JP3951141B2

JP3951141B2 - 有機超分子の自己集合及び金属化合物のステイニングを用いたカーボンナノチューブアレイ及びバイオチップの製作方法

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Publication number: JP3951141B2
Application number: JP2004165293A
Authority: JP
Inventors: 鄭喜台; 鄭大煥; 權起暎; 李修林; 崔度桓
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP2005049334A; US20040245209A1; KR100549103B1; CN1601383A; KR20040105319A; CN1332270C

Description

本発明は、基質上に有機超分子薄膜を形成した後、アニーリングによって有機超分子の自己集合を誘導し、これにより形成された一定のパターンに選択的に金属化合物をステイニングさせた後、エッチングしてナノメートル又はその以下のサイズのパターンを形成し、ここにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を垂直方向に成長させることを特徴とするＣＮＴアレイの製作方法及び前記製作されたＣＮＴアレイにバイオレセプターを結合させることを特徴とするバイオチップの製作方法に関する。

従来、表面のパターン形成は、主に高分子薄膜をフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーによって成されてきているが、かかる方法によってナノメートルサイズの高精密パターンを具現するためには、使用可能な光の波長とそれに応じた装置及び技術の確保、高分子そのものの解像度の限界などが問題となって、多くの困難を抱いていた。

１９９０年以降は、既存の光転写法から、新たな感光抵抗剤を利用しようとする試みに伴って、より短波長の光を用いてパターンの解像度を増加させようとする試みがあった。また全く新しい概念のパターニング技術、つまりソフトリソグラフィーを用いた表面のナノパターニング技術などが登場し始めた。この方法は迅速で且つ安価にパターンを形成することができ、連続作業が可能であるという長所を有しているが、事実上解像度限界は１００ｎｍレベルであって、更なる高集積のための解像度の増加は期待しかねないのが実情である。

一方、パターンを形成するための物質として有機超分子を用いた半導体装置のナノ級微細パターン形成方法（ＫＲ１０−０２６３６７１Ｂ１）は、過度なエッチングの許容マージンを確保するためにバッファー層を更に用いて溝内に残留する微細パターンの厚さを確保し、溝を大きさを減らすためにバッファー層にもスペーサを採用する技術であるが、作業工数が多くパターンの大きさが数十ナノメートル水準である。

最近公開された自己集合構造体（ＫＲ２００２−００８９５２８Ａ）は、マイクロ電子産業で広く用いられる素子を形成する小さな大きさの構造体に関するものであって、この発明に開示されている自己集合方法は表面と共同に配列を形成する能力を提供するが、自己集合そのものは表面に沿う境界内で素子形成物の位置を決定することはできない。従って、表面に沿う境界内で素子を形成するには個別的な位置決定技法が必要となるが、適宜な位置決定技法が自己集合方法と共に使用されて、一般的に集積電子回路内で個別部品として働くことができる構造体を形成する。位置決定方法はリソグラフィー、直接形成方法またはその他位置決定技法を用いて構造体の境界を定めることができるため、パターンのある基材が形成され、該基材上に自己集合によって素子が組み立てられる。

自己集合構造体は通常の化学蒸着及び物理蒸着技術によって形成された構造体と一緒に合体でき、集積電子回路は集積光学部品を含めることができる。前記の自己集合構造体は物質表面の状態、条件と温度及び濃度条件によって所望の構造体形成物を得るように調節することでナノ粒子の分散液を用いて形成することができる。一端が基材の表面に、他端がナノ粒子に化学的に結合されるリンカーが使用され、自己集合工程に進むためにリンカーを用いた選択的な結合が使用されることができる。

他の選択的な方法は、自己集合工程を進むために静電及び化学相互反応のような自然的な相互反応を利用するものであるが、ここでナノ粒子は多孔質領域によって定められる境界内でナノ粒子の位置を決定するように小孔内に積層されている。小孔は無機酸化物又は２次元の有機質結晶のような特定の物質内で発見されることもあり、適切な穴が、例えばイオンミリング又は化学エッチングによって形成されることもできる。しかし、工程が複雑で、且つパターンの間隔が数十乃至数百ナノメートル級の水準にとどまっている実情である。

また、自己集合した単分子層を用いたナノメートル水準の高精密パターン形成方法（ＫＲ２００３−００２３１９１Ａ）が知られており、前記発明は置き換えられた末端環を有する芳香族イミン分子層を基質上に形成し、前記芳香族イミン分子層の置換基を選択的に結合切断させ、置換基が選択的に結合切断された前記芳香族イミン分子層を加水分解する段階を含むため、短時間内にパターンを形成する方法を提供するが、これもやはり数十ナノメートル級の水準にとどまっている。

一方、原子間力顕微鏡のチップ先端に固体基質と化学的親和性のある界面活性分子を付けて、まるで紙にインキで字を書くようにチップ先端をもって基質にナノ水準の図案を形成するディップペンナノリソグラフィー法（Ｐｉｎｅｒ、Ｒ．Ｄ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２８３：６６１、１９９９）は非常に精巧に作られたチップを用いることにより、５ｎｍ水準に至る高分解能のナノパターンが得られるという長所を有しているが、パターンを連続的に一つずつ描かなければならないので、所望する図案を得るためには長時間がかかるという問題点があって、大量生産を通じて直接実用化するには限界がある。

