KR20030059187A - 나노미터 크기 검측용 감지기 - Google Patents

나노미터 크기 검측용 감지기 Download PDF

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KR20030059187A
KR20030059187A KR10-2003-7005087A KR20037005087A KR20030059187A KR 20030059187 A KR20030059187 A KR 20030059187A KR 20037005087 A KR20037005087 A KR 20037005087A KR 20030059187 A KR20030059187 A KR 20030059187A
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nanotubes
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KR10-2003-7005087A
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핸더슨에릭
마셔커티스
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바이오포스 나노사이언스, 인크.
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Abstract

본 발명에서는, 분자 상호작용의 발생에 참여할 수 있는 유기, 무기 또는 기타 분자 또는 대상체가, 탄소 나노튜브, 규소 나노튜브, 나노바 및 생물학적 구조 부재(마이크로튜뷸 및 액틴 필라멘트)로 정형화되지만 이로 한정되지는 않는 나노미터 크기의 대상체에 물리적으로 연결되어, 마이크로미터 크기 이하의 분자 상호작용의 발생을 보고하는 신호 변환 시스템을 생성시킨다. 증폭 측정기를 사용하거나 원자 현미경을 사용함으로써 분자 상호작용의 발생을 모니터링하여, 상기 분자 또는 대상체가 분자 상호작용의 발생, 또는 일부 다른 상호작용의 발생에 참여하는 경우, 나노튜브의 물리적 특성의 이동 또는 변화를 모니터링하여, 상호작용의 발생을 보고한다.

Description

나노미터 크기 검측용 감지기{Nanoscale sensor}
우선권
본원은 2000년 10월 10일자로 출원한 미국 가특허원 제60/238,518호 및 2001년 10월 9일자로 출원한 미국 가특허원 제________호의 우선권을 주장한다. 미국 가특허원 제60/238,518호 및 미국 특허원 제________호에 기재된 발명은 본원에 참고로 인용된다.
나노미터 크기 규모로 발생하는 상황을 검측하고 거시 세계에서 이러한 발생 상황을 보고하는 것은 매우 유용하다. 이러한 발생 상황은 생분자, 항체 및 항원 사이의 분자 상호작용의 발생, 및 기타 화학적 무기 분자 상호작용의 발생을 포함한다. 나노미터 크기에서 발생하는 상황을 검측하기 위한 선행 방법의 하나는 평균화된 현상에서 변화를 이용하는 것이다. 이러한 방법은 통계 방법을 포함한다. 그러나, 통계 방법은 다수의 분자를 사용해야 하며, 전체 집단의 평균화된 특성만을 보고할 뿐이다. 최근, 소집단 분자를 조사하거나 심지어 단일 분자를 조사하면 되는 추가의 방법이 개발되었다. 주사 탐침 현미경 및 고해상도 광학 방법이 이러한 새로이 개발된 방법에 포함된다.
주사 탐침 방법에서, 마이크로미터 크기의 탐침을 사용하여, 고체 지지체 상의 분자의 지형학적 또는 기타 특징을 조사한다. 한 변형태에서, 화학적, 생분자적 또는 개질된 마이크로미터 크기의 입자를 탐침 말단에 부착시킬 수 있으며, 마이크로미터 크기의 입자가 표면 또는 표면 상의 샘플을 통해 주사됨에 따라 극도로 미세한 힘을 측정할 수 있다. 탐침 말단에 부착된 마이크로미터 크기의 입자가 표면 또는 표면 상에 침착된 대상체와 상호작용하는 경우 이들 힘의 측정이 보고될 수 있다.
상기 연구방법에서의 한가지 문제는, "보고" 시스템이 마이크로미터 크기 이상의 대상체를 수반한다는 점이다. 반대로, 관심 대상인 분자는 종종 나노미터 크기 이하이며, 관심 대상인 분자의 활성 또한 나노미터 크기에서 이루어진다는 점이다. 나노미터 크기의 분자 상호작용의 발생을 검측하는 것은 개선된 AFM 탐침 기술을 사용하는 경우에도 어렵다. 문제가 복잡해지는 것은, 분자가 결합하는 탐침이 그위에 결합된 분자 또는 관심 대상인 분자보다 훨씬 크고 무겁다는 사실이다. 2개의 분자와 탐침 사이의 크기 차이가 크기 때문에, 단일 분자 상호작용의 발생을감지하는 감도가 낮거나 저하될 수 있다. 그러므로, 마이크로미터 및 나노미터 크기의 분자 상호작용의 발생을 검측하는 개선된 장치 및 방법이 여전히 요구된다.
따라서, 나노미터 크기의 규모로 발생하는 분자 상호작용을 검측하기 위한 장치 및 방법이 요구된다. 추가로, 집단 평균에 의존하지 않고 이들 분자 상호작용의 발생을 직접 검측하기 위한 장치 및 방법이 요구된다. 마지막으로, 단일 생분자 상호작용의 발생을 보고하도록 작용할 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.
발명의 요약
본 발명은 마이크로미터 크기 이하의 분자 또는 기타 대상체의 활성을 검측할 수 있도록 보고 시스템의 부품으로서 나노미터 크기의 튜브(나노튜브) 및 기타 나노미터 크기의 대상체를 사용하는 장치 및 방법을 기술한다. 이러한 새로운 장치 및 방법은 나노미터 크기에서 일어나는 분자 및 분자 활성에 대한 개선된 감도 및 반응성을 가질 수 있다.
본 발명에서, 분자 상호작용의 발생 상황에 참여할 수 있는 유기, 무기 또는 기타 대상체가 탄소 나노튜브, 규소 나노튜브, 금속 나노바 및 생물학적 구조 부재(마이크로튜뷸 및 액틴 필라멘트)로 정형화되지만 이에 한정되지는 않는 나노미터 크기의 대상체에 물리적으로 연결시켜, 마이크로미터 크기 이하의 분자 상호작용의 발생을 보고하는 신호 변환 시스템을 생성시킨다.
