JP3995272B2 - 分子ワイヤ注入センサ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、バイオセンサおよび化学センサに関する。より具体的には、導電性ポリマーストランドにより、電子回路にケミカル種またはバイオケミカル種検出体を接続させたセンサに関する。
酵素を用いたバイオセンサは、全血サンプル中のグルコース、コレステロール、またはグルコースおよびコレステロール双方の濃度を含む多くの分析種の検出に適用されてきた。この様なセンサおよび関連装置は、検定混合物において、選択された化合物濃度を表わす速度で反応の触媒作用を及ぼすことができる酵素を用いている。
グルコース酵素電極を用いた検出方法は、通常３つある。初期の第１の方法では、酸素消費量を測定する。酸素検知プローブは、エポキシ成型によってチューブ状の銀陽極から分離された金（またはプラチナ）陰極を持つ電解質セルである。この陽極は、電解質ゲルによって陰極に電気的に接続され、化学系全体が、細い気体浸透膜（テフロンが多い）によって環境から隔離される。約０．８Ｖの電位差（固体電源による）が、電極間で印加される。サンプル中の酸素は、薄膜を通じて拡散し、陰極で還元され、銀陽極で、酸化生成物、すなわち酸化銀が生成する。発生する電流は、還元した酸素の量に比例する。分析器ユニットは、分解された酸素が０．２から５０ｐｐｍまでの範囲で動作する。０．８Ｖで還元する気体は障害となり、これらには、ハロゲンとＳＯ₂が含まれる。Ｈ₂Ｓは、電極を汚染する。
第２の方法では、Ｈ₂Ｏ₂の生成を検出するが、電極間で印加される（半導体電源からの）約０．６５Ｖの印加電位を必要とし、電極の１つは選択性透過膜内にある。サンプル中のＨ₂Ｏ₂は、選択性透過膜（これが存在する場合）を通じて拡散し、陽極で酸化される。約０．６５Ｖで酸化する金属、金属複合体、非金属、有機、およびバイオケミカル種の多く、すなわちアスコルビン酸、アミン、ヒドラジン、チオール化合物、カテコール、ヒドロキノン、フェロセン、メタロポルフィリンなどが障害となる。内部の選択性透過膜は、常に分析種から障害となる可能性のある複雑な混合物を除去できるとは限らない。
第３の方法は、酵素反応が２つのステップを必要とするという事実を利用している。第１に、酵素グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）（ＥＣ１．１．３．４）は、グルコースによって還元され、その後、還元された酵素は、電子アクセプタ、即ち、メディエータによって初期の形態に酸化される。通常のシステムでは、メディエータは、酸素である。バイオセンサでは、使用している特定のレドックスメディエータに適切な電位が印加されているときの、酵素触媒による反応速度を表わす速度で酵素と電極の導電性表面との間において電子を伝達するために、他のメディエータ化合物を用いるようにしてもよい。この様なバイオセンサは、電流測定を用いて、全血サンプル中におけるグルコース濃度を決定する。これには、サンプル中のグルコースの量に対応するアンペア対時間曲線に従った、その領域の総合サンプル測定が含まれる。
共通の電流測定センサを機能させる機構を、図１に示す。センサ２は、例えば、分子認識体としてグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）を用いる。グルコースオキシダーゼは、分析物４におけるグルコースからグルコノラクトンへの酸化において触媒として作用する。この反応には、酵素のＦＡＤ／ＦＡＤＨ₂レドックスセンタが含まれる。センサ２は、電極８に付着される分子認識体、すなわち領域６を含む。分析物４におけるグルコースが、領域６でＧＯＤ−ＦＡＤ（ＦＡＤレドックスセンタを含むグルコースオキシダーゼ）に接触するとき、酸化されてグルコノラクトンになる。同時に、ＧＯＤ−ＦＡＤは、ＧＯＤ−ＦＡＤＨ₂に還元される。この時、２つの電子および２つの水素イオンがＦＡＤに移動する。通常、センサメディエータが無い場合、ＧＯＤ−ＦＡＤＨ₂は、大気中の酸素によって酸化されてＧＯＤ−ＦＡＤになり、触媒反応を完成させる。しかし、メディエータがある場合、ＧＯＤ−ＦＡＤＨ₂は、メディエータ（Ｍ_OX）によって再び酸化される場合がある。この場合、ＧＯＤ−ＦＡＤＨ₂は、２つの水素イオンを分析物４に放出し、２つの電子をメディエータに放出する。その結果還元されたメディエータ（Ｍ_red）は、その後、適切な電位で電極８によって再び酸化される。このメディエータの再酸化は、１つまたは複数の電子の電極８への移動を伴う。これが、グルコースの濃度を検出するためにモニタされる電流である。
理論上、メディエータは、小さい分子の無機化合物、有機メタル化合物、有機化合物の何れであってもよく、酵素によって還元され、電極表面で適切に印加された電位によって酸化される。メディエータは、酵素と電極の間で迅速且つ効率よく移動するように設計される。そうでなければ、雰囲気酸素が、還元されたＧＯＤの殆ど全てを酸化するため、所望の信号は非常に弱くなる。メディエータは、サンプル中のグルコースおよびコレステロール濃度に比例した合計電荷量を伝達する。メディエータの酸化から生じた電流は、コットレル電流として周知であり、時間で積分すると、センサの反応に関連するクーロン数が得られる。通過した総クーロン数は、分析物の量に比例する。
残念ながら、メディエータは一般的に、それらが（酵素を触媒とした反応に依って）酸化または還元される酵素に拡散する移動「試薬」として提供される。酸化または還元されたメディエータは、その後、拡散して電極表面に到達し、そこで電子を得るか失う。残念ながら、この様な機構は、リサイクルされた移動性メディエータが継続的に存在することに依存している。この様な化合物は、電極表面から漏れる可能性があるので、利用可能なメディエータは徐々に減損し、センサ感度の低下につながる場合がある。拡散性レドックスメディエータとしては、染料（例えば、メチレンブルー）、フェロセン誘導体（Ｃａｓｓ，ＡＥＧ；Ｄａｖｉｓ、Ｇ；Ｆｒａｉｎｃｉｓ、ＧＤ；Ｈｉｌｌ、ＨＡＯ；Ａｓｔｏｎ、ＷＪ；Ｈｉｇｇｉｎｓ、ＩＪ；Ｐｌｏｔｋｉｎ、ＥＶ；Ｓｃｏｔｔ、ＬＤＬ；Ｔｕｒｎｅｒ、ＡＰＦ；フェノセン媒体によるグルコースの電流測定用酵素電極、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５６：６６７−６７１ページ、１９８４年）、導電性の有機金属構成体およびキノンなどがある。
また、全血サンプル中におけるグルコース、コレステロール、乳酸塩、Ｈ₂Ｏ₂、ＮＡＤ（Ｐ）Ｈ、アルコールなどの各種化合物の検出に上記電流測定方法を適用する利用可能なセンサは、他の深刻で、複雑な問題を生じる可能性がある。例えば、血液によって覆われるセンサ表面積の割合は異なる可能性がある。全血サンプルが、電極全体をカバーしないこともある。これは、粘着性の乏しい酵素（しばしばスプレーによって塗付されている）によって発生するので、電極のエッジに沿って血液または他の分析物の漏れが発生する。これに関係する問題は、試験前の反応領域の水和により発生する。これにより、リガンド（例えば、グルコース）濃度が希釈されるため、水和していない表面によって正確に得られる読み取り値よりも値は低くなる。
更に、分子状酸素（Ｏ₂）の分圧は、センサデータの解釈を複雑にする場合がある。分子状酸素は、酵素グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）の天然電子アクセプタメディエータである。ＧＯＤによるＤ-(+)-グルコースの酸化に続いて、還元されたグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ_red）は、他のメディエータが無い場合、電子を酸素に伝達して、Ｈ₂Ｏ₂を生じる。上述した電流測定グルコースバイオセンサにおいて、不要なＯ₂側の反応は、ＧＯＤ_red酵素によって供給される電子をめぐって合成メディエータと競合する。異なる高度（Ｏ₂の各分圧）でのＧＯＤベースのバイオセンサの較正は、選択された合成メディエータの電子伝達率が、Ｏ₂側反応より数桁速くない限り、問題となることがある。
湿度（例えば、Ｈ₂Ｏ）は、Ｈ₂ＯおよびＯ₂の質量作用によりＤ−グルコノラクトンの酵素による触媒の酸化生成物が還元された出発物質D-(+)-グルコースに戻るとしたら問題となり得る。グルコースオキシダーゼ調製時の一般的な汚染因子であるカタラーゼは、過剰なＨ₂ＯおよびＯ₂の質量作用により反対に反応し、２モルのＨ₂Ｏ₂を生じることがある。蓄積されたＨ₂Ｏ₂とＤ−グルコノラクトンは、質量作用により逆のグルコースオキシダーゼ反応を起こし、D-(+)-グルコースに戻す可能性がある。
周知の電流測定センサに関連する別の問題としては、例えば、（１）コットレル電流曲線（アンペア対時間グラフ）に適合することが困難であること、（２）コットレル電流の時間積分値を正確に得るのに充分な頻度を有するサンプリング、（３）障害物質の無分別な酸化または還元の原因となる高い電位が電極に印加されること、および（４）ポテンショスタットおよびガルバノスタットによる測定を必要とする電子回路の複雑化、が挙げられる。
また、電流測定バイオセンサの上記欠点も幾つか注目され、分析されている（シューマン、Ｗ：診断用バイオセンサポリマー、第９章、導電性ポリマーおよび電流測定バイオセンサにおける適用を参照。ＡＣＳシンポジウムシリーズ５５６．Ｕｓｍａｎｉ，ＡＭ；Ａｋｍａｌ，Ｎ；ｅｄｓ．米国化学学会；ワシントン、ＤＣ；１９９４年１１０ページから１２３ページ）。最初に、レドックス酵素の活性部位は、通常プロテインシェル内に深く埋め込まれているため、酵素と電極表面との間の直接電子伝達は、めったに発生しない。これは、電極表面の前の非導電性ポリマー膜内に組み込まれる酵素については特に当てはまる。従って、電子伝達は、通常、天然電極アクセプタＯ₂、または、フェロセン誘導体（Ｃａｓｓ、ＡＥＧ；Ｄａｖｉｓ，Ｇ：Ｆｒａｎｃｉｓ，ＣＤ；Ｈｉｌｌ、ＨＡＯ；Ａｓｔｏｎ、ＷＪ；Ｈｉｇｇｉｎｓ，Ｕ；Ｐｌｏｔｋｉｎ、ＥＶ；Ｓｃｏｔｔ、ＬＤＬ；Ｔｕｒｎｅｒ，ＡＰＦ：グルコースの電流測定のためのフェロセン媒体による酵素電極、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５６；６６７−６７１ページ、１９８４年）、オスミウム複合体（Ｈｅｌｌｅｒ，Ａ：レドックス酵素の電極配線。Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２３（５）：１２８−１３４ページ、１９９０年）、若しくはキノンの様な遊離拡散型の電子伝達レドックス種、を含むシャトル機構に従って行われる。レドックスメディエータは、酵素の活性部位と電極表面との間を自在に拡散する必要があるため、これらの電極は、センサ表面からメディエータの漏れが避けられない結果、長期間の安定性が限定される。また、天然のレドックス対Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ₂の場合、センサ信号は、Ｏ₂分圧に依存し、共酸化可能な化合物からの妨害を発生する可能性のある動作電極には、高い動作電位を与える必要がある。第２の欠点は、これらのセンサの製作に関係する。酵素薄膜および電極の物理的な組み立ては、自動化するのには非常に困難であるため、原則的には、マイクロエレクトロニクス製作技法と両立しない。また、小型センサレイ内への個々のバイオセンサの組み込みと同様に、小型化は、電極表面上への薄膜形成混合物の液滴の付着が主に手作業に主に基づく技術では不可能である。
結果的に、次世代の電流測定酵素電極は、マイクロエレクトロニクス大量生産と両立でき、小型化が容易な固定化技法に基づく必要がある。また、電極表面に必要なセンサ成分全てを組み込むにあたって、酵素の活性部位から電極表面への電子伝達経路を改善しつつ酵素およびメディエータの漏洩を防ぐ必要がある。
ファラデー反応から発生する電流の検出に依存する電流測定機構に加えて、電位測定機構を用いて分析物の濃度を検知してもよい。電位測定技法は、動作電極上の酵素反応から発生する帯電イオン種に対応して、動作電極および基準電極の電位変化をモニターする。非常に一般的な電位測定センサは、分析物内の水素イオン濃度の変化を示すｐＨセンサである。マイクロエレクトロニクス電位測定バイオセンサ、すなわち電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）バイオセンサは、ある程度の関心を呼んでいる。この設計では、レセプタすなわち分子認識種は、トランジスタゲート上で被覆される。リガンドがレセプタと結合するとき、ゲート電極の電位はシフトし、それにより、ＦＥＴを流れる電流を制御する。この電流は、観察されたリガンド濃度に電流を変換する回路によって検出される。電位測定システムについて観察された問題としては、例えば、（１）電極応答が遅いこと（例えば、数秒）、（２）電位測定装置を必要とする３つの電極（例えば、動作電極、カウンタ電極および基準電極）の電気化学システム用の電子回路が複雑になること、（３）感度の低下、および（４）ダイナミックレンジの制限が挙げられる。
近年、２つのグループ（ヘラー他と、スコットハイム他）は、酵素から電極に電子を往復できるレドックスポリマーを研究開発してきた。このグループは、高密度の電子リレーアレイを有する長いレドックスポリマーで電極に酵素を「配線」した。各リレーは、ポリマーバックボーンに結合されたレドックスサイトである。電子は、１つのレドックス付属物から次に飛び越すことにより、ポリマーに沿って移動する。このポリマーは、酵素を貫通して結合し、また電極に結合される。
ヘラー他は、Ｏｓ含有レドックスポリマーに関する事業を成し遂げた。彼らは、大量のＯｓ含有ポリマーを合成して、電気化学的特性を評価した（Ｇｒｅｇｇ，ＢＡ；Ｈｅｌｌｅｒ、Ａ：酵素含有レドックスポリマー膜。１．レドックス導電性エポキシセメント：ヒドロキノンの合成、特性付与、および電気触媒による酸化。Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．９５：５９７０−５９７５ページ、１９９１年）。最も安定性がある、再生可能なレドックスポリマーは、Ｏｓ（ｂｐｙ）₂Ｃ₁₂が懸濁ピリジン基の６分の１に付着されたポリ（４−ビニルピリジン）である。このレドックスポリマーは、不溶性である。水溶性にして、生物学的に適合するようにするため、ヘラー他は、２−ブロモエチルアミンにより残りのピリジン懸濁を部分的に４基化した。このレドックスポリマーは、水溶性であり、新しく導入されたアミン基は、水溶性エポキシ、例えば、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテルおよびＧＯＤと反応して、架橋されたバイオセンサ被覆薄膜を生成する。この様な被覆薄膜は、高い電流密度および６００ｍｇ／ｄＬまでのグルコースへの線形応答を発生させた（Ｇｒｅｇｇ他の米国特許第５，２６２，０３５号）。
ヘラーは、電流測定バイオセンサとして使用するためのレドックス酵素の電気配線について記載している（Ｈｅｌｌｅｒ，Ａ：レドックス酵素の電気配線。Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２３（５）：１２８−１３４ページ、１９９０年）。ヘラーの方式は、染料、フェロセン誘導体、導電性有機金属の構成体、キノン等のレドックスメディエータの拡散に基づく電流測定酵素電極が改良されたものである。Ｈｅｌｌｅｒの方式において、レドックスポリマーポリケーションのレドックスセンタ（例えば、２［Ｏｓ−（２，２’−バイピリジン）₂（ポリ（ビニルピリジン））Ｃｌ］^1+/2+）は、静電的且つ、共有的に酵素に結合されて、電極に電子をリレーし、その上にポリカチオンの一部が吸収される。電極へのレドックスポリマーカチオンの結合は、電極が負の表面電荷を有するときに静電的であってもよい。
酸素の分圧による電流の変動（例えば、血液中の酸素濃度）は、ＦＡＤＨ₂センターの直接電気酸化速度と分子状酸素による酸化速度との比に依存するので、３次元配線による酵素の構造への電子伝達速度およびその電気抵抗にも依存する。高いオスミウム複合体濃度および、充分に薄い層において、その競争は、オスミウムセンタ経由での電極への電子伝達の方が勝つため、この電極は、酸素に対して比較的鈍感になる（Ｈｅｌｌｅｒ，Ａ：レドックス酵素の電気配線。Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２３（５）：１２８−１３４ページ、１９９０年。Ｇｒｅｇｇ，ＢＡ；Ｈｅｌｌｅｒ、Ａ：電流測定バイオセンサ用のグルコースオキシダーゼ含有架橋レドックスゲル。Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６２：２５８−２６３ページ、１９９０．Ｓｕｒｒｉｄｇｅ，ＮＡ；Ｄｉｅｂｏｌｄ，ＥＲ；Ｃｈａｎｇ、Ｊ；Ｎｅｕｔｄｅｃｋ，ＧＷ：診断用バイオセンサポリマーにおける第５章、グルコース用酵素電極における電子伝達速度。ＡＣＳシンポジウムシリーズ５５６．Ｕｓｕｍａｎｉ，ＡＭ；Ａｋｍａｌ、Ｎ；ｅｄｓ．米国化学学会；ワシントン、Ｄ．Ｃ．；１９９４年；４７ページ−７０ページまで）。
フェロセンによる導電性ポリピロールに基づく電極も報告されている（Ｈａｌｅ，ＰＤ；Ｉｎａｇａｋｉ、Ｔ；Ｋａｒａｎ，ＨＩ；Ｏｋａｍｏｔｏ、Ｙ；Ｓｋｏｔｈｅｉｍ、ＴＡ：ポリマー電子伝達メディエータを内蔵する電流測定バイオセンサ。Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｅｃ．１１１（９）：３４８２−３４８４ページ、１９８９年）。
スコットハイム他は、リレーとして機能するフレキシブルポリマーストランドを使用した。これらのポリマーは、ＧＯＤのレドックス中心と電極との間を連絡する。フェロセンを非シリコンバックボーンに付着したときには媒介作用は発見されなかった。これらのフェロセン修飾シロキサンポリマーは、安定しており、非拡散であると言われていた。（Ｂｏｇｕｓｌａｖｓｋｙ、Ｌｆ；Ｈａｌｅ，ＰＤ；Ｓｋｏｔｈｅｉｍ、ＴＡ；Ｋａｒａｎ，ＨＩ；Ｌｅｅ，ＨＳ；Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｙ：フラボ酵素および可撓レドックスポリマーに基づく特定の神経伝達物質用の新規バイオセンサ。Ｐｏｌｙｍ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．６４：３２２−３２３ページ、１９９１年）。
残念ながら、ヘラー他およびスコットハイム他のレドックスポリマー系は、高密度の電子リレーペンダント基の間を飛び越す電子に基づく限られた電子伝達速度を有しているだけである。更に、「配線」レドックスセンタは、酵素触媒による反応に近い電位で反応を行うように設計しなければならない。電位が酵素のレドックス自体の電位に近ければ、それだけ、電位的に干渉する物質が擬似酸化する可能性も少なくなる。残念ながら、この問題により、ポリマーレドックス対の範囲、および分子先端体の組み合わせが制限されている。
試薬を用いない電流測定酵素電極の構成の基本的前提は、酵素の活性部位から電極表面までの適切な電子伝達経路の設計にある。マーカスの理論によれば（Ｍａｒｃｕｓ，ＲＡ；Ｓｕｉｎ，Ｎ：化学および生物学における電子伝達。Ｂｉｏｃｈｉｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ａｃｔａ８１１：２６５−３２２ページ、１９８５年）、電子伝達後の再構成エネルギーの低いレドックスメディエータは、配合族（例えば、ＦＡＤ／ＦＡＤＨ₂）とメディエータとの距離を縮めるため酵素の活性部位に浸透できるようにする必要がある。従って、電子伝達反応の速度定数は、増加する可能性がある。この「最初」の電子伝達後、レドックス等価物は、酵素の代謝回転速度の範囲の速度定数を有する機構を介して電極表面へ伝達されなければならない。上述の往復機構（移動メディエータを有する）において、電子伝達は、レドックスメディエータの拡散を含む。上述した「配線」レドックスポリマーセンサにおいて、電子移動は、ポリマーバックボーン上における或るレドックス中心から次のレドックス中心への飛び越しを含む。
近年の研究において、相沢他は、分子インターフェイスを介するピロロキノリン（ＰＱＱ）酵素（フルクトーゼジヒドロゲナーゼ）の配合族と電極との可逆的な電子伝達について議論している（Ａｉｚａｗａ，Ｍ；Ｋｈａｎ，ＧＦ；Ｋｏｂａｔａｋｅ，Ｅ；Ｈａｒｕｙａｍａ，Ｔ；Ｉｋａｒｉｙａｍａ，Ｙ：インターフェイス設計および化学検知、第６章、電極表面上の酵素の分子インターフェイス。ＡＣＳシンポジウムシリーズ５６１．Ｍａｌｌｏｕｋ，ＴＢ；Ｈａｒｒｉｓｏｎ，ＤＪ；ｅｄｓ．米国化学学会。ワシントン、Ｄ．Ｃ．，１９９４年、３０５ページ−３１３ページ）。トランスデューサ電極に非常に近接しているランダムな方向のフラクトースジヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ）のＰＱＱ成分は、電極に電子を容易に移動できる（Ｓｈｉｎｏｈａｒａ，Ｈ；Ｋｈａｎ，ＧＦ；Ｉｋａｒｉｙａｍａ，Ｙ；Ａｉｚａｗａ、Ｍ；導電性ポリピロール被覆電極を使用したＰＱＱの電気化学的酸化および還元。Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．３０４：７５−８４ページ、１９９１年。Ｋｈａｎ，ＧＦ；Ｓｈｉｎｏｈａｒａ，Ｈ：Ｉｋａｒｉｙａｍａ，ｙ；Ａｉｚａｗａ，Ｍ：電極表面上で吸収される単層キノプロテインの電気化学的な挙動。Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ Ｃｈｅｍ．３１５：２６３−２７３ページ、１９９１年）。しかし、電極から離れた位置にあるＦＤＨの配合族は、電極からの距離が最大電子伝達距離（２５オングストロームまで）を越えるため、電子を提供できない。従って、電極表面を電気化学的に活性状態にするため、相沢他は、ＰＱＱから電極への電子伝達を支援する「配線」としての分子インターフェイスとして、極薄の導電性ポリピロール（ＰＰ）薄膜を導入した。残念ながら、相沢によって使用される配線は、ランダムに配向されているため、必ずしも、分析物に関して最適な位置で酵素を提供するわけではない。
