JP4491417B2 - ナノ化学種が埋め込まれた多孔質材料、その製造方法、およびその使用方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００３年８月４日に出願された、発明の名称「ナノ化学種がドープされた多孔質材料、その製造方法、およびその使用方法」（ＰＯＲＯＵＳ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＤＯＰＥＤ ＷＩＴＨ ＮＡＮＯＳＰＥＣＩＥＳ，ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＴＨＥＲＥＯＦ，ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＵＳＥ ＴＨＥＲＥＯＦ）の米国仮出願第６０／４９２，４１６号明細書に基づく優先権を主張し、その開示内容全体を参照により本明細書中に取り込む。

本発明は、一般に、多孔質材料に関し、特に、ナノ化学種（ｎａｎｏｓｐｅｃｉｅｓ）が埋め込まれた多孔質材料に関する。

生物分析科学、および生物工学における最近の発展によって、ＤＮＡチップ、小型バイオセンサー、およびマイクロ流体デバイスが開発されてきた。さらに、蛍光標識が好都合となる用途として、医療用（および非医療用）蛍光顕微鏡法、組織学、フローサイトメトリー、基礎的な細胞生物学および分子生物学のプロトコル、蛍光in situハイブリダイゼーション、ＤＮＡ配列決定、イムノアッセイ、結合アッセイ、および分離が挙げられる。これらの実現可能な技術は、遺伝子発現プロファイリング、抗力発見（ｄｒａｇ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ）、および臨床診断などの生物医学的研究の多くの分野に大きな影響を与えてきた。

蛍光標識された分子は、多種多様の用途で広範に使用されてきた。典型的には、有機染料をプローブと結合させ、次にこれを標的分子と選択的に結合させる。次に、染料分子を励起させ蛍光発光させることによって標的分子を同定する。これらの蛍光標識システムに有機染料を使用する場合、多数の欠点が存在する。励起した染料分子からの可視光の発光は、通常、広い発光スペクトル（約１００ｎｍ）、および赤色波長において発光の広いテール（別の約１００ｎｍ）が存在することを特徴とする。その結果、標識用分子の広いスペクトル発光および発光テールのために、存在する多数の異なる検出可能な物質の間で、同時または非同時に検出したり区別したりすることが困難となるので、１つの分析において同時または順次使用することが可能な異なる色の有機染料分子の数が非常に制限される。

別の問題は、有機染料は狭い吸収スペクトル（約３０〜５０ｎｍ）を有することが多いことであり、そのため、複数の波長プローブ、または、異なる波長でそれぞれ励起する一連のプローブを順次励起させるための異なるフィルターが順次使用される広スペクトル励起源のいずれかが必要となる。有機染料に関する別の問題は、光安定性が不足することである。多くの場合、有機染料は、繰り返し励起することによって、褪色したり、蛍光を発光しなくなったりする。

したがって、より正確で、高感度で、より広範な検出方法が産業界において必要とされている。
米国特許第６，４６８，８０８号明細書 国際公開第０３／００３０１５号パンフレット 第５，９０６，６７０号明細書 第５，８８８，８８５号明細書 第５，２２９，３２０号明細書 第５，４８２，８９０号明細書 第６，３０６，７３６号明細書 第６，２２５，１９８号明細書 ワン（Ｗａｎｇ），Ｑ．Ｃ．ら，Ｊ．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｐａｒｔ Ａ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，３２，２５７７（１９９４） キム（Ｋｉｍ），Ｊ．Ｗ．ら，Ｃｏｌｌｏｉｄ Ｐｏｌｙｍ Ｓｃｉ，２７９，１４６（２００１） 「蛍光プローブおよび研究用化学物質のハンドブック」（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｐｒｏｂｅｓ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ），（第６版），ＲＰ．ハウグランド（Ｈａｕｇｌａｎｄ），モレキュラー・プローブズ・インコーポレイテッド（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｂｅｓ，Ｉｎｃ．）

簡潔に述べると、本開示の実施形態は、構造体、その構造体の形成方法、およびその構造体の使用方法を含む。特に、構造体の例の１つは、ナノ化学種および多孔質材料を含む。ナノ化学種は、第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有する。さらに、第１のエネルギーに曝露することによって、第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生する。多孔質材料は、第１の特性と、複数の細孔とを有する。この第１の特性によって、ナノ化学種は、多孔質材料と相互作用して、多孔質材料の細孔内に入る。

上記構造体は、たとえば、アレイシステム、フローサイトメトリーシステム、診断ライブラリ、コンビナトリアルライブラリ、蛍光インク、および蛍光化粧品などにおいて使用することができる。

構造体の製造方法も提供される。特に、代表的な方法の１つは、第１の特性と第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、第１のエネルギーに曝露することによって前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種を提供するステップと；前記第１の特性を有する多孔質材料を提供するステップと；溶液の存在下で前記ナノ化学種および前記多孔質材料を導入するステップと；構造体を形成するステップであって、前記構造体が、少なくとも前記多孔質材料の細孔内部に配置された複数のナノ化学種を有する多孔質材料を含み、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種が、前記多孔質材料と相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内部に配置されるようになるステップとを含む。

本発明の構造体の使用方法も提供される。特に、代表的な方法の１つは、少なくとも１つの構造体をサンプルと接触させるステップと、前記構造体の前記第２の検出可能な特性の少なくとも１つを検出するステップとを含む。上記サンプルは、少なくとも１つの標的分子を含有し、各構造体は１種類の標的分子のみに対応している。この種類の標的分子がサンプル中に存在する場合に、本発明の構造体が標的分子と相互作用する。第２の検出可能な特性のそれぞれが検出されると、サンプル中にその標的分子が存在することが分かる。

以下の図面を参照することで、本発明の多数の側面をより十分に理解することができる。図面中の構成要素は必ずしも縮尺通りであるわけではなく、本発明の原理を明確に説明する場合には強調が行われている。さらに、図面中、類似の参照番号は、いくつかの図面にわたって対応する部分を示している。

本明細書において例示され大まかに説明されるように、一側面において、本発明の実施形態は、多孔質材料の細孔内に配置された１つ以上の部類および／または種類のナノ化学種を有する構造体、これらの構造体の製造方法、およびこれらの構造体の使用方法に関する。これらの構造体の製造方法によって、多孔質材料の細孔内に配置されるナノ化学種の量を精密で定量的に制御することができる。したがって、多孔質材料を適切な比率で複数の部類および／または種類のナノ化学種と混合すると、多くの独特で区別可能な構造体を製造することができる。さらに、本発明の構造体は、第１のエネルギー（たとえば光源）に曝露後に区別可能となるため、第２の検出可能なエネルギーの発生に基づいて本発明の構造体を個別に検出することが可能である。さらに、本発明の構造体がある種の標的分子と相互作用するように本発明の構造体を変更することができ、これによって、第１のエネルギーに曝露した後でその標的分子を検出することができる。この結果、これらの構造体は、標的分子を同定するための「分子コード」として使用することができる。本発明の構造体は、限定するものではないが、バイオセンシング、バイオラベリング、高速スクリーニング、遺伝子発現の研究、タンパク質の研究、医療診断、診断ライブラリ、コンビナトリアルライブラリ、マイクロ流体システム、オプトエレクトロニクス、高密度メモリ、蛍光インク（偽造）、蛍光性化粧品、フローサイトメトリー、波長分解分光法、多重スペクトル画像法、蛍光性安全保障マーク、触媒反応、および人物同定などの多くの活動分野で使用することができる。

本明細書で前述したように、本発明の一実施形態は、１種類以上のナノ化学種をドープした多孔質材料を含む。ナノ化学種と多孔質材料とは、同じ第１の特性を有する。この第１の特性によって、ナノ化学種と多孔質材料の相互作用が増強され、それによって多孔質材料の細孔内にナノ科学種が配置されたり埋め込まれたりするようになる。この相互作用によって、１種類以上の種類および／または部類のナノ化学種を、精密に定量的に多孔質材料に加えることができる。これらの構造体およびこれらの構造体の作製の具体的な実施形態の詳細に関しては、以下の実施例１および２においてより詳細に議論する。

第１の特性は、直接的または間接的のいずれかで、ナノ化学種の多孔質材料への引き付け、結合、または内部への埋め込みを引き起こす化学的特性、電気的特性、生物学的特性、物理学的特性、またはそれらの組み合わせとして説明することができるが、これらに限定されるものではない。たとえば、第１の特性としては、限定するものではないが、疎水性、親水性、静電特性、生物学的特性、バイオアフィニティ特性、リガンド−受容体特性、抗体−抗原特性、金属キレート化特性、磁気特性、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。「類似の」第１の特性を有する多孔質材料とナノ化学種とは、適切な条件下で互いに引き合うため、多孔質材料の細孔内にナノ化学種を定量的に配置することができる。たとえば、ナノ化学種と多孔質材料とのそれぞれが疎水性を有する場合、適切な条件下で、ナノ化学種が多孔質材料に引き付けられて結合する。

