよびヘテロ原子の様々な組合せを有する拘束基（tether）の任意の他の立体配置によって結合されているポリ芳香族コア構造の部分から離されて間隔が設けられてもよい。
様々な実施形態では、Ｐは、以下：
Figure 2022526665000004
 －ＣＨ（ＣＨ３）－ＳＨ；
－Ｃ（ＣＨ３）２－ＳＨ；
－ＣＨ２－Ｃ（ＣＨ３）２－ＳＨ；
－（ＣＨ２）１０－Ｎ３；
－ＰＥＧ－５－ビオチン；
－（ＣＨ２）７－Ｃ（＝Ｏ）ＮＨ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）４－（ＣＨ２）３－Ｎ３；
－（ＣＨ２）９－Ｃ（＝Ｏ）ＮＨ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６－（ＣＨ２）２－Ｏ－ＮＨ２；
クリックケミストリーのための任意の他のアジドまたはアルキン；
アルコキシムクリックケミストリーのためのアルコキシアミンもしくはケトンもしくはアルデヒド、または
生化学連結基のためのストレプトアビジン
から選択することができる。
ＤＮＡポリメラーゼまたは他のプロセッシブ酵素などのプローブ分子は、相補性部分により誘導体化されて、トリアゾール、アルコキシム、ビオチン－ストレプトアビジン複合体またはそれらの任意の組合せ物の形成によるなどの、多環式芳香族架橋化合物上のＰ基へのプローブ分子の連結が可能になり得る。
化合物（Ｉ）および（ＩＩ）によって表される合成架橋分子は、１つまたは１つより多くの側鎖、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などをさらに含み、各々は、長い方の平行縁部の上部または底部などの、リボンの４つの縁部のいずれかに結合する。これらの１つまたは１つより多くの側鎖は、ＰＥＧエステルまたはＰＥＧエーテル、デンドロン、あるいは本明細書において説明されている短鎖もしくは長鎖エステルまたはエーテルなどの他の基を含むことができる。
本明細書で使用する場合、略式表記「Ｘ－ＡＰＡＨ」は、多環式芳香族炭化水素構造に基づいたナノリボン架橋分子であって、その幅に沿ってＸ原子を含むナノリボン架橋分子の幅を示す。ＰＡＨリボンは、（８）個の縮合ベンゼン環およびそれに由来する１７個の連続する炭素原子によって画定される幅（ｗ）を有する、図１０の化合物（ＩＩ）によって例示されるものなどの、リボンに対して幅および長さを画定する芳香族環の縮合体を含むことができる。例えば、左右交互に縮合したテトラセン（ナフタセン）単位を有する分子は、テトラセン構造の端部から端部まで一列に並んだ９個の炭素原子を有するので、このような分子は、「９－ＡＰＡＨ」構造を有すると表すことができる。６つのベンゼン環の線状縮合物であるヘキサセンは、端部から端部まで１３個の原子をもたらし、こうして、ヘキサセンに基づく構造は、本明細書において、「１３－ＡＰＡＨ」構造を有すると称することができる。図１０中の化合物（ＩＩ）の構造は、「１７－ＡＰＡＨ」構造を有すると称することができる。様々な実施形態では、Ｘ－ＡＰＡＨナノリボンの場合のＸは、約２（例えば、線状に縮合したシクロブタジエンの糸）から約２０１（例えば、リボンの幅全体に一緒に縮合した約１００個のベンゼン環を有する多環式芳香族炭化水素リボン）となる。例示された化合物（Ｉ）および（ＩＩ）の構造などの非ジグザクな縮合ベンゼン環系の場合、Ｘ＝２×（ベンゼン環の数）－１となる。したがって、図１０中の化合物（ＩＩ）の場合、Ｘ＝（２×８）－１＝１７となる。したがって、化合物（Ｉ）および（ＩＩ）として表されるリボンは、１７－ＡＰＡＨリボンとして表すことができる。
官能基化した多環式芳香族炭化水素ナノリボンは、既に記載されている。しかし、開示されている分子は、本明細書において開示されているＬ、Ｒ、Ｐ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３などの基などの付属基により精密には官能基化されていない（Y. Huang, et al., "Poly(ethylene oxide) Functionalized Graphene Nanoribbons with Excellent Solution Processability," J. Am. Chem. Soc., 2016, 138 (32), pp 10136-10139を参照されたい）。
化合物（ＩＩＩ）である、多環式芳香族架橋分子の別の実施形態が、図１１に例示されている。化合物（ＩＩＩ）は、芳香族炭化水素環から形成されたリボンを含み、自己組織化アンカーおよび／または水可溶性側鎖の任意の組合せをもたらす、多種多様な基をさらに含む。様々な実施形態では、化合物（ＩＩＩ）は、プローブ分子複合体形成、および化合物（ＩＩＩ）の各端部の電極への結合を促進する置換基を含む。構造中に明記される通り、様々な基が、置換基がリボンの末端のベンゼン環の１つに縮合した環式構造を含む場合など、１個より多い炭素原子においてリボンに結合することができる。整数ｎおよびｍによって決定されるリボンの長さ、および様々な置換基Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｙ、Ｗ、Ｙ’、Ｗ’、Ｙ”、Ｗ”の範囲は、本明細書の以下に議論されている。様々な置換基の特定の選択により、化合物（ＩＩＩ）は、様々な回転対称性を有する。
図１２は、水溶解性を増強するためのポリエチレングリコール（「ＰＥＧ」）ポリマー側鎖、および金属電極へのカップリングのための末端チオール基を有する多環式芳香族炭化水素縮合環ナノリボン構造を含む、化合物（ＩＶ）である多環式芳香族架橋分子の実施形態の３Ｄ空間充填モデルを例示している。化合物（ＩＶ）のナノリボン部分の幅は、約０．９５ｎｍであり、長さは約６ｎｍである。様々な実施形態では、この分子は、追加の縮合芳香族環をこの分子のコアリボン部分に付加することによって、長さ約５ｎｍ～約５０ｎｍを有するように合成することができる。
図１３は、ＤＮＡ配列決定に特異的に適用可能な、化合物（Ｖ）である、多環式芳香族架橋複合体の実施形態の３Ｄ空間充填モデルを例示している。３Ｄ空間充填モデルには、いくつかのＰＥＧ側鎖も有する、ＰＡＨナノリボンに連結されている、その上で複合体形成したｄＮＴＰを含むＥ．ｃｏｌｉのクレノウ断片ポリメラーゼが示されている。この場合、ポリメラーゼは、自己組織化側鎖基にコンジュゲートされており、残りのＰＥＧ側鎖は、水への溶解性をもたらし、チオール末端基は、チオール－金結合を介して、金電極にカップリングするためのリボンの２つの反対側の短い端部の各々に設けられている。化合物（Ｖ）複合体は、約１６ｎｍの長さ×約６ｎｍの幅×約７ｎｍの深さと測定される。この分子のＰＡＨ部分は、長さが約５．７ｎｍと測定される。他の変形形態では、ＰＡＨ構成成分は、長さが約５ｎｍ～約５０ｎｍとすることができ、より長いＰＥＧ側鎖、および／または様々な数のＰＥＧ側鎖を含むことができる。図１３のモデルに示されている中央の原子１３０は、ポリメラーゼと複合体を形成したｄＮＴＰ分子のリン原子である。
図１４、１５および１６は、本明細書における多環式芳香族架橋分子の合成におけるビルディングブロックまたは反応中間体として、または本明細書において開示されている最終の架橋分子構造に見られる様々な部分構造またはポリマー単位の例として、使用可能な低分子量環式芳香族環の非限定的な実施形態を例示している。
本開示の様々な実施形態では、多環式芳香族架橋分子は、原子的に正確な分子構造を実現するための、有機合成化学およびポリマー化学の技法を使用したボトムアップ合成を含む製造を本明細書において意味する、「精密に製造可能」である。この合成法は、センサー性能のばらつきを低減する、および自己組織化化学合成法を使用して商業的用途に必要なスケールでの効率的で正確な大量生産の実現という利益をもたらす。このような分子は、分子電子回路における変換器として有益な電気性能特性を実現する、規則的な炭素環ポリマー構造または他の芳香族環基の使用などによる、エネルギーバンドギャップを伴う高導電性または半導電性になるように設計することができることが別の利益である。このような芳香族分子は、電子伝導を促進することが公知であり、このような構造のナノスケール寸法は、エネルギーバンドギャップを促進することが公知である。よい高い電流は、シグナル電流の一層効率的な測定をもたらして、シグナル対ノイズ比を改善することができる。さらに、バンドギャップを導入すると、変調係数に対してより大きなまたは非線形の電流シグナル応答がもたらされ得る。このような分子は、センサー構築物の正確な自己組織化を可能にする、自己組織化基を含むことが別の利益である。本明細書における化学構造は、特に、ＣＭＯＳチップ上の大スケールセンサーアレイとして、高度に規模拡大が可能なマルチ－センサーフォーマットにおける商業的展開に利益をもたらす。このＣＭＯＳフォーマットは、経済的な、大量生産可能なフォーマットで、数千、数百万または数十億ものセンサーを実現する。
特定のナノリボン上の側鎖は、目的の異なる溶液中でそれらの使用にとって重要であるように、溶解性を促進するために使用され得ることが、本明細書において開示されている分子のさらなる利益である。水溶液中などの様々な実施形態では、ＰＥＧ様の側鎖は、このような側鎖基の非存在下では特に溶解性が低いコア芳香族リボンに水溶解性を付与する。
ＤＮＡ配列決定に適用するための多環式芳香族架橋分子の使用
様々な実施形態では、本明細書において開示されている多環式芳香族架橋分子は、ＤＮＡ配列決定のための分子エレクトロニックセンサーでの使用が見出されている。ＤＮＡまたはゲノム配列決定用途の場合、分子センサーにおける架橋分子は、化合物（Ｖ）であるＰＡＨ架橋－プローブ複合体の特定の実施形態の場合、図４および５および図１３に概念的に例示されているものなどの、ポリメラーゼプローブ分子にコンジュゲートされてもよい。この用途に関すると、印加された電圧の圧力下での架橋分子に流れる電流が、ポリメラーゼが試験ＤＮＡ鋳型の相補鎖を合成する際にモニタリングされる。取込み事象および塩基特異的な取込み事象のシグナルは、ＤＮＡ配列決定用途のためのセンシング能をもたらす。一実施形態では、天然ポリメラーゼ酵素および天然ｄＮＴＰ（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰおよびｄＴＴＰ）が、標準酵素緩衝液中で使用されて、このような電気シグナルをもたらす。
別の実施形態では、分子センサーを使用する素子は、電流の調節を直接または間接的に増強するため、および改変されたｄＮＴＰおよび改変された緩衝液組成物の使用などの、取込みまたは塩基の区別の配列関連シグナルを増大するために改変されてもよい。これらの設定のすべてにおいて、適切に設計し最適化した多環式芳香族架橋分子の使用により、バイオポリマー分子ワイヤ（図４中のＤＮＡ、またはタンパク質）、カーボンナノチューブなどの材料から形成された分子スケールワイヤ、ケイ素ナノワイヤもしくは金属ナノワイヤ、またはグラフェン、モリブデンジスルフィド（ＭｏＳ２）などの２Ｄ材料から形成された架橋などの分子架橋に関する他の選択肢に比べて、シグナルの増強、またはシグナル対ノイズ比の増大、または自己組織化プロセスの改善、またはこのようなＤＮＡ配列センサーの精密製造の改善という利益を実現することができる。これらの利点は、上記の通り、構造、組織化、溶解性、導電性、ならびに効率的な大量生産および製造の正確な制御に関連する。