要望されているものは、先端体レドックス反応から電極まで電子を迅速に移動し、遊離拡散するメディエータなどのレドックスリレーに依存せず、分析物に対して先端体を最適に配向する改良型センサ設計である。
化学センサのマイクロファブリケーションの方法の多くは、特に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ベースの化学センサ、金属酸化物ガスセンサ、およびバイオセンサの分野で現在進行中である。ジャナタ他が、最初にＦＥＴに基づくマイクロ酵素電極を報告して以来（Ｃａｒａｓ，Ｓ；Ｊａｎａｔａ，Ｊ：ペニシリン感知式電界効果トランジスタ。Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５２：１９３５−１９３７ページ、１９８０年）、多くのグループが、マイクロ酵素電極を製作するため半導体装置技術において用いられる技術などマイクロファブリケーション技術（例えば、フォトリソグラフィ）を用いてきた。多くのグループの多大な努力にも拘らず、ＦＥＴベースのマイクロ酵素電極の実用化は、電位測定方法に関する問題、高速応答の一般的欠如、高感度、広いダイナミックレンジのため、まだ実現していない。
試薬を用いない酵素電極（例えば、ヘラー他および相沢他の電極に類似した電極）の構築のため、酵素と電極との間の効率的且つ高速の電子伝達の前提を考慮して、酵素およびレドックスメディエータの強い結合を可能にする電極およびマイクロ電極表面の変更および機能化に注目する必要がある。これらの特性要件は、原則的に、レドックス感知ヒドロゲルに基づく酵素電極で満足されるが、これらのヒドロゲルの手作業による付着は、大量生産技術とは両立できない。
導電性ポリマー層の化学的電着は、電極表面上で専ら発生するので、ポリマー膜上の機能を共有的に使用するか、成長するポリマー膜内に物理的に埋没させて酵素を固定化するために使用できる。導電性ポリマー膜自体は、電子伝達には関与しないため、ポリピロール層内に埋没したメディエータ修飾酵素は、試薬を用いないオキシダーゼ電極の構築に使用されてきている。
先行技術の化学的電着方法は、電極表面での規則正しいヘルムホルツ二重層を破壊する高い電流密度および電位条件を使用する（Ｗｅｓｔｆａｌｌの米国特許第５，２１５，６３１号）。電極表面への付着の結果、方向性および位置に関する秩序が不足したランダムポリマー構造が発生する。相沢他は、分子インターフェイスとしてＰＱＱ−ＦＤＨを、極薄の導電性ポリピロール（ＰＰ）薄膜を持つセンサに「配線」した。Ｐｔ電極上における分子インターフェイスＦＤＨの電気化学合成体は、以下のステップで作成される。（１）電位制御によるＦＤＨの吸着、および（２）ポリピロールの電気化学的高分子化。これらのステップは、高電圧および高電流密度の電気化学的析出条件を用いて、ランダムに配向されるＰｔ電極上でのポリマー（ＦＤＨおよびポリピロール）付着を発生させている。従って、この装置は、高い（約４００ｍＶ）動作電位で動作しなければならないため、結果的に干渉する共酸化可能な種が発生する可能性がある。
要望されているものは、必要に応じて、分子認識体の付着およびそれに関連する配線を行なって、電極と分子認識体間の強力な直接的結合を提供し、分子認識体を同一の方向に位置合わせできるようにする改良型技術である。
発明の概要
１つの態様において、本発明は、レドックスメディエータに依存しないで分析対象成分の存在を感知するセンサを提供する。このセンサは、以下の要素を有することを特徴とする。（ａ）少なくとも第１端部および第２端部を各々有し、各々が実質上同一の方向に位置合わせされている複数の導電性ポリマーストランド、（ｂ）分析対象成分に親和力を有し、導電性ポリマーストランドの第１端部に付着される複数の分子認識先端体、および（ｃ）導電性ポリマーストランドの第２端部に付着される電極基板。
同一方向のポリマーストランドは、液晶に似ている。好ましくは、このストランドは、電極基板に概ね直交して配向される。例えば、この導電性ポリマーストランドは、多重螺旋状の核酸、電子伝達プロテイン、合成有機および無機導電性ポリマー、金属結晶分子ワイヤ、ラングミュアブロジェット導電性薄膜であってもよい。特に好ましい実施形態においては、導電性ポリマーストランドは、二重螺旋ＤＮＡストランドである。
先端体は、分析物の分子と接触するときレドックス反応に関与してもよい。この場合、移動電荷キャリアは、先端体に付着される導電性ポリマーストランドに直接伝達されるが、そのポリマーストランド内のレドックス反応には関与しない。一実施形態において、分子認識先端体は、分析対象成分の化学変換に関して触媒作用を施すことによって、レドックス反応に関与する。この様な先端体の例としては、酸化還元酵素と触媒抗体とが挙げられる。本明細書で繰り返し使用される一具体例において、この先端体は、グルコースオキシダーゼである。
センサ先端体は、化学的に均質であっても（例えば、それらが全て、グルコースオキシダーゼであっても）または化学的に不均質であってもよい（例えば、グルコースオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、およびコレステロールエステラーゼの混合物を含んでいてもよい）。一実施形態において、先端体が不均質のとき、センサは、化学的に均質な分子認識先端体の第１の群が配置される電極基板上の第１領域と、化学的に均質な分子認識先端体の第２の群が配置される電極基板上の第２領域とを有する。第１および第２領域は、この２つの領域からの信号が別々に処理され、例えばコレステロール、グルコースの何れかまたはその両方が付着物に存在するか否かを示すことができるように別々にアドレス可能であってもよい。
この電極基板は、導電性ポリマーストランドからの移動電荷キャリアの受け入れを電子回路に報告できるようにすべきである。一具体例において、この電極基板は、光起電力ダイオードなどのダイオードである。より一般的には、この基板は、半導体チップ上のデバイスのデバイス素子であってもよい（例えば、ＦＥＴ上のゲート）。
本発明のこの態様の変形において、センサは、（例えば、犯罪場面での）核酸配列の存在を検出するのに提供される。このセンサは、各々少なくとも第１端部および第２端部を有する複数の固有配列の単一螺旋状の非導電性核酸ワイヤと、（ｂ）固有配列の単一螺旋状の非導電性核酸ストランドの第２端部に付着され、相補的な多重螺旋状の核酸ストランドから発生する移動電荷キャリアの受け入れを電子回路に報告することができる電極基板とを有する。本実施例において、上記センサが、相補的な核酸配列を有する分析物に曝されるとき、少なくとも固定された単一螺旋状の非導電性核酸ワイヤの幾つかは、分析物とハイブリッド化するか、アニーリング化するかにより、導電性の多重螺旋状の核酸ストランドを形成する。この様にして、電荷キャリアは、検出対象の電極基板に運搬できる。一実施形態において、上記複数の固有配列の単一螺旋状の非導電性核酸ストランドは、付着された分子認識先端体でレドックス反応が発生したとき、アニールされた多重螺旋状核酸ストランドだけを通じて移動電荷キャリアが直接伝達されるように、分子認識先端体に付着される。
本発明の別の態様では、上述した構造を有するセンサによる分析物の分析対象成分の濃度を検出する方法を提供する。この方法は、以下のステップを含むことを特徴とする。（ａ）分析物に対し認識先端体を接触させるステップ、および（ｂ）レドックス反応によって発生し、導電性ポリマーストランドにより電極基板に伝達される電子に起因して、電極基板に電子が移動されたか否かを決定するステップ。先端体でレドックス反応が発生するとき、ポリマーストランドにレドックス反応が無くても、移動電荷キャリアは、先端体に付着された導電性ポリマーストランドに直接伝達される。この方法では、更に（ｃ）導電性ポリマーストランドからの移動電荷キャリアを受領することに起因する、電極基板に接続された電子回路内の変化をモニターするステップと、（ｄ）電子回路内の変化を分析対象成分の濃度に関連付けるステップとを含んでよい。
本発明の別の重要な態様は、ダイオード、好ましくはフォトダイオードを用いたセンサである。本発明のこの態様によるセンサは、以下の特徴を有することを特徴とする。（ａ）分析対象成分への親和力を有し、分析対象成分の分子と接触するときレドックス反応に関与し、先端体でレドックス反応が発生したときに移動電荷キャリアが発生するような、複数の分子認識先端体、（ｂ）レドックス反応によって発生した移動電荷キャリアが第１の電極に伝達されるように、複数の分子認識先端体が付着される第１の電極を有するダイオード、および（ｃ）移動電荷キャリアが第１の電極に伝達されたときを検出する回路。好ましい実施形態において、前記複数の分子認識先端体は、ダイオードのｐ型側に付着される。また、このダイオードは、複数のデバイスを有する半導体チップ上のデバイスであってもよい。
更に好ましい実施形態では、先端体は、上記実施形態に記載される通りに配置される導電性ポリマーストランドを介して付着される。このため、例えば、導電性ポリマーストランドは、実質上、同一に配向される（例えば、ダイオード表面に直交する方向）。
上述したダイオードセンサは、以下の方法にしたがって使用してもよい。（ａ）分析物と分子認識先端体とを接触させ、（ｂ）（ｉ）ダイオードに刺激が加えられ、かつ（ｉｉ）前記複数の分子認識先端体に実質上分析物が無いときに、存在するベースライン電気信号を特定し、（ｃ）分析対象成分が分子認識先端体と接触するときに移動電荷キャリアの第１の電極への伝達に起因する、前記ベースライン電気信号からの変動を検出する。この方法は、更に（ｄ）変動の振幅を決定し、（ｅ）電気信号から他の情報を使用せずに変動の振幅から直接分析対象成分濃度を決定することを含んでもよい。前記分析物濃度は、この変動の振幅に比例する場合があることが判っている。用いられる信号検出器のタイプによっては、ベースライン電気信号、および当該ベースライン電気信号からの変動は、電圧または電流の測定値であってもよい。好ましくは、必ずしもそうでなくてもよいが、ダイオードは、光起電力ダイオードであり、ベースライン電気信号の指定において加えられる刺激は、放射エネルギーである。
本発明の更に別の態様は、分析対象成分の存在を検出可能なセンサを形成する方法である。この方法は、以下を有することを特徴とする。（ａ）移動導電性ポリマーストランド、または、導電性ポリマーストランドの前駆体、を含む第１の媒体に、センサ基板（例えば、半導体チップ上のデバイスのデバイス素子）を接触させること、（ｂ）基板に付着された導電性ポリマーストランドを有する第１の構造を形成するのに充分な第１の電位を基板に印加すること、（ｃ）付着した導電性ポリマーストランドを有するセンサ基板を移動分子認識体を含む第２の媒体に接触させること、および（ｄ）付着した導電性ポリマーストランドに分子認識先端体を付着するのに充分な第２の電位を基板に印加すること。このプロセスによって、導電性ポリマーストランドに基板が付着され、また、当該導電性ポリマーストランドに分子認識先端体が付着したセンサ構造が製造される。
好ましくは、第１の電位を印加するステップは、付着した導電性ポリマーストランドを実質上同一の方向に向けさせる電位で実行される。この電位は、例えば、約０．００１から５００ｍＶの間であってもよい。第２の電位を印加するステップは、好ましくは、付着した分子認識先端体を実質上同一の方向に向けさせる電位で実行される。この第２の電位は、約０．００１から５００ｍＶの間であってもよい。好ましくは、必ずしもそうでなくてもよいが、第１の媒体は、第１の電位を印加するステップに続いてセンサ基板から除去される。もう１つの実施形態では、第２の媒体は、第１の電位を印加するステップを実行することにより第１の媒体から得られる。
異なる先端体の分離された領域を有するセンサを製造する場合、この方法は、第２の媒体にセンサ基板を接触させるステップの前に、センサ基板の領域を絶縁して、分子認識先端体をその絶縁した領域のみに付着させるようにしてもよい。複数の先端体領域を生成するため、領域を絶縁して第２の媒体にセンサ基板を接触させ、基板に第２電位を印加する2回目のステップが行われる。第２の媒体に、センサ基板を2回目に接触させるステップは、第２の分子認識先端体を用いて、化学的に均質な分子認識先端体の第１の基を有するセンサ基板上の第１の領域と、化学的に均質な分子認識先端体の第２の基を有するセンサ基板上の第２領域と、を有する構造を形成する。
本発明のセンサは、分析物濃度の読み取り値、高速な応答、高感度、高いダイナミックレンジ、殆どエラーのない読み取り値を提供する。本発明のグルコースセンサにおいて、グルコース濃度は、Ｏ₂の分圧、雰囲気、高度、湿度、または血液サンプルの塗布における変化にも拘らず、正確に読み取れる。具体的には、本発明の直接配線酵素センサは、還元された酵素（より正確には、そのレドックス中心）が電極に電子を放出する前に、その酵素が分子状酸素によって再酸化されるという困難を克服する。これは、本発明の直接配線センサが、酵素反応速度や、Ｏ₂及び他の人工のメディエータのような拡散レドックスメディエータの電子伝達速度よりも数桁速い電子伝達速度を提供できることによる。これにより、検知用チップからミリ秒以下の単位でのデジタル出力が行える。
デバイス分子トランジスタに基づくチップは、再使用可能でも、使い捨てでもよく、試薬および薄膜を用いないものであってもよい。更に、小型化や大量生産に適合可能で、複雑な３個の電極システム（即ち、動作電極、カウンタ電極、基準電極）および関連する電気化学的器具の使用を必要とせず（すなわちガルビノスタットやポテンシオスタットが不要であり）、当該チップから直接リアルタイムのデジタル出力を行うことができる。
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、図面を参照して以下に詳述する。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来のレドックスメディエータベースのバイオセンサにおいて用いられる機構を示す。
図２は、本発明によるセンサ溶液インターフェイスを示すと共に、基板、分子ワイヤ、分子認識先端体を示す。
図３は、本発明の一実施形態によるフォトダイオードセンサの概略図である。
図４Ａは、本発明による基板に分子ワイヤを付着する電着ステップを示す。
図４Ｂは、本発明による（図４Ａに示す通りに析出された）分子ワイヤに分子認識先端体を付着させる電着ステップを示す。
図５は、本発明の一実施形態によるフォトダイオードＧＯＤグルコースセンサにグルコースを接触させたときに発生する電流信号を示すグラフである。
図６は、図５において用いられたセンサが、グルコースとの接触、洗浄、断線、グルコースとの再接触を含む事態を受けた時に発生する電流信号および電圧信号を示すグラフである。
図７は、フォトダイオード上にＧＤＨを用いたセンサがグルコースに曝されたとき発生された電流信号および電圧信号を示すグラフである。
好ましい実施形態の詳細な説明
Ｉ． 概要
ＩＩ． 固体基板
ＩＩＩ． シーケンシャル電気化学および化学析出技法
Ａ．電気化学原子層エピタクシー（ＥＣＡＬＥ）
Ｂ．シーケンシャル単一層電着（ＳＭＥＤ）
Ｃ．薄膜化学析出（ＣＤ）
Ｄ．電気化学分子層エピタクシー（ＥＭＯＬＥ）
１．単軸配向液晶導電性バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）の析出
ＩＶ． 導電性ポリマーおよび薄膜
Ａ．電子伝達プロテイン
Ｂ．ＤＮＡ量子ワイヤ
Ｖ． 分子認識表面
Ａ．オキシドリダクターゼ（レドックス酵素）
Ｂ．免疫性グロブリン
ＶＩ．固体基板上のポリマーによる導電機構
Ａ．単軸配向液晶導電性バイオポリマーにおけるエネルギーバンド（プロテインおよびＤＮＡ）および半導体基板
Ｂ．超伝導性
ＶＩＩ．適用
ＶＩＩＩ．分別および検定
ＩＸ．実施例
１．概要
本発明は、センサ、センサ製作工程、およびセンサを含む半導体デバイスに関する。センサおよび関連デバイスは、固体、半固体、または気体混合物における１つまたはそれ以上の選択された成分の存在の認識、その定量化、および／または、その持続的なレベルのモニタリングのために使用してもよい。好ましくは、活性分子認識表面は、基板表面にそれ自体導電性の配向された液晶ワイヤによって基板表面（例えば、半導体表面）に「ハード配線」される。この分子認識表面は、センサに従来用いられる種類の生物学的に活性の材料で構成してもよい。この基板は、パターン付けを行っても行わなくてもよく、（特に、半導体が含まれるとき）下部のバルク基板と液晶ワイヤの間に金属などの導電性の被覆を有してもよい。
ここで使用される用語としてのハード配線は、以下に詳述される電気化学製作方法によって行ってもよい。通常、この様な方法は、「分子配線」および「分子はんだ付け」処理を行う電気化学分子層エピタクシー（ＥＭＯＬＥ）などの、低コスト、高速プロトタイピングによるシーケンシャル電気化学および化学析出技法を利用する。液晶配線配置は、好ましくは、各々単一分子認識部位「先端体」および付着された分子ワイヤ「テール部」を含む同一配向された「分子デバイス」の「ローン」を提供する。本文については、この様な各デバイスは、約２から２５００平方オングストロームまでの範囲の大きさの表面積を有する（例えば、酵素、酵素コファクター、基板、超分子アセンブリ、空洞、ホスト−ゲスト複合体、リガンド、レセプタ、抗体、抗原など）。
本発明のバイオセンサは、非常に低い動作電位を必要とする場合がある。好ましい一実施形態において、真っ直ぐに単軸状に配向された液晶ＤＮＡワイヤの引き伸ばされた構造は、ｐ−ｎ型のホモ接合半導体太陽電池基板の表面への電子伝達経路を提供するため、配合族のＧＯＤ活性部位／レドックス中心内に差し込まれる。酵素の代謝回転毎に各ワイヤから注入された一対の電子は、ｐ型半導体層において一対の正孔と結合して、太陽電池において発生する通常の光電流（即ち、電子／正孔対の再結合）を妨害する。配向された液晶酵素（分子認識先端体）および付着後の配向液晶ＤＮＡワイヤテールは、分子トランジスタを構成する。このデバイスは、単軸配向の液晶ＤＮＡワイヤテール相互接続を通じて固体基板（即ち、ｐ−ｎホモ接合）と連絡する。ＤＮＡワイヤの一端は、配向液晶酵素活性部位／レドックス中心内に差し込まれ、他端はｐ型半導体層に差し込まれプロテイン酵素、ＤＮＡ、および半導体基板との間の直接接続を行う。
通常、本発明の各センサは、先端体のトランスダクション、および／またはゲート機構に基づいて分類してもよく、すなわち光学（電気光学）、化学（電気化学）、磁気（電磁気）、放射線（放射線電子）、熱（熱電子）、機械（圧電素子）、または電気（電圧、電流、抵抗、容量）によって変換またはゲートしてもよい。
図２および図３に、本発明の好ましい実施形態に従ったセンサ構造を示す。図２は、センサ１２の表面領域の断面図を示す。図示の通り、センサ１２は、好ましくはシリコンまたは他の半導体基板から製作される電極１４を有する。電極１４には、複数の導電性ポリマーストランド１６が付着される。好ましい一実施形態において、各ストランドは、ＤＮＡ二重螺旋分子である。導電性ポリマーストランド１６は、基板１４へ垂直（直交）な同一方向に実質上向けられる。ストランド１６は、センサ内のこれら２つの部分の間の直接的な電気的影響を許容するように基板１４に結合される。例えば、この接続では、電子がストランド１６から基板１４に直接移動できるので、基板１４に結合された回路は、電子の注入を検出できる。また、基板１４に印加された電位差は、導電性ポリマーストランド１６の物理状態に影響を与える場合がある。
以下により詳細に説明される通り、基板１４にポリマーストランド１６を固定する好ましいプロセスにより、この直接的な電子結合が提供され、また、ストランド１６が実質的に同一の軸に沿って配向される。ストランド１６は、実質上同一方向に配向されるので、それらはここでは、集合的に液晶として特徴付けられる場合もある。
図２に示すストランドなどの液晶導電性ポリマーストランドは、分子認識先端体１８に付着された第１端と、電極１４に付着された第２端とを有する「ローン」の形態を取ることに注目する。以下に説明するとおり、先端体１８は、多くの異なった形態を取り得る。通常、これらは、分析物２０における特定の成分の存在に対応して物理的または化学的状態を変化させる。好ましい実施形態において、分子認識先端体１８は、特定の分析対象成分との接触に対応してレドックス変換を行う酵素である。例えば、この分析物は、先端体１８と選択的に結合して化学的に修飾されるリガンドまたは基板成分２５を有してもよい。この化学的修飾は、ストランド１６に直接移動でき、そのストランドから電極１４に移動できる電子の発生を伴うことが好ましい。センサ１２において用いられる分子認識先端体１８の種類によっては、導電性ポリマーローン１６上の先端体層の厚さは、約５から１５０オングストロームの範囲にできる。
重要なのは、このセンサ設計にはメディエータが不要なので、電子伝達は、先端体１８から電極１４に直接かつ迅速に行えるとういことである。更に、ポリマーストランド１６は、同一の方向を向いているため、先端体１８は、所望の分析対象成分を検知するために最適に提供される。即ち、先端体１８は、ポリマーストランド１６または他の構造による悪影響を受けない。
上記複数の導電性ポリマーストランド１６は、図２に示す通りほぼ均一な長さを有してもよいが、この様にする必要はない。個々のポリマーストランドは、広範囲な長さを有することが多い。これは、高分子化技術またはポリマーせん断技術における固有の変動による。勿論、ポリマーストランドの長さの分布は、クロマトグラフィカラム、電気イオンゲル、超ろ過膜、または他のサイジング装置にポリマーストランドの原料集合体を経由させて、より均一にすることができる。好ましい一実施形態において、導電性ポリマーストランド１６の平均ストランド長は、約２から１０００オングストロームの間である。好ましくは約１０から１００オングストロームの間であり、最適には約３から４０オングストロームである。ＤＮＡを導電性ストランドとして用いる場合、個々のセンサストランドの長さは、およそ２０オングストロームである。