ナノ化学種および／または多孔質材料は、固有の第１の特性を有することができる。たとえば、ナノ化学種および／または多孔質材料の化学的および／または生物学的組成物が固有の疎水性、親水性などを有する。さらに、ナノ化学種および／または多孔質材料は、第１の特性を有するように、処理、コーティング、またはその他の改質を行うことができる。たとえば、ナノ化学種および／または多孔質材料は、疎水性、親水性などに化学的に改質することができる。

多孔質材料としては、メソポーラス材料（たとえば、約１〜１００ナノメートル（ｎｍ）の細孔直径）、マクロポーラス材料（たとえば、約１００ｎｍを超える細孔直径）、および複合メソポーラス／マクロポーラス材料を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。多孔質材料の形状は、球形、立方体、およびモノリス（すなわち、塊状材料）であってよいが、これらに限定されるものではない。

多孔質材料の好ましい形状は、約０．１〜１００μｍ、好ましくは約１〜５０μｍの球の直径を有する球形（たとえばビーズ）である。細孔直径は、約１〜５００ｎｍ、約５〜２００ｎｍ、および約１０〜５０ｎｍである。さらに、ビーズは、約５００，０００〜約１千万個のナノ化学種、さらに特に約２百万〜６百万個のナノ化学種を、ビーズの細孔内に含むことができる。ビーズの種類としては、限定するものではないが、シリカビーズおよびポリマービーズ（たとえばクロマトグラフィー用ビーズ）、セラミック、ならびにモレキュラーシーブを挙げることができる。

多孔質材料は、限定するものではないが、ポリマー、コポリマー、金属、シリカ材料、セルロース、セラミック、ゼオライト、およびそれらの組み合わせなどの材料でできていてよい。好ましい多孔質材料は、シリカ 材料およびポリスチレンおよびポリスチレンコポリマー（たとえば、ジビニルベンゼン、メタシル酸（ｍｅｔｈａｃｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、マレイン酸）であり、これらは実施例１および２においてより詳細に説明している。

ナノ化学種の部類としては、限定するものではないが、ナノ粒子（たとえば、量子ドット、金属粒子、および磁性粒子）および生体分子を挙げることができる。ナノ粒子としては、限定するものではないが、半導体、金属、および金属酸化物のナノ粒子（たとえば、金、銀、銅、チタン、またはそれらの酸化物）、半金属および半金属酸化物のナノ粒子、ランタニド系列金属のナノ粒子、およびそれらの組み合わせなどの多くの種類のナノ粒子を挙げることができる。特に、半導体量子ドットは、以下で、および参照により本明細書に組み込まれている特許文献１および特許文献２により詳細に記載されている。さらに、磁性ナノ粒子（たとえば、磁気的性質を有するナノ粒子）としては、限定するものではないが、鉄ナノ粒子および鉄複合材料ナノ粒子を挙げることができる。生体分子としては、限定するものではないが、ポリペプチドおよびポリヌクレオチドなどの多くの種類の生体分子を挙げることができる。特に、生体分子としては、タンパク質、リガンド、受容体、抗原、抗体、およびそれらの個別の部分を挙げることができる。好ましくは、ナノ化学種は半導体量子ドットである。

多孔質材料は、内部に配置された１つ以上の部類のナノ化学種を有することができる。さらに、多孔質材料は、内部に配置された、１つの部類のナノ化学種の中の１つ以上の異なる種類のナノ化学種を有することができる。さらに、１つ以上の部類のナノ化学種の１つ以上の種類のナノ化学種を、多孔質材料内部に配置することができる。

ナノ化学種は、適切な検出システムを使用して第２の検出可能な特性を検出することによってそのナノ化学種を同定するために使用することが可能となる、１つ以上の第２の検出可能な特性を有することができる。限定するものではないが、光エネルギー、熱エネルギー、磁気エネルギー、およびそれらの組み合わせなどの第１のエネルギーへの曝露に反応することで、第２の検出可能な特性を発生させることができる。第１のエネルギーは、適切なエネルギー源によって発生させることができる。

ナノ化学種は、限定するものではないが、蛍光特性（たとえば、半導体量子ドット）、磁気特性（たとえば、鉄粒子）、ルミネセンス特性（たとえば、ランタニド系列金属のナノ粒子）、光散乱特性（たとえば、金属ナノ粒子）、表面プラズモン特性（たとえば、金属ナノ粒子）、およびそれらの組み合わせなどの第２の検出可能な特性を有することができる。たとえば、半導体量子ドットを光エネルギーに曝露することができ、その半導体量子ドットは、半導体量子ドットの種類に特有の蛍光エネルギーを発することができ、このことは後により詳細に説明する。

前述したように、ナノ化学種は、限定するものではないが、ルミネセンス半導体量子ドットなどの量子ドットを含むことができる。一般に量子ドットは、コアおよびキャップを含むが、キャップのない量子ドットも同様に使用することができる。「コア」は、ナノメートルサイズの半導体のことである。ＩＩＢ−ＶＩＢ、ＩＩＩＢ−ＶＢ、またはＩＶＢ−ＩＶＢの半導体のあらゆるコアを本発明の状況に使用することができるが、これらのコアは、キャップと組み合わせることによって、ルミネセンス量子ドットが得られる必要がある。ＩＩＢ−ＶＩＢ半導体は、周期表のＩＩＢ族の少なくとも１つの元素と、周期表のＶＩＢ族の少なくとも１つの元素とを含む化合物のことであり、以下同様である。一実施形態においては、本発明のコアは、大きさが約１ｎｍ〜約２０ｎｍの範囲であるＩＩＢ−ＶＩＢ、ＩＩＩＢ−ＶＢ、またはＩＶＢ−ＩＶＢの半導体である。別の実施形態においては、本発明のコアは、より好ましくはＩＩＢ−ＶＩＢ半導体であり、大きさが約２ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲である。たとえば、コアはＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、またはＺｎＳｅであってよい。

「キャップ」は、コアの半導体とは異なる半導体であり、コアと結合することによってコアの上に表面層を形成する半導体のことである。キャップは、所与の半導体コアと組み合わせることによってルミネセンス量子ドットを得ることができるものであってよい。キャップは、コアよりも高いバンドギャップを有することによってコアを不動態化すべきである。一実施形態においては、キャップは、高バンドギャップのＩＩＢ−ＶＩＢ半導体である。たとえば、キャップはＺｎＳまたはＣｄＳであってよい。コアとキャップとの組み合わせとしては、限定するものではないが、コアがＣｄＳｅまたはＣｄＳである場合にキャップがＺｎＳであってよく、さらにはコアがＣｄＳｅである場合にキャップがＺｎＳであってよい。

量子ドットによって発せられる波長（すなわち色）は、ナノ結晶の大きさおよび材料などの量子ドットの物理的性質により選択することができる。量子ドットは、約３００ナノメートル（ｎｍ）〜１７００ｎｍ（たとえば、ＵＶ、近ＩＲ、およびＩＲ）の光を発することが知られている。量子ドットの色としては、限定するものではないが、赤、青、緑、およびそれらの組み合わせが挙げられる。色、すなわち蛍光発光の波長は、連続的に調整することができる。量子ドットが発する光の波長域は、コアおよびキャップを構成する材料に依存してコアの大きさ、またはコアおよびキャップの大きさのいずれかによって決定される。発光波長域は、ＱＤの組成物および大きさを変動させることによって、および／または同心のシェルの形態でコアの周囲に１つ以上のキャップを加えることによって調整することができる。

量子ドットの色の強度を制御することができる。各色について、１０段階の強度レベル（０、１、２、．．．９）を使用すると、レベル「０」は背景と区別できないので、９個の固有のコード（１０¹−１）が得られる。コード数は、使用される各強度および各色に関して指数的に増加する。たとえば、３色と１０段階の強度方式とでは、９９９（１０³−１）個のコードが得られ、一方、６色と１０段階の強度方式とでは、約百万（１０⁶−１）の理論的コード化能力が得られる。一般に、ｍ色でｎ段階の強度レベルでは、（（ｎ^m−１）の固有のコードが得られる。

