ナノギャップ電極を有する検出素子及びこれを用いた検出方法
【課題】 極微量の化学物質、特にDNAの構成物質である核酸化合物との水素結合相互作用を直接電流変化として捉えることを可能とするナノギャップ電極を有する検出素子及び検出方法を提供する
【解決手段】
検出対象物化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた検出対象化学物質の検出素子であって、センサー分子は、一方の端部にナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び他方の端部に検出対象化学物質と結合するレセプター部分構造を有するワイヤ状分子であり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子。
【解決手段】
検出対象物化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた検出対象化学物質の検出素子であって、センサー分子は、一方の端部にナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び他方の端部に検出対象化学物質と結合するレセプター部分構造を有するワイヤ状分子であり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノギャップ電極を有する検出素子及びこれを用いたチミンの検出方法に関する。詳しくは、分子認識結果を直接電流変化として捉える事によって化学物質を検出する検出素子及び検出方法である。
【背景技術】
【０００２】
化学物質のセンシング技術は従来の分析化学の延長線を超えて急速に発達している。
特に、DNAなどの特定の物質を高感度化には遺伝子工学や生命化学分野では重要であり、１ｆｍｏｌ（１×１０−１５モル）のペプチドが検出できる質量分析装置や、一分子からの蛍光検出も可能な単分子蛍光計測装置が市販されている。（例えばScientific Analysis Instruments社製 MALDITof/Tof-MS/MS質量分析器、オリンパス社製単分子蛍光計測装置MF２０型（商品名））。
このほかに、核酸塩基の検出については、塩基と特異的に結合する機能性分子のスペクトル変化、電気化学的変化として捉える提案が学術雑誌に報告されている。しかし、上記の従来技術では、大がかりな装置や高価な装置を必要とし、目的の塩基類の検出には多くの時間を要し、迅速、高感度、簡便な目的物質のセンシングには適していなかった。
【０００３】
また、ナノギヤップ電極問にアフィニティーセンサーを配置し、これと相補的に結合可能なパートナー化合物を導電性微粒子上に修飾した仲介粒子が特異的に電極間に結合配置されることにより、導電性変化が起こることを利用する新しいセンサーも提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、上記導電性微粒子を仲介して目的物を検出する方法は、比較的簡便な方法に近づいているが、ホスト分子あるいはゲスト分子のいずれかを金等の導電性微粒子に前もって結合して置く必要があり、迅速な方法とは言い難かった。
【０００５】
さらに、数ナノメートルサイズの物質を直接検出する方法としては、スキャニング型のトンネル電流顕微鏡がある。このタイプの顕微鏡は高感度、高解像度で分子を観測できるが、単結晶や単分子膜等の規則性構造のある表面上にある物質の検出に限定されることや探針をミクロンメートル単位の面積範囲をスキャニングし無ければならない等、迅速な方法と言い難かった。
【０００６】
本発明者らは１０ナノメートル以下のナノギャップ電極間に核酸塩基化合物と水素結合可能な部位を持つ機能性センサー分子類（特許文献２参照）をナノギャップ電極に架橋した素子を用いて形成結果を直接電気伝導度の変化として捉えることのできることを見いだしている。しかしながら、数ナノメートルから１０ナノメートル程度の間隔を持つ電極に架橋できる３ナノメートルから１０ナノメートル程度センサー分子の合成は多段階反応を必要とし、多大な労力を必要とした。
【特許文献１】特開２００２−５３３６９８号公報
【特許文献２】特願２００５−０６５０７２
【特許文献３】特開２００４−２５９７４８号公報
【特許文献４】特開２００５−７９３３５号公報
【特許文献５】特開２００５−１７５１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解消するため、合成が簡単な２ナノメートル程度のセンサー化合物を用いて極微量の化学物質、特にDNAの構成物質である核酸化合物との水素結合相互作用を直接電流変化として捉えることを可能とするナノギャップ電極を有する検出素子及び検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、１０ナノメートル以下のギャップを持つ電極に２ナノメートル以下のセンサー分子を非架橋状態で表面修飾し、検出対象物質が結合した時、非結合状態で流れていたトンネル電流が増加する現象を見いだし、本発明に至ったものである。すなわち、本発明は、
検出対象物の化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた化学物質の検出素子であって、センサー分子はナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び検出対象物の化学物質と結合するレセプター部分構造からなり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子である。
また、本発明においては、センサー分子を、式（１）
【化１１】
とすることができる。
さらに、本発明においては、センサー分子を、式（２）
【化１２】
とすることができる。
【０００９】
また、本発明においては、ナノギャップ電極を、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルから選ばれる金属の一つとすることができる。
またさらに、本発明は、前記電極の検出対象物質をチミンとすることができる。
さらに、本発明は、検出対象物の化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた化学物質の検出素子であって、センサー分子はナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び検出対象物の化学物質と結合するレセプター部分構造からなり、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子を用いて、検出対象物の化学物質を捕捉し、捕捉前と捕捉後のギャップ電極間の電気抵抗値変化として検出する化学物質の検出方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の新規なセンサー素子構造は、ギャップ電極間の電気抵抗値変化を直接検出することにより、検出対象物の化学物質をダイレクトに検知することができる。代表的な検出対象物の化学物質はチミンであり、核酸塩基の１つであるチミン化合物と特異的に水素結合し、かつギャップ電極に容易に合成できるセンサー化合物を非架橋構造で結合させる事により、トンネル電流型顕微鏡では必須なスキャニングを省くことにより、従来の検出法よりも迅速かつ鋭敏に標的物質を検出しうる核酸塩基センサーを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の化学物質センサーの原理図である。
図１−ａは検出前の図である。Ａは導電性の電極である。その間隔はトンネル電流が測定できる程度の間隔を持つ。電極表面には導電性を持つ分子（Ｂ）が化学的に結合している。センサー分子の末端には検出対象と特異的に結合可能なレセプター部位を持つ（Ｃ）。