한 양태에서, 제1 나노미터 크기의 대상체가 형성되어, 한쪽 말단에 결합된 분자를 갖는 제2 나노미터 크기의 대상체에 대해 작동 가능하게 배치된다. 제1 나노미터 크기의 대상체를 각각의 마이크로미터 크기의 전도성 패드에 대해 이의 각각의 말단에 연결시킨다. 이어서, 전류를 제1 나노미터 크기의 대상체에 통과시키고 모니터링한다. 제2 나노미터 크기의 대상체에 결합된 분자가 분자 상호작용의 발생에 참여하는 경우, 제2 나노미터 크기의 대상체의 물리적 특성은, 제1 나노미터 크기의 대상체의 전기전도성이 영향을 받는 방식으로 변한다. 가장 간단한 경우, 제2 나노미터 크기의 대상체는 그위에 결합된 분자에 대해 나노미터 크기의 대상체의 작은 크기로 인해 물리적으로 이동하고, 이로써 제1 나노미터 크기의 대상체의 전류 흐름 또는 저항에 영향을 미친다. 이러한 전류 흐름 또는 저항을 검측함으로써, 분자 상호작용의 발생을 보고한다. 이해되는 바와 같이, 나노미터 크기의 대상체의 상호작용의 기타 물리적 특성도 측정될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에서, 제1 나노미터 크기의 대상체가, 한 쪽 말단에는 분자가 결합되고 다른 쪽 말단에는 전도성 패드가 결합된 표면 위에 탑재된다. 원자 현미경을 사용하여 나노미터 크기의 대상체의 위치 및 전자 특성을 모니터링한다. 분자 상호작용의 발생시, 나노미터 크기의 대상체의 위치 또는 전자 특성이 변한다. 나노튜브의 위치 또는 전자 특성의 변화가 원자 현미경(scanning tunneling microscope)에 의해 검측되고 보고된다.
본 발명은, 표면에 작동 가능하게 탑재된 제1 나노튜브, 제1 나노튜브에 작동 가능하게 부착된 모니터링 장치, 표면 위에 탑재되고 제1 나노튜브와 작동 가능한 관계에 있는 제2 나노튜브 및 제2 나노튜브의 제1 말단에 결합된 하나 이상의 분자를 포함하며, 결합된 분자가 관여하는 분자 상호작용의 발생시, 당해 분자 상호작용의 발생이 모니터링 장치에 의해 검측됨을 특징으로 하는, 나노미터 크기 검측용 감지기를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 양태는,
제1 나노튜브가 제1 전도성 패드에 대해 제1 말단에서 작동 가능하게 커플링되고 제2 전도성 패드에 대해 제2 말단에서 작동 가능하게 연결되고, 제2 나노튜브가 제3 전도성 패드에 대해 제1 말단에서, 그리고 분자에 대해 제2 말단에서 커플링되도록, 제1 나노튜브를 제2 나노튜브와 작동 가능하게 커플링시키는 단계,
제1 나노튜브 및 제2 나노튜브를 통해 흐르는 전류를 인가하는 단계 및
생분자에서 분자 상호작용이 발생하는 경우, 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브의 전도성 변화가 증폭 측정기에 의해 검측되는 방식으로, 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브를 통한 전류 흐름을 증폭 측정기를 사용하여 모니터링하는 단계를 포함하는, 분자 상호작용의 발생을 검측하는 방법을 포함한다.
분자 상호작용의 발생을 검측하는 또 다른 방법은, 나노미터 크기의 대상체의 제1 말단에 분자를 결합하는 단계, 당해 나노미터 크기의 대상체를 원자 현미경으로 주사하는 단계, 및 분자에서 분자 상호작용이 발생하는 경우, 당해 나노미터 크기의 대상체의 이동을 검측하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은, 표면 위에 작동 가능하게 부착된 제1 나노튜브, 표면 위에 작동 가능하게 부착되고 제1 나노튜브와 작동 가능하게 접속된 제2 나노튜브 및 제2 나노튜브의 제1 말단에 결합된 한 분자를 포함하며, 분자가 분자 상호작용의 발생 상황에 참여하는 경우, 이로 인해 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브의 물리적 특성을 측정 가능한 정도로 변화시킴을 특징으로 하는, 분자 상호작용의 발생을 검측하기 위한 장치를 포함한다.
본 발명은 나노미터 크기 규모로 발생하는 상황을 검측하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 분자 상호작용의 발생이 이에 관여하는 하나 이상의 분자 또는 대상체가 결합되는 나노미터 크기의 대상체에 미치는 효과를 모니터링함으로써 분자 상호작용의 발생을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 양태의 나노튜브 회로를 도시한 것이다.
본 발명에서 사용되는 바와 같이, 나노미터 크기의 대상체는, 당해 대상체의 물리적 위치 또는 기타 특성의 변화가 나노미터 크기의 규모로 발생하는 상황을 지시하는 것으로서 인식될 수 있는 방식으로 모니터링될 수 있다. 카본 나노튜브는, 예를 들면, 이들이 와이어, 스위치 및 다이오드와 같이 작동할 수 있는 방식으로 전자를 전도한다. 그러므로, 전기 저항은 모니터링되어 분자 상호작용의 발생을 지시할 수 있는 특성의 하나이다. 기타 나노미터 크기의 대상체가 또한 본 발명에서 사용될 수 있다. 이러한 나노미터 크기의 대상체는 규소 나노튜브 및 생물학적 구조의 부재(예: 마이크로튜뷸 및 액틴 필라멘트) 뿐만 아니라 나노바 및 나노와이어를 포함한다. 본 발명은 바람직한 나노미터 크기의 대상체로서 탄소 나노튜브를 사용할 것이다. 이해되는 바와 같이, 잘 정의된 금속 특성, 및 소정의 물리적 및 화학적 이점을 갖는 나노바를 형성할 수 있는 능력이 본원에 기술된 나노미터 크기 검측용 감지기를 제작하기 위한 대안의 장치를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 유형의 시스템이 벌크 상태로 제작하기 용이할 수 있다. 그러므로, 상술한 바와 같은 기타 나노미터 크기의 대상체가 본 발명의 특성 및 범주를 변경시키지 않으면서 당해 분야의 기술자에 의해 대체될 수 있다.