一般に、使用可能なコード数を増加させるためには、強度レベルを増やすよりも、多くの色を使用する方が好都合である。強度の数は、好ましくは０〜２０であり、より好ましくは約１〜１０である。色の数は、好ましくは約１〜１０（たとえば２〜８）であり、より好ましくは約３〜７である。用語「多色量子ドット」は、２色以上のルミネセンス量子ドットがビーズ中に埋め込まれていることを意味する。好ましくは２色以上の量子ドットがビーズ中に組み込まれるが、赤：緑：青コードが１：０：０であるビーズなど、１つ以上の色の強度が０である場合も、本発明の実施形態に含まれる。

量子ドットは、精密に制御された比率で埋め込むことができる。用語「精密に制御された比率」は、使用される量子ドットの各色の強度比が、多孔質構造体中に組み込まれる前にあらかじめ決定されることを意味する。同じ第１の特性（たとえば疎水性）を有する量子ドットおよび多孔質材料を使用することで、量子ドットの多孔質材料中への混入を定量的で精密に行うことが可能となる。当業者であれば、特定の色について、量子ドットの正確な比率を容易に決定することができる。

多孔質材料内に埋め込まれた量子ドットは、電磁放射線源（広い帯域幅または狭い帯域幅のいずれか）などからのエネルギーを吸収することができ、励起した場合に狭い波長域で検出可能な電磁放射線を発することができる。量子ドットは、約４０ｎｍ以下、好ましくは約２０ｎｍ以下の狭い波長域内の放射線を発することができ、このため、スペクトルの重なりがほとんどまたはまったくない状態で、同じ多孔質材料内に配置された複数の異なる色の量子ドットを同時に使用することができる。

ある実施形態においては、埋め込まれたナノ化学種を保護するために、多孔質材料を封止材料で封止することができる。一実施形態においては、封止材料が、多孔質材料中の細孔を実質的に封止可能であるべきである。別の実施形態においては、封止材料が、多孔質材料の外面、および細孔の内面または壁の上に層を形成することができるべきであり、細孔を実質的に封止するべきではない。

封止材料としては、ポリマー（たとえば、ポリスチレンおよびコポリマー、両親媒性ポリマーおよびコポリマー、たとえば炭化水素（たとえば、Ｃ₂〜Ｃ₁₈線状または環状炭化水素、およびベンゼン、およびそれらの誘導体）で誘導化されたポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリマレイン酸）、生体高分子（たとえば、タンパク質、多糖、およびそれらの誘導体、ならびに脂質およびそれらの誘導体）、界面活性剤、ヒドロゲル、ゾル−ゲル化合物（たとえば、メルカプトプロピル−トリメトキシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、およびトリメトキシシリルプロピミドラジド（ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｍｙｄｒａｚｉｄｅ）、デンドリマー、重合性モノマーおよび架橋剤、ならびにそれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

量子ドットの合成は公知であり、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献１、特許文献７、特許文献８など、特許文献２、および多くの調査論文に記載されており、これらすべてが参照により本明細書に組み入れられる。量子ドットによって発せられる波長、ならびにその他の物理的特性および化学的特性は、特許文献１および特許文献２に記載されており、これより詳細には説明しない。さらに、量子ドットの作製方法は、特許文献１、および特許文献２に記載されており、これより詳細には説明しない。

構造体の一例は、多孔質材料としての疎水性シリカビーズと、疎水性コーティングされた量子ドットとを含む。適切な条件化で、疎水性コーティングされた量子ドットが、疎水性シリカビーズ内に組み込まれる。特に、疎水性コーティングされた量子ドットは、限定するものではないが、Ｏ＝ＰＲ₃化合物、Ｏ＝ＰＨＲ₂化合物、Ｏ＝ＰＨＲ₁化合物、Ｈ₂ＮＲ化合物、ＨＮＲ₂化合物、ＮＲ₃化合物、ＨＳＲ化合物、ＳＲ₂化合物、およびそれらの組み合わせなどの化学物質でコーティングすることができる。「Ｒ」は、Ｃ₁〜Ｃ₁₈炭化水素、たとえば、限定するものではないが、線状炭化水素、分岐炭化水素、環状炭化水素、置換炭化水素（たとえばハロゲン化）、飽和炭化水素、不飽和炭化水素、およびそれらの組み合わせなどであってよい。好ましくは、炭化水素は、飽和線状Ｃ₄〜Ｃ₁₈炭化水素、飽和線状Ｃ₆〜Ｃ₁₈炭化水素、および飽和線状Ｃ₁₈炭化水素である。複数のＲ基の組み合わせが、Ｐ、Ｎ、またはＳに結合することができる。特に、上記化学物質を、トリ−オクチルホスフィンオキシド、ステアリン酸、およびオクチルデシルアミンから選択することができる。

疎水性シリカビーズは、シリカビーズを、限定するものではないがＲ_nＳｉＣｌ_(4-n)化合物、Ｒ_nＳｉＯ（ＣＨ₃）_(4-n)化合物、およびＲ_nＳｉＯ（Ｃ₂Ｈ₅）_(4-n)化合物（式中、ｎは１〜３であり、ＲはＣ₁〜Ｃ₁₈炭化水素であってよく、複数のＲ基の組み合わせがＳｉと結合して疎水性シリカビーズを形成することができる）などの化学物質と反応させることによって形成することができる。Ｃｌ基、ＯＣＨ₃基、およびＯＣ₂Ｈ₅基は、この反応中の脱離基となる。たとえば、Ｒ_nＳｉＣｌ_(4-n)化合物がシリカビーズ上の−ＯＨ基と反応する場合、Ｃｌ_(4-n)が−ＯＨ基上のＨ原子と結合して、ＨＣｌ脱離基を形成し、その間にＲ_nＳｉ基がビーズ上の−Ｏ原子と結合する。特に、上記化学物質は、クロロ（ジメチル）オクタデシルシラン、メトキシ（ジメチル）オクタデシルシラン、（ｏ−トリルオキシ）トリ（ｏ−トリル）シラン、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート、アリル−ジクロロ（メチル）シラン、ブチルジメチル（ジメチルアミノ）シラン、クロロジフェニル（ジフェニルメチル）シラン、クロルメチル−トリエチル−シラン、クロロトリ（２−ビフィニル）シラン、クロロトリ（ｏ−トリル）シラン、クロロトリ（１−ナフチル）シラン，クロロトリス（２−メトキシフェニル）シラン、クロロ（ジイソプロピル）シラン、クロロ（ジメチル）テキシルシラン、クロロジメチル（２−フェニルエチル）シラン、クロロジメチル（２，３，４，５−テトラメチル−２，４−シクロペンタジエン−１−イル）シラン、クロロトリス（１，３−ジメチルブトキシ）シラン、ジフェニル（ジフェニルメトキシ）（デフェニルメチル）シラン、ジクロロメチル−オクチルシラン、ジクロロメチル（２−フェネチル）シラン、イソブチル（トリメトキシ）シラン、メチルトリクロロシラン、フェニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン、ｔｅｒｔ−ブチル−ジメチル−フェノキシシラン、トリクロロ（ヘキシル）シラン、トリクロロ（イソブチル）シラン、トリクロロ（オクタデシル）シラン、トリクロロ（オクチル）シラン、トリクロロ（フェネチル）シラン、トリクロロ（フェニル）シラン、トリエトキシ（イソブチル）シラン、トリクロロ（ビニル）シラン，トリクロロ（プロピル）シラン、トリエトキシ（オクチル）シラン、トリエトキシ（ビニル）シラン、およびトリメトキシ（７−オクテン−１−イル）シランから選択することができる。この例に関するさらなる詳細は、以下の実施例１および２に記載している。

疎水性コーティングされた量子ドットを含む疎水性シリカビーズは、第１のエネルギーに曝露することができ、この疎水性シリカビーズは、第１のエネルギーに反応して、検出可能な蛍光エネルギーを放出する。

別の例は、多孔質材料としてのポリスチレンまたはポリスチレン／ジビニルベンゼンビーズと、疎水性コーティングされた量子ドットとを含む。ポリスチレンまたはポリスチレン／ジビニルベンゼンビーズは本来疎水性であるため、適切な条件下で、疎水性コーティングされた量子ドットが、ポリスチレンまたはポリスチレン／ジビニルベンゼンビーズ中に組み込まれる。ポリストリエン（ｐｏｌｙｓｔｒｙｅｎｅ）／ジビニルベンゼンの調製に関する詳細は、非特許文献１、および非特許文献２に記載されており、これらは本明細書に組み入れられる。

疎水性コーティングされた量子ドットを含むポリスチレンまたはポリスチレン／ジビニルベンゼンのビーズは、第１のエネルギーに曝露することができ、この疎水性シリカビーズは、第１のエネルギーに反応して、検出可能な蛍光エネルギーを放出する。

