JP2003507889A - Sensing device using single-electron transistor with chemically gated operation - Google Patents
Sensing device using single-electron transistor with chemically gated operationInfo
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Abstract
(57)【要約】 所定の電流・電圧特性を有し、室温において動作可能な化学または生物センサとしての用途に適合した化学的にゲート動作する単一電子トランジスタ(60)が提供される。この単一電子トランジスタは、第1の絶縁材から形成された基板(SuB)と、その基板上に配置されたソース電極(S)及びドレイン電極(D)と、そのソース電極とドレイン電極との間に配置された約12nm以下の大きさの空間寸法を有する金属ナノ粒子(L)とを備える。検出物特異性結合剤がナノ粒子の表面上に配置される。目標検出物と結合剤の間に発生する結合事象により電流・電圧特性の検出可能な変化が引き起こされる。 (57) Abstract: A chemically-gated single-electron transistor (60) having predetermined current-voltage characteristics and suitable for use as a chemical or biological sensor operable at room temperature is provided. This single-electron transistor includes a substrate (SuB) formed of a first insulating material, a source electrode (S) and a drain electrode (D) disposed on the substrate, and a source electrode and a drain electrode. Metal nanoparticles (L) having a spatial dimension of a size of about 12 nm or less disposed therebetween. An analyte-specific binding agent is disposed on the surface of the nanoparticle. A binding event that occurs between the target analyte and the binding agent causes a detectable change in current-voltage characteristics.
Description
【0001】発明の分野
本発明は、化学物質(chemical material)または生物学的物質(biological
material)を電子的に感知、検出、測定する技術、特に、分子受容体(molecula
r receptors)と関連させて、電子変換器(electronic transducers)として単
一電子トランジスタ(single-electron transistors)を利用するセンシングデ
バイスに関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a chemical or biological material.
technology to electronically sense, detect and measure materials, especially molecular receptors
r sensing) and a sensing device that utilizes single-electron transistors as electronic transducers.
【0002】発明の背景
ここに開示される本発明は、広い意味で、2つの別個の研究分野の有利かつ実
用的な活用法を明示する。一番目の分野は、化学生物センシングデバイスの構築
において、電界効果型トランジスタ(「FET(field effect transistor)」
)と、類似の電子論理デバイスとの使用を必要とする。二番目の分野は、デジタ
ル論理素子としてのFETの改良またはその代替として単一電子トランジスタ(
SET)の開発を必要とする。本発明に本来の正当な評価を与えるために、それ
ぞれの分野における最近の発展が次に記述される。BACKGROUND OF THE INVENTION The invention disclosed herein, in a broad sense, demonstrates the advantageous and practical uses of two distinct research fields. The first field is the field effect transistor (FET) in the construction of chemical biological sensing devices.
) And similar electronic logic devices. The second area is the improvement of FET as a digital logic device or its replacement by a single electron transistor (
SET) development is required. Recent developments in their respective fields will now be described in order to give the invention proper legitimacy.
【0003】
最新デジタル回路において見出される最も一般的なタイプのFETの中の一つ
は金属・酸化膜・半導体(metal-oxide-semiconductor)FETつまりMOSF
ETである。MOSFETの2つの一般的なクラスにはnチャネルエンハンスメ
ント型MOSFETとnチャネル空乏型MOSFETが含まれる。エンハンスメ
ント型MOSFETは図1Aに符号10で大体示されている。高導電性のソース
領域Sとドレイン領域Dはn型シリコン(つまり余剰自由負電荷を付加するため
に原子不純物つまり「ドーパント」を伴ったシリコン原子)を含み、絶縁p型S
iチャネル12と基板14(余剰自由正電荷を付加するために適切なドーパント
を含む)によって分離される。ゲートGとして知られる金属電極が提供され、そ
れは薄い酸化物層16(例えばSiO2)によって基板14から絶縁される。ゲ
ートGと基板14との間に印加されるバイアス電圧Vgateが存在しない場合には
、p型チャネル12が絶縁体としての役割をするのでソース領域Sとドレイン領
域Dとの間に電流は流れることはできない。デジタルエレクトロニクスにおいて
、これはデバイスの「OFF」状態に対応する。ゲートGに正電位が与えられる
と、電子はチャネル12に流れ込んで、基本的にソース領域Sとドレイン領域D
との間にn型にドープされた導電性通路18が生成される。これは「オン」状態
に対応する。One of the most common types of FETs found in modern digital circuits is the metal-oxide-semiconductor FET, or MOSF.
It is ET. Two general classes of MOSFETs include n-channel enhancement type MOSFETs and n-channel depletion type MOSFETs. The enhancement MOSFET is generally designated by the numeral 10 in FIG. 1A. The highly conductive source region S and drain region D contain n-type silicon (ie, silicon atoms with atomic impurities or “dopants” to add excess free negative charge) and are isolated p-type S.
It is separated by the i-channel 12 and the substrate 14, which contains suitable dopants for adding excess free positive charge. A metal electrode known as the gate G is provided, which is insulated from the substrate 14 by a thin oxide layer 16 (eg SiO 2 ). When the bias voltage V gate applied between the gate G and the substrate 14 does not exist, the p-type channel 12 functions as an insulator, so that a current flows between the source region S and the drain region D. It is not possible. In digital electronics this corresponds to the "OFF" state of the device. When a positive potential is applied to the gate G, electrons flow into the channel 12 and basically the source region S and the drain region D
An n-type doped conductive path 18 is created between and. This corresponds to the "on" state.
【0004】
「ノーマリー・オフ」型トランジスタのこの振る舞いは、薄いn型チャネル2
2がソース領域Sとドレイン領域Dとの間で酸化物層16の下に挿入された図1
Bにおいて符号20で示されたnチャネル空乏型MOSFETの振る舞いと対比
できる。こちらの「ノーマリー・オン」型トランジスタでは、印加されるゲート
バイアスが存在しない場合に、導電性通路がソース領域Sとドレイン領域Dとの
間に存在する。負電位がゲートGに与えられると、電子がチャネル22から押し
出される。これによってチャネル22にP型の(絶縁)特質が与えられ、ソース
領域Sとドレイン領域Dとの間の電流通路が消滅する。pチャネルMOSFET
として知られている類似のデバイスは、n型材料とp型材料を交換することによ
って構成することができる。さらに、nチャネル及びpチャネルエンハンスメン
ト型MOSFETは単一の集積回路チップ上に一体化され、相補型MOSFET
つまりCMOSを形成することができる。CMOSトランジスタの様々な組合せ
がコンピュータ演算の基礎となるNOT、AND、OR、XOR、及び他の論路
ゲートを構成するために使用することができる。This behavior of “normally off” type transistors is due to the thin n-type channel 2
2 is inserted below the oxide layer 16 between the source region S and the drain region D.
This can be compared with the behavior of the n-channel depletion type MOSFET indicated by reference numeral 20 in B. In this "normally on" type transistor, a conductive path exists between the source region S and the drain region D in the absence of an applied gate bias. When a negative potential is applied to the gate G, electrons are pushed out of the channel 22. This provides channel 22 with a P-type (insulating) character and eliminates the current path between source region S and drain region D. p-channel MOSFET
Similar devices known as can be constructed by exchanging n-type and p-type materials. In addition, n-channel and p-channel enhancement type MOSFETs are integrated on a single integrated circuit chip to provide complementary MOSFETs.
That is, a CMOS can be formed. Various combinations of CMOS transistors can be used to form the NOT, AND, OR, XOR, and other logic gates that underlie computer operations.
【0005】
MOSFETの第2の重要な機能は信号増幅である。トランジスタにおける増
幅は、電子がチャネル領域の強電場中を通過する際の電子の加速に起因するもの
である。これにより信号はコンピュータ回路を強度を損なうことなく伝達するこ
とが可能となる。The second important function of MOSFETs is signal amplification. The amplification in the transistor is due to the acceleration of the electrons as they pass through the strong electric field in the channel region. This allows the signal to travel through the computer circuitry without loss of strength.
【0006】
FET技術によってもたらされる重要な利点と機能は、化学生物センサ(chem
ical and biological sensors)あるいは「バイオセンサ(biosensors)」の分
野の改良につながった。これらの発展は、スピンラベルのみならず、アイソトー
プラベル、蛍光ラベル、生物発光ラベル及び酵素ラベルといった従来の化学的ま
たは生物学的ラベリング法が一定の不利点を有するという認識に一部基づいてい
る。一般に、ラベリング技術は高度の感度と特異性(あるいは選択性)を有して
おらず、小型化に適していない。[0006] The important advantages and capabilities afforded by FET technology are:
It has led to improvements in the field of ical and biological sensors or “biosensors”. These developments are partly based on the recognition that conventional chemical or biological labeling methods such as isotope labels, fluorescent labels, bioluminescent labels and enzyme labels, as well as spin labels, have certain disadvantages. Generally, labeling technology does not have high sensitivity and specificity (or selectivity), and is not suitable for miniaturization.
【0007】
したがって、従来のFETタイプのデバイスから組立てられる多くのタイプの
バイオセンサ(biosensors)が開発された。Dandekar氏へ付与された米国特許第
4,777,019号は生物学的物質(biological material)を検出または測
定するために生物化学信号(biological chemical signal)を電子信号に変換す
るデバイスの一例である。Dandekarのデバイスでは、アデニン(adenine)でド
ープされた(窒化シリコンまたは酸化シリコンといった)半導体材料の塊からで
きた生物層(biological layer)がFETの被絶縁ゲート層の最上部に提供され
た。それぞれのアデニン分子に付随するその2つの水素結合ブリッジはチミン(
thymine)分子とペアになることができ、従ってデバイスはチミンの存在と濃度
を検出するために溶剤中に設置されてよい。チミンとペアになったアデニンの静
電場はペアになっていないアデニンの静電場と異なっており、静電場の違いはF
ETの導電率を変化させて、FETを流れるソース・ドレイン電流を変化させる
。更に、ポリ−ウラシル−mRNA(poly-Uracil-mRNA)といった高分子はアデ
ニンの場所に結合して、デバイスは溶剤中のDNA種を検出することができる。Therefore, many types of biosensors have been developed that can be assembled from conventional FET type devices. US Pat. No. 4,777,019 to Dandekar is an example of a device that converts a biological chemical signal into an electronic signal for detecting or measuring a biological material. . In Dandekar's device, a biological layer made of a mass of semiconductor material (such as silicon nitride or silicon oxide) doped with adenine was provided on top of the insulated gate layer of the FET. The two hydrogen-bonding bridges associated with each adenine molecule are thymine (
thymine) molecule, so the device may be placed in a solvent to detect the presence and concentration of thymine. The electrostatic field of adenine paired with thymine is different from that of unpaired adenine, and the difference in electrostatic field is F
The conductivity of ET is changed to change the source / drain current flowing through the FET. In addition, macromolecules such as poly-Uracil-mRNA bind to adenine sites, allowing the device to detect DNA species in solvent.
【0008】
生物学的に活性な物質を分析するためのFETベースのバイオセンサはForres
t氏等に付与された米国特許第4,778,769号においても提供されている
。絶縁材の層から形成されたゲート絶縁体がp型シリコン基板上に配置される。
p型基板はソース領域とドレイン領域となるn型シリコンの2つの拡散領域を含
む。ゲート電極はそのゲート絶縁体上に配置される。分析によって探し求められ
るリガンド(ligand)に対する特異結合パートナ(specific binding partner)
として知られる所定量の作用物質がゲート電極上に固定される。ゲート電極がデ
バイスの閾値電位(VT)以下にあるとき、n型ソース領域からp型基板に電子
は全く通過することができないので、ソース領域とドレイン領域との間に電流は
殆ど流れることができない。ゲート電極電位(Vg)がVTより大きいとき、電場
がゲート絶縁体を通るように生成され、絶縁体/基板境界からの多数p型キャリ
アの斥力が引き起こされ、ソース領域とドレイン領域の間に負キャリアが支配す
る空乏領域が形成される。ソース領域とドレイン領域との間に電圧電位を印加す
ると、ドレイン電流が流れることになる。A FET-based biosensor for analyzing biologically active substances is Forres
It is also provided in US Pat. No. 4,778,769 issued to Mr. T. et al. A gate insulator formed of a layer of insulating material is disposed on the p-type silicon substrate.
The p-type substrate includes two diffusion regions of n-type silicon to be a source region and a drain region. The gate electrode is disposed on the gate insulator. Specific binding partner for the ligand sought by analysis
An amount of agent, known as, is immobilized on the gate electrode. When the gate electrode is below the threshold potential (V T ) of the device, no electrons can pass from the n-type source region to the p-type substrate, so almost no current can flow between the source and drain regions. Can not. When the gate electrode potential (V g ) is higher than V T , an electric field is generated through the gate insulator, causing repulsion of majority p-type carriers from the insulator / substrate boundary, and between the source region and the drain region. A depletion region in which negative carriers dominate is formed in the. When a voltage potential is applied between the source region and the drain region, the drain current will flow.
【0009】
電子変換器としてFETを利用する別のバイオセンサがOda氏等に付与された
米国特許第4,877,582号に開示されている。化学的あるいは生化学的受
容体がFETのゲート最上部に配置される。受容体には、膜(membranes)、抗
体(antibodies)あるいは微生物の上の固定化酵素(immobilized enzymes)が含
まれる。ある具体例として、ゲートにおいてアルブミン(albumin)とグルタル
アルデヒド(glutaraldehyde)によって固定されたウレアーゼが尿素(urea)の
存在を検出するために利用される。Another biosensor utilizing a FET as an electronic converter is disclosed in US Pat. No. 4,877,582 to Oda et al. A chemical or biochemical receptor is placed on top of the gate of the FET. Receptors include membranes, antibodies or immobilized enzymes on microorganisms. In one embodiment, urease immobilized at the gate with albumin and glutaraldehyde is used to detect the presence of urea.
【0010】
Hanazato氏等に付与された米国特許第4,894,339号も半導体センサと
関連させた固定化酵素膜(immobilized enzyme membrane)の使用を開示してい
る。
その酵素膜は、酵素としてグルコースオキシダーゼ(glucose oxidase)を含む
水溶液、ポリビニルピロリドン(polyvinyl pyrrolidone)と2,5bis(4'-a
zide-2'-sulfobenzal)シクロペンタノンナトリウム塩(2,5-bis (4'-azide-2'-s
ulfobenzal) cyclopentanone sodium salt)を含む水溶性の感光性樹脂、そして
ウシ血清アルブミン(bovine serum albumin)で下地(base)を被覆することに
よって生成される。次に乾燥した被覆の一部は光架橋を導入するために紫外光に
よって照射され、機械的強度の増強のために化学的架橋を導入するためにグルタ
ルアルデヒドで処理される。センサは、エポキシ樹脂ボード上に、水素イオン感
応性被絶縁ゲートFET、つまり、pH−ISFETチップで2つのpH−IS
FETを含むもの、を取り付けることによって構成される。この酵素膜はpH−
ISFETのいずれかの上に配置され、参照電極が提供される。導線によって測
定回路との交信が実現される。US Pat. No. 4,894,339 to Hanazato et al. Also discloses the use of an immobilized enzyme membrane in association with a semiconductor sensor. The enzyme membrane consists of an aqueous solution containing glucose oxidase as an enzyme, polyvinyl pyrrolidone and 2,5 bis (4'-a).
zide-2'-sulfobenzal) cyclopentanone sodium salt (2,5-bis (4'-azide-2'-s
It is produced by coating the base with a water-soluble photosensitive resin containing ulfobenzal) cyclopentanone sodium salt) and bovine serum albumin. A portion of the dried coating is then irradiated with UV light to introduce photocrosslinking and treated with glutaraldehyde to introduce chemical crosslinking for enhanced mechanical strength. The sensor is a hydrogen ion sensitive insulated gate FET, that is, a pH-ISFET chip with two pH-IS, on an epoxy resin board.