図１−ｂは検出対象物質（Ｄ）が図１−ａのセンサー電極に結合した状態を示している。図１−ａの電極はナノメートルスケールの間隔を持つことから、ＳＴＭの原理に使用されているトンネル電流が観測されている。トンネル電流量は測定物質間の距離の関数であり、短いほど多く流れる。図１−ｂの状態、すなわち検出対象化合物（Ｄ）がセンサー部位に結合するとセンサー部位を含めた電極間の距離が短くなる。その結果、図１−ａの状態より図１−ｂの状態がより多くのトンネル電流が流れることになり、特定の化学物質（Ｄ）を検出できる事になる。
このセンサー構造を使用すれば、今までの探針でトンネル電流の変化の分布図を作成する必要が無く、高感度、迅速に化学物質を検出できることが可能である。
【００１２】
ギャップ電極は分子サイズオーダーのギャップを持つ電極であり、センサー化合物との共有結合形成を可能とする材料ならば使用可能であるが、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルから選ばれる金属の一つが良く、金電極が最も望ましい。すなわち、本発明者らにより既に分子サイズのギャップを持つ電極構造の製造方法および該方法により製造された電極構造を有する分子素子に関する特許文献（特許文献３〜５参照）のなかで述べられたナノギャップ電極構造が望ましい。
【００１３】
使用する電極のギャップ巾は、使用するセンサー分子と検出対象とする化学物質の分子サイズで最適巾が決定されるが、架橋型のセンサー系とは異なり、トンネル電流が測定可能な範囲に近接すればよいのでその融通性は高い。実際に使用される巾としてはギャップ電極の作成歩留まりおよびセンサー分子の合成の容易さから、最大１０ｎｍ以下の金製のギャップ電極が望ましい。
【００１４】
前記ナノギャップ電極に化学結合可能なセンサー分子の構造は式（１）又は式（２）で表される。
【化１３】
【化１４】
【００１５】
式中の（アセチル基で保護されたチオール基（アセチルチオ基）は取扱中に酸化によりジスルフィド誘導体に変化を防ぐためにアセチル基で保護してある。この保護基は使用直前もしくはin situで脱保護して用いることができる。式（１）又は式（２）のフェニレンエチニレンユニットは電極に固定化した時、導電性をできるだけ高める、剛直な鎖であることから電極間の距離をせばめて導電性の向上に寄与できることから選ばれた。さらに、ここで使用されている２，６−ジアミドピリジン誘導体はチミン類の人工レセプターとして広く利用されている化合物である。なお、式（１）は公知の化合物であり、式（２）の化合物合成法は発明者らが7th International Synposium on Polymers and Advanced Technorojies(2003, Florida, USA) にて発表済みであり、既知化合物である。
【実施例１】
【００１６】
以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでない。
（式（２）の化合物のギャップ電極への修飾およびブチルチミンによる導電性変化の測定）
＜１＞式（２）の化合物およびピロリジンを塩化メチレン溶液（０．１ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、２４時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を１．０ｍＭ／ＬのＮ−ブチルチミン溶液に１時間、浸積し、
＜３＞余分のブチルチミンを除く目的でエタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。
図２に得られた結果の一例を示す。図２のＢｕＴ＋およびＢｕＴ−は、それぞれブルチミンを結合させた状態およびブチルチミンを洗浄した状態を示している。
図２から、ブチルチミンを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、ブチルチミンを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のブチルチミンの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例２】
【００１７】
（アミノピリジンを有する分子ワイヤ（新規化合物I）の製造）
市販の２−アミノ−５−ヨードピリジン（０．１００ｇ）とアセチル基で保護したフェニレンエチニレン化合物（０．１３８ｇ）、
【化１５】
を２ｍＬのトルエンに溶解後、触媒としてテトラキス（トリフェニルフォスフィン）パラジウム（０．０２６３ｇ）およびトリフェニルフォスフィン（２３．８ｍｇ）ヨウ化銅（８．６６ｍｇ）、２ｍＬのトリエチルアミンを加え、窒素下で３日、４０℃加熱撹拌する。反応終了後、シリカゲル−塩化メチレン−酢酸エチルのカラムクロマトグラフィーにて精製を行い、０．１１７ｇ（収率７０．３％）で化合物１を得た。
構造確認はＥＳＩ質量分析（アセトニトリル溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝ ３６８．１０［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝４１０．２［Ｍ＋ＣＨ３ＣＮ＋Ｈ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（重クロロホルム） δ：8.28(d, J=1.7Hz, 1H), 7.57(dd, J=8.5Hzと1.7Hz, 1H) 7.55(d, J=8.4Hz, 2H), 7.51-7.46(m, 4H), 7.40(d, J=8.4Hz, 2H), 6.46(d, J=8.5Hz, 1H), 4.61(br, 2H), 2.44(s, 3H)
【００１８】
新規化合物Iの導電性測定結果
＜１＞新規化合物Iおよびピロリジンの塩化メチレン溶液（０．１ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、２４時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を１．０ｍＭ／ＬのＮ−ブチルチミン溶液に１時間、浸積後、余分のブチルチミンを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞Ｎ−ブチルチミンを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図３に得られた結果の一例を示す。図３の＋ＢｕＴおよび−ＢｕＴは、それぞれＮ−ブルチミンを結合させた状態およびＮ−ブチルチミンを洗浄した状態を示している。
図３から、Ｎ−ブチルチミンを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、Ｎ−ブチルチミンを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のブチルチミンの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例３】
【００１９】
（チミンと等価なウラシル基を有する分子ワイヤ（新規化合物II）の製造）
市販の５−ブロモウラシル（０．３１４ｇ）とアセチル基で保護したフェニレンエチニレン化合物（０．５００ｇ）、
【化１６】
を１５ｍＬのＤＭＦに溶解後、触媒としてテトラキス（トリフェニルフォスフィン）パラジウム（０．１９０ｇ）およびトリフェニルフォスフィン（０．１７３ｇ）ヨウ化銅（０．０６２６ｇ）、５ｍＬのトリエチルアミンを加え、窒素下で１日、７０℃加熱撹拌する。反応終了後、シリカゲル−塩化メチレン−メタノール混合溶媒のカラムクロマトグラフィーにて精製を行う。さらに、SEPHADEX LH-20−テトラヒドロフランとエタノール混合溶媒のゲルクロマトグラフィーにて精製を行い、０．０５５１ｇ（収率８．７％）で化合物IIを得た。