好ましい実施形態において、基板１４は、シリコンフォトダイオードのｐ型電極である。この電極は、常に必要ではないが、ポリマーストランド１６とバルクシリコン電極１４の間でオーム接触を行う金属製のバックプレート２２を有してもよい。この様なバックメタルプレートは、従来、外部回路への接続用の端子として半導体デバイス内で使用される。バックメタルプレート２２は、これらに限定されないが、アルミニウム、銅、銀、金、およびプラチナを含む適切な導電性金属または合金であれば、如何なるものから作られてもよい。領域２４は、ＥＭＯＬＥ析出された分子認識先端体間の密な液晶スペースを示す。付着対象の分子ワイヤの幅よりも大きい寸法の分子認識先端体は、領域２４を占有する。
好ましい実施形態において、半導体基板は、フォトダイオードなど整流用ダイオードの一部を形成する。図３に、本発明の一実施形態に従ったフォトダイオードベースのバイオセンサの概略図を示す。センサ５０は、ｎ型領域５３とｐ型領域５４とを含むフォトダイオード５２を有する。通常、従来のフォトダイオードを、本発明に用いることができるが、上述される通り、導電性ポリマーストランドおよび分子認識先端体を固定するのに適切な表面を有する必要がある。このため、ｐ型領域５４は、図示されるバックメタルオーム接触部５６を備えても、備えなくてもよい。複数の導電性ポリマー５８のストランドは、一端でバックメタルプレート５６に固定される。ポリマーストランド５８の他の各端部は、分子先端体６２の集合体に付着される。その結果、図示の通り、この構造は、図２に示すエレメント１４、２２、１６、および１８の構造と同一であってもよい。
フォトダイオード５２は、ｐ−ｎ型半導体接合部で自動的に形成される空乏領域６０を有する。当業者に周知の通り、空乏領域がこれらの境界で形成されるのは、ｎ型領域で利用可能な電子と組み合わされる境界を丁度横切ってｐ型領域からｎ型領域内に移動正孔が拡散するためである。同様に、ｎ型領域の移動電子は、各正孔と組み合わされるｐ型領域への境界を横切って拡散する。その結果、電荷キャリア拡散の到達範囲内では、実質上全ての電荷キャリアが空乏化する。
フォトダイオード５２などフォトダイオード上に光（または他の適切な波長の放射エネルギー）が照射されると、正孔および電子の幾つかは、半導体バンドギャップを超えて追加の移動電荷キャリアとなり、これらのキャリアは印加された電位または外部からの短絡接続によってフォトダイオード５２から引き出される。印加された電位または外部からの短絡接続は、例えば、デジタルマルチメータ６４、可変電圧電源、電池、別のフォトダイオード、またはポテンショスタットなどから発生することができる。勿論、他の電位源または外部からの短絡接続を用いてもよい。マルチメータ６４は安価であり、入射光によって流れる電流の量を検出できるという利点を有する。追加電子は、光によって発生した過剰な正孔によってｐ型領域５４に引き付けられる。同様に、ｎ型領域５３からは、光の励起による過剰な電子が現存するため、電子が流れる。この電流は、配線６６、マルチメータ６４、および配線６８経由で流れる。配線６８は、バックプレート５６に電気的に接続されることに注意する。同様に、配線６６は、メタルバックプレート７０に接続される。
ｐ型領域５４に電子が注入されると、それらは正孔と結合するため、正孔が消滅する。このため、光電流振幅は低減する。この通常の光電流からの偏差の検出は、分析対象成分が検出されたことを示す。この偏差の振幅は、分析対象成分の濃度に比例することが判っている。更に、この偏差は、フォトダイオードに関連する電流および電圧の両方に存在することが判っている。
本発明の実施形態のセンサは、外部からの刺激がベースライン電流を発生させる如何なる種類のダイオード上にでも形成できると理解される。この様な刺激としては、熱（熱的に発生した電荷キャリア）、電界、放射線などであってもよい。何れの場合においても、ベースライン電流は、指定された分析対象成分が存在するときに分子デバイスのローンから注入される電子および正孔によって、少なくとも部分的に「消滅」する。ベースラインからの偏差の振幅は、分析対象成分の濃度に比例する場合が多い。各チップの簡単な較正曲線から、未知のサンプル内の分析対象成分の濃度を決定することができる。
特に好ましい実施形態において、このセンサは、複数の領域に分けられ、その各々は、異なった分析対象成分の存在を検知することができる。例えば、第１の領域は、分子認識先端体として、グルコースの存在を検知するグルコースオキシダーゼを含んでいてもよく、第２の領域は、コレステロールの存在を検知するコレステロールエステラーゼと、コレステロールオキシダーゼとを含んでいてもよく、第３の領域は、エタノールなどの存在を検知するアルコールジヒドロゲナーゼを含んでいてもいい。これらの領域は各々、特定の分析対象成分の存在を一意に識別する電子回路によって別々にアドレス可能である。センサ領域は各々、従来の集積回路において用いられる特殊な回路によって別々にアドレス可能である。この回路の機構は、特に複雑ではないが、この様なデバイスは、センサ領域によって得られるデータを非常に高度に処理できる。
各領域内の分子デバイス（電極表面に固定された先端体および導電性ストランド）は、集積回路製作において用いられるのと同様のプロセスにより形成してもよい。例えば、パターン化したレチクルを通して照射される光線で、ある領域を照射することもできる。これらの領域は、適切な化学保護基の使用によって選択的に活性化させたり、保護したりできる。液晶導電性ポリマー領域または先端体領域は、その後、その反応領域上に形成される。この様な処理は、例えばバレット他の米国特許第５，２５２，７４３号、および、プリッチャー他の、生物分子のミクロン単位でのパターン処理、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．Ｅｎｇｌ．，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１、９１−９３ページ（１９９５年）に記載されている。また、電位は、明確なセンサ領域を選択的に電着するため、基板領域の一定領域に選択的に印加できる。
ＩＩ．固体基板
本発明では、様々な固体基板を用いてもよい。固体基板は、分子ワイヤからの電気的な刺激に応答して、検出可能な変化を受ける。基板材料としては、生物学的、非生物学的、有機的、無機的、あるいは、これらの如何なる組み合わせのものでもよく、粒子、ストランド、析出物、ゲル、シート、チューブ、球、容器、毛管、パッド、スライス、薄膜、プレート、スライドなどとして存在するものでよい。この基板は、円盤、正方形、球、円形など、便宜上如何なる形を有してもよい。好ましくは、この基板およびその表面は必ずしもそうでなくてもよいが、その上で本明細書に記載される各反応および製作処理を行なうための堅剛な支持部を形成する。この基板およびその表面は、適切な結晶または非結晶の格子状の構造、ウェハ、薄膜配向、ｎおよびｐ型ドープ材料、表面構造に、バックメタルパターン、グリッドメタルパターン、表面化学処理などを実施するために選択されてもよい。原料のマクロ固体基板は、半導体または標準的な電気材料で構成してもよい。ラッピング、研磨、化学処理、イオン注入、フォトリソグラフィ、エッチング、化学蒸着法（ＣＶＤ）、分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ）などにより、本発明による更なる処理に適切なパターン化したマクロ固体基板を提供してもよい。
本発明では、様々な基板を用いてもよい。半導体基板は、生物学的（例えば、脂質二重層、薄膜、埋め込み式プロテイン電子伝達経路を含む洗剤溶解による薄膜片、血液脳バリア（ＢＢＢ）、上皮ライニング、内膜ライニング、細胞内膜片、細胞内小器官、各種細胞組織表面、赤血球の各血液型からの膜表面、リンパ球、マクロファージ、白血球からの膜表面、リポゾーム、動脈および静脈血管壁、神経伝達経路など）、非生物学的、有機的、無機的なものであってもよく、あるいはこれらの如何なる組み合わせであってもよい。通常、半導体基板は、シリコン、ドープされたダイアモンド、酸化インジウム鉛、酸化鉛、砒化ガリウム、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、ジセレン化銅インジウム、二硫化銅インジウム、ジテルル化銅インジウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、テルル化水銀、セレン化水銀、グラファイトなど、あるいはこれらの如何なる組み合わせである。他の基板材料は、本開示を見れば、当業者にとって容易に明らかである。好ましい実施形態では、半導体基板は、ｐ−ｎドープした多結晶または単結晶シリコン（例えば、＜１００＞または＜１１１＞方向に表面結晶方位を有するもの）、またはガラス上に付着したジセレン化銅イジウム単結晶薄膜である。
半導体基板は、同一半導体材料がＰ−ｎ接合の両側で用いられ、ドーパント種類においてのみ異なるホモ接合デバイスの一部、または、ｐ−ｎ接合の両側の材料が、半導体であっても異なった半導体となるヘテロ接合デバイスの一部を形成してもよい。ホモおよびヘテロ接合デバイスの処理および化学処理は当業者に周知であるので、詳細には記載しない。従来の光起電力太陽電池は、半導体ホモ接合デバイスの一例である。その例は、入光を許容するエミッタを部分的に金属被覆した標準的なｎ−ｐ接合整流ダイオードである。
整流ダイオードでは、例えば、導電性バックメタル接触パターンをｐ型表面に配置してもよく、導電性グリッドメタル接触パターンをｎ型表面に配置してもよい。この様なバックメタルパターンは、一般的には半導体ダイオードへのオーム接触を提供する目的で使用される。本発明では、次の節で説明する特定領域の半導体基板表面に、導電性ポリマーの導電性の高い端子接触部を付着するのに使用してもよい。バックまたはグリッドメタル接触部は、通常、アルミニウム、銅、金、銀などの導電性金属層から成る。バックまたはグリッドメタルは、組織化したり、単結晶の＜１００＞または＜１１１＞シリコン表面の格子整合を利用して、その上に析出してもよい。また、本発明の導電性ポリマーまたは薄膜は、バックメタルを設ける必要なしに、ｐ型多結晶または単結晶表面に直接結合してもよい。
原料マクロ固体基板は、標準的な電気材料（例えば、トランジスタ、ダイオード、電極、半導体ヘテロ接合、半導体ホモ接合、ショットキー障壁、コンデンサ、抵抗器、誘導体、ＣＭＯＳ、ＴＴＬ ＣＭＯＳ、ＦＥＴ、ＩＳＦＥＴ，ＭＯＳＦＥＴ、ＥＮＦＥＴ、ＲＥＦＥＴＴ）またはその組み合わせに接続したり、これらを具備してもよい（例えば、藤島他の米国特許第５，１２６，９２１号、ヘラー他の米国特許第５，１０８，８１９、ヘラー他の米国特許第５，４０３，７００号を参照）。この様なチップ上のメモリおよび論理回路は、センサ信号の処理に用いることができる。好ましい実施形態では、センサ配線は、トランジスタゲート、ソース、またはドレインに（電位制御のために）付着したり、電流制御のために別の回路またはデバイス成分に付着したりする。半導体基板上の活性表面の生成は、例えば、ラッピング、研磨、化学処理、イオン注入、フォトリソグラフィー、エッチング、化学蒸着法（ＣＶＤ）、分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ）などを含む各種技法によって行ってもよい。
ＦＥＴのゲートなどのデバイス素子には、導電性ポリマーストランドをほんの少数または１つだけで配線することが可能であってもよい。走査単一電子トランジスタマイクロスコピー：個々の電荷の画像処理、第２７６巻、５７９−５８２ページ（１９９７年）というタイトルで、「サイエンス」において、ヨー他によって報告された技術を利用して、非常に小さい寸法のソース、ドレイン、ゲート素子が、走査型トンネル顕微鏡（”ＳＴＭ”）チップ上で製作されている。このようなデバイスは、単一電化キャリアの移動を検出することが報告されている。例えば、この様なデバイスのゲートに（１つまたは数個の導電性ポリマー（および関連する先端体）を付着することにより、（単一先端体で）単一の結合事象を検出できる。個々のデバイスを別々にアドレス可能とする場合、各ポリマーストランド／先端体の組み合わせにより、非常に小さい寸法の分子トランジスタを形成できる。別々にアドレス可能なＳＴＭチップについては、「サイエンス」の「アトミックランドスケープがチップマーカーおよびケミストを招く」第２７４巻、７２３−７２４ページ（１９９６年）という題目でサービスにより議論されている。
ＩＩＩ．シーケンシャル電気化学および化学析出技法
シーケンシャル電気化学または化学析出技法は、導電性ポリマーに分子認識表面を付着したり、上述したように作成される半導体ウェハー基板上に導電性ポリマーを付着したりするのに使用してもよい。具体的には、本発明の処理方法は、電気化学分子層エピタクシー（ＥＭＯＬＥ）として本明細書において言及される処理において、導電性の高い端子接触部を持つ液晶導電性ポリマーすなわち「分子ワイヤ」内へのモノマー、ポリマー、マクロ分子、または薄膜の析出、高分子化、および／または配向を行うために、電気化学原子層エピタクシー（ＥＣＡＬＥ）、シーケンシャル単一層電着（ＳＭＥＤ）、および、薄膜化学析出（ＣＤ）に関係する各種処理を用いてもよい。好ましくは、形成された１次元分子ワイヤの１つの端子接触部は、「分子はんだ付け」、すなわち、基板表面（即ち、半導体ホモ接合基板のｐ型表面上に被覆されたバックメタル）に電気的に接続される。もう一方の端子接触部は、上記図２に図示される通り、基板表面に垂直な伸張した液晶導電性ポリマー配向により、外方向に向けられる。類似の析出技術の繰り返しは、分子認識部位から半導体基板に迅速且つ直接的な導電を行えるようにする遊離端子接触部（図２に図示）に活性分子認識先端体を「分子はんだ付け」または電気的に接続したりするのに使用される。
本発明の好ましい一実施例において、シーケンシャル析出は、半導体基板の特定領域（例えば、基板電極の特定の電気的または化学的に活性された表面領域）においてのみ発生する。これにより、個々に配線された分子認識部位のパターン化表面が得られる。
３つのシーケンシャル析出技術（電気化学および化学技法）の例、および化合物半導体と導電性ポリマーの原子層の生成への適用については、以下の第ＩＩＩセクション、Ａ−Ｃにおいて記載する。電気化学分子層エピタクシー（ＥＭＯＬＥ）と呼ばれるこれらの処理の改良形態は、単一センサ部位またはセンサ部位配列を製作するのに用いてもよい。
Ａ．電気化学原子層エピタクシー（ＥＣＡＬＥ）
半導体のエピタキシャル成長は、重要で活動的な研究エリアである。高品質の半導体薄膜材料の調製のための新しい低温技術の開発は、半導体チップ産業にとって基本的に重要である。これらの材料の真空内（例えば、分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ））でのエピタキシャル成長の研究にはかなりの努力が捧げられてきた。電着は、真空技術の代替技術である。また、電気化学技術は、通常、室温付近で行われるので、真空析出方法に使用される高温に関連する内部拡散の問題を避けることができる。研究は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエピタキシャル電着に対して向けられてきた。エピタキシャル電着およびデジタルエッチング、電気化学原子層エピタクシー（ＥＣＡＬＥ）のための方法が開発されている。この方法には、化合物を構成する成分の原子層の交互の電着が含まれる。低電位析出法（ＵＰＤ）を使用することによって、析出は１原子層に限定される。ＵＰＤは、バルク析出に必要な電位以下で、析出エレメントが基板表面原子と化合物を生成するような表面限定処理である。このエレメントの析出は、表面が「被覆される」まで続く。その表面が被覆された後、後続の析出には、バルク析出を促進するためにより高い電位が必要である。このため、ＵＰＤは、通常、単一原子層被覆に制限される。
ＡＬＥ（原子層エピタクシー）は、半導体成長のための一連の真空ベースの方法であり、この方法では、化合物成分の原子層が交互に析出して、化合物が一度に１原子層ずつ生成される。ＡＬＥは、分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ）、金属有機分子ビームエピタクシー（ＭＯＭＢＥ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）など各種薄膜形成方法に適用可能である。これらの真空方法は、エピタキシャル析出を得るために反応フラックスの慎重な制御が必要であるなどの問題を含んでいる。ＡＬＥは、現在開発中で、これにより成長パラメータのあまり厳格でない制御が行える。ＡＬＥの独自性は、一度に１つの原子層による化合物成長である。この技術は、表面特有の反応に依存し、その結果、反応性が単一層だけに発生する。この反応物が元素蒸気である場合に、基板温度は、バルク析出が昇華する一方で、化合物生成から生じる安定性の向上によって第１単一層が残るように調整される。第１の元素のポンピング（排出）後、同様の手順が、第２の元素に関して実行される。ＣｄＴｅなどの化合物の場合、Ｃｄの層を形成した後に、Ｔｅの層が形成される。薄膜成長は、そのサイクルを繰り返すことにより達成される。
ＭＯＣＶＤモードでのＡＬＥによるＧａＡｓなどの化合物の生成において、Ｈ₃Ａｓのフラックス、即ち、砒素前駆体ガスは、単一Ａｓ表面層の形成を行える温度で基板に曝される。過剰なＨ₃Ａｓは全て、高真空下で排出される。Ａｓ原子層は、前に析出したＧａによる化合物生成によって安定化する。テトラメチルガリウム（ＴＭＧ）のフラックス、すなわちガリウム前駆体ガスを、その後、表面に曝し、同様に、Ｇａの原子層が形成される。過剰なガスは、高真空下で排出される。この薄膜は、このサイクルを繰り返すことにより生成される。
ＥＣＡＬＥは、単一層を析出するための、温度制御の代わりにＵＤＰを用いた原子層エピタクシー（ＡＬＥ）の電気化学的な類似方法である。現在、両方の元素の原子層を電着するためにＵＰＤを使用する場合、１つの元素は、還元的ＵＰＤによって析出され、もう一方の元素は、酸化ＵＰＤによって析出される必要がある。この様にして、低電位で析出された元素の１つは、もう一方の元素を継続して析出するために使用される電位で表面上に保持できる。ＣｄＴｅなどの化合物の生成において、Ｔｅは、かなり負方向の電位でＴｅ^2-から酸化的に低電位で析出できる。次に、カドミウムは、より正方向の電位でＣｄ²⁺溶液から還元的に低電位で析出でき、前に析出したＴｅは安定した状態になる。電着された半導体は、通常３００℃で１５分間のアニールが行われるＡＬＥとは違い、アニールする必要はない。
析出とは逆の処理であるデジタルエッチングは、ＥＣＡＬＥ方法から自然に拡張したものである。負方向の電圧差を増加させて単一層を剥離およびエッチングすることは可能である。化合物半導体から化合物半導体の元素の一部、好ましくは原子層を剥離するのに充分な交流の電気化学電位差が、基準電極と化合物半導体との間に印加される電気化学フローセルシステムにおける化合物半導体のデジタル電気化学エッチング方法については、スティックニー他の米国特許第５，３８５，６５１号およびスティックニー他のＷＯ９４／２８２０３に記載されている。
Ｂ．シーケンシャル単一層電着法（ＳＭＥＤ）
シーケンシャル単一層電着法（ＳＭＥＤ）は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の単一層を生成し、また、上述したＥＣＡＬＥ方法に関連している。しかし、ＥＣＡＬＥ方法と異なり、析出された元素はすべて同一の電気メッキ溶液内にある。これらの元素は、共析出され、その後、過剰に析出された元素は、電気化学的に剥離される。例えば、Ｃｄ²⁺およびＳｅ^2-は、ニッケル回転ディスク電極に関する高速走査速度でサイクリックボルタメトリによって同一の電気メッキ溶液から析出されてもよい。この手順は、１原子層以下の量のＣｄＳｅと、化学量論上過剰なＣｄとを陰極に析出する周期的な析出スキームを使用して、バルクＳｅ生成の問題を解消するために考案された。過剰Ｃｄは、その後、ボルタメトリーサイクルの一環として正方向の電位に電極を掃引することによって剥離される（Ｃｄは、熱力学的還元電位付近で容易に剥離される）。ＣｄＳｅ相は、大きな負の形成自由エネルギー（△Ｇ_f,298k＝−１４１．５ｋＪｍｏｌ^-1）を有するので、この処理で析出される遊離Ｓｅは、過剰Ｃｄと反応してＣｄＳｅを形成し、その薄膜内における大量の過剰Ｓｅには至らないと考えられた。最終的な結果は、このため、化学量論上のＣｄＳｅを一度に単一層（またはそれ以下）ずつ順次析出したものとなる。この様な処理は、組成的に同質で、化学量論上の薄膜が得られ、大きな熱力学的または動力学的な安定性を持つ二元材料を電着する一般的な方法となる場合がある。（Ｋｒｅｓｓｉｎ，ＡＭ；Ｄｏａｎ、ＶＶ；Ｋｅｉｎ、ＪＤ；Ｓａｉｌｏｒ、ＭＪ：シーケンシャル単一層電着による化学量論的なセレン化カドミウム薄膜の合成、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．３（６）：１０１５−１０２０ページ、１９９１年）。
Ｃ．薄膜化学析出法（ＣＤ）
導電性ポリマーは、フレキシブル発光ダイオード、化学センサ、および光起電力デバイスなどの電子および化学デバイスの活性要素として引き続き有望であると見られている。その結果、これらの材料の薄膜処理技術は、有益な全有機薄膜デバイスの製作および最適化を成立させるのに益々重要になりつつある。スピンコーティング、電着、ラングミュア−ブロジェット薄膜移動などの技術は、薄膜内に共役ポリマーを薄膜にするために利用されているが、成功率は様々である。フォウ他（Ｆｏｕ，ＡＣ；Ｅｌｌｉｓ，ＤＬ；Ｒｕｂｎｅｒ，ＭＦ：超薄膜、高導電性、原位置高分子化Ｐドープ共役ポリマーの析出における分子レベルでの制御。Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．３２８：１１３−１１８ページ、１９９４年）は、厚さおよび多層構造に関するオングストロームレベルの制御による導電性ポリマーの薄膜の製作のために開発された薄膜処理技術について記載している。原位置高分子化共役ポリマーの分子セルフアセンブリは、基板が、ｐドープ導電性ポリマー（例えば、ポリピロール、ポリアニリン）の溶液と、ポリアニオンの溶液とに交互に滴定される、層ごとの処理から成る。原位置酸化高分子化は、導電性がより高く、未誘導の形態の共役ポリマーを生成し、正確に制御された厚さ（３０から６０オングストローム）の単一層として析出される。各層の厚さは、適定時間と、溶液の化学的性質とを調節することにより細かく調整できる。基板の表面化学（例えば、親水性、電荷など）は、析出に強く影響を与え、それにより、充分に画定された基板領域上に導電性ポリピロールを選択的に析出することを可能にする。