ＤＮＡ配列決定のためのセンサーの文脈において、本開示による２つまたはそれより多い多環式芳香族架橋分子は、ポリメラーゼプローブ分子上の２つの個別の部位への「アーム」として結合されていてもよく、これらのアームのもう一方の末端は電極にカップリングし、その結果、ポリメラーゼは、両電極間の導電経路全体の中心的な素子を直接形成する。ポリメラーゼへの架橋分子アームのカップリングは、様々なコンジュゲート方法に基づくことができる。例えば、ポリメラーゼは、表面システイン基を含むように変異されてもよく、マレイミドなどのシステイン結合性末端は、ポリメラーゼに結合するよう意図されているアームの末端に設けられてもよい。他の例では、このようなアームの２つまたはそれより多くが、この用途に使用されてもよい。さらに、取込みの間のｄＮＴＰ（天然または改変）との、またはポリメラーゼ（天然または変異体）との相互作用を促進するように構造化されている架橋分子は、シグナル伝達をさらに増強することができる。例えば、このような相互作用は、ｄＮＴＰ基質の酵素プロセッシングの速度を減速する、立体構造変化を増幅する、または組み込まれるｄＮＴＰ（天然または改変）と直接相互作用するなどの、ｄＮＴＰ基質の酵素プロセシングの速度を改変することがある。炭化水素環を含む多環式芳香族架橋物の場合、架橋物上のピレンまたは他の多環式芳香族部分構造の積層化により、架橋－ポリメラーゼまたは架橋－ｄＮＴＰ相互作用が促進され得るか、またはポリメラーゼもしくはｄＮＴＰへのピレンタイプの基の付加を介する架橋－ポリメラーゼ自己組織化が促進され得る。炭化水素芳香族環架橋物のこのような場合では、様々な洗剤、または具体的にはピレンをベースとする洗剤は、組織化の間の架橋分子の凝集を防止する、またはセンサー操作の間の望ましくない相互作用を防止する有益な効果をもたらすことがある。
以下は、特にＤＮＡ配列決定の用途のための、多環式芳香族架橋分子、やはりまた合成化学プロセスによるその製造、およびそれらの使用方法に関する様々な実施形態が説明される。
多環式芳香族炭化水素（ＰＡＨ）架橋分子の構造
本明細書における多環式芳香族架橋分子の１つの種類のクラスは、図９に示されている化合物（Ｉ）および図１０に示されている化合物（ＩＩ）によって概略的に表されているものなどの、多環式芳香族炭化水素（ＰＡＨ）架橋分子であり、この場合、この分子の芳香族ナノリボン主鎖は、ベンゼン環などの縮合炭化水素環、または図１４および図１５により一般的に表示されているものなどの他のビルディングブロックおよび部分構造を含む。単一のおよび複数の構成成分であるＰＡＨ架橋分子の特定の実施形態が、本明細書において説明される。
ＤＮＡ配列決定のための単一ＰＡＨ電極架橋（ＰＡＨＥＢ）分子
ＤＮＡ配列決定センサーにおいて使用することが意図されている単一の導体ＰＡＨ電極架橋分子（本明細書において「ＰＡＨＥＢ」）が、本明細書において開示されている。これらの実施形態の場合、ＰＡＨＥＢが結合することになるプローブ分子は、ポリメラーゼを含むことができる。他の結合性プローブ分子が、他の検出用途のためにポリメラーゼを置き換えることができ、他には、本明細書に開示されている架橋分子構造から利益を導き出すことができることが理解される。
ＰＡＨＥＢの２つの例示的な構造クラスが、図３３中の化合物（ＩＸ）および図３４中の化合物（Ｘ）によって表される。化合物（ＩＸ）と化合物（Ｘ）の両方において、図３３および図３４に図示されている構造「キャップ－ポリマー１－分岐部－ポリマー２－キャップ」は、短い方の縁部の各々において誘導体化されている連続した縮合多環式芳香族炭化水素ナノリボンであって、約３ｎｍ～約１０００ｎｍ長、約５ｎｍ～約１００ｎｍ長、約１０ｎｍ～約５０ｎｍ長または約１５ｎｍ～約３０ｎｍ長と測定される、縮合多環式芳香族炭化水素ナノリボンを含む。非ジグザグナノリボンの場合、構造「キャップ－ポリマー１－分岐部－ポリマー２－キャップ」は、その長さに沿って、６～約２１７３個のベンゼン環、約１０～約２１７個のベンゼン環または約２１～約１０８個のベンゼン環を含む。ジグザグナノリボンの場合、構造「キャップ－ポリマー１－分岐部－ポリマー２－キャップ」は、その長さに沿って、約１２～約４３４６個のベンゼン環、約２０～約４３４個のベンゼン環または約４２～約２１６個のベンゼン環を含む。
化合物（ＩＸ）および化合物（Ｘ）の両方において、図３３および３４に図示されている各「キャップ」は、ＰＡＨリボン上のチオール、チオエーテル、ジスルフィド、ジスルフィドエーテル、金結合性ペプチド、ジチオカルボキシレートもしくは反応性カルベン、またはそれらの任意の組合せの使用による、金電極表面への特異的結合などの、一対の電極間の隙間に架かる、これらの電極における２つの間隔が設けて離された電極の各々に、特異的に結合して自己組織化することができる単一モノマー単位を表す。区別される左および右の電極材料またはアンカー部位への指向性結合を促進するため、異なる化学構造の左および右の「キャップ」部分が存在することがある。
化合物（ＩＸ）と化合物（Ｘ）のどちらも、図３３および３４に図示されている「ポリマー１」および「ポリマー２」は、テトラヒドロフランなどの有機溶媒中への溶解および水への分散を可能にする、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの少なくとも１つの可溶性基により誘導体化されたポリマー部分をそれぞれ表す。ＰＥＧ部分の長さは、無置換ポリマーが水などの特定の溶媒中で有する恐れがある、溶解性問題を克服するため、任意の好適な長さにあってもよい。
化合物（ＩＸ）と化合物（Ｘ）のどちらも、図３３および３４に図示されている「分岐部」は、例えば、１つもしくは複数のＳ－アルキルまたはＳ－アリール連結部により、ポリメラーゼ上の表面システイン残基を介して、ＤＮＡポリメラーゼ上の１つまたは１つより多くの部位に連結している、単一モノマー単位または短い分子リンカー（それらのどちらか一方は二価である）を表す。このような表面システイン部位は、酵素上の天然部位または変異部位を含んでもよい。
化合物（ＩＸ）と化合物（Ｘ）のどちらも、「－Ｓ－」は、ポリメラーゼへの二価スルフィド連結基を表す。図３３中の化合物（ＩＸ）は、１つのスルフィド連結基の使用を例示している一方、図３４中の化合物（Ｘ）は、ポリメラーゼへの２つのスルフィド連結基の使用を例示している。
様々な実施形態では、化合物（ＩＸ）および（Ｘ）などの単一の導体ＰＡＨＥＢは、ＰＡＨリボンの反対端部に設けられた「キャップ」官能基により、一対の間隔を設けて離された電極における２つの電極のそれぞれに結合されている。
分子エレクトロニックセンサーのための多環式芳香族架橋分子の実施形態
以下は、様々な分子エレクトロニックセンサー用途のための架橋分子の非限定的な例示的実施形態である。このような実施形態の各々は、有機化学および分子センシングの当業者に明白な多数のさらなる変形形態を有することが理解される。これらの実施形態は、教示のため、および理解を改善するため、有益な構造を強調するために提示されており、本開示の範囲を決して限定するものではないことがやはり理解される。
ほぼ一様な幅を有する実質的に矩形のナノリボン構造
様々な実施形態では、本開示による架橋分子は、図９中の化合物（Ｉ）によって概念的に、および図１０中の化合物（ＩＩ）の構造の種類によって一層明確に表されている一般構造を含む。化合物（Ｉ）および（ＩＩ）において、導電性ナノリボンは、多環式系において、一緒に縮合した芳香族環を含む。これらの環は、炭素環式または複素環式であってもよく、リボンは、明確な構造に配列されている１つの環タイプまたは環タイプの混合物から形成され得る。様々な実施形態では、図１０の化合物（ＩＩ）によって例示されるものなどの縮合環系は、リボン中の様々な位置において、任意の数の窒素原子を含んでもよい。例えば、任意の数の環が、例えば、構造全体に散在しているピリジンまたはピリミジンを含んでもよい。ナノリボンは、以下の設計根拠に準拠して着想され得る：リボンの環構造は、導電特性および構造特性をもたらす。左（Ｌ）および右（Ｒ）の末端基は、ＬおよびＲの化学的性質に応じて、分子の左端部および右端部の配向を潜在的に伴う、電極への自己組織化をもたらす。これらの末端基は、直接結合性相互作用（例えば、Ｓ－Ａｕ結合）により、電極表面との芳香族π雲相互作用により、またはこれら両方の種類の接触により、架橋物から電極までに導電性をもたらす。官能性置換基（Ｐ）は、プローブ分子への自己組織化コンジュゲートをもたらす。ナノリボンコア構造の縁部のいずれかにある側鎖は、溶解性、構造特性および／または立体構造特性をもたらす。
様々な実施形態では、本開示による架橋分子は、図１１中の化合物（ＩＩＩ）により表される構造を含み、導電性オリゴマーリボン＝７－ＡＰＡＨである（分子の幅全体に及ぶアントラセン単位による、７個の原子の幅広い多環式芳香族炭化水素である）。化合物（ＩＩＩ）は、約０．７ｎｍの幅である。図１７は、構造の下に適切に表示された分子の機能領域を有する、化合物（ＩＩＩ）の種類を示している。様々な実施形態では、ポリメラーゼなどのプローブ分子は、分岐部領域におけるＲ３および／またはＲ４を介して直接、または二価のリンカーを介してなどの、合成分子架橋における中央モノマーに結合していてもよく、以下の交差適合性の組：
ａ． アジドもしくはアルキン（クリックケミストリーのため）；
ｂ． アルコキシアミンもしくはケトン／アルデヒド（アルコキシムクリックケミストリーのため）；または
ｃ． ビオチンもしくはストレプトアビジン（生化学連結のため）
から選択される１～３つの連結可能基をさらに含んでもよい。
プローブ分子（例えば、ＤＮＡポリメラーゼまたは他の結合性プローブ）は、相補性部分により誘導体化されて、トリアゾール、アルコキシム、ビオチン－ストレプトアビジン複合体またはそれらの任意の組合せ物の形成などによる、導電性ＰＡＨリボンへのプローブ分子の連結が可能になり得る。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１２中の３Ｄ空間充填モデルとして例示されている化合物（ＩＶ）を含む。化合物（ＩＶ）は、化合物（ＩＩＩ）（図１１）によって表される構造の種類内の分子種であり、
Ｒ１＝ＰＥＧ－２０であり、
ＹおよびＷは、－Ｏ－であり、
Ｒ３およびＲ４は、アジド－（ＣＨ２）１０およびビオチン－ＰＥＧ－５であり、
Ｒ５＝Ｈであり、
Ｒ６＝メチルチオールであり、
Ｒ７＝Ｈである。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１１に例示されている化合物（ＩＩＩ）を含み、
ｎおよびｍは、独立して、０～３０であり、
ＷおよびＹは、－Ｏ－、－ＣＨ２－、ＣＲ８Ｒ９、ＣＨ２ＣＲ８Ｒ９、ＣＲ８ＣＲ９ＣＨ２、ＯＣＲ８Ｒ９およびＣＲ８Ｒ９Ｏから独立して選択され、Ｒ８およびＲ９は、同一炭素原子に結合しており、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３または（ＣＨ２）ｘ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１０から独立して選択され、ｘは、２～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１０は、Ｈ、ＭｅまたはＥｔであり、Ｒ８およびＲ９は、必要に応じて連結して環を形成することができ、Ｏは、必要に応じて芳香族環に直接連結しており、ＷおよびＹは、必要に応じて環内で互いに交換され得、