It is configured by attaching a device including a FET. This enzyme membrane has a pH-
Located on either of the ISFETs, a reference electrode is provided. Communication with the measuring circuit is realized by means of the wires.
【0011】
Hampp氏等に付与された米国特許第5,039,390号はFETのゲートに
結合した化学的感応性膜を含む化学センサの別の例である。選ばれた膜に依存し
て、デバイスはイオン、ガス、酵素、抗体や坑原、あるいは水素化物形成DNA
/RNA基(hydride-forming DNA/RNA groups)に敏感となる。US Pat. No. 5,039,390 to Hampp et al. Is another example of a chemical sensor that includes a chemically sensitive film bonded to the gate of a FET. Depending on the membrane chosen, the device can be an ion, gas, enzyme, antibody or well, or hydride-forming DNA.
/ Sensitive to hydride-forming DNA / RNA groups.
【0012】
多種多様な化学物質と生物学的物質を同時に検出することができるセンサシス
テムは国際公開番号WO93/08464(国際出願番号PCT/US92/0
8940)に開示されている。FETベースのデバイスのアレイが、較正及び関
連回路と一緒に単一基板上に取り付けられる。それぞれのデバイスには異なるタ
イプの物質を測定するように構成された、別々の特定の受容体が与えられる。A sensor system capable of simultaneously detecting a wide variety of chemical substances and biological substances is disclosed in International Publication No. WO93 / 08464 (International Application No. PCT / US92 / 0).
8940). An array of FET-based devices is mounted on a single substrate with calibration and associated circuitry. Each device is provided with a separate and specific receptor configured to measure different types of substances.
【0013】
Hollis氏等に付与された米国特許第5,653,939号も、それぞれ特定の
目標分子を検出するように構成された特定のプローブまたは受容体を含むFET
ベースのデバイスのアレイを含むシステムを開示している。US Pat. No. 5,653,939 issued to Hollis et al. Also includes FETs each including a particular probe or receptor configured to detect a particular target molecule.
Disclosed is a system that includes an array of base devices.
【0014】
上記述したようなFETベースの化学生物センサ(chemical and biological
sensors)は多種多様な用途に有用であることが証明されている。不幸にも、化
学的生物学的変換のためのデバイスとしての有用性の更なる改良は基礎をなすF
ET技術と同程度に制限される。MOSFETデバイスは、低動作電圧(例えば
0.1V)、低電力消費、高速度、微細化の容易性を含むいくつかの理由からコ
ンピュータ技術を席巻してきた。過去において、MOSFETは各構成部分(つ
まりチャネル、ソース、ドレイン、導線など)を一定の比率によって縮小させて
、それまでのように動作させながら微細化が可能であった。フォトリソグラフィ
の限界が急速に近づくにつれ、回路密度を継続的に増大させるには、トランジス
タの設計、製造、動作の形態に、かなり劇的な変化が必要だということが明らか
になってきている。こういうMOSFETの動作原理が、サイズが100nm以
下にまで減少したときにそのまま縮尺できる(scale)かどうか全く定かではな
い。トランジスタのnpn領域が縮小するにつれ、電子のフローを制御する能力
は電子がただnpn境界を通ってトンネルする量子力学的確率に支配される。さ
らに、トランジスタ密度が増大するにつれ、一電子が隣接するトランジスタをト
ンネルする確率が増大する。これらのトンネリングのプロセスによってデータ処
理や記憶にエラーが生じる。MOSFETのサイズが減少するにつれ、どの2つ
のトランジスタも同一の電気特性を備えるように製作する能力が損なわれる(つ
まりどの2つのトランジスタにおいても特定のドーパント濃度を実現することが
難しくなる)ということも関心事である。現在、多くの用途に対するよりよいア
プローチは、量子物理法則の効果を利用しようとするというよりは、むしろ回避
することである。A FET-based chemical and biological sensor as described above.
sensors) have proven useful in a wide variety of applications. Unfortunately, further improvement of its utility as a device for chemical-biological transformations is based on the F
Limited to the same extent as ET technology. MOSFET devices have dominated computer technology for several reasons including low operating voltage (eg 0.1V), low power consumption, high speed, and ease of miniaturization. In the past, MOSFETs have been able to be miniaturized by reducing each component (that is, channel, source, drain, conducting wire, etc.) at a fixed ratio and operating as before. As the limits of photolithography rapidly approach, it is becoming apparent that continued increases in circuit density require fairly dramatic changes in the design, manufacture, and operation of transistors. It is not entirely clear whether the operating principle of such a MOSFET can be scaled as it is when the size is reduced to 100 nm or less. As the npn region of a transistor shrinks, the ability to control the flow of electrons is dominated by the quantum mechanical probability that the electrons will only tunnel through the npn boundaries. Moreover, as the transistor density increases, the probability that one electron will tunnel through an adjacent transistor increases. These tunneling processes cause errors in data processing and storage. As the size of a MOSFET decreases, the ability to fabricate any two transistors to have the same electrical characteristics is compromised (ie, it becomes difficult to achieve a particular dopant concentration in any two transistors). It is of interest. Currently, a better approach for many applications is to avoid rather than try to exploit the effects of quantum physics.
【0015】
一つのこうしたアプローチは、デジタル情報を送信するためのバルク電流デバ
イスの代替として単一電子ナノエレクトロニクスに基づくデバイスを開発するこ
とであった。これまでこのアプローチは、化学的な変換ではなくデジタル情報を
処理するための方法を改良する目的のためにだけに追求されてきた。興味がある
のは、ナノメータサイズの金属粒子あるいは半導体粒子(ナノクラスタ(nanocl
usters)、金属アイランド(metal islands)、金属ドット(metal dots)、あ
るいは量子ドット(quantum dots)などとも呼ばれる)を用いて単一の電子の流
れに基づいて動作するトランジスタ、つまり単一電子トンネリング理論に基づい
て動作する単一電子トランジスタ(「SET(single electron transistors)
」)を作製することである。SETは原理的には従来のFETに類似している。
しかしながらSETでは、金属アイランドにおける電子を一つずつ相関転送(co
rrelated transfer)することは、単一電子によってアイランドを帯電するため
に必要なエネルギー(e2/CT、ここで「e」は電子の電荷、CTは全アイラン
ドの容量)が熱エネルギー(kT)によって供給されるエネルギーと比べて比較
的大きいときに起きる。このようにSETにおける論理演算はナノメーターサイ
ズのドットを用いた単一電子のトンネリングに基づく。One such approach has been to develop devices based on single electron nanoelectronics as an alternative to bulk current devices for transmitting digital information. Heretofore, this approach has been pursued solely for the purpose of improving methods for processing digital information rather than chemical transformations. I am interested in nanometer-sized metal particles or semiconductor particles (nanocluster (nanocl
usters), metal islands, metal dots, or quantum dots) that operate on the basis of a single electron flow, ie, single-electron tunneling theory. Single electron transistors (“SET (single electron transistors)”
)). SET is in principle similar to conventional FETs.
However, in SET, the electrons in the metal island are transferred one by one (co
Rrelated transfer means that the energy required to charge the island by a single electron (e 2 / C T , where “e” is the electric charge of the electron and C T is the capacity of the entire island) is thermal energy (kT). ) Occurs when it is relatively large compared to the energy supplied by. Thus, the logical operation in SET is based on single-electron tunneling using nanometer-sized dots.
【0016】
従来の電子素子に関しては、単一電子電荷の離散性は巨視的レベルにおいて重
要ではない。例えば、バッテリに結合した巨視的コンデンサーは一つのプレート
上で固定正電荷イオンから電子を変位させて、それらを誘電材料を介して第2の
プレートまで伝えることによって帯電される。バッテリがこの作業を実行するた
めに必要なこの仕事は次式(1)によって与えられる。
W=q2/2C
ここでq=neは蓄積した全電荷、「e」は単一電子の電荷、そしてCは(静電
)容量である。ピコファラド(pF)の容量と、例として100mVの印加電圧
電位とをもつような典型的なコンピュータのコンデンサーでは、全電荷は数百万
個の電子が存在するであろう。重要なことは、もしコンデンサーの接合が十分に
薄く、単一の電子が一つのプレートから別のプレートへトンネルすることができ
たなら、帯電電位に対する観測可能な効果は全く存在しないであろう。従ってコ
ンデンサーが帯電されると電子は整数値に拘束されるけれども、巨視的デバイス
においては電子の「粒子性」は明白ではない。For conventional electronic devices, the discrete nature of the single electron charge is not important at the macroscopic level. For example, a macroscopic capacitor coupled to a battery is charged by displacing electrons from fixed positively charged ions on one plate and transmitting them through a dielectric material to a second plate. This work required for the battery to perform this work is given by equation (1) below. W = q 2 / 2C where q = ne is the total charge stored, “e” is the charge of a single electron, and C is the (electrostatic) capacitance. In a typical computer capacitor with a picofarad (pF) capacitance and an applied voltage potential of, for example, 100 mV, the total charge would be millions of electrons. Importantly, if the capacitor junction were thin enough that a single electron could tunnel from one plate to another, there would be no observable effect on the charge potential. Thus, when the capacitor is charged, the electrons are constrained to an integer value, but in macroscopic devices the "particle nature" of the electrons is not apparent.
【0017】
他方、もし接合容量が小さく(<−10-18F)、かつ抵抗が高ければ、回路
における単一電子の帯電エネルギーとトンネリングはコンデンサーの電流・電圧
(I−V)特性に影響を与えることができる。例えば、図2は、符号30によっ
て大体示されているような、バルク金属・絶縁体・ナノクラスタ・絶縁体・バル
ク金属型二重トンネル接合(bulk metal-insulator-nanocluster-insulator-bul
k metal double-tunnel junction)、あるいは「MINIM」若しくは「MID
IM」を含むデバイスを示している。(本開示において、用語「クラスタ」と「
粒子」は直径約50nm未満の半導体粒子と金属粒子の両方を記述するために交
換可能に使用される。)一般に、絶縁材の層32(半導体であり得る)は2つの
金属領域または電極34,36の間に配置される。金属ナノ粒子またはナノクラ
スタQDは絶縁層32中に配置される。第一、第二の絶縁接合J1、J2は、ナノ
クラスタQDのいずれかの側方に実効的に定められる。MINIM30が外部電
圧源Vextによってバイアスされると、MINIM30またはナノクラスタコン
デンサーが帯電されるにつれ通常とは大きく異なった電流応答が観測される。図
4に示されているように電流のステップが観測され、ステップは何百ミリボルト
もにもわたることがある電圧プラトーによって分けられる。この応答はクーロン
階段として知られている。それぞれの電流ステップはナノクラスタQDへの単一
電子の付加に対応する。On the other hand, if the junction capacitance is small (<−10 −18 F) and the resistance is high, the charging energy and tunneling of a single electron in the circuit will affect the current-voltage (IV) characteristics of the capacitor. Can be given. For example, FIG. 2 illustrates bulk metal-insulator-nanocluster-insulator-bulk metal-insulator-nanocluster-insulator-bulk, generally indicated by the numeral 30.
k metal double-tunnel junction), or "MINIM" or "MID"
2 shows a device that includes an "IM". (In this disclosure, the terms “cluster” and “
"Particle" is used interchangeably to describe both semiconductor particles and metal particles less than about 50 nm in diameter. ) Generally, a layer 32 of insulating material (which may be a semiconductor) is disposed between two metal regions or electrodes 34,36. The metal nanoparticles or nanoclusters QDs are arranged in the insulating layer 32. The first and second insulating junctions J 1 and J 2 are effectively defined on either side of the nanocluster QD. When the MINIM 30 is biased by an external voltage source V ext , a significantly different current response is observed as the MINIM 30 or nanocluster capacitors are charged. As shown in FIG. 4, current steps are observed and the steps are separated by a voltage plateau that can span hundreds of millivolts. This response is known as the Coulomb stairs. Each current step corresponds to the addition of a single electron to the nanocluster QD.
【0018】
半古典的アプローチにおいて、図3Aに示されているように、MINIM30
は、直列に配置され理想電圧源Vextによって駆動される静電容量と抵抗C1、R 1
、とC2、R2を有する2つのコンデンサーとして扱われる。(用語「理想」は
ここでは瞬間的に電荷を配送できるゼロの内部抵抗を有するバッテリを記述する
ために使用される。)このシステムの状態はそれぞれの接合J1、J2にわたる電
圧降下(V1、V2)と、ナノクラスタQD上の電子数Q0とよって記述される。
そのときこのシステムのダイナミクスは、一個の電子が最初の接合J1および/
または第二の接合J2をトンネルしてQ0を変化させる確率によって記述される(
つまり確率アプローチ)。これらのトンネル事象は、電子がバルク金属または電
極34から第1の接合J1を経由してナノクラスタQDにトンネルする際のその
各電子のエネルギーの変化に依存する。[0018]
In the semi-classical approach, as shown in Figure 3A, MINIM30
Are arranged in series and ideal voltage source VextCapacitance and resistance C driven by1, R 1
, And C2, R2Are treated as two capacitors with. (The term "ideal" is
Here we describe a battery with zero internal resistance that can deliver charge instantaneously.
Used for. ) The state of this system is for each joint J1, J2Electric power
Pressure drop (V1, V2) And the number of electrons Q on the nanocluster QD0It is described by.
Then the dynamics of this system is that one electron is the first junction J1and/
Or the second joint J2Tunnel through Q0Is described by the probability of changing (
That is, the probability approach). These tunnel events occur when electrons are bulk metals or
From pole 34 to first junction J1When tunneling to the nanocluster QD via
It depends on the change in energy of each electron.