構造確認はＥＳＩ質量分析（アセトニトリル溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３８４．０８［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝４２７．０［Ｍ＋Ｎａ＋Ｈ２Ｏ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：11.40(br, 2Ｈ), 7.95(s, 1H), 7.65(d, J=8.6Hz, 2H), 7.60(d, J= 8.6, 2H), 7.51-7.48(m, 4H), 2.47(s, 3H)
【００２０】
新規化合物IIの導電性測定結果
＜１＞新規化合物IIおよびピロリジンのジクロロエタン−エタノール（１：１）混合溶液（０．１ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、２日間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を０．５ｍＭ／Ｌのアデニン溶液に１時間、浸積後、余分のアデニンを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞アデニンを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図４に得られた結果の一例を示す。図４の＋adenineおよび−adenineは、それぞれアデニンを結合させた状態およびアデニンを洗浄した状態を示している。
図４から、アデニンを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、アデニンを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のアデニンの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例４】
【００２１】
シトシンを有する分子ワイヤ（新規化合物III）の製造
新規化合物IIIは次の行程に従い製造した。各工程の実施例を示す。
【化１７】
【００２２】
（行程１ 中間体（３ａ）の製造）
3-ヨード安息香酸クロリド
(５．００ｇ)、シトシン (０．６９５ｇ) を脱水ピリジン（１５ｍＬ）中、室温・窒素下で、１時間攪拌した。同量のシトシンを追加した後、5日間反応を続けた。氷冷下、１N-HCl(５０ｍＬ)をゆっくり加え1時間攪拌、生じた固体を濾過し５０ｍＬの熱エタノール-水（50/50＝v/v）で洗浄した。固体を８０ｍＬの熱エタノール-水に分散・攪拌・濾過の過程を数回繰り返した後、真空乾燥した（６０℃、１２時間）。収量３．８３ｇ(収率約９０%)。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３４０．９７［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝３６４．０６［Ｍ＋Ｎａ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br,, 2H), 8.35(s, 1H), 7.99(d, 8.4Hz, 1H), 7.97(d, J=8Hz, 1H), 7.88(d, J=6.8Hz, 1H), 7.31(dd, J=7.6Hz, 8Hz, 1H), 7.12(br, 1H),
【００２３】
（行程２ 中間体（３ｂ）の製造）
３ａ（３．４０ｇ）、トリメチルシリルアセチレン(１０ｍＬ)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)（０．６ｇ）、トリフェニルホスフィン(０．２５ｇ)、ジイソプロピルエチルアミン（１０ｍＬ）を５０ｍＬのN,N-ジメチルアセタミド中で混合し、窒素下で攪拌しながらヨウ化銅(I)(１g)を投入した（反応温度６０℃）。反応液が赤茶透明状態を経て、黄色固体が生成したところで２０ｍＬのN,N-ジメチルアセタミドを加え、温度を５０℃としてさらに５時間反応させた。生じた固体を減圧濾過して集め、５０ｍＬのクロロホルムで洗浄・乾燥し、白色固体１．４８ｇを得た。先の濾液を減圧蒸留により濃縮し、１５０ｍＬのクロロホルムを加えることにより固体を析出した。固体を濾別、クロロホルム５０ｍＬで洗浄・乾燥し、目的物の３ｂ、０．９４ｇを得た。合計収量 ２．４２ｇ（収率約７８％）。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３１１．１１［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝３３４．９４［Ｍ＋Ｎａ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br, 2H), 8.09(s, , 1H), 8.00(d, 8.0Hz, 1H), 7.88(d, J=6.8Hz, 1H), 7.67(d, J=7.6Hz, 1H), 7.51(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 7.10(br, 1H), 0.25(s, 9H)
【００２４】
（行程３ 中間体（３ｃ）の製造）
３ｂ（１．４７ｇ）を乾燥テトラヒドロフラン１５０ｍＬに分散し、バス温度を−１０℃に下げ、穏やかに攪拌しながら４．５ｍＬの１Mフッ化テトラ-n-ブチルアンモニウムテトラヒドロン溶液を、シリンジで注入した。温度を保ちながら６時間反応した後、水１．０ｍＬ（過剰量）を加えさらに３時間攪拌を続けた。生じた白色固体を濾別、３０ｍＬの冷メタノールで洗浄、真空下乾燥し、０．３２３ｇの目的物を得た。先の濾液を３０ｍＬまで濃縮、水３０ｍＬを加えた後、メタノール分を留去することによりさらに固体を得た。固体を濾別、冷水で洗浄後、真空乾燥し目的物０．６７ｇを得た。合計収量０．９９３ｇ （収率約８３％）。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝２３９．０７［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝２４２．３０［Ｍ＋Ｈ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br, 2H), 8.09(s, 1H), 8.01(d, 8.0Hz, 1H), 7.88(d, 6.8Hz, 1H), 7.70(d, J=7.6Hz, 1H), 7.52(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 4.32(s, 1H),
【００２５】
（行程４ 新規化合物IIIの製造）
３ｃ（０．９８９ｇ)、パラアセチルチオヨードベンゼン（１．１５ｇ,等モル量）、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム（０．２１２ｇ）、トリフェニルホスフィン（０．０５５ｇ）、ジイソプロピルエチルアミン(４ｍＬ)を、２０ｍＬのN,N-ジメチルアセタミド中で混合し、窒素置換後攪拌しながらヨウ化銅(I)(０．２０２ｇ)を投入し、温度４０℃で２４時間反応を行った。生成した茶色固体を濾過により取り除き、濾液を１５ｍＬまで濃縮、クロロホルム５０ｍＬを投入して新たな固体を析出した。これをクロロホルム洗浄・乾燥し、３ｃの粗製物０．４６ｇを得た。粗製物５０ｍｇをソックスレー抽出器におき、テトラヒドロフラン５０ｍＬで１０時間抽出、冷却後生じた白色固体を濾別、最少量のテトラヒドロフランで洗浄後、真空乾燥した。このソックスレー抽出操作を繰り返すことにより、粗製物０．３２ｇから精製物０．１５２ｇを得た。収率９％以上。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３８９．０８［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝４１２．４９［Ｍ＋Ｎａ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br, 2H), 8.22(s, 1H), 8.04(d, 8.0Hz, 1H), 7.80(d, J=7.6Hz, 1H), 7.68(d, J=8.4Hz, 2H), 7.58(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 7.50(d, J=8.8Hz, 1H), 7.10(br, 1H), 2.47(s, 3H)