前記のようにフォトリソグラフィー、紫外線及びＸ−ｒａｙによるエッチング法など種々の方法が導入されているが、１００ｎｍ以下のパターン形成は限界に至ることになり、これを解決するための方法として既存のトップダウン法に代えてボトムアップ法に関する研究が広く成されている。

ボトムアップ法は、分子が自己集合によって微細構造を形成することを基本とするが、かかる基礎技術で有機超分子の微細構造を走査電子顕微鏡により分析する方法（Ｈｕｄｓｏｎ、Ｓ．Ｄ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７８：４４９、１９９７）及び基質表面の性質によって有機超分子の配向が異なることを確認した論文（Ｊｕｎｇ、Ｈ．Ｔ．ｅｔａｌ．、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ、３５：３７１７、２００２）が知られているが、これらはそれぞれ有機超分子の微細構造分析及び有機超分子の配向に関してのみ開示してある。

更に、ブロック共重合体を用いて規則的なパターンを形成する方法及び金属化合物のステイニングによる点形態のパターン形成方法（Ｐａｒｋ、Ｍ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７６：１４０１、１９９７）のような、ブロック共重合体を用いて１００ｎｍ以下のパターンを作る研究が進行されているが、高分子の分子鎖に起因するため、数十ナノメートル以上水準のパターン形成にとどまっている実情である。またブロック共重合体を用いる場合は、形成されるパターンの縦横比が大きくなく、薄膜の構造が複雑で、薄膜の構造の方向性を付与し難いという問題点がある。

他方、マイクロアレイのタンパク質チップは現在、診断用プロテオミクスに関する研究のうち多くの比重を占めている。基質の表面にポリペプチドをアレイするとき、フォトリソグラフィー技術を用いていた初期のアレイ技術（ＵＳ５、１４３、８５４）は最近多様な方法で試みられている。特に、一対の抗原・抗体、酵素結合免疫反応吸着測定法などをはじめとした多様な免疫測定法においてマイクロアレイ型フォーマットの開発の重要性が次第に増加しつつある。

しかし、タンパク質アレイはＤＮＡアレイより小型化したり、より感度を良くする実質的なフォーマットで集積化したりアレイしたりするのは難しい。即ち、ＤＮＡオリゴヌクレオチドの格子パターンはフォトリソグラフィー技術により基質の表面に生成することができるが、数百個のアミノ酸から構成されたタンパク質の場合は、抗体が一般的に約１４００個のアミノ酸を有していなければならないなど、表面上に病気の正確な診断のために更なる高集積化した高密度の格子パターンが求められるが、これを成功させるのは容易でない。

もう一つの問題点は、タンパク質が変性状態のもとに取り扱われるとき、タンパク質の３次構造を容易に失うことがあり得るので（Ｂｅｒｎａｒｄ、Ａ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、７３：８、２００１）、タンパク質の操作時に多くの制限をもっている。

このような諸問題に対する解決策はタンパク質の３次構造を失うことなくどのくらい高解像度でタンパク質を配列するかによるが、これまではインクジェットプリンティング、ドロップ・オン・デマンドの技術、マイクロコンタクトプリンティング、及びＩＢＭ社で選択したソフトリソグラフィーなど多様な接近方法が試みられている。しかし、これらの方法も同様に、数十μｍ〜数ｍｍのスペーシングサイズを有しており、未だタンパク質の３次構造を失うことなく実試料を高密度で有する高集積化された診断用タンパク質ナノアレイの開発は試みられていない。

ＣＮＴは、力学的強固性と化学的安全性に優れ、半導体及び導体の性質が持ちいられ、直径が短く、長さが相対的に非常に長い特性を持ち、平板表示素子、トランジスター、エネルギー貯蔵体などの素材とナノサイズの各種センサーへの応用性が非常に高い。

広く知られているＣＶＤ合成法を用いたＣＮＴの合成法としては基板上に先ず金属触媒としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又は前記金属触媒の合金を蒸着した後、この金属触媒を蒸着された基板を水で希釈させたＨＦでエッチングさせた後、この試料を石英ボートにつけ、この石英ボートをＣＶＤ装置の反応炉にいれ、７５０〜１０５０℃の温度でＮＨ_３ガスを用いてこの金属触媒膜を追加エッチングしてナノサイズの微細な金属触媒の粒子を形成させる。ＣＶＤ合成法でＣＮＴはこの微細な金属触媒粒子上で合成されるため、この微細な金属触媒粒子を形成することは何よりも重要な工程である。しかし、このような工程では金属触媒を一定な間隔にパターン化した形態で配列することは不可能である。ＣＮＴを一定な間隔に垂直配列するためには金属触媒をアレイすることが非常に重要である。

前記のような問題点を解決するため、電子ビームリソグラフィーを用いてニッケル触媒アレイを作ってＣＮＴを成長させた報告（Ｌｉ、Ｊ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、３：５９７、２００３）がある。しかし、このような方法は広い面積を持つ基板に適用するには多くの制約を持っていて大量生産にも多数問題点がある。

