Conductive carbon nanotubes doped with a metal and methods of making a biosensor using them

专利摘要:
Die vorliegende Erfindung stellt leitende Kohlenstoffnanotubes (CNTs), erhalten durch das Dotieren carboxylierter CNTs mit Metallnanokristallen über funktionale chemische Gruppen, bereit und auch ein Verfahren zur Herstellung eines Musters oder Films der leitenden CNTs, das das wiederholte Abscheiden der leitenden CNTs auf einem Trägermaterial, um eine hohe Oberflächendichte zu haben, umfasst. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung einen Biosensor, worin Biorezeptoren, die Zielbiomoleküle binden, selektiv an den leitenden CNTs oder dem CNT-Muster oder -Film befestigen können, und auch ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit. Durch den leitenden Biosensor gemäß der vorliegenden Erfindung können verschiedene Zielbiomaterialien, die an die Biorezeptoren binden oder mit diesen reagieren, präzise direkt oder durch elektrochemische Signale in großen Mengen in einem Schritt gemessen werden. Weiterhin entspricht der erfinderische Biosensor der Anforderung, dass Biomaterialien gemäß ihren charakteristischen Eigenschaften in einem flüssigen Zustand gemessen werden müssen. Zusätzlich ist es dem erfinderischen Biosensor möglich, eine elektrische Detektionsmethode, fähig zur Bereitstellung präziser Messergebnisse, sogar mit einer kleinen Menge an Quelle anzuwenden.The present invention provides conductive carbon nanotubes (CNTs) obtained by doping carboxylated CNNs with metal nanocrystals via functional chemical groups, and also a method for producing a pattern or film of the conductive CNTs, which involves repeatedly depositing the conductive CNTs on a substrate to have a high surface density. Furthermore, the present invention provides a biosensor wherein bioreceptors that bind target biomolecules can selectively attach to the conductive CNTs or the CNT pattern or film, and also provide a method for producing the same. By the conductive biosensor according to the present invention, various target biomaterials which bind to or react with the bioreceptors can be precisely measured directly or by electrochemical signals in large quantities in one step. Furthermore, the inventive biosensor meets the requirement that biomaterials must be measured according to their characteristic properties in a liquid state. In addition, the inventive biosensor is able to apply an electric detection method capable of providing accurate measurement results even with a small amount of source.
公开号:DE102004027865A1
申请号:DE102004027865
申请日:2004-06-08
公开日:2005-02-24
发明作者:Dae Hwan Jung；Hee Tae Jung；Byung Hun Kim；Do Hyun Kim；Young Koan Ko；Jae Shin Lee；Sang Yup Lee；Seok Jae Lee
申请人:Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST；
IPC主号:C12Q1-00

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf leitende Kohlenstoff-Nanotubes(CNTs), die durch das Dotieren von carboxylierten Kohlenstoff-Nanotubesmit Metallnanokristallen überfunktionelle chemische Gruppen erhalten werden. Außerdem beziehtsich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines leitenden CNT-Mustersoder -Films, welches das wiederholte Abscheiden solch leitenderCNTs auf einem Trägermaterial umeine hohe Oberflächendichtezu erzielen, umfasst. Außerdembezieht sich die Erfindung auf einen Biosensor, in dem Biorezeptoren,die an Ziel-Biomoleküle binden,selektiv an den leitenden CNTs oder dem leitenden CNT-Muster oder-Film befestigt sind, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.TheThe present invention relates to conductive carbon nanotubes(CNTs) produced by doping of carbonated carbon nanotubeswith metal nanocrystals overfunctional chemical groups are obtained. In addition, refersThe invention relates to a method for producing a conductive CNT patternor films, which makes the repeated deposition of such more conductiveCNTs on a carrier material arounda high surface densityto achieve. FurthermoreThe invention relates to a biosensor in which bioreceptors,that bind to target biomolecules,selectively on the conductive CNTs or the conductive CNT pattern orFilm, as well as a method of making the same.
[0002] EinKohlenstoff-Nanotube (CNT) ist eine allotrope Form von Kohlenstoff,welche aus Kohlenstoffen, die reichlich auf der Erde vorkommen,besteht. Diese sind röhrenförmige Stoffe,in welchen ein Kohlenstoffatom an andere Kohlenstoffe in der Formeiner hexagonalen Bienenwabenstruktur gebunden ist. Ihr Durchmesserliegt ungefährin der Größe einesNanometers (1/10⁹ Meter). Ein CNT ist dafür bekannt,exzellente mechanische Eigenschaften, elektrische Selektivität, Feldemissionseigenschaftenund hocheffiziente Wasserstoffspeichereigenschaften zu haben, undneu und so gut wie fehlerfrei in Bezug auf alle existierenden Stoffezu sein.A carbon nanotube (CNT) is an allotropic form of carbon that consists of carbon abundantly found on Earth. These are tubular materials in which one carbon atom is bonded to other carbons in the form of a hexagonal honeycomb structure. Their diameter is approximately the size of a nanometer (1/10 ⁹ meters). A CNT is known to have excellent mechanical properties, electrical selectivity, field emission characteristics, and high efficiency hydrogen storage properties, and to be new and virtually defect free with respect to all existing materials.
[0003] Deshalbzeigt ein solcher CNT unbegrenzte Anwendbarkeit auf den Gebietenvon Elektronenemissionsquellen, fluoreszierenden Vakuumdisplays(VFD), weißenLeuchtquellen, Feldemissionsdisplays (FED), sekundären Lithiumionen-Batterieelektroden,Wasserstoffspeicher-Brennstoffzellen, Nano-Drähten, Nano-Kapseln, Nano-Pinzetten,AFM/STM-Spitzen,Einzelelektronengeräten,Gassensoren, mikroskopischen Teilen der Medizintechnik etc.ThereforeSuch a CNT shows unlimited applicability in the fieldsof electron emission sources, fluorescent vacuum displays(VFD), whiteLight sources, field emission displays (FED), secondary lithium-ion battery electrodes,Hydrogen Storage Fuel Cells, Nano Wires, Nano Capsules, Nano Tweezers,AFM / STM tips,Single-electron devices,Gas sensors, microscopic parts of medical technology, etc.
[0004] Aufgrundseiner Eigenschaften von ausgezeichneter Struktursteifigkeit, chemischerStabilität,dem Vermögen,als ideale eindimensionale (1D) "Quantendrähte" mit entweder halbleitendemoder metallischem Verhalten und einem großen Seitenverhältnis zufungieren, weist ein CNT eine ausgedehnte Reihe potentieller Einsatzmöglichkeitenals Grundstoff von flat panel displays, Transistoren, Energiespeichernetc. und als verschiedene Sensoren im Nanogrößenbereich auf (Dai, H., Acc.Chem. Res., 35:1035, 2002).by virtue ofits properties of excellent structural rigidity, chemicalStability,the assets,as ideal one-dimensional (1D) "quantum wires" with either semiconductingor metallic behavior and a large aspect ratio tooa CNT has a wide range of potential usesas a basic material of flat panel displays, transistors, energy storage devicesetc. and as various nanoscale sensors (Dai, H., Acc.Chem. Res., 35: 1035, 2002).
[0005] Umsolche Eigenschaften verschiedenartiger anzuwenden, wurde der gereinigteeinzelwändigeCNT unter Verwendung von Säurein kurze Nanotube-Stückegeschnitten. Die geschnittenen CNT-Stücke weisen vorwiegend -COOH-funktionelle chemischeGruppen an einem Teil der Enden und Seitenwände der offenen Röhre auf.Die Eigenschaften des CNT wurden durch das chemische Binden vonverschiedenen Stoffen unter Verwendung dieser funktionellen chemischenGruppen modifiziert. Des Weiteren wurde berichtet, dass die funktionelleGruppe von CNT durch eine -SH-Gruppe durch chemische Manipulationersetzt wurde und musterförmigauf eine Goldoberflächemit Hilfe des Mikrokontakt-Druckverfahrensbzw. microcontact printing method aufgebracht wurde (Nan, X., etal., J. Colloid Interface Sci., 245:311, 2002) und dass das CNTauf einem Trägermaterial inForm eines vielschichtigen Films mit Hilfe des elektrostatischenVerfahrens bzw. electrostatic method immobililsiert wurde (Rouse,J.H. et al., Nano Lett., 3:59, 2003). Allerdings hat Erstgenanntesdie Nachteile der niedrigen CNT-Oberflächendichte und einer schwachenBindung und Letztgenanntes hat außerdem den entscheidenden Nachteil,dass das Mustererstellungsverfahren für selektive Immobilisierungauf der Oberflächenicht angewendet werden kann. Deshalb gibt es einen dringenden Bedarfzur Entwicklung einer neuen Art eines Oberflächenimmobilisierungsverfahrensmit hoher Dichte.Aroundto apply such properties more diversified, was the purifiedeinzelwändigeCNT using acidin short nanotube piecescut. The cut CNT pieces predominantly exhibit -COOH-functional chemicalGroups on a part of the ends and side walls of the open tube.The properties of CNT were determined by the chemical binding ofvarious substances using this functional chemicalModified groups. Furthermore, it was reported that the functionalGroup of CNT by an -SH group by chemical manipulationwas replaced and patternedon a gold surfaceusing the microcontact printing methodor microcontact printing method was applied (Nan, X., etal., J. Colloid Interface Sci., 245: 311, 2002) and that the CNTon a substrate inForm of a multilayered film with the help of the electrostaticProcedure or electrostatic method was immobilized (Rouse,J.H. et al., Nano Lett., 3:59, 2003). However, the former hasthe disadvantages of low CNT surface density and a weakBonding and the latter also has the distinct disadvantagethat the pattern creation method for selective immobilizationon the surfacecan not be applied. That's why there is an urgent needto develop a new type of surface immobilization processhigh density.
[0006] Dadie meisten Krankheiten auf der Proteinebene und nicht auf der genetischenEbene verursacht sind, zielen mehr als 95% der medizinischen Arzneimittel,die bis jetzt entwickelt worden sind oder gegenwärtig entwickelt werden, aufein Protein ab. Folglich sind Technologien zur Detektion von Protein-Protein-und Protein-Ligand-Wechselwirkungennotwendig in Studien zum Nachweis der Funktion von Biomolekülen, diemit gewissen Proteinen und Liganden wechselwirken, und zur Entwicklungtherapeutischer und vorbeugender Verfahren gegen Krankheiten, dieunmöglichmittels klassischer Techniken entwickelt werden konnten, die auf vonProtein-Funktionsanalyse und Netzwerkanalyse erhaltenen Daten basieren.Theremost diseases at the protein level and not at the genetic levelLevel, more than 95% of medical drugs targetthat have been developed or are currently being developeda protein off. Consequently, technologies for the detection of protein-proteinand protein-ligand interactionsnecessary in studies proving the function of biomolecules, theinteract with certain proteins and ligands, and to developtherapeutic and preventive treatment against diseases thatimpossiblecould be developed using classical techniques based onProtein function analysis and network analysis data obtained based.
[0007] DieTechnologie fürdie Detektion von Protein-Protein-Wechselwirkungen,die bis jetzt durchgeführt wordenist, ist eine Protein-Chip-Technologie. Diese kann als eine Technologieangesehen werden, in der die Orientierung von Biomolekülen aufeiner molekularen Ebene mit Hilfe einer Affinitätsmarkierung für ein Zielproteinkontrolliert wird, um spezifisch eine gleichmäßige stabile Einzelschichtdes Proteins auf der Oberfläche einesTrägermaterialszu immobilisieren, gefolgt von der Analyse der Protein-Protein-Wechselwirkung(Hergenrother, P.J. et al., JACS, 122:7849, 2000; Vijayendran, R.J.,A. et al., Anal. Chem., 73:471, 2001, Benjamin, T. et al., Tibtech.,20:279, 2002).The technology for the detection of protein-protein interactions that has been carried out so far is a protein chip technology. This can be considered as a technology in which the orientation of biomolecules at a molecular level by means of an affinity tag for a target protein to specifically immobilize a uniform stable single layer of the protein on the surface of a support followed by analysis of the protein-protein interaction (Hergenrother, PJ et al., JACS, 122: 7849, 2000; Vijayendran, RJ, A. et al., Anal. Chem., 73: 471, 2001, Benjamin, T. et al., Tibtech., 20: 279, 2002).
[0008] Seitkurzer Zeit werden Forschungen durchgeführt, um Reaktionen zwischensowohl Protein-Protein als auch Protein-Ligand mittels elektrochemischer Änderungenvon CNT nach Immobilisierung eines Biomaterials zu detektieren (Dai,H. et al., ACC. Chem. Res., 35:1035, 2002; Sotiropoulou, S. et al.,Anal. Bioanal. Chem , 375:103, 2003; Erlanger, B.F. et al., NanoLett., 1:465,2001; Azamian, B.R. et al., JACS, 124:12664, 2002).Ein repräsentativesBeispiel einer Protein-Liganden-Reaktion ist eine Avidin-Biotin-Reaktion.Star et al. bildeten einen Kanal auf einem Trägermaterial, welches mit einemPolymer behandelt worden war, unter Benutzung von CNT, und maßen dieBindungsaktivitätvon Streptoavidin mittels einer elektrochemischen Methode (Star,A. et al., Nano Lett., 3:459, 2003).sinceIn a short time, research is being conducted to find reactions betweenboth protein protein and protein ligand via electrochemical changesof CNT after immobilization of a biomaterial (Dai,H. et al., ACC. Chem. Res., 35: 1035, 2002; Sotiropoulou, S. et al.Anal. Bioanal. Chem, 375: 103, 2003; Erlanger, B.F. et al., NanoLett., 1: 465,2001; Azamian, B.R. et al., JACS, 124: 12664, 2002).A representativeAn example of a protein-ligand reaction is an avidin-biotin reaction.Star et al. formed a channel on a carrier material, which with aPolymer was treated using CNT, and measured thebinding activityof streptoavidin by means of an electrochemical method (Star,A. et al., Nano Lett., 3: 459, 2003).
[0009] DieVerfahren, umfassend die Herstellung einer CNT-Multilayer mit hoher Dichte, dem Befestigenvon DNA darauf und der Detektion komplementärer DNA, sind nützlich beimGenotyping, bei der Mutationsdetektion, Pathogenidentifikation unddergleichen. Es wurde berichtet, dass PNA (Peptidnukleinsäure: DNA-Imitator bzw. "mimic") regiospezifischauf einem einzelwändigenCNT befestigt ist und das komplentäre Binden um DNA zu untersuchen,untersucht wird (Williams, K.A. et al., Nature, 420:761, 2001).Außerdemhat es ein Beispiel gegeben, in welchem ein Oligonukleotid auf einemCNT-Array übereine elektrochemische Methode befestigt wurde und DNA über Guanidinoxidationdetektiert wurde (Li, J. et al., Nano Lett., 3:597, 2003). Jedoch istes nicht so, dass diese Methoden CNT zur Herstellung und Entwicklungvon Biochips anwenden.TheA process comprising preparing a high density CNT multilayer, bondingDNA on it and the detection of complementary DNA are useful inGenotyping, in mutation detection, pathogen identification andlike. It has been reported that PNA (peptide nucleic acid: DNA imitator or "mimic") is regiospecificon a single-walledCNT is attached and the complex binding to examine DNA(Williams, K.A. et al., Nature, 420: 761, 2001).Furthermorethere has been an example in which an oligonucleotide on aCNT array overan electrochemical method was attached and DNA via guanidine oxidationwas detected (Li, J. et al., Nano Lett., 3: 597, 2003). However, that isIt's not that these methods CNT for manufacturing and developmentof biochips apply.
[0010] Vorkurzem wurde ein Biomolekül-Detektionssensormit hoher Kapazität,der CNT verwendet, offenbart (WO 03/016901 A1). Dieses Patent betriffteinen Biochip vom Mehrkanal-Typ, der durch die Anordnung einer Vielzahlvon CNTs auf einem Trägermaterialunter Verwendung eines chemischen Linkers und der Befestigung verschiedenerArten von Rezeptoren produziert wird. Allerdings hat es einen Nachteil,dass er aufgrund der relativen Schwäche der elektrischen Leitfähigkeitnicht präziseanalysieren kann.In frontrecently became a biomolecule detection sensorhigh capacity,the CNT used disclosed (WO 03/016901 A1). This patent relatesa multi-channel type biochip formed by arranging a pluralityof CNTs on a substrateusing a chemical linker and attaching variousTypes of receptors is produced. However, it has a disadvantagethat he due to the relative weakness of the electrical conductivitynot precisecan analyze.
[0011] DieGründe,warum CNT als ein Biochip öffentlicheAufmerksamkeit erregt, sind wie folgt: Erstens, es bedarf keinerMarkierung; zweitens, es hat eine hohe Sensitivität gegenüber einerSignaländerung;und drittens, es ist fähigzur Reaktion in einer wässrigenLösungohne ein Protein zu schädigen.Die Kombination eines neuen Nanomaterials und eines biologischenSystems wird wichtige Fusionstechnologien in den entsprechendenGebieten der Krankheitsdiagnose (Erbkrankheiten), Proteomics undNanobiotechnologie schaffen.TheReasons,why CNT as a biochip publicAttention excited, are as follows: First, it does not need oneMark; Second, it has a high sensitivity to oneSignal change;and third, it is capablefor reaction in an aqueoussolutionwithout harming a protein.The combination of a new nanomaterial and a biological oneSystems will be important fusion technologies in the correspondingAreas of disease diagnosis (hereditary diseases), proteomics andCreate nanobiotechnology.