나노미터 크기의 침상 단일층 또는 다층 튜브 형태의 C60풀레렌 구조의 합성법이 당해 분야에 공지되어 있다. 이들 연장된 풀레렌 튜브 구조는 또한 탄소 나노튜브, 또는 박막 탄소 나노튜브로도 공지되어 있다. 구조적으로, 탄소 나노튜브는 풀레렌으로 공지된 분자 탄소의 한 구성원이다. 나노튜브 축에 대한 육각형 탄소환의 원자 배열은 튜브에 따라 상이하며, 통상 나선형이다. 당해 나노튜브는 다수의 육각형으로 배열된 탄소원자의 편심 원통형 시트(약 1 내지 약 50개의 범위)로 구성된다. 당해 튜브의 직경은 전형적으로 수 내지 수십 나노미터이고 길이는 수 마이크로미터에 이른다. 이러한 나노튜브는 당해 분야에 널리 공지되어 있다.
당해 나노튜브를 표준 탄소 아크 방법을 사용하여 실험실 규모의 양으로 합성하는 방법은 공지되어 있다. 나노튜브의 제조방법은 전형적으로, 무정형 탄소로 이루어진 수냉 탄소 전극 또는 흑연봉 2개를 진공 챔버 내에 약 1mm 이격되도록 배치하는 단계, 당해 챔버를 약 10-7torr의 압력으로 배기시키는 단계 및 당해 챔버에 헬륨, 질소, 아르곤 또는 수소와 같은 불활성 기체를 재충전하여 약 50 내지 500torr로 가압시킨 다음, 두 전극 사이가 1mm를 그대로 유지시키도록 조절하면서 이들 전극 사이에 고전류 전기적 아크를 스트라이킹하는 단계로 이루어진다. 이러한 결과, 탄소 나노튜브가 성장하며, 나머지 작은 탄소 입자가 음전극 위에 생성된다. 전극 침착물에 생성된 나노튜브의 양은 최적의 성장 조건이 얼마나 오래 유지될 수 있느지에 달려 있다.
탐침이 이에 사용되며, 기타 방법이 다수의 실험에서 사용될 수 있다[참고: Wong, S. S., E. Joselevich, A. T. Woolley, C. L. Cheung, and C. M. Lieber, Covalently functionalized nanotubes as nanometre-sized probes in chemistry and biolog, Nature, 1998, p. 52-5; Wong, S. S., A. T. Woolley, E. Joselevich, C. L. Cheung, and C. M. Lieber, Covalently-functionalized single-walled carbon nanotube probe tips for chemical force microscopy, Journal of the American Chemical Society, 1998, p. 8557-8558 ; Wong, S. S., A. T. Woolley, E. Joselevich, and C. M. Lieber, Functionalization of carbon nanotube AFM probes using tip-activated gases, Chemical Physics Letters, 306, p. 219; Dai, H., E. W. Wong, and C. M. Lieber, Probing electrical transport in nanomaterials : conductivity of individual carbon nanotubes, Science, 1996,272: p. 523-526 ; Shoushan Fan, Michael Chapline, Nathan Franklin, Thomas Tombler, A. Cassell and Hongjie Dai, Self-Oriented Regular Arrays of Carbon nanotubes and Their Functional Devices, Science, 283,512 (1999); Hyonsok T. Soh, Alberto Morpurgo, Jing Kong, Charles Marcus, Calvin Quate and Hongjie Dai, Integrated nanotube Circuits : Controlled Growth and Ohmic Contacts to Single-Walled Carbon nanotubes, Appl. Phys. Lett., 75,6951, (1999); Hongjie Dai, Jing Kong, Chongwu Zhou, Nathan Franklin, Thomas Tombler, Alan Cassell, Shoushan Fan and Michael Chapline, Controlled ChemicalRoutes to nanotube Architectures, Physics and Devices, J. Phys. Chem B. 1999,103 11246-11255 (1999); Martin, B. R., Nanobars, Advanced Materials, 11, p. 1021 (1999); Cui, Y. et al., Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species, Science, 293, p. 1289 (2001); Martin, B. R. Nanobars, Advanced Materials, 11,1021 (1999)].
이러한 실험적 설정에 있어서, 약 18V의 직류 전압을 약 500torr의 헬륨하의 챔버내에 2개의 탄소 전극에 인가한다. 플라즈마가 가까운 거리로 이격된 전극 사이에 형성된다. 탄소가 음전극에 축적되며, 양전극이 소비됨에 따라 성장한다. 전극간의 거리가 정확하게 유지되는 경우, 침착물이 외부 경질 쉘과 내부 연질 섬유상 코어를 갖는 원통형 구조물 내로 성장한다. 회색 외부 쉘은 경질 매스내로 융합된 탄소 나노튜브 및 기타 탄소 나노입자로 구성된다. 연질 흑색 내부 코어는 전극사이의 전류 유동 방향으로 배열된 섬유 형태의 유리 나노튜브 및 나노입자를 함유한다. 미국 특허 제5,753,088호 및 제5,482,601호에 기재된 바와 같은, 나노튜브를 형성하는 추가의 방법이 공지되어 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 거시적 신호로서 발생 상황을 보고하는 탄소 나노튜브를 사용하는 장치 및 방법을 기술한다. 본 발명의 장치 및 방법이 우선 기술될것이며, 후속적으로 나노미터 크기의 보고장치로서의 방법 및 장치를 사용하는 몇몇 특정예가 기술될 것이다.