Ｗ’およびＹ’は、－Ｏ－、－ＣＨ２－、ＣＲ８Ｒ９、ＣＨ２ＣＲ８Ｒ９、ＣＲ８ＣＲ９ＣＨ２、ＯＣＲ８Ｒ９およびＣＲ８Ｒ９Ｏから独立して選択され、Ｒ８およびＲ９は、同一炭素原子に結合しており、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３または（ＣＨ２）ｘ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１０から独立して選択され、ｘは、２～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１０は、Ｈ、ＭｅまたはＥｔであり、Ｒ８およびＲ９は、必要に応じて連結して環を形成することができ、Ｏは、必要に応じて芳香族環に直接連結しており、Ｗ’およびＹ’は、必要に応じて環内で互いに交換され得、
Ｒ１は、エステル連結したＰＥＧ鎖（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３から選択される部分であり、ｘは、０～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨであり、Ｒ１はまた、水可溶性ＰＥＧ鎖（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４により誘導体化された８～６４の分岐部を有するコア部位から連結されている水溶性エステル連結デンドロンとすることができ、ｚは、１～８であり、Ｒ１４は、ＨまたはＭｅであり、Ｒ１は、原子とＰＥＧ鎖またはデンドロンとの間に、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含むことができ、その結果、ＰＥＧ鎖またはデンドロンは、分子のキャップ部分を金電極に連結した後、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）＋酸、または４）塩基を使用することによって除去することができ、
Ｒ２は、エステル連結したＰＥＧ鎖（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３から選択される部分であり、ｘは、０～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨであり、Ｒ２はまた、水可溶性ＰＥＧ鎖（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４により誘導体化された４～１６の分岐部を有するコア部位から連結されている水溶性エステル連結デンドロンとすることができ、ｚは、１～４であり、Ｒ１４は、ＨまたはＭｅであり、Ｒ２は、原子とＰＥＧ鎖またはデンドロンとの間に、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含むことができ、その結果、ＰＥＧ鎖またはデンドロンは、キャップを金電極に連結した後、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）＋酸、または４）塩基を使用することによって除去することができ、
Ｗ”およびＹ”は、－Ｓ－、－ＣＨ２－、ＣＨ２ＣＨ２、ＣＲ１１Ｒ１２およびＳＣＲ１１Ｒ１２から独立して選択され、Ｒ１１およびＲ１２は、同一炭素原子に結合しており、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３、ＳＣＨ３またはＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３から独立して選択され、Ｒ８およびＲ９は、必要に応じて連結して環を形成することができ、Ｓは、必要に応じて芳香族環に直接連結しており、Ｗ”およびＹ”は、必要に応じて環内で互いに交換され得、
Ｒ５は、Ｈ、ＳＭｅまたはＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、
Ｒ６は、Ｈ、ＳＭｅ、ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅ、ＳＣＨ２Ｃ（ＣＨ２ＳＭｅ）３、ＳＨ、ＣＳ２Ｈ、ＣＨ２ＳＭｅ、ＣＨ２ＳＨ、ＣＨ２ＣＳ２Ｈ、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イルまたは６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイルであり、
Ｒ７は、Ｈ、ＳＭｅ、ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅ、ＳＨ、ＣＳ２Ｈ、ＣＨ２ＳＭｅ、ＣＨ２ＳＨまたはＣＨ２ＣＳ２Ｈである。
様々な実施形態では、Ｒ６およびＲ７の少なくとも１つに関する選択における、－ＳＨ、－ＳＳＨ、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イル部分または６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイル部分が存在することにより、金属電極に配設されている金電極または金接触点へのリボン形状の化合物（ＩＩＩ）の端部の自己組織化が可能となる。－ＳＨおよび－ＳＳＨ基により官能基化されている架橋分子は、Ａｕ－Ｓ結合により金に連結している一方、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イル基または６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイル基により官能基化されている架橋分子は、Ａｕ－Ｃ結合により、金電極または金接触点に連結している。様々な例では、２つのＲ６基および４つのＲ７基の選択により、この分子の全体の回転対称性が決まる。様々な実施形態では、Ｒ７の４つの例すべてがＨであり、Ｒ６の２つの例は、金属に結合可能な同じ官能基である。
様々な実施形態では、化合物（ＩＩＩ）は、ポリメラーゼなどのプローブ分子に共有結合している。ＤＮＡ配列決定に関するある特定の例では、プローブ分子は、「クリックケミストリー」リンカー（アルキンとアジドから形成するトリアゾール、および／またはケトンもしくはアルデヒドとアルコキシアミンＲ－Ｏ－ＮＨ２から形成されるＯ－アルキル－オキシム）、および／または生物リンカー（例えば、ストレプトアビジン－検出器コンジュゲートにおけるストレプトアビジンに連結することができるビオチンリンカー）により得られる化合物（ＩＩＩ）への連結基を伴う、Ｅ．ｃｏｌｉのクレノウ断片などのＤＮＡポリメラーゼを含む。化合物（ＩＩＩ）の様々な実施形態では、Ｒ４は、必要に応じて以下である：（ｉ）ＤＮＡポリメラーゼ分子中の個別のシステイン残基に共有結合により連結されている（または、Ｒ３およびＲ４の選択による、ＰＡＨからポリメラーゼへの２つの連結基）；（ｉｉ）Ｒ３に共有結合により連結されて環を形成する；または水素である（すなわち、Ｒ３に関して非Ｈの選択による、ＰＡＨからポリメラーゼへの単一連結基が残る）。様々な態様では、Ｒ３およびＲ４は、ｄＮＴＰにおけるγ－ホスフェートに近接している、またはｄＮ４Ｐ－Ｒ（Ｒは、グルコース、マンノースまたはα－シクロデキストリンなどの剛性の水溶性基である）などの改変されたｄＮＴＰにおけるデルタホスフェートに近いポリメラーゼ中の１つまたは１つより多くのシステイン残基に連結している、ＰＥＧまたはポリグリシンなどのフレキシブルな鎖上に、１～４つの芳香族側鎖（例えば、フェニル、ナフチル、アントラセニル、フェナントレニル、ピレニル、チオフェニル、ベンゾチオフェニル、フェロセニルなど）を必要に応じて含有することができる。これらの鎖は、疎水性相互作用または静電相互作用によりＰＡＨに結合することができ、これは、ｄＮ４Ｐ－Ｒが、ポリメラーゼの活性部位に結合し、オリゴヌクレオチド鎖への取込みを受けると妨害される。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１１に例示されている、化合物（ＩＩＩ）を含み、
ｍ＋ｎ＝１０～２４であり、
Ｙ＝Ｗ＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
Ｙ’＝Ｗ’＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
Ｙ”＝Ｗ”＝－Ｓ－であり、
Ｒ１＝－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎ－ＯＣＨ３であり、ｎは、２～７の間または２０～４８の間であり、
Ｒ２＝－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎ－ＯＣＨ３であり、ｎは、２～７の間または２０～４８の間であり、
Ｒ３＝（Ｌ－Ｐｈｅ－Ｇｌｙ）４－ＮＨＯＣＨ２ＣＨ２Ｏ－Ｎ＝ＣＨ（ｐ－Ｃ６Ｈ４）ＣＨ２－であり、
Ｒ４＝Ｈであり、
Ｒ５＝ＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、
Ｒ６＝ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、
Ｒ７＝Ｈである。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１１に例示されている、化合物（ＩＩＩ）を含み、
ｍ＋ｎ＝１０～２４であり、
Ｙ＝Ｗ＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
Ｙ’＝Ｗ’＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
Ｙ”＝Ｗ”＝－Ｓ－であり、
Ｒ１＝Ｈであり、
Ｒ２＝－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎ－ＯＣＨ３であり、ｎは、２～７の間または２０～４８の間であり、
Ｒ３＝－（ＣＨ２）ｎＣ（Ｏ）ＮＨ－ＣＨ［（ＣＨ２）ｒ（ＣＨ２）Ｒ１８］［ＣＨ２ＣＨ２－Ｏ－ＣＨ２ＣＨ２Ｏ－（ＣＨ２）ｓ－Ｒ１９）であり、ｎ、ｒおよびｓは、独立して、２～７の間であり；Ｒ１８およびＲ１９は、表１中の組合せから選択されて、こうしてＲ１８およびＲ１９は、互いに反応することができず、
Figure 2022526665000005
 Ｒ４＝Ｒ５＝ｐ－またはｍ－Ｃ６Ｈ４－（ＣＨ２）ｔＣＯＯ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｕＣＨ３であり、ｔは、０～１０であり、ｕは、５～５０であり、
Ｒ６＝ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、
Ｒ７＝Ｈである。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図３５ａ中の化学構造と図３５ｂ中の３Ｄ空間充填モデル（このモデルの２つの回転を例示する）の両方として例示されている、化合物（ＸＩＩＩ）を含む。分子は、ジグザグな長い縁部、ＰＥＧ側鎖、チオール連結基によるキャップ、および自己組織化などによるプローブ分子結合のための拘束されたビオチンを含む部位を含む。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１８に例示されている、化合物（ＶＩ）を含む。化合物（ＶＩ）は、単連続１３－ＡＰＡＨ（１３個の原子の幅の多環式芳香族炭化水素）導体）を含み、芳香族部分は、約１．４ｎｍの幅である。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、化合物（ＶＩ）（図１８）を含み、
Ｒ４＝Ｒ５＝Ｈであり、