【0019】
当業者がもっと良く理解するために、この依存性は、外部バイアスが印加され
る前にMINIM30が電極34,36と接触するように置かれたときにそれに
起こることを議論することによって理論的に定量化できる。電極34と電極36
とナノクラスタQDとのフェルミ準位は電子が電極34,36からナノクラスタ
QDにトンネルすることによって揃おうとする。一般に、フェルミ準位は正確に
揃うことはできないが、しかし一つ以上の電子分だけエネルギーがずれることに
なるだろう。これは電荷の離散性と接合領域に存在する不純物よるものである。
しかしながら単純化された定量化を実現する目的のために、この揃い方が完全で
、量子力学的エネルギー準位同士は静電気的エネルギー同士よりエネルギー的に
近づいていると仮定することができる。フェルミ準位の揃い方のズレは以下説明
される数式(8)に電圧オフセット項を加えることによって説明できる。同じく
、この量子力学的エネルギー準位に関する仮定は直径約5nmより大きな金属粒
子に対して有効である。しかしながら半導体粒子はこれよりずっと大きなサイズ
において量子効果を示す。最後に、接合J1、J2の抵抗(R>h/e2)は電子
が接合の一端あるいはもう一方の端に局所化されるほど非常に大きいことが仮定
される。For those skilled in the art to understand better, this dependency is discussed by discussing that this occurs when MINIM 30 is placed in contact with electrodes 34, 36 before an external bias is applied. It can be quantified theoretically. Electrode 34 and electrode 36
And the Fermi level of the nanocluster QD try to be aligned by the electrons tunneling from the electrodes 34 and 36 to the nanocluster QD. In general, the Fermi levels cannot be aligned exactly, but the energy will be offset by one or more electrons. This is due to the discrete nature of the charges and the impurities present in the junction region.
However, for the purpose of achieving a simplified quantification, it can be assumed that this alignment is perfect and that the quantum mechanical energy levels are energetically closer than the electrostatic energies. The deviation of the Fermi level alignment can be explained by adding a voltage offset term to the equation (8) described below. Similarly, this quantum mechanical energy level assumption is valid for metal particles larger than about 5 nm in diameter. However, semiconductor particles exhibit quantum effects at much larger sizes. Finally, it is assumed that the resistance of the junctions J 1 , J 2 (R> h / e 2 ) is so great that electrons are localized at one or the other end of the junction.
【0020】
系が静電気的に平衡状態にあるとき、ある電位が電圧源Vextによって印加さ
れ、n個の電子が接合J1の薄い絶縁障壁を経由してナノクラスタQDにトンネ
ルする。値nは印加ポテンシャル(あるいは印加エネルギー)の関数であること
を見出すことができる。このプロセスをエネルギーによって記述するため、量Δ
E1=Ef−Ejを得るために局所化アプローチ(localized approach)が採用さ
れる。ΔE1は電子のトンネリングの前(Ej)と後(Ef)の接合J1のエネルギ
ーの差である。この量は、ナノクラスタQD上に一つの電子を置くために外部電
圧源Vextによって供給されなければならないエネルギーを表す。図3Bを参照
して説明すると、その初期状態はn個の電子が帯電した接合J1のエネルギーで
ある。このエネルギーは数式(2)によって与えられる。
Ej=(ne)2/2CT
ここで、「e」は単一電子の電荷、CT=C1+C2は全クラスタ容量、すなわち
第一の接合J1をトンネルする際に一個の電子が「見る」容量である。最終のエ
ネルギー状態EfはナノクラスタQD上に一個の電子が存在する系のエネルギー
である。一個の電子をナノクラスタQD上に置くことによって、電位はV1だけ
低下して、分極電荷が回路を流れる。結果、バッテリVextはeV1の仕事をして
一個の電子を第二の電極36から第一の電極34にもたらす。クラスタ電荷を一
個の電子だけ帯電させることに付随するエネルギーは、次の数式(3)で得られ
る。
Ef=eV1+[(Q0−e)2/2CT]When the system is electrostatically in equilibrium, a potential is applied by the voltage source V ext and n electrons tunnel into the nanocluster QD via the thin insulating barrier at the junction J 1 . It can be found that the value n is a function of the applied potential (or applied energy). Since this process is described by energy, the quantity Δ
A localized approach is taken to obtain E 1 = E f −E j . ΔE 1 is the energy difference between the junction J 1 before (E j ) and after (E f ) tunneling of electrons. This quantity represents the energy that must be supplied by the external voltage source V ext to place an electron on the nanocluster QD. Explaining with reference to FIG. 3B, the initial state is the energy of the junction J 1 charged with n electrons. This energy is given by equation (2). E j = (ne) 2 / 2C T where “e” is the charge of a single electron, C T = C 1 + C 2 is the total cluster capacity, ie one electron when tunneling through the first junction J 1. Is the capacity to "see". The final energy state E f is the energy of the system in which one electron exists on the nanocluster QD. By placing an electron on the nanocluster QD, the potential drops by V 1 and the polarization charge flows through the circuit. As a result, the battery V ext does the work of eV 1 and brings one electron from the second electrode 36 to the first electrode 34. The energy associated with charging the cluster charge with only one electron is given by equation (3) below. E f = eV 1 + [(Q 0 −e) 2 / 2C T ]
【0021】
数式(3)の第二項を展開して、数式(2)を差し引くと、次の数式(4)が
得られる。
Ef−Ei=eV1−(Q0e/CT)+(e2/2CT)By expanding the second term of Expression (3) and subtracting Expression (2), the following Expression (4) is obtained. E f -E i = eV 1 - (Q 0 e / C T) + (e 2 / 2C T)
【0022】
系のエネルギーはクラスタ電荷の変化と電圧源Vextによってなされる仕事に
よって完全に記述される。バッテリあるいはポテンシオスタットによって印加さ
れなければならない外部電圧を計算するために、V1とVextの関係が必要である
。最初に、電荷保存則は数式(5)を与える。
C1V1=C2V2 The energy of the system is completely described by the change in cluster charge and the work done by the voltage source V ext . The relationship between V 1 and V ext is needed to calculate the external voltage that must be applied by the battery or potentiostat. First, the law of conservation of charge gives equation (5). C 1 V 1 = C 2 V 2
【0023】 次にキルヒホフのループ則が数式(6)を与える。 Vext=V1+V2 Next, Kirchhoff's loop law gives equation (6). V ext = V 1 + V 2
【0024】 数式(5)と数式(6)を組み合わせると、数式(7)が得られる。 V1=C2Vext/CT By combining the equations (5) and (6), the equation (7) is obtained. V 1 = C 2 V ext / C T
【0025】 そして最終的に数式(8)が得られる。 ΔE1=(eC2Vext/CT)−(eQ0/CT)+(e2/2CT)Finally, Equation (8) is obtained. ΔE1 = (eC 2 V ext / C T ) − (eQ 0 / C T ) + (e 2 / 2C T )
【0026】
数式(8)の第一項は一個の電子がナノクラスタQDをトンネルしてしまった
後にV1を維持するために電圧源Vextによってなされた仕事である。第二項と
第三項は単一電子の帯電効果を表す。第二項は、一個以上の電子がすでにナノク
ラスタQD上に存在している場合に一個の電子をトンネルさせるために必要な追
加的な仕事である。この項は、電圧が増加するごとにn個より多くの電子がクラ
スタにトンネルするのを防止するために必要な電圧帰還を与える。ここでnはス
テップ数である(例えば図4における1e-、2e-、・・・等)。すでに説明し
た、単一の電子に気付くことが無かった巨視的なスケールの場合とは対照的に、
デバイス30といったナノスケールコンデンサーを介しての単一電子の移動によ
って回路に実質的なエネルギー変化を生じる。これは許された数(n)の電子よ
り多くの電子が同時にナノクラスタQD上に存在することを防止する。The first term in equation (8) is the work done by the voltage source V ext to maintain V 1 after one electron has tunneled through the nanocluster QD. The second and third terms represent the charging effect of a single electron. The second term is the additional work required to tunnel a single electron when it already exists on the nanocluster QD. This term provides the voltage feedback necessary to prevent more than n electrons from tunneling into the cluster as the voltage increases. Here, n is the number of steps (for example, 1e − , 2e − , ... In FIG. 4). In contrast to the macroscopic scale, which we haven't noticed a single electron before,
The movement of a single electron through a nanoscale capacitor, such as device 30, causes a substantial energy change in the circuit. This prevents more than the allowed number (n) of electrons from being on the nanocluster QD at the same time.
【0027】
図4に示された電流の階段現象は、接合J1の許された電圧変化ΔV>0を考
慮することによって説明できる。もしこれが当てはまらなければ、電子は、それ
がきたところまで、すぐにトンネルして戻ってしまうだろう。したがって、数式
(9)が成立する。
Vext>Q0/C2−e/2C2 The current staircase phenomenon shown in FIG. 4 can be explained by considering the allowed voltage change ΔV> 0 at the junction J 1 . If this is not the case, the electron will soon tunnel back to where it came. Therefore, the formula (9) is established. V ext > Q 0 / C 2 -e / 2C 2
【0028】
初期に中性であるナノ粒子(Q0=0)の場合には、電流が回路を流れる前に
外部電圧e/2C2が必要とされる。この現象はクーロンギャップ(Coulomb gap
)あるいはクーロンブロケード(Coulomb blockade)と呼ばれている。この電圧
に達すると、単一電子はナノクラスタQDまでトンネルする。電子はいつまでも
ナノクラスタQD上に残ってはいないが、しかし迅速に次の接合J2を経由して
トンネルオフする(比R2C2/R1C1に依存して約100psで)。しかしなが
ら、追加の電子がナノクラスタQDに同時にトンネルするのを防止するために必
要とされる電圧帰還を与えるには十分長く残る。こうして、単一電子の連続的な
電流l=e/2R2CTがその回路を流れる(因子e/RCは電荷/時間の単位を
含む)。ナノクラスタQD上に置かれたそれぞれの追加電子は、電圧でe/C2
をそのまま必要とする。これによって図4に示された電流階段現象における全体
的な1/2、3/2、5/2などの電圧増分が導かれる(前のステップより後に
ある電流ステップの大きさは、それぞれe/R2C2)。In the case of nanoparticles that are initially neutral (Q 0 = 0), an external voltage e / 2C 2 is required before current can flow through the circuit. This phenomenon is called Coulomb gap
) Or Coulomb blockade (Coulomb blockade) is called. When this voltage is reached, a single electron tunnels to the nanocluster QD. The electrons do not remain on the nanocluster QD indefinitely, but quickly tunnel off via the next junction J 2 (at about 100 ps depending on the ratio R 2 C 2 / R 1 C 1 ). However, it remains long enough to provide the voltage feedback needed to prevent additional electrons from tunneling to the nanocluster QD simultaneously. Thus, a continuous current l = e / 2R 2 C T single electrons flowing through the circuit (factor e / RC comprises units of charge / hour). Each additional electron placed on the nanocluster QD has a voltage e / C 2
Need as is. This leads to an overall voltage increment of 1/2, 3/2, 5/2, etc. in the current step phenomenon shown in FIG. 4 (the magnitude of the current step after the previous step is e / R 2 C 2 ).
【0029】
MINIM30の設計に関して、接合容量と抵抗は最適化されなくてはならな
い。シミュレーションによるMINIMのI−V曲線は、最も鋭いステップが、
C2とR2≫C1とR1に対して観測されることを示している。C2/C1とR2/R1
が1に近づくと、0Vにおいてはゼロ電流のプラトーのままであるが、しかし電
流ステップは消滅する。もし接合J1とJ2に対するRとCが等しければ、電子は
同じ割合で接合J1とJ2をトンネルするだろう。こうして電流ステップを見るた
めに要求される電圧帰還は損なわれる。不幸にも、接合の厚みが増大するとCが
減少するがRが増大するので、これらの比は異なった誘電特性を備えた材料から
接合を構築することによってのみ最適化が可能である。With respect to the design of MINIM 30, the junction capacitance and resistance must be optimized. In the MINIM IV curve by simulation, the sharpest step is
C 2 and R 2 >> are shown to be observed for C 1 and R 1 . As C 2 / C 1 and R 2 / R 1 approach 1, the zero current plateau remains at 0 V, but the current step disappears. If R and C for junctions J 1 and J 2 are equal, the electrons will tunnel junctions J 1 and J 2 at the same rate. Thus the voltage feedback required to see the current step is compromised. Unfortunately, as the bond thickness increases, C decreases but R increases, so these ratios can only be optimized by constructing the bond from materials with different dielectric properties.
【0030】
熱効果はもう1つの重大な設計検討課題である。SETは量子ドットとして多
結晶シリコンあるいはポリアセチレンを使用して構築されてきた。こうしたデバ
イスは、SET現象を作り出すために4Kまで冷却されなければならないので、
実用的ではない。熱で活性化されたトンネリングプロセスを避けるために、e/
2C2≫kTでなくてはならない。Tが増大するにつれ、単一電子の電流ステッ
プが徐々にかき消され、オーミックな応答(つまり線形のI−V曲線)が観測さ
れる。一般に、SETの室温動作には、直径約12nm未満、好ましくは10n
m未満のナノ粒子を使用して、分子レベルまでのトランジスタ小型化が要求され
る。このようなデバイスはセルフアセンブリ法(self-assembly methods)、つ
まりリソグラフィ系とは反対の液層からの化学相互作用による集合(アセンブリ
)、を使用してよりうまく構築される。Smith氏に付与された米国特許第5,4
20,746号には、純炭素原子のクラスタ、フラーレン(C60)、が量子ドッ
トして提供された室温において動作可能なSETデバイスが開示されている。こ
のデバイスは2つの導電層の間に配置された(二酸化シリコンといった)絶縁材
の層から成る。その絶縁層の中に一つ以上のフラーレンが配置されている。次に
このデバイスは導線を導電層に接続することによってバッテリによってバイアス
される。上記デバイスは、十分に小さい二重障壁トンネル構造として機能するの
で、各フラーレンがどんなトンネル電流もクーロンブロケード効果を経験する。
低バイアス(一定の臨界閾値電圧を下回る)の下では、フラーレンの帯電電圧が
その印加バイアスよりも大きいので、電流は一切流れないことになる。すなわち
、クーロンブロケード効果(Coulomb blockade effect)は電子がフラーレンに
向かって絶縁材を通ってトンネルするのを阻止する。臨界電圧が得られると、一
個の電子は第一の導電層を離れて、絶縁材を通ってフラーレンへとトンネルする
。次いでその電子はフラーレンを出て、絶縁材を通って第二の導電層へのトンネ
ルを続ける。フラーレン上へ二個の電子を帯電させる帯電電圧は単一電子の帯電
電圧よりも大きい。従って、もしデバイスに印加される電圧が単一電子の帯電電
圧以上で二個の電子の帯電電圧未満に維持されるならば、一度にただ一個の電子
がフラーレン上に存在することになる。この振る舞いの結果として、デバイスは
実質的に階段状の電流・電圧曲線(I−V特性)を有するはずである。Thermal effects are another significant design consideration. SETs have been constructed using polycrystalline silicon or polyacetylene as quantum dots. Since these devices must be cooled to 4K to create the SET phenomenon,
Not practical. To avoid the heat activated tunneling process, e /
2C 2 >> kT must be satisfied. As T increases, the single-electron current step is gradually extinguished and an ohmic response (ie, a linear IV curve) is observed. Generally, room temperature operation of the SET is less than about 12 nm in diameter, preferably 10 n.