本発明の構造体は、多孔質材料が分散された溶液（たとえば溶媒）中で１つ以上の部類および／または種類のナノ化学種を混合することによって調製することができる。両方が同じ第１の特性を有するため、ナノ化学種が多孔質材料に引き付けられる。その際、ナノ化学種は多孔質材料に引き付けられ、ナノポーラス材料の細孔内部に配置される。上記溶液は、ナノ化学種を多孔質材料の細孔内に誘導する１種類以上の化学溶液を含むことができる。

たとえば、疎水性量子ドットと炭化水素コーティングを有する疎水性ビーズとの間の疎水性相互作用は、救済（ｓａｌｖａｔｉｏｎ）（すなわち、炭化水素および量子ドットと溶媒との相互作用）よりも強い。この化学溶液は、疎水性量子ドットを組み込む場合は、アルコールとクロロホルムとの混合物であってよい。

別の実施形態においては、疎水性量子ドットを組み込むための溶液としては、限定するものではないが、化学有機溶媒、たとえば、ハロゲン、酸素、硫黄、および窒素を有するまたは有さない、アシル、脂肪族、脂環式、芳香族、または複素環式の炭化水素またはアルコールを挙げることができるが、場合によっては、水または水溶液を使用することもできる。有用な溶媒の例としては、限定するものではないが、ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、ペンタン、ヘキサン、リグロイン、メチルイソブチルケトン、メチルアセテート、エチルアセテート、ブチルアセテート、メチルセロソルブ（ｍｅｔｈｙｌ ＣＥＬＬＯＳＯＬＶＥ）（登録商標）（ユニオン・カーバイド（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ））、エチルセロソルブ（登録商標）（ユニオンカーバイド）、ブチルセロソルブ（登録商標）（ユニオンカーバイド）、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、アルコール（たとえば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ｎ−ペンタノール、ｎ−ヘキサノール、分岐ヘキサノール、シクロヘキサノール、２−エチルヘキシルアルコール）、アセトン、ＤＭＳＯ、塩化メチレン、クロロホルム、およびそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態においては、溶媒がアルコールであり、より好ましくはＣ₃〜Ｃ₆線状または分岐アルコールである。別の実施形態においては、溶媒がブタノール（ノルマルまたは第３）であり、ビーズが、スチレン／ジビニルベンゼン／アクリル酸から誘導される架橋したポリマーである。

溶液の種類は、ナノ化学種および多孔質材料の第１の特性に少なくとも部分的に依存する。前述したように、第１の特性は、化学的特性、電気的特性、生物学的特性、物理的特性、またはそれらの組み合わせであってよい。特に、第１の特性としては、疎水性、親水性、静電特性、生物学的特性、バイオアフィニティ特性、リガンド−受容体特性、抗体−抗原特性、金属キレート化特性、磁気特性、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。一般に、多孔質材料（たとえばビーズ）およびナノ化学種は、選択された溶液中への懸濁または浸漬が可能であるべきである。たとえば、量子ドットがコードされたシリカビーズ、量子ドット、およびシリカビーズは、アルコールとクロロホルムとの混合物中に懸濁可能である。別の例においては、ナノ化学種および多孔質材料が親水性である場合、ナノ化学種および多孔質材料を溶解または懸濁するために極性溶媒の溶液を選択することができる。さらに別の例においては、多孔質材料が抗原でコーティングされ、ナノ化学種が抗体である場合、抗体と抗原でコーティングされた多孔質材料とは、生体分子の変性を回避するために水溶液中に懸濁させるべきである。

構造体のさらに別の製造方法は、特許文献１および特許文献２に記載されている。

別の実施形態においては、基材（たとえば、内部にナノ化学種が配置された多孔質材料）と、多孔質材料に取り付けたプローブとを含む複合体が提供される。このプローブは、リンカーを介して直接的または間接的のいずれかで多孔質材料と結合することが可能な化学的分子または生体分子であってよい。さらに、プローブは、検出が望まれる１種類以上の標的分子に対する親和性を有する。たとえば、標的が核酸配列である場合、標的とプローブとのハイブリダイゼーションが起こるように、標的分子の配列と実質的に相補的となるようプローブが選択されるべきである。用語「実質的に相補的」とは、選択された反応条件下でハイブリダイズするために、標的配列に対してプローブが十分に相補的であることを意味する。

プローブは、ポリペプチド（たとえば、限定するものではないが、抗体（モノクローナルまたはポリクローナル）などのタンパク質）、核酸（モノマーおよびオリゴマーの両方）、多糖、糖、脂肪酸、ステロイド、プリン類、ピリミジン類、薬物、またはリガンドから選択することができるが、これらに限定されるものではない。好適なプローブの一覧は、非特許文献３から得ることができ、この記載内容全体が本明細書に組み入れられる。

語句「ポリペプチド」または「タンパク質」を使用する場合、ウイルス、細菌、植物、または動物（たとえば、ヒトなどの哺乳動物）由来の天然から単離されたもの、あるいは合成のいずれかのタンパク質、糖タンパク質、ポリペプチド、ペプチドなど、ならびにそれらのフラグメントを含むことを意図している。好ましいタンパク質またはそのフラグメントとしては、抗原、抗原のエピトープ、抗体、または抗体の抗原反応性フラグメントが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

語句「核酸」を使用する場合、ウイルス、細菌、植物、または動物（たとえば、ヒトなどの哺乳動物）由来の天然から単離されたもの、合成されたもの、一本鎖、二本鎖、たとえば天然または非天然のヌクレオチドなど、あるいは化学修飾されたもののいずれかのＤＮＡおよびＲＮＡを含むことを意図している。

安定した物理的、化学的、または生物学的な結合によって直接的または間接的に、プローブを多孔質材料に取り付けることができる。たとえば、１つ以上の共有結合を介して直接的または間接的にプローブを多孔質材料に取り付けることができる。プローブと多孔質材料とが直接結合するとは、多孔質材料表面上の官能基とプローブ自体のみが、化学物質および／または取り付けの点として機能することを意味する。プローブが多孔質材料と間接的に取り付けられる場合、「リンカー」、中間架橋剤、または二官能性化合物によって取り付けられる。さらに、多孔質材料がその上に封止層を有する場合、プローブを封止材料に取り付けることができる。

用語「リンカー」を使用する場合、プローブを多孔質材料に結合させるために使用することができる一官能性または二官能性の物理的、化学的、または生物学的結合を含むことを意図するが、これらに限定されるものではない。たとえば、リンカーとしては、１つ以上のアミン基、カルボン酸基、ヒドロキシ基、および／またはチオール基を有する化合物を挙げることができる。生物学的リンカーの例としては、ストレプトアビジン、ニュートラアビジン、アビジン、およびビオチンを挙げることができる。デイジーチェーン方式（たとえば、多孔質材料−リンカー１−リンカー２−リンカー３−プローブ）などのように、２つ以上のリンカーを使用してプローブを取り付けることができる。さらに、１つのリンカーを多孔質材料（たとえばビオチン）に取り付けることができ、そして１つのリンカーをプローブ（たとえば、アビジン）に取り付けることができる。一般に、取り付けられるタンパク質の機能、結合親和性、または活性に重要なアミノ酸の位置で、リンカーがタンパク質プローブまたはそのフラグメントと接触するべきではない。

一実施形態において、多孔質材料の表面は、プローブと相互作用させるために、チオール、アミン、カルボキシル、およびヒドロキシルなどの反応性基を有する官能性有機分子によって表面改質することができる。このような表面活性反応物質としては、脂肪族および芳香族のアミン、メルカプトカルボン酸、カルボン酸、アルデヒド、アミド、クロロメチル基、ヒドラジド、ヒドロキシル基、スルホネート、およびサルフェートが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

同じ種類の複数のプローブを多孔質材料に取り付けることができる。さらに、複数の標的を同時に検出するために、複数の異なる種類のプローブを多孔質材料に取り付けることもできる。一般に、最大約１００，０００，０００個のプローブをビーズなどの多孔質材料に取り付けることができ、大型のモノリス多孔質材料にはさらに多くのプローブを取り付けることができる。プローブの基材への取り付けは、たとえば、共有結合、イオン結合、水素結合、ファンデルワールス力、および機械的接合を介して行うことができる。