[0012] EinegroßeMenge genetischer Information wurde über das Projekt zur Totalsequenzierungdes menschlichen Genoms bzw. "humangenome project" erhaltenund diese Information stellte einen Trittstein bereit, der zur Innovationin dem Verständnisund der Diagnose genetischer Krankheiten führen wird. In dieser Strömung istdie Entwicklung eines effektiven DNA-Fingerprinting-Systems zurGenomsequenzierung, Mutationsdetektion und Pathogenidentifizierungerforderlich.AsizeThe amount of genetic information was about the total sequencing projectof the human genome or "humangenome project "and this information provided a stepping stone to innovationin the understandingand the diagnosis of genetic diseases. In this flow isthe development of an effective DNA fingerprinting system forGenome sequencing, mutation detection and pathogen identificationrequired.
[0013] Umeinen schnelleren und billigeren Biosensor zu entwickeln, sind vieleForschungen überTechnologien der DNA-Hybridisierungsdetektion durchgeführt worden.Verschiedene Markierungstechniken zur Detektion von DNA-Hybridisierung wurdenentwickelt und gegenwärtigwerden fluoreszierende Substanzen am allermeisten beim Markiereneingesetzt. Eine DNA-Einzelkette, fähig zur Detektion komplementärer DNAswird immobilisiert, um komplementäre DNAs in einer wässrigenLösungzu erkennen, und ein Signalwandler ändert ein DNA-Hybridisierungssignalin ein analysierbares Signal.AroundTo develop a faster and cheaper biosensor are manyResearches aboutTechnologies of DNA hybridization detection has been carried out.Various labeling techniques have been used to detect DNA hybridizationdeveloped and currentMost fluorescent fluorescent substances are labeledused. A single DNA chain capable of detecting complementary DNAsis immobilized to complementary DNAs in an aqueous solutionsolutionand a signal transducer changes a DNA hybridization signalinto an analyzable signal.
[0014] Wasdie Signalwandler betrifft, werden optische (fluoreszierende), piezoelektrischeund elektrochemische Transduktionstechniken untersucht. Unter ihnenhat die elektrochemische Technik verschiedene Vorteile einschließlich einerhohen Sensitivität,niedriger Kosten und einer Kompatibilität mit Mikroherstellungstechnologie("microfabricationtechnology") undsie kann DNA mit einer bestimmten Basensequenz auf eine schnelle unddirekte Art und Weise detektieren.WhatThe signal transducers are optical (fluorescent), piezoelectricand electrochemical transduction techniques. Among themThe electrochemical technique has several advantages including onehigh sensitivity,low cost and compatibility with microfabrication technology( "Microfabricationtechnology ") andshe can turn DNA with a specific base sequence on a fast andDetect direct way.
[0015] Esgibt verschiedene Verfahren, die dazu fähig sind, eine DNA-Sonde aufeiner Wandleroberfläche (CNTsder vorliegenden Erfindung) zu immobilisieren, und diese können inverschiedene Kategorien eingeordnet werden, welche chemische Adsorption,covalente Bindung, elektrostatische Anziehung, Copolymerisierungund Avidin-Biotin-Affinitätssystemeinschließen.Außerdemkönnendie DNAs auf einer Oberflächeim Mikrometermaßstabunter Verwendung eines leitenden Polymers immobilisiert werden.ItThere are several methods that are capable of detecting a DNA probea transducer surface (CNTsof the present invention), and these can be used indifferent categories are classified, which chemical adsorption,covalent bonding, electrostatic attraction, copolymerizationand avidin-biotin affinity systemlock in.Furthermorecanthe DNAs on a surfaceon the micrometer scalebe immobilized using a conductive polymer.
[0016] Eineeffektive Oberflächenbehandlung,fähig zurVerstärkungder Hybridisierungseffizienz und dem gleichzeitigen Entfernen desHintergrunds von nicht-spezifischer Bindung, ist erforderlich, umDNA-Hybridisierung effektiv mit Hilfe von einem DNA-Chip zu detektieren.Viele Forschungen sind durchgeführtworden, um eine OberflächenbehandelteDNA-Chip-Plattform herzustellen (Rogers, Y. et al., Anal. Biochem.,266:23, 1999; Hu, J. et al., Nuc. Acid. Res., 29:106, 2001). Außerdem wurdenverschiedene Verfahren zur Detektion von DNA-Hybridisierung entwickelt,welche das scanometrische Verfahren (scanometric method), das kolorimetrischeVerfahren, ein Verfahren, das Nanopartikel verwendet, ein Verfahren,das Elektrochemie verwen det, und etc. einschließen (Taton, T.A. et al., Science,289:1757, 2000; Alexandre, I. et al., Anal. Biochem., 295: 1, 2001; Cai,H. et al., Analyst., 127:803, 2002; Cai, H. et al., Anal. Bioanal.Chem. 375:287, 2003).Aeffective surface treatment,capable ofreinforcementthe hybridization efficiency and the simultaneous removal of theBackground of non-specific binding, is required toEffectively detecting DNA hybridization with the help of a DNA chip.Many researches are donebeen to a surface treatedDNA chip platform (Rogers, Y. et al., Anal. Biochem.266: 23, 1999; Hu, J. et al., Nuc. Acid. Res., 29: 106, 2001). In addition, weredeveloped various methods for the detection of DNA hybridization,which the scanometric method, the colorimetricMethod, a method using nanoparticles, a methodelectrochemistry, and etc. (Taton, T.A. et al., Science, Vol.289: 1757, 2000; Alexandre, I. et al., Anal. Biochem., 295: 1, 2001; Cai,H. et al., Analyst., 127: 803, 2002; Cai, H. et al., Anal. Bioanal.Chem. 375: 287, 2003).
[0017] Fernersind kürzlichviele Anwendungen mit CNT auf dem Gebiet des Bioengineering in Erscheinung getreten.Vorgeschlagen werden eine Anwendbarkeit von CNT für Biochips,wie z.B. Glucose-Biosensoren, die Proteindetektion und die Detektioneiner bestimmten DNA-Sequenz und dergleichen (Sotiropoulou, S. etal., Anal. Bioanal. Chem., 375:103, 2003; Chen, R. J. et al., Proc.Natl. Acad. Sci. USA, 100:4984, 2003; Cai, H. et al., Anal. Bioanal.Chem , 375: 287, 2003). Das Durchmustern von Biomolekülen voneiner Mehrfachschicht, basierend auf CNT, kann die Menge von immobilisiertenBiosubstanzen, wie z.B. DNAs, und die Nachweissensitivität der Biosubstanzenvergrößern, nachdemdie Mehrfachschicht, basierend auf CNT, eine weite Oberfläche undhohe elektrische Leitfähigkeitaufweist.Furtherare recentMany applications with CNT in the field of bioengineering have emerged.Proposed applicability of CNT for biochips,such as. Glucose biosensors, protein detection and detectiona particular DNA sequence and the like (Sotiropoulou, S. etal., Anal. Bioanal. Chem., 375: 103, 2003; Chen, R.J. et al., Proc.Natl. Acad. Sci. USA, 100: 4984, 2003; Cai, H. et al., Anal. Bioanal.Chem, 375: 287, 2003). The screening of biomolecules ofa multi-layer based on CNT, the amount of immobilizedBiosubstances, e.g. DNAs, and the detection sensitivity of the biosubstancesenlarge afterthe multi-layer, based on CNT, a wide surface andhigh electrical conductivityhaving.
[0018] Dieunlängstentstandene Tendenz, die Biotechnologie (BT) mit Nanotechnologie(NT) zu kombinieren, hat die Entwicklung von Hybrid-Nanomaterialien,die die Eigenschaft von Biomaterialien, die spezifisch binden können, ausnutzen,beschleunigt. DNAs werden hervorgehoben als intelligente Nanodrähte, diean die gewünschtenStellen (Stellen, an welche in der vorliegenden Erfindung Gold-Nanokristalle gebundenwerden) binden können.Therecentlytrend, biotechnology (BT) with nanotechnology(NT), has led to the development of hybrid nanomaterials,exploiting the property of biomaterials that can specifically bindaccelerated. DNAs are highlighted as smart nanowires thatto the desiredSites (sites to which gold nanocrystals bound in the present inventionbe able to bind).
[0019] DieKombination von Informationstechnologie (IT), NT und BT hat es ermöglicht,schnelle und präzise digitaleInformation bei der Messung von analogen Daten, wie z.B. der Anwesenheitoder Abwesenheit von Biomaterialien, und Reaktivität zu gebrauchen.Dies nennt man eine elektrische Detektionsmethode (Chen, J. et al.,JACS, 122:657, 2000; Dahne, L. et al., JACS, 123:5431, 2001).TheCombination of information technology (IT), NT and BT has made it possiblefast and accurate digitalInformation in the measurement of analog data, such as the presenceor absence of biomaterials, and reactivity.This is called an electrical detection method (Chen, J. et al.,JACS, 122: 657, 2000; Dahne, L. et al., JACS, 123: 5431, 2001).
[0020] EineLipid-Protein-Doppelschicht, welche zuerst untersucht worden war,hat elektrische Eigenschaften. Deshalb wurde sie bei Zellimmobilisierungbenutzt, um Zelloberflächen-Charakteristikaund alle Zell-Wechselwirkungen zu untersuchen. Eine etwas praktischereAnwendung war es, eine Rezeptorschicht als einen Biosensor für optischeund elektrische Detektion zu benutzen. Im Jahre 1993 beschrieb derDeutsche Stelzle, M. et al. deren Fähigkeit als ein Biosensor über Impedanzanalysein einem Sensor, basierend auf zwei Schichten von Lipid/Rezeptor(Stelze, M. et al., J. Phys. Chem., 97:2974, 1993). Weiterhin wurdeauf dem Fachgebiet der Detektion kleinerer Moleküle über elektrische Verfahren über dasErgebnis einer Studie berichtet, die anzeigt, dass die Richtungenelektrischer Dipole in organischen Molekülen im Nanomaßstab durchdie Anwendung elektrischer Pulse bei einer Sonde, wie z.B. AFM,kontrolliert werden kann. Gemäß dieserStudie könnenmolekulare Speicherchips mit höherDichte, wie z.B. Geräte,hergestellt werden und die elektrische Ladung der organischen Moleküle kannauch nach diesem Prinzip gemessen werden, wenn die Sonde mit einem geeignetenMetall überzogenist, um elektrische Eigenschaften zu haben und elektrische Pulsemit gewechselter Polaritätan die organischen Molekülevon der Sonde angewendet werden (Matsushige, K. et al., Nanotechnol.,9:208, 1998).ALipid-protein bilayer, which had been studied firsthas electrical properties. That's why she became involved in cell immobilizationused to identify cell surface characteristicsand to study all cell interactions. A little more practicalApplication was to use a receptor layer as a biosensor for opticaland to use electrical detection. In 1993 described theGerman Stelzle, M. et al. their ability as a biosensor via impedance analysisin a sensor based on two layers of lipid / receptor(Stelze, M. et al., J. Phys. Chem., 97: 2974, 1993). Was continuedin the art of detecting smaller molecules via electrical methods via theResult of a study reporting that indicates the directionselectric dipoles in nanoscale organic moleculesthe application of electrical pulses to a probe, e.g. AFM,can be controlled. According to thisStudy canmolecular memory chips with higherDensity, e.g. Equipment,can be produced and the electric charge of the organic moleculesalso be measured according to this principle, if the probe with a suitableMetal platedis to have electrical properties and electrical pulseswith changed polarityto the organic moleculesof the probe (Matsushige, K. et al., Nanotechnol.9: 208, 1998).
[0021] DesWeiteren wurde kürzlicheine Erfindung eingereicht (WO 2002/86168 A1), die sich auf Verfahren zumVergleich der relativen Gehalte von Biomolekülen und der Identifizierungvon Biomolekülenin einer Probe mittels Affinitätsmarkierungenund Massenspektrometrie bezieht.OfAnother was recentlyan invention (WO 2002/86168 A1), which relates to methods forComparison of relative levels of biomolecules and identificationof biomoleculesin a sample by affinity tagsand mass spectrometry.
[0022] ZumgegenwärtigenZeitpunkt ist das allgemeinste Verfahren zum Nachweis des Ergebnissesder Reaktion in einem Biochip, konventionelle fluoreszierende Materialienund Isotope zu verwenden (Toriba, A. et al., Biomed. Chromatogr.,17:126, 2003; Syrzycka, M. et al., Anal. Chim. Acta, 484:1, 2003;Grow, A.E. et al., J. Microbio. Meth., 53:221, 2003). Jedoch, daneue Verfahren, um einfach und präzise ein elektrisches oder elektrochemischesSignal zu messen, versucht werden, gibt es verstärkte Forderungen nach CNT alseinem neuen Material.To thecurrentTime is the most common method of evidence of the resultthe reaction in a biochip, conventional fluorescent materialsand isotopes (Toriba, A. et al., Biomed. Chromatogr.17: 126, 2003; Syrzycka, M. et al., Anal. Chim. Acta, 484: 1, 2003;Grow, A.E. et al., J. Microbio. Meth., 53: 221, 2003). However, therenew process to easily and precisely an electrical or electrochemicalSignal to be tried, there are increased demands for CNT asa new material.
[0023] EineAufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, CNTs, die mit einem Metalldotiert sind und deshalb exzellente elektrische Leitfähigkeitbesitzen, zur Verfügungzu stellen, genauso wie ein Verfahren zu deren Herstellung.AThe object of the present invention is to provide CNTs with a metalare doped and therefore excellent electrical conductivityown, availableas well as a method for their production.
[0024] Eineweitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahrenzur Bildung eines CNT-Musters durch das Abscheiden der Metall-dotiertenCNTs auf einem Trägermaterialbereitzustellen.AAnother object of the present invention is a methodfor forming a CNT pattern by depositing the metal-doped onesCNTs on a carrier materialprovide.
[0025] Einenoch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen CNT-Film,der eine hohe Oberflächendichteund exzellente elektrische Leitfähigkeitaufweist, bereitzustellen.AStill another object of the present invention is to provide a CNT film,the high surface densityand excellent electrical conductivityhas to provide.
[0026] Einewiederum andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einenleitenden CNT-Biosensor, wo eine Reihe von Biorezeptoren an dieleitenden CNTs, das leitende CNT-Muster oder den leitenden CNT-Film befestigtwerden, bereitzustellen, genauso wie ein Herstellungsverfahren davon.AYet another object of the present invention is to provide aconductive CNT biosensor, where a number of bioreceptors to theconductive CNTs, the conductive CNT pattern or the conductive CNT film attachedto provide, as well as a manufacturing method thereof.
[0027] Eineweitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahrenzur Detektion verschiedener Ziel-Biomaterialien,die an verschiedene Biorezeptoren binden oder an diesen reagieren,bereitzustellen, das den CNT-Biosensorverwendet.AAnother object of the present invention is a methodfor the detection of various target biomaterials,that bind to or react to different bioreceptors,to provide the CNT biosensoruses.
[0028] 1 ist ein schematischesDiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanotubes (CNTs),dotiert mit Goldnanopartikeln, zeigt. 1 Figure 3 is a schematic diagram showing a method of making carbon nanotubes (CNTs) doped with gold nanoparticles.
[0029] 2 ist ein schematischesDiagramm, das ein Verfahren zur Anfertigung eines polymeren Maskenmustersmit einer gegebenen Form zur Integration von CNTs von 1 auf einem Silicium-Trägermaterialmit Photolithographie zeigt. 2 FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a method of fabricating a polymeric mask pattern having a given shape for integration of CNTs of FIG 1 on a silicon substrate with photolithography shows.