最近、ＣＮＴにバイオ物質を固定した上で、ＣＮＴの電気化学的な変化を利用して蛋白質−蛋白質及び蛋白質−リガンドの間の反応を検出する研究が進められている（Ｄａｉ、Ｈ．ｅｔａｌ．、ＡＣＣ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．、３５：１０３５−４４、２００２；Ｓｏｔｉｒｏｐｏｕｌｏｕ、Ｓ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、３７５：１０３−５、２００３；Ｅｒｌａｎｇｅｒ、Ｂ．Ｆ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、１：４６５−７、２００１；Ａｚａｍｉａｎ、Ｂ．Ｒ．ｅｔａｌ．、ＪＡＣＳ、１２４：１２６６４−５、２００２）。

バイオチップとしてＣＮＴが注目される理由は、第一に、ラベリングが不要であり、第二に、電気的又は電気化学的な信号の変化に非常に敏感であり、第三に、化学的な作用基を持っていて、蛋白質の変形なしに水溶液上で反応を行うことができるからである。よく配列された新しいナノ材料であるＣＮＴに生物学的システムの適用は疾病診断（遺伝病）、プロテオミクス、ナノバイオ技術分野で重要な応用技術を創出するであろう。

一方、ＣＮＴを生命工学分野で応用する事例が最近多く登場している。グルコースセンサー、蛋白質の検出、特定ＤＮＡ配列の検出（Ｓｏｔｉｒｏｐｏｕｌｏｕ、Ｓ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、３７５：１０３−５、２００３；Ｃｈｅｎ、Ｒ．Ｊ．ｅｔａｌ．、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ、１００：４９８４−９、２００３；Ｃａｉ、Ｈ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、３７５：２８７−９３、２００３）などのバイオチップに対するＣＮＴの応用可能性が提示されている。ＣＮＴを基盤としたマルチレイヤからの生物分子検出は、表面積が広くて電気伝導度に優れていて、ＤＮＡのような生物分子が固定される量が増え、生物分子に対する検出敏感度が増大できる。

現在、バイオチップから反応結果を検出する最も普遍的な方法としては、既存の蛍光物質と同位元素を利用する方法であるが（Ｔｏｒｉｂａ、Ａ．ｅｔａｌ．、Ｂｉｏｍｅｄ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．、１７：１２６−３２、２００３；Ｓｙｒｚｙｃｋａ、Ｍ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ、４８４：１−１４、２００３；Ｒｏｕｓｅ、Ｊ．Ｈ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、３：５９、２００３）、より容易で正確に電気的または電気化学的信号を測定し得る新しい方法が試され、これによりＣＮＴという新素材の必要性がさらに高まっている。

高密度のＣＮＴマルチレイヤを作ってその上にＤＮＡを固定した後、相補的に結合するＤＮＡを検出する方法は、ゲノム分析、突然変異検出、病原体同定などに有用である。ＰＮＡ（ペプチド核酸：ＤＮＡ類似体）を単一壁ＣＮＴに位置特異的に固定し、プローブＤＮＡと相補的に結合することを検出した報告がある（Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｋ．Ａ．ｅｔａｌ．、Ｎａｔｕｒｅ、４２０：７６１、２００１）。また、化学的な方法を用いてオリゴヌクレオチドをＣＮＴアレーに固定し、グアニン酸化方法を用いてＤＮＡを検出した例もある（Ｌｉ、Ｊ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、３：５９７−６０２、２００３）。しかし、これらはＣＮＴをバイオチップの作製及び開発に適用したのではない。

最近、ＣＮＴを用いた高用量のバイオ分子検出センサー（ＷＯ０３／０１６９０１Ａ１）が知られている。気質上に化学的連結体を使用して複数のＣＮＴを配列し、様々な種類のリセプターを結合させて得られるマルチチャンネル型バイオチップに関するものであるが、比較的周辺環境の変化に弱いという欠点がある。

よって、本発明者らは工程がより簡単で、且つパターンのサイズが数ナノメートル水準である超高密度のパターン形成方法を開発しようと鋭意努力した結果、有機超分子の自己集合及び金属化合物の選択的ステイニングを用いてサイズが数ナノメートル以下である金属触媒パターンを形成し、ここにＣＮＴを垂直方向に成長させＣＮＴアレイを製作し、本発明を完成することに至った。
ＫＲ１０−０２６３６７１Ｂ１ＫＲ１０−２００２−００８９５２８ＡＫＲ１０−２００３−００２３１９１ＡＵＳ５、１４３、８５４Ａ１ＷＯ０３／０１６９０１Ａ１ＫＲ２００２−０００１２６０ＡＫＲ２００３−００１４９９７ＡＰｉｎｅｒ、Ｒ．Ｄ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２８３：６６１、１９９９Ｈｕｄｓｏｎ、Ｓ．Ｄ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７８：４４９、１９９７Ｊｕｎｇ、Ｈ．Ｔ．ｅｔａｌ．、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ、３５：３７１７、２００２Ｐａｒｋ、Ｍ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７６：１４０１、１９９７Ｂｅｒｎａｒｄ、Ａ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、７３：８、２００１Ｈｕａｎｇ、S．ｅｔａｌ．、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、１０６：３５４３、２００２Ｄａｉ、Ｈ．ｅｔａｌ．、ＡＣＣ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．、３５：１０３５、２００２Ｓｏｔｉｒｏｐｏｕｌｏｕ、Ｓ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、３７５：１０３、２００３Ｅｒｌａｎｇｅｒ、Ｂ．Ｆ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、１：４６５、２００１Ａｚａｍｉａｎ、Ｂ．Ｒ．ｅｔａｌ．、ＪＡＣＳ、１２４：１２６６４、２００２Ｔａｔｏｎ、Ｔ．Ａ．ｅｔａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２８９：１７５７、２０００Ｃａｉ、Ｈ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、３７５：２８７、２００３Ｃｈｅｎ、Ｒ．Ｊ．ｅｔａｌ．、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ、１００：４９８４、２００３Ｔｏｒｉｂａ、Ａ．ｅｔａｌ．、Ｂｉｏｍｅｄ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．、１７：１２６、２００３Ｓｙｒｚｙｃｋａ、Ｍ．ｅｔａｌ．、Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ、４８４：１、２００３Ｒｏｕｓｅ、Ｊ．Ｈ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、３：５９、２００３Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｋ．Ａ．ｅｔａｌ．、Ｎａｔｕｒｅ、４２０：７６１、２００１Ｌｉ、Ｊ．ｅｔａｌ．、ＮａｎｏＬｅｔｔ．、３：５９７、２００３