본 발명의 한 양태는 제1 탄소 나노튜브(10), 제2 탄소 나노튜브(12) 및 표면(14)을 포함한다. 제1 및 제2 탄소 나노튜브(10, 12)는 작동 가능하게 접속되어표면(14)에 부착된다. 제1 탄소 나노튜브(10)는 추가로 한쪽 말단에 작동 가능하게 부착된 전도성 패드(16)를 추가로 포함한다. 전도성 패드(16)은 또한 표면(10)에 작동 가능하게 부착된다. 당해 제2 탄소 나노튜브(12)는 추가로 제1 말단에 부착된 전도성 패드(18)와 제2 말단에 결합된 분자(20)를 포함한다. 제2 나노튜브(12)에 결합된 분자(20)가 연구 대상인 분자이다.
본 발명의 양태에서, 전도성 패드(16, 18)는 백금 격자로 구성되며 탄소 나노튜브(10, 12)에 부착된다. 기타 전도성 패드(예: 마이크로미터 크기의 금 아일랜드)가 사용될 수도 있다.
제작되는 나노튜브의 길이 및 크기는, 검측되는 분자 상호작용의 발생 상황의 성질에 따라 당해 분야의 기술자에 의해 결정될 수 있다. 다양한 방법으로 각각의 나노튜브에 의해 브릿징되는 신뢰성 있는 전기 접속이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 양태의 백금 전극과 같은 2개의 금속 전극에 접속된 반도체 단일벽 카본 나노튜브를 달성하기 위한 방법이 문헌에 기재되어 있다[참고: 상기 참조,Nature, 292, (1998)]. 추가로, 카본 나노튜브는 이들이 전자 회로 내로 집적되는 방식으로 성장하는 것으로 밝혀졌다[참고: 상기 참조, J. Phys. Chem B. 1999,103 11246-11255 (1999)]. 너비가 1 내지 5㎛인 촉매적 아일랜드로 패턴화된 기질을 사용하여 나노튜브를 증착에 의해 형성시키는 방법을 사용하여 기질 위의 목적하는 위치에 나노튜브 칩을 성장시킨다. 나노튜브의 위치는 원자력 현미경 또는 원자 현미경을 사용하여 확인할 수 있다. 다양한 방법, 예를 들면, 화학적 증착법을 사용하여 단층벽 또는 다층벽 탄소 나노튜브가 이산화규소 기질을 포함하는규소 표면에 성장하도록 할 수 있다.
이어서, 분자(20)을 공지된 기술을 사용하여 제2 나노튜브(12)의 유리 말단에 결합시킨다. 제2 나노튜브(12)의 복합 말단에는, 관심 대상인 분자 상호작용의 발생에 따라 무기 또는 유기 분자(20)가 부착될 수 있다. 한 양태에서, 아민을 펜던트 카복실 그룹에 커플링시킴으로써 말단을 개질시킬 수 있다. 또 다른 양태에서, 이전에 기술되었던, 공유적으로 개질된 나노튜브 말단이 사용될 수도 있다[참고: 상기 참조, Nature, 395, July 1998]. 또 다른 양태에서, 당해 카복실 그룹은 추가의 착화합물을 제공하도록 하는 방식으로 개질될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 분자(20)는 반드시 제2 나노튜브(12)의 말단에 결합될 필요는 없지만, 제2 나노튜브(12)의 전체 길이 방향에서의 일정 위치에 결합될 수 있다.
본 발명의 양태는 추가로 전력 공급원(22)을 포함할 수 있다. 전력 공급원(22)은 제1 나노튜브(10)에 부착된 전도성 패드(16) 및 제2 나노튜브(12)에 부착된 전도성 패드(18)에 작동 가능하게 부착된다. 당해 전력 공급원(22)은 낮은 전압이 제1 및 제2 탄소 나노튜브(10, 12)를 통해 인가되도록 한다. 전력 공급원(22)은 제어기를 추가로 포함하여, 나노튜브(10, 12)에 공급되는 전력의 양이 면밀하게 모니터링되어 조절되도록 할 수 있다. 나노튜브 브릿지에 의해 형성되는 이들 회로는 전기 저항 또는 전도성을 측정함으로써 특성화될 수 있다.
본 발명의 양태는 증폭 측정기(24)를 추가로 포함할 수 있다. 증폭 측정기(24)는 제1 및 제2 카본 나노튜브(10, 12)에 작동 가능하게 부착되어 이 곳에서의 전류 흐름을 모니터링한다. 나노앰프 및 피코 앰프 크기의 저항을 측정할수 있는 증폭 측정기(24)가 당해 분야의 기술자에게 공지되어 있다.
나노튜브(10, 12)의 전자 특성으로 인해, 나노튜브 구조물의 형태는, 사용된 나노튜브의 구체적인 화학적 특성에 의해 조절될 수 있는 다양한 전자적 특성을 가질 수 있다. 전도성 패드(16, 18) 및 전력 공급원(22)에 의해, 제1 및 제2 나노튜브(10, 12) 사이의 교차 영역이 전도성 패드, 정류로, 개폐로 또는 심지어 트랜지스터일 수 있다. 본 발명의 양태에서, 교차 영역은 사용자에 의해 모니터링되는 전도성 패드를 생성시킨다. 나노튜브 접촉의 전자 서명을 측정하고 효소 활성화 이전의 기준선으로서 사용한다. 결합된 분자(20)가 관여하는 분자 상호작용이 발생하는 경우, 동력학적 분자 특성은 나노튜브(10, 12)에 의해 변환되고 거시 신호로 증폭된다. 이의 물리적 배향의 변경은, 예를 들면, 전류 유동량을 변화시키므로 당해 시스템의 저항을 모니터링함으로써 측정될 수 있다.