[0030] 3 ist ein Flussdiagramm,das ein Verfahren zur Herstellung eines Musters von CNTs, dotiertmit Goldnanopartikeln, zeigt. 3a istein schematisches Diagramm, das zeigt, dass eine Thiol-(-SH)-Gruppe aufder Oberflächeeines Trägermaterialsexponiert ist und darauf ein Muster gebildet hat, und eine CNT-Einzelschicht,dotiert mit Goldnanokristallen, auf der Oberfläche des Trägermaterials immobilisiertwird. 3b ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, wie andere CNTs, dotiert mit Goldnanokristallen,auf der CNT-Einzelschicht von 3a über einechemische Substanz, die zwei Thiolgruppen aufweist, immobilisiertwerden. 3c ist ein schematischesDiagramm, das ein Verfahren zur Erhöhung der Oberflächendichtevon CNTs, dotiert mit Goldnanopartikeln, durch das Wiederholen desVerfahrens von 3b zeigt. 3d ist ein schematischesDiagramm, das ein Verfahren zur Abscheidung von CNTs, dotiert mitGoldnanopartikeln, um von hoher Dichte zu sein, durch das Wiederholendes Verfahrens von 3c zeigt. 3e ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, dass CNTs, dotiert mit Goldnanopartikeln, aufdem Trägermaterialabgeschieden sind, um von hoher Dichte zu sein, um ein CNT-Musterzu bilden. 3 Figure 4 is a flow chart showing a method of making a pattern of CNTs doped with gold nanoparticles. 3a Figure 12 is a schematic diagram showing that a thiol (-SH) group is exposed on the surface of a support material and patterned thereon, and a CNT monolayer doped with gold nanocrystals is immobilized on the surface of the support material. 3b Figure 12 is a schematic diagram showing how other CNNs doped with gold nanocrystals on the CNT monolayer of 3a be immobilized via a chemical substance having two thiol groups. 3c Figure 3 is a schematic diagram illustrating a method of increasing the surface density of CNTs doped with gold nanoparticles by repeating the method of 3b shows. 3d FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a method of depositing CNTs doped with gold nanoparticles to be high density by repeating the method of FIG 3c shows. 3e Figure 12 is a schematic diagram showing that CNTs doped with gold nanoparticles are deposited on the substrate to be high density to form a CNT pattern.
[0031] 4 ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, dass verschiedene Rezeptoren, die funktionelle Gruppen aufweisen,welche an die Goldnanopartikel von mit Goldnanopartikeln dotiertenCNTs binden oder mit diesen reagieren, befestigt werden und dannselektiv mit verschiedenen Ziel-Biomaterialien interagierten. Bezugszeichen 1 und 2 kennzeichnenBiorezeptoren, fähigzur Interaktion mit Ziel-Biomaterialien, Bezugszeichen 4 kennzeichnetZiel-Biomaterialien,fähig zurReaktion mit den Biorezeptoren, und Bezugszeichen 3 kennzeichnetOligonukleotide unter den Biorezeptoren. Bezugszeichen 5 kennzeichnetkomplementäreNukleinsäuren,fähig zurHybridisierung mit den Oligonukleotiden, immobilisiert auf dem Metallvon leitenden CNTs, und 6 kennzeichnetallgemeine Biomaterialien, die keine Reaktivität aufweisen. 4 Figure 3 is a schematic diagram showing that various receptors having functional groups that bind to or react with the gold nanoparticles of gold nanoparticle-doped CNTs are attached and then selectively interacted with various target biomaterials. reference numeral 1 and 2 characterize bioreceptors capable of interacting with target biomaterials, reference numerals 4 denotes target biomaterials capable of reacting with the bioreceptors, and reference numerals 3 denotes oligonucleotides among the bioreceptors. reference numeral 5 denotes complementary nucleic acids capable of hybridizing with the oligonucleotides immobilized on the metal of conductive CNTs, and 6 denotes general biomaterials that have no reactivity.
[0032] 5 zeigt einen CNT-Au-Substratpeptidkomplex,in dem ein Kinasesubstratpeptid, das eine funktionelle Thiolgruppeaufweist, auf CNTs, dotiert mit Goldnanopartikeln, immobilisiertist, zur Kinaseenzymreaktion. 5 shows a CNT-Au substrate peptide complex in which a kinase substrate peptide having a functional thiol group is immobilized on CNTs doped with gold nanoparticles for kinase enzyme reaction.
[0033] 6 ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, dass Ionen, produziert von der Kinaseenzymreaktion,unter Verwendung eines Substratpeptids, immobilisiert auf CNTs,durch die Induktion einer Oxidations-Reduktions-Reaktion gemessenwerden. 6 is a schematic diagram that shows that ions produced by the kinase enzyme break tion, using a substrate peptide immobilized on CNTs, are measured by the induction of an oxidation-reduction reaction.
[0034] 7 ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, dass die Konzentration von Ionen, produziertdurch die Kinaseenzymreaktion, unter Verwendung eines Substratpeptids,immobilisiert auf CNTs, unter Verwendung eines Kondensators gemessenwird. 7 Figure 15 is a schematic diagram showing that the concentration of ions produced by the kinase enzyme reaction is measured using a substrate peptide immobilized on CNTs using a capacitor.
[0035] 8 ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, dass die Konzentration von Ionen, produziertdurch die Kinaseenzymreaktion, unter Verwendung eines Substratpeptids,immobilisiert auf CNTs, durch die Verwendung einer geladenen Platte,die in einen polymeren Chip eingefügt ist, gemessen wird. 8th Figure 4 is a schematic diagram showing that the concentration of ions produced by the kinase enzyme reaction is measured using a substrate peptide immobilized on CNTs by the use of a charged plate inserted into a polymeric chip.
[0036] 9a ist eine TEM-Photographie,die ein Goldkristall-dotiertes CNT zeigt, das durch die Bildungvon Thiol(-SH)-Gruppen auf einem CNT und die Reaktion der Thiolgruppenmit Goldkolloiden erhalten wurde, und 9b isteine TEM-Photographie, die ein CNT, erhalten durch die Reaktionvon Goldkolloiden mit einem CNT, das keine ThioL(-SH)-Gruppen aufweist,zeigt. 9a is a TEM photograph showing a gold-crystal-doped CNT obtained by the formation of thiol (-SH) groups on a CNT and the reaction of the thiol groups with gold colloids, and 9b is a TEM photograph showing a CNT obtained by the reaction of gold colloids with a CNT having no ThioL (-SH) groups.
[0037] 10 ist eine HR-TEM-Photographievon 9, die auf einehohe Vergrößerung vergrößert wurde. 10 is an HR-TEM photograph of 9 which has been enlarged to a high magnification.
[0038] 11 ist ein XPS-Doublett-Spektrumfür Goldkristalle,dotiert auf CNTs. 11 is an XPS doublet spectrum for gold crystals doped on CNTs.
[0039] 12 ist ein schematischesDiagramm, das zeigt dass DNA an ein CNT, dotiert mit Goldnanopartikeln,bindet, um einen CNT-Au-DNA-Komplex auszubilden. 12a zeigt, dass DNA spezifisch an Goldnanopartikel,dotiert auf der Wandoberflächeeines CNTs gebunden ist, und 12b zeigt,dass ein CNT-Au-DNA-Komplex an die Oberfläche eines Trägermaterialsgebunden ist. 12 Figure 3 is a schematic diagram showing that DNA binds to a CNT doped with gold nanoparticles to form a CNT-Au-DNA complex. 12a shows that DNA is bound specifically to gold nanoparticles doped on the wall surface of a CNT, and 12b shows that a CNT-Au-DNA complex is bound to the surface of a support material.
[0040] 13 ist eine Photographie,die zeigt, dass DNAs, die funktionelle Thiolgruppen aufweisen, anCNTs, dotiert mit Goldnanopartikeln, befestigt sind. 13a ist eine Photographie,die den Vergleich der Ergebnisse der Wechselwirkungen zwischen verschiedenenDNAs und CNTs zeigt, und 13b isteine Photographie, die die Ergebnisse des Vergleichs zeigt, um zubestimmen, ob DNA komplementäran ein CNT-Muster bindet. 13 is a photograph showing that DNAs having functional thiol groups are attached to CNTs doped with gold nanoparticles. 13a is a photograph showing the comparison of results of interactions between different DNAs and CNTs, and 13b Figure 10 is a photograph showing the results of the comparison to determine if DNA is complementary to a CNT pattern.
[0041] Umdie obigen Aufgaben zu lösen,stellt die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zur Produk tionleitender CNTs, dotiert mit einem Metall, bereit, welches folgendeSchritte umfasst: (a) Bereitstellung von CNTs, die eine Carboxylgruppeaufweisen; (b) Binden der Carboxylgruppen der CNTs an die Aminogruppeneiner chemischen Substanz, welche Amino- und Thiolgruppen aufweist,um mit der Thiolgruppe modifizierte CNTs zu erhalten; und (c) Bindeneines Metalls an die Thiolgruppe der Thiolgruppen-modifizierten CNTs.Aroundto solve the above tasks,In one aspect, the present invention provides a method of productionconductive CNTs doped with a metal ready, the followingSteps includes: (a) providing CNTs containing a carboxyl groupexhibit; (b) binding of the carboxyl groups of the CNTs to the amino groupsa chemical substance which has amino and thiol groups,to obtain CNTs modified with the thiol group; and (c) bindinga metal to the thiol group of thiol group-modified CNTs.
[0042] Indem erfinderischen Verfahren, wie oberhalb beschrieben, ist diechemische Substanz, die sowohl Amino- als auch Thiolgruppen aufweist, vorzugsweiseNH₂-R₁-SH, wobeiR₁ C_1–20-gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt.Weiterhin wird der Schritt (a) vorzugsweise durchgeführt durchdie Behandlung der CNTs mit einer Säure, und das Metall ist vorzugsweiseGold. Der Schritt (c) wird vorzugsweise durch Umsetzen der ThiolgruppenmodifiziertenCNTs mit Metallnanopartikeln oder -Kolloiden und der anschließenden Reduktionder resultierenden CNTs durchgeführt.In the inventive process, as described above, the chemical substance having both amino and thiol groups is preferably NH ₂ -R ₁ -SH, wherein R _{1 represents} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups , Furthermore, step (a) is preferably carried out by treating the CNTs with an acid, and the metal is preferably gold. Step (c) is preferably carried out by reacting the thiol group-modified CNTs with metal nanoparticles or colloids and then reducing the resulting CNTs.
[0043] Ineinem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung leitendeCNTs, dotiert mit einem Metall, bereit, wobei die CNTs die FormCNT-(CONH-R₁-S-M)r haben, wobei M ein Metalldarstellt und r eine natürliche Zahlgrößer als1 ist. Das Metall ist vorzugsweise Gold.In a further aspect, the present invention provides conductive CNTs doped with a metal, wherein the CNTs have the form CNT- (CONH-R ₁ -SM) r, where M is a metal and r is a natural number greater than one , The metal is preferably gold.
[0044] Ineinem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einVerfahren zur Herstellung eines leitenden CNT-Musters bereit, welchesdie folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellung eines Trägermaterials, welchesauf seiner OberflächeThiolgruppen in Form eines Musters exponiert hat; (b) Binden desMetalls von Metall-dotierten leitenden CNTs an die Thiolgruppenauf der Trägermaterialoberfläche; (c)Binden von Metall-dotierten leitenden CNTs an die gebundenen CNTs,um die CNTs abzuscheiden; und (d) Wiederholung des Schrittes (c).Außerdemstellt die vorliegende Erfindung ein leitendes CNT-Muster bereit,welches mit dieser Methode hergestellt wird und die Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]qhat, wobei p und q natürlicheZahlen größer als1 sind.In a still further aspect, the present invention provides a method of making a conductive CNT pattern comprising the steps of: (a) providing a support material having exposed on its surface thiol groups in the form of a pattern; (b) bonding the metal of metal-doped conductive CNTs to the thiol groups on the substrate surface; (c) attaching metal doped conductive CNTs to the bonded CNTs to deposit the CNTs; and (d) repeating step (c). In addition, the present invention provides a conductive CNT pattern prepared by this method and having the structure of support material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q, where p and q are natural numbers greater than 1.
[0045] Ineinem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahrenzur Herstellung eines leitenden CNT-Films bereit, welches folgende Schritteumfasst: (a) Bereitstellung eines Trägermaterials, das auf seiner Oberfläche Thiolgruppenexponiert hat; (b) Binden des Metalls von Metall-dotierten CNTsan die Thiolgruppen auf der Trägermaterialoberfläche; (c)Binden der leitenden CNTs an die leitenden CNTs, die auf dem Trägermaterialbefestigt sind, um die leitenden CNTs abzuscheiden; und (d) Wiederholungdes Schrittes (c), um die Dichte der leitenden CNTs zu vergrößern. Außerdem stelltdie vorliegende Erfindung einen leitenden CNT-Film bereit, der mitdiesem Verfahren hergestellt wird und eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]q aufweist, wobei p und q natürliche Zahlengrößer als1 sind.In a further aspect, the present invention provides a method of making a conductive CNT film comprising the steps of: (a) providing a support material having thiol groups exposed on its surface; (b) binding the metal of metal-doped CNTs to the thiol groups on the support surface; (c) bonding the conductive CNTs to the conductive CNTs mounted on the substrate to deposit the conductive CNTs; and (d) repeating step (c) to increase the density of the conductive CNTs. In addition, the present invention provides a conductive CNT film produced by this method and having a structure of support material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q, where p and q are natural numbers greater than 1.
[0046] Indem Schritt (a) des erfinderischen Verfahrens, wie soeben oberhalbbeschrieben, wird ein Trägermaterial,das funktionelle Aminogruppen auf seiner Oberfläche exponiert hat, vorzugsweisemit einer chemischen Substanz behandelt, die sowohl Carboxyl- alsauch Thiolgruppen aufweist, um Amidbindungen zwischen den Aminogruppenauf dem Trägermaterialund der Carboxylgruppe der chemischen Substanz auszubilden. Diechemische Substanz, die sowohl eine Carboxyl- als auch eine Thiolgruppeaufweist, ist vorzugsweise eine Substanz, die durch HOOC-R₂-SH dargestellt wird, wobei R₂ C_1–20-gesättigte Kohlenwasserstoffe, ungesättigte Kohlenwasserstoffeoder aromatische organische Gruppen bezeichnet. Das Trägermaterial,welches funktionale Aminogruppen auf seiner Oberfläche exponierthat, wird vor zugsweise durch die Behandlung eines bestimmten Trägermaterialsmit Aminoalkyloxysilan erhalten.In step (a) of the inventive process, as just described above, a support material having amino functional groups exposed on its surface is preferably treated with a chemical substance having both carboxyl and thiol groups to form amide bonds between the amino groups form the carrier material and the carboxyl group of the chemical substance. The chemical substance having both a carboxyl and a thiol group is preferably a substance represented by HOOC-R ₂ -SH, wherein R ₂ denotes C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups. The support material which has exposed functional amino groups on its surface is preferably obtained by treatment of a particular support material with aminoalkyloxysilane.
[0047] DieBindung zwischen der Aminogruppe und der Carboxylgruppe wird vorzugsweiseunter Verwendung eines Kopplungsmittels und einer Base durchgeführt undder Schritt (c) wird vorzugsweise unter Verwendung eines Linkers,der doppelte funktionelle Thiolgruppen aufweist, durchgeführt. DerLinker, der doppelte funktionelle Thiolgruppen aufweist, ist vorzugsweiseHS-R₃-SH, wobei R₃ C_1–20-gesättigte Kohlenwasserstoffe, ungesättigte Kohlenwasserstoffeoder aromatische organische Gruppen darstellt. Ferner weist dasTrägermaterialvorzugsweise ein Photoresist oder darauf gebildetes Polymermusterauf, um die leitenden CNTs an den gewünschten Stellen zu befestigten,und ist es ausgewähltaus der Gruppe, bestehend aus Glas, Silicium, geschmolzenem Siliciumdioxid,Kunststoff und PDMS.The bond between the amino group and the carboxyl group is preferably carried out using a coupling agent and a base, and the step (c) is preferably carried out using a linker having double functional thiol groups. The linker having dual functional thiol groups is preferably HS-R ₃ -SH wherein R _{3 is} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups. Further, the support material preferably has a photoresist or polymer pattern formed thereon to fix the conductive CNTs in the desired locations, and is selected from the group consisting of glass, silicon, fused silica, plastic, and PDMS.
[0048] Ineinem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen leitendenCNT-Biosensor bereit, in welchem ein Biorezeptor, der an Ziel-Biomaterialienbindet oder mit diesen reagiert, an eines, ausgewählt aus derGruppe, bestehend aus den Folgenden, befestigt ist: (a) leitendeCNTs, die eine Struktur von CNT-(CONH-R₁-S-M)rhaben, wobei M ein Metall darstellt, R eine natürliche Zahl größer als1 ist und R₁ C_1–20-gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt;(b) ein leitendes CNT-Muster, das eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]q aufweist, wobeip und q natürlicheZahlen größer als1 sind, R₂ und R₃ C_1–20-gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellen;und (c) ein leitender CNT-Film, der eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]q aufweist.Außerdemstellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung desleitenden CNT-Biosensorsbereit.In another aspect, the present invention provides a conductive CNT biosensor in which a bioreceptor that binds to or reacts with target biomaterials is attached to one selected from the group consisting of the following: (a) conductive CNTs having a structure of CNT- (CONH-R ₁ -SM) r where M is a metal, R is a natural number greater than 1 and R _{1 is} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic Represents groups; (b) a conductive CNT pattern having a structure of carrier material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q, where p and q are natural numbers greater than 1 R ₂ and R _{3 are} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups; and (c) a conductive CNT film having a structure of carrier material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q. In addition, the present invention provides a method of making the conductive CNT biosensor.