Ｒ３＝ＮＲ９Ｒ１０であり、Ｒ９は、ＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結しており、Ｒ１０は、Ｈであるか、またはポリメラーゼを含まないＲ９と環を形成するか、またはＲ９に連結している残基とは異なるＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結している。他の実施形態では、Ｒ３＝Ｈであり、Ｒ４は、ＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結しており、Ｒ５は、Ｈであるか、またはポリメラーゼを含まないＲ４と環を形成するか、またはＲ９に連結している残基とは異なるＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結している。
化合物（ＶＩ）の合成に有用な有機反応スキームの実施形態が、図３６～４２に示されている。化合物（ＶＩ）は、単連続１３－ＡＰＡＨ導体を含み、この分子の芳香族リボン部分は、約１．４ｎｍの幅である。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、化合物（ＶＩ）（図１８）を含み、
Ｒ１＝Ｒ２＝（ＣＨ２）４Ｃ（Ｏ）Ｏ－ＰＥＧ－４８であり、
Ｒ３は、（ＣＨ２）４Ｃ（Ｏ）ＮＨ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２Ｎ３）（ＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ２ＣＨ２ＮＨ－ビオチン）であり、
Ｒ４＝Ｒ５＝Ｈであり、
Ｒ６＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３またはＨであり、
Ｒ７＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３またはＨであり、
Ｒ８＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３または－ＳＨである。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１９に例示されている、化合物（ＶＩＩ）によって表される。化合物（ＶＩＩ）は、単連続９－ＡＰＡＨ（９個の原子の幅の多環式芳香族炭化水素）導体をさらに含む導電性オリゴマーを含み、芳香族部分は、約０．９５ｎｍの幅である。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１９に例示されている化合物（ＶＩＩ）を含み、
４つの置換基Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうちの３つは水素であり、残りの４番目の置換基は、以下：
（１）構造（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエステル連結したＰＥＧ鎖（ｘは、３～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨである）、
（２）構造（ＣＨ２）ｘＯ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエーテル連結したＰＥＧ鎖（ｘ＞２であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨである）、または
（３）水可溶性ＰＥＧ鎖（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４で誘導体化されている８～６４の分岐部を有するコア部位から連結されている水溶性エステル連結デンドロン（ｚは、１～８であり、Ｒ１４は、ＨまたはＭｅであり、Ｒ１は、原子とＰＥＧ鎖またはデンドロンとの間に、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含むことができ、その結果、ＰＥＧ鎖またはデンドロンは、分子のキャップ部分を金電極に連結した後、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）＋酸、または４）塩基を使用することによって除去することができる）
から選択され、
分子の両端の一方において結合されている４つのＲ８置換基のうちの３つが水素であり、４番目のＲ８置換基は、メトキシ基またはカルボキシル基により必要に応じて置換されている、短鎖アルキル基（１～５個の炭素）であり、
Ｒ７は、ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３または－ＳＨである。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図２０に例示されている、化合物（ＶＩＩＩ）を含む。この化合物は、本明細書において「２－モノＰＥＧ－ＰＡＨ単一構成成分ポリマー」と称され、分岐モノマーを有さない架橋分子である。示されている中央部のモノマーは、所望の場合、様々な長さのＰＡＨ架橋物が可能である。化合物のこの種類は、溶解性に影響を及ぼす、必要に応じた数のモノマー単位および必要に応じてＰＥＧ鎖を有する。
様々な実施形態では、合成架橋分子は、図２０中の化合物（ＶＩＩＩ）を含み、
ｎ＝３であり、
ｍ＝３～１０００であるか、または様々な実施形態では、３～１０であり、
４つのＲ１５置換基のうちの３つは水素であり、第４番目のＲ１５置換基は、構造（ＣＨ２ＣＨ２）Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）２４ＣＨ３を有するＰＥＧ鎖であり、
８つのＲ１６置換基のうちの６つは水素であり、残りのＲ１６置換基の２つは、２－メトキシエチルであり、
Ｒ１７はそれぞれ、－Ｓ－ＣＨ３である。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図２１に例示されている、化合物（ＸＶ）を含む。化合物（ＸＶ）は、メチルチオール末端基、および中央モノマー単位ｎおよびｍである必要に応じた数を含み、ｎ＝２およびｍ＝３～１０００または３～１０である。ＰＥＧ側鎖の存在により、他の疎水性芳香族コア構造の溶解性が改善される。
図２２～３０は、化合物（ＸＶ）を調製する合成プロトコルの実施形態を説明している。様々な実施形態では、化合物（ＸＶ）は、芳香族環とＰＥＧ酸素原子との間に位置する３個またはそれより多い炭素、または任意のＰＥＧ置換基へのエステル連結基を含む。
図２２は、水性ＴＨＦ中での、ＰＥＧ－２４（２２ａ）とトシル－ＣｌおよびＫＯＨとの反応を含む、トシル－ＰＥＧ－２４（２２ｂ）の合成を説明している。図２３は、パーブロモベンゼン、１－ブロモ－４－（２－メトキシエチル）ベンゼンおよびブロモベンゼンから始める、テトラフェニルジヨードベンゼンメトキシエーテル（２３ｃ）の合成を示す。図２４は、ジクロロメタン中の先のメトキシモノマーのトリメチルヨードシランによる脱メチル化による、モノマーアルコール（２４ｅ）の合成を示す。図２５は、ＴＨＦ中、先のトシル－ＰＥＧ－２４とＮａＨにより形成したアルコールモノマーの陰イオンとのＳＮ２反応によるＰＥＧモノマー（２５ｆ）の合成を示す。図２６および２７は、１，４－ベンゼンジボロン酸ビス（ピナコール）エステル（２６ａ）およびＰＥＧモノマー（２５ｆ）から様々な縮合環系が生成する、熱的およびマイクロ波によるＳｕｚｕｋｉ－Ｍｉｙａｕｒａカップリング反応を示す。図２８は、ナノリボン中間体ＣＸ－１３－３３６を生成するさらなるＳｕｚｕｋｉ－Ｍｉｙａｕｒａカップリングを説明する。図２９は、ナノリボン中間体ＣＸ－１３－３３７を生成するさらなるＳｕｚｕｋｉ－Ｍｉｙａｕｒａカップリングを示す。最後に、図３０は、ＦｅＣｌ３での処理による化合物（ＸＶ）の合成を例示している。
様々な実施形態では、導電性合成有機架橋分子は、少なくとも１つのデンドロンによって可溶化される。例えば、図３１ａに例示されている化合物（ＸＶＩ）は、ポリアントラセンナノリボン、およびそれに結合したたった１つのデンドロンを含む、架橋分子の単純化型を示している。化合物（ＸＶＩ）の使用可能な実施形態は、（ｉ）ナノリボンの長い方の縁部の両方に沿った１つより多いデンドロン、例えば、ナノリボンの長さ１～３ｎｍごとに１つものデンドロン、および（ｉｉ）金属電極に結合するための分子の左端部および右端部の各々に－ＳＨ基または－Ｓ－アルキル基をさらに含む。
図３１ｂは、たった１つだけのデンドロンを含み、ナノリボン上に他の置換基を含まない、化合物（ＸＶＩ）の３Ｄ構造モデルを示す。
様々な実施形態では、導電性合成有機架橋分子は、図３２に例示されている化合物（ＸＶＩＩ）を含む。この概略図は、センサー回路内に、センサープローブ分子を直接ワイヤ接続するためのアームとして、２つの個別の多環式芳香族分子を使用することを例示している。例示される通り、導電性は、Ａｕ結合部位から、アームの１つを経由し、センサープローブ分子を経由し、次に第２のアームを経由し、第２のＡｕ結合部位まで通じており、
「キャップ１－ポリマー１－分岐部－ポリマー２－キャップ２」および「キャップ１’－ポリマー１’－分岐部’－ポリマー２’－キャップ２’」は、縁部において誘導体化されている２つの個別の縮合多環式芳香族炭化水素分子アームを表し、これらは、それぞれ、約５～約１００ｎｍの長さ、約８～約６０ｎｍの長さまたは約１０～約３０ｎｍの長さであり、
キャップ１およびキャップ１’は、チオエーテル、反応性カルベン、金結合性ペプチドまたは他の材料結合配列、すなわちチオールおよび／またはジチオカルボキシレートにより、例えば、金表面などの電極表面に結合することができる単一モノマー単位であり、
キャップ２およびキャップ２’は、単一の非誘導体化モノマー単位であり、
ポリマー１、ポリマー１’、ポリマー２およびポリマー２’は、テトラヒドロフランなどの有機溶媒への溶解および水中での分散を可能にするためのＰＥＧ基などの、任意の数の可溶性基により必要に応じて誘導体化されている、ポリ芳香族縮合環セグメントである。様々な実施形態では、ポリマー１およびポリマー１’セグメントは、任意の長さにあることができ、ポリマー２およびポリマー２’セグメントと同じであってもよく、または異なっていてもよく、
分岐部および分岐部’は、ＤＮＡポリメラーゼ上の異なるフィンガーまたはらせんにそれぞれ連結されており、ポリメラーゼが１つまたは１つより多くのＳ－アルキルまたはＳ－アリール連結部を介してｄＮＴＰを組み込むと、分岐部と分岐部’との間の距離が変化するように選択され、
Ｌは、（ｉ）個別のポリ芳香族アームを一緒に繋げる、（ｉｉ）間隔を設けて離された一対の電極における電極に一方または両方のアームを繋げる、（ｉｉｉ）示されている電極を支持する下層の基板に一方または両方のアームを繋げる、および／またはセンサープローブ分子に、一方または両方のアームに沿った任意の位置からの追加の結合点を与える、二価の固定連結基などの必要に応じた連結部である。様々な実施形態では、架橋性複合体の１つまたは１つより多くのアームを固定するように示されている、少なくとも１つの二価連結基が存在することができる。様々な実施形態では、Ｌはそれぞれ、存在する場合、（ポリ）メチレン、任意の長さの－（ＣＨ２）ｘ－であって、Ｃの代わりに任意の数の介在するヘテロ原子を含む－（ＣＨ２）ｘ－、任意の長さのＰＥＧ、ポリペプチド、様々な環構造、例えば１，４－フェニレン、または上記の任意の組合せから選択される。
様々な実施形態では、図３２中の化合物（ＸＶＩＩ）は、２つの官能基を含み、１つは、各端部において「Ａｕ－結合剤」とこの場合、表示されている対向する両端部の各々に存在する。各アームの対向する両端部の「Ａｕ結合剤」は、－ＳＨ、－ＳＭｅまたは－ＣＳ２Ｈなどの金属結合性部分を含むことができる。