본 발명을 분자에서 발생하는 상황에 대한 검측용으로 사용하는 경우, 제2 나노튜브(12)에 부착된 분자(20)가 표적 샘플에 노출된다. 표적 샘플은 제2 나노튜브(12)의 말단에 결합된 분자(20)와 잠재적으로 반응하는 물질을 함유할 수 있다. 잠재적 반응성에 의해, 본 발명은, 분자가 존재하는 경우, 당해 분자가 결합된 분자와 검측 가능한 방식으로 반응할 것을 고려한다. 당해 반응은 시스템에 상당한 보고 가능한 변화를 일으킬 수 있는 임의의 분자 상호작용의 발생 상황일 수 있다. 본 발명의 양태는 전기적 전도성의 변화를 고려하며, 증폭 측정기에 의해 검측될 수 있다. 당해 분야의 기술자에 의해 이해될 수 있듯이, 본 발명의 방법의 교시는 광범위한 특정 시스템에도 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 나노튜브(12)의 말단에 결합된 분자(20)에서 분자 상호작용이 발생하는 경우, 당해 발생 상황이 제1 나노튜브(10)과 제2 나노튜브(12) 사이에 물리적 관계를 변화시킨다. 본 발명의 양태에서, 이러한 변화는 제1 및 제2 나노튜브(10, 12)의 말단 상의 백금 패드(16, 18)를 통해 측정된 바와 같은 모니터링된 전압 또는 저항의 변화에 의해 보고된다. 저항에서의 이러한 변화는 분자 상호작용의 발생으로 인한 나노튜브(10, 12)의 물리적 관계에서의 변화에 의해 야기될 수 있다. 즉, 전류 경로의 길이를 변화시킴으로써 증폭 측정기(24)에 의해 검측되는 바와 같이 저항을 변경시킨다. 환언하면, 나노튜브(10, 12) 각각이 전도성 패드(16, 18)을 통해 거시 회로에 연결되므로, 2개의 나노튜브(10, 12)를 통과하는 전류 흐름의 변화를 측정하는 것은 분자 활동의 발생과 연관된다.
이동, 열전도도, 저항, 압축, 팽창 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는 나노튜브의 특성은 변경될 수 있으며, 또 다른 양태로 검측될 수 있다. 나노튜브의 특성 변화는 나노튜브-나노튜브 접촉의 특성을 변경시키며, 이로써 효소 활성의 특성을 거시 세계에 보고한다. 당해 분야의 기술자에 의해 이해될 수 있듯이, 또 다른 양태에서, 제1 및 제2 나노튜브(10, 12)의 다양한 특성을 모니터링하여, 분자 상호작용의 발생을 검측할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 분자 상호작용의 발생을 보고하기 위해 오직 하나의 나노튜브만이 사용될 수 있다. 하나의 나노튜브가 소정의 표면 위에 탑재되고, 분자가 여기에 결합된다. 원자 현미경은 나노튜브의 위치 또는 전자적 특성을 모니터하기 위해 나노튜브에 대해 작동 가능하게 배치된다. 나노튜브 말단에결합된 분자에 분자 상호작용이 발생하는 경우, 원자 현미경은 나노튜브의 위치 변화를 보고하며, 이에 따라 분자 상호작용의 발생을 보고한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 본 발명은 제1 나노튜브, 제2 나노튜브, 제1 전도성 패드, 제1 나노튜브에 부착된 제1 전도성 패드, 및 제2 나노튜브에 부착된 제2 전도성 패드를 포함한다. 당해 나노튜브는 서로에 대해 작동 가능하게 부착되며, 분자는 제2 나노튜브의 말단에 결합한다. 당해 양태는 또한 패드 사이에 접속된 전력 공급원 및 증폭 측정기를 포함한다. 당해 양태에서, 전기는 제1 나노튜브에 부착된 제1 패드를 통해, 제2 나노튜브를 거친 다음, 제2 나노튜브를 통해 제2 패드로 흐른다. 이해될 수 있듯이, 본 발명의 양태에서 제2 나노튜브의 말단에 결합된 분자는 당해 시스템 위에 배치된 소량의 전기 흐름에 의해 영향을 받지 않아야 한다. 전술한 양태에서와 같이, 분자 상호작용의 발생은 시스템을 통해 흐르는 전류에 영향을 미쳐서, 증폭 측정기에 의해 보고된다.
하기 양태는 본 발명을 교시하기 위해 제시되었으며, 본 발명의 다양한 또 다른 적용을 대표하는 것이다. 하기 양태는 본 발명을 결코 제한하지 않으며, 화학적 감지, 물질 상호작용 및 기타 물리적 또는 전자적 상호작용에 적용될 수 있다.
실시예 1 : 공기로 전달되는 입자의 검측
공기로 전달되는 분자는 이를 받아들이는 이의 거동 및 일반적인 물리적 상태에 영향을 미칠 수 있다. 공기로 전달되는 분자가 심지어 소량으로도 동물 또는사람에게 거동면에서 뿐만 아니라 생리학적으로도 영향을 미칠 수 있으므로, 공기로 전달되는 입자를 검측할 수 있는 지가 크게 관심을 끈다. 공기로 전달되는 입자는 각종 독소, 화학물질 또는 기타 제제(예: 페로몬)를 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 페로몬의 수용체가 제1 나노튜브에 부착된다. 제1 나노튜브는 다른 쪽 말단에 고정되고, 양쪽 말단에서 금 전극에 접속된 대체로 직각인 제2 나노튜브와 교차한다. 전력 공급원과 증폭 측정기가 추가로 포함되어, 당해 시스템과 작동 가능하게 부착된다. 시스템의 정상 상태 전자 서명을 2개의 금 전극 사이에 수립된 민감성 회로를 사용하여 설정한다. 페로몬은 나노튜브와 결합된 수용체의 주변에서 대기 내로 도입된다. 수용체가 페로몬에 결합되면, 이는 부착된 제1 나노튜브의 특성에 영향을 미치는 구조적 변화를 겪는다. 분자 상호작용의 발생은 제2 나노튜브의 회로에서의 변화를 검측함으로써 보고된다. 또 다른 양태에서, 이러한 장치는 당해 분야의 실행자들에게 공지된 표준 여과 기술[예: 켈만(Kellman) 여과기의 설치]을 사용함으로써 일시적인 발생 상황에 민감하도록 만들 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명을 사용하여 공기로 전달되는 기타 병원균을 검측할 수 있다. 예를 들면, 탄저균 박테리아는 공기로 전달되는 입자로서 전달될 수 있는 치명적인 병원균이다. 검측될 수 있는 기타 물질은 곰팡이 포자 및 바이러스성 병원균을 포함한다.