[0049] Ineinem wiederum anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einVerfahren zur Detektion von Ziel-Biomaterialien,die an Biorezeptoren binden oder mit diesen reagieren, bereit, wobeidas Verfahren dadurch charakterisiert ist, dass es den leitendenCNT-Biosensor verwendet.InIn yet another aspect, the present invention providesMethod for detecting target biomaterials,which bind to or react with bioreceptors, beingthe method is characterized in that it is the conductiveCNT biosensor used.
[0050] Ineinem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einenleitenden CNT-M-Nukleinsäurekomplexbereit, wobei eine Nukleinsäurean das Metall M von leitenden CNTs, die eine Form von CNT-(CONH-R₁-S-M)r aufweisen, befestigt ist, genausowie ein Verfahren zur Herstellung von Nukleinsäurechips, welche das Befestigender Nukleinsäurekomplexean einem Trägermaterial,welches Amin/Lysingruppen auf seiner Oberfläche befestigt hat, umfasst.In diesem erfinderischen Verfahren wird das Befestigen des CNT-M-Nukleinsäurekomplexeauf dem Trägermaterialvorzugsweise durch die Verwendung einer Vernetzung mittels UV-Bestrahlung durchgeführt unddie Nukleinsäureist vorzugsweise DNA.In a still further aspect, the present invention provides a conductive CNT-M nucleic acid complex wherein a nucleic acid is attached to the metal M of conductive CNTs having a form of CNT- (CONH-R ₁ -SM) r as well as a method of making nucleic acid chips, which comprises attaching the nucleic acid complexes to a support material having amine / lysine groups attached to its surface. In this inventive method, attachment of the CNT-M nucleic acid complexes to the support material is preferably performed by the use of crosslinking by UV irradiation and the nucleic acid is preferably DNA.
[0051] Ineinem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung DNA-Chipsbereit, bei welchen leitende CNT-Au-DNA-Komplexe an einem festen Trägermaterialbefestigt sind, ebenso wie ein Verfahren zur Detektion von DNR-Hybridisierungsreaktionen,welches dadurch charakterisiert ist, dass es diese DNA-Chips verwendet.InIn another aspect, the present invention provides DNA chipsready in which conductive CNT-Au-DNA complexes on a solid support materialas well as a method for detecting DNR hybridization reactions,which is characterized by using these DNA chips.
[0052] Ineinem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung CNT-M-Enzymsubstratkomplexebereit, wobei ein Enzymsubstrat an das Metall (M) von leitendenCNTs, die eine Form von CNT-(CONH-R₁-s-M)r haben,befestigt ist. In den Komplexen ist das Enzymsubstrat vorzugsweiseein Kinasesubstratpeptid (S^P).In yet another aspect, the present invention provides CNT-M enzyme substrate complexes wherein an enzyme substrate is attached to the metal (M) of conductive CNTs having a form of CNT- (CONH-R ₁ -s M) r. In the complexes, the enzyme substrate is preferably a kinase substrate peptide (S ^P ).
[0053] Ineinem anderen weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einVerfahren zur Detektion von Kinaseinvolvierenden enzymatischen Reaktionenbereit, welche dadurch charakterisiert ist, dass sie die leitendenCNT-M-S^P-Komplexeverwendet. In diesem erfinderischen Verfahren wird die Detektionder enzymatischen Reaktionen vorzugsweise durch die Verwendung eineselektrischen Signals durchgeführt.In another further aspect, the present invention provides a method for the detection of kinase-involving enzymatic reactions which is characterized by using the CNT-MS ^P conductive complexes. In this inventive method, the detection of the enzymatic reactions is preferably carried out by the use of an electrical signal.
[0054] DieZiel-Biomaterialien, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet,sind Substanzen, die dazu fähig sind,als Ziele, die durch Reaktion mit oder das Binden von Biorezeptorendetektiert werden, zu fungieren, und sie sind vorzugsweise Proteine,Nukleinsäuren,Antikörper,Enzyme, Kohlenhydrate, Lipide oder andere Biomoleküle, dieaus einem lebenden Körperabgeleitet sind, und am bevorzugtesten Krankheits-bezogende Proteine.TheTarget biomaterials as used in the present inventionare substances that are capable ofas targets by reaction with or binding of bioreceptorsare detected, and they are preferably proteins,nucleic acids,Antibody,Enzymes, carbohydrates, lipids or other biomolecules thatfrom a living bodyand most preferably disease-related proteins.
[0055] DieBiorezeptoren, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, sindvorzugsweise Enzymsubstrate, Liganden, Aminosäuren, Peptide, Nukleinsäuren, Lipide,Cofaktoren oder Kohlenhydrate und außerdem besitzen sie vorzugsweiseThiolgruppen.TheBioreceptors as used in the present inventionpreferably enzyme substrates, ligands, amino acids, peptides, nucleic acids, lipids,Cofactors or carbohydrates, and moreover, they preferably haveThiol groups.
[0056] Obwohldas Metall wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, vorzugsweiseGold (Au) ist, können Silber(Ag)-Nanopartikel, Platin(Pt)-Nanopartikel,Eisen(Fe)-Nanopartikel, Nickel(Ni)-Nanopartikel oder Kobalt(Co)-Nanopartikelauch in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.Even thoughthe metal as used in the present invention, preferablyGold (Au), silver (Ag) nanoparticles, platinum (Pt) nanoparticles,Iron (Fe) nanoparticles, nickel (Ni) nanoparticles or cobalt (Co) nanoparticlesalso be used in the present invention.
[0057] Wiehierin verwendet, ist der Ausdruck "leitender CNT-Biosensor" so definiert, dasser Biosensoren einschließt,wo Rezeptoren, die mit Biomaterialien reagieren, an leitenden CNTsbefestigt sind, und diese Definition schließt Biochips mit ein, die anleitenden CNTs befestigt sind. Ferner bedeutet der Ausdruck "dotieren", dass das Metallan die CNTs in der Form von Dots bindet, und der Ausdruck "Enzymsubstrat" ist ein allgemeinerName fürReaktionsmaterialien, die in enzymatische Reaktionen involviertsind. Um in der vorliegenden Erfindung die elektrischen Eigenschaftender existierenden CNTs zu verbessern, werden die CNTs mit Metall-Nanopartikelndotiert. Die CNTs, dotiert mit den Metall-Nanopartikeln, werdenwiederholtermaßenauf einem festen Trägermaterial,das mit funktionellen chemischen Gruppen überzogen ist, über chemischesBinden abgeschieden, um ein leitendes CNT-Muster (oder einen CNT-Film)mit hoher Oberflächendichteherzustellen. Ferner werden verschiedene Biorezeptoren, die funktionelleGruppen haben, die mit den Goldnanokristallen, welche in dem CNT-Mustermit hoher Dichte vorhanden sind, reagieren, an dem CNT-Muster oderdem CNT-Film befestigt um einen Biosensor herzustellen, der verschiedeneZiel-Biomaterialien direkt oder über elektrochemischeSignale detektieren kann.AsAs used herein, the term "conductive CNT biosensor" is defined to mean thatit includes biosensors,where receptors that react with biomaterials on conductive CNTsThis definition includes biochips that are attachedconductive CNTs are attached. Further, the term "doping" means that the metalto which CNTs bind in the form of dots, and the term "enzyme substrate" is a more general oneName forReaction materials that are involved in enzymatic reactionsare. In the present invention, the electrical characteristicsTo improve the existing CNTs, the CNTs are using metal nanoparticlesdoped. The CNTs, doped with the metal nanoparticles, becomerepetitivelyon a solid carrier material,that is coated with functional chemical groups, via chemicalBonding deposited to a conductive CNT pattern (or a CNT film)with high surface densitymanufacture. Furthermore, various bioreceptors become functionalHave groups with the gold nanocrystals, which in the CNT patternare present at high density, react to the CNT pattern orattached to the CNT film to make a biosensor that has differentTarget biomaterials directly or via electrochemicalCan detect signals.
[0058] Dievorliegende Erfindung überwindetdie Beschränkungendes Stands der Technik, bei dem CNTs durch Wachstum, ausgehend vonKatalysatoren, die an bestimmten Stellen platziert wurden, gebildetwurden, und erlaubt die Bildung des gewünschten Musters an den gewünschtenStellen bei Umgebungstemperatur. In anderen Worten sind Verfahren,um CNTs an einem Trägermaterialzu befestigen, im Allgemeinen in ein elektrisches Verfahren undein chemisches Verfahren eingeteilt. Das elektrische Verfahren erlaubt,die Lage der CNTs auf eine relativ freie Art und Weise zu kontrollieren,wohingegen das chemische Verfahren in einem Prozess einsetzt, beidem ein Trägermaterialmit einer bestimmten funktionellen Gruppe modifiziert ist und dann über einebestimmte Zeitspanne in CNT-Suspension eingetaucht wird. Deshalbist es fürdas chemische Verfahren schwierig, CNT spezifisch nur an den gewünschtenStellen an dem gesamten Trägermaterialzu befestigten.Theovercomes the present inventionthe restrictionsin the prior art, in which CNTs grow by, starting fromCatalysts that were placed in certain places formedwere allowed, and allowed the formation of the desired pattern to the desiredSet at ambient temperature. In other words, proceduresaround CNTs on a carrier materialgenerally in an electrical procedure and to fixa chemical process divided. The electrical procedure allowsto control the location of the CNTs in a relatively free way,whereas the chemical process starts in a processa carrier materialmodified with a particular functional group and then over aimmersed in CNT suspension for a specified period of time. Thereforeis it forthe chemical process is difficult, CNT specific only to the desiredMake all over the substrateto be fastened.
[0059] Umverschiedene Muster durch das Binden von CNTs an die gewünschtenStellen zu formen, müssen diefolgenden Anforderungen erfülltwerden: (1) nur bestimmte Abschnitte des Trägermaterials dürfen exponiertsein; (2) sie müssenin CNT-Dispersion übereine lange Zeitspanne hinweg stabil sein; und (3) sie müssen nachder Abscheidung der CNTs vollständigentfernt werden, so dass eine obere Platte, wie z.B. PDMS, auf einfacheArt und Weise befestigt werden kann.Arounddifferent patterns by binding CNTs to the desired onesTo shape bodies, themeets the following requirements(1) only certain portions of the substrate may be exposedbe; (2) they have toin CNT dispersion overbe stable for a long period of time; and (3) they have tothe deposition of CNTs completelybe removed, so that an upper plate, such as e.g. PDMS, to simpleWay can be fixed.
[0060] Dievorliegende Erfindung überwanddie Nachteile des Stands der Technik durch die Bildung eines Trägermaterialmustersunter Verwendung eines Polymers, so dass die Vorteile des chemischenVerfahrens in größtmöglichemAusmaß nutzbargemacht werden können.Es ist außerdemmöglich,die Probleme des Stands der Technik zu lösen, welche eine Schwierigkeitbei der Polymermusterbildung ("polymerpatterning"), verursachtdurch einen Mechanismus bei hoher Temperatur, wie z.B. einer chemischenAbscheidung von Plasma aus der Gasphase und einer thermischen chemischenAbscheidung beinhalten, und die Abwesenheit von funktionellen chemischenGruppen, wie z.B. -COOH, die durch einen Schneidvorgang ("cutting process") in einer starkenSäure erhaltenwerden.Theovercoming the present inventionthe disadvantages of the prior art through the formation of a substrate patternusing a polymer, so that the advantages of the chemicalProcedure in the largest possibleExtent usablecan be made.It is alsopossible,to solve the problems of the prior art, which is a difficultyin polymer patterning ("polymerpatterning ")by a mechanism at high temperature, e.g. a chemicalDeposition of plasma from the gas phase and a thermal chemicalInclude deposition, and the absence of functional chemicalGroups, e.g. -COOH produced by a cutting process ("cutting process") in a strongAcid receivedbecome.
[0061] DieVerwendung des Biosensors gemäß der vorliegendenErfindung stellt dahingehend Vorteile bereit, dass exakte Wertegemessen werden können,selbst wenn die Reaktionsstoffe in kleiner Menge vorliegen und dassdie Konzentration der ionischen Stoffe, die auf der Oberfläche abgeschiedenwerden, elektrisch in einer wässrigenPhase gemessen werden kann.The use of the biosensor according to the present invention provides advantages in that respect That exact values can be measured even if the reactants are present in a small amount and that the concentration of ionic substances deposited on the surface can be measured electrically in an aqueous phase.
[0062] Nachstehendwird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitendenZeichnungen im Detail beschrieben werden.belowThe present invention will be described with reference to the accompanying drawingsDrawings are described in detail.
[0063] 1 ist ein schematischesDiagramm, das ein Verfahren zeigt, in welchem CNTs, die in einerstarken Säuregeschnitten wurden, mit Goldpartikeln über ein Oxidations-Reduktions-Verfahrendotiert werden. Die durch eine starke Säure geschnittenen CNTs habeneine funktionelle Carboxyl(COOH)-Gruppe. Die funktionelle Carboxylgruppeder CNTs wurde an die funktionelle Aminogruppe eines Linkers, dersowohl funktionelle Amino(NH2)-, als auch Thiol(SH)-Gruppen aufweist,gebunden. 1 Fig. 10 is a schematic diagram showing a method in which CNTs cut in a strong acid are doped with gold particles by an oxidation-reduction method. The strong acid cut CNTs have a functional carboxyl (COOH) group. The functional carboxyl group of the CNTs was attached to the amino functional group of a linker having both amino (NH 2) and thiol (SH) functional groups.
[0064] Umdie Bildung der oben genannten Amidbindung zu beschleunigen, wurdenHAMDU (O-(7-Azabenzotriazol-1-yl)-1,3-dimethyl-1,3-dimethylenuroniumhexafluorphosphat),DCC (1,3-Dicyclohexylcarbodiimid), HAPyU(O-(7-Azabenzotriazol-1-yl)-1,1:3,3-bis(tetramethylen)uroniumhexafluorphosphat),HATU(O-(7-Azabenzotriazol-1-yl)-1,1:3,3-tetramethyluroniumhexafluorphosphat),HBMDU(O-(Benzotriazol-1-yl)-1,3-dimethyl-l,3-dimethylenuroniumhexafluorphosphat)oder HBTU (O-(Benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3-tetramethyluroniumhexafluorphosphat)vorzugsweise als Kopplungsmittel benutzt und DIEA (Diisopropylethylamin),TMP (2,4,6-Trimethylpyridin) oder NMI (N-Methylimidazol) bevorzugtals Base benutzt.Aroundaccelerate the formation of the abovementioned amide bondHAMDU (O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,3-dimethyl-1,3-dimethylenuronium hexafluorophosphate),DCC (1,3-dicyclohexylcarbodiimide), HAPyU (O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,1: 3,3-bis (tetramethylene) uronium hexafluorophosphate),HATU (O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,1: 3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate),HBMDU (O- (benzotriazol-1-yl) -1,3-dimethyl-l, 3-dimethylenuroniumhexafluorphosphat)or HBTU (O- (benzotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate)preferably used as a coupling agent and DIEA (diisopropylethylamine),TMP (2,4,6-trimethylpyridine) or NMI (N-methylimidazole) is preferredused as a base.
[0065] Ferner,falls Wasser als Lösungsmittelbenutzt wird, wird EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylamini-propyl)carbodiimidhydrochlorid)vorzugsweise als Kopplungsmittel benutzt und NHS (N-Hydroxysuccinimid)oder NHSS (N-Hydroxysulfosuccinimid) vorzugsweise als ein Co-Kopplungsmittel(Base) benutzt.Further,if water as solventEDC is used (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride)preferably used as a coupling agent and NHS (N-hydroxysuccinimide)or NHSS (N-hydroxysulfosuccinimide) preferably as a co-coupling agent(Base) used.
[0066] DerLinker, der sowohl eine funktionelle Amino- als auch eine Thiolgruppeaufweist, ist vorzugsweise eine chemische Substanz NH₂-R₁-SH, wobei R₁ C_1–20-gesättigte Kohlen wasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt.The linker, which has both a functional amino and a thiol group, is preferably a chemical substance NH ₂ -R ₁ -SH, wherein R _{1 is} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.
[0067] Diemit der funktionalen Thiolgruppen modifizierten CNTs wurden mitGoldnanopartikeln, wie z.B. HAuCl₄–, HAuCl₄-3H₂O-, HAuBr₄-, AuCl4_K-, AuCl₄Na-, AuBr₄K- undAuBr₄Na- und vorzugsweise HAuCl₄-Goldkolloidenumgesetzt, um Goldnukleationsstellen herzustellen, und dann wurdendie Goldnanopartikel übereine Ionenextraktionsreaktion, wie in dem folgenden Reaktionsschema1 gezeigt, reduziert, um die CNTs mit Goldkristallen zu dotieren.The functional thiol-modified CNTs were ligated with gold nanoparticles such as HAuCl ₄ , HAuCl ₄ -3H ₂ O, HAuBr ₄ , AuCl _{4 K} , AuCl ₄ Na, AuBr ₄ K and AuBr ₄ Na and preferably HAuCl ₄ gold colloids were reacted to produce gold nucleation sites and then the gold nanoparticles were reduced via an ion extraction reaction as shown in Reaction Scheme 1 below to dope the CNTs with gold crystals.