Transistor miniaturization down to the molecular level is required using nanoparticles of less than m. Such devices are better built using self-assembly methods, that is, assembly by chemical interaction from a liquid layer opposite the lithographic system. US Pat. No. 5,4 granted to Smith
No. 20,746 discloses a SET device capable of operating at room temperature provided with a cluster of pure carbon atoms, fullerene (C 60 ), as quantum dots. The device consists of a layer of insulating material (such as silicon dioxide) located between two conductive layers. One or more fullerenes are disposed in the insulating layer. The device is then biased by the battery by connecting the conductor to a conductive layer. The device acts as a sufficiently small double barrier tunnel structure so that each fullerene experiences the Coulomb Brocade effect at any tunnel current.
Under low bias (below a certain critical threshold voltage), the fullerene charging voltage will be greater than its applied bias, and no current will flow. That is, the Coulomb blockade effect blocks electrons from tunneling through the insulation towards the fullerene. When the critical voltage is reached, an electron leaves the first conductive layer and tunnels through the insulating material to the fullerene. The electron then exits the fullerene and continues to tunnel through the insulating material to the second conductive layer. The charging voltage that charges two electrons onto the fullerene is greater than the charging voltage of a single electron. Thus, if the voltage applied to the device is maintained above the charging voltage of a single electron and below the charging voltage of two electrons, then only one electron will be present on the fullerene at a time. As a result of this behavior, the device should have a substantially stepped current-voltage curve (IV characteristic).
【0031】
MOSFETの機能性をエミュレートするために、空間的にはっきり分ってい
るMINIM二重トンネル接合を有する三端子SETデバイスに、ナノ粒子近く
に配置されたゲート電極を提供することができる。ソースからドレインへの単一
電子の流れフローは、単一電子をナノ粒子からゲート電極を介して注入(または
除去)することによって制御できる。To emulate the functionality of a MOSFET, a three-terminal SET device with a spatially well-defined MINIM double tunnel junction can be provided with a gate electrode located near the nanoparticles. . The flow flow of single electrons from the source to the drain can be controlled by injecting (or removing) single electrons from the nanoparticles through the gate electrode.
【0032】
不幸にも、複雑なSET構造を製造するフォトリソグラフィ技術は約100n
mたらずの最小サイズ特徴(minimum size features)に限定される。同じく、
電子ビームリソグラフィは、5nmのオーダの特徴を作りこむことができるが、
高価で遅く、まだ容易に利用できるものではない。更に、比較的単純な金属蒸発
法によれば金属アイランドに10nmまで下がる特長を実現することができるが
、しかし金属アイランドの正確な配置や分散度は制御するのが難しい。リソグラ
フィや金属蒸発とは対照的に、液相での化学合成によればほとんど任意の大きさ
のクラスタを実現することができる。Unfortunately, photolithography techniques for producing complex SET structures are around 100n
Limited to minimum size features. Similarly,
E-beam lithography can create features on the order of 5 nm,
Expensive, slow, and not yet readily available. Further, the relatively simple metal evaporation method can realize the feature of down to 10 nm in the metal island, but it is difficult to control the exact arrangement and dispersity of the metal island. In contrast to lithography and metal evaporation, liquid-phase chemical synthesis can achieve clusters of almost arbitrary size.
【0033】
したがって、SETデバイスを製造するための今日までのところの最善のアプ
ローチは、液相において、化学的な指向性により、事前に設計した複合体の構造
へと材料を組織化させることとして定義されるセルフアセンブリである。化学合
成されたナノ粒子はSETコンポーネントとしていくつかの利点を与える。その
最も重要なものは小さなサイズである。金属及び半導体のナノ粒子は溶液中に数
十オングストローム以上という平均直径で準備できる。吸着した、あるいは共有
結合によって付着したリガンド(ligands)は、凝集体に対するスタビライザと
しての役割を果たすことができ、かつナノ粒子に化学的機能性を取り入れるため
に使用することができる。重要なことに、ナノ粒子は複数の絶縁薄膜の間に静電
気結合または共有結合の化学的性質によって固定することができる。Therefore, the best approach to date for manufacturing SET devices has been to organize the material into a pre-designed composite structure in the liquid phase by chemical directivity. It is self-assembly defined. Chemically synthesized nanoparticles offer several advantages as SET components. The most important one is the small size. Metal and semiconductor nanoparticles can be prepared in solution with an average diameter of tens of angstroms or more. Adsorbed or covalently attached ligands can serve as stabilizers for aggregates and can be used to incorporate chemical functionality into the nanoparticles. Importantly, nanoparticles can be immobilized between multiple insulating films by electrostatic or covalent chemistry.
【0034】
室温で動作可能なセルフアセンブリ型SETの一例はYamashita氏に付与され
た米国特許第5,646,420号に開示されている。脂質二重層は炭素基板に
よって一つの外側において支持され、導電層によってもう一方の外側において支
持される。脂質二重層のそれぞれの層は内側に向いた疎水基、外側に向いた親水
基を対称的に含む。バクテリオロドプシンのαへリックス立体配座と4つのGC
CCセグメントとを持つタンパク質材料が脂質二重層のそれぞれの層の間に配置
される。タンパク質材料は絶縁材として機能する。量子ドットがそのタンパク質
材料によって支持される。それはフラビン(Flavin)または7アセチル・10メ
チル・イソアロキサジン(7-acetyl-10-methyl-isoalloxazine)といった導電性
有機化合物から作られ、そこではアセチル基がタンパク質材料のシーケンスのG
部分のシステインの硫黄原子に結合する。一対の電極はソースとドレインの機能
を果たし、4つのフェニル基のそれぞれのオルト位がそれぞれの部分の対応する
アラニンアミノ基(つまり端部アミノ酸(end amino acid))に結合しているMn 3
+terrakis-tetraphenyl-porphyrinといった分子内錯塩(inner complex salt)
からできている。電極はそれぞれタンパク質材料の上端と下端に結合している。
ポリアセチレン制御ゲート(あるいはπ電子を有する他の有機ポリマ)は、対向
する疎水基の間に配置され、そして量子ドットに結合する。最後に、外側端子は
穴を介して炭素基板に挿入される。[0034]
An example of a self-assembled SET that can operate at room temperature was given to Mr. Yamashita
U.S. Pat. No. 5,646,420. Lipid bilayer on carbon substrate
Thus it is supported on one outside and supported by the conductive layer on the other outside.
Be held. Each of the lipid bilayers has a hydrophobic group facing inward and a hydrophilic group facing outward.
Contains groups symmetrically. Α-helical conformation of bacteriorhodopsin and four GCs
A protein material with CC segments is placed between each layer of the lipid bilayer
To be done. The protein material functions as an insulating material. Quantum dots are the protein
Supported by the material. It is flavin or 7-acetyl-10-medium
Conductivity such as chill isoalloxazine (7-acetyl-10-methyl-isoalloxazine)
Made from organic compounds, where the acetyl group is the G of the protein material sequence
It binds to the sulfur atom of partial cysteine. A pair of electrodes function as source and drain
And each ortho position of the four phenyl groups corresponds to each part
Mn bound to an alanine amino group (ie end amino acid) 3
+ terrakis-tetraphenyl-porphyrin inner complex salt
Made of Electrodes are attached to the upper and lower ends of the protein material, respectively.
The polyacetylene control gate (or other organic polymer with π electrons) is
Is placed between the hydrophobic groups and binds to the quantum dots. Finally, the outer terminals
It is inserted into the carbon substrate through the hole.
【0035】
単一電子の移動はトンネル効果によって単一のフラビン分子を介して起きる。
フェルミ準位に最も近い遷移準位は室温における電子の熱励起準位(25mV)
よりも高く、室温のSET現象が可能である。外側端子は制御ゲートと接続し、
その制御ゲートへの電圧の印加によってフラビン分子のポテンシャルエネルギー
の変化が引き起こされる。電圧を増大させると、電気伝導の追加的な遷移準位が
生成され、階段状のI−V特性が結果としてもたらされる。本開示は、このデバ
イスが大いに小型化された電子スイッチとして有用であるかもしれないことを示
す。Single electron transfer occurs via a single flavin molecule by the tunnel effect.
The transition level closest to the Fermi level is the thermally excited level (25 mV) of the electron at room temperature.
Higher than room temperature, the SET phenomenon at room temperature is possible. The outer terminal connects to the control gate,
Application of a voltage to the control gate causes a change in the potential energy of the flavin molecule. Increasing the voltage creates an additional transition level of electrical conduction, resulting in a stepped IV characteristic. The present disclosure shows that this device may be useful as a highly miniaturized electronic switch.
【0036】
本発明者は、上述したSET現象を示すデバイスによって得られる利益がこれ
まで化学的及び生物学的な変換の分野に応用されてこなかったと考えている。そ
れ故に、増大した感度、選択力、そして小型化、を利用するSETベースの化学
生物センサが長い間必要だと感じられてきた。本発明者はこのようなデバイスを
発見した。以下、詳細に説明する。The inventor believes that the benefits provided by the devices exhibiting the SET phenomenon described above have not previously been applied in the field of chemical and biological transformations. Therefore, there has been a long felt need for SET-based chemobiosensors that take advantage of increased sensitivity, selectivity, and miniaturization. The inventor has discovered such a device. The details will be described below.
【0037】発明の開示
本発明は、一つ以上の化学及び/または生物センシング素子をSETベースの
変換器(SET-based transducer)と組み合わせ、多種多様なポータブルで小規模
の感覚システムと用途に適合することができる。本開示から、(i)単一分子、
単一分子結合事象、そして単一分子レドックス反応を検出する能力、(ii)単
一チップまたは基板上に何千〜何百万のセンサを集積することができる小さな寸
法、(iii)速い応答時間、(iv)選択性、(v)低コスト、そして(vi
)低電力消費といった、多くの利点が直ちに明らかである。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention combines one or more chemical and / or biological sensing elements with a SET-based transducer to suit a wide variety of portable, small scale sensory systems and applications. can do. From the present disclosure, (i) a single molecule,
Ability to detect single molecule binding events, and single molecule redox reactions, (ii) small dimensions capable of integrating thousands to millions of sensors on a single chip or substrate, (iii) fast response time. , (Iv) selectivity, (v) low cost, and (vi
Many advantages are immediately apparent, such as low power consumption.
【0038】
以上のことから、本発明が提供する化学的にゲート動作する単一電子トランジ
スタは所定の電流・電圧特性を有し、化学または生物センサとして使用されるよ
う構成され、室温で動作可能である。この単一電子トランジスタは、第1の絶縁
材で形成された基板と、その基板上に配置されたソース電極及びドレイン電極と
、そのソース電極とドレイン電極との間に配置された約12nmn以下の大きさ
の空間寸法を持つ金属ナノ粒子とを備える。検出物特異性結合剤(analyte-spec
ific binding agent)がナノ粒子の表面上に配置される。目標検出物とその結合
剤との間に起こる結合事象によって電流・電圧特性に検出可能な変化が引き起こ
される。From the above, the chemically gated single-electron transistor provided by the present invention has a predetermined current-voltage characteristic, is configured to be used as a chemical or biological sensor, and is operable at room temperature. Is. This single-electron transistor has a substrate formed of a first insulating material, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, and a substrate having a thickness of about 12 nmn or less disposed between the source electrode and the drain electrode. Metal nanoparticles having a spatial dimension of a size. Detectable substance-specific binding agent (analyte-spec
ific binding agent) is placed on the surface of the nanoparticles. The binding event that occurs between the target analyte and its binder causes a detectable change in the current-voltage characteristics.
【0039】
本発明は化学物質または生物学的物質を感知するためのデバイスも提供する。
このデバイスは、所定の電流・電圧特性を有し、被絶縁基板と、その基板上に配
置されたソース電極と、その基板上に配置されたドレイン電極と、そのソース電
極とドレイン電極との間に配置されたそれぞれが約12nm以下の大きさの空間
寸法を持つ金属ナノ粒子のアレイと、を含む単一電子トランジスタを備える。検
出物特異性結合剤がそれぞれのナノ粒子の表面上に配置され、このとき目標検出
物と一つ以上のナノ粒子との間に生じる結合事象によって電流・電圧特性の検出
可能な変化が引き起こされる。The present invention also provides devices for sensing chemical or biological substances.
This device has a predetermined current-voltage characteristic, and has a substrate to be insulated, a source electrode arranged on the substrate, a drain electrode arranged on the substrate, and a source electrode and a drain electrode. And an array of metal nanoparticles each having a spatial dimension of about 12 nm or less, and a single electron transistor. An analyte-specific binding agent is placed on the surface of each nanoparticle, where a binding event between the target analyte and one or more nanoparticles causes a detectable change in current-voltage characteristics. .
【0040】
本発明は化学物質または生物学的物質を感知するための別のデバイスも提供す
る。このデバイスは、所定の電流・電圧特性を有する複数の単一電子トランジス
タを備える。それぞれの単一電子トランジスタは、被絶縁基板と、その基板上に
配置されたソース電極及びドレイン電極と、そのソース電極とドレイン電極との
間に配置された金属ナノ粒子と、を含む。それぞれのナノ粒子は約12nm以下
の大きさの空間寸法を有する。検出物特異性結合剤がそれぞれのナノ粒子の表面
上に配置され、このとき目標検出物と結合剤との間に起こる結合事象によって電
流・電圧特性に検出可能な変化が引き起こされる。電圧源が単一電子トランジス
タと交信し、そして集積回路が単一電子トランジスタと交信する。その集積回路
は結合事象の発生によって引き起こされる単一トランジスタの電流・電圧特性の
変化を解釈するよう構成される。The present invention also provides another device for sensing chemical or biological substances. This device comprises a plurality of single-electron transistors having predetermined current-voltage characteristics. Each single-electron transistor includes an insulated substrate, a source electrode and a drain electrode disposed on the substrate, and metal nanoparticles disposed between the source electrode and the drain electrode. Each nanoparticle has a spatial dimension of about 12 nm or less. A detectant-specific binding agent is placed on the surface of each nanoparticle, where the binding event between the target detective agent and the binding agent causes a detectable change in the current-voltage characteristics. The voltage source communicates with the single electron transistor, and the integrated circuit communicates with the single electron transistor. The integrated circuit is configured to interpret changes in the current-voltage characteristics of a single transistor caused by the occurrence of a coupling event.
【0041】
本発明は化学物質または生物学的物質を感知するための更に別のデバイスも提
供する。このデバイスは、被絶縁基板と、その基板上に互いに間隔を置いて配置
された複数の細長い下部電極と、その複数の下部電極上にそれらの下部電極を横
断するように互いに間隔を置いて配置された複数の細長い上部電極とを備える。
上部電極と下部電極は協働して、上部電極と下部電極が交叉してなる複数の交叉
領域を含む格子パタンを形成する。それぞれの交叉領域はテストサイトを定める
。単一電子トランジスタは各テストサイトに構築される。それぞれの単一電子ト
ランジスタは所定の参照電流・電圧特性を有し、各テストサイトにおいて上部電
極と下部電極との間に配置された金属ナノ粒子を含む。それぞれのナノ粒子は約
12nm以下の大きさの空間寸法を持ち、絶縁媒体によって安定化される。それ
ぞれのナノ粒子はそれぞれのナノ粒子の表面上に配置された検出物特異性結合剤
を有し、このとき目標検出物とナノ粒子との間に起きる結合事象によってナノ粒
子の電流・電圧特性の検出可能な変化が引き起こされる。電圧源は上部電極と下
部電極と交信する。集積回路はテストサイトと交信し、結合事象の発生によって
引き起こされる単一トランジスタの電流・電圧特性の変化を解釈するよう構成さ
れる。The present invention also provides yet another device for sensing chemical or biological substances. The device comprises an insulated substrate, a plurality of elongated lower electrodes spaced apart from each other on the substrate, and a plurality of spaced lower electrodes spaced from one another across the lower electrodes. A plurality of elongated elongated upper electrodes.