【００２６】
新規化合物IIIの導電性測定結果
＜１＞新規化合物IIIおよびピロリジンのジクロロエタン−ＤＭＳＯ（４：１）混合溶液（０．２ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、３時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を０．５ｍＭ／Ｌのアシクロビル溶液に１時間、浸積後、余分のアシクロビルを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞アシクロビルを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図５に得られた結果の一例を示す。図５の＋アシクロビルおよび−アシクロビルは、それぞれアシクロビルを結合させた状態およびアシクロビルを洗浄した状態を示している。
図５から、アシクロビルを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、アシクロビルを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のアシクロビルの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例５】
【００２７】
（３−アミノシクロヘキサノンを有する分子ワイヤ（新規化合物IＶ）の製造）
４−アミノチオフェノール（１．３５ｇ）とジメドン（１．５０ｇ）の混合物にトルエン（２００ｍＬ）とパラトルエンスルホン酸（０．０４ｇ）を加え、１３０℃、８時間撹拌した。１００℃、減圧下でトルエン（５０ｍＬ）を留去後、ヘキサン（２００ｍＬ）を加え、析出した固体を集めた。これをエタノール（５０ｍＬ）に溶解し、シクロヘキサン（４００ｍＬ）に注ぎ、析出した淡黄色固体、化合物４を１．４０ｇ（収率５３％）を得た。
構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝ ２４７．１０［Ｍ］＋、
実測値 ｍ／ｚ ＝２４８．０［Ｍ＋Ｈ］＋、
３１６．０［Ｍ＋Ｎａ＋ＥｔＯＨ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ３） δ：ca.11.5(br, 2H), 8.22(s, 1H), 8.04(d, 8.0Hz, 1H), 7.80(d, J=7.6Hz, 1H), 7.68(d, J=8.4Hz, 2H), 7.58(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 7.50(d, J=8.8Hz, 2H), 2.47(s, 3H)
【００２８】
化合物４導電性測定結果
＜１＞化合物４のジクロロエタン溶液（０．２ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、１６時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を０．５ｍＭ／Ｌの５−フルオロシトシン（Ｆ−Ｃｙｔ）溶液に１時間、浸積後、余分のＦ−Ｃｙｔを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞Ｆ−Ｃｙｔを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図４に得られた結果の一例を示す。図４の＋Ｆ−Ｃｙｔおよび−Ｆ−Ｃｙｔは、それぞれＦ−Ｃｙｔを結合させた状態およびＦ−Ｃｙｔを洗浄した状態を示している。
図４から、Ｆ−Ｃｙｔを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、Ｆ−Ｃｙｔを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のＦ−Ｃｙｔの存在に対応した電気的応答が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明のセンサー素子構造、化学物質の分子認識センサー、分子素子などナノテクノロジー分野およびバイオ・環境分野における高感度分子認識センサーとして有用性は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のセンサー素子の検出原理の説明図
【図２】実施例１の検出結果
【図３】実施例２の検出結果
【図４】実施例３の検出結果
【図５】実施例４の検出結果
【図６】実施例５の検出結果
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノギャップ電極を有する検出素子及びこれを用いたチミンの検出方法に関する。詳しくは、分子認識結果を直接電流変化として捉える事によって化学物質を検出する検出素子及び検出方法である。
【背景技術】
【０００２】
化学物質のセンシング技術は従来の分析化学の延長線を超えて急速に発達している。
特に、DNAなどの特定の物質を高感度化には遺伝子工学や生命化学分野では重要であり、１ｆｍｏｌ（１×１０−１５モル）のペプチドが検出できる質量分析装置や、一分子からの蛍光検出も可能な単分子蛍光計測装置が市販されている。（例えばScientific Analysis Instruments社製 MALDITof/Tof-MS/MS質量分析器、オリンパス社製単分子蛍光計測装置MF２０型（商品名））。
このほかに、核酸塩基の検出については、塩基と特異的に結合する機能性分子のスペクトル変化、電気化学的変化として捉える提案が学術雑誌に報告されている。しかし、上記の従来技術では、大がかりな装置や高価な装置を必要とし、目的の塩基類の検出には多くの時間を要し、迅速、高感度、簡便な目的物質のセンシングには適していなかった。
【０００３】
また、ナノギヤップ電極問にアフィニティーセンサーを配置し、これと相補的に結合可能なパートナー化合物を導電性微粒子上に修飾した仲介粒子が特異的に電極間に結合配置されることにより、導電性変化が起こることを利用する新しいセンサーも提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、上記導電性微粒子を仲介して目的物を検出する方法は、比較的簡便な方法に近づいているが、ホスト分子あるいはゲスト分子のいずれかを金等の導電性微粒子に前もって結合して置く必要があり、迅速な方法とは言い難かった。
【０００５】
さらに、数ナノメートルサイズの物質を直接検出する方法としては、スキャニング型のトンネル電流顕微鏡がある。このタイプの顕微鏡は高感度、高解像度で分子を観測できるが、単結晶や単分子膜等の規則性構造のある表面上にある物質の検出に限定されることや探針をミクロンメートル単位の面積範囲をスキャニングし無ければならない等、迅速な方法と言い難かった。
【０００６】
本発明者らは１０ナノメートル以下のナノギャップ電極間に核酸塩基化合物と水素結合可能な部位を持つ機能性センサー分子類（特許文献２参照）をナノギャップ電極に架橋した素子を用いて形成結果を直接電気伝導度の変化として捉えることのできることを見いだしている。しかしながら、数ナノメートルから１０ナノメートル程度の間隔を持つ電極に架橋できる３ナノメートルから１０ナノメートル程度センサー分子の合成は多段階反応を必要とし、多大な労力を必要とした。