[0068] Schließlich wurdenGold-dotierte leitende CNTs, die eine Form CNT-(CONH-R₁-s-Au)raufweisen, wobei r eine natürlicheZahl größer als1 ist, erhalten.Finally, gold doped conductive CNTs having a form of CNT (CONH-R ₁ -s-Au) r, where r is a natural number greater than 1, were obtained.
[0069] Alsein Ersatz fürGold könnenauch Silber (Ag)-Nanopartikel,Platin(Pt)-Nanopartikel, Eisen(Fe)-Nanopartikel, Nickel(Ni)-Nanopartikelund Kobalt(Co)-Nanopartikel etc. verwendet werden. Die Metallpartikelin einem oxidierten Zustand könnenauf die CNTs, die mit einer spezifischen funktionellen chemischenGruppe, wie z.B. einer funktionellen Thiolgruppe, modifiziert sind,durch die Reduktion des Metalls unter Verwendung einer Oxidations-Reduktions-Reaktiondotiert werden (Jiang, K. et al., Nano Lett., 3: 275, 2003).Whena replacement forGold canalso silver (Ag) nanoparticles,Platinum (Pt) nanoparticles, iron (Fe) nanoparticles, nickel (Ni) nanoparticlesand cobalt (Co) nanoparticles, etc. are used. The metal particlesin an oxidized stateon the CNTs with a specific functional chemicalGroup, e.g. a functional thiol group, are modified,by reducing the metal using an oxidation-reduction reaction(Jiang, K. et al., Nano Lett., 3: 275, 2003).
[0070] UmCNTs auf den gewünschtenStellen auf einem Trägermaterial,wie z.B. Glas, einen Siliciumwafer oder Kunststoff, zu immobilisieren,muss ein Muster, das in der Flüssigkeitsphasestabil sein kann, gebildet werden. Man teilt Verfahren zur Bildungdes Musters auf dem Trägermaterialin zwei Verfahren ein. Das erste Verfahren ist dasjenige, wobeiTeile des Trägermaterials,die auf den CNTs abgeschieden werden sollen, mittels negativem Photoresistenfernt werden, die CNTs auf dem Trägermaterial abgeschieden werdenund der verbleibende Photoresist entfernt wird. Das zweite Verfahrenist dasjenige, wobei Teile eines polymeren Trägermaterials, auf denen CNTsabgeschieden werden sollen, durch Photolithographie geätzt werden.AroundCNTs to the desiredPlaces on a substrate,such as. Glass, a silicon wafer or plastic, to immobilize,Must have a pattern in the liquid phasecan be stable, formed. One shares methods of educationof the pattern on the substratein two procedures. The first method is the one whereinParts of the carrier material,which are to be deposited on the CNTs by means of negative photoresistbe removed, the CNTs are deposited on the substrateand the remaining photoresist is removed. The second methodis the one wherein parts of a polymeric support material on which CNTsare to be deposited, etched by photolithography.
[0071] Imkonkreten Ablauf, was das erste Verfahren, das negativen Photoresistverwendet, betrifft, kann das allgemeinste Verfahren zur Halbleiterherstellungverwendet werden, welches das Bedecken eines Trägermaterials mit einem Photoresistfilm,wie z.B. SU-8 (Dowcorning Co.), das Entfernen von nur den gewünschten Anteilendes Trägermaterials über einenphotolithographischen Prozess, das Abscheiden der CNTs auf den entferntenAbschnitten des Trägermaterialsund das Entfernen des verbliebenen Photoresistfilms.in theconcrete process, what the first process, the negative photoresistAs used, the most general method for semiconductor manufacturing can be usedwhich involves covering a substrate with a photoresist film,such as. SU-8 (Dowcorning Co.), removing only the desired proportionsof the carrier material over aphotolithographic process, depositing the CNTs on the remoteSections of the carrier materialand removing the remaining photoresist film.
[0072] Wiein 2a bis 2d gezeigt, umfasst das zweiteVerfahren die Bereitstellung eines Silicium-Substrats (2a), das Auftragen einesPhotoresistfilms auf dem Trägermaterialdurch Schleuderbeschichtung (2b),das Belichten des resultierenden Trägermaterials durch eine Maske,die eine bestimmte Form aufweist (2c)und das Entwickeln des belichteten Photoresistmusters (2d) und bildet dadurch aufdem Siliciumträgermaterialdurch einen photolithographischen Prozess ein erstes Muster. Dannwird ein flüssiges Polymerauf das resultierende Trägermaterialgegossen und bei 50°Cetwa 1 Stunde lang semigehärtet(semi-cured) (2e) undein zusätzlicherpho tolithographischer Prozess wird an dem semi-gehärteten,semi-flüssigenPolymer durchgeführt(2f). Wie in 2g gezeigt, werden die gewünschtenStellen des Polymers, von welchem der Photoresistfilm entfernt wordenwar, durch Ätzenmit Piranha-Lösung(Schwefelsäure :Salpetersäure= 3 : 1) oder Aqua regia (Schwefelsäure : Wasserstoffperoxid =10 : 1) etc., entfernt und dann der verbleibende Photoresistfilmwie in 2h gezeigt, entfernt.As in 2a to 2d the second method comprises providing a silicon substrate ( 2a ), applying a photoresist film on the substrate by spin coating ( 2 B ), exposing the resulting support material through a mask having a specific shape ( 2c ) and developing the exposed photoresist pattern ( 2d ) and thereby forms a first pattern on the silicon substrate by a photolithographic process. Then, a liquid polymer is poured onto the resulting substrate and semi-cured (semi-cured) at 50 ° C for about 1 hour ( 2e ) and an additional photolithographic process is performed on the semi-cured, semi-liquid polymer ( 2f ). As in 2g are shown, the desired locations of the polymer, from which the photoresist had been removed, by etching with Piranha solution (sulfuric acid: nitric acid = 3: 1) or Aqua Regia (sulfuric acid: hydrogen peroxide = 10: 1), etc., removed and then the remaining photoresist film as in 2h shown, removed.
[0073] Dasresultierende semi-gehärtetePolymer wird bei 70°Czwei Stunden lang vollständiggehärtet.Das gehärtetePolymer wird von dem Silicium-Trägermaterialabgelöstund hydrophile Gruppen werden auf der Oberfläche des abgelösten Polymerfilmsdurch Corona-Entladung gebildet. Wenn der Polymerfilm mit den hydrophilenGruppen auf einem sauberen Silicium-Trägermaterial befestigt wird,sind nur die gewünschtenStellen des Silicium-Trägermaterialsexponiert, so dass CNTs nur auf den gewünschten Stellen auf dem Trägermaterialchemisch abgeschieden werden können.Theresulting semi-curedPolymer becomes at 70 ° Ccompletely for two hourshardened.The hardenedPolymer is from the silicon substratesupersededand hydrophilic groups are formed on the surface of the detached polymer filmformed by corona discharge. When the polymer film with the hydrophilicGroups is attached to a clean silicon substrate,are just the ones you wantMake the silicon substrateexposed so that CNTs only on the desired locations on the substratecan be chemically deposited.
[0074] Wieoberhalb beschrieben, ist das Bilden des gewünschten Musters auf dem Trägermaterialam wichtigsten beim Bilden des CNT-Musters. Andere Verfahren beinhaltenein Verfahren, umfassend das Platzieren eines Stempels, der einegegebene Form aufweist, auf einem Silicium-Trägermaterial,das Gießeneines flüssigenPolymers auf das Trägermaterialmit dem Stempel und das Härtendes gegossenen Polymers. Mehr makroskopisch können nur die gewünschtenAnteile des gehärtetenPolymerfilms physikalisch entfernt werden, wodurch eine Polymermaskegebildet wird.AsAs described above, forming the desired pattern on the substratemost important in forming the CNT pattern. Other methods includea method comprising placing a stamp having agiven form, on a silicon substrate,the castinga liquidPolymers on the substratewith the stamp and hardeningof the cast polymer. More macroscopic can only the desiredProportions of the curedPolymer film are physically removed, creating a polymer maskis formed.
[0075] Beiden existierenden Biochips mit CNTs wurden CNTs auf bestimmten Stellenauf einem Trägermaterialwachsen gelassen und dazu verwendet, elektrische und optische Messergebnissebereitzustellen. Jedoch hat die vorliegende Erfindung den Vorteil,dass sie erlaubt, dass CNTs an den gewünschten Stellen eines Trägermaterialsbefestigt werden oder dort abgeschieden werden.atThe existing biochips with CNTs became CNTs in certain placeson a carrier materialgrown and used to produce electrical and optical measurementsprovide. However, the present invention has the advantagethat allows CNTs at the desired locations of a substratebe attached or deposited there.
[0076] Wieoberhalb beschrieben, müssendie Biomaterialien in einem flüssigenZustand aufrecht erhalten werden, wie in 6 bis 8 gezeigt,um Biomaterialien, die an einem Trägermaterial, welches CNTs daraufangeordnet hat, elektrisch zu detektieren, und eine obere Platte,die bei dieser Detektion erforderlich ist, muss mehrere mm bis mehrereum an gesichertem Raum aufweisen, in welchem Fluid aufgenommen werdenwird. Das Trägermaterial,welches bei dieser Detektion benutzt werden kann, kann aus verschiedenenPolymermaterialien gestaltet sein, wie z.B. Polydimethylsiloxan(PDMS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylen(PE), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) .As described above, the biomaterials must be maintained in a liquid state, as in 6 to 8th shown to electrically detect biomaterials that may be attached to a substrate having CNTs thereon, and an upper plate required in this detection must have several mm to several μm of secured space in which fluid will be taken up. The carrier material which can be used in this detection may be formed of various polymer materials such as polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polystyrene (PS).
[0077] Gemäß der vorliegendenErfindung kann eine elektrische Energiequelle über wenigstens einen leitendenNanodraht angeschlossen werden, so dass Ladung an jede flüssige Phaseangelegt werden kann, die die Ziel-Biomaterialien, die auf dem CNToder CNT-Chip platziert sind, umfasst, wobei der leitende Nanodrahtals ein Einzelatom gemäß der konventionellenTechnologie (Kouwenhoven, L., Science, 275:1896, 1997) gestaltet werdenkann durch das Formen eines vorgegebenen Musters auf einem leitendenMetall, und das Deponieren eines Drahts, durch welchen ein elektrischerStrom fließenkann, durch Ionenimplantation oder Zerstäuben ("sputtering").According to the presentInvention may be an electrical energy source via at least one conductiveNanowire can be connected, allowing charge to any liquid phasecan be created that the target biomaterials on the CNTor CNT chip are placed, wherein the conductive nanowireas a single atom according to the conventional oneTechnology (Kouwenhoven, L., Science, 275: 1896, 1997)can by conducting a predetermined pattern on a conductiveMetal, and the depositing of a wire through which an electricElectricity flowingcan, by ion implantation or sputtering.
[0078] Inder vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren benutzt, welches dieAusbildung eines Photoresists oder Polymermusters auf einem Trägermaterial,wie z.B. Glas, einem Siliciumwafer oder Kunststoff, und dem anschließen den Immobilisierenvon Aminoalkyloxysilan auf der Oberfläche des Trägermaterials unter Verwendungdes Musters als eine Maske umfasst, um eine Aminogruppe auf derOberflächedes Trägermaterialszu exponieren. Als das Aminoalkyloxysilan wird vorzugsweise Aminopropyltriethoxysilanverwendet.InAccording to the present invention, a method is used which comprisesForming a photoresist or polymer pattern on a substrate,such as. Glass, a silicon wafer or plastic, and then immobilizingof aminoalkyloxysilane on the surface of the support material usingof the pattern as a mask to form an amino group on thesurfaceof the carrier materialto expose. As the aminoalkyloxysilane is preferably aminopropyltriethoxysilaneuses.
[0079] Umeine funktionelle Thiolgruppe auf der Oberfläche des Trägermaterials, das eine immobilisierteAminogruppe aufweist, zu exponieren, wird eine Amidbindung durchdie Reaktion zwischen der Aminogruppe auf dem Trägermaterial und der funktionellenCarboxylgruppe der chemischen Substanz, welche sowohl eine Thiol-als auch eine Carboxylgruppe aufweist, wie z . B. HOOC-R₂-SH, wobei R₂ C_1–20-gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt,gebildet. Letztlich wird eine Struktur in der Form Trägermaterial-CONH-R₂-SH, die eine exponierte Thiolgruppe aufweist,gebildet.In order to expose a functional thiol group on the surface of the support material having an immobilized amino group, an amide bond is formed by the reaction between the amino group on the support material and the functional carboxyl group of the chemical substance having both a thiol and a carboxyl group, such as B. HOOC-R ₂ -SH, wherein R _{2 is} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups formed. Finally, a structure is formed in the form of carrier material-CONH-R ₂ -SH having an exposed thiol group.
[0080] Beider Reaktion, um die Amidbindung auszubilden, wird vorzugsweiseeine Substanz, ausgewählt ausder Gruppe, bestehend aus DCC, HATU, HBTU, HAPyU, HAMDU und HBMDU,als Kopplungsmittel benutzt und eine Substanz, ausgewählt ausder Gruppe, bestehend aus DIEA, TMP und NMI, vorzugsweise als Basegenutzt. Ferner, falls Wasser als Lösungsmittel benutzt wird, wirdEDC vorzugsweise als Kopplungsmittel und NHS oder NHSS vorzugsweiseals Co-Kopplungsmittel benutzt.atthe reaction to form the amide bond is preferreda substance selected fromthe group consisting of DCC, HATU, HBTU, HAPyU, HAMDU and HBMDU,used as a coupling agent and a substance selected fromthe group consisting of DIEA, TMP and NMI, preferably as baseused. Further, if water is used as a solvent isEDC preferably as a coupling agent and NHS or NHSS preferablyused as co-coupling agent.
[0081] Zuerstwerden CNTs, dotiert mit Gold (Au-CNT-Au) an ein Trägermaterial,welches funktionelle Thiolgruppen auf seiner Oberfläche exponierthat (Trägermaterial-CONH-R₂-SH) gebunden. Zu dieser Zeit wird eineAu-S-Bindung zwischen der funktionellen Thiolgruppe auf der Trägermaterialoberfläche unddem Goldkristall der Gold-dotierten CNTs ausgebildet, so dass dieCNTs auf dem Trägermaterialgebunden werden und dadurch eine Struktur der Form von Trägermaterial-CONH-R₂-S-Au-CNT-Au (3a)gebildet wird.First, CNTs doped with gold (Au-CNT-Au) are attached to a support material which has functional thiol groups exposed on its surface (support material-CONH-R ₂ -SH). At this time, an Au-S bond is formed between the functional thiol group on the support surface and the gold crystal of the gold-doped CNTs, so that the CNTs are bound to the support material, thereby forming a structure of the form of support material-CONH-R ₂ - S-Au-CNT-Au ( 3a ) is formed.
[0082] Danachwird das Gold der Gold-dotierten CNTs, welche selektiv an dem Trägermaterialbefestigt worden waren, mit einer Thiolgruppe einer chemischen Substanz,dargestellt durch HS-R₃-SH, welche ein Linker ist,der funktionelle Thiolgruppen aufweist, umgesetzt und die GolddotiertenCNTs werden mit der anderen Thiolgruppe des Linkers umgesetzt. Durchderartige Reaktionen wird eine Struktur in der Form Trägermaterial-[CONH-R₂-S-Au-CNT-Au-S-R₃-S-Au-CNT-Au]ausgebildet (3b).Thereafter, the gold of the gold-doped CNTs selectively attached to the support material is reacted with a thiol group of a chemical substance represented by HS-R ₃ -SH, which is a linker having functional thiol groups, and the gold-doped CNTs are reacted with the other thiol group of the linker. By such reactions, a structure in the form of carrier material [CONH-R ₂ -S-Au-CNT-Au-SR ₃ -S-Au-CNT-Au] is formed ( 3b ).
[0083] Darananschließendwird die chemische Reaktion zwischen den Gold-dotierten CNTs undder chemischen Substanz, die doppelt funktionelle Thiolgruppen aufweist,wiederholt durchgeführt,um die Oberflächendichteder leitenden CNTs auf der Trägermaterialoberfläche zu erhöhen. Letztlichresultiert dies in einem leitenden CNT-Muster oder -Film, der dieStruktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-Au-CNT-Au-(S-R₃-S-Au-CNT-Au)p]q hat,wobei p und q natürlicheZahlen größer als1 sind (3c bis 3e).Subsequently, the chemical reaction between the gold-doped CNTs and the chemical substance having double-functional thiol groups is repeatedly performed to increase the surface density of the conductive CNTs on the substrate surface. Ultimately, this results in a conductive CNT pattern or film having the structure carrier material [CONH-R ₂ -S-Au-CNT-Au- (SR ₃ -S-Au-CNT-Au) p] q where p and q are natural numbers greater than 1 ( 3c to 3e ).