The upper electrode and the lower electrode cooperate to form a lattice pattern including a plurality of intersecting regions formed by intersecting the upper electrode and the lower electrode. Each intersection area defines a test site. Single electron transistors are built at each test site. Each single-electron transistor has a predetermined reference current-voltage characteristic and includes metal nanoparticles disposed between an upper electrode and a lower electrode at each test site. Each nanoparticle has a spatial dimension of about 12 nm or less and is stabilized by an insulating medium. Each nanoparticle has an analyte-specific binding agent located on the surface of each nanoparticle, and the binding event that occurs between the target analyte and the nanoparticle causes the nanoparticle's current-voltage characteristics to change. A detectable change is triggered. The voltage source communicates with the upper and lower electrodes. The integrated circuit is configured to interact with the test site and interpret changes in the current-voltage characteristics of a single transistor caused by the occurrence of a coupling event.
【0042】
本発明が提供する別の化学的にゲート動作する単一電子トランジスタは、所定
の電流・電圧特性を有し、化学または生物センサとしての用途のために構成され
、室温において動作可能である。この単一電子トランジスタは、下部絶縁基板と
、その下部絶縁基板上に配置された中間金属層と、上部絶縁基板とを備える。ウ
ェルが上部絶縁層及び中間金属層内に形成され、中間金属層の第1の部分にソー
ス電極を、中間金属層の第2の部分にドレイン電極を定める。上部金属層が、ウ
ェル上かつ上部絶縁基板上に配置される。金属ナノ粒子が前記ウェル内に配置さ
れ、約12nm以下の大きさの空間寸法を有し、かつ絶縁媒体内で安定化される
。分子受容体(molecular receptor)が上部金属層の表面に付着し、このとき目
標検出物とその分子受容体との間の結合事象によって電流・電圧特性に検出可能
な変化が引き起こされる。Another chemically gated single-electron transistor provided by the present invention has predetermined current-voltage characteristics, is configured for use as a chemical or biological sensor, and is operable at room temperature. is there. This single-electron transistor comprises a lower insulating substrate, an intermediate metal layer disposed on the lower insulating substrate, and an upper insulating substrate. A well is formed in the upper insulating layer and the intermediate metal layer, defining a source electrode on the first portion of the intermediate metal layer and a drain electrode on the second portion of the intermediate metal layer. An upper metal layer is disposed on the well and on the upper insulating substrate. Metal nanoparticles are disposed within the well, have spatial dimensions no greater than about 12 nm, and are stabilized within the insulating medium. A molecular receptor attaches to the surface of the upper metal layer, where a binding event between the target analyte and its molecular receptor causes a detectable change in the current-voltage characteristics.
【0043】
本発明は更に単一電子トランジスタプローブも提供する。このプローブは化学
物質または生物学的物質の存在について表面を走査するように構成され、またそ
れは導電性プローブチップと、12nm以下の空間寸法を有し、絶縁媒体を介し
て前記プローブに付着した金属ナノ粒子と、そのナノ粒子に付着した検出物特異
性結合剤と、を具備する。目標検出物と検出物特異性結合剤との間に起こる結合
事象によって電流・電圧特性の検出可能な変化が生じる。The present invention also provides a single electron transistor probe. The probe is configured to scan the surface for the presence of chemicals or biologicals, and it has a conductive probe tip and a spatial dimension of 12 nm or less and a metal attached to the probe via an insulating medium. The nanoparticle and the analyte-specific binding agent attached to the nanoparticle are provided. The binding event that occurs between the target analyte and the analyte-specific binding agent causes a detectable change in the current-voltage characteristics.
【0044】
本発明は更に別に、室温において動作可能でかつ化学物質を感知するのに有用
な、所定の電流・電圧特性を有する単一電子トランジスタデバイスも提供する。
単一電子トランジスタは、第1の絶縁材から形成された基板と、その基板上に配
置された金属層と、二重トンネル接合を定める絶縁体とを備える。前記絶縁体は
金属層の一領域内に形成され、金属層の酸化物を含む。またこのとき、前記絶縁
体は金属層を、第1の領域と、第2の領域と、第3の領域とに分割する。第1の
領域はソース電極を定め、第2の領域はドレイン電極を定め、そして第3の領域
は約12nm以下の空間寸法を有する金属ナノ粒子を定める。目標分子のナノ粒
子への結合によって電流−電圧特性に検出可能な変化が引き越される。The present invention further provides a single electron transistor device having predetermined current-voltage characteristics that is operable at room temperature and useful for sensing chemicals.
The single electron transistor comprises a substrate formed of a first insulating material, a metal layer disposed on the substrate, and an insulator defining a double tunnel junction. The insulator is formed in a region of the metal layer and includes an oxide of the metal layer. Further, at this time, the insulator divides the metal layer into a first region, a second region, and a third region. The first region defines a source electrode, the second region defines a drain electrode, and the third region defines metal nanoparticles having spatial dimensions of about 12 nm or less. Binding of the target molecule to the nanoparticles results in a detectable change in current-voltage characteristics.
【0045】
以上の説明から、本発明の目的は、単一電子の移動原理の下で動作する化学ま
たは生物センサを提供することである。From the above description, it is an object of the present invention to provide a chemical or biological sensor that operates under the single electron transfer principle.
【0046】
本発明のもう一つの目的は、電界効果型トランジスタベースのデバイスに見い
だされる分子受容体または検出物特異性結合剤を実用的で動作可能な単一電子ト
ランジスタベースのデバイスに使用することによって得られる利点を統合するこ
とである。Another object of the present invention is the use of molecular receptors or detector specific binders found in field effect transistor based devices in a practical and operable single electron transistor based device. It is to integrate the advantages obtained by.
【0047】
本発明の更なる目的は、金属ナノ粒子から構築され、かつ化学的または生物学
的な結合剤によって修正された、トランジスタ用ゲートを提供することである。A further object of the invention is to provide a gate for a transistor constructed from metal nanoparticles and modified by a chemical or biological binder.
【0048】
これまで述べられてきた本発明の一部の目的と他の目的は、以下に最も良く説
明される添付図面を参照しながら説明が進むにつれて明らかとなる。Some and other objects of the invention that have been described above will become apparent as the description proceeds with reference to the accompanying drawings, which are best described below.
【0049】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様を詳細に説明する。本発明者は、ゲ
ート電極がSETデバイスに取り付けられると、単一電子をナノ粒子に注入する
(取り除く)ことによってそのデバイスの電流の振る舞いが劇的に変化すること
があり得ることに言及する。換言すれば、SETデバイスのI−V曲線は、外側
のソースによってナノ粒子上に置かれた電荷に非常に敏感である。もし単一電子
がゲート電極からナノ粒子に注入されれば、SETデバイスを流れる電流は数百
ピコアンぺア(pA)もの変化をすることがあり得る。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The inventor notes that when a gate electrode is attached to a SET device, injecting (removing) a single electron into the nanoparticle can dramatically change the current behavior of the device. In other words, the IV curve of the SET device is very sensitive to the charge placed on the nanoparticles by the outer source. If a single electron is injected into the nanoparticle from the gate electrode, the current through the SET device can change by hundreds of picoampere (pA).
【0050】発明の詳細な説明
本発明者は、SETデバイスの同じ電流感度が、化学SETデバイス(chemic
al SET device)を生み出す化学的にゲーティングを行う機構(chemical gating
mechanism)によって実現できることを見いだしている。以下にその例が説明さ
れる化学SETデバイスの実施態様は、絶縁体またはナノ粒子の表面に結合する
単一検出物分子の存在に敏感である。化学SETデバイスは、セルフアセンブリ
単分子層(selfassemble monolayers)、タンパク質、DNA、無機物を含む、
その表面またはそのリガンドでキャップされた表面に様々な検出物特異性結合剤
(analyte-specific binding agents)を導入することによって、より選択的に
なり得る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present inventor has found that the same current sensitivity of the SET device is similar to the chemical SET device.
al gating device (chemical gating)
mechanism)). Embodiments of chemical SET devices, examples of which are described below, are sensitive to the presence of a single detector molecule bound to the surface of an insulator or nanoparticle. Chemical SET devices include self-assembled monolayers, proteins, DNA, minerals,
It can be made more selective by introducing various analyte-specific binding agents on the surface or the surface capped with the ligand.
【0051】
単一電子デバイスをナノスケールの電気回路に組み込む際の大変なチャレンジ
は、ナノ粒子上あるいはその近くに残存するかもしれない不純物に対するSET
電流の感度である。不純物はSET電流・電圧曲線をシフトさせて、そのために
どの2つのSETデバイスも電子的に同等とはなりにくくなってしまう。粒子を
キャップするリガンド(particle-capping ligands)をSET電流を操作するた
めの「化学的ゲート(chemical gates)」として使用できることが見いだされて
いる。しかしながら、もしSETベースのセンサに使用されるために選ばれたナ
ノ粒子がリガンドキャッピングによって安定化されることが必要であると判断さ
れれば、結果として生じるキャップされたナノ粒子が、化学センサ用途に求めら
れる物理的変化に敏感かどうか、あるいは、検出物に対する特異性がある結合剤
もしくは分子受容体がキャッピング材料に付着できるかどうかが、更に決定され
なければならない。The great challenge in incorporating single-electron devices into nanoscale electrical circuits is the SET for impurities that may remain on or near the nanoparticles.
It is the sensitivity of the electric current. Impurities shift the SET current-voltage curve, making it difficult for any two SET devices to be electronically equivalent. It has been found that particle-capping ligands can be used as "chemical gates" to manipulate the SET current. However, if it is determined that the nanoparticles selected for use in SET-based sensors need to be stabilized by ligand capping, the resulting capped nanoparticles can be used in chemical sensor applications. It must be further determined whether it is sensitive to the physical changes sought after, or whether binding agents or molecular receptors with specificity for the analyte can be attached to the capping material.
【0052】
本発明の例となる分析結果は図5−図9に例示されている。リガンドによって
安定化された金(Au)ナノクラスタが水溶液中に観測された。2つの異なった
リガンド、つまりオクタンチオール(octanethiol)(C8−Au、直径5nm)
と、Auナノクラスタに結合したときにpKa〜12となるガルビノール(galvi
nol)(Gal−Au、直径3nm)、が議論された。図5において、金ナノク
ラスタ42はオクタンチオールリガンド44によってキャップされており、オク
タンチオール被覆48で絶縁された平らなAu基板46の上方に配置されている
。図7では、金ナノクラスタ42はガルビノールリガンド52(GAL)によっ
てキャップされている。個別のナノクラスタ42は、被絶縁(ポリエチレン)チ
ップ56を備えた走査型トンネル顕微鏡(「STM(scanning tunneling micro
scope)」)54によって電子的に探査された。図6A、図6Bと、図9A、図
9B、図9C、図9Dにそれぞれ示されているように、水中のC8−Au(pH
は5と12)、水中のGal−Au(pHは5,8,10と12)に対して、明
確なI−Vステップ(クーロン階段曲線)が観測された。これらの電流ステップ
と電圧プラトーはSETの働きを表している。Exemplary analytical results of the present invention are illustrated in FIGS. 5-9. Ligand-stabilized gold (Au) nanoclusters were observed in aqueous solution. Two different ligands, i.e. octanethiol (octanethiol) (C 8 -Au, diameter 5 nm)
When, the pK a to 12 when bound to the Au nanoclusters Garubinoru (Galvi
nol) (Gal-Au, diameter 3 nm) was discussed. In FIG. 5, gold nanoclusters 42 are capped with octanethiol ligands 44 and are placed above a flat Au substrate 46 insulated with an octanethiol coating 48. In FIG. 7, the gold nanocluster 42 is capped with a galbinol ligand 52 (GAL). The individual nano-cluster 42 is a scanning tunneling microscope (“STM (scanning tunneling micro
scope) ") 54. As shown in FIGS. 6A and 6B and FIGS. 9A, 9B, 9C, and 9D, respectively, C 8 -Au (pH
5 and 12) and Gal-Au in water (pH is 5, 8, 10 and 12), a clear IV step (Coulomb step curve) was observed. These current step and voltage plateau represent the function of SET.
【0053】
テストされた2つのpH値ではC8−Auに化学的な違いが一切無いので、p
Hの関数としてI−Vの振る舞いにほとんど変化が結果として生じなかった。電
圧プラトーの幅(ΔV)はpHs5と12において、それぞれ59±7.8mV
と63±4.6mVであった。ΔV値は、ΔV=e/Cを使用してクラスタ容量
を評価するために使用することができ、約2.7±0.30aF/clusterと2
.5±0.10aF/cluster(0.05aF/nm2)を与える。しかしながら
、図8に示されているようにpHが増大するにつれて、ガルビノール(galvinol
)はガルビニキシオド陰イオン(galvinoxide anion)に変換される。その結果
、Gal−Auに対してI−Vの振る舞いの変化が脱プロトン化(deprotonatio
n)に応じて生じる。pH5からpH8まで正バイアス電位への全階段(I−V
曲線)の微妙なシフト(約30mV)は注目に値する。このシフトはpH10と
12で得られるI−V曲線において更に一層強い(約60mVから120mVま
で)。さらに、ΔVはその大きさにおいて、pH5での74±7.8mVからp
H8での64±4.0mV、pH12での48±5.6にまで減少する。Since there is no chemical difference in C 8 -Au between the two pH values tested, p
Little change in the IV behavior as a function of H resulted. The voltage plateau width (ΔV) is 59 ± 7.8 mV at pHs 5 and 12, respectively.
And 63 ± 4.6 mV. The ΔV value can be used to evaluate cluster capacity using ΔV = e / C, which is approximately 2.7 ± 0.30 aF / cluster and 2
. 5 ± 0.10 aF / cluster (0.05 aF / nm 2 ) is given. However, as the pH increased as shown in Figure 8, galvinol (galvinol)
) Is converted to galvinoxide anion (galvinoxide anion). As a result, the change in the behavior of IV with respect to Gal-Au was deprotonated (deprotonatio).
It occurs according to n). All steps (I-V) to positive bias potential from pH 5 to pH 8
The subtle shift of the curve) (about 30 mV) is noteworthy. This shift is even stronger in the IV curves obtained at pH 10 and 12 (from about 60 mV to 120 mV). In addition, ΔV is p ± 74 ± 7.8 mV at pH 5
It decreases to 64 ± 4.0 mV at H8 and 48 ± 5.6 at pH12.