이들 또 다른 양태에서, 나노튜브에 결합된 분자는 압타머(aptamer)를 포함할 수 있다. 압타머는 특정한 생물학적 또는 비생물학적 분자 표면 및 구조물에결합되도록 설계된 분자이다. 다양한 조건하에 반응하는 다양한 종류의 상호작용에 대한 압타머가 당해 분야의 기술자에게 공지된 방법으로 형성될 수 있다. 압타머가 공기로 전달되는 병원균과 상호작용하는 경우, 이는 상기 실시예에서와 같이 변환하고 나노튜브 커플링 회로에 의해 검측되는 구조적 변화를 겪는다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 병원균 검출에 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 광수용체가 나노튜브를 기본으로 하는 나노미터 크기 검측용 감지기의 말단에 결합한다. 병원균 수용체는 생물학적으로 다양한 광자 감지기 중의 어느 하나를 기본으로 하며, 눈(eye)의 광 수용체, 광합성의 제1 단계와 관련된 광 수용체, 및 시아노박테리아(이는 또한, 녹조류 - 미즈노머로서 공지되어 있음)에서의 광 에너지 수집과 관련된 광 수용체를 포함한다. 또는, 광 수용체가 천연 또는 인조 비생물학적 물질(예: 실리콘과 같은 광반응성 무기질)일 수 있다. 이러한 예에서, 소정의 에너지 수준의 광자 사이의 상호작용이 나노미터 크기 검측용 감지기를 통해 변환될 광 검측기에서의 구조적 변화를 야기한다. 또 다른 양태에서, 본 발명은 열 감지기로서 유사하게 사용될 수 있다. 이들 실시예로부터, 광범위한 종류의 상호작용용 감지기가 제시된 중심 개념을 근거로 설계될 수 있음이 명백하다. 이들은 입자 감지기, 화학적 감지기 및 물질 감지기를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 실시예에서, 결합 반응이 공기 중에 일어나며, 검측이 기계적으로 변환된 구조적 변화의 감지를 근거로 수행된다는 점을 명심해야 한다. 또 다른 양태에서, 감지되는 발생 상황은 결합 상호작용에 의해 직접 유도된 나노튜브의 전기적상태 변화를 근거로 할 수 있다. 예를 들면, 감지기는 나노튜브가 상술한 바와 같이 2개의 금 전극에 걸쳐 있도록 제작된다. 나노튜브의 중간에 결합되는 것은 상술한 페로몬 수용체와 같은 감지 실체이다. 이러한 결합은 나노튜브에서 일어나는 것으로 공지된 검측 영역에서 달성될 수 있다. 감지기의 전자적 상태는 회로를 측정함으로써 수립된다. 페로몬 리간드와 반응시, 이러한 전자적 상태는, 이의 전자 특성을 기존 시스템의 전자 특성과 병합한 시스템에 새로운 요소를 첨가함으로 인해 변화할 것이다. 이어서, 이러한 상태 변화는 감지 회로의 변화에 의해 모니터링된다.
지금까지, 모든 실시예는 일정 수준의 습도하의 공기 중에서 또는 진공 하에 작동하는 시스템을 사용하여 기술되었다. 그러나, 감지기 회로가 액체 환경으로부터 보호되고 구분되는 한, 용액 속에서 유사한 반응을 수행할 수 있다. 원자 현미경은 탐침 본체를 절연재로 커버링하고 오직 말단 정점만을 외부 액체 환경에 노출시킴으로써 용액 속에서 작동 될 수 있다는 것이 널리 공지되어 있다. 이러한 유사한 기술을 사용하여 유사한 이점을 갖는 나노미터 크기 검측용 감지기 시스템을 형성할 수 있다. 예를 들면, 나노미터 크기 검측용 감지기는 감지 부분만을 제외한 시스템 전체에 걸쳐서 물질을 스퍼터링시키는 이온 빔에 의해 절연재로 피복될 수 있다. 이 경우, 당해 시스템을 용액 속에서 작동 가능하도록 하여, 액체 시스템 내의 생분자에서 발생하는 상황을 검측하도록 할 수 있다. 다음은 특히 유용한 실시예를 포함한다.
실시예 2: 효소 활성의 검측
제1 나노튜브가 상술한 바와 같이 형성되고 생분자에 연결된다. 제1 카본 나노튜브의 한쪽 말단을 산으로 처리하여 최종 말단에 매달린 -COOH 그룹을 형성시킨다. 이어서, 당해 -COOH 그룹을 축합 화학기술에 의해 효소에 커플링시킨다. 본 발명의 방법의 한 양태에서, 카보이미드 시약을 사용하여 유리 카복실 그룹을 효소상의 1급 아민과 축합시키는 반응을 촉매하고, 이로써 물 분자를 방출하여 효소와 나노튜브 사이의 공유 결합을 형성시킨다.
이어서, 기질과 임의의 필요 보조 인자를 첨가함으로써 효소를 활성화시킨다. 효소가 이의 촉매 작용을 수행함에 따라, 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브의 특성이 효소의 촉매 작용에 반응하여 변화한다.