[0084] Inder vorliegenden Erfindung sind Biorezeptoren Substanzen, die anZiel-Biomaterialien binden oder mit diesen reagieren, und vorzugsweisesind sie Substanzen, die als Sonden, fähig zur Detektion dieser Bindungoder Reaktion, dienen. Beispiele solcher Biorezeptoren beinhaltenNukleinsäuren,Proteine, Peptide, Aminosäuren,Liganden, Enzymsubstrate und Cofaktoren. Die Ziel-Biomaterialien,wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, sind Substanzen, fähig, sichdurch das Binden von oder die Reaktion mit Biorezeptoren als Zielezu verhalten, und die Beispiele ihrerseits beinhalten Proteine,Nukleinsäuren,Enzyme und andere Biomoleküle.InIn the present invention, bioreceptors are substances that bind toBind or react with target biomaterials, and preferablyThey are substances that act as probes, capable of detecting this bondor reaction, serve. Examples of such bioreceptors includenucleic acids,Proteins, peptides, amino acids,Ligands, enzyme substrates and cofactors. The target biomaterials,As used in the present invention, substances are capable of becomingby binding or reaction with bioreceptors as targetsbehavior, and the examples on their part include proteins,nucleic acids,Enzymes and other biomolecules.
[0085] 4 ist ein schematischesDiagramm, das zeigt, dass verschiedene Biorezeptoren, die funktionelle Gruppenaufweisen, welche an Gold binden oder mit diesem reagieren, an derOberflächevon CNTs, dotiert mit Gold-Nanopartikeln,befestigt werden und dann selektiv mit verschiedenen Ziel-Biomaterialienwechselwirken. Als die funktionellen Gruppen, die mit den Gold-Nanokristallenreagieren, werden vorzugsweise Thiolgruppen eingeschlossen. In 4 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 Biorezeptoren,fähig zurReaktion mit Ziel-Biomaterialien, und Bezugszeichen 4 bezeichnetZiel-Biomaterialien, fähigzur Reaktion mit den Biorezeptoren. Ferner bezeichnet Bezugszeichen 3 Oligonukleotideunter den Biorezeptoren und Bezugszeichen 5 bezeichnetkomplementäreNukleinsäuren,fähig zurHybridisierung mit den Oligonukleotiden, die an dem Metall der leitendenCNTs immobilisiert sind, und Bezugszeichen 6 bezeichnetallgemeine Biomaterialien, die keine Reaktivität aufweisen. 4 Figure 3 is a schematic diagram showing that various bioreceptors having functional groups that bind to or react with gold are attached to the surface of CNTs doped with gold nanoparticles and then interact selectively with different target biomaterials. As the functional groups that react with the gold nanocrystals, thiol groups are preferably included. In 4 denote the reference numerals 1 and 2 Bioreceptors capable of reacting with target biomaterials and reference numerals 4 refers to target biomaterials capable of reacting with the bioreceptors. Further, reference numeral denotes 3 Oligonucleotides under the bioreceptors and reference numerals 5 refers to complementary nucleic acids capable of hybridization with the oligonucleotides immobilized on the metal of the conductive CNTs, and numerals 6 refers to general biomaterials that have no reactivity.
[0086] 5 zeigt einen CNT-Au-Substratpeptidkomplex,wobei Substratpeptid (S^P) einer Kinase,die funktionelle Thiolgruppen aufweist, für eine Kinaseenzymreaktionan CNTs, dotiert mit Gold-Nanopartikeln, immobilisiert wird. DieAnwendung dieses Komplexes bei der Phosphorylierung durch verschiedeneKinaseenzyme erlaubt die Messung einer elektrochemischen Änderungvon CNTs. 5 shows a CNT-Au substrate peptide complex wherein substrate peptide (S ^P ) of a kinase having functional thiol groups is immobilized for kinase enzyme reaction on CNTs doped with gold nanoparticles. The application of this complex in the phosphorylation by various kinase enzymes allows the measurement of an electrochemical change of CNTs.
[0087] Verfahren,die dazu verwendet werden können,die Reaktion zwischen den Biorezeptoren und den Biomaterialien zudetektieren, beinhalten eine elektrische Detektionsmethode, dieim Stand der Technik als das Intrusions-Detektions-System ("intrusion detection system") wohlbe kannt ist,ein Resonanzverfahren und ein Verfahren, das einen fluoreszierendenKörperverwendet. Das elektrische Detektionsverfahren, welches elektrischeSignale verwendet, wird vorzugsweise verwendet, in welchem Falleeine winzige Änderungder Potentialdifferenz, welche in CNTs während der Reaktion zwischenBiorezeptoren und Biomaterialien auftaucht, durch eine geeigneteSchaltung überwachtwerden kann.Method,which can be usedthe reaction between the bioreceptors and the biomaterials toodetect, include an electrical detection method thatis well known in the art as the intrusion detection system,a resonance method and a method that uses a fluorescentbodyuses. The electric detection method, which electricalSignals used is preferably used, in which casea tiny changethe potential difference that exists in CNTs during the reaction betweenBioreceptors and biomaterials emerges through a suitableCircuit monitoredcan be.
[0088] DieVerwendung einer Prüfstationzur Messung der elektrischen Eigenschaften von Biosensoren und einFluoreszenzmikroskop zur Detektion fluoreszierender Substanzen,die in den Biosensoren erzeugt werden, erlaubt die Messung der Reaktionen.Darüberhinaus kann auch das existierende Verfahren verwendet werden, welchesdas Befestigen eines Radioisotops an den Substanzen der Reaktion,das Reagieren der resultierenden Substanzen und das anschließende Messender Strahlung auf einer gegebenen Oberfläche unter Verwendung einesStrahlungsmessgerätsumfasst.TheUse of a test stationfor measuring the electrical properties of biosensors and aFluorescence microscope for the detection of fluorescent substances,which are generated in the biosensors, allows the measurement of the reactions.About thatIn addition, the existing method can be used whichattaching a radioisotope to the substances of the reaction,reacting the resulting substances and then measuringthe radiation on a given surface using aradiometerincludes.
[0089] ZurAusnutzung der sensitiven elektrischen Eigenschaften von CNTs wurdeunter obigen Verfahren das elektrische Detektionsverfahren in dervorliegenden Erfindung ausgeführt.Da die Messung von Reaktionen aufgrund der Charakteristika von Biomaterialienvorwiegend in einem flüssigemZustand durchgeführt wird,konzentrierte sich die vorliegende Erfindung auf das Messen derelektrischen Werte von CNTs in einem flüssigen Zustand. Um die Ionenkonzentrationvon Biomaterialien, die an der Oberfläche von CNTs befestigt sind,zu messen, wurden in der vorliegenden Erfindung drei Verfahren verwendet.Konkret können,wenn der CNT-Au-Substratpeptidkomplex, bei welchem das Substratpeptideines Kinaseenzyms an die Oberflächevon CNTs, wie in 5 gezeigt,gebunden ist, füreine Kinaseenzymreaktion verwendet wird, die Ionenkonzentrationen vonBiomaterialien, die aus der Kinaseenzymreaktion resultieren, durchdie folgenden drei Verfahren gemessen werden.To exploit the sensitive electrical properties of CNTs, the electric detection method in the present invention was carried out under the above methods. Since the measurement of reactions due to the characteristics of biomaterials is conducted mainly in a liquid state, the present invention has focused on measuring the electrical values of CNTs in a liquid state. In order to measure the ion concentration of biomaterials attached to the surface of CNTs, three methods were used in the present invention. Specifically, when the CNT-Au substrate-peptide complex in which the substrate peptide of a kinase enzyme is attached to the surface of CNTs, as in FIG 5 is shown bound for a kinase enzyme reaction, the ion concentrations of biomaterials resulting from the kinase enzyme reaction are measured by the following three methods.
[0090] Daserste Verfahren ist eine Oxidations-Reduktions-Reaktion mit einem Apparat, wie z.B.einem Potentiostat, nach der Induktion der Reaktion durch einenspeziellen gelöstenStoff zu messen. Das zweite Verfahren ist es, das Konzept einesKondensators zu verwenden, um überelektrische Kontrolle die Konzentration von Ionen in einer Kondensatorplattezu messen. Das dritte Verfahren ist es, das Prinzip eines geladenenKörpersauszunutzen, um das Ausmaß,zu welchem die geladenen dünnenFilme einer geladenen Platte gemäß der Intensität der umgebendenIonen geweitet werden.TheThe first method is an oxidation-reduction reaction with an apparatus such as an apparatus.a potentiostat, after the induction of the reaction by aspecial solvedTo measure substance. The second method is the concept of aCapacitor to use overelectrical control the concentration of ions in a capacitor plateto eat. The third method is the principle of a loadedbodytake advantage of the extent,to which the charged thin onesFilms of a loaded disk according to the intensity of the surroundingIons are widened.
[0091] DieOxidations-Reduktions-Reaktion des ersten Verfahrens ist ein elektrochemischesDetektionsverfahren, welches zur Zeit allgemein verwendet wird.Wie in 6 gezeigt, werdenElekroden in eine Flüssigkeit, dieeinen speziellen gelöstenStoff enthält,eingetaucht, so dass sie die leitenden Leitungen und Biomaterialien, diemit CNTs verbunden sind, decken und die Ergebnisse vor und nachder Reaktion werden mit einem Potentiostat/Galvanostat (AmetechCo.) unter Verwendung von cyclischer Voltametrie, Potentiometrieund Amperometrie gemessen.The oxidation-reduction reaction of the first method is an electrochemical detection method which is currently widely used. As in 6 electrodes are immersed in a liquid containing a specific solute so as to cover the conductive leads and biomaterials associated with CNTs, and the results before and after the reaction are measured with a potentiostat / galvanostat (Ametech Co .) using cyclic voltammetry, potentiometry and amperometry.
[0092] Wiein 7 gezeigt, wird beider Messung der Ionenkonzentrationen unter Verwendung des Prinzips vonKondensatoren gemäß dem zweitenVerfahren ein neues Trägermaterialaus Platin oder Gold auf dem an dem CNT befestigten Trägermaterialangeordnet, wobei dazwischen eine Flüssigkeit eingefügt wird,und mit Elektroden verbunden. In der Lösung verursachte Vibrationenkönnendurch das Eintauchen einer vibrierenden Elektrode in eine ElektrolytenthaltendeLösungund der geeigneten Anwendung eines Gleichstroms und eines Wechselstromsgemessen werden.As in 7 In the measurement of ion concentrations using the principle of capacitors according to the second method, a new support material of platinum or gold is placed on the support material attached to the CNT with a liquid interposed therebetween and connected to electrodes. Vibrations caused in the solution can be measured by immersing a vibrating electrode in an electrolyte-containing solution and appropriately applying a direct current and an alternating current.
[0093] Wiein 8 gezeigt, umfasstdas dritte Verfahren, das das Prinzip einer geladenen Platte verwendet, dasEinfügeneiner geladenen Platte in einen Chip, der von einem Polymer bedecktist, und das Messen des Ausmaßes,zu welchem die geladenen dünnenFilme der geladenen Platte ausgeweitet werden, mit einem Messgerät.As in 8th For example, the third method utilizing the principle of a charged plate involves incorporating a charged plate into a chip covered by a polymer and measuring the extent to which the charged thin films of the loaded plate are expanded a measuring device.
[0094] Indiesem Fall wird die Korrelation zwischen einem Elektrolyt und einemelektrischen Strom als "die Konzentrationeiner wässrigenElektrolytlösunga die Intensitäteines elektrischen Stroms" ausgedrückt. Inanderen Worten kann, da die Konzentrationsverteilung von einem Elektrolytgemäß der Ionenkonzentrationvon Reaktionsmaterialien, die auf der Oberfläche von CNTs erzeugt werden,proportional zu der Intensitäteines elektrischen Stroms ist, die Konzentration von Ionen, gebildetbei dem Mechanismus auf der Unterseite, gemessen werden.InIn this case, the correlation between an electrolyte and aelectric current as "the concentrationan aqueouselectrolyte solutiona the intensityof an electric current "In other words, since the concentration distribution of an electrolyteaccording to the ion concentrationof reaction materials generated on the surface of CNTs,proportional to the intensityof an electric current, the concentration of ions, is formedbe measured at the mechanism on the bottom.
[0095] Dievorliegende Erfindung wird nachstehend in weiterem Detail durchBeispiele beschrieben werden. Es wird jedoch für den Fachmann offensichtlichsein, dass diese Beispiele in größerem Detailfür dievorliegende Erfindung präsentiertwerden und der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die Beispieleoder durch die Beispiele beschränktist.TheThe present invention will be described in further detail belowExamples are described. However, it will be apparent to those skilled in the artbe that these examples in greater detailfor thepresent inventionThe scope of the present invention is not limited to the examplesor restricted by the examplesis.
[0096] Einzelwändige Kohlenstoff-Nanotubes(SWNTs) wurden mit einer starken Säure geschnitten und nachfolgendwurden die resultierenden CNTs, die funktionale Carboxylgruppenaufweisen, einer Oxidations-Reduktions-Reaktion in einem zweiphasigenFlüssigkeitssystemunterworfen, um CNTs, dotiert mit Gold-Nanopartikeln, herzustellen(1).Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) were cut with a strong acid, and subsequently, the resulting CNTs having carboxyl functional groups were subjected to an oxidation-reduction reaction in a two-phase liquid system to produce CNTs doped with gold nanoparticles ( 1 ).
[0097] Zuerstwurde mit Hilfe eines Kopplungsmittels (DCC) in einem Ethanol-Lösungsmittelein Linker (2-Aminoethanthiol), der sowohl eine Amino(-NH₂)- als auch eine Thiol(-SH)-Gruppe aufweist,zusammen mit den CNTs, die funktionelle Carboxylgruppen aufweisen,bei Umgebungstemperatur ungefähr24 Stunden lang gerührt.Goldnukleationsstellen wurden an den Bindestellen am Ende und derSeite von CNTs durch chemische Au-S-Bindungen gebildet.First, with the aid of a coupling agent (DCC) in an ethanol solvent, a linker (2-aminoethanethiol) having both an amino (-NH ₂ ) and a thiol (-SH) group was used together with the CNTs having functional carboxyl groups, stirred at ambient temperature for about 24 hours. Gold nucleation sites were formed at the binding sites at the end and side of CNTs by Au-S chemical bonds.
[0098] 25ml einer 0,01%igen Goldkolloidlösung,die eine leicht gelbe Farbe hat, wurde in einen Glasreaktor gefüllt, zuwelchem dann eine Lösungvon 16,5 ml (0,01665 mmol) N(C₈H₁₇)₄Br in Toluollangsam gegeben wurde, währenddie kolloidale Goldlösungrasch gerührtwurde. Bei dieser Reaktion trat die Phasentrennung zwischen Wasserund Toluol auf, und die vermischte Lösung wurde sehr rasch gerührt, bisdie Farbe der unteren wässrigenSchicht vollständigverschwand. 2 mg der CNTs mit darauf ausgebildeten Thiolgruppenwurden in 10 ml Toluol dispergiert und langsam zu der oberen Toluolschicht(organische Phase) gegeben. Dann wurde eine Lösung von 20,5 ml (0,0825 mmol)NaBH₄ in Wasser unter langsamem Rühren zugegeben.Dieses Reaktionsgemisch wurde rasch bei Umgebungstemperatur 20 Stundenlang gerührt,wonach die organische Toluolphase von der wässrigen Phase über einenScheidetrichter abgetrennt wurde. Die abgetrennte organische Phasewurde durch einen Polyvinylidenfluorid(PVD)-Membranfilter mit Porengröße von 100nm filtriert, wobei Toluol und Ethanol mehrere Male zugegeben wurden.25 ml of a 0.01% gold colloid solution having a light yellow color was charged to a glass reactor, to which was then added a solution of 16.5 ml (0.01665 mmol) of N (C ₈ H ₁₇ ) ₄ Br in toluene was added slowly while the colloidal gold solution was stirred rapidly. In this reaction, the phase separation between water and toluene occurred, and the mixed solution was stirred very rapidly until the color of the lower aqueous layer completely disappeared. 2 mg of the CNTs with thiol groups formed thereon were dispersed in 10 ml of toluene and added slowly to the upper toluene layer (organic phase). Then a solution of 20.5 ml (0.0825 mmol) of NaBH ₄ in water was added with slow stirring. This reaction mixture was stirred rapidly at ambient temperature for 20 hours, after which time the organic toluene phase was separated from the aqueous phase via a separatory funnel. The separated organic phase was filtered through a 100 nm pore size polyvinylidene fluoride (PVD) membrane filter with toluene and ethanol added several times.
[0099] Diefiltrierte Probe wurde in dreifach destilliertes Wasser gelegt undmit Ultraschall dispergiert. Die Dispersion wurde bei 2000 UpM 60Minuten lang zentrifugiert. Nach Entfernen des Überstands wurde die Probe wie derdurch einen Membranfilter filtriert und die resultierende Probevakuumgetrocknet.Thefiltered sample was placed in triple distilled water anddispersed with ultrasound. The dispersion became 60 at 2000 rpmCentrifuged for minutes. After removal of the supernatant, the sample became like thefiltered through a membrane filter and the resulting samplevacuum dried.