Ｄ．電気化学分子層エピタクシー（ＥＭＯＬＥ）
電気化学分子層エピタクシー（ＥＭＯＬＥ）は、規則性の高い分子材料を生成するために、基板表面上に析出されたマクロ分子の構造および特性をエンジニアリングするために使用される処理技術である。好ましくは、この処理により、上述した種類の液晶構造を生じさせる。通常、結晶化は１種または数種の原子または小分子から成る同質で規則的な材料を生成すると考えられている。しかし、例えばプロテイン、ＤＮＡ、リボゾームなどの超分子アセンブリ、１億ダルトンを越える原子量を有するウイルスなど、より大きいまたはより複雑な分子さえも結晶化することが可能である。実際、これは、多くのマクロ分子の構造を明らかにする上で必要なステップである。２つ以上の異なった成分の結晶化も可能である。本発明は、２次元結晶体の層またはバイオセンサの製作のために相互接続されたマクロ分子の一般的に規則正しい配列を生成するＥＭＯＬＥ技術を提供する。本発明に記載されているように、ＥＭＯＬＥは一般的に（ヘルムホルツ二重層を維持する）低電流密度および電位を用いて、基板表面で単軸配向の液晶導電性バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）を析出する。
好ましくは、本発明の方法は、ＥＭＯＬＥを用いて、液晶結晶体導電性ポリマーまたは導電性端子接触部を持つ「分子ワイヤ」内に、モノマー、ポリマー、マクロ分子、または薄膜を、析出、付着、高分子化、および／または配向させる。本明細書で使用される「薄膜」は、平面状の２次元基板上の充分に画定された原子または分子析出層を意味する。この薄膜は、多くの技術（即ち、ＡＬＥ、ＣＶＤ、ラングミュア−ブロジェット、ディップコーティング、スピンコーティング、ＥＭＯＬＥなど）によって作成され、多くの材料で構成できる。薄膜は、「ローン」または「液晶」として特徴付けられる場合もある。
配向された液晶ポリマーを促進する条件について以下に説明する。ＥＭＯＬＥは、配向された液晶導電性ポリマー（例えば、先端体端部や基板端部）の各端部で導電性電子接続を形成するために用いてもよい。これらを液晶配向における導電性ポリマーストランドの第１端に接続することにより、分子認識先端体は、分析種の化学的または生化学的結合／認識において空間的な悪影響を受けない。分析物が分子認識部位に結合される結果、半導体基板に付着された配向された液晶導電性ポリマーや薄膜を通じて、配向された液晶分子認識部位からの高速な電子または正孔の移動により信号が発生する。この信号の振幅や、電子数や半導体表面にトンネリングした正孔の数を総合すると、存在する特定の分析物の量を反映する。
本発明の好ましい実施形態では、第１の電着サイクルにより、基板上（例えば、上述のｐ−ｎ接合太陽電池など半導体のｐ型表面）の導電性ポリマーのストランドを固定する。これを図４Ａに図示する。このサイクルでは、析出されるポリマー４０４を含む第１媒体４０２（またはモノマーなどそのポリマーの前駆体）を、基板４０６と接触させる。好ましくは、必ずしもそうでなくてもよいが、媒体４０２は、ポリマーストランドを溶解する液体である。媒体４０２は、図示した通り、容器４０７の中に保持したり、連続フローリアクター内の基板４０６の上を通過させてもよい。その後、電位が回路４０８経由で基板４０６に印加され、固定されたポリマーストランド４１０のローンを析出する。回路４０８は、基板４０６、媒体４０２、カウンタ電極４１２、および電源４１４を有することに注目する。ポリマーストランド４０４が正の電荷を有する場合、基板には負の電位が印加されるが、負の電荷を有する場合、正の電位が基板に印加される。何れの場合にも、電位、電流密度の何れかまたはその両方は、（１）電子伝達を許容する程度の力でポリマーが基板に固定され、（２）析出されたポリマーストランドが、実質上同一の方向性を有するように制御すべきである。端部を選択的に基板406の表面と結合させるため、ポリマー４０４の一端部だけに電荷基を含むことが望ましい場合がある。ポリマーストランドが核酸の場合、電荷基は、それを核酸ストランド（従来の核酸プローブと同様に設計される）の一端に含めることにより付着でき、そのストランドは、固定される核酸の一端に対して相補的になる。勿論、ポリマーストランドの一端に電荷基（または他の官能基）を付着する別の技術は、当業者に周知であり、本発明の文脈において有益に用いてもよい。
特定の実施形態において、約１０から３００μＡｃｍ^-2までの範囲の電着電流密度、および約１０から３００ｍＶまでの範囲の電圧が、液中の太陽電池のｎ型およびｐ型表面で光誘導された光導電性によって発生する可能性がある。析出サイクルの変数は、ｉ）印加した電位（即ち、磁界／電圧）；ｉｉ）溶液状態（即ち、析出した材料の濃度、ｐＨ、電解液、溶剤、温度など）、およびｉｉｉ）半導体基板（即ち、多結晶、単結晶、単一結晶表面配向、滑らか、または繊維化した表面、金属接触部コーティング、コーティングの格子整合など）を有する。当業者に理解される通り、これらの変数は、最適な分子規模の構造を生成するために調整してもよい。
例えば、適切な分子ワイヤを析出するために以下の指針を用いてもよい。最初に、印加された電位は、半導体基板上への導電性ポリマーおよび分子認識先端体の電着時にヘルムホルツ二重層を維持するのに充分な低さ（例えば、０．００１から１５００ｍＶ）でなければならない。印加電位範囲は、析出する材料の大きさ、電荷密度、対イオン、および粘性によって変わる。第２に、電流密度は、半導体基板上への導電性ポリマーおよび分子認識先端体の電着時にヘルムホルツ二重層を維持するのに充分な低さ（例えば、０．００１から１５００μＡｃｍ^-2）でなければならない。電流密度範囲は、析出すべき材料の大きさ、電荷密度、対イオン、粘性によって変わる。第３に、半導体基板は、半導体基板の表面上の単軸配向液晶構造の電着時にヘルムホルツ二重層を維持するものを選ぶべきである。注記される通り、滑らか、または繊維化された表面を有する多結晶または単結晶でもよい。また、金属接触部コーティングを有してもよい。
更に、溶液条件は、一定の特定判定基準を満たすべきである。例えば、析出された材料の濃度は、半導体基板上への導電性ポリマーおよび分子認識先端体の電着時にヘルムホルツ二重層を維持するのに充分な低さ（例えば、０．００１から１０ｍｇ／ｍＬ）とすべきである。更に、ｐＨは、半導体基板の表面から反対の電荷のポリマーを生成するために導電性ポリマーおよび分子認識先端体のｐＫ_aまたはｐＩよりｐＨ単位で約２つ大きいまたは小さい値に調整すべきである。また更に、電解液は、半導体基板の表面上に単軸配向の液晶構造の電着時にヘルムホルツ二重層を維持する対イオンタイプおよび電解質濃度を有するように選択すべきである（例えば、０から１５０ｍＭ塩）。電解質濃度が高い場合、発生する電流の量が多すぎるため、電気化学析出処理時にヘルムホルツ二重層を破壊してしまう。また、溶剤は、半導体基板の表面上の単軸配向液晶構造の電着時にヘルムホルツ二重層を維持するため有機的、且つ水性溶剤の範囲から選ぶべきである。導通ポリマーおよび分子認識先端体は、使用される溶剤または共溶剤に可溶とすべきである。最後に、温度は、半導体基板の表面上の単軸配向液晶構造の電着時にヘルムホルツ二重層を維持するため溶剤または共溶剤の凝固点（ｆｐ）より高く、且つ沸点（ｂｐ）より低くすべきである。
センサ生成処理時、第２の電着サイクルは、分子認識部位を下部の単軸配向液晶導電性ポリマー層に付着するために実行される。この第２サイクルは、図４Ｂに図示する。第１の析出サイクル同様、所望の材料は、媒体、好ましくは液体媒体４２２から析出される。この場合、第２媒体４２２は、先端体４２０、即ち、析出すべき適切な前駆体を含む。媒体４２２を（第１サイクルでポリマーストランド４１０が固定された）基板４０６に接触させた後、電位を回路４０８経由で基板に印可して第２サイクルを行なう。この電位は、先端体上の電荷によって正方向にも負方向にもなる。この結果、ポリマー４１０の非固定端部に付着される固定先端体４２４のローンが析出する。電位、電流密度の何れかまたはその両方は、（１）電子伝達を許容する程度の力で先端体がポリマーストランドに固定され、（２）析出された先端体が実質上同一の配向を有するように固定すべきである。析出サイクルの変数は、下層の単軸配向液晶導電性ポリマー層４１０に個々に「配線される」単軸配向液晶の化学的または生物学的に活性な分子認識部位４２４の単一分子層の生成を確実にするために調整される。析出すべき先端体は、ストランド４１０上において先端体を所望する配向に向ける１つまたはそれ以上の官能基を備えてもよい。ポリマーストランド同様、先端体は、電荷基と官能化してもよい。多くの場合、先端体の活性部位が媒体に面した状態で付着するように、電荷基を、先端体の活性部位から離れた位置に配置するのが望ましい。
析出条件は、析出すべき材料に合わせて調整しなければならない。本発明の一実施例には、ＤＮＡ析出およびＧＯＤ酵素析出条件は、たまたま同様の電流密度および印加した電位（例えば、１０から３００μＡｃｍ^-2と、１０から３００ｍＶ）を使用している。しかし、この２つの析出サイクルにおける溶液条件（即ち、析出された材料の濃度、ｐＨ、電解液、溶剤）は、同じではない。
明らかな様に、析出反応では、ポリマーストランドおよび認識先端体が、電界において電荷を帯び、移動可能である必要がある。このため、第１および第２媒体の組成は、慎重に選ぶ必要がある。通常、必ずではないが、第１の媒体を除去し、基板を乾燥し、第２媒体と接触させる。
１．単軸配向液晶導電性バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）の析出
本発明の実施形態において、ＥＭＯＬＥ方法は、基板（例えば、多結晶ｐ−ｎ接合太陽電池のｐ型シリコン）の表面上の液晶導電性ポリマー（例えば、ＤＮＡおよびプロテイン）を順次析出、付着、配向するのに使用される。例えば、ＤＮＡ電解質析出溶液のｐＨは、約６．０（ＤＮＡのｐＫ_aまたはｐＩより２ｐＨ単位以上大きな値）に調整されて、負に帯電したＤＮＡバイオポリマーを生成する。液中の太陽電池により光誘導された光導電性により、正のｐ型シリコン表面上に負に帯電したＤＮＡストランドを単軸配向に向ける電界をＤＮＡ電解質溶液中に発生させる。太陽電池により印加された電流密度および電位差は、ｐ型シリコン表面と、溶液中のＤＮＡおよび対イオンとの間のヘルムホルツ二重層（ウェストフォールの米国特許第５，２１５，６３１に記載される）を形成および維持するに充分な低さとなる。非常に穏やかなＥＭＯＬＥ状態であれば、半導体基板表面に直交する単軸配向の液晶伸張されたＤＮＡ構造の電気化学析出を容易にする。「穏やか」であるということは、その状態で、上述のウェストフォールの文献に記載される通り、ヘルムホルツ二重層を維持できるとを意味する。
ＥＭＯＬＥ方法は、シリコン基板チップの表面に固定された単軸配向液晶ＤＮＡ層上にある液晶導電性プロテイン（即ち、分子認識部位）を順次析出、付着、配向するのに使用してもよい。例えば、プロテイン電界質析出溶液のｐＨは約７．０まで（プロテインのｐＫ_aまたはｐＩより２ｐＨ単位以上大きな値）とされ、負に帯電したプロテインバイオポリマーを生成する。液中の太陽電池によって光誘電された光導電性により、プロテイン電解質溶液中の電界が発生し、この電界は、液晶ＤＮＡ分子ワイヤの「ローン」の上に負に帯電したプロテインを単軸配向に向ける。太陽電池により印加された電流密度および電位は、溶液中のＤＮＡ修飾ｐ型シリコン表面と、プロテインおよび対イオンとの間のヘルムホルツ二重層を形成および維持するのに充分な低さとなる。非常に穏やかなＥＭＯＬＥ状態は、単軸配向に向けられた液晶伸張されたＤＮＡ構造の第１の単一層を、半導体基板表面に直交するように維持するシーケンシャル電気化学析出を容易にする一方、以下の文献により特徴付けられる液晶ＤＮＡワイヤの「ローン」の上に、単軸配向の液晶プロテイン「先端体」の第２の単一層を析出させる。Ｃｏｌｌｉｎｇｓ，ＰＪ：液晶：天然の繊細な物質相、第３章、電磁界効果。プリンストン大学出版部；プリンストン、ニュージャージー州、１９９０年、３５−５５ページ。Ｃｏｌｌｉｎｇｓ，ＰＪ：液晶：天然の繊細な物質相、第９章、ポリマー液晶。プリンストン大学出版部。プリンストン、ニュージャージー州、１９９０年；１６２−１８０ページ。Ｐｅｌｚｌ、Ｇ：液晶、第２章、屈熱性液晶の熱力学的動作および物理特性、Ｈ；ｇｕｅｓｔ ｅｄ．Ｓｔｅｉｎｋｏｐｆｆ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ ａｎｄ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、ニューヨーク；１９９４年；５１−１０２ページ。Ｚｅｎｔｅｌ，Ｒ：液晶、第３章、液晶ポリマー。Ｓｔｅｇｅｍｅｙｅｒ，Ｈ；ｇｕｅｓｔ ｅｄ．Ｓｔｅｉｎｋｏｐｆｆ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ ａｎｄ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、ニューヨーク、１９９４年、１０３−１４１ページ）。
単軸配向の液晶プロテインの単一層の電気化学析出時に、ＤＮＡシリコン基板は、析出浴から除去されて、印加された電界中で徐々に乾燥および冷却される。これにより、以下の文献に記載される通り、配向した液晶プロテイン構造は、乾燥シリコン基板チップの配向した液晶ＤＮＡ分子ワイヤ端子表面の上に「ロックイン」される。Ｃｏｌｌｉｎｇｓ、ＰＪ：液晶：天然の繊細な物質相、第６章、液晶ディスプレイ。プリンストン大学出版部；プリンストン、ニュージャージー州；１９９０年、９６−１２０ページ。Ａｌｂｒｅｃｈｔ，Ｃ；Ｅｎｋｅｌｍａｎｎ，Ｖ；Ｌｉｅｓｅｒ，Ｇ；Ｓｃｈｗｉｅｇｋ、Ｓ；Ｗａｎｇ，Ｗ；Ｗｅｇｎｅｒ，Ｇ；Ｚｉｅｒｅｒ，Ｄ：ポリマーの結晶化における棒状マクロ分子の結晶化動作。Ｄｏｓｉｅｒｅ，Ｍ；ｅｄ．Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ；Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ，ボストン、ロンドン；１９９３年；３２３−３３０ページ。Ｂｒａｎｄｅｓ，Ｒ：第１部、ＮＭＲ用調製無線周波数の生成。第２部。配向したＤＮＡのジュウテリウムＮＭＲ研究と、水との関係。Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．カリフォルニア大学化学学部。サンディエゴ；１９８８年。
ＥＭＯＬＥは、電着構造を用いるため、析出される種は、帯電させなければならない。この様な帯電は、溶液相内の多くの物質の上で天然に存在する。しかし、物質の多くは、ＥＭＯＬＥ析出を容易にするために帯電させなければならない。例えば、バイオポリマーの多くは、そのｐＫ_aまたはｐＩより２ｐＨ単位以上低い値にバイオポリマー電解質析出溶液のｐＨを調整することによって正に帯電させることができる。結果的に正に帯電した種は、例えば、負のｎ型半導体表面上への電気化学析出に適している。
全ての液晶同様、本発明の配向されたポリマーは、適切に機能化された原子団をポリマーバックボーンに付加することにより、その特性を調製することができる。この様な特性は、強誘電性、非線形光学活性、電荷移動性ばかりでなく、機械的強度も含んでいる。これに拘る物理的原理は、多くの図書に要約されている。（Ｃｏｌｌｉｎｇｓ，ＰＪ：液晶：天然の繊細な物質相。プリンストン大学出版部；プリンストン、ニュージャージー州；１９９０年。Ｓｔｅｇｅｍｅｙｅｒ，Ｈ（ｇｕｅｓｔ ｅｄ．）：液晶。Ｓｔｅｉｎｋｏｐｆｆ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ ａｎｄ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，ニューヨーク；１９９４年。Ｐｌａｔｅ．ＮＡ（ｅｄ．）：液晶ポリマー。Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ；ニューヨーク、ロンドン；１９９３年。Ｄｏｓｉｅｒｅ，Ｍ（ｅｄ．）：ポリマーの結晶化。Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ；Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ、ボストン、ロンドン；１９９３年）。液晶および液晶ポリマーの異方性化学特性および物理特性は、形成された分子規模構造の結果である。近年実現されたものとしては、分子規模の構造の操作、およびその操作による、液晶および液晶ポリマーの機能は、異なった機能化した有機分子の使用に依存するだけでなく、溶剤、電解液、不純物、ドーパントなどの変数、液晶場効果（即ち、印加された電気的、磁気的、温度的、機械的、電磁放射的、化学的場）；使用される処理技術に大きく依存する（Ｃｏｌｌｉｎｇｓ，ＰＪ：液晶。天然の繊細な物質相。プリンストン大学出版部；プリンストン、ニュージャージー州；１９９０年。Ｓｔｅｇｅｍｅｙｅｒ，Ｈ（Ｇｕｅｓｔ ｅｄ．）：液晶。Ｓｔｅｉｎｋｏｐｆｆ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ ａｎｄ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、ニューヨーク、ロンドン；１９９３年。Ｄｏｓｉｅｒｅ，Ｍ（ｅｄ．）：ポリマー結晶化。Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ；Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ，ボストン、ロンドン；１９９３年。Ｃｏｌｌｙｅｒ，ＡＡ（ｅｄ．）：液晶ポリマー。構造から適用まで。Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ；ロンドン、ニューヨーク；１９９２年。Ｌａｍ，Ｌ；Ｐｒｏｓｔ，Ｊ（ｅｄｓ．）：液晶におけるソリトン。Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ；ニューヨーク、ベルリン、ハイデルベルグ、ロンドン、１９９２年）。例えば、導電性ポリマーへの分子認識表面の結合は、本発明によって提供されるＥＭＯＬＥ製作技術を使用したＤＮＡおよびプロテインの順次析出によって形成されたキラルスメクチック（層状コレステリック）液晶構造から発生する場合がある。一実施形態において、バイオポリマー（ＤＮＡおよびプロテイン）およびＥＭＯＬＥは、分子認識（ＭＲ）デバイスを製作するのに使用される。
ＩＶ．導電性ポリマーおよび薄膜
多くの異なった導電性ポリマーおよび薄膜は、半導体または標準的な電気材料基板に分子認識部位を「配線」するために用いることができる。通常、この様なポリマーは、生物学的、有機的、無機的、水溶性、脂質溶性なもの、またはその組み合わせであってよい。本発明に適切な導電性ポリマーの多くの例は、Ｓｋｏｔｈｅｉｍ、ＴＡ：導電性ポリマーハンドブック。第１−２巻。Ｓｋｏｔｈｅｉｍ，ＴＡ，ｅｄ。Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．；ニューヨーク、バーセル、１９８６年、に記載されている。本発明においての使用に適切な導電性ポリマーおよび薄膜の種類は、以下の一般的種類があるが、これらに限定されない。芳香族金属ドープポリマー（例えば、金属塩によってドープされたポリアニリン）、π−積み重ね（芳香族）ポリマー（例えば、ポリフェナントロリン；π−積み重ねメタロポルピリンのピラジン架橋ポリマー；２，３，６，７，１０，１１−ヘキサヘキシルチオトリフェニレン（ＨＨＴＴ））、π−積み重ね（芳香族）螺旋ポリマー（例えば、ＤＮＡ）、有機π−共役線形ポリマー（例えば、ポリアセチレン）、ヘテロ環状ポリマー（例えば、ＤＮＡ、ポリポルフィリン）、マクロ環状ポリマー（例えば、レドックス金属付きポリポルフィリン；レドックス金属付きポリテトラザシクロドデカン）、ポルフォリンポリマー、ポリマー複合体（例えば、層状ポリマー混合物）、多電解質ポリマー（例えば、プロテイン、ＤＮＡ）、液晶ポリマー（例えば、ある種のプロテイン；ＤＮＡ；ポリポルフィリン；２、３，６，７，１０，１１−ヘキサヘキシルチオトリフェニレン（ＨＨＴＴ）、自変性ポリマー（例えば、レドックス金属を有するポリサーファクタント；ＨＨＴＴ）、分岐ポリマー、突起状ポリマー（例えば、レドックス金属を有するスターバーストデンドリマー）、無秩序ポリマー（例えば、ガラス内のレドックス金属付きポリ（ＳｉＯ₂）_n）、バイオポリマー（例えば、プロテイン、ＤＮＡ、ポリポルフィリン）、無機ポリマー（例えば、イオン（水素）酸化物）、有機金属製ポリマー（例えば、フェロセンポリマー）、無機／有機水性ポリマー（例えば、イオン（水素）酸化物／ポリビピリジン複合体）、メタロセンポリマー（例えば、ポリフェロセン）、包含化合物ポリマー（例えば、レドックス金属付きポリゼオライト）、混合ドープポリマー、コロイド／ゾルゲルドープポリマー（例えば、レドックス金属を有するポリＳｉＯ₂）_n）、イオノマー（例えば、ＤＮＡ、あるプロテイン、およびあるポリサーファクタント）、金属クラスタードープポリマー（例えば、鉄（水素）酸化物）／ポリビピリジン複合体）、レドックスポリマー（例えば、Ｈｅｌｌｅｒ（オスミウム−ＰＶＰ）およびＳｋｏｔｈｅｉｎ（フェロセンーポリシロキサン））、ブロックポリマー、グラフトポリマー、遷移金属膜（例えば、原子層エピタクシーによって析出（ＡＬＥ）、高温超伝導膜（例えば、適切なレドックス金属の原子層エピタクシー（ＡＬＥ））、ラングミュア−ブロジェット膜（例えば、洗剤、両極、界面活性材）、ゾルゲルガラス膜（例えば、スピンガラス膜など）、または上記の組み合わせ。ここでは、これら各々の適切なストランド長の導電性ポリマーを用いている。