【特許文献１】特開２００２−５３３６９８号公報
【特許文献２】特願２００５−０６５０７２
【特許文献３】特開２００４−２５９７４８号公報
【特許文献４】特開２００５−７９３３５号公報
【特許文献５】特開２００５−１７５１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解消するため、合成が簡単な２ナノメートル程度のセンサー化合物を用いて極微量の化学物質、特にDNAの構成物質である核酸化合物との水素結合相互作用を直接電流変化として捉えることを可能とするナノギャップ電極を有する検出素子及び検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、１０ナノメートル以下のギャップを持つ電極に２ナノメートル以下のセンサー分子を非架橋状態で表面修飾し、検出対象物質が結合した時、非結合状態で流れていたトンネル電流が増加する現象を見いだし、本発明に至ったものである。すなわち、本発明は、
検出対象物の化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた化学物質の検出素子であって、センサー分子はナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び検出対象物の化学物質と結合するレセプター部分構造からなり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子である。
また、本発明においては、センサー分子を、式（１）
【化１１】
とすることができる。
さらに、本発明においては、センサー分子を、式（２）
【化１２】
とすることができる。
【０００９】
また、本発明においては、ナノギャップ電極を、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルから選ばれる金属の一つとすることができる。
またさらに、本発明は、前記電極の検出対象物質をチミンとすることができる。
さらに、本発明は、検出対象物の化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた化学物質の検出素子であって、センサー分子はナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び検出対象物の化学物質と結合するレセプター部分構造からなり、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子を用いて、検出対象物の化学物質を捕捉し、捕捉前と捕捉後のギャップ電極間の電気抵抗値変化として検出する化学物質の検出方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の新規なセンサー素子構造は、ギャップ電極間の電気抵抗値変化を直接検出することにより、検出対象物の化学物質をダイレクトに検知することができる。代表的な検出対象物の化学物質はチミンであり、核酸塩基の１つであるチミン化合物と特異的に水素結合し、かつギャップ電極に容易に合成できるセンサー化合物を非架橋構造で結合させる事により、トンネル電流型顕微鏡では必須なスキャニングを省くことにより、従来の検出法よりも迅速かつ鋭敏に標的物質を検出しうる核酸塩基センサーを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の化学物質センサーの原理図である。
図１−ａは検出前の図である。Ａは導電性の電極である。その間隔はトンネル電流が測定できる程度の間隔を持つ。電極表面には導電性を持つ分子（Ｂ）が化学的に結合している。センサー分子の末端には検出対象と特異的に結合可能なレセプター部位を持つ（Ｃ）。
図１−ｂは検出対象物質（Ｄ）が図１−ａのセンサー電極に結合した状態を示している。図１−ａの電極はナノメートルスケールの間隔を持つことから、ＳＴＭの原理に使用されているトンネル電流が観測されている。トンネル電流量は測定物質間の距離の関数であり、短いほど多く流れる。図１−ｂの状態、すなわち検出対象化合物（Ｄ）がセンサー部位に結合するとセンサー部位を含めた電極間の距離が短くなる。その結果、図１−ａの状態より図１−ｂの状態がより多くのトンネル電流が流れることになり、特定の化学物質（Ｄ）を検出できる事になる。
このセンサー構造を使用すれば、今までの探針でトンネル電流の変化の分布図を作成する必要が無く、高感度、迅速に化学物質を検出できることが可能である。
【００１２】
ギャップ電極は分子サイズオーダーのギャップを持つ電極であり、センサー化合物との共有結合形成を可能とする材料ならば使用可能であるが、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルから選ばれる金属の一つが良く、金電極が最も望ましい。すなわち、本発明者らにより既に分子サイズのギャップを持つ電極構造の製造方法および該方法により製造された電極構造を有する分子素子に関する特許文献（特許文献３〜５参照）のなかで述べられたナノギャップ電極構造が望ましい。
【００１３】
使用する電極のギャップ巾は、使用するセンサー分子と検出対象とする化学物質の分子サイズで最適巾が決定されるが、架橋型のセンサー系とは異なり、トンネル電流が測定可能な範囲に近接すればよいのでその融通性は高い。実際に使用される巾としてはギャップ電極の作成歩留まりおよびセンサー分子の合成の容易さから、最大１０ｎｍ以下の金製のギャップ電極が望ましい。
【００１４】
前記ナノギャップ電極に化学結合可能なセンサー分子の構造は式（１）又は式（２）で表される。
【化１３】
【化１４】
【００１５】
式中の（アセチル基で保護されたチオール基（アセチルチオ基）は取扱中に酸化によりジスルフィド誘導体に変化を防ぐためにアセチル基で保護してある。この保護基は使用直前もしくはin situで脱保護して用いることができる。式（１）又は式（２）のフェニレンエチニレンユニットは電極に固定化した時、導電性をできるだけ高める、剛直な鎖であることから電極間の距離をせばめて導電性の向上に寄与できることから選ばれた。さらに、ここで使用されている２，６−ジアミドピリジン誘導体はチミン類の人工レセプターとして広く利用されている化合物である。なお、式（１）は公知の化合物であり、式（２）の化合物合成法は発明者らが7th International Synposium on Polymers and Advanced Technorojies(2003, Florida, USA) にて発表済みであり、既知化合物である。
【実施例１】
【００１６】
以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでない。
（式（２）の化合物のギャップ電極への修飾およびブチルチミンによる導電性変化の測定）
＜１＞式（２）の化合物およびピロリジンを塩化メチレン溶液（０．１ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、２４時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を１．０ｍＭ／ＬのＮ−ブチルチミン溶液に１時間、浸積し、
＜３＞余分のブチルチミンを除く目的でエタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。
図２に得られた結果の一例を示す。図２のＢｕＴ＋およびＢｕＴ−は、それぞれブルチミンを結合させた状態およびブチルチミンを洗浄した状態を示している。
図２から、ブチルチミンを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、ブチルチミンを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のブチルチミンの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例２】