[0100] DasGoldkristall-dotierte CNT, hergestellt durch das obige Verfahren,wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und einemPhotoelektronenspektroskop mit Röntgenstrahlanregung(XPS) analysiert. 9a isteine TEM-Photographie, die einen Goldnanokristall-dotierten CNT,erhalten durch Bildung von Thiol (-SH)-Gruppen auf einem CNT, undUmsetzen der gebildeten Thiolgruppen mit Goldkolloiden, zeigt und 9b ist eine TEM-Photographie, dieein CNT, erhalten durch Umsetzen eines CNTs, der keine Thiol(-SH)-Gruppenausgebildet hat, mit Goldkolloiden, zeigt. Von diesen Photographienkonnte gefunden werden, dass die Goldkristalle, die auf dem CNTmit Thiolgruppen gebildet wurden, in größerer Zahl auf der Seite desCNT dotiert wurden als an dessen Enden und sie wurden auf dem CNTohne Thiolgruppen nicht dotiert.The gold crystal-doped CNT prepared by the above method was analyzed by a transmission electron microscope (TEM) and an X-ray excitation photoelectron spectroscope (XPS). 9a is a TEM photograph showing a gold nanocrystone-doped CNT obtained by forming thiol (-SH) groups on a CNT, and reacting thiol groups formed with gold colloids, and FIG 9b is a TEM photograph showing a CNT obtained by reacting a CNT having no thiol (-SH) groups with gold colloids. From these photographs it could be found that the gold crystals formed on the CNT with thiol groups were doped in greater numbers on the side of the CNT than at the ends thereof and they were not doped on the CNT without thiol groups.
[0101] 10 ist eine HR-TEM-Photographie,die das CNT von 9, vergrößert aufeine hohe Vergrößerung,zeigt. Die regelmäßigen d-Abstände ("d-spacing") der in dieser Photographiegemessenen Gitter war 2,36 ± 0,02 Å. DieserWert ist dem in der Literatur fürdie {111}-Ebene von Gold (2,355 Å) nahezu gleich (Powder DiffractionData File 38-1364,Inorganic Phases, JCPDS International Centre for Diffraction Data,Swathmore, PA, 199). 10 is an HR-TEM photograph showing the CNT of 9 , enlarged to a high magnification, shows. The regular d-spacing of the grids measured in this photograph was 2.36 ± 0.02 Å. This value is nearly equal to that in the literature for the {111} plane of gold (2.355 Å) (Powder Diffraction Data File 38-1364, Inorganic Phases, JCPDS International Center for Diffraction Data, Swathmore, PA, 199).
[0102] DerOxidationszustand von Goldkristallen, dotiert auf den CNT, kannauch durch XPS untersucht werden. 11 zeigtein XPS-Doublett-Spektrum fürGoldkristalle, dotiert auf den CNT. Die Doublett-Bindungsenergienvon Gold (Au) sind Au 4f_5/2 (87,9 eV) undAu 4f_7/2 (84,2 eV). Diese Werte entsprechendenen fürGold in einem reduzierten Zustand (Au⁰).Dies legt nahe, dass die meisten Goldkristalle, dotiert auf dieCNT-Oberfläche,in einem reduzierten Zustand und nicht in einem kolloidalen Zustandsind.The oxidation state of gold crystals doped on the CNT can also be examined by XPS. 11 shows an XPS doublet spectrum for gold crystals doped on the CNT. The doublet bond energies of gold (Au) are Au 4f _5/2 (87.9 eV) and Au 4f _7/2 (84.2 eV). These values correspond to those for gold in a reduced state (Au ⁰ ). This suggests that most of the gold crystals doped on the CNT surface are in a reduced state and not in a colloidal state.
[0103] Thiolgruppen-enthaltendeDNAs oder Oligonukleotide binden spezifisch an Gold-Nanokristalle,dotiert auf die Wandflächeeines CNT, um einen CNT-Au-DNA-Komplex auszubilden (12a). Das Oligonukleotid-gebundene CNTwurde auf einem Glasobjektträgerimmobilisiert (Shin-Won Scientific Co. Ltd., Korea), der mit Poly-L-lysinauf dieselbe Art und Weise wie bei der Herstellung von DNA-Chipsbehandelt worden war (Schena, M. et al., Science 270:467, 1995).Thiol group-containing DNAs or oligonucleotides bind specifically to gold nanocrystals doped on the wall surface of a CNT to form a CNT-Au-DNA complex ( 12a ). The oligonucleotide-linked CNT was immobilized on a glass slide (Shin-Won Scientific Co. Ltd., Korea) which had been treated with poly-L-lysine in the same manner as in the preparation of DNA chips (Schena, M et al., Science 270: 467, 1995).
[0104] DasOligonukleotid-gebundene CNT der folgenden SEQ ID NO: 1 wurde mehrereMale durch einen 0,2 μm-Teflonfilterfiltriert, um nicht in Reaktion getretene Oligonukleotide zu entfernen.Nach der Filtration wurde die Oligonukleotid-gebundene CNT-Lösung miteiner Zentrifuge konzentriert.TheOligonucleotide-linked CNT of the following SEQ ID NO: 1 has become severalMale through a 0.2 micron Teflon filterfiltered to remove unreacted oligonucleotides.After filtration, the oligonucleotide-bound CNT solution was washed witha centrifuge concentrated.
[0105] 5'-TGT GCC ACC TACAAG CTG TG(C3)-Thiol-3 (SEQ ID NO: 1)5'-TGT GCC ACC TACAAG CTG TG (C3) thiol-3 (SEQ ID NO: 1)
[0106] 10 μl der konzentriertenOligonukleotide wurden mit einer Pipette auf das mit Poly-L-lysinbehandelte Glassubstrat getropft und dann bei Umgebungstemperaturmindestens 12 Stunden lang getrocknet. Als nächstes wurde das resultierendeTrägermaterialin eine feuchte Kammer gelegt, enthaltend 1 × SSC (0,15M NaCl 0,015M Natriumcitrat)und dort gelassen, bis die getrocknete Substanz auf dem Glassubstratwegen Sättigung glitzerte(ca. eine Minute lang). Danach wurde es in einen 95°C Ofen gelegt,ihm 3 Sekunden lang zu reagieren erlaubt und es dann mit Hilfe einesUV-Crosslinkersystems(Spectrolinker XL-1500 UV Crosslinker) bei 650 mJ immobilisiert.10 μl of the concentratedOligonucleotides were pipetted onto the poly-L-lysinetreated glass substrate is dropped and then at ambient temperaturedried for at least 12 hours. Next was the resultingsupport materialplaced in a humid chamber containing 1xSSC (0.15M NaCl 0.015M sodium citrate)and left there until the dried substance on the glass substrateglittering because of saturation(about one minute). Then it was placed in a 95 ° C oven,allowed him to react for 3 seconds and then using oneUV cross-linker system(Spectrolinker XL-1500 UV Crosslinker) immobilized at 650 mJ.
[0107] Dienegative Phosphatgruppe (PO4-) von Oligonucleotiden bindet elektrostatischan die positive Aminogruppe (NH³⁺) von Poly-L-lysin.Wenn sie mit ultravioletten Strahlen bestrahlt werden und in einemheißen Ofenetwa 3 Sekunden lang getrocknet werden, wird hierauf eine kovalenteBindung ausgebildet, um das CNT auf dem Glasträgermaterial über dasOligomer als einen Linker zu immobilisieren. 12b zeigt, dass CNT-Au-DNA-Komplexe andie Oberflächedes mit Poly-L-lysin behandelten Glasträgermaterials gebunden sind.The negative phosphate group (PO4-) of oligonucleotides electrostatically binds to the positive amino group (NH ³⁺ ) of poly-L-lysine. When irradiated with ultraviolet rays and dried in a hot oven for about 3 seconds, a covalent bond is formed thereon to immobilize the CNT on the glass support material via the oligomer as a linker. 12b shows that CNT-Au DNA complexes are bound to the surface of the poly-L-lysine-treated glass support material.
[0108] Umnicht-umgesetzte Aminogruppen auf einem Glasobjektträger (Corningcop.), dessen Oberfläche mitAminoproben behandelt worden war, zu blockieren, wurden 6 g Bernsteinsäureanhydrid(Sigma) in 350 ml 1-Methyl-2-pyrrilidinon(Sigma) gelöst.Nachdem das Bernsteinsäureanhydridvollständiggelöstwar, wurden 15 ml 1 M Borax (pH 8,0) zugegeben und der Glasobjektträger darin15 Minuten lang eingetaucht. Zu dieser Zeit ist das Bernsteinsäureanhydridan den Aminogruppen auf dem Glasobjektträger befestigt, um eine blockierendeRolle zu spielen.Aroundunreacted amino groups on a glass slide (Corningcop.), whose surface withAmino samples were treated to block, 6 g of succinic anhydride(Sigma) in 350 ml of 1-methyl-2-pyrrilidinone(Sigma) solved.After the succinic anhydrideCompletelysolvedWhen 15 ml of 1 M borax (pH 8.0) was added, the glass slide was addedImmersed for 15 minutes. At this time is succinic anhydrideattached to the amino groups on the glass slide to form a blockingRole to play.
[0109] Danachwurde der resultierende Glasobjektträger bei 95°C eine Minute lang in ultrareinesWasser eingetaucht, ihm 2 Minuten lang eine Reaktion in Ethanolermöglicht,bei 600 rpm zentrifugiert und danach getrocknet, um einen Überschussan Lösungsmittelzu entfernen.After thatThe resulting glass slide was in ultra pure at 95 ° C for one minuteImmersed in water, giving it a reaction in ethanol for 2 minutesallowscentrifuged at 600 rpm and then dried to a surpluson solventto remove.
[0110] Derwie oberhalb beschrieben präparierteChip wurde in ein Lösungsgemischaus 3, 5 × SSC(0, 525 M NaCl, 0, 0525 M Natriumcitrat, pH 7,0), 0,1% SDS, und10 mg/mL Rinderserumalbumin (BSA) gelegt, ihm 20 Minuten lang bei50°C dieReaktion ermöglicht,zweimal in ultrareines destilliertes Wasser für jedes Mal eine Minute eingetaucht,und dann ei ne Minute lang in Isopropylalkohol eingetaucht. Danachwurde bei 600 rpm 5 Minuten lang eine Zentrifugation durchgeführt, umeinen auf dem Chip verbleibenden Überschuss an Lösung zuentfernen.Of theprepared as described aboveChip was in a mixed solutionfrom 3.5 × SSC(0.525M NaCl, 0.0525M sodium citrate, pH 7.0), 0.1% SDS, and10 mg / mL bovine serum albumin (BSA) for 20 minutes50 ° C theReaction allowsdipped twice in ultrapure distilled water for each one minute,and then immersed in isopropyl alcohol for one minute. After thatCentrifugation was carried out at 600 rpm for 5 minutesan excess of solution remaining on the chipremove.
[0111] Derangefertigte DNA-Chip wurde in eine Hybridisierungskammer gelegtund eine Hybridisierungslösungwurde dort, wo das CNT befestigt worden war unter Verwendung einerPipette aufgetropft. Dann wurde ein Deckgläschen darauf gelegt. Hierbeiwurde die Hybridisierungslösungfür 32 μl einer Lösung, enthaltend einOligonucleotid von komplementärerSequenz präpariert,um ein Gesamtvolumen von 40 μlbei einer Endkonzentration von 3 × SSC (0,45 M NaCl, 0,045 MNatriumcitrat) und 0,3% SDS (Natriumdodecylsulfat) zu betragen.Die komplementäreOligonucleotidsequenz war die folgende SEQ ID NO 2, die an ihremEnde FITC (Fluoreszinisothiocyanat) befestigt hatte.Of theprepared DNA chip was placed in a hybridization chamberand a hybridization solutionwas where the CNT was attached using aDropped pipette. Then a cover slip was placed on top. in this connectionbecame the hybridization solutionfor 32 μl of a solution containingOligonucleotide of complementarySequence prepared,for a total volume of 40 μlat a final concentration of 3x SSC (0.45 M NaCl, 0.045 MSodium citrate) and 0.3% SDS (sodium dodecylsulfate).The complementaryOligonucleotide sequence was the following SEQ ID NOEnd FITC (fluorescein isothiocyanate).
[0112] SEQID NO 2:5'-CAC AGCTTG TAG GTG GCA CA FITC 3'SEQID NO 2: 5'-CAC AGCTTG TAG GTG GCA CA FITC 3 '
[0113] Umnicht-spezifische Bindungen von den doppelsträngigen Oligonucleotiden zuentfernen, wurde die Lösung2 Minuten lang bei 100°Cbelassen, gefolgt von einer zweiminütigen Zentrifugation bei 12.000Upm. Um die Hybridisierungslösungvor dem Austrocknen in der Hybridisierungskammer zu bewahren, wurden30 μl von3 × SSC(0,45 M NaCl, 0,045 M Natriumcitrat) in jede der Aussparungen anbeiden Enden der Hybridisierungskammer platziert. Die Kammer wurdemit einem Deckel zugedeckt und 10 Stunden lang in einem Bad mitkonstanter Temperatur bei 55°Cstehen gelassen.Aroundnon-specific binding of the double-stranded oligonucleotides tooremove, became the solution2 minutes at 100 ° Cleave, followed by a two-minute centrifugation at 12,000Rpm. To the hybridization solutionfrom drying out in the hybridization chamber30 μl of3 × SSC(0.45 M NaCl, 0.045 M sodium citrate) in each of the recessesplaced at both ends of the hybridization chamber. The chamber wascovered with a lid and in a bath with for 10 hoursconstant temperature at 55 ° Cditched.
[0114] Nach10 Stunden wurde die Hybridisierungskammer aus dem Bad mit konstanterTemperatur genommen, 2 Minuten lang in 2 × SSC-Lösung eingetaucht und dann ineine gemischte Lösungvon 0,1 × SSC(0,015 M NaCl, 0,0015 M Natriumcitrat) und 0,1% SDS 5 Minuten langeingetaucht und schließlich5 Minuten lang in 0,1 × SSC.Um die auf dem Chip verbleibende Lösung zu entfernen, wurde derChip in eine Zentrifuge gelegt und 5 Minuten lang bei 600 Upm zentrifugiert.ToFor 10 hours, the hybridization chamber from the bath became more constantTemperature taken, immersed in 2 × SSC solution for 2 minutes and then ina mixed solutionof 0.1x SSC(0.015 M NaCl, 0.0015 M sodium citrate) and 0.1% SDS for 5 minutesimmersed and finallyFor 5 minutes in 0.1X SSC.To remove the remaining solution on the chip, thePlace the chip in a centrifuge and centrifuge at 600 rpm for 5 minutes.
[0115] DasFluoreszenzabbild wurde unter Verwendung eines konfokalen ScanArray500 (Packard BioScience, Biochip Technologies LLC)-Mikroskops undder QuantArray Microarray Analysis Software erhalten.TheFluorescence image was taken using a Confocal ScanArray500 (Packard BioScience, Biochip Technologies LLC) Microscopes andreceived the QuantArray Microarray Analysis Software.
[0116] Eswurde bestätigt,dass die Fluoreszenz deutlich und gleichförmig war, wenn das Oligonucleotidmit der zu dem CNT-DNA-Chip komplementären Sequenz hybridisiert wurde(linke Seite von 13(a)).Allerdings wurde bei dem CNT-Muster ohne dem darauf befestigtenOligonucleotid und bei dem CNT-DNA-Chip, hybridisiert mit dem Oligonucleotidmit der komplementärenSequenz, keine Fluoreszenz beobachtet (Mitte und rechte Seite von 13(a)). Ausgehend von diesenErgebnissen wurde bestätigt,dass die nichtspezifische Reaktion so gut wie nie vorkam.It was confirmed that the fluorescence was clear and uniform when the oligonucleotide was hybridized with the sequence complementary to the CNT-DNA chip (left side of FIG 13 (a) ). However, fluorescence was not observed in the CNT pattern without the oligonucleotide attached thereto and in the CNT DNA chip hybridized with the oligonucleotide having the complementary sequence (center and right side of FIG 13 (a) ). Based on these results, it was confirmed that the nonspecific reaction almost never occurred.
[0117] Fernerwurde, wie in 13(b) gezeigt,Oligonucleotid an einem Glasträgermaterial,beschichtet mit CNT, befestigt, und dann wurde Oligonucleotid mitder nicht-komplementären Sequenzund Oligonucleotid mit der komplementären Sequenz hybridisiert. AlsErgebnis war es möglich,zweifellos zwischen der hybridisierten Probe und der nicht-hybridisiertenProbe zu unterscheiden.Furthermore, as in 13 (b) oligonucleotide was attached to a glass slide material coated with CNT, and then oligonucleotide was hybridized with the non-complementary sequence and oligonucleotide with the complementary sequence. As a result, it was possible to undoubtedly distinguish between the hybridized sample and the non-hybridized sample.