様々な実施形態では、本開示による合成架橋分子は、図１０の化合物（ＩＩ）に基づいており、導電性ナノリボンコア構造は、ジグザグ縁部を有するフェニル－置換１２－ＡＰＡＨ導電性リボンを含む。様々な例が、以下に記載されている。
様々な実施形態では、合成架橋分子は、図３５ａに例示されている化合物（ＸＩＩＩ）を含む。この分子は、１２－ＡＰＡＨリボン導体構造に基づくジグザグ縁部ＰＡＨ架橋物を含む。化合物（ＸＩＩＩ）は、ＰＥＧエステル側鎖、金属電極への結合のためのチオール連結基によるキャップ、ならびにプローブ分子に結合するためおよびセンサー自己組織化のための拘束ビオチンを含む側鎖により完全に官能基化されている。化合物（ＸＩＩＩ）の様々な実施形態では、ＰＥＧエステル側鎖は、構造－ｐ－（Ｃ６Ｈ４）－（ＣＨ２）ｔＣＯＯ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｕＣＨ３を含み、ｔは、０～１０であり、ｕｓは、５～５０である。
図３５ｂは、化合物（ＸＩＩＩ）の３Ｄモデルを示す。
一般に、本明細書において開示されている縮合多環式芳香族炭化水素ナノリボンを含む合成架橋分子は、ホウ素化合物と有機ハロゲン化物との間のパラジウムを触媒とするＳｕｚｕｋｉ－Ｍｉｙａｕｒａクロスカップリングに基づいた、収束的合成スキームによって得ることができる。直線的合成スキームではなく収束的合成が、ここでは、これらの分子のサイズのため、実用的である。これらの分子を組み立てる鍵工程は、（ｉ）アリール４，４，５，５－テトラメチル－１，３，２－ジオキサボロランとハロゲン化アリールとのパラジウムまたはマイクロ波を触媒とするＳｕｚｕｋｉ－Ｍｉｙａｕｒａクロスカップリングによるビアリールの形成、および（ｉｉ）ＦｅＣｌ３を触媒とする分子内脱水素カップリングによる、縮合環ナノリボン（例えば、上記のY. Huang, et al.を参照されたい）の形成を含む。本明細書における合成スキームの様々な実施形態では、この合成における工程の順序は、重要な側鎖部分が、パラジウムまたはＦｅＣｌ３を触媒とするカップリング反応の前または後に、例えば、これらの反応条件に対する特定の側鎖の適合性に基づいて結合するよう、変更することができる。
化合物（ＶＩ）（図１８）への合成経路の実施形態が、図３６～４２に例示されている。図３６および３７は、Ｓｕｚｕｋｉカップリングによる化合物（ＶＩ）の左側のポリマー部分の合成を例示している。図３８および３９は、Ｓｕｚｕｋｉカップリングによる化合物（ＶＩ）の右側のポリマー部分の合成を例示している。図４０および４１は、左側および右側のポリマー部分の中央分岐点部分構造へのＳｕｚｕｋｉカップリングによる、１３ＡＧＮＲ化合物前駆体の生成を例示している（図４１）。最後に、ＦｅＣｌ３処理により、１３ＡＧＮＲ前駆体の化合物（ＶＩ）への芳香族化が完了する。
様々な実施形態では、合成架橋分子は、図４３に例示されている化合物（ＸＩＩ）を含む。化合物（ＸＩＩ）は、ジグザグ縁部を有するフェニル置換１２－ＡＰＡＨリボンを含む。
様々な実施形態では、合成架橋分子は、図４３の化合物（ＸＩＩ）を含み、
ｎ＝２であり、
ｍ＝３～５００であり、
Ｒ１は、以下：（１）構造（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエステル連結したＰＥＧ鎖（ｘは、３～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨである）、（２）構造（ＣＨ２）ｘＯ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエーテル連結したＰＥＧ鎖（ｘ＞２であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨである）、または（３）水可溶性ＰＥＧ鎖（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４で誘導体化されている８～６４の分岐部を有するコア部位から連結されている水溶性エステル連結デンドロン（ｚは、１～８であり、Ｒ１４は、ＨまたはＭｅである）から選択され、Ｒ１は、原子とＰＥＧ鎖またはデンドロンとの間に、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含むことができ、その結果、ＰＥＧ鎖またはデンドロンは、分子のキャップ部分を金電極に連結した後、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）＋酸、または４）塩基を使用することによって除去することができ、
Ｒ２は、以下：（１）構造（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエステル連結したＰＥＧ鎖（ｘは、３～１０であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨである）、（２）構造（ＣＨ２）ｘＯ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエーテル連結したＰＥＧ鎖（ｘ＞２であり、ｙは、１０～４０であり、Ｒ１３は、ＭｅまたはＨである）、または（３）－Ｈ
から選択され、
Ｒ３＝－（ＣＨ２）ｎＣ（Ｏ）ＮＨ－ＣＨ［（ＣＨ２）ｒ（ＣＨ２）Ｒ１８］［ＣＨ２ＣＨ２－Ｏ－ＣＨ２ＣＨ２Ｏ－（ＣＨ２）ｓ－Ｒ１９）であり、ｎ、ｒおよびｓは、独立して、２～７の間であり；Ｒ１８およびＲ１９は、表１中の組合せから選択されて、こうしてＲ１８およびＲ１９は、互いに反応することができず、
Figure 2022526665000006
 Ｒ４は、ＨまたはＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３であり、
Ｒ５は、－ＳＨまたはＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３である。
様々な実施形態では、合成架橋分子は、図４４ａに例示されている化合物（ＸＩＸ）を含む。この架橋分子は、ＰＥＧ側鎖、－Ｓ－ＣＨ３末端基およびＰＡＨナノリボン導電性コア構造を含む。長さが約５ｎｍ～３０ｎｍの範囲にある、この形態の代表的な多様な長さは、以下に概略されている方法によって合成した。化合物（ＸＩＸ）の３Ｄモデルは、図４４ｂに示されている。この合成生成物である化合物（ＸＩＸ）は、図４２ｃにおいて、バルクで示されており、ＴＨＦ中で懸濁し、ＴＨＦ溶媒中でのＴＥＭ画像によって示されている。化合物（ＸＩＸ）の質量スペクトルは、図４２ｄに示されており、これらの生成物のサイズおよび組成を部分的に特徴付けるＮＭＲスペクトルも、図４２ｅに示されている。スペクトルは、存在する質量の範囲、およびＰＥＧ基の芳香族環に対する比を例示する。
合成プロトコル
以下は、一連の中間体構成成分の合成の実施形態、およびＰＡＨＥＢの実施形態に関する最終リボンを例示している。
トシルＰＥＧ－２４（２２ｂ）の合成（図２２）
１．５ｍｌの無水テトラヒドロフラン中のＰＥＧ－２４（２２ａ）（０．７５０ｇ、０．６８９ｍｍｏｌ）および塩化トシル（０．１９７ｇ、１．０３ｍｍｏｌ）の０℃の懸濁液に、その温度で、１時間かけて、４回にわけて１６Ｍ水酸化カリウム（水性）（０．１４０ｍｌ）を加えた。添加が一旦、完了すると、この反応物を不活性雰囲気下、室温で１６時間、撹拌した。この反応物をジクロロメタン／水により希釈し、層の濁りがなくなるまで撹拌した。これらの層を分離して、追加のジクロロメタンにより水相を抽出した。合わせた有機物を水で３回、洗浄し、硫酸ナトリウムで脱水して真空で濃縮した。粗製物質をフラッシュクロマトグラフィー（シリカゲル、０～１０％メタノール／ジクロロメタン）によって精製すると、トシルＰＥＧ－２４（２２ｂ）（０．６７８ｇ、７９％収率）が白色アモルファス固体として得られた。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の質量計算値：１２４２．６６；実測値：ポジティブ（ｍ／ｚ）：１２４３．５（Ｍ＋Ｈ）＋、１２６５．５（Ｍ＋Ｎａ）＋、１２８１．９（Ｍ＋Ｋ）＋。
テトラフェニルジヨードベンゼンメトキシエーテル（２３ｃ）の合成（図２３）
４７ｍｌの無水テトラヒドロフラン中のマグネシウム屑（１．２２ｇ、５０．３ｍｍｏｌ）の懸濁液に、１－ブロモ－４－（２－メトキシエチル）ベンゼン（１．６８ｇ、７．８０ｍｍｏｌ）およびブロモベンゼン（４．０４ｇ、２５．７ｍｍｏｌ）の混合物を、溶媒を沸騰させないよう注意深く、１時間かけてゆっくりと加えた。添加が一旦、完了すると、発熱が止むまでこの反応物を、室温でさらに１時間、撹拌した。この反応物を０℃まで冷却した後、パーブロモベンゼン（１．８５ｇ、３．３５ｍｍｏｌ）を加え、この反応物を不活性雰囲気下、室温で１６時間、撹拌した。この反応物を０℃まで冷却し、１０ｍｌのテトラヒドロフランに溶解したヨウ素（８．５１ｇ、３３．５ｍｍｏｌ）を深紫色（ヨウ素に特徴的）が残るまで加え、さらに２時間、撹拌した。この反応物を水およびクロロホルムにより希釈し、飽和チオ硫酸ナトリウム溶液でヨウ素をクエンチした。相を分離して、水相を１００ｍｌのクロロホルムで２回、抽出した。合わせた有機物を飽和炭酸水素ナトリウムで２回、ブラインで１回、洗浄し、硫酸ナトリウムで脱水して真空で濃縮した。フラッシュクロマトグラフィー（シリカゲル、０～４０％酢酸エチル／ヘキサン）によって粗製物質を精製すると、３’，６’－ジヨード－４－（２－メトキシエチル）－４’，５’－ジフェニル－１，１’：２’，１”－ターフェニル（２３ｃ）（０．３２８ｇ）（１４－１７９ｐ１１）、およびそれほど純粋ではない試料（ｄｊｓ－１４－１７９ｐ１２）が得られ、この試料をフラッシュクロマトグラフィー（シリカゲル、０～３０％酢酸エチル／ヘキサン）によって再精製すると、追加の生成物（２３ｃ）（０．１７５ｇ）が、合計（０．５０３ｇ、２２％収率）で淡黄色固体として得られた。1H NMR (499 MHz, Chloroform-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の質量計算値：６９２．０１；実測値：ポジティブ（ｍ／ｚ）：７１５．１（Ｍ＋Ｎａ）＋、７３１．１（Ｍ＋Ｋ）＋。
モノマーアルコール（２４ｅ）の合成（図２４）
５．０ｍｌの無水ジクロロメタンに溶解したメトキシモノマー（２３ｃ）（０．１９０ｇ、０．２７４ｍｍｏｌ）の溶液に、ヨードトリメチルシラン（０．２８４ｇ、１．４２ｍｍｏｌ）を加え、濃く着色した反応物を不活性雰囲気下、室温で１６時間、撹拌した。この反応を２．０ｍｌの濃アンモニア（水性）でクエンチして、２０分間、撹拌した。反応物を水により希釈して、相を分離した。水相をジクロロメタンで２回、抽出し、合わせた有機物を水、ブラインで洗浄し、硫酸ナトリウムで脱水して真空で濃縮した。粗製物質をさらに精製することなく、次の工程（シリルエーテル開裂）に使用した。
１５．０ｍｌの無水テトラヒドロフランに溶解した粗製シリルエーテルモノマー（２４ｄ）の溶液に、フッ化テトラブチルアンモニウムＴＢＡＦ（０．６１２ｍｍｏｌ、ＴＨＦ中１．０Ｍ）を加え、この反応物を不活性雰囲気下、室温で１６時間、撹拌した。この反応物を真空で濃縮し、ジクロロメタン／水に溶解して、相を分離した。水相をジクロロメタンでさらに２回、抽出し、合わせた有機物をブラインで洗浄し、硫酸ナトリウムで脱水して真空で濃縮した。粗製物質をフラッシュクロマトグラフィー（シリカゲル、０～５０％酢酸エチル／ヘキサン）により精製すると、アルコールモノマー（２４ｅ）（２工程通算で６０％収率）が白色固体として得られた。1H NMR (499 MHz, Chloroform-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の質量計算値：６７７．９９；実測値：ポジティブ（ｍ／ｚ）：７０１．０（Ｍ＋Ｎａ）＋、７１６．８（Ｍ＋Ｋ）＋。