本発明の目的は、有機超分子の自己集合及び金属化合物の選択的ステイニングを用いて形成された金属触媒ナノパターンにＣＮＴを固定するＣＮＴアレイの製作方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、前記製作されたＣＮＴアレイにバイオ物質と結合するバイオレセプタを取り付けることを特徴とするバイオチップの製作方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は（ａ）基質上にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び前記金属の合金で構成された群から選ばれた金属触媒薄膜を形成する段階；（ｂ）上記金属触媒薄膜上に自己集合を誘発する有機超分子薄膜を形成する段階；（ｃ）アニーリングによって前記有機超分子を自己集合させて規則的な構造を形成する段階；（ｄ）前記有機超分子の自己集合によって形成された規則的な構造に選択的に金属化合物をステイニングさせる段階；（ｅ）前記選択的に金属化合物がステイニングされた薄膜をマスクとしたエッチングを通じて金属化合物がステイニングされていない部分を取り除き、金属化合物がステイニングされた有機超分子のナノパターンを形成する段階；（ｆ）前記金属化合物のステイニングされた有機超分子のナノパターンをマスクとしたイオンミリングを通じて金属触媒のナノパターンを形成する段階；及び（ｇ）前記金属触媒のナノパターンにＣＮＴを垂直方向に配列する段階を含むＣＮＴナノアレイの製作方法を提供する。

本発明の一実施例によれば、有機超分子は下記の化学式１の化合物を使用したが、自己集合する有機超分子であれば制限無く利用可能である。

自己集合する有機超分子としては、円板型又はディスク型デンドリマー１、扇形の有機超分子２、棒状鎖型又は円錐型の分子５などがある。扇形の有機超分子の一例としては下記の化学式２の化合物を、円板型有機超分子の一例としては、下記の化学式３の化合物を、また円錐型有機超分子の一例としては下記の化学式４の化合物がそれぞれ挙げられる。

このような有機超分子は単量体が共有結合で連結された高分子とは異なり、ファンデルワールス力のような物理的な２次結合によって一定の構造を形成する。かかる有機超分子は適正な温度や濃度、外部磁場、電場などによって自己集合を行って特定の微細構造を形成する。本発明に用いられた化学式１の有機超分子は扇形のデンドリマーに該当する場合である。扇形の分子が自己集合によって板状構造１を形成し、この板状構造が集まって円柱形態３を作り、更に円柱が六角形に配列された３次元構造４を形成する（図１ａ）。そのほかに円錐型の有機超分子５の場合は、円錐型が自己集合して球型６をなし、球が集まって３次元の空間上に一定の構造７で配列される（図１ｂ）。

本発明において、前記（ｂ）段階の薄膜はスピンコート法、ラビング処理、又は水面に薄膜を形成してすくう水面展開法を用いて形成することが望ましく、前記（ｃ）段階は温度を、使用した有機超分子の液晶の相変態温度以上に昇温した後、徐冷させることが望ましい。また、前記（ｄ）段階のステイニングは中心部分をＲｕＯ_４（四酸化ルテニウム）化合物を用いて選択的にステイニングさせることが望ましく、前記（ｅ）段階は反応性イオンエッチング法を用いることが望ましい。

本発明において、前記基質のナノパターンにＣＮＴを合成する方法は従来当業界で広く知られいるＣＮＴの製造方法を使用して製作することができるが、望ましくは基質上にＣＮＴをプラズマ化学気相法、熱化学気相法、電気泳動法又は機械的方法により垂直に成長させることができる（ＫＲ２００２−０００１２６０Ａ）。

本発明はまた、垂直方法に配列されたＣＮＴアレイの末端にプラズマを処理してカルボキシル基を露出させる段階を更に含むことを特徴とすることができる。このようにプラズマ処理により末端部分にカルボキシル基を露出させた後、多様なバイオレセプターを化学的に固定することができる。

本発明はまた、上記方法によって製作されたＣＮＴアレイにタンパク質、ペプチド、アミノ酸、ＤＮＡ、ＰＮＡ、酵素基質、リガンド、コファクター、炭水化物、脂質、オリゴヌクレオチド及びＲＮＡで構成された群から選択されたバイオ物質又はバイオレセプターを取り付けることを特徴とするバイオチップの製作方法を提供する。