[0118] Wieoberhalb im Detail beschrieben, stellt die vorliegende Erfindungdie Metall-dotierten leitenden CNTs, die eine viel höhere elektrischeLeitfähigkeitals die der existierenden CNTs aufweisen, bereit und auch ein Musteroder ein Film der leitenden CNTs. Weiterhin stellt die vorliegendeErfindung den Biosensor, worin Biorezeptoren, die mit Biomaterialienreagieren an einem leitenden CNT-Musteroder Film befestigt sind, bereit.Asdescribed in detail above, represents the present inventionthe metal-doped conductive CNTs, which have a much higher electricalconductivitythan those of the existing CNTs have, ready and also a patternor a movie of the leading CNTs. Furthermore, the present inventionInvention the biosensor, wherein bioreceptors with biomaterialsreact to a conductive CNT patternor movie are attached, ready.
[0119] Derleitende CNT-Biosensor gemäß der vorliegendenErfindung hat eine großeOberflächeund exzellente elektrische Leitfähigkeitseigenschaften,so dass es möglichwird, die immobilisierte Menge an Biomolekülen, wie z.B. DNA zu erhöhen unddie Nachweisempfindlichkeit fürdie Biomolekülezu verbessern. Weiterhin kann er durch die direkte Dedektion verschiedenerZielbiomoleküleoder das Messen elektrochemischer Signale präzise die Reaktionen zwischenBiomaterialien und Biorezeptoren von großen Mengen in einem Schritt detektieren.Of theconductive CNT biosensor according to the presentInvention has a big onesurfaceand excellent electrical conductivity properties,so that it is possiblethe immobilized amount of biomolecules, e.g. Increase DNA andthe detection sensitivity forthe biomoleculesto improve. Furthermore, he can through the direct dedication of varioustarget biomoleculesor measuring electrochemical signals precisely the reactions betweenDetecting biomaterials and bioreceptors of large quantities in one step.
[0120] Außerdem entsprichtder erfinderische Biosensor der Anforderung, dass Biomaterialienaufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften vorwiegend mit einerkleinen Probenmenge in einem flüssigenZustand gemessen werden müssen.Zusätzlichist es dem erfinderischen Biosensor möglich eine elektrische Dedektionsmethodefähig zurBereitstellung präziserMessergebnisse zu verwenden.Also correspondsthe inventive biosensor of the requirement that biomaterialsdue to their characteristic properties predominantly with asmall amount of sample in a liquidCondition must be measured.additionallyIs it possible for the inventive biosensor an electrical Dedektionsmethodecapable ofProviding more preciseTo use measurement results.
SEQUENZPROTOKOLL
SEQUENCE LISTING

权利要求:
Claims (31)
[1]
Verfahren, um mit einem Metall dotierte CNTszu produzieren, welches die folgenden Schritte einschließt: (a)Bereitstellung von CNTs, welche Carboxylgruppen aufweisen; (b)Binden der Carboxylgruppen der CNTs an die Aminogruppen einer chemischenSubstanz, welche eine Amino- und eine Thiolgruppe aufweist, um mitder Thiolgruppe modifizierte CNTs zu erhalten; und (c) Bindeneines Metalls an die Thiolgruppen der Thiolgruppen-modifiziertenCNTs.Method to metal-doped CNTsto produce, which includes the following steps:(A)Providing CNTs having carboxyl groups;(B)Binding of the carboxyl groups of the CNTs to the amino groups of a chemicalSubstance having an amino and a thiol group to interact withthe thiol group to obtain modified CNTs; and(c) bindinga metal to the thiol groups of the thiol group-modifiedCNTs.
[2]
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Schritt(c) durch Umsetzen der Thiolgruppen-modifizierten CNTs mit Metallnanopartikelnoder -kolloiden und der anschließenden Reduktion der resultierendenCNTs durchgeführtwird.The method of claim 1, wherein the step(c) by reacting the thiol group-modified CNTs with metal nanoparticlesor colloids and the subsequent reduction of the resultingCNTs performedbecomes.
[3]
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das MetallGold (Au) ist.The method of claim 1, wherein the metalGold (Au) is.
[4]
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die chemischeSubstanz, welche sowohl eine Amino- als auch eine Thiolgruppe aufweist,NH₂-R₁-SH ist; wobeiR₁ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt.The method of claim 1, wherein the chemical substance having both an amino and a thiol group is NH ₂ -R ₁ -SH; wherein R _{1 represents} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.
[5]
Leitende CNTs, dotiert mit einem Metall, hergestelltmit dem Verfahren nach Anspruch 4, wobei die CNTs die Form CNT-(CONH-R₁-S-M)rhaben; wobei M ein Metall darstellt, r eine natürliche Zahl größer als1 ist und R₁ wie in Anspruch 4 definiertist.Conductive CNTs doped with a metal prepared by the process of claim 4, wherein the CNTs have the form CNT- (CONH-R ₁ -SM) r; where M is a metal, r is a natural number greater than 1, and R ₁ as defined in claim 4.
[6]
Verfahren zur Herstellung eines leitenden CNT-Musters,welche folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellung einesTrägermaterials,welches auf seiner OberflächeThiolgruppen in Form eines Musters exponiert hat; (b) Bindendes Metalls von leitenden CNTs nach Anspruch 5 an die Thiolgruppenauf der Trägermaterialoberfläche; (c)Binden leitender CNTs nach Anspruch 5 an die gebundenen leitendenCNTs, um die leitenden CNTs abzuscheiden; und (d) Wiederholungdes Schrittes (c).Method for producing a conductive CNT patternwhich includes the following steps:(a) Provision of aSupport materialwhich on its surfaceHas exposed thiol groups in the form of a pattern;(b) bindingof the metal of conductive CNTs of claim 5 to the thiol groupson the substrate surface;(C)Bonding conductive CNTs according to claim 5 to the bonded conductiveCNTs to segregate the leading CNTs; and(d) repetitionof step (c).
[7]
Verfahren zur Herstellung eines leitenden CNT-Films,welche folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellung einesTrägermaterials,welches Thiolgruppen auf seiner Oberfläche exponiert hat; (b)Binden des Metalls der leitenden CNTs nach Anspruch 5 an die Thiolgruppenauf der Trägermaterialoberfläche, (c)Binden der leitenden CNTs nach Anspruch 5 an leitende CNTs, welchean dem Trägermaterialhaften, um die leitenden CNTs abzuscheiden; und (d) Wiederholungdes Schrittes (c), um die Dichte der leitenden CNTs zu erhöhen.Method for producing a conductive CNT filmwhich includes the following steps:(a) Provision of aSupport materialwhich has thiol groups exposed on its surface;(B)Binding of the metal of the conductive CNTs of claim 5 to the thiol groupson the substrate surface,(C)Bonding the conductive CNTs according to claim 5 to conductive CNTs, whichon the carrier materialadhere to the conductive CNTs; and(d) repetitionof step (c) to increase the density of the conductive CNTs.
[8]
Verfahren nach Anspruch 7, in welcher der Schritt(a) die folgenden Schritte umfasst: (i) Exponieren funktionellerAminogruppen auf der Substratoberfläche, auf welcher CNTs abgeschiedenwerden sollen; und (ii) Behandlung mit einer chemischen Substanz,die sowohl eine Carboxyl- als auch eine Thiolgruppe aufweist, umAmidbindungen zwischen der Aminogruppe auf dem Substrat und derCarboxylguppe der chemischen Substanz auszubilden.Method according to claim 7, in which the step(a) the following steps include:(i) expose more functionalAmino groups on the substrate surface, on which CNTs depositedto be and(ii) treatment with a chemical substance,which has both a carboxyl and a thiol group toAmide bonds between the amino group on the substrate and theForm carboxyl group of the chemical substance.
[9]
Verfahren nach Anspruch 8, in welchem die chemischeSubstanz, die sowohl eine Carboxyl- als auch eine Thiolgruppe aufweist,eine Substanz, dargestellt durch HOOC-R₂-SHist; wobei R₂ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen bezeichnet.The method of claim 8, wherein the chemical substance having both a carboxyl and a thiol group is a substance represented by HOOC-R ₂ -SH; wherein R ₂ denotes C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.
[10]
Verfahren nach Anspruch 8, in welchem das Substrat,das funktionelle Aminogruppen auf seiner Oberfläche exponiert hat, durch dieBehandlung eines bestimmten Substrats mit Aminoalkyloxysilan erhaltenwird.Method according to claim 8, in which the substrate,which has functional amino groups exposed on its surface through whichTreatment of a particular substrate with aminoalkyloxysilane obtainedbecomes.
[11]
Verfahren nach Anspruch 7, in welchem der Schritt(c) durch die Benutzung eines Linkers, der doppelte funktionelleThiolgruppen hat, durchgeführtwird.The method of claim 7, wherein the step(c) through the use of a linker, the double functionalThiol groups has performedbecomes.
[12]
Verfahren nach Anspruch 11, in welchem der Linker,der doppelte funktionelle Thiolgruppen aufweist, HS-R₃-SHist; wobei R₃ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt.The method of claim 11, wherein the linker having dual functional thiol groups is HS-R ₃ -SH; wherein R _{3 represents} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.
[13]
Leitendes CNT-Muster, welches mit dem Verfahrennach Anspruch 6 hergestellt wird, und das eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]qaufweist; in welcher p und q natürliche Zahlengrößer als1 sind und R₂ und R₃ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt.A conductive CNT pattern prepared by the method of claim 6 and having a structure of carrier material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q; in which p and q are natural numbers greater than 1 and R ₂ and R _{3 are} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.
[14]
Leitender CNT-Film, welcher mit dem Verfahren nachAnspruch 7 hergestellt wird, und der eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]qaufweist; wobei p und q natürlicheZahlen größer als1 sind und R₂ und R₃ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt.A conductive CNT film produced by the method of claim 7 and having a structure of carrier material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q; wherein p and q are natural numbers greater than 1 and R ₂ and R _{3 are} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.
[15]
Leitender CNT-Biosensor, in welchem Biorezeptoren,die an Zielbiomaterialien binden oder mit diesen reagieren, an eines,ausgewähltaus der Gruppe, bestehend aus: (a) leitenden CNTs, die eine Struktur CNT-(CONH-R₁-S-MP)r haben, in welcher M ein Metall repräsentiert,r eine natürlicheZahl größer als1 ist und R₁ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt;(b) einem leitenden CNT-Muster, das die Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]qhat, in welcher p und q natürlicheZahlen größer als1 sind, R2 und R₃ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellen;und (c) einem leitenden CNT-Film, der die Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]q hat, befestigt werden.A conductive CNT biosensor in which bioreceptors that bind to or react with target biomaterials are selected from the group consisting of: (a) conductive CNTs having a structure CNT- (CONH-R ₁ -S-MP) r, wherein M represents a metal, r is a natural number greater than 1 and R _{1 represents} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups; (b) a conductive CNT pattern having the structure support material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q, where p and q are natural numbers greater than 1, R ₂ and R _{3 are} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups; and (c) a conductive CNT film having the structure of support material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q.
[16]
Leitender CNT-Biosensor nach Anspruch 15, in welchemder Biorezeptor ein enzymatisches Substrat, ein Ligand, eine Aminosäure, einPeptid, eine Nukleinsäure,ein Lipid, ein CoFaktor oder ein Kohlenhydrat ist.The conductive CNT biosensor according to claim 15, in whichthe bioreceptor is an enzymatic substrate, a ligand, an amino acidPeptide, a nucleic acid,a lipid, a co-factor or a carbohydrate.
[17]
Leitender CNT-Biosensor nach Anspruch 15, in welchemder Biorezeptor Thiolgruppen aufweist.The conductive CNT biosensor according to claim 15, in whichthe bioreceptor has thiol groups.
[18]
Leitender CNT-Biosensor nach Anspruch 15, in welchemdas Metall Gold (Au) ist.The conductive CNT biosensor according to claim 15, in whichthe metal is gold (Au).
[19]
Verfahren zur Herstellung eines leitenden CNT-Biosensors,welches das Befestigen von Biorezeptoren, die an Zielbiomaterialienbinden oder mit diesen reagieren, an eines, ausgewählt ausder Gruppe, bestehend aus: (a) leitenden CNTs, die eine StrukturCNT-(CONH-R₁-S-M)r haben, in welcher M einMetall darstellt, r eine natürlicheZahl größer als1 ist und R₁ C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellt;(b) einem leitenden CNT-Muster, das eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]qhat, in welcher p und q natürlicheZahlen größer als 1sind, R₂ und R3 C_1–20 gesättigte Kohlenwasserstoffe,ungesättigteKohlenwasserstoffe oder aromatische organische Gruppen darstellen;und (c) einem leitenden CNT-Film, der eine Struktur Trägermaterial-[CONH-R₂-S-M-CNT-M-(S-R₃-S-M-CNT-M)p]q hat, umfasst.A method of making a conductive CNT biosensor which comprises attaching bioreceptors that bind to or react with target biomaterials to one selected from the group consisting of: (a) conductive CNTs having a structure CNT- (CONH-R ₁ -SM) r in which M is a metal, r is a natural number greater than 1 and R _{1 is} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups; (b) a conductive CNT pattern having a structure of carrier material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q, where p and q are natural numbers greater than 1, R ₂ and R _{3 represent} C _1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups; and (c) a conductive CNT film having a structure of carrier material [CONH-R ₂ -SM-CNT-M- (SR ₃ -SM-CNT-M) p] q.
[20]
Verfahren, um ein Zielbiomaterial zu detektieren,das an einen Biorezeptor bindet oder mit diesem reagiert, wobeidiese Methode dadurch charakterisiert ist, dass sie einen leitendenBiosensor nach Anspruch 15 verwendet.Method to detect a target biomaterialwhich binds to or reacts with a bioreceptor, whereinThis method is characterized by being a leaderBiosensor used according to claim 15.
[21]
Verfahren nach Anspruch 20, in welchem der Nachweisdurch die Verwendung eines elektrischen Signals durchgeführt wird.The method of claim 20, wherein the detectionis performed by the use of an electrical signal.
[22]
Leitender CNT-M-Nukleinsäurekomplex, in welchem eineNukleinsäurean das Metall (M) von leitenden CNTs, die die Form CNT-(CONH-R₁-S-M)r haben, angeheftet wird.A conductive CNT-M nucleic acid complex in which a nucleic acid is attached to the metal (M) of conductive CNTs having the form CNT- (CONH-R ₁ -SM) r.
[23]
CNT-M-Nukleinsäurekomplexnach Anspruch 22, in welchem das Metall Gold ist.CNT-M-nucleic acid complexaccording to claim 22, in which the metal is gold.
[24]
CNT-M-Nukleinsäurekomplexnach Anspruch 22, in welchem die Nukleinsäure DNA ist.CNT-M-nucleic acid complexaccording to claim 22, in which the nucleic acid is DNA.
[25]
Verfahren zur Herstellung eines Nukleinsäurechips,welcher das Befestigen des leitenden CNT-M-Nukleinsäurekomplexesnach Anspruch 22 an einem Trägermaterial,das Amin/Lysingruppen an seine Oberfläche befestigt hat, umfasst.Method for producing a nucleic acid chip,which involves attaching the conductive CNT-M nucleic acid complexaccording to claim 22 on a carrier material,which has attached amine / lysine groups to its surface.
[26]
Verfahren nach Anspruch 25, in welchem das Befestigendurch die Anwendung einer Vernetzung mittels UV-Strahlung durchgeführt wird.A method according to claim 25, wherein said attachingis carried out by the application of crosslinking by means of UV radiation.
[27]
DNA-Chip, in welchem der leitende CNT-Au-DNA-Komplexnach Anspruch 24 an ein festes Trägermaterial, das Amin/Lysingruppenan seiner Oberflächebefestigt hat, befestigt wird.DNA chip in which the conductive CNT-Au-DNA complexaccording to claim 24 to a solid support material, the amine / lysine groupson its surfacehas fastened, is fastened.
[28]
Verfahren zum Nachweis von DNA-Hybridisierung, welchedurch die Verwendung eines DNA-Chips nach Anspruch 27 charakterisiertist.Method for detecting DNA hybridization, whichcharacterized by the use of a DNA chip according to claim 27is.
[29]
CNT-M-Enzymsubstratkomplex, in welchem ein enzymatischesSubstrat an das Metall (M) von leitenden CNTs, die die Form CNT-(CONH-R₁-S-M)r aufweisen, befestigt ist.CNT-M enzyme substrate complex in which an enzymatic substrate is attached to the metal (M) of conductive CNTs having the form CNT- (CONH-R ₁ -SM) r.
[30]
CNT-M-Enzymsubstratkomplex, in welchem das enzymatischeSubstrat ein Kinase-Substratpeptid (S^P)ist.CNT-M enzyme substrate complex in which the enzymatic substrate is a kinase substrate peptide (S ^P ).
[31]
Verfahren, um eine Kinase-beinhaltende enzymatischeReaktion nachzuweisen, das durch die Verwendung des leitenden CNT-M-S^P-Komplexes nach Anspruch 30 charakterisiertist.A method of detecting a kinase-containing enzymatic reaction characterized by the use of the conductive CNT-MS ^P complex of claim 30.

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