幾つかの場合において、天然形成のポリマーは、絶縁性であるが、適切なドーピング、水和、不純物の添加、構造上の変化、イオン化、酸化、還元などの時に、導電性となる。更に、導電性ポリマーの中には、導通状態と絶縁状態の間を反転するものもある。例えば、ポリアニリンは、プロトン化または酸化されると導電性となる。他の「切替可能」導電性ポリマーは、例えば、以下のモノマー、即ちＮ−メチルピロール、チオフェン、３−メチルチオフェン、３，４−ジメチルチオフェン、ビニルフェロセン、スチレン、ニトロスチレン、ビオロゲン、ビニルピリジン、ビニル２−２’−ビピリジン、ビニルルブレン、キノンベース化合物、その誘導体から高分子化したポリマーを有する。本発明は、主要なまたは付加的な感知機構の様な導電性切替を利用してもよい。例えば、センサ信号は、以下の２つの事象、即ち、分子認識先端体とリガンドの結合と、ポリマー配線を導電させるｐＨ変化と、の組み合わせによって誘発されてもよい。
（例えば、薬品および薬剤を生成するために）有機合成に使用される酵素は、本発明の分子認識先端体としても使用することができる。これらには、組み合わせや市中で販売されているエステラーゼ、リパーゼ、アミダーゼ、アシラーゼなど、有機溶剤および高温での反応を触媒化できる幅広い基板特性を有する好熱性および好中性酵素が含まれるが、これらに限定されない。エステラーゼまたはリパーゼとのリガンド結合時、へき開したエステル結合からアルコールおよびカルボン酸を生成させる反応が発生する。これにより、先端体／切替可能なポリマーの環境がより酸性になるので、可逆切替可能なポリマーを陽子化または導電性にする。アミド結合のアミダーゼまたはアシラーゼへき開は、遊離アミンまたはカルボン酸を発生させる。アニオン交換支持により酸をキレート化すると、先端体／切替可能なポリマー分子環境をより塩基性にする遊離アミンの濃度が増加した状態となるため、可逆切替可能なポリマーを中性または絶縁形態に非陽子化させる。有機合成において使用される酵素の例は、人間の血液中の薬品または薬剤のレベルをモニターするため、分子認識先端体として使用することができる。
エステラーゼ、リパーゼ、アシラーゼ、またはアミダーゼは、アルコール、カルボン酸、または遊離アミンへのリガンドの保護を解除して、本発明に記載される方法によって信号を発生させるのに使用される第２分子認識先端体のための適切な基板となるために使用してもよい。例えば、コレステロールエステラーゼは、コレステロールに対する血中コレステロールエステルをへき開し、その後コレステロールオキシダーゼ用の基板となる。コレステロールオキシダーゼは、本発明の一例として記載されるグルコースオキシダーゼに似た信号を発生させる。
他の方法としては、例えば、スウェイガー他（Ｓｗａｇｅｒ，ＴＭ；Ｍａｒｓｅｌｌａ，ＭＪ］：化学感知トラップおよびバリアを有する導電性ポリマー：新しい分子ベースセンサ。Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．３２８：２６３−２６６ページ、１９９４年）が、特定イオンの存在下でバンドギャップに大きな変化を呈する可逆切替可能なポリチオフェーネ誘導体を記載している。これらの材料は、ビチオフェンモノマーを含む新規のクラウンエーテルに基づく。Ｋ⁺およびＮａ⁺に対して選択的なセンサポリマーについて記載されている。この様な材料において、特定のイオンは、ポリマーバックボーンの捻じれを誘発し、結果的として、チオフェン環同士のπ−軌道オーバラップが減少し、絶縁（より高いバンドギャップ）形式を発生させる共役の程度を低下させる。
もう１つの例としては、特定配列ＤＮＡセンサがある。５’または３’ターミナスチオールを有する単一螺旋ＤＮＡ（非導電または絶縁形）の特定配列は、金電極基板に吸収させることができる。相補的なＤＮＡ配列を含む分析物サンプルは、ＤＮＡの導電形であるＤＮＡ二重螺旋ポリマーを発生させる。これにより、ＤＮＡ配列検出器が得られる。間違った配列のＤＮＡは、ＤＮＡの二重螺旋ポリマー（導電形）を生成しない。単一螺旋ＤＮＡ上の適切な末端基の機能性、または、ＥＭＯＬＥ方法を使用した単一螺旋状ＤＮＡで末端基の無いもの（即ち天然ＤＮＡ）は、ＤＮＡ配列検出器として使用される特定配列の単一螺旋（単離形式）ＤＮＡを半導体基板上に置くために使用できる。犯罪現場におけるＤＮＡは、ＰＣＲ技法や、労力がかかり非常にコストのかかるＤＮＡ配列の研究手順は使用せず、その場で識別される。
モノマーの化学的、光学的、電気的高分子化は、半導体または標準的な電気材料基板表面上で直接発生する場合があり、あるいは、前もって高分子化したポリマーを配置する場合もある。更に、一度付着され、高分子化されたポリマーまたは薄膜は、導電性の高い液晶ポリマーまたは薄膜形式に配向することができる。これは、適切な電界、磁界、化学（溶剤）場の存在下においてポリマーを析出することによって達成される。前処理またはポリマーのコンディショニングについては、ポリマー合成ハンドブック（プラスチックエンジニアリングシリーズ、第２４巻、Ｋｒｉｃｈｅｌｄｏｒｆ、Ｈ．Ｆ．，１９９１年）に記載されている。化学高分子化には、例えばＨ₂Ｏ₂、有機過酸化物、または２，２’−アゾビシソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を用いてもよい。光高分子化には、高分子化を開始および拡散できる光化学ラジカルを発生させるフォトンを用いてもよい。現在、導電性ポリマーの合成には電気重合が用いられている。
Ａ．電子伝達プロテイン
本発明に有効とされる導電性バイオポリマーの一例は、電子伝達プロテインである。電子伝達プロテインは、数億年もの生物進化の産物であり、電子伝導機能を微小チューニングするものである。自然界において、電子伝達プロテインは、液晶脂質二層膜内に存在する場合が多く、その膜によって配向される。本発明では、電子伝達プロテインは、ＥＭＯＬＥ結晶化処理技術によって密閉パックされて配向された２次元結晶構造内に配置してもよい。これにより、複数の分子ワイヤ相互接続として適切に配向された表面構造を発生させる。
プロテインの適切な配置および配向は、結晶化時の物理的および化学的条件の操作によって達成できる。ＥＭＯＬＥ技術により、センサ用ワイヤとしてプロテインまたはペプチドポリマーを配置するための関連パラメータを理解または最適化する系統的な方法を実現している。より一般的には、ＥＭＯＬＥの新たに開発された技術は、プロテイン結晶構造および機能の実験的制御のためのものである。
電子伝達プロテインは、分子電子デバイス（ＭＥＤ）製作に必要な機能の幾つかを実行するため、本発明による使用に適切な幾つかの実施例、即ち、分子態での電子保存および移動に使用される。これらの特性は、生物学的なマクロ分子のアルファ螺旋およびベータプリーツシート構造、および非プロテイン補欠分子族から発生する。これらの補欠分子族は、プロテインの構造に一体となる無機、有機金属、または金属原子コファクターである。特別に興味深いプロテインは、Ｅ．ｃｏｌｉのシトクロームｂ₅₆₂である。このプロテインは、小型（１２，０００ダルトン）で、４アルファ螺旋モチーフ内に折りたたまれる単一ポリペプチドプロテインを有し、Ｘ線構造が２．５オングストロームとして知られ、最も重要なのは、単一ヘム基は、非共役的に結合されることである。この最後の特性は、調整された様々な金属原子を有するほかのポルフィリン類の置換を許容し、このシステムの実験的な柔軟性を大きく増加させる（Ｕｌｍｅｒ，ＫＭ；分子電子デバイスＩＩにおける分子デバイス製作用自編成プロテイン単一層Ａｓ基板。Ｃａｒｔｅｒ，ＦＬ；ｅｄ．Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ、Ｉｎｃ；ニューヨーク、Ｂａｓｅｌ；１９８７；５７３から５９０ページ）。
プラント内のフォトシステムＩＩおよびフォトシステムＩを電気的に接続する光合成電子伝達プロテインと、ミトコンドリア呼吸による電子伝達プロテインは、液晶脂質に二層膜−クロロプラスト膜によって配向された導電性バイオポリマーの例である。（Ｃｌａｙｔｏｎ，ＲＫ：光および生物、第２巻；生物学編。ＭｃＧｒａＷ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ，ニューヨーク、１９７１年）および電子トンネル機構経由での非常に有効な電子輸送鎖の簡易化（Ｐｅｔｈｉｇ，Ｒ：生物の誘電および電子特性、第９章、バイオマクロ分子の電子特性。Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ；Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ，ニューヨーク；１９７９年、２９０−３５６ページ）。
ミトコンドリアの呼吸鎖に参入するプロテイン間で発見できる電子伝達プロテインには、例えば、フラボプロテイン、非ヘム鉄プロテイン、シトクロームｂ，ｃ₁，ｃ，ａ，およびａ₃である。電子ドナーであるＮＡＤＨを除いて、これらはすべて、電子伝達プロテインであり、ＮＡＤＨの各分子から２つの電子を往復移動させて１／２Ｏ₂をＨ₂Ｏに還元する。このＯ₂への下方向の自由エネルギー電子輸送は、ＡＴＰ即ち、バイオ化学エネルギーのリン酸化生成物の生成に結びつけられている。
緑植物のクロロプラスト膜におけるフォトシステムＩＩからフォトシステムＩへの電子伝達には、電子伝達プロテインシトクロームｂ₅₅₉またはｂ₃およびシトクロームｆが含まれる。フォトシステムＩからの電子伝達には、電子伝達プロテインフェドキシンおよびシトクロームｂ₆が含まれる。
これらの電子伝達プロテインは全て、薄膜内で互いに近接させると、標準的な酸化−還元電位が増加し、高次の鎖において１つの電子伝達プロテインから次の電子伝達プロテインへの２電子の下方向自由エネルギー輸送を容易にする。
Ｂ．ＤＮＡ量子ワイヤ
最近まで電気的に導電性とは通常考えられていない導電バイオセンサの第２例は、ＤＮＡである。（Ｍｅａｄｅ，ＴＪ ａｎｄ Ｋａｙｙｅｍ、ＪＦ：ＤＮＡ経由での電子輸送：ルテニウムドナーおよびアクセプタによる二重螺旋ＤＮＡの部位特定の変性。Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．Ｅｎｇｌ．３４（３）：３５２−３５４ページ、１９９５年。Ｍｕｒｐｈｙ，ＣＪ；Ａｒｋｉｎ，ＭＲ；Ｊｅｎｋｉｎｓ，Ｙ；Ｇｈａｔｌｉａ，ＮＤ；Ｂｏｓｓｍａｎｎ，ＳＨ；Ｔｕｒｒｏ，ＮＪ；Ｂａｒｔｏｎ，ＪＫ：ＤＮＡ螺旋経由での広範囲の光誘導電子輸送。サイエンス、２６２：１０２５−１０２９ページ、１９９３年。Ｍｅａｄｅ，ＴＪ：バイオシステム、第１３章、金属イオンにおけるＤＮＡ二重螺旋反応。第３２巻、ヌクレオチド、拡散、およびその組成を有する金属イオンの結合。Ｓｉｇｅｌ，Ａ；Ｓｉｇｅｌ，Ｈ；ｅｄｓ。Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．；ニューヨーク、Ｂａｓｅｌ、香港：１９９６年：４５３から４７８ページ。Ｓｔｅｍｐ，ＥＤＡ；Ｂａｒｔｏｎ，ＪＫ：バイオシステムにおける金属イオン、第１１章、ＤＮＡに結合される金属複合体同士の電子輸送：ＤＮＡはワイヤか？。小さい分子の金属イオン複合体による拡散のプローブ処理。Ｓｉｇｅｌ，Ａ；Ｓｉｇｅｌ，Ｈ：ｅｄｓ．Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ、Ｉｎｃ．；ニューヨーク、Ｂａｓｅｌ，香港；１９９６年；３２５−３６５ページ．Ａｒｋｉｎ，ＭＲ；Ｓｔｅｍｐ，ＥＤＡ；Ｈｏｌｍｌｉｎ、ＲＥ；Ｂａｒｔｏｎ，ＪＫ；Ｈｏｒｍａｎｎ，Ａ；Ｏｌｓｏｎ，ＥＪＣ；Ｂａｒｂａｒａ，ＰＦ：メタロインターカレータ同士のＤＮＡ媒体による電子輸送率。サイエンス ２７３：４７５−４８０ページ、１９９６年）。ＤＮＡは、周知の溶液および固体結晶構造を有するバイオポリマーである。本発明において、固体基板表面と直交する配向拡張液晶ＤＮＡ構造の配置は、ＥＭＯＬＥ結晶化処理技術によって達成されてもよい。これにより、複数の分子ワイヤ相互接続として適切に配向される表面構造を発生させる。
理論にしばられるのは好ましくないが、導電性媒体としてＤＮＡに関する先進性を説明するためには以下の議論が行われる。ＤＮＡがワイヤとして実際に機能できるかどうかに関しては、まだ技術的なコンセンサスがない。この議論は、一般的にウィルソンによって述べられている（Ｗｉｌｓｏｎ，ＤＮＡ：絶縁器またはワイヤ、Ｃｈｅｍ ＆ Ｅｎｇ．Ｎｅｗｓ．１９９７年：３３、１９９７年２月２４日）。この様な議論が高まる中、以下の議論は、ＤＮＡが実際、非常によい導電性のポリマーであり、本発明のセンサおよびＥＭＯＬＥ方法と共に使用されるのに好ましいワイヤであることを前提としている。
ＤＮＡ経由での長距離の電子輸送（即ち、〜４０オングストロームまたは〜１２塩基対）は、水溶液における実験においてのみでしか確認されていない。ＤＮＡは、固定されたＤＮＡの正確な導電性を測定するために分子の厚さおよび方向の制御がなされて、端子台、基板などに固定される必要がある。近年、固体塩基へのＤＮＡの固定に関する研究は、電子物質候補としてのＤＮＡの使用のために、イオン結合、共役結合、およびプロテイン結合など様々な方法によって報告されている。
岡畑他は、ＤＮＡの細い成型薄膜を作成するためＤＮＡおよびカチオン脂質を使用したポリイオン複合体を調製した（Ｉｊｉｒｏ，Ｋ ａｎｄ Ｏｋａｈａｔａ，Ｙ：有機溶剤に可溶なＤＮＡ脂質複合体。Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．１９９２年：１３３９、１９９２年）。蛍光体およびカチオン脂質として、量子化学イオンの対を形成した。その結果、アルキル基は、ＤＮＡを覆って試験チューブ洗浄ブラシ状の形状を呈し、疎水性となり、瞬間的に発生する。西他は、アルギン酸の水溶液、アルギン酸の残部を有するポリサッカライドにＣａ²⁺またはＭｇ²⁺などの２値の金属イオンを添加することにより２〜３ミクロン×２〜３ｍｍのゲル薄膜を作成した。（Ｉｗａｔａ，Ｋ；Ｎｉｓｈｉ，Ｎ；Ｍｉｕｒａ，Ｙ：Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ、Ｓ；Ｔｏｋｕｒａ，Ｓ：ポリマープレプリント、４２；５９９、１９９３年）。ＤＮＡ構造は、本研究におけるインタカレータの色の吸収試験から薄膜内に維持された。固定方法によって作成された薄膜内のＤＮＡの分子配向は、ランダムで、薄膜の分子方向および厚さを制御するのは非常に困難であった。ジー・デチャー他は、１つの分子の厚さを有したＤＮＡの薄膜を作成する方法について報告した（Ｌｖｏｖ，Ｙ；Ｄｅｃｈｅｒ，Ｇ；Ｓｕｋｈｏｒｕｋｏｖ，Ｇ：ＤＮＡおよびポリ（アリラミン）の代替層の継続的析出による薄膜アセンブリ。マクロ分子２６：５３９６−５３９９、１９９３年）。チョウザメの精子（ｓｔｕｒｇｅｏｎ ｓｐｅｒｍ）から単離した高分子量のＤＮＡは、３３Åの厚みの層を形成し、Ｘ線回折によれば、長軸が基板表面に平行な状態で二次元的に広がっていた。従来の研究では、固定は、複数の点でのアニオン燐酸塩のイオン結合を利用して行われていた。一方、前田他は、上記固定方法で、チオル塩基によりＤＮＡのエッジを化学的に処理することによって金の端子上にＤＮＡの特定エッジを固定したと報告している（Ｍａｅｄａ，Ｍ；Ｎａｋａｎｏ，Ｋ；Ｕｃｈｉｄａ，Ｓ；Ｔａｋａｇｉ、Ｍ：Ｍｇ²⁺−受容体として二重螺旋ＤＮＡを備える選択的電極。Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．１９９４：１８０５−１８０８ページ、１９９４年）。有機チオール化合物は、金と強力に結合する。前田他は、ＤＮＡの方向は、固定したＤＮＡ量の測定から端子に向かって垂直であると考えた。また、イジロ他は、ＤＮＡ、カチオンインタカレータ脂質（Ｃ₁₈−アクリジンオレンジ）、および薄膜を成型するラングミュア−ブロジェット技術を使用した半分子膜の生成を報告した。ＤＮＡ鎖の方向は、圧縮の適用、および異なった方向の導電性を測定することにより試みられた（Ｉｊｉｒｏ，Ｋ；Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ，Ｍ；Ｔａｎａｋａ，Ｍ；Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｈ；Ｈａｓｅｂｅ，Ｋ：固体薄膜（プレス中）。Ｉｊｉｒｏ ａｎｄ Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ、Ｍ：分子電子デバイス用二重螺旋ＤＮＡ。固体物理３０（１２）：１０４２−１０４８、１９９５．Ｂｉｒｄｉ、ＫＳ：液体インターフェイスでの脂質およびバイオポリマー単一層。Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ；ニューヨーク、ロンドン；１９８９年）。様々な表面へのＤＮＡの固定方法の見直しによって証明される通り、通常の半導体または標準電気材料基板上に、高密度の分子ワイヤ相互接続を行う商業用電子物質として使用されるようなＤＮＡ薄膜を配向することには幾分困難がある。
本発明の好ましい実施形態において、ＤＮＡまたは核酸は、半導体基板表面の導電性の高い液晶形態に電気化学的に析出されて、単軸配向に配向される導電性ポリマー前駆体として使用される。単一螺旋状ＤＮＡは、分子ワイヤとしては導電性ではない。このＤＮＡは、殆ど規則性を持たないランダムコイルである。しかし、二重螺旋状Ａ−、Ｂ−、またはＺ−ＤＮＡは、二重螺旋状ＤＮＡを導電させるヘテロ芳香族プリン、およびピリミジンπ−積み重ね塩基対（即ち、上昇する螺旋において順次積み重なるヘテロ芳香族π−積み重ねの平面状塩基対）の例である。単軸配向の液晶ＤＮＡ量子ワイヤとして析出できる適切なＤＮＡ構造の別の例としては、Ａ−、Ｂ−、Ｃ−、Ｄ−、Ｅ−、およびＴ型とも呼ばれる時計回り方向の二重螺旋ツイン構造が挙げられるが、これらに限定されない。Ｚ−型と呼ばれるＤＮＡも反時計回り二重鎖構造もまた、原核生物に存在するプラスミドＤＮＡと呼ばれる数千対の塩基から成るループ状ＤＮＡである。また、幾つかのループおよび超螺旋構造を備えるねじれループＤＮＡもある。ねじれループ、十字状ＤＮＡも存在する（Ｉｊｉｒｏ、Ｋ ａｎｄ Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ，Ｍ：分子電子デバイス用二重螺旋ＤＮＡ。固体物理３０（１２）：１０４２−１０４８ページ、１９９５年）。また、三重螺旋型構造のＤＮＡも存在する。（Ｐｏｖｓｉｃ，ＴＪ；Ｄｅｒｖａｎ，ＰＢ：生理的ｐＨ範囲に拡張されたＤＮＡ上のオリゴヌクレオチドによる三重螺旋形成。Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．ＩＩＩ（８）：３０５９−３０６１ページ、１９８９年）。
好ましくは、液晶Ｂ−ＤＮＡ型二重螺旋構造は、半導体の特定の化学的または電気化学的に活性化した領域（図２に示す）の表面に垂直に、平行配座して析出、電気付着、単軸配向される。ＡおよびＴ；ＧおよびＣの相補的塩基対は、２つの高分子鎖を備える、約２０オングストロームの直径を持つ直立の二重螺旋構造を形成する。二重螺旋構造のピッチは、約３４オングストロームであり、塩基対のうちの10個はＤＮＡの延長ライン沿いに向かって直角に並ぶ。上部および下部の塩基対は、３６度の角度を形成する一方、各塩基対の間の距離は、３．４オングストロームである。これにより、ＤＮＡの二重螺旋構造内の各結合塩基対の間の強い相互関係を生ずる。例えば、吸収量の極端な減少（光色効果）は、π−π^*変換のために発生する。換言すれば、ＤＮＡの内部特性は、結合塩基対の一次元結晶構造ではないかと考えられる（Ｉｊｉｒｏ，Ｋ ａｎｄ Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ，Ｍ：分子電子デバイス用二重螺旋ＤＮＡ。固体物理３０（１２）：１０４２−１０４８ページ、１９９５年）。
二十面体二重螺旋ＤＮＡバクテリオファージにおいては特に高いパッキング効率が得られ、その中でＤＮＡ二重螺旋は、約２６オングストロームの中心間距離で高密度パッキングされる。この方法は、幾つかの最近のモデル内に取り入れられ、それらすべてにおいて二重螺旋ＤＮＡのロッドは多かれ少なかれ平行の束に構成される。（Ｂｏｏｙ，ＦＰ；Ｎｅｗｃｏｍｂ，ＷＷ；Ｔｒｕｓ，ＢＬ；Ｂｒｏｗｎ，ＪＣ；Ｂａｋｅｒ，ＴＳ；Ｓｔｅｖｅｎ，ＡＣ：ヘルペス単体ウイルスにおけるＥｎｃａｐｓｉｄａｔｅｄ ＤＮＡの液晶、ファージ状パッキング。Ｃｅｌｌ６４：１００７−１０１５ページ、１９９１年）。更に、平均２６オングストロームの二重螺旋間隔は、細胞電子顕微鏡またはｘ線回折による試験管内ＤＮＡの液晶の観察結果に似通っている（Ｂｏｏｙ，ＦＰ；Ｎｅｗｃｏｍｂ，ＷＷ，Ｔｒｕｓ，ＢＬ；Ｂｒｏｗｎ，ＪＣ；Ｂａｋｅｒ，ＴＳ；Ｓｔｅｖｅｎ，ＡＣ：ヘルペスウイルスにおけるＥｎｃａｐｓｉｄａｔｅｄ ＤＮＡの液晶、ファージ状パッキング。Ｃｅｌｌ ６４：１００７−１０１５ページ、１９９１年）。本発明の好ましい実施形態において、単軸配向の液晶Ｂ−ＤＮＡ導電性ワイヤは、上述した通り、ＥＭＯＬＥ作成方法によってｐ−ｎ接合太陽電池の表面上に特定の光活性化された領域で電気化学的に析出される。
Ｖ．分子認識表面
分子認識表面は、必ずしもではないが、液体中の特定リガンド（即ち、分析物）を認識する１つまたはそれ以上の分子認識部位の二次元結晶のアレイで構成されるのが好ましい。特定のリガンドを結合させる能力に加えて、分子認識部位は、触媒部位、レドックス部位、電子輸送部位、エネルギー移動部位、および磁気移動部位であってもよく、リガンド結合の結果、配座変化と、量子束縛電子／ホールのトンネリングおよび浸透とを誘導する。