【００１７】
（アミノピリジンを有する分子ワイヤ（新規化合物I）の製造）
市販の２−アミノ−５−ヨードピリジン（０．１００ｇ）とアセチル基で保護したフェニレンエチニレン化合物（０．１３８ｇ）、
【化１５】
を２ｍＬのトルエンに溶解後、触媒としてテトラキス（トリフェニルフォスフィン）パラジウム（０．０２６３ｇ）およびトリフェニルフォスフィン（２３．８ｍｇ）ヨウ化銅（８．６６ｍｇ）、２ｍＬのトリエチルアミンを加え、窒素下で３日、４０℃加熱撹拌する。反応終了後、シリカゲル−塩化メチレン−酢酸エチルのカラムクロマトグラフィーにて精製を行い、０．１１７ｇ（収率７０．３％）で化合物１を得た。
構造確認はＥＳＩ質量分析（アセトニトリル溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝ ３６８．１０［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝４１０．２［Ｍ＋ＣＨ３ＣＮ＋Ｈ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（重クロロホルム） δ：8.28(d, J=1.7Hz, 1H), 7.57(dd, J=8.5Hzと1.7Hz, 1H) 7.55(d, J=8.4Hz, 2H), 7.51-7.46(m, 4H), 7.40(d, J=8.4Hz, 2H), 6.46(d, J=8.5Hz, 1H), 4.61(br, 2H), 2.44(s, 3H)
【００１８】
新規化合物Iの導電性測定結果
＜１＞新規化合物Iおよびピロリジンの塩化メチレン溶液（０．１ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、２４時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を１．０ｍＭ／ＬのＮ−ブチルチミン溶液に１時間、浸積後、余分のブチルチミンを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞Ｎ−ブチルチミンを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図３に得られた結果の一例を示す。図３の＋ＢｕＴおよび−ＢｕＴは、それぞれＮ−ブルチミンを結合させた状態およびＮ−ブチルチミンを洗浄した状態を示している。
図３から、Ｎ−ブチルチミンを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、Ｎ−ブチルチミンを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のブチルチミンの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例３】
【００１９】
（チミンと等価なウラシル基を有する分子ワイヤ（新規化合物II）の製造）
市販の５−ブロモウラシル（０．３１４ｇ）とアセチル基で保護したフェニレンエチニレン化合物（０．５００ｇ）、
【化１６】
を１５ｍＬのＤＭＦに溶解後、触媒としてテトラキス（トリフェニルフォスフィン）パラジウム（０．１９０ｇ）およびトリフェニルフォスフィン（０．１７３ｇ）ヨウ化銅（０．０６２６ｇ）、５ｍＬのトリエチルアミンを加え、窒素下で１日、７０℃加熱撹拌する。反応終了後、シリカゲル−塩化メチレン−メタノール混合溶媒のカラムクロマトグラフィーにて精製を行う。さらに、SEPHADEX LH-20−テトラヒドロフランとエタノール混合溶媒のゲルクロマトグラフィーにて精製を行い、０．０５５１ｇ（収率８．７％）で化合物IIを得た。
構造確認はＥＳＩ質量分析（アセトニトリル溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３８４．０８［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝４２７．０［Ｍ＋Ｎａ＋Ｈ２Ｏ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：11.40(br, 2Ｈ), 7.95(s, 1H), 7.65(d, J=8.6Hz, 2H), 7.60(d, J= 8.6, 2H), 7.51-7.48(m, 4H), 2.47(s, 3H)
【００２０】
新規化合物IIの導電性測定結果
＜１＞新規化合物IIおよびピロリジンのジクロロエタン−エタノール（１：１）混合溶液（０．１ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、２日間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を０．５ｍＭ／Ｌのアデニン溶液に１時間、浸積後、余分のアデニンを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞アデニンを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図４に得られた結果の一例を示す。図４の＋adenineおよび−adenineは、それぞれアデニンを結合させた状態およびアデニンを洗浄した状態を示している。
図４から、アデニンを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、アデニンを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のアデニンの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例４】
【００２１】
シトシンを有する分子ワイヤ（新規化合物III）の製造
新規化合物IIIは次の行程に従い製造した。各工程の実施例を示す。
【化１７】
【００２２】
（行程１ 中間体（３ａ）の製造）
3-ヨード安息香酸クロリド
(５．００ｇ)、シトシン (０．６９５ｇ) を脱水ピリジン（１５ｍＬ）中、室温・窒素下で、１時間攪拌した。同量のシトシンを追加した後、5日間反応を続けた。氷冷下、１N-HCl(５０ｍＬ)をゆっくり加え1時間攪拌、生じた固体を濾過し５０ｍＬの熱エタノール-水（50/50＝v/v）で洗浄した。固体を８０ｍＬの熱エタノール-水に分散・攪拌・濾過の過程を数回繰り返した後、真空乾燥した（６０℃、１２時間）。収量３．８３ｇ(収率約９０%)。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３４０．９７［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝３６４．０６［Ｍ＋Ｎａ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br,, 2H), 8.35(s, 1H), 7.99(d, 8.4Hz, 1H), 7.97(d, J=8Hz, 1H), 7.88(d, J=6.8Hz, 1H), 7.31(dd, J=7.6Hz, 8Hz, 1H), 7.12(br, 1H),
【００２３】
（行程２ 中間体（３ｂ）の製造）