ＰＥＧ－２４－モノマー（２５ｆ）の合成（図２５）
１．０ｍｌの無水テトラヒドロフランに溶解したアルコールモノマー（２４ｅ）（０．０４０ｇ、０．０５９ｍｍｏｌ）の０℃の溶液に、６０％水素化ナトリウム（８．０ｍｇ、０．２０６ｍｍｏｌ）を注意深く加え、この反応物を不活性雰囲気下、１時間、還流して撹拌した。この反応物を冷却し、１．１ｍｌの無水テトラヒドロフランに溶解したトシルＰＥＧ－２４（２２ｂ）（０．０７７ｇ、０．０６２ｍｍｏｌ）を滴下して加え、この反応物を不活性雰囲気下、１６時間、還流して撹拌した。この反応物を冷却して、さらなる水素化ナトリウム（１０ｍｇ）を投入し、さらに２４時間、還流して撹拌した。この反応物を数滴の水でクエンチし、真空で濃縮した。得られた残留物をジクロロメタン／水に溶解して、相を分離した。水相を塩化ナトリウムで飽和し、ジクロロメタンでさらに６回、抽出し、合わせた有機物をブラインにより洗浄して硫酸ナトリウムで脱水し、真空で濃縮した。粗製物質をフラッシュクロマトグラフィー（シリカゲル、０～１０％メタノール／ジクロロメタン）によって精製すると、ＰＥＧ－２４－モノマー（２５ｆ）（０．０５８ｇ、５７％収率）が濁りのない固体として得られた。1H NMR (499 MHz, Chloroform-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によると約５０％の過剰なＰＥＧ；ＭＳ：Ｃ８１Ｈ１２２Ｉ２Ｏ２５の質量計算値：１７４８．６４；実測値：ポジティブ（ｍ／ｚ）：１７７１．７（Ｍ＋Ｎａ）＋。
熱反応によるナノリボンポリマーの合成（図２６～２７）
ＰＥＧ－モノマー（２５ｆ）（２９ｍｇ、０．０１６６ｍｍｏｌ）、１，４－ベンゼンジボロン酸ビス（ピナコール）エステル（２６ａ）（５．５ｍｇ、０．０１６６ｍｍｏｌ）およびＫ３ＰＯ４（７．０ｍｇ、０．０３３２ｍｍｏｌ）の１ｍｌのＤＭＦ溶液を、アルゴン通気により５回、脱気した。次に、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４（２．０ｍｇ）を加え、この反応混合物をアルゴン通気により３回、脱気した。この反応混合物を１００℃まで加熱し、アルゴン下で一晩、撹拌した。「熱反応」粗生成物を以下の反応に精製することなく使用した。
マイクロ波反応によるナノリボンポリマーの合成（図２８）
ＰＥＧ－モノマー（２５ｆ）（４７．３ｍｇ、０．０２７ｍｍｏｌ）およびＫ３ＰＯ４（１１．４ｍｇ、０．０５４ｍｍｏｌ）の１．４ｍｌ ＤＭＦ溶液をアルゴン通気により５回、脱気した。次に、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４（７．８ｍｇ）を加え、この反応混合物をアルゴン通気により３回、脱気した。１９ミリモル濃度のＰＥＧ－モノマー（２５ｆ）を含有するこの中間体溶液を本明細書において、「溶液Ａ」と称する。
１，４－ベンゼンジボロン酸ビス（ピナコール）エステル（２６ａ）（１２．７ｍｇ、０．０３８ｍｍｏｌ）およびＫ３ＰＯ４（１６．１ｍｇ、０．０７６ｍｍｏｌ）の２ｍｌのＤＭＦ溶液をアルゴン通気により、５回、脱気した。１９ミリモル濃度の１，４－ベンゼンジボロン酸ビス（ピナコール）エステル（２６ａ）を含有するこの中間体溶液を本明細書において、「溶液Ｂ」と称する。
各反応に関して２００μＬの溶液Ｂ、および各反応に関して個別に２００μＬ（Ｂ：Ａモル比１：１）、１６０μＬ（Ｂ：Ａモル比１：０．８）、１４０μＬ（Ｂ：Ａモル比１：０．７）、１２４μＬ（Ｂ：Ａモル比１：０．６２）、１００μＬ（Ｂ：Ａモル比１：０．５）および８０μＬ（Ｂ：Ａモル比１：０．４）の溶液Ａを使用する、６つのマイクロ波反応溶液を用意した。マイクロ波反応にそれぞれ、１５０℃で１０分間、マイクロ波を照射した。
マイクロ波反応後、１：０．６２、１：０．５および１：０．４のモル比での３つの反応物を一緒にし、次に「熱反応」生成物の半分と混合し、次に、上記と同じ手順に従い、さらなるジヨード－ＰＥＧ－モノマー（２５ｆ）（１６．７ｍｇ）、追加のＫ３ＰＯ４（５．０ｍｇ）およびＰｄ（ＰＰｈ３）４（３．０ｍｇ）と反応させると、ＤＭＦを除去した後、精製することなく次の工程に直接使用される、１３－３３５－Ｉ２ポリマー（図２７）がもたらされる。
１：１、１：０．８および１：０．７のモル比での他の３つの反応を一緒にし、次に、「熱反応」生成物の他の半分と混合し、次に、上記と同じ手順に従い、さらなる１，４－ベンゼンジボロン酸ビス（ピナコール）エステル（２６ａ）（６．４ｍｇ）、Ｋ３ＰＯ４（５．０ｍｇ）およびＰｄ（ＰＰｈ３）４（３．０ｍｇ）と反応させ、これにより、１３－３３５－Ｂ２がもたらされる。ＤＭＦの除去後に、粗生成物を次の工程に直接、使用した（図２８）。
ナノリボン中間体ＣＸ－１３－３３６の合成（図２８）
１３－３３５－Ｉ２ポリマー、１３－３３５－Ｂ２ポリマーおよびＫ３ＰＯ４（２７．２ｍｇ、０．１２８ｍｍｏｌ）の１ｍｌのＤＭＦ溶液をアルゴン通気により５回、脱気した。次に、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４（４．２ｍｇ）を加え、この反応混合物をアルゴン通気により３回、脱気した。次に、この反応混合物を１００℃まで加熱し、アルゴン下で一晩、撹拌した。溶媒を除去し、残留物を０．５ｍｌのＴＨＦに溶解し、ＳＥＣカラムによって精製すると、７．０ｍｇのポリマーＣＸ－１３－３３６が得られた（図２８）。
ナノリボン中間体ＣＸ－１３－３３７の合成（図２９）
１ｍｌのＤＭＦ中のポリマーＣＸ－１３－３３６（ＳＥＣカラムにより精製）（７．０ｍｇ）、１，４－ベンゼンジボロン酸ビス（ピナコール）エステル（２６ａ）（１６．５ｍｇ、０．０４９ｍｍｏｌ）およびＫ３ＰＯ４（０．１２８ｍｍｏｌ、２７．２ｍｇ）を、アルゴン通気により５回、脱気した。次に、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４（４．２ｍｇ）を加え、この反応混合物をアルゴン通気により３回、脱気した。次に、この反応混合物を１００℃まで加熱し、アルゴン下で一晩、撹拌した。ＤＭＦを除去した後、粗生成物を０．５ｍｌのＴＨＦに溶解し、ＳＥＣカラムにより精製した。
得られたポリマー（５．０ｍｇ）を０．５ｍｌのＤＭＦに溶解し、キャップ化合物２９ａ（９ｍｇ、０．０１３ｍｍｏｌ）、次いでＫ３ＰＯ４（５．０ｍｇ、０．０２３ｍｍｏｌ）を加え、アルゴン通気により５回、脱気した。次に、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４（３．０ｍｇ）を加えた。この反応混合物に１５０℃で１時間、マイクロ波照射した。冷却後、溶媒を除去し、残留物をＳＥＣカラムによって精製すると、３．５ｇのポリマーＣＸ－１３－３３７が得られた（図２９）。ＭＡＬＤＩ／ＴＯＦ質量分光法は、各Ｓｕｚｕｋｉカップリング工程およびゲル浸透クロマトグラフィーによって、フラクションが２０Ｋダルトンから４０Ｋダルトンのポリマーに増加したことを示唆している。
ナノリボン化合物（ＸＶ）の合成（図３０）
ポリマーＣＸ－１３－３３７（３．５ｍｇ、ＳＥＣカラムから精製）を２０ｍｌのジクロロメタンに溶解し、アルゴンを１０分間、通気した。３ｍｌのニトロメタンに溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）（１２０ｍｇ）をゆっくりと加え、得られた混合物を室温で１時間、撹拌し、この時間の後、約１～２ｍｇの不溶性黒色沈殿物が形成した。この反応混合物を２０ｍｌのメタノールでクエンチし、溶媒を除去して、残留物をＳＥＣカラムにより精製すると、１．５ｍｇの生成物が得られた。可溶性生成物は、１Ｈ ＮＭＲスペクトルの積分値から判断すると、脱水素化工程の間に、そのＰＥＧ鎖の少なくとも３０％を失った。

Claims (13)

  1. 分子エレクトロニックセンサーに使用するための合成架橋分子であって、前記分子が、
    単一の固定した配向で、各縮合ベンゼン環からなる導電性のｓｐ２混成多環式芳香族炭化水素ナノリボンであって、前記ナノリボンが、概して矩形のシート様構成、ならびに２つの実質的に平行な長い方の上部縁部および底部縁部と２つの実質的に平行な短い方の左側の縁部および右側の縁部によって画定された外縁部を有しており、各縮合環の前記単一の固定した配向が、前記ナノリボンの前記長い方の縁部または前記短い方の縁部のどちらか一方に沿ってジグザグの周期性となり、前記ナノリボンが、約３ｎｍ～約１００ｎｍの長さおよび約０．２３ｎｍ～約２３ｎｍの幅と測定される、ナノリボンと、
    前記ナノリボンの前記左側の短い方の縁部に共有結合した置換基Ｌと、
    前記ナノリボンの前記右側の短い方の縁部に共有結合した置換基Ｒであって、ＬおよびＲはそれぞれ、金属電極または電極に配設された金属接触点に結合可能な少なくとも１個の硫黄原子またはカルベン前駆体部分を含む、置換基Ｒと、
    前記ナノリボンの任意の縁部に共有結合しており、およびプローブ分子に結合することができる、少なくとも１つの結合基Ｐと、
    前記ナノリボンの任意の縁部に共有結合した少なくとも１つの置換基Ｓであって、前記合成架橋分子の溶解性または立体構造のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすことが可能であるか、または前記分子エレクトロニックセンサーの製造において、前記金属電極、電極の前記金属接触点または前記プローブ分子のうちの少なくとも１つへの前記合成架橋分子の自己組織化を促進することが可能な、置換基Ｓと、
    を含む、合成架橋分子。
  2. ＬおよびＲが、－ＳＨ、－ＳＣＨ３、－ＳＳＨ、－ＳＳ－ＣＨ３、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イルまたは６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイル部分の少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の合成架橋分子。
  3. Ｐが、アジド、アルキン、アルコキシアミン、ケトン、アルデヒド、ビオチンまたはストレプトアビジンのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の合成架橋分子。
  4. 分子エレクトロニックセンサーに使用するための合成架橋分子であって、前記分子が、以下の構造：
    Figure 2022526665000007
     （式中、
    ｎおよびｍは、独立して、０～３０であり、
    ＷおよびＹは、－Ｏ－、－ＣＨ２－、ＣＲ８Ｒ９、ＣＨ２ＣＲ８Ｒ９、ＣＲ８ＣＲ９ＣＨ２、ＯＣＲ８Ｒ９およびＣＲ８Ｒ９Ｏから独立して選択され、Ｒ８およびＲ９は、同一炭素原子に結合しており、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３または（ＣＨ２）ｘ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１０から独立して選択され、ｘは、２～１０であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１０は、Ｈ、ＭｅまたはＥｔであり、そしてＲ８およびＲ９は、必要に応じて連結して環を形成することができ、Ｏは、必要に応じて芳香族環に直接連結しており、そしてＷおよびＹは、必要に応じて環内で互いに交換され得、