本発明は、本発明の複合体の作製方法も提供する。プローブが基材に直接取り付けられる場合、その方法は、（ａ）プローブを基材に取り付けるステップと、（ｂ）複合体を単離するステップとを含む。別の実施形態においては、複合体の作製方法は、（ａ）プローブを（ｉ）１つ以上のリンカーおよび（ｉｉ）基材と接触させるステップと、（ｂ）複合体を単離するステップとを含む。さらに別の実施形態においては、複合体の作製方法は、（ａ）リンカーを基材に取り付けるステップと、（ｂ）プローブをリンカーに取り付けるステップと、（ｃ）複合体を単離するステップとを含む。

多孔質材料の細孔が封止される一実施形態においては、直接的または間接的のいずれかで、多孔質材料の外面にプローブが取り付けられる。細孔が封止されない場合（たとえば、封止材料が細孔壁の内部をコーティングするが細孔を封鎖しないために十分な直径を細孔が有する場合）の別の実施形態においては、多孔質材料の外側および細孔の内壁にプローブを取り付けることができる。

１種類以上の標的分子の検出に、１種類以上の複合体を使用することができる。それぞれの種類の複合体は、独自の区別可能なコードを有するように製造することができ、それによって複数の標的分子を同時に検出することが可能となる。さらに、標的分子は、標的分子が複合体と結合したことを示すために化学物質（たとえば、フロウロクローム（ｆｌｏｕｒｏｃｈｒｏｍｅ））、または検出可能な特性（たとえば蛍光）を有する構造を含むことができる。したがって、標的分子を有する複合体が、第１のエネルギーに曝露されると、ナノ化学種が第２の検出可能なエネルギーを発することができ、標的分子が第３の検出可能なエネルギーを発することができる。したがって、第２のエネルギーおよび第３のエネルギーの両方が検出されると、標的分子が複合体上にあることを示している。

複合体は、限定するものではないが、バイオセンシング、バイオラベリング、高速スクリーニング、遺伝子発現の研究、タンパク質の研究、医療診断、診断ライブラリ、コンビナトリアルライブラリ、マイクロフルイディクス、フローサイトメトリー、および分光学、ならびに画像法などの分野で使用することができる。さらに、複合体は、限定するものではないが、造影剤（たとえば、動物実験および分子プローブ用）およびマイクロキャリア（たとえば薬物送達）として使用することもできる。さらに、複合体は、細胞、組織、またはマイクロプレートなどの標識に使用することができる。特に、複合体は、分子ビーコン中で使用することができる。

本発明の複合体の検出は、使用される個々の実験技術の分野における検出システムを使用して実施することができる。たとえば、検出システムは、蛍光を検出する検出システムであってよい。

標的分子は、プローブに対する親和性を有する化学的化合物（たとえば有機または無機）または生物学的合物を含むことができる。生物学的化合物としては、生体分子、たとえば、限定するものではないが、タンパク質、核酸、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、抗体、リガンド、遺伝子の一部、調節配列、ゲノムＤＮＡ、ｃＤＮＡ、およびｍＲＮＡやｒＲＮＡなどのＲＮＡを挙げることができる。さらに、標的分子は、溶液中、細胞内、または組織内に含まれてもよい。

一般に、（ａ）サンプルを１種類以上の複合体と接触させるステップであって、１種類以上の複合体のプローブが１種類以上の標的分子と特異的に結合するステップと、（ｂ）複合体の存在を検出するステップとによって、本発明の複合体を、サンプル中の１つ以上の標的を検出するために使用することができる。「特異的に結合する」とは、サンプル中の非標的分子よりも高い親和性でプローブが標的分子と優先的に結合することを意味する。

さらに、サンプル中のある１つの標的分子の２つ以上の領域を同時に検出することができる。たとえば、１つの標的分子の２つ以上の領域を検出する方法は、１組の複合体の使用を含み、固有で区別可能なナノ化学種を有する各複合体が、サンプル中のある標的分子上の異なる領域に特異的に結合するプローブに取り付けられる。標的分子上の異なる領域の検出は、異なる複合体によって得られる固有のコードによって行われる。特に、この方法によって、１種類のタンパク質の異なる機能ドメインの識別が可能になる。さらに、複数の異なるプローブが取り付けられた１種類の複合体を使用して、２種類以上の異なる標的分子、および／または１種類の標的分子上の２つ以上の領域を同時に検出することができる。

１種類以上の複合体を使用することによって、複数の標的分子（または１つの標的分子の複数の部分）の検出が可能となり、このため、前述のようなバイオセンシング、バイオラベリング、高速スクリーニング、遺伝子発現の研究、タンパク質の研究、医療診断、診断ライブラリ、コンビナトリアルライブラリ、マイクロフルイディクス、フローサイトメトリー、分光学、および画像法における複合体の使用が容易になる。

一実施形態においては、１種類以上の複合体を使用して１種類以上の標的分子を検出するための多重アッセイ手順においてフローサイトメーターを使用することができる。フローサイトメトリーは、粒子の光学特性に基づいて流体混合物中の特定の粒子（たとえばビーズ）を分析する光学的技術の１つである。フローサイトメーターは、流体力学的に、粒子の流体懸濁物を細い流れに集束させ、それによって実質的に１列となって粒子がその流れを流れていき、検査領域を通過する。レーザービームなどの集束させた光ビームが、検査領域を通過するときの粒子を照射する。フローサイトメーター内部の光学検出器が、粒子と相互作用するときの光のある特性を測定する。一般的に使用されるフローサイトメーターは、１つ以上の波長で粒子の蛍光を測定することができる。

１種類以上の標的分子は、複合体（たとえば、量子ドット標識されたビーズなどの構造体）、１種類以上の標的分子に対する親和性を有する１種類以上のプローブ、および標的分子に取り付けられたフルオロフォアを使用して検出することができる。フローサイトメーターに導入する前に、ある標的分子に対して特異的な複合体を、１種類以上の標的分子を含みうるサンプルと混合する。複合体が、プローブが親和性を有する対応する標的分子と相互作用する（たとえば、結合またはハイブリダイズする）。続いて、複合体を除去し、フロウロフォア（ｆｌｏｕｒｏｐｈｏｒｅ）と混合することで、標的分子をフルオロフォアに結合させる。あるいは、複合体に導入する前にフルオロフォアを標的分子に結合させることもできる。

次に、複合体をフローサイトメーターに導入する。前述したように、フローサイトメーターは、第１のエネルギーに曝露した後で複合体およびフルオロフォアを検出することができる。フルオロフォアが検出されると、標的分子がサンプル中に存在することが分かる。複合体上のプローブは特定の標的分子に対して特異的な親和性を有するので、フルオロフォアが検出されるとともに複合体が検出されると、検出された標的分子が同定される。

別の実施形態においては、１種類以上のポリヌクレオチドの検出に分子ビーコンを使用することができる。分子ビーコンは、複合体（たとえば、量子ドット標識されたビーズなどの構造体）、プローブ、フルオロフォア、および消光部分を含む。プローブは、ステムアンドループ構造を含む一本鎖オリゴヌクレオチドであり、親水性結合部分が一本鎖オリゴヌクレオチドの一端と結合し、消光部分が一本鎖オリゴヌクレオチドの他端と結合している。フルオロフォアは、任意の蛍光有機染料、または量子ドット標識されたビーズと発光が重ならない単独の量子ドットであってよい。望ましくは、消光部分は、フルオロフォアのルミネセンスを消光させる。フルオロフォアのルミネセンスを消光させるあらゆる好適な消光部分を、上記複合体中に使用することができる。

上記オリゴヌクレオチドのループは、サンプル中の検出すべきポリヌクレオチド中の標的配列と相補的なプローブ配列を含む。望ましくは、このループは、標的配列と接触すると容易に開くために十分な大きさであるが、容易に剪断されるほど大きくはない。ステムは、一本鎖オリゴヌクレオチドの両端またはその付近の相補的配列のアニーリングによって形成される。フルオロフォアは一本鎖オリゴヌクレオチドの一端と結合し、消光部分は一本鎖オリゴヌクレオチドの他端と共有結合する。次に量子ドット標識されたビーズを、フルオロフォアまたは消光部分のいずれかに（直接的または間接的のいずれかで）取り付けることができる。ステムはフルオロフォアと消光部分とが互いに接近するように維持し、それによって、一本鎖オリゴヌクレオチドが標的配列と結合していないときに、フルオロフォアのルミネセンスが消光される。これに関して、ステムが含む相補的配列は、量子ドットを消光するときに、オリゴヌクレオチド末端に十分接近するべきである。