한 양태에서, 분자 상호작용이 발생하는 동안 연결된 효소의 이동이 나노튜브에 의해 형성되는 회로의 저항을 변화시킨다. 한 양태에서, 분자 상호작용의 발생이 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브의 상대적 위치를 변화시키는 경우, 회로의 길이가 변화한다. 저항의 변화는, 제2 나노튜브가 미끄러지거나 이동하거나 어떠한 방식으로든 제1 나노튜브와 반응함에 따라 이를 통해 방출되는 전자로 인해 측정된다. 또 다른 양태에서, 2개의 나노튜브의 기타 물리적 특성 및 관계는 분자 상호작용이 발생하는 경우 검측될 수 있다.
또 다른 양태에서, 전자 게이트와 같은 구조는 교차된 나노튜브의 구조물에 혼입되어 트랜지스터 스위치를 형성할 수 있다.
당해 실시예에서, 유도되는 1차 정보는 효소가 활성이고 분자 상호작용이 발생하는지의 여부에 따른다. 이러한 정보는, 예를 들면, 효소가 특정 시약의 존재 또는 부재하에서만 활성인 경우 매우 유용할 수 있다. 예를 들면, 화학 반응을 촉매하는 금속 이온을 감지하는 것일 수 있다. 또 다른 예는, 특정 질환에 대해 진단 작용이 있는 특정 유형의 효소 기질의 존재 또는 부재를 감지하는 것일 수 있다. 본 발명은 이들 특성화 둘 다에 유용하다.
또 다른 양태에서, 효소가 DNA 폴리머라제인 경우, 특정 핵산의 존재는 분자 형태 또는 기타 특성의 변화에 의해 검측된다. 핵산은 보충 프리머 DNA 분자가 표적 DNA 분자에 결합하는 경우에만 활성을 갖게 됨으로써 폴리머라제 작용시 적합한 기질을 형성함으로 인해 검측된다.
본 발명의 양태의 실시예의 또 다른 양태에서, 단백질 하나가 다른 단백질에 결합하는 것이 검측된다. 항체가 나노튜브 감지기 중의 하나 위에 세워지는 경우, 항원에 대한 항체의 결합이 항체 구조를 변화시킬 수 있다. 이러한 구조 변화가 전술한 바와 동일한 방식으로 전자 신호로 변환된다.
본 발명의 본 양태의 한 가지 이점은, 나노튜브 감지기가 효소와 크기가 비슷할 수 있다는 점이다. 나노튜브와 효소의 크기가 비슷하다는 것은, 효소의 활성이 나노튜브 특성에 커다란 영향을 미침을 의미한다. 이는, 예를 들면, 최말단에 부착된 단일 효소 분자보다 수천배 큰 질량을 갖는 기존의 AFM 탐침과 대비된다. 크기가 차이나면 감도가 낮아진다.
실시예 3: DNA 서열의 검측
본 양태에서, DNA 폴리머라제 효소가 제2의 나노튜브의 한쪽 말단에 결합되는 곳에 나노튜브 접합부가 형성된다. 본 양태에서, DNA 기질 및 보충 프리머가 시스템에 첨가된다. 기질과 프리머가 함께 결합하고 결합된 DNA 폴리머라제에 결합하는 경우, 효소가 작용할 준비가 이루어진다. 적합한 완충제 및 촉매화제를 포함하는 뉴클레오티드 트리포스페이트 전구체가 첨가되어 효소 활성을 개시한다. 효소가 프리머 분자에 뉴클레오티드를 첨가함에 따라, 나노튜브 접합부에서의 제1 나노튜브와 제2 나노튜브 사이에 전기가 흐르게 함으로써 신호를 생성시키는데, 이는 효소에 의해 에너지가 소비됨에 따른 결과로서, 증폭 측정기에 의해 검측된다. 생성된 신호는 기계적, 열적 또는 기타 형태의 에너지일 수 있다. 본 양태에서, 이러한 신호는 프리머에 대한 뉴클레오티드의 첨가에 의해 합성되는 DNA 서열에 상응한다.
활성화될 폴리머라제의 경우, 표적 DNA 스트랜드와 프리머 스트랜드를 둘 다 함유하는 DNA 기질을 요구한다. 프리머 스트랜드는 3'-OH 그룹을 제공하며, 여기에 폴리머라제가 뉴클레오티드를 첨가하기 시작하여 표적 스트랜드를 복사할 수 있다. 보충 뉴클레오티드가 성장하는 DNA 스트랜드에 혼입되도록 DNA 폴리머라제가 작용하는 경우, 각각의 뉴클레오티드 형태에 대한 입체화학 및 에너지 요구량이 약간 상이하다. 이러한 차이는 뉴클레오티드, A, C, G 또는 T(RNA에서는 U)가 혼입되는 별개의 지시제를 구성한다. 이러한 정보는 본원에 기술된 나노미터 크기 검측용 감지기에 의해 변환되고, 나노미터 크기 검측용 감지기의 폴리머라제 성분에 의해 합성될 분자의 DNA 서열을 즉각적으로 알려 준다. 본 양태는 DNA 및 RNA 분자 둘 다에 적용될 수 있다. 따라서, 본 양태는 DNA 및 RNA 분자에 적용될 수 있다. 따라서, 본 양태는, 사용자가, DNA 또는 RNA 서열을 직접 유도하도록 발생하는 신호를 분석할 수 있게 한다. 이러한 발명의 유용성 및 이점은 명백하다.
또 다른 양태에서, 상기 방법은 동일한 표면 위에 탑재된 다수의 나노미터 크기의 감지기 세트로 수행될 수 있다. 각각의 생감지기는 약 2㎛ x 2㎛의 치수를 가지므로, 고체 상태의 기질 또는 1cm2칩 상에 수백만개가 존재할 수 있다. 이러한 방법 및 장치를 사용함으로써, DNA 파편의 서열을 동시에 측정할 수 있다. 또한, DNA 폴리머라제의 반응속도가 1초당 20 내지 40뉴클레오티드 이상인 정도로 빠르므로, 이는 극도로 신속하고 효율적인 서열화 속도로 전사된다.