    Ｗ’およびＹ’は、－Ｏ－、－ＣＨ２－、ＣＲ８Ｒ９、ＣＨ２ＣＲ８Ｒ９、ＣＲ８ＣＲ９ＣＨ２、ＯＣＲ８Ｒ９およびＣＲ８Ｒ９Ｏから独立して選択され、Ｒ８およびＲ９は、同一炭素原子に結合しており、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３または（ＣＨ２）ｘ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１０から独立して選択され、ｘは、２～１０であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１０は、Ｈ、ＭｅまたはＥｔであり、そしてＲ８およびＲ９は、必要に応じて連結して環を形成することができ、Ｏは、必要に応じて芳香族環に直接連結しており、そしてＷ’およびＹ’は、必要に応じて環内で互いに交換され得、
    Ｒ１は、（ｉ）エステル連結したＰＥＧ鎖（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３（ｘは、０～１０であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１３は、ＭｅまたはＨである）、または（ｉｉ）構造（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４である水可溶性ＰＥＧ鎖によりそれぞれが誘導体化された、８～６４の分岐部を含む水溶性エステル連結デンドロン（ｚは、１～８であり、そしてＲ１４は、ＨまたはＭｅである）から選択される部分であり、Ｒ１の前記エステル連結基は、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含み、その結果、前記デンドロンは、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）酸、または４）塩基を使用することによって除去することができ、
    Ｒ２は、（ｉ）エステル連結したＰＥＧ鎖（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３（ｘは、０～１０であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１３は、ＭｅまたはＨである）；（ｉｉ）水可溶性ＰＥＧ鎖（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４によりそれぞれが誘導体化された、４～１６の分岐部を有する前記ナノリボンから連結された水溶性エステル連結デンドロン（ｚは、１～４であり、そしてＲ１４は、ＨまたはＭｅである）から選択される部分であり、Ｒ２の前記エステル連結基は、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含み、その結果、前記デンドロンは、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）酸、または４）塩基を使用することによって除去することができ、
    Ｗ”およびＹ”は、－Ｓ－、－ＣＨ２－、ＣＨ２ＣＨ２、ＣＲ１１Ｒ１２およびＳＣＲ１１Ｒ１２から独立して選択され、Ｒ１１およびＲ１２は、同一炭素原子に結合しており、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３、ＳＣＨ３またはＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３から独立して選択され、そしてＲ８およびＲ９は、必要に応じて連結して環を形成することができ、Ｓは、必要に応じて芳香族環に直接連結しており、そしてＷ”およびＹ”は、必要に応じて環内で互いに交換され得、
    Ｒ５は、Ｈ、ＳＭｅまたはＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、
    Ｒ６は、Ｈ、ＳＭｅ、ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅ、ＳＣＨ２Ｃ（ＣＨ２ＳＭｅ）３、ＳＨ、ＣＳ２Ｈ、ＣＨ２ＳＭｅ、ＣＨ２ＳＨ、ＣＨ２ＣＳ２Ｈ、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イルまたは６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイルであり、そして
    Ｒ７は、Ｈ、ＳＭｅ、ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅ、ＳＨ、ＣＳ２Ｈ、ＣＨ２ＳＭｅ、ＣＨ２ＳＨ、ＣＨ２ＣＳ２Ｈ、６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－イルまたは６－［１，３－ジイソプロピル－１Ｈ－ベンゾ［ｄ］イミダゾール－３－イウム］－チオイルである）
    を含む、合成架橋分子。
  5. ｍ＋ｎ＝１０～２４であり、
    Ｙ＝Ｗ＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
    Ｙ’＝Ｗ’＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
    Ｙ”＝Ｗ”＝－Ｓ－であり、
    Ｒ１＝－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎ－ＯＣＨ３であり、ｎは、２～７の間または２０～４８の間であり、
    Ｒ２＝－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎ－ＯＣＨ３であり、ｎは、２～７の間または２０～４８の間であり、
    Ｒ３＝（Ｌ－Ｐｈｅ－Ｇｌｙ）４－ＮＨＯＣＨ２ＣＨ２Ｏ－Ｎ＝ＣＨ（ｐ－Ｃ６Ｈ４）ＣＨ２－であり、
    Ｒ４＝Ｈであり、
    Ｒ５＝ＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、
    Ｒ６＝ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、そして
    Ｒ７＝Ｈである、請求項４に記載の合成架橋分子。
  6. Ｒ１＝ＰＥＧ－２０であり、
    ＹおよびＷは、－Ｏ－であり、
    Ｒ３＝アジド－（ＣＨ２）１０であり、
    Ｒ４＝ビオチン－ＰＥＧ－５であり、
    Ｒ５＝Ｈであり、
    Ｒ６＝メチルチオールであり、そして
    Ｒ７＝Ｈである、請求項５に記載の合成架橋分子。
  7. ｍ＋ｎ＝１０～２４であり、
    Ｙ＝Ｗ＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
    Ｙ’＝Ｗ’＝－ＣＨ２－または－Ｏ－であり、
    Ｙ”＝Ｗ”＝－Ｓ－であり、
    Ｒ１＝Ｈであり、
    Ｒ２＝－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎ－ＯＣＨ３であり、ｎは、２～７の間または２０～４８の間であり、
    Ｒ３＝－（ＣＨ２）ｎＣ（Ｏ）ＮＨ－ＣＨ［（ＣＨ２）ｒ（ＣＨ２）Ｒ１８］［ＣＨ２ＣＨ２－Ｏ－ＣＨ２ＣＨ２Ｏ－（ＣＨ２）ｓ－Ｒ１９）であり、ｎ、ｒおよびｓは、独立して、２～７の間であり；そしてＲ１８およびＲ１９は、－Ｎ３、－ＣＣ－Ｈ、－ＮＨＣＯ－ビオチン、－ＣＨＯ、－ＣＯＣＨ３および－Ｏ－ＮＨ２から独立して選択され、但し、Ｒ１８およびＲ１９は、互いに反応することができないことを条件とし、
    Ｒ４＝Ｒ５＝ｐ－またはｍ－Ｃ６Ｈ４－（ＣＨ２）ｔＣＯＯ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｕＣＨ３であり、ｔは、０～１０であり、そしてｕは、５～５０であり、
    Ｒ６＝ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＭｅであり、そして
    Ｒ７＝Ｈである、請求項４に記載の合成架橋分子。
  8. 分子エレクトロニックセンサーに使用するための合成架橋分子であって、前記分子が以下の構造：
    Figure 2022526665000008
     （式中、
    ｎ＝２であり、
    ｍ＝３～５００であり、
    Ｒ１は、以下：（１）構造（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエステル連結したＰＥＧ鎖（ｘは、３～１０であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１３は、ＭｅまたはＨである）、（２）構造（ＣＨ２）ｘＯ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエーテル連結したＰＥＧ鎖（ｘ＞２であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１３は、ＭｅまたはＨである）、または（３）それぞれが水可溶性ＰＥＧ鎖（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｚＲ１４で誘導体化されている８～６４の分岐部を有する水溶性エステル連結デンドロン（ｚは、１～８であり、Ｒ１４は、ＨまたはＭｅである）から選択され、そしてＲ１の前記エステル－連結基は、１）光開裂性、２）レドックス開裂性、３）酸開裂性、または４）塩基開裂性リンカーを必要に応じて含むことができ、その結果、前記デンドロンは、前記分子の前記キャップ部分を金電極に連結した後、それぞれ、１）光、２）酸化剤もしくは還元剤、３）酸、または４）塩基を使用することによって除去することができ、
    Ｒ２は、以下：（１）構造（ＣＨ２）ｘＣＯ（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３または（ＣＨ２）ｘＯＣ＝ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエステル連結したＰＥＧ鎖（ｘは、３～１０であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１３は、ＭｅまたはＨである）、（２）構造（ＣＨ２）ｘＯ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２（ＯＣＨ２ＣＨ２）ｙＯＲ１３を有するエーテル連結したＰＥＧ鎖（ｘ＞２であり、ｙは、１０～４０であり、そしてＲ１３は、ＭｅまたはＨである）、または（３）－Ｈ
    から選択され、
    Ｒ３＝－（ＣＨ２）ｎＣ（Ｏ）ＮＨ－ＣＨ［（ＣＨ２）ｒ（ＣＨ２）Ｒ１８］［ＣＨ２ＣＨ２－Ｏ－ＣＨ２ＣＨ２Ｏ－（ＣＨ２）ｓ－Ｒ１９）であり、ｎ、ｒおよびｓは、独立して、２～７の間であり；そしてＲ１８およびＲ１９は、－Ｎ３、－ＣＣ－Ｈ、－ＮＨＣＯ－ビオチン、－ＣＨＯ、－ＣＯＣＨ３および－Ｏ－ＮＨ２から独立して選択され、但し、Ｒ１８およびＲ１９は、互いに反応することができないことを条件とし、
    Ｒ４は、ＨまたはＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３であり、そして
    Ｒ５は、－ＳＨまたはＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３である）
    を含む、合成架橋分子。