【0054】
上記したSET階段の化学誘導変化は脱プロトン化の際にガルビノール単分子
層に生じる変化及び構造変化を議論することによって説明される。pH5におい
て、ガルビノールはプロトン化された中性形にある。そのため、pH5における
Gal−Auのクーロン階段は最初のステップが0Vを中心として一般的に対称
的である。pHが増大するにつれ、ガルビノールはガルビノキシド陰イオンに変
換される。ナノクラスタ上で負電荷が増大することによって2つの結果がもたら
される。最初に、クラスタの全容量が増加する。ΔVに基づいて、ナノクラスタ
容量の増加量が、pH5における2.2±0.24aF/cluster(0.06a
F/nm2)から、pH8における2.5±0.14aF/cluster(0.09a
F/nm2)、pH12における3.3±0.31aF/cluster(0.12aF
/nm2)へというように計算された。第二の結果はナノクラスタ表面上の負電
荷の増大である。固体SETデバイスにおいては、金属アイランドの近くに位置
している、不純物あるいはゲート電極バイアスの印加いずれかからの負電荷によ
って、クーロン階段が正バイアス電位へシフトする。Gal−Au系におけるそ
の正バイアス電位へのシフトは固体での測定と定性的に合っている。電位シフト
と容量変化が、C8−AuではなくGal−Auに対してのみ、そしてGal−
Auに対して同一のイオン強度の3つの異なったpHにおいて、観測されたとい
う事実によって、pH依存性ゲートを備えた(pH-gated)ETデバイスの実現可
能性が証明された。The chemically induced changes in the SET step described above are explained by discussing the changes and structural changes that occur in the galvinol monolayer upon deprotonation. At pH 5, galbinol is in its protonated, neutral form. Therefore, the Gal-Au Coulomb staircase at pH 5 is generally symmetrical with the first step centered at 0V. Galbinol is converted to the galbinoxide anion as the pH increases. The increased negative charge on the nanoclusters has two consequences. First, the total capacity of the cluster is increased. Based on ΔV, the amount of increase in nanocluster capacity was 2.2 ± 0.24aF / cluster (0.06a) at pH 5.
F / nm 2 ) to 2.5 ± 0.14a F / cluster (0.09a) at pH 8
F / nm 2 ), 3.3 ± 0.31 aF / cluster (0.12 aF) at pH 12
/ Nm 2 ) and so on. The second result is an increase in the negative charge on the nanocluster surface. In solid state SET devices, negative charges from either impurities or the application of gate electrode bias located near the metal islands shift the Coulomb stairs to a positive bias potential. Its shift to a positive bias potential in the Gal-Au system is qualitatively consistent with the solid state measurements. Potential shift and capacitance variation, only the C 8 In -Au without Gal-Au, and Gal-
The fact that it was observed at three different pH's of the same ionic strength for Au proved the feasibility of a pH-gated ET device.
【0055】
従って、溶液のpH値を直接測定して、pH値の変化の結果として起きること
が知られているレドックス事象または検出物結合事象を検出するためのSETデ
バイスが、図10に示されているように発明者によって構築された。ソース電極
Sとドレイン電極Dは支持基板SUBの表面上に間隔を置いた位置関係で配置さ
れている。支持基板SUBはシリコン、二酸化シリコンあるいはポリマといった
通常の絶縁材から形成される。代わりに、基板SUBは導電性材料から作られ、
チオール層といった絶縁材によって絶縁されてよい。ナノスコピックな量の銀の
金あるいは白金といった金属がソース電極Sとドレイン電極Dとの間に配置され
、金属アイランドまたはナノ粒子QDとしての機能を果たす。ナノ粒子QDは、
pHの変化に早く反応するチオール(thiol)、好ましくはガルビノール(galvi
nol)といったリガンド物質Lでキャップされる。次に適当なリード線LWある
いはそれと同種のものがソース電極とドレイン電極に接続される。デバイスに接
触している溶液のpH値の変化によってすでに説明したように階段状のI−V曲
線にシフトが引き起こされるだろう。この変化は、正確に測定され、そして電気
回路あるいは他の周知の手段の助けを借りて解釈できる。Accordingly, a SET device for directly measuring the pH value of a solution to detect redox events or analyte binding events known to occur as a result of changes in pH value is shown in FIG. Was constructed by the inventor as follows. The source electrode S and the drain electrode D are arranged on the surface of the support substrate SUB in a positional relationship with a gap. The support substrate SUB is formed of a usual insulating material such as silicon, silicon dioxide or polymer. Instead, the substrate SUB is made of a conductive material,
It may be insulated by an insulating material such as a thiol layer. A nanoscopic amount of a metal such as silver gold or platinum is disposed between the source electrode S and the drain electrode D and functions as a metal island or a nanoparticle QD. Nanoparticle QD
Thiol, preferably galvinol, which reacts rapidly to changes in pH
capped with a ligand substance L such as nol). Next, a suitable lead wire LW or the same kind is connected to the source electrode and the drain electrode. Changes in the pH value of the solution in contact with the device will cause a shift in the step IV curve as already explained. This change is accurately measured and can be interpreted with the help of electrical circuits or other well known means.
【0056】
SETベースの化学的にゲート動作する符号70で大体示されているセンサデ
バイスが、pH依存性SETデバイス60に類似した基本構造を有していて、特
定の検出物、すなわち目標分子、化合物、あるいは生体物質、を選択的に検出す
るための異なったタイプの化学的なゲートで設計された多種多様なセンサまたは
テストサイトにおける変換素子(transduction element)として利用されてよい
。発明者はこれを検出物特異性結合剤または分子受容体Aをナノ粒子QDに直接
付着させることによって、あるいは、リガンドつまりI(二重トンネル接合の役
割をする)をキャップさせることによって、のいずれかによって実現した。選ば
れた特定の結合剤に依存して、検出物Bが結合剤Aに結合した場合にI−V特性
の観測可能な変化がSETデバイス70に生じるだろう。このような構成におい
て、キャッピングしているリガンドつまり絶縁体Iは二重トンネル接合として機
能し、結合剤AはSETデバイスの化学的に動作するゲート電極として機能する
。セルフアセンブリ単分子層(self-assembled monolayers)、タンパク質、抗
体または坑原、DNAと無機物を含む多種多様な結合剤Aが選ばれてよい。そし
て、結果として、多種多様な検出物Bが周知の結合関係と化学的性質によって検
出することができる。A SET-based chemically gated sensor device, indicated generally by the numeral 70, has a basic structure similar to the pH-dependent SET device 60 and allows the detection of a particular analyte, the target molecule, It may be used as a transduction element in a wide variety of sensors or test sites designed with different types of chemical gates for the selective detection of compounds or biological substances. The inventors have done this either by directly attaching the detector specific binding agent or molecular receptor A to the nanoparticle QD, or by capping the ligand, I (which acts as a double tunnel junction). It was realized by Depending on the particular binder selected, there will be an observable change in the IV characteristics of SET device 70 when Detectant B binds to Binder A. In such a configuration, the capping ligand or insulator I acts as a double tunnel junction and the binder A acts as the chemically operating gate electrode of the SET device. A wide variety of binders A may be selected, including self-assembled monolayers, proteins, antibodies or antigens, DNA and minerals. As a result, a wide variety of detected substances B can be detected by well-known binding relationships and chemical properties.
【0057】
電流検出法(amperometric mode)または電位差検出法(potentiometric mode
)の双方が図12Aと図12Bに示されているようにセンサデバイス70に可能
である。実線は検出物Bが存在しないときのセンサデバイス70のI−V曲線を
表し、点線は検出物Bが存在するときの曲線を表す。Current detection method (amperometric mode) or potential difference detection method (potentiometric mode)
) Are both possible in the sensor device 70 as shown in FIGS. 12A and 12B. The solid line represents the IV curve of the sensor device 70 when the detected object B is absent, and the dotted line represents the curve when the detected object B is present.
【0058】
電流検出法では、ソース−ドレイン電位は、バッテリまたはポテンシオスタッ
トを使用するといったことをして、I−V曲線上の任意の電圧のプラトーのある
一点においてバイアスされる。検出物BがナノクラスタQDに結合すると、ナノ
クラスタQD上の電荷が変化して、結果的にセンサデバイス70のI−V特性を
変更させ、図12Aに示されているように、効果的に全体のI−V曲線を一電子
だけ電流を上方または下方にシフトさせる。バイアス電圧はポテンシオスタット
(Vhold)によって固定されるので、nをナノクラスタQDに注入(+e)また
はそこから除去(−e)される電荷の数とすれば、回路を流れる電流は±neだ
け変化しなければならない。換言すれば、センサデバイス70は電荷の注入(ま
たは除去)後は同じ電流ステップ上に留まらねばならない。変化が許される唯一
のパラメータは電流である。従ってナノクラスタ電荷の変化によって電流が流れ
(または、センサデバイス70の構成またはバイアスに依存して流れなくなり)
、センサデバイス70は「化学的」ゲート("chemical"gate)を実現する。In current sensing, the source-drain potential is biased at some point on the IV curve at some voltage plateau, such as by using a battery or potentiostat. When the analyte B binds to the nanocluster QD, the charge on the nanocluster QD changes, resulting in a change in the IV characteristics of the sensor device 70, effectively as shown in FIG. 12A. The entire IV curve shifts the current up or down by one electron. Since the bias voltage is fixed by the potentiostat (V hold ), the current flowing through the circuit is ± ne, where n is the number of charges injected (+ e) into or removed (−e) from the nanocluster QD. Just have to change. In other words, the sensor device 70 must stay on the same current step after charge injection (or removal). The only parameter that is allowed to change is the current. Therefore, a current flows (or stops depending on the configuration or bias of the sensor device 70) due to the change in the nanocluster charge.
The sensor device 70 implements a "chemical" gate.
【0059】
電位差検出法では、図12Bに示されているように、固定電流がソース電極S
とドレイン電極Dとの間を流れることが強制され、接合にわたる電位がモニタさ
れる。この場合、電流は固定されている(Ihold)ので、電流ステップの固定し
たポジションを維持するために電位が変化しなけばならない。実際、電位の大き
な変化(直径10nmのナノクラスタに対して約200mV)がナノクラスタQ
Dへの単一電荷の付加に応答して期待できる。In the potential difference detection method, as shown in FIG. 12B, a fixed current is applied to the source electrode S.
Is forced to flow between the drain and the drain electrode D, and the potential across the junction is monitored. In this case, the current is fixed (I hold ), so the potential must change to maintain the fixed position of the current step. In fact, a large change in the potential (about 200 mV for a nanocluster with a diameter of 10 nm)
Expected in response to the addition of a single charge to D.
【0060】
どちらの場合も、センサデバイス70のI−V曲線はナノクラスタQDに注入
される電荷の単なる変化1e-に敏感であるので、単一電子検出物は検出可能で
ある。さらに、信号変換は単一電子の移動に基づいているので、10-12のオー
ダの応答時間が可能である。In either case, the IV curve of the sensor device 70 is sensitive to the mere change 1e − of charge injected into the nanoclusters QD, so that a single electron detector can be detected. Moreover, since the signal conversion is based on the movement of a single electron, response times on the order of 10 −12 are possible.
【0061】
図13は、本発明者のセンサデバイスの線図表現で、分子結合事象が存在しな
い場合、金属リード間の単一電子の流れがナノクラスタQDを横切るように発生
する。目標検出物Bが分子認識素子Aに結合すると、「ゲート」が閉じ、I−V
曲線のシフトが検出されるかもしれない。図14Bは時間の関数としての電流の
対応するプロットで、センサデバイス70の動作がデジタル情報として有利に利
用できることを示している。FIG. 13 is a diagrammatic representation of our sensor device, in the absence of a molecular binding event, a single electron flow between metal leads occurs across a nanocluster QD. When the target object B is bound to the molecular recognition element A, the “gate” is closed and the IV
Curve shifts may be detected. FIG. 14B is a corresponding plot of current as a function of time, showing that the operation of sensor device 70 can be beneficially utilized as digital information.
【0062】
多くの実施態様が上記新規デバイスから構築される。例えば、図15では、テ
ストサイトの面積を増大させ、望ましい検出物を検出する機会を改善するため、
あるいは溶液中の検出物濃度を測定するために、ナノ粒子またはナノクラスタの
アレイ80がソース電極Sとドレイン電極Dとの間に提供される。クラスタアレ
イ80は、外部電圧源Vと、I−V特性の変化を解釈するための集積解析回路I
Cに、電気的に接続される。Many embodiments are constructed from the novel devices described above. For example, in FIG. 15, to increase the area of the test site and improve the chances of detecting the desired detection,
Alternatively, an array 80 of nanoparticles or nanoclusters is provided between the source electrode S and the drain electrode D to measure the concentration of the analyte in solution. The cluster array 80 includes an external voltage source V and an integrated analysis circuit I for interpreting changes in IV characteristics.
It is electrically connected to C.
【0063】
さらに、図16に符号90で大体示されるように、テストカードあるいは着用
可能バッジが提供されてよい。着用可能バッジ90は、集積回路IC、時計用バ
ッテリ(watch battery)WBといったソース電位、そして複数のセンシングク
ラスタアレイ80を具備する。個別のセンシングアレイ80またはそのグループ
はそれぞれのナノ粒子またはキャップしているリガンドに付着した異なる結合剤
を含んでよく、その結果、着用可能バッジ90は様々な異なった検出物を検出す
ることができる。周知の方法が、集積解析回路ICが異なるセンシングアレイ8
0から受信した様々な信号を区別できるために使用されてよい。例えば、各個別
のセンシングアレイ80の位置設定と結合剤またはその特定のセンシングアレイ
80によって検出される対応する検出物の識別はデジタル化されてよい。こうし
て、特定のセンシングアレイ80のI−V特性の変化は、そのセンシングアレイ
80に関連する受容体に結合することが知られている検出物の存在に関する陽性
テスト(positive test)として、集積解析回路ICによって解釈できる。In addition, a test card or wearable badge may be provided, generally indicated at 90 in FIG. The wearable badge 90 comprises an integrated circuit IC, a source potential such as a watch battery WB, and a plurality of sensing cluster arrays 80. The individual sensing arrays 80 or groups thereof may include different binding agents attached to their respective nanoparticles or capping ligands, so that the wearable badge 90 is capable of detecting a variety of different analytes. . A well-known method is a sensing array 8 having a different integrated analysis circuit IC.
It may be used to be able to distinguish between the various signals received from zero. For example, the location of each individual sensing array 80 and the identification of the binding agent or the corresponding analyte detected by that particular sensing array 80 may be digitized. Thus, a change in the IV characteristics of a particular sensing array 80 may be used as a positive test for the presence of a detective known to bind to the receptor associated with that sensing array 80 as an integrated analysis circuit. Can be interpreted by IC.