본원에 기재된 정보 및 실시예는 예시용이며, 본 발명의 중심 개념 내에 속하는 임의의 변경 또는 변형 방법을 배제하지 않는다. 본 양태에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않으면서 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 고려해야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 전술한 양태에 의해서라기 보다는 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되어야 한다.
본 출원에서 인용된 모든 문헌은 전체적인 목적에 맞게 전체적으로 참조 인용되었다.

Claims (21)

  1. 표면 위에 탑재된 제1 나노미터 크기의 대상체,
    표면 위에 탑재된 제1 나노미터 크기의 대상체와 작동 가능한 관계에 있는 제2 나노미터 크기의 대상체,
    제1 나노미터 크기의 대상체와 제2 나노미터 크기의 대상체에 작동 가능하게 부착된 모니터링 장치 및
    제2 나노미터 크기의 대상체의 제1 말단에 결합된 하나 이상의 분자를 포함하며,
    결합된 분자가 관여하는 분자 상호작용의 발생시, 이러한 분자 상호작용의 발생이 모니터링 장치에 의해 검측됨을 특징으로 하는 감지기.
  2. 제1항에 있어서, 제1 나노미터 크기의 대상체의 제1 말단에 부착된 제1 전도성 패드 및 제2 나노미터 크기의 대상체의 제2 말단에 부착된 제2 전도성 패드를 추가로 포함하는 감지기.
  3. 제1항에 있어서, 제1 전도성 패드 및 제2 전도성 패드에 작동 가능하게 부착된 전력 공급원을 추가로 포함하며, 당해 전력 공급원이 제1 나노미터 크기의 대상체 및 제2 나노미터 크기의 대상체를 통해 전류를 통과시키고, 전류가 모니터링 장치에 의해 검측됨을 특징으로 하는 감지기.
  4. 제1항에 있어서, 모니터링 장치가 증폭 측정기이고, 당해 증폭 측정기가 제1 나노미터 크기의 대상체 및 제2 나노미터 크기의 대상체를 통과하는 전류의 저항을 측정하고 이의 변화를 검측함을 특징으로 하는 감지기.
  5. 제1항에 있어서, 표면이 규소인 감지기.
  6. 제5항에 있어서, 표면이 이산화규소층을 추가로 포함하는 감지기.
  7. 제1항에 있어서, 제2 나노미터 크기의 대상체의 말단에 결합된 분자가 생분자인 감지기.
  8. 제7항에 있어서, 생물학적 분자가 효소인 감지기.
  9. 제8항에 있어서, 효소가 DNA 폴리머라제인 감지기.
  10. 제1항에 있어서, 제2 나노미터 크기의 대상체의 말단에 결합된 분자가 무기 분자인 감지기.
  11. 제1 나노튜브가 제1 말단에서 제1 전도성 패드에 작동 가능하게 커플링되어있고 제2 말단에서 제2 전도성 패드에 작동 가능하게 접속되어 제2 나노튜브가 제1 말단에서 작동 가능하게 커플링되도록, 제1 나노튜브를 제2 나노튜브와 작동 가능하게 커플링시키는 단계,
    제1 나노튜브를 통해 흐르는 전류를 인가하는 단계 및
    생분자에서 분자 상호작용의 발생시, 이러한 분자 상호작용의 발생이 제1 나노튜브의 전도성에 영향을 미치며, 이로 인한 전도성 변화가 증폭 측정기에 의해 검측되는 방식으로, 제1 나노튜브를 통한 전류의 흐름을 증폭 측정기를 사용하여 모니터링하는 단계를 포함하는, 분자 상호작용의 발생을 검측하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 분자가 생분자인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 생분자가 제2 나노튜브에 작동 가능하게 커플링시키는 단계가, 카복실 그룹과 1급 아민 사이의 축합반응을 수행하는 공정을 추가로 포함하는 방법.
  14. 나노미터 크기의 대상체의 제1 말단에 분자를 결합시키는 단계,
    나노미터 크기의 대상체를 원자 현미경(scanning tunneling microscope)으로 스캐닝하는 단계 및
    분자에서 분자 상호작용의 발생시, 나노미터 크기의 대상체의 이동을 검측하는 단계를 포함하는, 분자 상호작용의 발생을 검측하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 나노미터 크기의 대상체의 이동이, 원자 현미경의 탐침에 대한 나노미터 크기의 대상체의 위치 변화를 통해 검측되는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 분자가 생분자인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 분자가 효소인 방법.
  18. 표면에 작동 가능하게 부착된 제1 나노튜브,
    표면 위에 작동 가능하게 부착되고 제1 나노튜브와 작동 가능하게 접속된 제2 나노튜브 및
    제2 나노튜브의 제1 말단에 결합된 한 분자를 포함하며,
    분자가 분자 상호작용의 발생에 참여하는 경우, 이로 인해 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브의 물리적 특성이 측정 가능한 정도로 변화됨을 특징으로 하는, 분자 상호작용의 발생을 검측하기 위한 장치.
  19. 제18항에 있어서, 제1 나노튜브 및 제2 나노튜브에 대해 작동 가능하게 배치된 모니터링 장치를 추가로 포함하며, 분자 상호작용의 발생시, 제1 나노튜브와 제2 나노튜브의 물리적 특성 변화가 모니터링 장치에 의해 검측됨을 특징으로 하는 장치.
  20. 제18항에 있어서, 모니터링 장치가 증폭 측정기인 장치.
  21. 제19항에 있어서, 모니터링 장치가 원자 현미경 탐침인 장치.
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