プローブ配列が、サンプル中の検出すべきポリヌクレオチドの標的配列に遭遇すると、標的配列と結合（すなわちハイブリダイズ）し、それによってステムハイブリッドよりも長くより安定なプローブ−標的ハイブリッドを形成する。プローブ−標的ハイブリッドの長さおよび剛性のため、ステムハイブリッドの同時形成は妨害される。その結果、構造が、ステムを広げる自発的な構造変化を起こし、それによってフルオロフォアと消光部分とが分離し、フルオロフォアのルミネセンスが回復する。フルオロフォアのルミネセンスは、標的分子がプローブと結合していることを示しており、量子ドット標識されたビーズの発光コードによってプローブが同定され、したがって標的が同定される。この種類の分子ビーコンを使用する場合は標的自体は蛍光標識する必要がない。

生体分子を検出するために量子ドットを使用する方法および技術に関するさらなる詳細は、特許文献１および特許文献２に記載されている。

本発明の構造体の実施形態について全般的に説明してきたが、実施例１は、多孔質材料が、量子ドットナノ化学種が内部に配置されたシリカビーズである実施形態を示しており、実施例２は、多孔質材料が、量子ドットナノ化学種が内部に配置されたポリスチレンビーズである実施形態を示している。多孔質材料中に配置されたナノ化学種を有する構造の実施形態を、実施例１および２、ならびに対応する文章および図面と関連させて説明しているが、本発明の構造体の実施形態がこれらの説明に限定されることを意図するものではない。逆に、本発明の実施形態の意図および範囲に含まれるすべての代替物、修正、および同等物を含むことを意図している。

約４８８ｎｍ（青）、約５２０ｎｍ（緑）、約５５０ｎｍ（黄）、約５８０ｎｍ（オレンジ）、または約６１０ｎｍ（赤）の光を発する単色量子ドットをドープしたメソポーラスシリカビーズ（直径約５μｍ、孔径約３２ｎｍ）のトゥルーカラー蛍光画像を作成した。これらのビーズは、単色量子ドットを使用して調製され、蛍光画像法のために混合されガラス表面上に広げられるので、「単色性」であると見なされる。１つのみの光源（近ＵＶランプ）を励起のために使用したが、ドープしたすべてのビーズが観察され、明確に区別することができた。注目すべきは、複数の発光色の同時励起が量子ドットの独自の性質であり、有機染料またはランタニド化合物では不可能なことである。量子ドットをドープしたビーズは非常に明るく、デジタルカラーカメラおよび水銀ランプを使用して記録することができる。定量測定によると、これらのメソポーラスビーズは、従来報告されている量子ドットで標識されたラテックスビーズよりも約５０〜１００倍明るく、同様の大きさの非多孔質ポリスチレンビーズよりも３０倍を超えて明るいことが分かった。

改善された明るさに寄与する要因の１つは、広い表面積（３２ｎｍの細孔のビーズの場合１５０ｒａ²／ｇ）であり、非多孔質ビーズの表面積の約５０〜１００倍である。さらに、ビーズの向こう側から通して非常に均一な蛍光が得られることから分かるように、量子ドットはメソポーラスビーズ中に深く浸透することができる。相対的に、ポリスチレンビーズ中への量子ドットの浸透深さは、広範囲で膨潤する条件下でさえも、透過型電子顕微鏡で観察してビーズ半径の５％を超えない。共焦点蛍光画像法で、明確なリングパターンが得られることから、量子ドットが主として表面上または隣接層上に配置されていることが確認できる（データは示していない）。セファロース（Ｓｅｐｈａｒｏｓｅ）などのヒドロゲルでさえも０１〜０．２（ｎｍ境界層を超えて３０〜ｎｍのコロイド金が浸透できないことを従来の研究が示しているので、このことは驚くべきことではない。

図１Ａおよび１Ｂは、ドーピング速度に対する孔径の影響を示す時間依存性の蛍光画像である（図１Ａは３２ｎｍの細孔のビーズ、図１Ｂは１０ｎｍの細孔のビーズ）。孔径を除いて、他のすべてのビーズの性質（たとえば、大きさ、材料、および表面化学）およびデータ収集条件（たとえば、励起波長、強度、および曝露時間）は同じであった。一方が孔径３２ｎｍで他方が１０ｎｍの２種類のシリカビーズについて時間依存性の蛍光信号を比較することによって、孔径のドーピング速度に対する影響を調べる。これらの結果から、３２ｎｍの細孔のビーズの方がドーピングが遙かに速く、１分間でほぼ均一の量子ドット分布が得られ、５分未満で飽和することが分かった。しかし、１０ｎｍの細孔のビーズの場合、約１〜６０分のドーピングで不鮮明なリング構造が観察され、主としてビーズ表面上でドーピングが起こったことを示している。この不均一な構造は約３時間後にはなくなるが、蛍光強度は約１０時間後まで飽和しない。この比較から、３２ｎｍの細孔は、量子ドットを迅速に拡散させるために十分大きいが、１０ｎｍの細孔では、量子ドットの拡散およびドーピング速度ははるかに低下することが分かる。炭化水素コーティングの厚さ（すべての面上に２ｎｍ）を考慮すると、１０ｎｍの細孔における空間は６ｎｍまで減少し、ほぼ３〜４ｎｍの量子ドット＋１ｎｍのＴＯＰＯキャップ層の寸法となる。炭化水素および界面活性分子の両方の構造に自由度があり、互いに入り込んで安定で一体となった構造を形成することができるため、これでもなおドーピングが起こりうる。

図２Ａは、５ｍｍのシリカビーズのＴＥＭ画像を示しており、非常に多孔質の内部構造が見られる。図２Ｂは、ドープしたビーズが安定性であり、室温で終夜曝露後の水またはエタノールに浸出する量子ドットが存在しないことを示す蛍光データを示している。図２Ｃは、水溶液中に分散させた量子ドット、またはメソポーラスシリカビーズ中に固定した量子ドットが同じ光学特性を示す蛍光データを示している。上澄みの曲線から、溶液中に量子ドットが存在しないことが分かった（ビーズ中に１００％組み込まれた）。ドープしたビーズ（薄片として作製）のＴＥＭ測定から非常に多孔質の構造が確認できたが、比較的低解像度で１つのナノ細孔または量子ドットを解像することはできなかった。細孔の内部では、炭化水素とＴＯＰＯ分子との間の疎水性互作用を介して量子ドットが閉じ込められる。１平方ナノメートル当たり１〜２個の炭化水素またはＴＯＰＯ分子の表面密度（単層被覆の場合に典型的）を仮定すると、１つのドット上で約１０個のＴＯＰＯ分子が、ナノ細孔壁上のほぼ同数の炭化水素分子と反応することができると推定される（分子間相互作用の場合に立体的に可能な０．５ｎの立体角に基づく）。化学および生物学の分野で広く知られているように、弱い多価相互作用によって、非常に遅い解離速度で安定な複合体が形成される。したがって量子ドットは、細孔内にしっかりと固定され、解離または浸出に対して安定であると予想される。図２Ｂは、ドープしたビーズを水または一般的な有機溶媒（たとえば、エタノール、アセトン、アセトニトリル、およびＤＭＦ）に終夜曝露した場合に、ＱＤの漏れが観察されなかったことを示している。

図２Ｃは、有機溶媒中に分散させた場合と、シリカビーズ中に固定した場合で、量子ドットの光学的性質がほぼ同じであることを示している。これは、ビーズの内部でＱＤが互いに空間的に分離して存在し、メソポーラスシリカ中に分散した有機染料の場合と類似していることを示している。以前に報告された２つの独立した測定（単一ドット分光法およびバルク濃度測定）を使用することによって、ビーズ１つ当たりの量子ドットの数は、最大２〜６百万（孔径に依存する）であると推定することができ、これは約５％の表面被覆率または占有率に対応する。この条件は、表面の飽和にはほど遠く、ビーズ内部での量子ドットの分散に好ましい。さらに、定量的データから、ビーズ中にほぼ１００％の量子ドットが組み込まれたために自由溶液中に量子ドットが実質的に存在しないことが分かる。このことは、異なる量子ドットの量を精密に制御する必要がある多色ドーピングの場合に特に重要である。