  9. 分子エレクトロニックセンサーに使用するための合成架橋分子であって、前記分子が、以下の構造：
    Figure 2022526665000009
     （式中、
    ｎおよびｍは、独立して、０～３０であり、
    Ｒ１＝Ｒ２＝－（ＣＨ２）４Ｃ（Ｏ）Ｏ－ＰＥＧ－４８であり、
    Ｒ３＝Ｈまたは－ＮＲ９Ｒ１０であり、Ｒ９は、ＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結しており、そしてＲ１０は、Ｈであるか、またはＲ１０は、前記ポリメラーゼを含まないＲ９と環を形成するか、あるいはＲ１０は、Ｒ９に連結している前記残基とは異なるＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結しており、
    Ｒ４＝Ｒ５＝Ｈであり、
    Ｒ６＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３またはＨであり、
    Ｒ７＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３またはＨであり、
    Ｒ８＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３または－ＳＨである）
    を含む、合成架橋分子。
  10. Ｒ１＝Ｒ２＝（ＣＨ２）４Ｃ（Ｏ）Ｏ－ＰＥＧ－４８であり、
    Ｒ３は、（ＣＨ２）４Ｃ（Ｏ）ＮＨ－ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２Ｎ３）（ＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ２ＣＨ２ＮＨ－ビオチン）であり、
    Ｒ４＝Ｒ５＝Ｈであり、
    Ｒ６＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３またはＨであり、
    Ｒ７＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３またはＨであり、そして
    Ｒ８＝ＣＨ２ＳＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３または－ＳＨである、請求項９に記載の合成架橋分子。
  11. Ｒ３＝Ｈであり、
    Ｒ４は、ＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結されており、
    Ｒ５は、Ｈであるか、または前記ポリメラーゼを含まないＲ４と環を形成するか、あるいはＲ５は、Ｒ９に連結している前記残基とは異なるＤＮＡポリメラーゼシステイン残基に連結している、請求項９に記載の合成架橋分子。
  12. 分子エレクトロニックセンサーに使用するための合成架橋分子であって、前記分子が、以下の構造：
    Figure 2022526665000010
     （式中、ｎは、前記合成架橋分子の長さが約５ｎｍ～約３０ｎｍとなるように選択された整数である）
    を含む、合成架橋分子。
  13. 分子エレクトロニックセンサーに使用するための合成架橋分子であって、前記分子が、以下の構造：
    Figure 2022526665000011
     を含む、合成架橋分子。
JP2021560018A 2019-04-12 2020-04-13 分子エレクトロニックセンサーのための多環式芳香族架橋物 Pending JP2022526665A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962833562P 2019-04-12 2019-04-12
US62/833,562 2019-04-12
PCT/US2020/028004 WO2020210832A1 (en) 2019-04-12 2020-04-13 Polycyclic aromatic bridges for molecular electronic sensors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022526665A true JP2022526665A (ja) 2022-05-25

Family

ID=72751447

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021560018A Pending JP2022526665A (ja) 2019-04-12 2020-04-13 分子エレクトロニックセンサーのための多環式芳香族架橋物

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP3953491B1 (ja)
JP (1) JP2022526665A (ja)
KR (1) KR20210150549A (ja)
CN (1) CN113994013A (ja)
CA (1) CA3136956A1 (ja)
WO (1) WO2020210832A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017139493A2 (en) 2016-02-09 2017-08-17 Roswell Biotechnologies, Inc. Electronic label-free dna and genome sequencing
EP3571286A4 (en) 2017-01-19 2020-10-28 Roswell Biotechnologies, Inc SOLID STATE SEQUENCING DEVICES WITH TWO-DIMENSIONAL LAYER MATERIALS

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102072898B (zh) * 2010-08-20 2012-08-29 沈阳大学 一种自组装型荧光化学传感器
CN109416334B (zh) * 2016-01-14 2021-11-16 罗斯韦尔生物技术股份有限公司 分子传感器及相关方法
EP3545076A4 (en) * 2016-11-22 2020-07-29 Roswell Biotechnologies, Inc NUCLEIC ACID SEQUENCING DEVICE WITH GRAPHEN
KR102606670B1 (ko) * 2017-05-09 2023-11-24 로스웰 바이오테크놀로지스 인코포레이티드 분자 센서들을 위한 결합 프로브 회로들
WO2019046589A1 (en) * 2017-08-30 2019-03-07 Roswell Biotechnologies, Inc. PROCESSIVE ENZYME MOLECULAR ELECTRONIC SENSORS FOR STORING DNA DATA

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210150549A (ko) 2021-12-10
CA3136956A1 (en) 2020-10-15
WO2020210832A1 (en) 2020-10-15
EP3953491A1 (en) 2022-02-16
EP3953491C0 (en) 2023-12-06
EP3953491B1 (en) 2023-12-06
CN113994013A (zh) 2022-01-28
EP3953491A4 (en) 2022-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7928432B2 (en) Sensing devices from molecular electronic devices
US20090270627A1 (en) Aromatic and aromatic/heteroaromatic molecular structures with controllable electron conducting properties
US10017528B2 (en) Controlled synthesis of polymeric perylene diimide and applications thereof
WO2008133779A2 (en) Functionalization of nanoscale articles including nanotubes and fullerenes
JP2022526665A (ja) 分子エレクトロニックセンサーのための多環式芳香族架橋物
Wang et al. Ultrasensitive electrochemical DNA biosensor based on a label-free assembling strategy using a triblock polyA DNA probe
CN104487496A (zh) 经杯芳烃涂覆的材料
Breuer et al. Redox-stable SAMs in water (pH 0–12) from 1, 1′-biferrocenylene-terminated thiols on gold
WO2017131190A1 (ja) ポリマー及びその製造方法
JP4528000B2 (ja) π電子共役系分子含有ケイ素化合物及びその製造方法
TWI379416B (en) Asymmetrical linear organic oligomers
US20070292601A1 (en) Thin Film Devices Utilizing Hexabenzocoronenes
US20220091094A1 (en) A System for Sequencing Biopolymers
Majidi et al. Chiral Conductive Polymers
JP5009716B2 (ja) ヘキサベンゾコロネンナノチューブを用いた電界効果トランジスタ
Udumulla Molecular Strategies to Develop Functional Materials
JP4244023B2 (ja) 分子検出ナノセンサー
JP6833188B2 (ja) 化合物、それを用いた発光若しくは電子材料、及びガスセンサ材料
KR20050121191A (ko) 신규한 전도성 고분자를 이용한 표적 물질 검출 방법
KR20220047311A (ko) 생체분자 감지 및 검출 방법
JP2004091539A (ja) 末端修飾共役高分子および高分子接続基板
Shaotang A study on the on-surface synthesis of novel carbon-based nanoribbon structures
Hedley DNA-based conducting polymer nanowires for biosensor applications
JP2004307847A (ja) 機能性有機薄膜及びその製造方法
JP2006316044A (ja) 修飾核酸鎖化合物

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230412

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240312

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240321