【0064】
図17には、符号100で大体示された、導電性サンドウィッチ格子構成にあ
るアレイが提供されている。複数の最上部電極TE(top electrodes)が複数の
最下部電極BE(bottom electrodes)と直交するように配置され、導電性格子
100を形成してしる。TEとBEがクロスするそれぞれの位置によってテスト
サイトTS(test site)が指定される。複数のナノ粒子QDは各サイトTSに
おいて電極TE、BEの間に配置されている。図17Bに詳細に示されているよ
うに、複数のリガンドといった絶縁材Iが二重トンネル接合の機能を果たすため
に提供されいる。それぞれのテストサイトTSにおいて、電極TEまたはBEの
一つはソース電極として、他方の電極はドレイン電極として、機能する。結果、
それぞれのテストサイトTSは事実上単一のSETトランジスタを含む。各トラ
ンジスタまたは各グループのトランジスタは異なる結合剤を含み、その結果、導
電性格子100は多数の異なる検出物を検出するよう設計された多数のテストサ
イトTSを含むことができる。FIG. 17 provides an array, generally indicated at 100, in a conductive sandwich grid configuration. A plurality of top electrodes TE (top electrodes) are arranged orthogonal to a plurality of bottom electrodes BE (bottom electrodes) to form the conductive grid 100. A test site TS (test site) is designated by each position where TE and BE cross. The plurality of nanoparticles QD are arranged between the electrodes TE and BE at each site TS. As shown in detail in FIG. 17B, an insulator I, such as multiple ligands, is provided to perform the function of the double tunnel junction. At each test site TS, one of the electrodes TE or BE functions as a source electrode and the other electrode functions as a drain electrode. result,
Each test site TS effectively comprises a single SET transistor. Each transistor or each group of transistors comprises a different binder, so that the conductive grid 100 may comprise a number of test sites TS designed to detect a number of different analytes.
【0065】
図18には、符号110で大体示されたバックゲート型SETトランジスタ(
back-gated SET transistor)が提供されている。ソース電極Sとドレイン電極
Dは上部絶縁基板112と下部絶縁基板114との間にサンドウィッチされてい
る。ナノ粒子QDとキャップしているリガンドあるいは他の材料Iはソース電極
Sとドレイン電極Dとの間に形成されたウェル116内に配置されている。金属
層118はナノ粒子QD上に配置され、SETトランジスタ110の化学的に動
作するゲートのベースを形成する。複数の分子認識素子Aは金属118に付着し
ており、それによって目標検出物Bとの結合事象に対するSETトランジスタ1
10の感度が増大する。ここに開示されたその他の実施態様のように、非目標種
Cの存在はSETトランジスタ110のI−V特性に全く影響しない。In FIG. 18, a back gate type SET transistor (denoted by reference numeral 110) (
back-gated SET transistor) is provided. The source electrode S and the drain electrode D are sandwiched between the upper insulating substrate 112 and the lower insulating substrate 114. The nanoparticles QD and the capping ligand or other material I are placed in a well 116 formed between the source electrode S and the drain electrode D. The metal layer 118 is disposed on the nanoparticles QD and forms the base of the chemically operated gate of the SET transistor 110. A plurality of molecular recognition elements A are attached to the metal 118, whereby the SET transistor 1 for the binding event with the target detected substance B is obtained.
The sensitivity of 10 is increased. As with the other embodiments disclosed herein, the presence of non-target species C does not affect the IV characteristics of SET transistor 110 at all.
【0066】
図19において、テスト面122の走査を可能にするSETプローブ120が
本発明者によって提供される。ナノ粒子QDは適切なリガンドLを使ってプロー
ブチップ124に付着している。プローブチップ124は白金−イリジウム(P
r−Ir)チップでよい。SETプローブ120のI−V特性の変化の大きさは
、テスト面122上に存在する一定の分子またはラジカルの存在に依存するであ
ろう。例えば、メタン(CH3)が存在する場合のプローブ120の応答は水酸
化物(OH)が存在する場合の応答とは異なる。周知の較正データを使用すれば
、プローブチップ120によって実行される表面走査によってテスト面122の
化学的識別特性を表示するイメージを作り出すためにラスタ化(rasterized)さ
れてよい情報が生成されるだろう。分子受容体は特定の物質を走査するためにナ
ノ粒子QDまたはリガンドLのいずれかに付着してよい。In FIG. 19, a SET probe 120 that enables scanning of the test surface 122 is provided by the inventor. The nanoparticles QD are attached to the probe tip 124 using the appropriate ligand L. The probe tip 124 is platinum-iridium (P
r-Ir) chip may be used. The magnitude of the change in the IV characteristics of SET probe 120 will depend on the presence of certain molecules or radicals present on test surface 122. For example, the response of probe 120 in the presence of methane (CH 3 ) is different than the response in the presence of hydroxide (OH). Using known calibration data, the surface scan performed by the probe tip 120 will generate information that may be rasterized to produce an image representing the chemical signature of the test surface 122. . Molecular receptors may be attached to either the nanoparticle QD or the ligand L to scan a particular substance.
【0067】
一部の場合において、本発明者は、上手く動作するために、追加的な検出物特
異性結合剤を要求するゲートを使って、SETベースの化学センサを構築できる
ことを見いだした。図10におけるpH依存性センサ60は一例である。別の例
は図20に符号130で大体示された実施態様で、それは一酸化炭素検出器とし
て使用されてよい。白金層132(例えば5nm)がn型シリコンといった絶縁
基板SUB上に配置されている。白金の細線(約1nm×10nm×深さ5nm
)は、孤立した白金アイランドQD(つまり金属または量子ドット)を定めるた
めに、STMのチップを使用して水/H2SO4媒質内で酸化白金(PtO)に酸
化される。結果として、Pt−PtO−Ptナノ粒子−PtO−Pt型二重トン
ネル接合Jが形成される。その外側の金属領域はソース電極Sとドレイン電極D
としての役割をする。CO検出器130はCOの存在に敏感である。というのは
、Pt−CO吸収がPtアイランドで起き、それによってSETトランジスタの
I−V特性が変更されるからである。このアプローチを一般化することによって
、類似のセンサーが構築できる。すなわち、ケミカルセンシングに興味のある小
さな分子に結合する(例えばTiあるいはSnなどの)いくつかの金属/金属酸
化物の組み合わせが可能である。In some cases, the inventors have found that SET-based chemosensors can be constructed with gates that require additional detector-specific binding agents to work well. The pH-dependent sensor 60 in FIG. 10 is an example. Another example is the embodiment shown generally at 130 in FIG. 20, which may be used as a carbon monoxide detector. A platinum layer 132 (for example, 5 nm) is arranged on an insulating substrate SUB such as n-type silicon. Fine platinum wire (approx. 1 nm x 10 nm x depth 5 nm
) Is oxidized to platinum oxide (PtO) in a water / H 2 SO 4 medium using STM tips to define isolated platinum islands QDs (ie, metal or quantum dots). As a result, a Pt-PtO-Pt nanoparticle-PtO-Pt type double tunnel junction J is formed. The metal region on the outside is the source electrode S and the drain electrode D.
Play a role as. The CO detector 130 is sensitive to the presence of CO. This is because Pt-CO absorption occurs at the Pt island, which modifies the IV characteristics of the SET transistor. By generalizing this approach, similar sensors can be constructed. That is, several metal / metal oxide combinations (eg, Ti or Sn) that bind to small molecules of interest in chemical sensing are possible.
【0068】
以上説明したように、変換器素子が単一電子の移動現象に応じて動作し、分子
結合事象に対してかなり敏感な、化学物質及び/または生物学的物質を感知する
ための電子デバイスが提供される。本デバイスは、セルフアセンブリ法を使って
構築でき、きわめて小さく、非常に少量の電力を消費する。このSETベースの
デバイスの感度、選択力、精度と他の特性は従来のFETベースのデバイスより
も優れている。非常に多数のこれらのデバイスは単一チップあるいは基板上に集
積可能で、多種多様なセンシングシステムとからめて利用できる。As described above, an electron for sensing a chemical substance and / or a biological substance, in which a transducer element operates in response to a single-electron transfer phenomenon and is considerably sensitive to a molecular binding event. The device is provided. The device can be built using the self-assembly method, is extremely small and consumes very little power. The sensitivity, selectivity, accuracy and other properties of this SET-based device are superior to conventional FET-based devices. A large number of these devices can be integrated on a single chip or substrate and can be used with a wide variety of sensing systems.
【0069】
本発明の様々な細部は本発明の技術的範囲を超えることなく変更可能であるこ
とは理解されるだろう。さらに、上記説明は説明目的だけのものであって、限定
目的のためのものではない。本発明は以下の請求の範囲に含まれる請求項によっ
て明確にされる。It will be appreciated that various details of the invention may be changed without exceeding the scope of the invention. Furthermore, the above description is for descriptive purposes only and not for limitation purposes. The invention is defined by the claims which come within the scope of the following claims.
【図1Aおよび図1B】 従来の電界効果型トランジスタの斜視図である。1A and 1B It is a perspective view of the conventional field effect transistor.
【図2】 単一電子トランジスタの平面図である。[Fig. 2] It is a top view of a single electron transistor.
【図3Aおよび図3B】 図2の単一電子トランジスタの動作を示す電気回路図である。3A and 3B] FIG. 3 is an electric circuit diagram showing the operation of the single electron transistor of FIG. 2.
【図4】
図2の単一電子トランジスタの電気応答を表す電流対電圧のプロットを示した
図である。4 shows a plot of current versus voltage representing the electrical response of the single electron transistor of FIG.
【図5】
オクタンチオール(octanethiol)リガンドで安定化された金ナノ粒子の電気
応答を測定するために使用される装置の概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram of an apparatus used to measure the electrical response of octanethiol ligand stabilized gold nanoparticles.
【図6Aおよび図6B】
異なるpH値に対する図5の金ナノ粒子の電気応答を表す電流対電圧のプロッ
トを示した図である。6A and 6B are plots of current versus voltage representing the electrical response of the gold nanoparticles of FIG. 5 for different pH values.
【図7】
ガルビノール(galvinol)リガンドで安定化された金ナノ粒子の電気応答を測
定するために使用される装置の概略図である。FIG. 7 is a schematic of the device used to measure the electrical response of gold nanoparticles stabilized with a galvinol ligand.
【図8】
ガルビノール(galvinol)からガルビノキシド(galvinoxide)への変換を示
した化学図である。FIG. 8 is a chemical diagram showing conversion of galvinol to galvinoxide.
【図9A〜図9D】
異なるpH値に対する図7の金ナノ粒子の電気応答を表す電流対電圧のプロッ
トを示した図である。9A-9D are plots of current versus voltage representing the electrical response of the gold nanoparticles of FIG. 7 for different pH values.
【図10】 本発明による単一電子トランジスタの側面図である。[Figure 10] FIG. 3 is a side view of a single electron transistor according to the present invention.
【図11】 本発明による別の単一電子トランジスタの側面図である。FIG. 11 FIG. 6 is a side view of another single electron transistor according to the present invention.
【図12Aおよび図12B】
電流検出法と電位差検出法における図11の単一電子トランジスタの電気応答
を表す電流対電圧のプロットをそれぞれ示した図である。12A and 12B are plots of current versus voltage representing the electrical response of the single electron transistor of FIG. 11 in current and potentiometric detection methods, respectively.
【図13】 図11の単一電子トランジスタの動作の一例を示した線図である。[Fig. 13] FIG. 12 is a diagram showing an example of the operation of the single electron transistor of FIG. 11.
【図14Aおよび図14B】
図11の単一電子トランジスタが図13に示されているように動作するときに
その振る舞いを示した、電流対電圧、電流対時間、の具体的なプロットをそれぞ
れ示した図である。14A and 14B show specific plots of current versus voltage and current versus time, respectively, showing the behavior of the single electron transistor of FIG. 11 when operating as shown in FIG. It is a figure.
【図15】 本発明によるナノ粒子アレイを含む単一電子トランジスタの概略図である。FIG. 15 1 is a schematic diagram of a single electron transistor including an array of nanoparticles according to the present invention.
【図16】
本発明による複数の単一電子トランジスタを含む生化学的センシングデバイス
の平面図である。FIG. 16 is a plan view of a biochemical sensing device including a plurality of single electron transistors according to the present invention.
【図17A】
テストサイトの格子状パタンに配列した複数の単一電子トランジスタを含む本
発明による生化学的センシングデバイスの斜視図である。FIG. 17A is a perspective view of a biochemical sensing device according to the present invention including a plurality of single electron transistors arranged in a grid pattern of test sites.
【図17B】 図17Aのデバイスのテストサイトの詳細な側面図である。FIG. 17B FIG. 17B is a detailed side view of a test site for the device of FIG. 17A.
【図18】 本発明による別の単一電子トランジスタの側面図である。FIG. 18 FIG. 6 is a side view of another single electron transistor according to the present invention.
【図19】 本発明による単一電子トランジスタベースの走査プローブの斜視図である。FIG. 19 1 is a perspective view of a single electron transistor based scanning probe according to the present invention.
【図20】 本発明による別の単一電子トランジスタの透視図である。FIG. 20 FIG. 6 is a perspective view of another single electron transistor according to the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 27/30 301N (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,UZ,VN,YU, ZA,ZW (72)発明者 ブルーソー,ルイス・シー,ザ・サード アメリカ合衆国ノースカロライナ州27607, ローリー,オベリー・ストリート 1/2 2811─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme code (reference) G01N 27/30 301N (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI) , FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN , TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC , LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Bruceau, Louis Sea, The Third, North Carolina, USA 27607, Raleigh, Oberry Street 1/2 2811
Claims (26)
または生物センサとしての用途に適合した、化学的にゲート動作する単一電子ト
ランジスタであって、 (a)第1の絶縁材から形成された基板と、 (b)前記基板上に配置されたソース電極と、 (c)前記基板上に配置されたドレイン電極と、 (d)前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された約12nmまた
はそれ以下の大きさの空間寸法を有する金属ナノ粒子と、 (e)前記ナノ粒子の表面上に配置された検出物特異性結合剤であって、目標
検出物との間に発生する結合事象によって前記電流・電圧特性の検出可能な変化
が引き起こされる検出物特異性結合剤と を具備してなる化学的にゲート動作する単一電子トランジスタ。1. A chemically-gated single-electron transistor having predetermined current-voltage characteristics and adapted for use as a chemical or biological sensor operable at room temperature, comprising: (a) a first A substrate formed of the insulating material of (1), (b) a source electrode arranged on the substrate, (c) a drain electrode arranged on the substrate, and (d) the source electrode and the drain electrode. A metal nanoparticle having a spatial dimension of about 12 nm or less, which is disposed between: (e) a target substance that is a target substance-specific binding agent that is located on the surface of the nanoparticle. A chemically-gated single-electron transistor comprising a detectable substance-specific binding agent, the binding event of which causes a detectable change in the current-voltage characteristic.
該第2の絶縁材に前記検出物特異性結合剤が付着している請求項1に記載の単一
電子トランジスタ。2. Further comprising a second insulating material attached to the surface of the nanoparticles,
The single-electron transistor according to claim 1, wherein the analyte-specific binding agent is attached to the second insulating material.
法を有する請求項1に記載の単一電子トランジスタ。3. The single electron transistor of claim 1, wherein the nanoparticles have a spatial dimension of about 10 nm or less.