図３は、２つの量子ドット色および２つの強度レベルを使用したレシオメトリックドーピング結果を示している。図３の上部は、５１０ｎｍおよび５８０ｎｍの発光波長における３：２、１：１、および２：１の３つの強度比を示す実際の蛍光スペクトルを示しており、下部は、各比で３０のデータ点（１種類のビーズの測定）に基づく強度比（対数スケール）の散布図を示している。２つの強度を使用すると、３つの特有の強度比（１：２，１：１、および２：１）が得られる。これらの比は、所与の部類のドープしたビーズにおいて非常に一致しているが、絶対強度はビーズ間で大きく変動しうる（ビーズの大きさおよび装置の配置のばらつきのため）。密な散布図から分かるように、これらの強度比の標準偏差は２．０％未満である。この高い再現性のため、２０の強度比がｘ軸に沿って１ｌｏｇ内に分布し、４０の比が２ｌｏｇ内に分布する。したがって、３色ドーピング方式（２つの独立した比率が得られる）では、４００のドーピングの組み合わせが±１ｌｏｇとなることが可能であり、最大１，６００の組み合わせが±２ｌｏｇとなることができる。ワイス（Ｗｅｉｓｓ）および共同研究者による生体分子の画像化で報告されるように、個々の信号の同時ドリフトまたはゆらぎによる影響を比の値は受けないため、レシオメトリック測定は絶対強度よりもはるかに信頼性が高い。この利点は、高精度および高速でドープしたビーズを読み取るためのマイクロデバイスおよびアルゴリズムの開発に有用である。

他のドーピングまたは光学的コード化技術と比較すると、メソ構造化シリカを使用することで、類を見ないレベルでドーピングを制御でき、２％を超える再現性が得られ、製造費は少ない。コンビナトリアルアッセイまたは多重アッセイにおける可能性のある用途では、ドープしたビーズを、オリゴヌクレオチド、ペプチド、または抗体などの生体分子と結合させることができる。メソポーラス構造体によって急速な拡散および迅速な反応が可能となるので、ビーズ外面と細孔内面との両方を使用することができる。さらに、量子ドットをドープしたメソポーラスの繊維および薄膜は、化学的／生物学的センシング、量子ドットレーザー、および集積オプトエレクトロニクスにおける用途が存在する。さらに、ナノポーラス材料を種々の分子およびナノ粒子でドーピングするために、多価ドーピング方法を静電的相互作用、リガンド−受容体相互作用、および金属イオンキレート化相互作用に拡張することができる。

材料：文献の手順により、コア−シェル量子ドット（ＺｎＳでキャップしたＣｄＳｅ）を合成した。得られた量子ドットを、高温配位溶媒として使用したトリ−ｎ−オクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）の層でコーティングした。この量子ドットの蛍光の量子収率は室温において約５０％であり、大きさのばらつきは約５％であった。メソ自己集合界面活性剤またはポリマー（ポロゲンと呼ばれる）などの細孔形成性テンプレートを使用してポーラス材料を合成した。合成後、テンプレートを除去すると、テンプレート構造に依存して規則的または不規則のいずれかであるメソサイズの細孔が形成される。この作業において、孔径が約１０ｎｍまたは３２ｎｍであるメソポーラスシリカビーズ（直径約５μｍ）を、フェノメネックス（Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ）（カリフォルニア州トランス（Ｔｏｒｒａｎｃｅ，ＣＡ））より入手した。これらの細孔表面を、Ｓｉ−Ｃ₁₈Ｈ₃₇（オクタデシルまたはＣ１８、１８炭素直鎖炭化水素）の単層でコーティングした。

これらのシリカ材料は不規則な細孔を含んだが、この基本原理および方法は、規則的な細孔に対しても適用可能となるべきである。

ドーピング：多孔質ビーズを、制御された量の量子ドットと有機溶媒（ブタノール）中で混合することによって、単色ドーピングを行った。３２ｎｍの細孔のビーズの場合、ドーピング工程は１０分未満で完了した（溶液中に遊離のドットは残留せず）。１０ｎｍの細孔のビーズの場合、ドーピング速度の研究のためより長時間を使用した。多色ドーピングの場合、異なる色の量子ドットを、精密に制御された比率であらかじめ混合した。この予備混合溶液の一部に多孔質ビーズを加えた。ドープしたビーズを遠心分離により単離し、エタノールで３回洗浄した。

透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）：ドープしたビーズを、樹脂（テッド・ペラ（Ｔｅｄ Ｐｅｌｌａ）、カリフォルニア州レディング（Ｒｅｄｄｉｎｇ，ＣＡ））中に埋め込み、ウルトラミクロトーム装置（ライカ・ウルトラカットＳ（Ｌｅｉｃａ Ｕｌｔｒａｃｕｔ Ｓ）、イリノイ州バノックバーン（Ｂａｎｎｏｃｋｂｕｒｎ，ＩＬ））で６０〜７０ｎｍの薄片に切断した。７５ｋの電圧で作動させ、２３，０００倍の倍率で、ヒタチＨアバウト７５００（Ｈｉｔａｃｈｉ Ｈ ａｂｏｕｔ ７５００）透過型電子顕微鏡でこの薄片を画像化した。

光学的画像化および分光法：デジタルカラーカメラ（ニコンＤＬ（Ｎｉｋｏｎ Ｄｌ））、広帯域紫外（３３０〜３８５ｎｍ）光源（１００Ｗ水銀ランプ）、およびロングパス干渉フィルター（ＤＭ ４００、クロマ・テック（Ｃｈｒｏｍａ Ｔｅｃｈ）、バーモント州ブラトルバロ（Ｂｒａｔｔｌｅｂｏｒｏ，ＶＴ））を取り付けた倒立オリンパス（Ｏｌｙｍｐｕｓ）顕微鏡（ＩＸ−７０）を使用してトゥルーカラー蛍光画像化を行った。単一ステージ分光計（スペクトラプロ１５０（ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏ １５０）、ローパー・サイエンティフィック（Ｒｏｐｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）、トレントン（Ｔｒｅｎｔｏｎ），ＮＴ））を使用して、波長分解スペクトルを得た。

約４８８ｎｍ（青）、約５２０ｎｍ（緑）、約５５０ｎｍ（黄）、約５８０ｎｍ（オレンジ）、または約６１０ｎｍ（赤）の光を発する単色量子ドットをドープした単色量子ドットのドープ（直径約１５μｍ）のトゥルーカラー蛍光画像を作成した。これらのビーズは、単色量子ドットを使用して調製され、蛍光画像法のために混合されガラス表面上に広げられるので、「単色性」であると見なされる。１つのみの光源（近ＵＶランプ）を励起のために使用したが、ドープしたすべてのビーズが観察され、明確に区別することができた。注目すべきは、複数の発光色の同時励起が量子ドットの独自の性質であり、有機染料またはランタニド化合物では不可能なことである。量子ドットをドープしたビーズは非常に明るく、デジタルカラーカメラおよび水銀ランプを使用して記録することができる。

図４は、緑色蛍光および赤色蛍光の同時分析に基づく１２の微小球の組（コントロール、未処理の微小球を含む）の分類を示す二次元濃度プロットを示している。このグラフは、多色量子ドットがコードするポリスチレンビーズの組を復号するためにフローサイトメトリーを使用できることを示している。

材料：文献の手順により、コア−シェル量子ドット（ＺｎＳでキャップしたＣｄＳｅ）を合成した。得られた量子ドットを、高温配位溶媒として使用したトリ−ｎ−オクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）の層でコーティングした。この量子ドットの蛍光の量子収率は室温において約５０％であり、大きさのばらつきは約５％であった。手順にしたがってメソポーラスポリスチレン材料を合成した。

ドーピング：多孔質ビーズを、制御された量の量子ドットとブタノールなどの有機溶媒中で混合することによって、単色ドーピングを行った。多色ドーピングの場合、異なる色の量子ドットを、精密に制御された比率であらかじめ混合した。この予備混合溶液の一部に多孔質ビーズを加えた。ドープしたビーズを遠心分離により単離し、エタノールで３回洗浄した。

光学的画像化および分光法：デジタルカラーカメラ（ニコンＤ１）、広帯域紫外（３３０〜３８５ｎｍ）光源（１００Ｗ水銀ランプ）、およびロングパス干渉フィルター（ＤＭ ４００、クロマ・テック、バーモント州ブラトルバロ）を取り付けた倒立オリンパス（Ｏｌｙｍｐｕｓ）顕微鏡（ＩＸ−７０）を使用してトゥルーカラー蛍光画像化を行った。単一ステージ分光計（スペクトラプロ１５０、ローパー・サイエンティフィック、ニュージャージー州トレントン（Ｔｒｅｎｔｏｎ，ＮＪ））を使用して、波長分解スペクトルを得た。

フローサイトメトリー。量子ドットをコードするマイクロビーズは、実質的にあらゆる市販のフローサイトメーターを使用して復号することができる。この実験においては、ビーズはフロースキャン（ＦｌｏｗＳｃａｎ）およびフローソート（ＦｌｏｗＳｏｒｔ）（ベクトン・ディキンソン（Ｂｅｃｔｏｎ Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ））で解析した。