ＣＮＴにバイオレセプターを取り付けることは、ＣＮＴにバイオ物質やバイオレセプターの正味荷電と逆となる極性の電荷を印加して結合させることができ（ＫＲ２００３−００１４９９７Ａ）、又は結合補助剤を用いて取り付けることができる。望ましい結合助剤としては、カーボン基の末端にアルデヒド、アミン、或いはイミン基が付いている化学物質であることを特徴とすることができる。

本発明はまた、前記末端にカルボキシル基が露出されたＣＮＴアレイに、アミン基（ＮＨ_２）を持つバイオリセプターをアミド結合で固定することを特徴とするバイオチップの製造方法を提供する。本発明において、アミド結合を誘導するため、カップリング剤とカップリング補助剤を使用することが望ましい。

タンパク質、ペプチド、アミノ酸などのようなバイオレセプターはそれぞれ固有の等電点を有し、溶液状態のイオンの強さやｐＨ条件などによって中性、陽イオン、陰イオンなどに荷電された正味荷電を有する。また、溶液の状態を調節することにより、任意的にこれらのバイオレセプターと一定した電荷を有するＣＮＴの静電相互作用と疎水性相互作用などを調節することで所望するチップの位置に同じ種類或いは各々異なる種類のバイオレセプターを移動させるか、アレイさせることができる。

本発明はまた、上記ＣＮＴアレイにタンパク質、ペプチド、アミノ酸、ＤＮＡ、ＰＮＡ、酵素基質、リガンド、コファクター、炭水化物、脂質、オリゴヌクレオチド及びＲＮＡで構成された群から選択されたバイオ物質又はバイオレセプターが結合されていることを特徴とするバイオチップを提供する。

本発明によれば、病気に関与する標的タンパク質と選択的に結合するタンパク質−受容体を一つのチップ上にナノアレイされたＣＮＴに電場を加えて選択的に取り付けることができる。また、各ＣＮＴにそれぞれ異なる極性の電場を加えて様々な病気に関与する多様な種類の標的タンパク質と相互作用できるバイオ物質やバイオレセプターを選択的に取り付けることができる。従って、一つのチップの上で多様な種類の病気を一度に大量に迅速な時間内で正確に診断することが可能である。

本発明で使用される‘バイオチップ’という用語は、ナノパターンにバイオ物質又はバイオ物質と結合するか反応するレセプターが取り付けられていることを包括する概念であって、バイオアレイ及びバイオセンサーを含むものと定義される。

本発明は有機超分子の自己集合及び金属化合物の選択的ステイニングを用いて形成された柱状のナノパターンをマスクとして利用し、ＣＮＴ合成のための触媒パターンを形成し、ここにＣＮＴを配列することを特徴とするＣＮＴアレイの製作方法を提供する効果を有する。更に本発明は、前記ＣＮＴアレイにバイオ物質またはバイオ物質と結合するバイオレセプターを取り付けてバイオチップを製作する方法を提供する効果を有する。

以下、本発明をより具体的に説明する。

本発明で基質上にＣＮＴを垂直に成長させるための金属触媒としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたは前記三つの金属触媒合金を熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタなどを用いて基質上に薄膜層を形成する。形成された金属薄膜は下記書術された有機超分子ナノパターンを利用して金属触媒アレイで形成される（図２）。

本発明の好適な実施の形態によって、まず、前記の化学式１の有機超分子をテトラハイドロフラン（ＴＨＦ）を溶媒として１重量％の溶液を作って基質上に薄膜を形成させる。薄膜形成時、スピンコート法、ラビング処理、又は水面に薄膜を形成してすくう水面展開法を主に使用する。前記実施の形態では基質として金属触媒として使用されるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又は前記三つの金属触媒合金が蒸着されたシリコンウェハーを使用しており、表面の改質は行わなかった（図２ａ）。

次いで、有機超分子が自己集合されるように液晶の相変態温度以上に昇温させる。本発明で使用した有機超分子の場合、液晶の相変態温度が２３０℃程度であるため、２４０℃まで温度を上げた後徐冷させ、前記有機超分子は円柱型の配列を有する微細構造が形成される（図２ｂ）。

本発明の好適な実施の形態によって有機超分子がアニーリングによって自己集合される過程は次のようである。

有機超分子の性質はアニーリングによって改質できるが、アニーリングのための適切な出発物質は、レーザー熱分解により生成された有機超分子を含む。また、出発物質として使用された有機超分子は相異なる条件のもとに一つ以上の前加熱段階を経ることがあるが、レーザー熱分解により形成された有機超分子のアニーリングにおいて、追加の処理は結晶性を向上させ、元素状炭素のような汚染物を除去し、できれば例えば追加の酸素その他気相又は非気相の化合物からの元素を合体することにより、化学量論を変更させることができる。有機超分子は一般的に均一な加熱を供するようにオーブンなどで加熱されることが望ましい。処理条件は一般に温和であり、相当な量の粒子焼結は発生しない。したがって、加熱温度は出発物質と生成物質の両者ともの融点に比べて低いことが望ましい。アニーリングが組成変更を含む場合、分子の大きさ及び形態が温和な加熱温度でも変更できる。