本発明で用いられる分子先端体は、例えば、（リガンドを結合する）プロテイン、触媒抗体、ポルフィリン、レクチン、酵素（ＥＣ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅにおいて分類される酵素も含む−−例えば、等級１：オキシドリダクターゼ、等級２：トランスフェラーゼ、等級３：ヒドロラーゼ、等級４：リアーゼ、等級５：イソメラーゼ、等級６：リガーゼ）、免疫抗体、抗原、レセプタ、ウイルス、細胞、キャビタンド、ゼオライト（レドックス金属を結合）、超分子アセンブリ、光電子材料（例えば、二次および三次非線型光学材料）、光導電性および光電子材料（応用電磁界が、遊離電子を発生するもの）、大型の磁気抵抗物質（印可磁界が材料の抵抗を変化させるもの）、金属キレート、磁気材料（磁気方位が、他の磁気材料の存在によって変化するもの）、無機シンチレータ（高エネルギー放射を光エネルギーフォトンに変換するもの）、無機結晶発振器（量子周波数送信機および受信機として機能するもの）、圧電素子材料（機械的力が電子の流れを生成するもの）、光収集ポリマーシステム（光が電気の流れと、化学エネルギー保存とを発生させるもの）、レーザスイッチ色素（１つの波長での光を吸収し、より長い波長の一色の光を照射するもの）、バリアトンネルスイッチ（例えば、分子電子スイッチ）などが含まれる。
本発明で使用できるリガンドの例としては、細胞膜レセプタ用アゴニストおよびアンタゴニスト、トキシンスおよびベノムス、ウィルス性エピトープス、抗原性ディタミナント、モノクローンおよびポリクローン抗体、ホルモン、ホルモンレセプタ、ステロイド、ペプチド、酵素、基板、コファクター、薬品、レクチン、砂糖、オリゴヌクレオチド、オリゴサッカライド、プロテイン、遷移金属、キレート、キャビタンド、汚染物質、化学および生物兵器剤、毒物、染料、気体、インタカレータ、アルコール、アルカロイド、脂肪、脂質、コレステロール、血液型、細胞表面、代謝産物などが含まれるが、これらに限定されない。
特定のリガンドとの結合の上で生物または化学機能を直接的または間接的に仲介する分子認識部位は、最大の関心事である。適切な分子認識部位は、特定の結合特性を示す、コファクターのように比較的小さな単一分子を含む。通常、分子認識部位は、１ダルトン以上の範囲のサイズである。分子認識部位の別の例としては、細胞の表面膜に関連するレセプタの共通クラスが挙げられるがこれらに限定されず、例えば、Ｂ−細胞、Ｔ−細胞、マクロファージなど免疫学的に重要なレセプタも含まれる。本発明によって調査できる分子認識部位の別の例としては、ホルモンレセプタ、ホルモン、薬品、細胞レセプタ、膜輸送プロテイン、電子伝達プロテイン、ステロイド、ペプチド、酵素、基板、コファクター、ビタミン、レクチン、砂糖、オリゴヌクレチド、インタカレータ、オリゴサッカリン、ウィルス性エピトープ、抗原性ディタミナント、グリコプロテイン、グリコリポプロテイン、免疫グロブリン、制限酵素、触媒抗体、遷移金属、キレート、クリプタンド、キャビタンド、超分子構造などが挙げられるが、これらに限定されない。
Ａ．オキシドレダクターゼ（レドックス酵素）
特定のリガンドと結合し、レドックス反応に触媒作用を及ぼし、電気的に導電するバイオポリマーである分子認識部位の例としては、オキシドレダクターゼと呼ばれる広範囲のクラスの酵素が挙げられる。このクラスに属するのは、酸化還元の触媒作用を持つ酵素全てである。酸化される基板は、水素または電子ドナーとみなされる。この分類は、「ドナー：アクセプタオキシドレダクターゼ」に基づく。推奨名は、可能な限り「デヒドロゲナーゼ」である。代わりに、「アクセプタリダクターゼ」を使ってもよい。「オキシダーゼ」は、Ｏ₂がアクセプタの場合のみ使用される。場合によっては、アクセプタに対する特殊性の欠如のため、分類が難しい場合もある。Ｅｎｚｙｍｅ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ（１９７８）に示される通り、ＥＣ番号 １．ｘ．ｘ．ｘは、オキシドレダクターゼと呼ばれるクラスに割り当てられる（Ｅｎｚｙｍｅ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ．Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ；ニューヨーク；１９７８年）。
オキシドレダクターゼまたはレドックス酵素は、１つまたはそれ以上のレドックス中心を有する４０，０００ダルトン（例えば、ガラクトーゼオキシダーゼ）から８５０，０００ダルトン（例えば、コリンデヒドロゲナーゼ）までの分子である。これらの平均水力学的直径は、約５５オングストロームから約１５０オングストロームまでの範囲である。大部分の酵素において、レドックス中心は、電気的にアクセス不可能な様に、（プロテインまたはグリコプロテインドメインが突き出すことによって定義される）最も外側の表面から充分に離れた場所に配置される。その結果、酵素の殆どは、電子を吸収する電極と電子を交換しない。即ち、それらのレドックス中心は、正電位で電気酸化されたり、負電位で電気還元されたりしない。明らかに、レドックス中心周辺のプロテインまたはグリコプロテインシェルの一部は、生体システムの異なったレドックスマクロ分子間での識別不能な電子交換を防ぐためにある。このシェルは、酵素の構造を安定化させるという機能を持つ。何れの機能も触媒にとって必須ではないので、レドックス酵素は、シェルの一部が剥離したとき、または、このシェルが化学的に変化して電気的に導電状態になるときにも機能する。
本発明に使用されるのに適切なオキシレダクターゼ酵素の例としては、グルコース、オキシダーゼ、カタラーゼ、ペロキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼおよびアルコールデヒドロゲナーゼが含まれる。グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）は、室温温度で約１０²ｓ^-1の速度で反応する。即ち、１秒間に約２００の変換可能な電子を発生させる。酵素の半径は約４３オングストロームであるため、電極表面上の酵素分子数は、約１．７×１０¹²となる。レドックス中心のすべてが電気的に充分に電極に接続されているとき、電流密度は、約３．４×１０¹⁴電子ｓ^-1ｃｍ^-2すなわち約５３μＡｃｍ^-2に達する場合がある。
好ましい実施形態において、分子認識部位は、以下のオキシレダクターゼ（レドックス酵素）の１つまたはそれ以上で構成される：Ｄ−グルコースに特定結合するグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、コレステロールエステル／コレステロールに特定結合するコレステロールエステラーゼ／コレステロールオキシダーゼ（ＣＯＤ）、Ｈ₂Ｏ₂に特定結合するカタラーゼ（ＣＡＴ）、またはエタノールに特定結合するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）である。これらのレドックス酵素は全て、それぞれの基板を酸化し、２つの電子を自然または人工拡散可能な電子アクセプタメディエータに移動する。本発明では、伸展直線配座に単軸配向された液晶導電バイオポリマーは、直接的な電子伝達が発生可能な各触媒部位／レドックス中心内に固着すなわち「配線」される。そのため、Ｏ₂などの自然拡散可能な電子アクセプタへの、または、フェロセン若しくは金属誘導体などの他の人工拡散可能なレドックスメディエータへの電子伝達は、大きく解消される。本発明における電子伝達の機構は、酵素触媒部位／レドックス中心において、量子束縛電子／ホールのトンネリングと、分子または量子ワイヤとして知られる単軸配向された液晶導電性ポリマー若しくはバイオポリマー経由での浸透とを確立する半導体「ハード配線」構成に基づいている。分子認識先端体（即ち、オキシドレダクターゼ）から、電子基板に付着した超伝導量子ワイヤテール（即ち、DNA）接続線を通じた電子基板への電子またはホールの注入は、分子トランジスタの基礎である。
本発明の好ましい実施形態では、この様な複数の分子認識部位（即ち、酵素）は、高度に配向された液晶のＢ−ＤＮＡ「分子ワイヤ」をｐ型表面に最初に析出することにより、ｐ−ｎ接合太陽電池の表面に電気化学的に析出される。好ましくは、液晶分子認識表面構造は、ｐ型半導体表面の化学的または電気化学的に活性化された特定の領域において析出され、電気付着され、単軸配向された液晶Ｂ−ＤＮＡ二重鎖構造の表面において、析出され、電気付着され、単軸配向される。配向されたＤＮＡ二重ポリエレクトライトは、恐らく、一端で酵素の裂目に、他端で半導体基板に深く貫通する伸張された直線量子ワイヤである。この種の分子規模構造は、恐らく、酵素先端体および半導体基板間での直接的な量子力学的電子移動を容易にする。
好ましい実施形態において、ｐ−ｎ接合太陽電池表面の特定領域での空間的にアドレス可能な電気化学活性化は、光マスキングまたはフォトリソグラフィ技術によってチップ上の特定位置に電着を行うことで達成される。本発明の好ましい実施形態では、高度に配向された液晶分子認識表面は、上述されるＥＭＯＬＥ方法によってｐ−ｎ接合太陽電池の表面上の特定光活性化領域で電気化学的に析出される。好ましくは、ｐ−ｎ接合太陽電池のＤＮＡワイヤは、特定領域で光に曝され、ＥＭＯＬＥ方法によって配向された液晶分子認識部位との電気的な接触を発生する。これを、半導体表面の異なる領域で繰り返して「配線された」分子認識部位の複雑なデジタル有機集積回路（ＩＣ）のパターンを作成する。上述の作成スキームは、分子認識チップ（ＭＲＣ）の好ましい生産方法を構成する。
Ｂ．免疫グロブリン
分子的に構成された材料に非生物学的な分子を組み込む、より一般的な方法について注目する場合、免疫グロブリンまたは抗体分子が、多くの魅力的な利点を提供する。現在利用可能なモノクローン抗体技術を使用して、対象化合物の殆どに結合可能な特定の免疫グロブリン分子を生成することが現在可能である。本発明によれば、分子規模での複合分子の構成および配向を制御することが可能な抗体複合体の結晶のエンジニアリングができる。ＭＥＤ開発に使用できる抗体分子の二次元結晶を生成するラングミュア−ブロジェット技術の適用の成功についても報告が既になされている。
レドックス反応に触媒作用を及ぼし、配座変化をもたらし、導電性のバイオポリマーである特定リガンドを結合させる分子認識部位の例としては、免疫グロブリンと呼ばれる幅広いクラスのプロテインが挙げられる。触媒抗体は、上記の化学特性および物理特性全てと、特定リガンドへの特性を有するためにエンジニアリング可能な人工の免疫グロブリンである。好ましい実施形態では、免疫グロブリンまたは触媒抗体は、上述される通り、ＥＭＯＬＥ結晶化処理技術を使用してＤＮＡ量子ワイヤ上に分子認識先端体として析出して、マクロ固体基板上の分子認識（ＭＲ）デバイスを作成してもよい。
ＶＩ．固体基板上のポリマーを通じた導電機構
Ａ．単軸配向された液晶導電バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）および半導体基板におけるエネルギーバンド
ゼント−ギョルギが、バイオポリマーが半導体と同様に機能できると報告して以来、多くの研究者が、プロテインを通じて電子伝達に関する研究を追求してきた。二重螺旋ＤＮＡと結合したプロテイン内での広範囲での電子伝達についての可能性は、量子化学の観点から理論的に計算された。イオン不純物がＤＮＡ内に存在するため、固体ペレットを作成するのに使用される方法は、実験によって異なった。このため、報告された導電率は、１０^-4から１０^-10ｍｈｏｍ^-1の間で変化した。量子力学ベースのモデルもまた、ＤＮＡ二重螺旋内にインタカレーションされたドナーとアクセプタ種とにバートンおよびタロ他によって近年報告された、異常に高速で広範囲の（即ち、約４０オングストロームの）光電子伝達についての考えうる説明を提供している。
それらの基本的に大きなエネルギーギャップによる周期的および非周期的なポリペプチド鎖においては、本来導電する可能性はない。この導電は、一見したところ、プロテイン内の電子伝導への閉塞した状態で現れる可能性がある。しかし、他の多くの材料、ガラス、酸化物、およびアモルファス半導体も、それらの材料の導電性を乏しくするのに充分な大きさのエネルギーギャップを有するが、これにより電子の見地から考察が行なわれないということはなく、それらの中に広範囲な電子伝達のための実験上および理論上の証拠として考慮すべきまとまった結果が得られている。
非周期的な鎖についての状態密度（ＤＯＳ）曲線におけるバンドは、非常に少ないギャップをもって非常に広域なため、これらの鎖における電子アクセプタ（ｐドーピング）または電子ドナー（ｎドーピング）によるドーピングに関して、外因性の導電性となる可能性がある。外因性の導電性（ブロッホ型導電またはホッピングによる電荷伝達のいずれか）の性質について決定するため、価電子帯領域の上部または伝導帯領域の下部におけるエネルギーレベルに属する波形関数の局所特性を調べる必要がある（これらは、電荷移動がＤＮＡを持つ電子アクセプタまたはドナーを有するプロテインのインターカレーションにより生体内で発生する場合の関心領域である）。この種の電荷移動の可能性は、ゼントーギョルギによっても提唱されている。
プロテインおよびＤＮＡにおけるエネルギーバンドと、電子伝導を見積もるために提案された量子力学的モデルは、バンドギャップを低減または解消して推定される価電子帯および伝導帯の幅を広げる傾向のある多くの外部因子により影響を受ける可能性がある。これにより、金属に似た導電特性を有するバイオポリマーを生成する。この様な外部因子としては、不純物、ドープ剤、印加された電界、印加された磁界、照明（ｈν）、Ｈ₂Ｏとの水和、溶剤、圧力、配座変化、配向、ｐＨ，電解質、局所的な表面電荷、およびバイオポリマーの価電子帯または伝導帯への直接的な電子またはホール注入が挙げられる。プロテイン伝導帯への電子の注入は、プロテイン側の鎖上のＣＯＯ^-基またはカルボキシル端、およびＨ₂Ｏから発生する。これらの外部因子効果の選択的な適用は、ＥＭＯＬＥ製作技術を使用したプロテインおよびＤＮＡのバンドギャップ構造のエンジニアリングに使用され、所望の超伝導性、導電性、半導電性、または絶縁性の物理的および化学的特性を生じさせる。ＥＭＯＬＥは、プロテインと、ＤＮＡと、量子力学的電子伝導を許容する半導体基板との間における、エネルギーバンド整合および分子相互接続を提供する。
単軸配向された液晶型導電バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）はＥＭＯＬＥ制作技術により製造されてよい。配向性液晶導電バイオポリマーを析出するのに、ＥＭＯＬＥが利用する様々な処理には、バイオポリマーエネルギーバンド構造に影響を及ぼす上記の外部因子が含まれる。ＥＭＯＬＥは、分子構造、エネルギーバンド構造、バンド整合、および半導体基板表面上の導電バイオポリマーの量子力学的分子間接合（プロテインおよびＤＮＡ）をエンジニアリングするために使用されるチップ製造方法である。
単軸配向された液晶導電バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）と、ＭＲデバイスの多結晶または単結晶マクロ半導体基板間の連絡のため、プロテイン（分子先端体）とＤＮＡ（量子ワイヤテール）成分との間だけでなく、ＤＮＡと、半導体基板との間の共通エネルギーレベルが存在しなければならない。本発明のＭＲデバイスにおいて、ＤＮＡ二重螺旋多電解質は、一端に酵素裂け目に深く浸透し、他端でマクロ半導体基板に深く浸透する直線量子ワイヤが伸長する。この種の分子規模の構造により、酵素補欠分子族からの直接の電子伝達と、酵素、ＤＮＡ、および半導体基板の間での所望のエネルギーの持続を容易にする。このエネルギー持続の性質は、１９４６年のゼント−ギョルギ，ペティグ，バサスキ，タナタールおよび他の者等によって共通の量子力学的エネルギーバンド連続、共鳴トンネリング、ホッピング、音響プラズモンなど、プロテインおよびＤＮＡを通じて半導体基板に移動電荷キャリア（電子またはホール）の電荷移動を容易にする機構に関して提唱された考えと同様である。
Ｂ．超伝導性
超伝導現象が生物学的な役割を果たす可能性について、現在、幾つかの研究所において論議されている。通常の電子伝導体の状況と異なり、超伝導体における電子は、互いに独立して移動する自由度はないが、同じ量子状態に制限される結合電子対として存在する。この電子のペア化の結果、電子散乱効果は最小化され、その結果、熱の発生を伴わず、従って電気抵抗なしに、電子流が発生する可能性がある。この様な効果は、生理温度で生物系統において検出できる場合、明らかに、遠くに達する結果となる。従来の超伝導体において、この電子対は、電子および格子フォノンの間での相互作用から発生する。１９６４年、リトルは、適切な構成の有機ポリマーシステムが、電子励起相互作用を含む電子対機構の結果として超伝導を維持することができると提唱した（Ｌｉｔｔｌｅ，ＷＡ：有機超伝導体を合成する可能性。Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１３４（６Ａ）：Ａ１４１６−Ａ１４２４、１９６４年）。リトルは、高度に高分子化可能な色素分子の形態で導電性共役炭化水素主鎖と、側鎖から成るこの様なポリマーは、およそ２２００Ｋの温度まで超伝導状態となると推定した。この様な高温は、熱安定性という観点から、有機系には明らかに現実的でないが、この臨界温度の推定は、リトルの理論の適用性の限界以内に、生理温度で超伝導バイオポリマーの存在の概念が充分存在することを示すために有用である。芳香族化合物における超伝導性の存在は、最初にロンドンにより推測された（Ｌｏｎｄｏｎ、ＦＪ：Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｒａｄｉｕｍ８：３９７ページ、１９３７年）；およびＬａｄｉｋ等（Ｌａｄｉｋ，Ｊ；Ｂｉｃｚｏ，Ｇ；Ｒｅｄｌｙ，Ｊ：室温でのＤＮＡにおける超伝導型導電性の向上の可能性。Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１８８（２）：７１０−７１５ページ、１９６９年）は、ＤＮＡの超伝導性動作のための理論的基礎を提供している。
生物分子における高温超伝導の実験的証拠は、幾つかの研究所によって報告されている。超伝導性は、胆汁コレート試験サンプルの絶縁バルクに誘導された小領域で発生するよう導き出し、超伝導体素子について通常発見される効果と識別できるように、コレートは、機能性のすなわちタイプＩＩＩの超伝導体として設計された。少量の水がこの様な材料に導入されると、疎水基は、共に固まる傾向にあり、後続のゆっくりとした乾燥中に小さなミセルが生成される。この様なミセルは、超伝導領域を形成するためハルパーンおよびウルフによって考慮されている。
酵素および他の生物材料が、高い双極子モーメントの準安定状態を有するという提唱に続いて、アーメド他は、リソチームの希釈溶液の誘電および磁気感度特性を調査した（Ａｈｍｅｄ、ＮＡＧ；Ｃａｌｄｅｒｗｏｏｄ，ＪＨ；Ｆｒｏｈｌｉｃｈ，Ｈ：Ｓｍｉｔｈ，ＣＷ：酵素における磁気収集効果の証拠：室温超伝導領域の可能性。Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３Ａ（２）：１２９−１３０ページ、１９７５年）。０．６テスラ程度の磁界の変化が、この溶液の比誘電率を非常に大きくさせる（３０％まで）ことが見いだされた。これは、超伝導作用を連想させる。各リゾチーム分子において、ロンドン浸透深さより小さい直線寸法を有する小さい超伝導領域が存在し、集合的な超伝導に類似する現象が、これらの小領域の塊の生成から発生することが示唆された。これは、胆汁コレート用に提唱されたクラスターモデルと同様である。また、この超伝導領域の確立においては、リゾチーム分子だけでなく、水およびイオンが役割を果たすと示唆された。
超伝導においての生物学上の役割を示唆する間接的な別の証拠は、高温超伝導が、誘電層に隣接した導電薄膜またはフィラメントから成るサンドウィッチにおいて予想できるということがコープ（Ｃｏｐｅ，ＦＷ：Ｐｈｙｓｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．３：４０３、１９７１年。Ｃｏｐｅ，ＦＷ：Ｐｈｙｓｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．５：１７３、１９７３年）によって示唆されている。コープは、この様な超伝導サンドウィッチは、水の層（高分子化可能な誘電層）付近のプロテイン、非飽和脂質および炭化水素環構造（導電層）の薄層の形態で生物系統において偏在しうると考える。この様な生物学的処理の例としては、カエル坐骨神経における衝撃伝導速度およびザリガニ神経の電気接合抵抗が挙げられる。この様な効果は、速度制限された生物学的プロセスが、単一電子および／または電子対の超伝導性トンネル電流（ジョセフソン電流）を含むモデルについて、充分に説明することができる。超伝導が成長に関連することが明らかで、その後超伝導ミクロ領域がポリマーストランドの長さに沿った環との間の電子トンネルを有するＤＮＡおよびＲＮＡの個々のプリンおよびピリミジン環であったことが示唆された。生体系統における超伝導ジョセフソン接合が、どれくらい多くの生物有機体が弱磁界に対応できるかを説明するのに充分な感度より多い物理機構を提供できることが更に示唆された。