に記載の単一電子トランジスタ。4. The nanoparticles are formed of gold.
Single electron transistor according to.
トランジスタ。5. The single electron transistor of claim 1, wherein the nanoparticles are formed of silver.
一電子トランジスタ。6. The single electron transistor of claim 1, wherein the nanoparticles are formed of platinum.
具備し、目標検出物と前記結合剤との間に発生する結合事象によって当該トラン
ジスタを流れる電流に実質的に階段状の変化が引き起こされる請求項1に記載の
単一電子トランジスタ。7. A voltage source configured to apply a fixed bias potential, the voltage source being substantially stepped by a binding event occurring between a target analyte and the binder. The single-electron transistor of claim 1, wherein the change is caused.
目標検出物と前記結合剤との間に発生する結合事象によって前記ナノ粒子と前記
電極との間の電圧に実質的に階段状の変化が引き起こされる請求項1に記載の単
一電子トランジスタ。8. A current source further configured to apply a fixed current,
The single-electron transistor of claim 1, wherein a binding event that occurs between a target analyte and the binder causes a substantially step change in voltage between the nanoparticles and the electrode.
基板上に配置されたソース電極と、該基板上に配置されたドレイン電極と、該ソ
ース電極と該ドレイン電極との間に配置されたそれぞれが約12nm以下の大き
さの空間寸法を有する金属ナノ粒子のアレイと、目標検出物と一つ以上の前記ナ
ノ粒子との間に発生する結合事象によって前記電流・電圧特性に検出可能な変化
が引き起こされる、各ナノ粒子の表面上に配置された検出物特異性結合剤とを含
んでなるトランジスタを具備してなる、化学物質または生物学的物質を感知する
センシングデバイス。9. A substrate to be insulated, which has predetermined current / voltage characteristics, a source electrode arranged on the substrate, a drain electrode arranged on the substrate, the source electrode and the drain electrode. An array of metal nanoparticles each having a spatial dimension of about 12 nm or less, disposed between the electrodes, and the current / voltage caused by a binding event occurring between the target analyte and the one or more nanoparticles. A sensing device for sensing a chemical or biological substance, comprising a transistor comprising a detectable substance-specific binding agent disposed on the surface of each nanoparticle that causes a detectable change in the property. .
、前記単一電子トランジスタと交信して、前記結合事象の発生によって引き起こ
される前記単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化を解釈するように構成
された集積回路とを更に具備した請求項9に記載のセンシングデバイス。10. A voltage source coupled to the source electrode and the drain electrode is communicated with the single-electron transistor to change a current-voltage characteristic of the single-electron transistor caused by the occurrence of the coupling event. The sensing device of claim 9, further comprising an integrated circuit configured to interpret.
に記載のセンシングデバイス。11. The method according to claim 9, further comprising an insulating medium attached to the nanoparticles.
Sensing device described in.
している請求項9に記載のセンシングデバイス。12. The sensing device according to claim 9, wherein the binder is attached to a portion of the insulating medium corresponding to each nanoparticle.
子トランジスタであって、絶縁基板と、該基板上に配置されたソース電極と、該
基板上に配置されたドレイン電極と、該ソース電極と該ドレイン電極との間に配
置された約12nm以下の大きさの空間寸法を有する金属ナノ粒子と、各ナノ粒
子の表面上に配置された検出物特異性結合剤とを含み、目標検出物と各ナノ粒子
との間に発生する結合事象によって電流・電圧特性に検出可能な変化を生じる複
数の単一電子トランジスタと、 (b)前記単一電子トランジスタと交信する電圧源と、 (c)前記単一電子トランジスタと交信して、前記結合事象の発生によって引
き起こされる単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化を解釈するように構
成された集積回路と を具備してなる化学物質または生物学的物質を感知するセンシングデバイス。13. (a) A single-electron transistor, each having a predetermined current / voltage characteristic, comprising an insulating substrate, a source electrode disposed on the substrate, and a drain electrode disposed on the substrate. A metal nanoparticle having a spatial dimension of about 12 nm or less arranged between the source electrode and the drain electrode, and a substance to be detected-specifically bound to the surface of each nanoparticle. A plurality of single-electron transistors that include a detectable change in current-voltage characteristics due to a binding event that occurs between the target object and each nanoparticle, and (b) a voltage source that communicates with the single-electron transistor. And (c) an integrated circuit configured to communicate with the single-electron transistor to interpret changes in current-voltage characteristics of the single-electron transistor caused by the occurrence of the coupling event. Sensing device for sensing a chemical or biological substance formed by including.
出物特異性結合材は該絶縁材に付着している請求項13に記載のセンシングデバ
イス。14. The sensing device according to claim 13, further comprising an insulating material attached to the surface of each nanoparticle, and the analyte-specific binding material attached to the insulating material.
電極との間に配列した複数のナノ粒子を含む請求項13に記載のセンシングデバ
イス。15. The sensing device of claim 13, wherein each single electron transistor comprises a plurality of nanoparticles arranged between the source electrode and the drain electrode.
合剤とは異なる結合剤を含み、各結合剤は異なった目標検出物を受け取るように
構成され、前記集積回路は、各単一電子トランジスタの所定の参照電流・電圧特
性とアドレスに基づいて、各単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化を解
釈して、各単一電子トランジスタの応答を区別するように構成された請求項13
に記載のセンシングデバイス。16. Each single-electron transistor includes a binder that is different than the binder of the other single-electron transistor, each binder being configured to receive a different target analyte, and the integrated circuit comprising: It is configured to interpret the change in the current-voltage characteristic of each single-electron transistor based on the predetermined reference current-voltage characteristic and the address of the single-electron transistor to distinguish the response of each single-electron transistor. Claim 13
Sensing device described in.
の複数のグループに分割され、各グループに属する単一電子トランジスタは他の
グループに属する単一電子トランジスタの結合剤とは異なる結合剤を含んで異な
った目標検出物を検出するように構成され、前記集積回路は、各グループに属す
る単一電子トランジスタの所定の参照電流・電圧特性とアドレスに基づいて、各
グループに属する単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化を解釈して、各
グループの単一電子トランジスタの応答を区別するように構成された請求項13
に記載のセンシングデバイス。17. The plurality of single-electron transistors are divided into a plurality of groups of single-electron transistors, and the single-electron transistors belonging to each group are different from the binder of the single-electron transistors belonging to other groups. The integrated circuit is configured to detect different target analytes including an agent, and the integrated circuit includes a single electron transistor belonging to each group based on a predetermined reference current-voltage characteristic and an address of the single electron transistor belonging to each group. 14. An arrangement adapted to interpret changes in the current-voltage characteristics of electronic transistors to distinguish the response of single-electron transistors in each group.
Sensing device described in.
スであって、 (a)被絶縁基板と、 (b)前記基板上に互いに空間的に間隔を置いて配置された複数の細長い下部
電極と、 (c)前記下部電極上に該下部電極と横断するように互いに空間的に間隔を置
いて配置され、該下部電極と協働して該下部電極との間にそれぞれが一つのテス
トサイトを定める複数の交叉領域を含む格子パタンを形成する複数の細長い上部
電極と、 (d)そのそれぞれが事前準備された参照電流・電圧特性を有し、かつそのそ
れぞれのテストサイトにおいて前記上部電極と前記下部電極との間に配置された
12nm以下の大きさの空間寸法を持つ、絶縁媒体によって安定化された、その
表面に検出物特異性結合剤が配置された金属ナノ粒子を含み、目標検出物とその
ナノ粒子との間に発生する結合事象によってそのナノ粒子の電流・電圧特性に検
出可能な変化が引き起こされる、各テストサイトに構築された単一電子トランジ
スタと、 (e)前記上部電極及び前記下部電極と交信する電圧源と、 (f)前記テストサイトと交信して、前記結合事象の発生によって引き起こさ
れる前記単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化を解釈するように構成さ
れた集積回路と を具備したセンシングデバイス。18. A sensing device for sensing a chemical substance or a biological substance, comprising: (a) a substrate to be insulated; and (b) a plurality of elongated strips spatially spaced from each other on the substrate. A lower electrode, and (c) spatially spaced from each other on the lower electrode so as to cross the lower electrode, and in cooperation with the lower electrode, a single electrode is provided between the lower electrode and the lower electrode. A plurality of elongated upper electrodes forming a grid pattern including a plurality of intersecting regions defining test sites, and (d) each having a prepared reference current-voltage characteristic, and said upper part at each of said test sites. Metal nanoparticles having a spatial dimension of 12 nm or less arranged between an electrode and the lower electrode, stabilized by an insulating medium, and having a target substance-specific binding agent arranged on the surface thereof. A single-electron transistor built at each test site, where a binding event occurring between the target analyte and the nanoparticle causes a detectable change in the current-voltage characteristics of the nanoparticle; ) A voltage source communicating with the upper electrode and the lower electrode, and (f) communicating with the test site to interpret the change in the current-voltage characteristic of the single electron transistor caused by the occurrence of the binding event. And a sensing device including the integrated circuit configured as described above.
ている請求項18に記載のセンシングデバイス。19. The sensing device of claim 18, wherein the binder of each single electron transistor is attached to the insulating medium.
結合剤とは異なっていてそれぞれが異なった検出物を受容するように構成された
結合剤を含み、前記集積回路は、各単一電子トランジスタの所定の参照電流・電
圧特性とアドレスに基づいて、各単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化
を解釈して、各単一電子トランジスタの応答を区別するように構成された請求項
18に記載のセンシングデバイス。20. Each single-electron transistor includes a binder different from the binders of other single-electron transistors and each configured to receive a different analyte, said integrated circuit comprising: It is configured to interpret the change in the current-voltage characteristic of each single-electron transistor based on a predetermined reference current-voltage characteristic and address of each single-electron transistor to distinguish the response of each single-electron transistor. The sensing device according to claim 18,
され、テストサイトの各グループに属する単一電子トランジスタは他のグループ
に属する単一電子トランジスタの結合剤とは異なる結合剤を含み、前記集積回路
は、各グループの単一電子トランジスタの所定の参照電流・電圧特性とアドレス
に基づいて、各グループの単一電子トランジスタの電流・電圧特性の変化を解釈
して、各グループの単一電子トランジスタの応答を区別するように構成された請
求項18に記載のセンシングデバイス。21. The test site is divided into a plurality of groups of test sites, and the single electron transistors belonging to each group of test sites include a binder different from the binder of the single electron transistors belonging to other groups. The integrated circuit interprets the change in the current / voltage characteristics of the single-electron transistors of each group based on the predetermined reference current / voltage characteristics and the address of the single-electron transistors of each group, and 19. The sensing device of claim 18, configured to distinguish the response of a one-electron transistor.
学または生物センサとしての用途に適合した、化学的にゲート動作する単一電子
トランジスタであって、 (a)下部絶縁基板と、 (b)前記下部絶縁基板上に配置された中間金属層と、 (c)上部絶縁基板であって、前記中間金属層の第1の部分にソース電極を、
前記中間金属層の第2の部分にドレイン電極を定めるウェルが前記中間金属層と
前記上部絶縁基板との中に形成されている上部絶縁基板と、 (d)前記ウェル上及び前記上部絶縁基板上に配置された上部金属層と、 (e)前記ウェル内に配置され、約12nmかそれ以下の大きさの空間寸法を
有し、かつ絶縁媒体内に安定化された金属ナノ粒子と、 (f)前記上部金属層の表面に付着し、目標検出物とそれとの間に発生する結
合事象によって電流・電圧特性に検出可能な変化が引き起こされる分子受容体と
、 を具備してなる化学的にゲート動作する単一電子トランジスタ。22. A chemically gated single-electron transistor having predetermined current-voltage characteristics and adapted for use as a chemical or biological sensor operable at room temperature, comprising: (a) a bottom insulation. A substrate, (b) an intermediate metal layer disposed on the lower insulating substrate, and (c) an upper insulating substrate having a source electrode on a first portion of the intermediate metal layer,
An upper insulating substrate in which a well defining a drain electrode in the second portion of the intermediate metal layer is formed in the intermediate metal layer and the upper insulating substrate; and (d) on the well and on the upper insulating substrate. (E) metal nanoparticles located in the well, having a spatial dimension of about 12 nm or less and being stabilized in an insulating medium; ) A molecular gate attached to the surface of the upper metal layer, which comprises a target substance and a binding event occurring between the target substance and the target substance causing a detectable change in current-voltage characteristics. A single-electron transistor that operates.
に具備した請求項22に記載の単一電子トランジスタ。23. The single electron transistor of claim 22, further comprising a plurality of molecular acceptors attached on the surface of the upper metal layer.
るように構成された単一電子トランジスタプローブであって、 (a)導電性プローブチップと、 (b)12nmかそれ以下の空間寸法を有し、絶縁媒体を介して前記プローブ
チップに付着した金属ナノ粒子と、 (c)前記ナノ粒子に付着し、目標検出物との間に発生する結合事象によって
電流・電圧特性の検出可能な変化を生じる検出物特異性結合剤と、 を具備した単一電子トランジスタプローブ。24. A single electron transistor probe configured to scan a surface for the presence of chemicals or biologicals, comprising: (a) a conductive probe tip; (b) 12 nm or less. (C) Detection of current / voltage characteristics by a binding event that occurs between a metal nanoparticle having a spatial dimension and attached to the probe chip via an insulating medium, and (c) a target attached to the nanoparticle. A single-electron transistor probe comprising a detectable substance-specific binding agent that produces a possible change.
所定の電流・電圧特性を有する単一電子トランジスタデバイスであって、 (a)第1の絶縁材から形成された基板と、 (b)前記基板上に配置された金属層と、 (c)前記金属層の一領域内に形成され、前記金属層の酸化物を含むと共に、
前記金属層を、ソース電極を定める第1の領域と、ドレイン電極を定める第2の
領域と、目標分子との結合事象によって電流・電圧特性に検出可能な変化が引き
起こされる約12nmかそれ以下の空間寸法を有する金属ナノ粒子を定める第3
の領域とに分割して、二重トンネル接合を実現する絶縁体と を具備してなる単一電子トランジスタデバイス。25. A single electron transistor device operable at room temperature and having predetermined current-voltage characteristics useful for sensing chemicals, comprising: (a) a substrate formed from a first insulating material. (B) a metal layer disposed on the substrate, (c) formed in a region of the metal layer, and including an oxide of the metal layer,
The metal layer has a first region that defines a source electrode, a second region that defines a drain electrode, and a binding event with a target molecule that causes a detectable change in current-voltage characteristics of about 12 nm or less. Third defining metal nanoparticles with spatial dimensions
And an insulator that realizes a double tunnel junction.
、前記ナノ粒子における一酸化炭素の吸収によって電流・電圧特性の検出可能な
変化が引き起こされる請求項25に記載の単一電子トランジスタ。26. The method of claim 25, wherein the metal layer is platinum, the insulator comprises platinum oxide, and absorption of carbon monoxide in the nanoparticles causes a detectable change in current-voltage characteristics. Single electron transistor.
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