自己集合構造体は物質／基材の表面上及び／又はその表面内に発生される。自己集合構造体は境界内に位置決めされ、構造体が位置が決められた島を形成する方式で、それぞれの構造体は複数要素の回路又は機構の部品として要素を形成することができる。特に、夫々の構造体は集積電子回路の部品であることがあり、この構成要素は例えば、電気部品、光学素子及び光子結晶を含むことができる。

予め定めた境界内に構造体を形成するために、関心の対象となる自己集合構造体の形成には一般に構造体の限度を決める工程と別途の自己集合工程とが必要となる。境界を決める工程は通常構造体の限度を決めるのに外力を活用する。自己集合工程そのものは、一般に、構造体の境界を決めることができない。自己集合は、組成物／物質が結合される場合に結果的に構造体内に自然順序を引き起こす組成物／物質の自然感知機能に基づく。一般に、位置決定段階は自己集合工程の前後に行われるごとができるが、処理段階の性質は特定の順序を指示しても良い。ネット効果は、境界内ではナノ粒子が相応するように覆う範囲及び、かかる覆う範囲のない境界外側の区域を有する自己集合構造体を引き起こす。また、別途の境界を定める工程は、境界内で自己集合工程を活性化したり、境界外側の領域を非活性化することで、自己集合工程につながる。一般に、活性化工程或いは非活性化工程を行うためには外力が加えなければならない。

有機超分子がバルク上で一定の構造を形成することは透過電子顕微鏡を介して確認できる。本発明で利用したものと同じ条件の工程によって試料を製作した結果、図３のような結果を得ることができ、これによって本有機超分子が六角柱形態の規則的な構造を形成することがわかる。

本発明の好適な実施の形態により前記有機超分子の自己集合によって形成された一定の構造に選択的に金属化合物をステイニングさせる過程は次のようである。

まず、ガラス容器の中にＲｕＯ_４溶液と、有機超分子薄膜が塗布された基質を該溶液と直接に接触しないようにして一緒に仕込んでおく。この過程でＲｕＯ_４溶液中のＲｕＯ_４蒸気が気相に拡散されながら、基質上の有機超分子薄膜にステイニングされる。ステイニングされたＲｕＯ_４蒸気は構造の特定の部分に選択的に化学反応を起こすことになる。

本発明ではＲｕＯ_４を使用したが、ＯｓＯ_４（四酸化オスシウム）その他有機超分子によって形成された構造に選択的にステイニングができる金属化合物はいずれも利用可能である。

本発明の好適な実施の形態によって前記ステイニング過程を経た後、エッチング工程を経ると、表面上の有機超分子層が一部分が取り除かれて、最終的にナノパターンの形成された素子が得られ、このようなエッチング工程は半導体素子工程時、通常使用される方法であれば制限無く使用可能である。例えば、ＫＣＮ−ＫＯＨ混合溶液又はＨＦ水溶液などのエッチング溶液を使用するか、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又はイオンミリングによって行うことができる。

本発明の好適な実施の形態に基質上にＣＮＴの合成のため触媒として用いられる鉄、コバルト、ニッケルまたは前記三つの金属触媒の合金アレイを形成するため、前記製作された金属化合物がステイニングされたナノパターンをマスクとしてイオンミリングをするようになる場合、最終的に基質上に金属触媒のナノパターンが形成される。

ＣＮＴを合成する方法は従来当業界で広く知られているＣＮＴの製造方法を使用して製作することができるし、反応気体としてＣ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、ＣＯガスを使用するし、合成方法はプラズマ化学気相法、熱化学気相法、電気泳動法などにより垂直に成長させられる。この金属触媒ナノパターンを利用してＣＮＴを製造する場合、パターン一つの直径が１０ｎｍ以下だから直径が非常に小さいＣＮＴの製造が可能である。

本発明はまた、バイオ物質を固定させるため垂直に成長されたＣＮＴの末端をプラズマで処理して末端キャップを開いてカルボキシル基を導入する工程を含む（図３）。

本発明の好適な実施の形態によって上記のように形成されたＣＮＴナノアレイは多様な種類の生体物質を反応させて所望する形態の配列を形成するに当たって、重要な表面基質として使用可能であり、これは高集積化及び小型化したバイオチップを生産することに極めて重要な機能を遂行することになる。

一般に、バイオチップは基質に直接生分子を連結させるか、若しくはリンカー分子を媒介として生分子を連結させる方法により製作される。例えば、ＤＮＡチップ、タンパク質チップ、又はタンパク質センサの場合、ＤＮＡ、抗体又は酵素のようなバイオ物質をＣＮＴ末端に固定させようとする場合、ＣＮＴ末端に導入されたカルボキシル基と前記バイオ物質のアミン基を反応させ、アミド結合によって固定させて目的とするバイオチップを製作することができる。

本発明に係るバイオチップのうちＤＮＡチップの製作方法は、予め製造された探針をスポッティング法で固体表面に固定してＤＮＡチップを製作する工程を含む。アミン基が結合された探針を１Ｘ乃至７Ｘ、好ましくは２Ｘ乃至５Ｘ、最も好ましくは３ＸＳＳＣ（０．４５ＭＮａＣｌ、１５ｍＭＣ_６Ｈ_５Ｎａ_３Ｏ_７、ｐＨ７．０）緩衝溶液に溶解させ、マイクロアレイヤーを用いてカルボキシル基が露出されたＣＮＴ末端にスポッティングした後、反応させて探針をＣＮＴ末端に固定させる。この際、探針の濃度は１０ｐｍｏｌ／μｌ以上、望ましくは５０ｐｍｏｌ／μｌ以上、最も望ましくは１００ｐｍｏｌ／μｌ以上であり、探針に結合されたアミン基とＣＮＴ末端に導入されたカルボキシル基及びアミン基を７０〜９０％、好ましくは８０％の湿度条件のもとに、４〜８時間、望ましくは５〜７時間、最も望ましくは６時間にわたって反応させて結合させる。このときアミドアップリング剤としてＥＤＣ／ＮＨＳを使用した。