３ａ（３．４０ｇ）、トリメチルシリルアセチレン(１０ｍＬ)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)（０．６ｇ）、トリフェニルホスフィン(０．２５ｇ)、ジイソプロピルエチルアミン（１０ｍＬ）を５０ｍＬのN,N-ジメチルアセタミド中で混合し、窒素下で攪拌しながらヨウ化銅(I)(１g)を投入した（反応温度６０℃）。反応液が赤茶透明状態を経て、黄色固体が生成したところで２０ｍＬのN,N-ジメチルアセタミドを加え、温度を５０℃としてさらに５時間反応させた。生じた固体を減圧濾過して集め、５０ｍＬのクロロホルムで洗浄・乾燥し、白色固体１．４８ｇを得た。先の濾液を減圧蒸留により濃縮し、１５０ｍＬのクロロホルムを加えることにより固体を析出した。固体を濾別、クロロホルム５０ｍＬで洗浄・乾燥し、目的物の３ｂ、０．９４ｇを得た。合計収量 ２．４２ｇ（収率約７８％）。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３１１．１１［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝３３４．９４［Ｍ＋Ｎａ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br, 2H), 8.09(s, , 1H), 8.00(d, 8.0Hz, 1H), 7.88(d, J=6.8Hz, 1H), 7.67(d, J=7.6Hz, 1H), 7.51(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 7.10(br, 1H), 0.25(s, 9H)
【００２４】
（行程３ 中間体（３ｃ）の製造）
３ｂ（１．４７ｇ）を乾燥テトラヒドロフラン１５０ｍＬに分散し、バス温度を−１０℃に下げ、穏やかに攪拌しながら４．５ｍＬの１Mフッ化テトラ-n-ブチルアンモニウムテトラヒドロン溶液を、シリンジで注入した。温度を保ちながら６時間反応した後、水１．０ｍＬ（過剰量）を加えさらに３時間攪拌を続けた。生じた白色固体を濾別、３０ｍＬの冷メタノールで洗浄、真空下乾燥し、０．３２３ｇの目的物を得た。先の濾液を３０ｍＬまで濃縮、水３０ｍＬを加えた後、メタノール分を留去することによりさらに固体を得た。固体を濾別、冷水で洗浄後、真空乾燥し目的物０．６７ｇを得た。合計収量０．９９３ｇ （収率約８３％）。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝２３９．０７［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝２４２．３０［Ｍ＋Ｈ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br, 2H), 8.09(s, 1H), 8.01(d, 8.0Hz, 1H), 7.88(d, 6.8Hz, 1H), 7.70(d, J=7.6Hz, 1H), 7.52(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 4.32(s, 1H),
【００２５】
（行程４ 新規化合物IIIの製造）
３ｃ（０．９８９ｇ)、パラアセチルチオヨードベンゼン（１．１５ｇ,等モル量）、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム（０．２１２ｇ）、トリフェニルホスフィン（０．０５５ｇ）、ジイソプロピルエチルアミン(４ｍＬ)を、２０ｍＬのN,N-ジメチルアセタミド中で混合し、窒素置換後攪拌しながらヨウ化銅(I)(０．２０２ｇ)を投入し、温度４０℃で２４時間反応を行った。生成した茶色固体を濾過により取り除き、濾液を１５ｍＬまで濃縮、クロロホルム５０ｍＬを投入して新たな固体を析出した。これをクロロホルム洗浄・乾燥し、３ｃの粗製物０．４６ｇを得た。粗製物５０ｍｇをソックスレー抽出器におき、テトラヒドロフラン５０ｍＬで１０時間抽出、冷却後生じた白色固体を濾別、最少量のテトラヒドロフランで洗浄後、真空乾燥した。このソックスレー抽出操作を繰り返すことにより、粗製物０．３２ｇから精製物０．１５２ｇを得た。収率９％以上。構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝３８９．０８［Ｍ］＋
実測値 ｍ／ｚ ＝４１２．４９［Ｍ＋Ｎａ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ−ｄ６） δ：〜11.5(br, 2H), 8.22(s, 1H), 8.04(d, 8.0Hz, 1H), 7.80(d, J=7.6Hz, 1H), 7.68(d, J=8.4Hz, 2H), 7.58(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 7.50(d, J=8.8Hz, 1H), 7.10(br, 1H), 2.47(s, 3H)
【００２６】
新規化合物IIIの導電性測定結果
＜１＞新規化合物IIIおよびピロリジンのジクロロエタン−ＤＭＳＯ（４：１）混合溶液（０．２ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、３時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を０．５ｍＭ／Ｌのアシクロビル溶液に１時間、浸積後、余分のアシクロビルを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞アシクロビルを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図５に得られた結果の一例を示す。図５の＋アシクロビルおよび−アシクロビルは、それぞれアシクロビルを結合させた状態およびアシクロビルを洗浄した状態を示している。
図５から、アシクロビルを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、アシクロビルを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のアシクロビルの存在に対応した電気的応答が得られた。
【実施例５】
【００２７】
（３−アミノシクロヘキサノンを有する分子ワイヤ（新規化合物IＶ）の製造）
４−アミノチオフェノール（１．３５ｇ）とジメドン（１．５０ｇ）の混合物にトルエン（２００ｍＬ）とパラトルエンスルホン酸（０．０４ｇ）を加え、１３０℃、８時間撹拌した。１００℃、減圧下でトルエン（５０ｍＬ）を留去後、ヘキサン（２００ｍＬ）を加え、析出した固体を集めた。これをエタノール（５０ｍＬ）に溶解し、シクロヘキサン（４００ｍＬ）に注ぎ、析出した淡黄色固体、化合物４を１．４０ｇ（収率５３％）を得た。
構造確認はＥＳＩ質量分析（エタノール溶液）および１Ｈ−ＮＭＲ測定より行った。
ＥＳＩ質量分析： 計算値 ｍ／ｚ ＝ ２４７．１０［Ｍ］＋、
実測値 ｍ／ｚ ＝２４８．０［Ｍ＋Ｈ］＋、
３１６．０［Ｍ＋Ｎａ＋ＥｔＯＨ］＋
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ３） δ：ca.11.5(br, 2H), 8.22(s, 1H), 8.04(d, 8.0Hz, 1H), 7.80(d, J=7.6Hz, 1H), 7.68(d, J=8.4Hz, 2H), 7.58(dd, J=7.6Hz, 8.0Hz, 1H), 7.50(d, J=8.8Hz, 2H), 2.47(s, 3H)
【００２８】
化合物４導電性測定結果
＜１＞化合物４のジクロロエタン溶液（０．２ｍＭ／Ｌ）を調製し、この溶液にナノギャップ電極を室温、１６時間、浸積した。修飾反応後、電極はエタノールにて良く洗浄して電気測定に使用した。
＜２＞この修飾済電極を０．５ｍＭ／Ｌの５−フルオロシトシン（Ｆ−Ｃｙｔ）溶液に１時間、浸積後、余分のＦ−Ｃｙｔを除く目的でジクロロエタンにて洗浄した。
＜３＞Ｆ−Ｃｙｔを脱離させる目的で、エタノール中、１時間浸積した。
＜２＞と＜３＞の操作を繰り返し、各々の段階でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｖ＝０付近での抵抗値を算出した。図４に得られた結果の一例を示す。図４の＋Ｆ−Ｃｙｔおよび−Ｆ−Ｃｙｔは、それぞれＦ−Ｃｙｔを結合させた状態およびＦ−Ｃｙｔを洗浄した状態を示している。