電子−ホール液体と同様の２成分プラズマ（またはより一般的にマルチコンポーネントプラズマ）は、通常のプラズマモードの他に、「音響プラズモンモード」と呼ばれる新しい集合モードを支持できる。長いＤＮＡ分子などの一次元システム内の音響プラズモンの量子力学的処理が、注目されている。タンター（Ｔａｎａｔａｒ，Ｂ：準一次元、２成分電子液体における集合モード。Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ９２（８）：６９９−７０２ページ、１９９４年）は、準一次元電子ホールシステムにおける音響プラズモンを研究する動機は、超伝導遷移に導くＢＣＳ理論同様、ペアリング機構を提供できる事実から発生すると述べている（Ｂａｒｄｅｅｎ，Ｊ；Ｃｏｏｐｅｒ，ＬＮ；Ｓｃｈｒｉｅｆｆｅｒ、ＪＲ：超伝導のマイクロスコープ理論。Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１０６：１６２−１６４ページ、１９５７年）。この様な音響プラズモン仲介による超伝導性は、二次元電子−ホール液体のために提唱および洗練されてきた。量子ワイヤの通常のプラズモンによる超伝導性の可能性も考慮された。ＤＮＡなどの準一次元構造における音響プラズモンを観察する実験や、超伝導性に導く起こりうるペアリング機構は、非常に興味深い。
好ましい一実施形態において、制御されたＥＭＯＬＥ製作技術によって析出された単軸配向液晶導電バイオポリマー（プロテインおよびＤＮＡ）は、機能的なデバイスを生成するために使用される。この様なデバイスは、上述される１つまたはそれ以上の超伝導機構を介して機能することが考えられる。例えば、ＧＯＤ−ＤＮＡデバイスは、ＧＯＤプロテイン酵素先端体により酸化した各Ｄ-(+)-グルコース分子毎に電子ペアを生成する。ＤＮＡ量子ワイヤを通じたプロテインＦＡＤ／ＦＡＤＨ₂補欠分子族（レドックス中心）から半導体基板への電子対の動きは、上述の超伝導機構で発生する。ゲート式デバイスの多くは、ｐ−ｎホモ接合太陽電池のｐ型シリコン内に、超伝導機構で電子対を注入し、光生成された主要キャリア（ホール）と結合し、ベースライン光電流（Ｉ_sc）を低下させる。光電流における減少は、Ｄ-(+)-グルコース濃度に対して直接に比例している。光電流における変化は、非常に急速に発生し、ほぼステップ状の変化によって達成され（以下に記載される図５および図６を参照）、ｐ型またはｎ型半導体基板表面内への移動電荷キャリア（電子またはホール）の差分デバイス注入から発生する。
ＶＩＩ．適用
本発明のセンサは、多くのアプリケーションに用いられる。例えば、センサベースのホームヘルスモニターは、家庭での健康管理に使用する上で使いやすく、非侵襲性で、比較的安価である。多くの身体機能、即ち、肝機能、排卵、妊娠、イースト菌感染、ウィルス感染、バクテリア感染、コレステロールレベル、トリグリセリド、砂糖、ホルモン、薬品、水、塩、ｐＨ、ナトリウム、カリウムは、体重計で体重を計る場合と同様、容易にモニタできる。人口の高齢化および医療費の増加により、このような製品は非常に好評を得ると予想される。
本発明のもう１つの好ましい実施形態において、ポータブルペン式デバイスにおけるセンサは、人間の呼吸において見られる化合物をモニターするのに使用しても良い。通常の人間の呼吸は、その人の代謝状態を反映する揮発性の何百もの有機化合物を含んでいる。これらの揮発性有機化合物は、多くの研究においてガスクロマトグラフィ（ＧＣ）および質量分析法（ＭＳ）によって定量化されてきた。好ましくは、本発明のセンサは吐き出された息に曝される。好ましい一実施形態において、このセンサの分子認識表面としては、エタノールに特定的に結合するアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）と、還元メルカプトエタノール、グルタチオーネ、または硫黄を含有する化合物に特定的に結合するジチオスレイトール；または当業者によって容易に認識される呼吸化合物を検出するための他の様々な分子認識部位が挙げられる。ＡＤＨセンサは、警察官やハイウェイパトロール警官に、現場において飲酒運転の違反を実証するためのポータブルペン式の呼吸分析器を提供する。チオセンサは、ハリトシス（即ち悪臭を伴う息）の個別的な検出のためにポータブルペン式の呼吸分析器を各個人に提供する。
もう１つの好ましい実施形態において、デバイスベースの分子認識チップ（ＭＲＣ）は、皮下の分析物（即ち、血液中や解剖学的深構造内の分析物）のリアルタイム非侵襲的定量のために肌に適用される磁気浸透パッチ（ＭＯＰ）や電気浸透パッチ（ＥＯＰ）内に埋め込んでも良い。これは、上述される非侵襲的に引き込んだ血液などの体液に、給電されたチップを曝す方法の代わりとなる分析物定量化のための非侵襲的な方法である。ＭＲＣ−ＭＯＰまたはＭＲＣ−ＥＯＰは、肌、脂肪組織、血管壁（即ち、静脈および動脈血管壁）、等非経口的な壁、血管外壁、細胞外壁、心臓血管壁、血液脳バリア（ＢＢＢ）、その他様々な人工および天然膜などのような、合成のまたは生物学的な複合バリアの片側に発見される３０，０００ダルトン以下の小さい帯電、非帯電、トウィッターイオン分子および塩（即ち、分析物）の非侵襲的検出に適切である。ＭＯＰは、それが接触する肌などの表面に、局所化した磁界勾配および高張性接合の組み合わせを適用する。ＥＯＰは、それが接触する肌などの表面に、局所化した電界勾配および高張性接合の組み合わせを適用する。これにより、ＭＯＰまたはＥＯＰは、上述した通り、埋め込まれたＭＲＣによる検出用の半浸透膜および肌を通じて分析物を引き込むことができる。好ましくは、ＭＲＣ−ＭＯＰまたはＭＲＣ−ＥＯＰは、多数の分子認識部位を備えて、（即ち、血液を引き込むことなく）完全な血液ガス、血液電解質、ヘマトクリット、血糖、血液代謝分析を非侵襲的に実行する。
好ましい一実施形態において、印加された交流または直流の電界または磁界は、細胞膜、細胞孔、血管、肌、汗腺など液晶生物学構造の方向および位置順序を変更するのに利用されて、含有する体部分析物漏れを許容する。高張性接合は、低い化学電位ウェルによって引き出され、分析物の漏れを濃縮する。高張性接合は、特定の分析物の検出用に埋め込まれたデバイスベースの分子認識チップ（ＭＲＣ）を含有する適切な高分子電解質ゲルまたは固体ポリマー電解質で構成される（Ｇｒａｙ，ＥＭ：固体ポリマー電解質。Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＶＣＨ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｉｎｃ．；ニューヨーク、Ｗｅｉｎｈｅｉｍ、ケンブリッジ、１９９１年。Ｈａｒａ、Ｍ（ｅｄ．）：高分子電解質。Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ、Ｉｎｃ．；ニューヨーク、Ｂａｓｅｌ，香港；１９９３年）。
ＶＩＩＩ．選別および検定
上述した方法によって作成された半導体表面は、固定された分子認識部位に対して高い親和性を有するリガンド（即ち、分析物）の選別を使用できる。マーキングされていない（ラベルのない）リガンドを含有する溶液が、表面に導入される。通常、分子認識チップ（ＭＲＣ）は、ミリ秒程度で即座に反応するため、殆どまたは全く潜伏期間を必要としない。
好ましい一実施形態では、上述される通りに作成された半導体基板は、（図３に示す通り）ｐ−ｎ接合太陽電池基板の短絡電圧／電流出力（即ち、Ｖ_ac、Ｉ_ac）を測定するデジタルマルチメータ（ＤＭＭ）に接続中に光に曝される。給電されたチップは、現在マーキングされていないリガンドを含む溶液に曝すことができる。マーキングされていないリガンドは、チップ表面に前もって局所化された免疫分子認識部位へ高い親和性をもって結合する。矩形波信号は、リガンドの結合事象（即ち、チップからのデジタル出力）に応答して、数ミリ秒未満で給電されたチップによって発生する。好ましい一実施形態において、Ｄ-(+)-グルコースは、グルコースオキシターゼ分子認識チップ（ＧＯＤチップ）の表面に適用される。光給電されたＧＯＤチップは、Ｄ-(+)-グルコース濃度に比例した電圧／電流出力の矩形波を生成する（以下に記載される図５および図６を参照）。これは、分子認識表面（即ち、ＧＯＤ）からｐ−ｎ接合太陽電池のｐ型表面に高度な導電性のポリマーモノマー（即ち、液晶配向Ｂ−ＤＮＡ）を経由し電子トンネリングによるｐ−ｎ接合太陽電池基板の短絡出力における変化を反映している。給電された太陽電池基板のｐ型層内へのデバイスによる電子のキャリア注入により、この単純なｐ−ｎ接合のベースライン短絡光起電力および光電流（即ち、Ｖ_ac、Ｉ_ac）を中断する。給電されたチップのｐ型表面内に注入された電子量は、ＧＯＤへのＤ-(+)-グルコース結合の量に比例し、ＧＯＤチップによって、比例するデジタル矩形波出力に反映される（図５および図６）。ｐ型シリコン内への電子の直接的なデバイス注入は、ｎ型層から光生成したキャリア電子と、短絡ワイヤ経由で再結合できるより前に光生成されたキャリアホールと、の結合による光電流を解消または低下させる。ｐ型層からのキャリアホール除去から生じる光電流の低下に伴い、ｎ型層における光生成キャリア電子の堆積により、回路の光起電力の測定値が増加する（図６）。
本実施形態において、単一のデジタルマルチメータ（電圧／電流）は、ＧＯＤチップのデジタル出力を測定するために用いられる。そのため、上述した単一および複数のＩＣアレイは、ペン式のデジタルメータ、手持ちデジタルメータ、臨床研究ベースの装置、デジタルワイヤレスの埋め込み可能な医療機器、分析物のリアルタイムでの分子結合事象および定数を測定する産業ベースのデジタルデバイス、の中に構成しても良い。各チップの単一のキャリブレーションカーブは、未知のサンプルの濃度を決めるために使用できる。キャリブレートされたチップは、高度、湿度、酸素分圧、分散電子アクセプタメディエータ、またはサンプルの適用による影響を受けない。これらの先行技術の問題は本発明では解消されるが、その理由は、分子ワイヤの電子移動速度が、酵素反応速度や、電流滴定検出方法において使用される酸素など他の分子による無機、有機金属、有機化合物などの分散型レドックスメディエータの電子移動速度よりも数桁大きな値となるからである。前方電子移動速度定数（Ｋ_f＞１０⁷ｓ^-1Å^-2）は、量子ワイヤの性質上（即ち、電子エネルギーレベルが限定されているため）非常に高くなる。結合ポリマーは、酸化または還元により、導電状態と絶縁状態との間で切り替え可能であっても良い。
ＩＸ．実施例
本発明の好ましい実施形態の以下の実施例は、例としてのみ提示され、上述した方法および組成は、如何なる方法においても、以下に述べる特定の実施例によって限定されるものではないと示唆する。
実施例Ａ：多結晶シリコンｐ−ｎ接合太陽電池の製法
エドムンド・サイエンティフィック社（Ｂａｒｒｉｎｇｔｏｎ，ニュージャージー州、０８００７−１３８０（保管番号３５，２２０および３５，２２１））製の商用多結晶シリコンｐ−ｎ接合太陽電池チップ（０．１７９９ｇ、１．７５ｃｍ²）を、２５℃でウェスティングハウス社製電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷによる９８０ルクスの光度下に置いた。ダークブルーのエミッタ表面を光源に対面させた状態で、乾式太陽電池基板の短絡ＤＣ出力が、デジタルマルチメータ（ＤＭＭ）（Ｅｘｔｅｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；モデル番号３８３２７３）によって測定された。ＤＣ出力の測定値は、１２１ｍＶおよび９８μＡであった。その後、分析試薬電子等級溶剤、即ちｉ）アセトン、ｉｉ）メタノール、ｉｉｉ）１８ＭｏｈｍのＨ₂Ｏ、およびｉｖ）メタノール、で太陽電池チップを洗浄した。これをほこりのない環境で乾燥させ、電気めっき用ｐ−ｎ型半導体表面を作成した。
実施例Ｂ：多結晶シリコンｐ−ｎ接合太陽電池上へのＤＮＡの電気めっき
１８Ｍｏｈｍの殺菌水を溶剤として使用し、ＤＮＡ電子めっき溶液を調製した。０．１０６２ｇのＤＮＡ（ニシン精液からの減成遊離酸）を、１００ｍｌの水に加えた溶液のｐＨは、約２．００だった。このｐＨを、ＮａＯＨおよびＨＣｌにより約７．００に調整した。この電気めっき溶液には、緩衝剤は添加しなかった。最終的な塩／電解質の濃度は、１５０ｍＭ未満であった。ＤＮＡ電気めっき溶液に１．００ｍＬのメタノールを添加し、十分に混合した。実施例Ａの乾式太陽電池は、２５℃で２個のウェスティングハウス社製の電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷによる１７００ルクス光度下に置いたとき、１５２ｍＶおよび１３６ｕＡの短絡出力を生じた。実施例Ａの太陽乾電池チップのダークブルーエミッタ表面を、２５℃で２個のウェスティングハウス社製の電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷによる１７００ルクス光度下で、ＤＮＡ電気めっき浴に浸した。約５．５０時間経過した後、太陽電池チップをＤＮＡ浴から除去し、ペーパータオル上で乾燥させた。ダークブルーエミッタ表面を、空気中で２５℃で行った乾燥処理中に１７００ルクス光源下にさらした。ＤＮＡは、可視コーティングによって明らかにされる通り、太陽電池チップ（即ち、ｐ型シリコン）の後部側かシルバー側で電気めっきされた。このダークブルーエミッタ表面（即ち、ｎ型シリコン）上には、顕著な被覆は観察されなかった。ＤＮＡ電気めっき浴のｐＨは、電気めっき工程の完了後も約７．００のままであった。めっき表面での電気化学ポテンシャルは、約１５０ｍＶで、電流密度は、約７７μＡｃｍ^-2であった。
実施例Ｃ：ＤＮＡ被覆多結晶シリコンｐ−ｎ接合太陽電池上へのグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）の電着
１８Ｍｏｈｍの殺菌水を溶剤として使用し、グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）電気めっき溶液を調製した。０．００９２ｇのグルコースオキシダーゼ（ＥＣ １．１．３．４；約１０００ユニット）が、１００ｍｌの水に添加された溶液のｐＨは、約６．００である。緩衝剤または更なるｐＨ調整の必要はなかった。１．００ｍｌのメタノールをＧＯＤ電気めっき溶液に添加し、よく混合した。次に、２個のウェスティングハウス社製電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷによる１７００ルクスの光度下、２５℃で約８．１０時間ダークブルーエミッタ表面をさらした状態で、実施例ＢからのＤＮＡ被覆多結晶シリコンｐ−ｎ接合太陽電池をＧＯＤ電気めっき浴に浸した。この太陽電池チップを、ＧＯＤ浴から除去して、ペーパータオル上で乾燥させた。ダークブルーエミッタ表面は、空気中で２５℃で、約１２時間行った乾燥処理中に１７００ルクス光源下にさらした。ＧＯＤは、可視の黄橙色の析出物から明らかであるように、太陽電池チップ（即ち、ｐ型シリコン）の後部側またはシルバー側に電気めっきされた。黄橙色のＧＯＤ析出物は、実施例Ｂからの白色ＤＮＡ析出が重なる、チップの同じ領域内にあった。ダークブルーエミッタ表面（即ち、ｎ型シリコン）の上には、顕著な被覆は観察されなかった。ＧＯＤ電気めっき浴のｐＨは、電気めっき処理完了後も約６．００のままだった。ＧＯＤ−ＤＮＡチップを、光から除去し、パラフィン下に置いて、使用するまで保護および保存した。めっき表面での電気化学ポテンシャルは約１５０ｍＶであり、電流密度は約７７μＡｃｍ^-2であった。
実施例Ｄ：ＧＯＤ−ＤＮＡチップ上でのＤ-(+)-グルコースの検出
実施例Ａからの太陽電池チップの被覆／電気めっきでは、Ｄ-(+)-グルコースリガンドによる試験前は、デバイスの電子出力特性に変化はなかった。
実施例Ｃからの乾燥ＧＯＤ−ＤＮＡチップは、シルバーＧＯＤ−ＤＮＡ被覆面（例えば、ｐ型シリコン）をウェスティングハウス社製電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷに対面させた状態で設置された。デジタルマルチメータ（ＤＭＭ）（Ｅｘｔｅｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；モデル番号３８３２７３）の赤い（陽性）試験リードは、ダークブルーエミッタ（即ち、ｎ型）表面に接続され、ブラック（陰性）試験リードは、光に対面するｐ型ＧＯＤ−ＤＮＡ被覆表面に接続された（図３）。約−６０μＡのベースライン短絡電流が生成されるよう、光度が調整された（図５）。数分後、殺菌用Ｄ-(+)-グルコース標準試料（６３ｍｇ／ｄＬ）の液滴（約０．１００ｍＬ）が、給電されたＧＯＤ−ＤＮＡチップ上に置かれ、その結果、約−８μＡの新しいベースラインに達する約＋５１μＡの大きな矩形波の振幅変化が発生する（図５）。これは、チップの１ｃｍ²エリアあたり約２．００×１０¹⁷のグルコース分子が、十分に接続されたＧＯＤの単一層から発生すると予想される最大電流に一致する。グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）は、約１０²ｓ^-1の速度で室温で転換する。即ち、毎秒約２００個の移動可能な電子を生成する。グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）の径は約４３オングストロームなので、電極表面上に１．７×１０¹²までの酵素分子が存在する。レドックスの中心がすべて電極に十分電気接続されているとき、電流密度は約３．４×１０¹⁴電子ｓ^-1ｃｍ^-2、即ち約５３μＡｃｍ^-2（Ｈｅｌｌｅｒ，Ａ：レドックス酵素の電気配線。Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２３（５）：１２８−１３４ページ、１９９０年）に達することができる。
図６に、異なったＤ-(+)-グルコース濃度レベルでのＧＯＤ−ＤＮＡチップ性能に関する別の試験が示されている。“レベル１”および“レベル２”は殺菌用Ｄ-(+)-グルコース標準試料である（約６３及び２０ｍｇ/ｄＬ）。“レベル１”のＤ-(+)-グルコース標準試料の液滴は、水による洗浄および低濃度の“レベル２”Ｄ-(+)-グルコースの適用後、最初の矩形波を発生させる。矩形波振幅応答は、チップに適用されるＤ−グルコース濃度に正比例する。水によるリガンドＤ-(+)-グルコースのＧＯＤ−ＤＮＡチップの洗浄により、チップは、ベースライン電圧／電流に戻る（図５または図６）。
実施例Ｅ：ＤＮＡ被覆多結晶シリコンｐ−ｎ接合太陽電池の電着
ＤＮＡ被覆多結晶シリコン太陽電池は、上述した実施例ＡおよびＢでの説明と同様の方法で作成した。その違いを以下に示す。
１．商用多結晶シリコン太陽電池チップ０．０２８０ｇおよび０．４０５９ｃｍ²を半導体基板として使用した。
２．摂氏２５度で、２個のウェスティングハウス社製電球Ｆ１５Ｔ８／Ｃによる１７００ルクス光度下に置いたとき、（上記）１から乾式太陽電池チップの短絡出力は、４３．５５ミリボルトおよび３６．３５マイクロアンペアであった。
３．チップのダークブルーエミッタ表面を、２個のウェスティングハウス社製蛍光電球Ｆ１５Ｔ／ＣＷによる１７００ルクス光度下に置いた状態で、乾式太陽電池チップを摂氏２５度で３００マイクロリットルのＤＮＡ／ＥＭＯＬＥ^TM電気めっき浴に浸した。
４．３８．７５時間後、太陽電池チップをＤＮＡ／ＥＭＯＬＥ^TMから除去した。
５．２個のウェスティングハウス製蛍光電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷで発生した１７００ルクス光度のもと、二酸化窒素ガスの雰囲気下でＤＮＡチップを摂氏２５度で２．５０時間乾燥させた。
６．シリコン半導体のめっき表面での電気化学ポテンシャルは約４４ｍＶであり、電流密度は８９μＡ／ｃｍ^-2であった。
１８Ｍｏｈｍの殺菌水を溶剤として使用し、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）電気めっき溶液を調製した。０．００４６ｇのグルコースデヒドロゲナーゼ（ＥＣ １．１．１．１１９；５０ユニット）を、７．５０ｍＬの水に添加後の溶液のｐＨは、６．７２８であった。緩衝剤の添加またはｐＨの更なる調整は必要なかった。７５マイクロリットルのメタノールを、ＧＤＨ電気めっき溶液に添加して、十分に混合した。次に、２個のウェスティングハウス社製蛍光電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷによる１７００ルクス光度にチップのダークブルーエミッタ表面をさらした状態で、上記からの乾燥ＤＮＡチップを３００ミリリットルのＧＤＨ／ＥＭＯＬＥ^TM電気めっき浴中に摂氏２５度で２６．７５時間浸した。太陽電池チップは、ＧＤＨ／ＥＭＯＬＥ^TM電気めっき浴から除去した。ＧＤＨ−ＤＮＡチップは、２個のウェスティングハウス社製蛍光電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷにより発生した１７００ルクス光度のもとで、Ｎ₂ガスの雰囲気下において、摂氏２５度で５．００時間乾燥させた。ＧＤＨ−ＤＮＡチップを、光から除去し、デシケータボックス内に入れ、使用するまで保護および保管した。シリコン半導体基板のめっき表面での電気化学ポテンシャルは約４４ｍＶであり、電流密度は約８９μＡ／ｃｍ^-2であった。
実施例Ｆ：ＧＤＨ−ＤＮＡチップ上でのＤ-(+)-グルコースの検出
ＧＯＤの例と同様に、太陽電池のＥＭＯＬＥ^TM被覆／電気めっきにより、Ｄ-(+)-グルコースリガンドによる試験前は、デバイスの電子出力特性は変化しない。
実施例Ｅからの乾燥ＧＤＨ−ＤＮＡチップは、シルバーＧＤＨ−ＤＮＡ被覆表面（即ち、ｐ型シリコン）をウェスティングハウス社製蛍光電球Ｆ１５Ｔ８／ＣＷに対面させた状態で設置した。デジタルマルチメータ（ヒューレットパッカード社製モデル３４９７０Ａ）の黒い（陰性）試験リードは、ダークブルーエミッタ（即ち、ｎ型シリコン）表面に接続され、赤い（陽性）試験リードは、光に対面するｐ型ＧＤＨ−ＤＮＡ被覆表面に接続した。約＋６５μＡ（図７の下方向の曲線）および約＋７８ｍＶのベースライン電位差（図７の上方向の曲線）を発生させるため、光度を調整した。数分後、生理食塩水燐酸塩緩衝剤（１ｘＳＳＰ，ｐＨ７．３２３）中に殺菌用Ｄ-(+)-グルコース（６０ｍｇ／ｄＬ）を入れた５マイクロリットルの液をＧＤＨ−ＤＮＡチップ上に滴下した結果、約６．５μＡおよび＋７．５ｍＶの中間大型矩形波振幅変化が起こり、それぞれ約＋７１μＡおよび＋８５ｍＶの新しいベースラインに達した。