以下、本発明をより具体的に説明するために、実施例を用いて説明する。しかし、本発明に係る実施例はいろんな他の形態で変形でき、本発明の範囲は下記のような実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は当業者にとって本発明をより安全に説明するために供されるものである。

有機超分子の合成
本発明で使用した化学式１の有機超分子は、下記の反応式１のような過程によって合成した。走査電子顕微鏡で確認したところ、この有機超分子はナノメートル以下水準の規則的な円柱状の構造をなすことを確認した（図４）。

（反応式１）

カーボンナノチューブを合成するための金属触媒の蒸着
本発明ではＣＮＴ合成のため金属触媒Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又は前記三つの金属触媒合金の薄膜を形成するため、熱蒸着、電子ビーム、スパッタなどを利用して前記金属触媒をシリコンウェハーの上に蒸着した（図２ａ）。

有機超分子薄膜の形成
本有機超分子試料をテトラハイドロフラン（ＴＨＦ）溶媒に溶かしてシリコンウェハー上にスピンコートして薄膜を形成させた（図２ａ）。本発明では２０００〜３０００ｒｐｍの速度で１０〜３０秒間スピンコートしており、この過程で薄膜の厚さを適切に変化させることができる。

アニーリング
２４０℃まで温度を上げた後に徐冷して規則的な微細構造を形成させた（図３ｂ）。本発明で使用した有機超分子の場合、２４０℃で自己集合が起こり、これは使用する有機超分子によって異なる。この温度において有機超分子が自己集合のための十分な移動性を有することになり、最も安定した構造で自己集合を行うようになる。本発明で使用した有機超分子の場合は、円柱が六角形状に配列されている３次元構造が最も安定した構造となる。図４は有機超分子が六角柱形態の規則的な構造を形成することを示す透過電子顕微鏡の写真である。

ＲｕＯ_４（四酸化ルテニウム）を用いたステイニング
本有機超分子の場合、中心部分をＲｕＯ_４化合物を用いて選択的にステイニングさせることができるので、数分間試料をＲｕＯ_４に蒸気に露出させて中心部分にＲｕＯ_４金属化合物をステイニングさせた（図２ｃ）

ＲｕＯ_４に試料を露出させる場合、ＲｕＯ_４金属化合物が気相に拡散されて有機超分子薄膜上にステイニングされる。ＲｕＯ_４金属化合物は特定の反応基（エーテル結合、アルコール、ベンゼン環、アミンなど）と化学的に反応し、本発明で使用した有機超分子の場合、円柱の中心部分に該当する領域がＲｕＯ_４金属化合物によりステイニングされる。

使用される有機超分子によってステイニングされる金属化合物を代替することができる。たとえば、ＯｓＯ_４（四酸化オスシウム）の場合は炭素二重結合、アルコール、エーテル結合、アミンなどの反応基に化学的にステイニングされる。

エッチング
その後、反応性イオンエッチング過程を経ると、エッチング速度の差によって中心部分が残っている点形態になる（図２ｃ）。図５はこのように形成された点の形態を示す走査電子顕微鏡の写真である。本発明ではＣＦ_４気体を用いて約１００秒間のエッチングを行った。エッチング時間は機器によって異なるため、これは全ての場合に通用されるとは言えず、条件を設定するためのテスト段階が必要である。

金属触媒のナノパターンの形成
実施例１〜６の過程で得られた金属化合物がステイニングされた有機超分子のナノパターンをマスクとして金属触媒薄膜層をエッチングして金属触媒のナノパターンを形成した。本発明ではＣＮＴ合成のため金属触媒薄膜層を基質と有機超分子薄膜の間に形成した場合で、形成された点構造のナノパターンは以降のエッチング工程においてマスクの役割を果たすことになる（図２ｃ）。すなわち、ＲｕＯ_４化合物がステイニングされた点パターンの形成された部分の下端はエッチングされず、表面が現われた中間薄膜層はエッチングされて有機超分子によって形成されたパターンが中間薄膜層へ移るようになる。これは、中間薄膜層として使用された物質によって異なるが、本発明のようにＣＮＴ合成のための金属薄膜層である場合は、イオンミリングによるエッチングが可能で、エッチング条件は各薄膜層の特性による（図２ｄ）。

ＣＮＴアレイの製造
Ｃ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、ＣＯ等の反応ガスをチャンバー内に供給しながら両電極に高周波電源を印加してグロウ放電を起こして実施例７で形成された金属触媒ナノアレイ上にＣＮＴを垂直方向に合成及び成長させた。前記合成されたＣＮＴは基質上に固定された金属触媒の規則的な配列によってＣＮＴアレイを形成する（図２ｅ）。また、前記垂直方向に成長されたＣＮＴに先行技術（Ｈｕａｎｇ、Ｓ．ｅｔａｌ．、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、１０６：３５４３、２００２）に開示されている方法と似たようにプラズマを処理して末端部分のキャップを逝去してカルボキシル基を導入した後、多様なバイオレセプターを化学的に固定することができる。