図４から、Ｆ−Ｃｙｔを結合させるとギャップ電極の抵抗が低くなり、Ｆ−Ｃｙｔを取ると抵抗値が上昇した。すなわち、検出対象のＦ−Ｃｙｔの存在に対応した電気的応答が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明のセンサー素子構造、化学物質の分子認識センサー、分子素子などナノテクノロジー分野およびバイオ・環境分野における高感度分子認識センサーとして有用性は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のセンサー素子の検出原理の説明図
【図２】実施例１の検出結果
【図３】実施例２の検出結果
【図４】実施例３の検出結果
【図５】実施例４の検出結果
【図６】実施例５の検出結果
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象物化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた検出対象化学物質の検出素子であって、センサー分子は、一方の端部にナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び他方の端部に検出対象化学物質と結合するレセプター部分構造を有するワイヤ状分子であり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子。
【請求項２】
センサー分子が、式（１）
【化１】
である請求項１に記載した化学物質の検出素子。
【請求項３】
センサー分子が、式（２）
【化２】
である請求項１に記載した化学物質の検出素子。
【請求項４】
ナノギャップ電極が、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルから選ばれる金属の一つである請求項１〜３のいずれかひとつに記載された化学物質の検出素子。
【請求項５】
前記電極の検出対象物質がチミンである請求項２〜４のいずれかひとつに記載された化学物質の検出素子。
【請求項６】
検出対象物化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた検出対象化学物質の検出素子であって、センサー分子は、一方の端部にナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び他方の端部に検出対象化学物質と結合するレセプター部分構造を有するワイヤ状分子であり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子を用いて、検出対象物の化学物質を捕捉し、捕捉前と捕捉後のギャップ間のトンネル電流を検出する化学物質の検出方法。
【請求項７】
一対の電極と、各電極の表面にそれぞれ固定されたセンサー分子からなる検出素子であって、該センサー分子は、電極表面に固定するための部位と、長さの調節可能な直線上の剛直なｎ個の鎖部位と被検出対象物質と結合するレセプター部位とを備えたワイヤ状分子であり、センサー分子と対向したセンサー分子間のレセプター部位間は、所定のギャップを有し、レセプター部位に被検出対象物質が捕捉されたことを、ギャップ間距離の変化のトンネル電流を測定してなる検出素子。
【請求項８】
一般式
【化３】
において、
【化４】
で表される新規化合物I。
【請求項９】
一般式
【化５】
において、
【化６】
で表される新規化合物II。
【請求項１０】
一般式
【化７】
において、
【化８】
で表される新規化合物III。
【請求項１１】
一般式
【化９】
において、
【化１０】
で表される新規化合物IV。
【請求項１】
検出対象物化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた検出対象化学物質の検出素子であって、センサー分子は、一方の端部にナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び他方の端部に検出対象化学物質と結合するレセプター部分構造を有するワイヤ状分子であり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子。
【請求項２】
センサー分子が、式（１）
【化１】
である請求項１に記載した化学物質の検出素子。
【請求項３】
センサー分子が、式（２）
【化２】
である請求項１に記載した化学物質の検出素子。
【請求項４】
ナノギャップ電極が、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルから選ばれる金属の一つである請求項１〜３のいずれかひとつに記載された化学物質の検出素子。
【請求項５】
前記電極の検出対象物質がチミンである請求項２〜４のいずれかひとつに記載された化学物質の検出素子。
【請求項６】
検出対象物化学物質と、結合する部位を有するセンサー分子を、ナノギャップ電極表面に結合させた検出対象化学物質の検出素子であって、センサー分子は、一方の端部にナノギャップ電極表面に固定化するための部分構造及び他方の端部に検出対象化学物質と結合するレセプター部分構造を有するワイヤ状分子であり、かつ、分子長が２ナノメートル以下であって、前記電極のギャップ巾が最大１０ナノメートル以下であることを特徴とする化学物質の検出素子を用いて、検出対象物の化学物質を捕捉し、捕捉前と捕捉後のギャップ間のトンネル電流を検出する化学物質の検出方法。
【請求項７】
一対の電極と、各電極の表面にそれぞれ固定されたセンサー分子からなる検出素子であって、該センサー分子は、電極表面に固定するための部位と、長さの調節可能な直線上の剛直なｎ個の鎖部位と被検出対象物質と結合するレセプター部位とを備えたワイヤ状分子であり、センサー分子と対向したセンサー分子間のレセプター部位間は、所定のギャップを有し、レセプター部位に被検出対象物質が捕捉されたことを、ギャップ間距離の変化のトンネル電流を測定してなる検出素子。
【請求項８】
一般式
【化３】
において、
【化４】
で表される新規化合物I。
【請求項９】
一般式
【化５】
において、
【化６】
で表される新規化合物II。
【請求項１０】
一般式
【化７】
において、
【化８】
で表される新規化合物III。
【請求項１１】
一般式
【化９】
において、
【化１０】
で表される新規化合物IV。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３２３９３（Ｐ２００８−３２３９３Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９０４０７（Ｐ２００６−１９０４０７）
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年３月１３日 社団法人 日本化学会発行の「日本化学会第８６春季年会講演予稿集ＣＤ−ＲＯＭ」に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギ ー・産業技術総合開発機構 委託研究「ナノ機能合成プロジェクト」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの。
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年３月１３日 社団法人 日本化学会発行の「日本化学会第８６春季年会講演予稿集ＣＤ−ＲＯＭ」に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギ ー・産業技術総合開発機構 委託研究「ナノ機能合成プロジェクト」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの。
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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