ＧＯＤおよびＧＤＨを用いた上記の例は、本発明の有効性および幅広い適用性を例証する役割を果たしている。ＧＯＤ（ＥＣ １．１．３．４）およびＧＤＨ（１．１．１．１１９）の両方がＤ-(+)-グルコースをＤ−グルコノラクトンに酸化させるが、両者は全く異なる酵素である。
ＧＯＤ（ＥＣ １．１．３．４）は、菌類の間に広まる。ＧＯＤは、分子質量１６０，０００ダルトンを有するフラボプロテインおよびグリコプロテインを含むＦＡＤである。ＧＯＤは、酵素１モルあたり２モルのＦＡＤコファクターと、１６％の炭水化物を含む。炭水化物の鎖は、触媒には直接含まれない。ＧＯＤの特性は、非常に高く、グルコースのベータ形式は、アルファ形式よりも１５７倍も早く酸化し、検査したほかの物質の内、２−デオキシ−Ｄ−グルコースおよび６−デオキシ−Ｄ−グルコースは、Ｄ−グルコースよりも１０％を超える割合で酸化した。Ｏ₂は、Ｈ₂Ｏ₂を生成するこの酵素の天然電子アクセプタである。
ＮＡＤ（Ｐ）依存ＧＤＨ（ＥＣ １．１．１．１１９）は、暗室内でグルコース上に形成され得るバクテリアの株などのようなフォトオートトロフィック原核生物において発生する。Ｄ-(+)-グルコース（アルファおよびベータ形式）に加えて、ＮＡＤ（Ｐ）依存ＧＤＨも、Ｄ−マンノース、２−デオキシ−Ｄ−グルコース、および２−アミノ−２−デオキシ−Ｄ−マンノースを酸化する。ＮＡＤ（Ｐ）依存ＧＤＨは、フラボプロテインやグリコプロテインではなく、珍しい特性を有する。即ち、アルドペントースを酸化せず、電子アクセプタとしてＮＡＤ⁺またはＯ₂と共に完全に不活性となる。代わりに、ＮＡＤ（Ｐ）⁺をその電子アクセプタとして特に必要として、ＮＡＤ（Ｐ）Ｈ＋Ｈ⁺を生成する。この酵素の分子質量は、約２３０，０００ダルトンである。Ｄ−マンノースの酸化は、様々な生物源から得られるアルドースデヒドロゲナーゼの比較的珍しい特性である。
ＮＡＤ（Ｆ）⁺が溶液中にない場合、ＧＤＨ（ＥＣ １．１．１．１１９）は、Ｄ-(+)-グルコースを酸化しない。実施例ＦのＧＤＨ−ＤＮＡチップ試験溶液にはＮＡＤ（Ｐ）⁺は加えられなかったが、それでもこの溶液は、添加されたＤ-(+)-グルコースを高速に酸化させた。このことは、このデバイスのＤＮＡ分子ワイヤが、本試験溶液に存在しない分散可能なＮＡＤ（Ｐ）⁺の代わりに、付着された触媒先端体ＧＤＨ酵素からシリコン半導体基板への直接電子移動のための「ハード配線された」コンジットとして機能することを示している。
上述した通り、天然状態のＧＯＤは、ＦＡＤ／ＦＡＤＨ₂レドックス中心を通じてＤ−グルコースを酸化する。これには、酵素に緊密に結合されているＦＡＤ補欠分子族に２つの電子および２つの水素が移動することが含まれる。通常、センサメディエータの不存在下において、ＧＯＤ−ＦＡＤＨ₂複合体は、触媒反応サイクルを完了するために、ＧＯＤ−ＦＡＤ複合体に対して、雰囲気酸素（例えば、Ｏ₂）により再酸化される。逆に、ＧＤＨ（ＥＣ １．１．１．１１９）は、ＦＡＤ含有フラボプロテインではない。ＧＤＨ（ＥＣ １．１．１．１１９）は、異なったレドックス中心を通じてＤ−グルコースを酸化し、このレドックス中心は、Ｄ−グルコノラクトンおよびＮＡＤ（Ｐ）Ｈ＋Ｈ⁺を生成する酸化および電子移動の触媒機構中に活躍する理論量の分散可能なＮＡＤ（Ｐ）⁺補酵素を利用している。還元された補酵素ＮＡＤ（Ｐ）Ｈは、分子状酸素（例えば、Ｏ₂）によってはリサイクルも再酸化もされないので、（ＧＯＤ−ＦＡＤＨ₂同様）非常に高価なＮＡＤ（Ｐ）⁺補酵素を、グルコースの生物触媒酸化を駆動するため初めに添加しなければならない。このため、ＧＤＨ（ＥＣ １．１．１．１１９）に依存するグルコースセンサは、ＧＯＤベースのグルコースセンサとは異なり、酸素分圧に感応しない。更にまた、ＧＯＤおよびＧＤＨアミノ酸配列は、全く異なる。ＧＤＨ酵素は、約２３０，０００ダルトンの分子質量を有する一方、ＧＯＤ酵素は、約１６０，０００ダルトンの分子質量を有する。このため、上記の例は、本発明が、広範囲の異なった分子認識先端体に適用できることを実証している。
結論
本明細書では、様々な引用がなされている。これらの引用の各々は、あらゆる目的のために、引用という形式で本明細書に組み込まれている。
本発明は、主に液晶導電性ポリマーおよび分子認識表面の化学的電着の使用に関して説明されるが、他の析出の種類、導電性ワイヤ、および基板が使用できるのは、当業者によって容易に認識される。パターン化された電気化学的および化学的析出については様々な形態を使用できる。様々な種類のｐ−ｎヘテロまたはホモ接合半導体基板を使用しても良い。この基板は、幅広いスペクトル光、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、太陽の放射、紫外線放射、可視光放射、赤外線放射、Ｘ線、ガンマ線、放射能、熱、または基板バンドギャップより大きな外部から供給される核または電磁気エネルギーによって駆動されて、電気化学析出のパターン化された領域を生成したり、完成したデバイスを駆動したりしても良い。
上記の記述は、例として意図され、限定的ではないと理解される。上記の記述を見直せば、多くの実施例は、当業者にとって明らかとなるであろう。従って、本発明の範囲は、上記説明を参照することなく決定すべきであり、代わりにこの様なクレームが対象となる等価物の全範囲に沿って追加クレームを参照して決定すべきである。

Claims (66)

1. レドックスメディエータに依存せずに分析対象成分の存在を検知するセンサであって、
   各々が少なくとも第１端および第２端を有し、実質的に同一の方位に整列された複数の導電性ポリマーストランドと、
   前記分析対象成分に対して親和性を有するとともに、前記分析対象成分の分子との接触時にレドックス反応に関与する複数の分子認識先端体であって、前記レドックス反応が先端体で発生したときに、前記ポリマーストランド内でレドックス反応が発生することなく、前記先端体に付着された導電性ポリマーストランドへと移動電荷キャリアが直接伝達されるように前記導電性ポリマーストランドに付着されている複数の分子認識先端体と、
   前記導電性ポリマーストランドの前記第２端に付着され、前記導電性ポリマーストランドからの移動電荷キャリアの受け入れを電子回路へと伝達可能な電極基板と、
   を備えるセンサ。
2. 前記複数の導電性ポリマーストランドは多重螺旋核酸ストランドである、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、二重螺旋ＤＮＡストランドである、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、多重螺旋核酸、電子伝達プロテイン、バイオポリマー、合成有機および無機導電性ポリマー、金属クリスタリット分子ワイヤ、およびラングミュア−ブロジェット導電フィルムから成るグループから選択される、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、電極基板に実質的に直交して配向されている、請求項１に記載のセンサ。
6. 前記複数の分子認識先端体は、前記分析対象成分の化学変換に触媒作用を及ぼすことにより前記レドックス反応に関与する、請求項１に記載のセンサ。
7. 複数の分子認識先端体は、オキシドレダクターゼ、免疫グロブリンおよび触媒抗体から成るグループから選択される、請求項１に記載のセンサ。
8. 前記複数の分子認識先端体は、化学的に均質である、請求項１に記載のセンサ。
9. 前記複数の分子認識先端体は、化学的に不均質である、請求項１に記載のセンサ。
10. 前記センサは、化学的に均質な分子認識先端体の第１の群が配置される前記電極基板上の第１領域と、化学的に均質な分子認識先端体の第２の群が配置される前記電極基板上の第２領域とを有し、前記第１および第２領域を別個にアドレス指定可能である、請求項９に記載のセンサ。
11. 前記分子認識先端体は、グルコースオキシダーゼとグルコースデヒドロゲナーゼの少なくとも一方を含む、請求項１に記載のセンサ。
12. 前記電極基板は、光起電力ダイオードの一電極である、請求項１に記載のセンサ。
13. 前記電極基板は、半導体チップ上のデバイスのデバイス要素である、請求項１に記載のセンサ。
14. 前記導電性ポリマーストランドは超伝導性である、請求項１に記載のセンサ。
15. 分析対象成分の存在を検知するセンサであって、
    各々が少なくとも第１端および第２端を有する複数の多重螺旋核酸ワイヤと、
    前記分析対象成分に対して親和性を有し、前記分析対象成分の分子との接触時にレドックス反応に関与し、前記多重螺旋核酸ストランドに付着された複数の分子認識先端体と、
    前記多重螺旋核酸ストランドの前記第２端に付着され、前記多重螺旋核酸ストランドからの移動電荷キャリアの受け入れを電子回路に伝達可能な電極基板と、
    を備えるセンサ。
16. 前記レドックス反応の発生時に、メディエータを必要とすることなく、前記多重螺旋核酸ストランドに移動電荷キャリアが直接伝達されるように前記分子認識先端体に前記複数の多重螺旋核酸ストランドが付着されている、請求項１５に記載のセンサ。
17. 前記複数の多重螺旋核酸ストランドは、各々実質的に同一の方位に整列されている、請求項１５に記載のセンサ。
18. 前記複数の多重螺旋核酸ワイヤは、二重螺旋ＤＮＡワイヤである、請求項１５に記載のセンサ。
19. 前記複数の多重螺旋核酸ワイヤは、Ｂ−ＤＮＡ配座を有する二重螺旋ＤＮＡワイヤである、請求項１５に記載のセンサ。
20. 前記電極基板は、半導体チップ上のデバイスのデバイス要素である、請求項１５に記載のセンサ。
21. （ｉ）各々が、第１端および第２端を有するとともに、実質的に同一の方位に整列された複数の導電性ポリマーストランドと、（ｉｉ）分析対象成分に対して親和性を有し、前記導電性ポリマーストランドに付着されているとともに、前記分析対象成分の分子との接触時にレドックス反応に関与する複数の分子認識先端体と、（ｉｉｉ）前記導電性ポリマーストランドの前記第２端に付着される電極基板と、を含むセンサを用いて、分析物内の分析対象成分の濃度を検出する方法であって、
    前記分子認識先端体を前記分析物に接触させる工程と、
    前記レドックス反応によって発生した移動電荷キャリアが前記導電性ポリマーストランドにより前記電極基板へと伝達された結果として、移動電荷キャリアが前記電極基板へと伝達されたか否かを決定する工程と、を備え、前記レドックス反応が先端体で発生したとき、ポリマーストランド内でレドックス反応が発生することなく、移動電荷キャリアが、前記先端体に付着された導電性ポリマーストランドへと直接伝達される、方法。
22. 前記電極基板に接続された電子回路内において、前記導電性ポリマーストランドからの移動電荷キャリアの受け入れによって発生する変化をモニターする工程と、
    前記分析対象成分の濃度と、前記電子回路内の前記変化とを関連付ける工程と、
    を更に備える、請求項２１に記載の方法。
23. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、多重螺旋核酸ストランドである、請求項２１の方法。
24. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、二重螺旋ＤＮＡストランドである、請求項２１に記載の方法。
25. レドックスメディエータに依存せず、分析対象成分の存在を検知するセンサであって、
    前記分析対象成分に対する親和性を有し、前記レドックス反応が先端体で発生するときに移動電荷キャリアが発生するように、前記分析対象成分の分子との接触時にレドックス反応に関与する複数の分子認識先端体と、
    第１電極を有し、前記レドックス反応によって発生した移動電荷キャリアが前記第１電極に伝達されるように、前記複数の分子認識先端体が固定されたダイオードと、
    前記移動電荷キャリアが前記第１電極に伝達されたことを検出する回路と、
    を備えるセンサ。
26. 前記複数の分子認識先端体は、前記ダイオードのｐ型側に付着されている、請求項２５に記載のセンサ。
27. 前記複数の分子認識先端体は、多重螺旋核酸、電子伝達プロテイン、バイオポリマー、有機合成および無機導電性ポリマー、金属クリスタリット分子ワイヤおよびラングミュア−ブロジェット導電性フィルムから成るグループから選択される複数の導電性ポリマーストランドを介して前記第１電極に付着されている、請求項２５に記載のセンサ。
28. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、実質的に同一方向に配向されている、請求項２７に記載のセンサ。
29. 前記複数の分子認識先端体は、オキシドレダクターゼ、免疫グロブリン、および触媒抗体から成るグループから選択される、請求項２５に記載のセンサ。
30. 複数の分子認識先端体は、化学的に不均質である、請求項２５に記載のセンサ。
31. 前記センサは、化学的に均質な分子認識先端体の第１の群が配置される前記電極基板上の第１領域と、化学的に均質な分子認識先端体の第２の群が配置される前記電極基板上の第２領域とを有し、前記第１および第２領域のアドレス指定が別個に可能である、請求項３０に記載のセンサ。
32. 前記ダイオードは、半導体チップ上のデバイスである、請求項２５のセンサ。
33. 前記ダイオードは光起電力ダイオードである、請求項２５のセンサ。
34. （ｉ）分析対象成分に対する親和性を有し、前記レドックス反応が先端体で発生するときに移動電荷キャリアが発生するように、前記分析対象成分の分子との接触時にレドックス反応に関与する複数の分子認識先端体と、（ｉｉ）前記複数の分子認識先端体が固定されている第１電極であって、前記レドックス反応により発生した移動電荷キャリアが伝達される前記第１電極を有するダイオードと、を有するセンサを用いて、分析物内の分析対象成分の濃度を検出する方法であって、
    前記分子認識先端体を前記分析物に接触させる工程と、
    （ｉ）前記ダイオードに刺激が与えられ、かつ、（ｉｉ）前記複数の分子認識先端体には実質上前記分析対象成分が存在しない、ときに存在するベースライン電気信号を特定する工程と、
    前記分析対象成分が前記分子認識先端体と接触するときに、前記移動電荷キャリアの前記第１電極への移動により発生する、前記ベースライン電気信号からの偏差を検出する工程と、を備える方法。
35. 前記偏差の振幅を決定する工程と、
    前記電気信号からの他の如何なる情報も使用せずに前記偏差の振幅から直接的に分析対象成分の濃度を決定する工程と、
    を更に備える、請求項３４に記載の方法。
36. 前記分析対象成分濃度は、前記偏差の振幅に比例する、請求項３５に記載の方法。
37. 前記ベースライン電気信号および前記ベースライン電気信号からの偏差は、電圧測定値である、請求項３４に記載の方法。
38. 前記ベースライン電気信号および前記ベースライン電気信号からの偏差は、電流滴定値である、請求項３４に記載の方法。
39. 多重螺旋核酸、電子伝達プロテイン、バイオポリマー、有機合成および無機導電性ポリマー、金属クリスタリット分子ワイヤ、およびラングミュア−ブロジェット導電性薄膜から成るグループから選択される複数の導電性ポリマーストランドを介して、前記複数の分子認識先端体が前記第１電極に付着されている、請求項３４に記載の方法。
40. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、実質的に同一方向に配向される、請求項３９の方法。
41. 前記ダイオードが光起電力ダイオードであり、ベースライン電気信号の特定時に与えられる刺激は放射エネルギーである、請求項３４に記載の方法。
42. 分析対象成分の存在を検知できるセンサを形成する方法であって、
    移動導電性ポリマーストランドまたはその前駆体を含む第１媒体にセンサ基板を接触させる工程と、
    前記基板に固定された前記導電性ポリマーストランドを有する第１構造の形成に充分な第１電位差を前記基板に印加する工程と、
    固定された導電性ポリマーストランドを有する前記センサ基板を、移動分子認識先端体を含む第２媒体に接触させる工程と、
    前記固定された導電性ポリマーストランドに前記分子認識先端体を固定するために充分な第２電位差を前記基板に印加することによって、前記導電性ポリマーストランドに固定された前記基板と、前記導電性ポリマーストランドにさらに固定された前記分子認識先端体とを有するセンサ構造が形成される工程と、
    を備える方法。
43. 前記第１電位差を印加する工程は、前記固定された導電性ポリマーストランドを実質的に同一の方向に配向させる電位差で実行される、請求項４２に記載方法。
44. 前記第１電位差は、約０．００１から１５００ｍＶの間にある、請求項４３に記載の方法。
45. 前記第１電位差の印加工程は、基板表面において約０．００１から１５００μＡｃｍ^-2の間の電流密度を発生させる、請求項４３に記載の方法。
46. 前記導電性ポリマーストランドは、多重螺旋核酸である、請求項４２に記載の方法。
47. 前記第２電位差の印加工程は、前記固定された分子認識先端体を実質的に同一の方向に配向させる電位差で実行される、請求項４２に記載の方法。
48. 前記第２電位差は、約０．００１から１５００ｍＶの間にある、請求項４７に記載の方法。
49. 前記第１電位差の印加工程は、基板表面で約０．００１から１５００μＡｃｍ^-2の間の電流密度を発生させる、請求項４７に記載の方法。
50. 前記第１電位差の印加工程に続いて、前記センサ基板から前記第１媒体を除去する工程を更に備える、請求項４２に記載の方法。
51. 前記第１電位差の印加工程の実行により、前記第１媒体から前記第２媒体が得られる、請求項４２に記載の方法。
52. 前記基板への第１電位差の印加工程は、前記導電性ポリマーストランドの前記前駆体を高分子化させて、前記基板に固定された前記導電性ポリマーストランドを形成させる、請求項４２に記載の方法。
53. 前記センサ基板は、半導体チップ上のデバイスのデバイス要素である、請求項４２に記載の方法。
54. 前記センサ基板を第２媒体に接触させる工程の前に、前記センサ基板の或る領域を絶縁して、前記分子認識先端体が絶縁領域のみに析出されるようにする工程を更に備える、請求項４２に記載の方法。
55. 前記領域の絶縁工程と、前記センサ基板を第２媒体に接触させる工程と、前記基板に第２電位差を印加する工程とが二回実行され、前記第２媒体に前記センサ基板を接触させる工程は、第２分子認識先端体を有する第２媒体を用いて、化学的に均質な分子認識先端体の第１の群を有する前記センサ基板上の第１領域と、化学的に均質な分子認識先端体の第２の群を有する前記センサ基板上の第２領域とを有する構造を形成する、請求項５４に記載の方法。
56. 請求項４２に記載の方法によって形成されるセンサ。
57. 核酸配列の存在を検知するセンサであって、
    各々が少なくとも第１端および第２端を有する複数の特定配列の単一螺旋非導電性核酸ワイヤと、
    前記特定配列の単一螺旋非導電性核酸ストランドの前記第２端に付着され、相補性多重螺旋核酸ストランドから発生する移動電荷キャリアの受け入れを電子回路に伝達可能な電極基板と、
    前記核酸ワイヤ内に移動電荷キャリアを注入するように構成された分子認識先端体と、を備え、前記センサが前記相補性核酸配列を有する分析物に曝されたときに、前記単一螺旋非導電性核酸ワイヤの少なくともいくつかが前記分析物と混成して導電性多重螺旋核酸ストランドを形成する、センサ。
58. 前記複数の特定配列の単一螺旋非導電性核酸ストランドは、前記分子認識先端体でレドックス反応が発生したときに移動電荷キャリアが前記多重螺旋核酸ストランドに伝達されるように、前記分子認識先端体の前記第１端に付着されており、前記多重螺旋核酸ストランドは、前記特定配列の単一螺旋非導電性核酸ストランドと、前記相補性核酸配列を有する前記分析物と、の間の混成によって形成される、請求項５７に記載のセンサ。
59. 前記電極基板は、半導体チップ上のデバイスのデバイス要素である、請求項５７に記載のセンサ。
60. レドックスメディエータに依存せずに分析対象成分の存在を検知するセンサであって、
    各々が少なくとも第１端および第２端を有する複数の導電性ポリマーストランドと、
    前記分析対象成分に対する親和性を有し、前記分析対象成分の分子と接触するときにレドックス反応に関与する複数の分離認識先端体であって、前記レドックス反応が先端体で発生したときに、前記ポリマーストランド内でレドックス反応が発生することなく、前記先端体に付着された導電性ポリマーストンランドに移動電荷キャリアが直接伝達されるように前記導電性ポリマーストランドに付着されている複数の分子認識先端体と、
    前記導電性ポリマーストランドの前記第２端に付着され、前記導電性ポリマーストランドからの移動電荷キャリアの受け入れを電子回路に伝達可能な電極基板と、を備え、前記導電性ポリマーストランドの導電率は、導電状態と絶縁状態との間で可逆的に変化することを特徴とするセンサ。
61. 前記分子認識先端体は、エステラーゼ、アミダーゼ、アシラーゼ、およびリパーゼから成るグループから選択される、請求項６０に記載のセンサ。
62. 前記複数の導電性ポリマーストランドは、Ｎ−メチルピロール、アニリン、チオフェン、３−メチルチオフェン、３，４−ジメチルチオフェン、ビニルフェロセン、スチレン、ニトロスチレン、ビオロゲン、ビニルピリジン、ビニル−２，２’−ビピリジン、ビニルルブレン、キノン系化合物、およびその誘電体から成るグループから選択されるモノマーから高分子化されたポリマーを有する、請求項６０に記載のセンサ。
63. 前記導電性ポリマーの導電率がｐＨの変化に応じて変化する、請求項６０のセンサ。
64. 前記分子認識先端体は、グルコースオキシダーゼとグルコースデヒドロゲナーゼの少なくとも一方を含む、請求項１５に記載のセンサ。
65. 前記分子認識先端体は、グルコースオキシダーゼとグルコースデヒドロゲナーゼの少なくとも一方を含む、請求項２１に記載の方法。
66. 前記基板への第２電位差の印加が、グルコースオキシダーゼと、グルコースデヒドロゲナーゼとから成るグループから選択される分子認識先端体を固定する、請求項４２に記載の方法。

Images