ＣＮＴアレイにバイオ物質又はバイオレセプターの付着によるバイオチップの製造
前記実施例８で製造されたＣＮＴアレイにバイオレセプターを取り付けることはＣＮＴにバイオレセプターの正味荷電と逆となる極性の電荷を印加するか（ＫＲ２００３−００１４９９７Ａ）、または結合補助剤を利用して取り付けられる（図２ｆ）。望ましい結合補助剤としてはカーボン基末端にアルデヒド、アミンまたはイミン基が付いている化学物質が使用できる

また、実施例８で製作されたカルボキシル基の露出されたＣＮＴアレイ末端に、アミン基（ＮＨ_２）を持つバイオレセプターをアミド結合で固定させてバイオチップが製作できる。この時カップリング剤としてＥＤＣ（１−エチル−３−（３−ジメチルアミニプロピル）アルボジイミド塩酸塩）を使用し、カップリング剤の補助剤としてはＮＨＳ（Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド）、ＮＨＳＳ（Ｎ−ヒドロキシスルホスクシンイミド）などを使用することが望ましい。

自己集合する有機超分子の模型を示す図であり、図１ａは円板型又はディスク型デンドリマー１及び扇形の有機超分子２が自己集合によって円柱形態３を作り、これらの円柱が六角形に配列された３次元構造４を形成することを示し、図１ｂは棒状鎖型又は円錐型の分子５が自己集合によって球型６を作り、これらの球が集まって３次元の空間上に一定の構造７で配列されることを示している。本発明に係るバイオチップを製作するためのナノパターン及びＣＮＴアレイの形成過程の概略図である。成長されたＣＮＴ末端部分に存在するキャップを取り除く同時にカルボキシル基を導入する工程を示している概略図である。有機超分子が六角柱形態の規則的な構造を形成することを示す透過電子顕微鏡の写真である。本発明によって形成されたナノパターンの走査電子顕微鏡の写真である。

符号の説明

１円板型又はディスク型デンドリマー
２扇形の有機超分子
３円柱形態
４３次元構造
５円錐型の分子
６球型
７一定の構造

Claims

下記の段階を含むカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ナノアレイの製作方法：
（ａ）基質上にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び前記金属の合金で構成された群から選ばれた金属触媒薄膜を形成する段階；
（ｂ）前記金属触媒薄膜上に自己集合を誘発する有機超分子の薄膜を形成する段階；
（ｃ）アニーリングによって前記有機超分子を自己集合させて規則的な構造を形成する段階；
（ｄ）前記有機超分子の自己集合によって形成された規則的な構造に選択的に金属化合物をステイニングさせる段階；
（ｅ）前記選択的に金属化合物がステイニングされた薄膜をマスクとしたエッチングを通じて金属化合物がステイニングされていない部分を取り除いて金属化合物がステイニングされた有機超分子のナノパターンを形成する段階；
（ｆ）前記金属化合物のステイニングされた有機超分子のナノパターンをマスクとしたイオンミリングを通じて金属触媒のナノパターンを形成する段階；及び
（ｇ）前記金属触媒のナノパターンにＣＮＴを垂直方向に配列する段階。
請求項１において、有機超分子はディスク型デンドリマー、扇形の有機超分子又は円錐型の有機超分子であることを特徴とする方法。
請求項２において、有機超分子は化学式１の化合物であることを特徴とする方法。
請求項１において、（ｃ）段階は使用した有機超分子の液晶の相変態温度以上に昇温した後、徐冷させることを特徴とする方法。
請求項１において、（ｄ）段階の金属化合物はＲｕＯ_４（四酸化ルテニウム）であることを特徴とする方法。
請求項１において、垂直方向に合成されたＣＮＴアレイ末端にプラズマを処理してカルボキシル基を露出させる段階を更に含むことを特徴とする方法。
請求項１の方法により得られたＣＮＴアレイにタンパク質、ペプチド、アミノ酸、ＤＮＡ、ＰＮＡ、酵素基質、リガンド、コファクター、炭水化物、脂質、オリゴヌクレオチド及びＲＮＡで構成された群から選択されたバイオレセプターを取り付けることを特徴とするバイオチップの製作方法。
請求項７において、ＣＮＴに電場を印加してバイオレセプターを取り付けることを特徴とする方法。
請求項８において、ＣＮＴにバイオレセプターの正味荷電と逆となる極性の電荷を印加することを特徴とする方法。
請求項８において、ＣＮＴアレイに結合補助剤を用いてバイオレセプターを取り付けることを特徴とする方法。
請求項１０において、結合補助剤はカーボン基末端にアルデヒド、アミン又はイミン基が付いている化学物質であることを特徴とする方法。
請求項６の方法により得られたＣＮＴアレイの末端カルボキシル基にアミン基（ＮＨ_２）を有するバイオレセプターをアミド結合で固定することを特徴とするバイオチップの製造方法。
請求項１２において、アミド結合を誘導するため、カップリング剤とカップリング補助剤を使用することを特徴とする方法。