本発明の上記実施形態、特に、あらゆる「好ましい」実施形態は、単に実施可能な例であり、単に本発明の原理を明確的に理解するために記載していることを強調したい。本発明の意図および原理から実質的に逸脱することなく、本発明の上記実施形態の多くの変形および修正が可能である。このようなすべての修正および変形は、本開示および本発明の範囲内にある本発明に含まれ、請求項によって保護されることを意図している。

ドーピング速度に対する孔径の影響を示す時間依存性の蛍光画像を示している（３２ｎｍの細孔のビーズ）。 ドーピング速度に対する孔径の影響を示す時間依存性の蛍光画像を示している（１０ｎｍの細孔のビーズ）。 ５μｍのシリカビーズのＴＥＭ画像を示しており、非常に多孔質の内部構造が見られる。 ドープしたビーズが安定性であり、室温で終夜曝露後の水またはエタノールに浸出する量子ドットが存在しないこと示す蛍光データを示している。 水溶液中に分散させた量子ドット、またはメソポーラスシリカビーズ中に固定した量子ドットが同じ光学的性質を示す蛍光データを示している。 ２つのＱＤ色および２つの強度レベルを使用した比例ドーピング結果を示している。 緑色蛍光および赤色蛍光の同時分析に基づく多くの微小球の組の分類を示す二次元濃度プロットを示している。

Claims (57)

1. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有するナノ化学種と、
   前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記メソポーラスシリカビーズの細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズと、
   前記メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む構造体。
2. 前記ナノ化学種が、半導体量子ドット、金属ナノ粒子、生体分子、および磁性ナノ粒子から選択される、請求項１に記載の構造体。
3. 前記金属ナノ粒子が、金ナノ粒子、白金ナノ粒子、銀ナノ粒子、および銅ナノ粒子から選択される、請求項２に記載の構造体。
4. 前記生体分子が、ポリペプチド、ポリヌクレオチド、タンパク質、リガンド、受容体、抗原、抗体、およびそれらの分離した部分から選択される、請求項２に記載の構造体。
5. 前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の構造体。
6. 前記第１の特性が、疎水性、親水性、静電特性、生物学的特性、バイオアフィニティ特性、リガンド−受容体特性、抗体−抗原特性、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の構造体。
7. 前記第２の検出可能な特性が、蛍光特性、磁気特性、ルミネセンス特性、光散乱特性、および表面プラズモン特性から選択される、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の構造体。
8. 前記ナノ化学種が疎水性コーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含む、請求項１から請求項７のいずれか1項に記載の構造体。
9. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項１から請求項８のいずれか1項に記載の構造体。
10. 前記疎水性化合物が、Ｏ＝ＰＲ₃化合物、Ｏ＝ＰＨＲ₂化合物、Ｏ＝ＰＨＲ₁化合物、Ｈ₂ＮＲ化合物、ＨＮＲ₂化合物、ＮＲ₃化合物、ＨＳＲ化合物、ＳＲ₂化合物、およびそれらの組み合わせから選択され、ＲがＣ₁〜Ｃ₁₈炭化水素、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項８又は請求項９に記載の構造体。
11. 前記疎水性化合物が、Ｏ＝ＰＲ₃化合物、ＨＮＲ₂化合物、ＨＳＲ化合物、ＳＲ₂化合物、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項１０に記載の構造体。
12. Ｒが飽和線状Ｃ₄〜Ｃ₁₈炭化水素である、請求項１０又は請求項１１に記載の構造体。
13. 前記疎水性化合物が、トリ−ｎ−オクチルホスフィン、ステアリン酸、およびオクチルデシルアミンから選択される、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の構造体。
14. 前記疎水性化合物がトリ−ｎ−オクチルホスフィンを含む、請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の構造体。
15. 前記疎水性化合物がステアリン酸を含む、請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の構造体。
16. 前記疎水性化合物がオクチルデシルアミンを含む、請求項８から請求項１３のいずれか1項に記載の構造体。
17. 前記量子ドットがコアおよびキャップを含む、請求項２から請求項１６のいずれか1項に記載の構造体。
18. 前記量子ドットの前記コアが、ＩＩＢ−ＶＩＢ半導体、ＩＩＩＢ−ＶＢ半導体、およびＩＶＢ−ＩＶＢ半導体からなる群より選択される、請求項１７に記載の構造体。
19. 前記量子ドットの前記コアが、ＩＩＢ−ＶＩＢ半導体からなる群より選択される、請求項１７又は請求項１８に記載の構造体。
20. 前記量子ドットの前記コアがＣｄＳまたはＣｄＳｅである、請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の構造体。
21. 前記キャップが、高バンドギャップのＩＩＢ−ＶＩＢ半導体からなる群より選択される、請求項１７から請求項２０のいずれか1項に記載の構造体。
22. 前記キャップがＺｎＳおよびＣｄＳから選択される、請求項１７から請求項２１のいずれか1項に記載の構造体。
23. 前記プローブが結合性化合物を介して前記メソポーラスシリカビーズと間接的に取り付けられた、請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載の構造体。
24. 前記プローブが、生体分子である、請求項１から請求項２３のいずれか1項に記載の構造体。
25. 前記メソポーラスシリカビーズが、チオール、アミン、カルボキシル及びヒドロキシルからなる群から選択される反応性基を有する官能性有機分子によって表面改質された、請求項１から請求項２４のいずれか1項に記載の構造体。
26. 構造体を製造する方法であって、
    第１の特性と第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種を提供するステップであって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するステップと；
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズを提供するステップと；
    溶液の存在下で前記ナノ化学種および前記メソポーラスシリカビーズを導入するステップと；
    前記構造体を形成するステップであって、前記構造体が、少なくとも前記メソポーラスシリカビーズの細孔内部に配置された複数のナノ化学種を有するメソポーラスシリカビーズを含み、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種が、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記メソポーラスシリカビーズの前記細孔内部に配置されるステップとを含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、前記方法。
27. 前記ナノ化学種が、半導体量子ドット、金属ナノ粒子、生体分子、および磁性ナノ粒子から選択される、請求項２６に記載の方法。
28. 前記金属ナノ粒子が、金ナノ粒子、白金ナノ粒子、銀ナノ粒子、および銅ナノ粒子から選択される、請求項２７に記載の方法。
29. 前記生体分子が、ポリペプチド、ポリヌクレオチド、タンパク質、リガンド、受容体、抗原、抗体、およびそれらの分離した部分から選択される、請求項２７に記載の方法。
30. 前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有するシリカである、請求項２６から請求項２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記第１の特性が、疎水性、親水性、静電特性、生物学的特性、バイオアフィニティ特性、リガンド−受容体特性、抗体−抗原特性、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項２６から請求項３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 前記第２の検出可能な特性が、蛍光特性、磁気特性、ルミネセンス特性、光散乱特性、および表面プラズモン特性から選択される、請求項２６から請求項３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 前記ナノ化学種が疎水性コーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含む、請求項２６から請求項３２のいずれか１項に記載の方法。
34. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項２６から請求項３３のいずれか1項に記載の方法。
35. 前記疎水性化合物が、Ｏ＝ＰＲ₃化合物、Ｏ＝ＰＨＲ₂化合物、Ｏ＝ＰＨＲ₁化合物、Ｈ₂ＮＲ化合物、ＨＮＲ₂化合物、ＮＲ₃化合物、ＨＳＲ化合物、ＳＲ₂化合物、およびそれらの組み合わせから選択され、ＲがＣ₁〜Ｃ₁₈炭化水素、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項３３又は請求項３４に記載の方法。
36. 前記疎水性化合物が、Ｏ＝ＰＲ₃化合物、ＨＮＲ₂化合物、ＨＳＲ化合物、ＳＲ₂化合物、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項３５に記載の方法。
37. Ｒが飽和線状Ｃ₄〜Ｃ₁₈炭化水素である、請求項３５又は請求項３６に記載の方法。
38. 前記疎水性化合物が、トリ−ｎ−オクチルホスフィン、ステアリン酸、およびオクチルデシルアミンから選択される、請求項３３から請求項３７のいずれか１項に記載の方法。
39. 前記多孔質材料がシリカビーズを含み、前記ナノ化学種がコーティングされた疎水性半導体量子ドットを含み、導入ステップが、前記シリカビーズと、前記コーティングされた疎水性半導体量子ドットとを、アルコールおよびクロロホルムの溶液中で混合するステップを含む、請求項２６から請求項３８のいずれか１項に記載の方法。
40. 少なくとも１つの標的を検出する方法であって、
    請求項１から請求項２５のいずれか１項に記載の少なくとも１種類の構造体をサンプルと接触させるステップであって、前記サンプルが、少なくとも１種類の標的分子を含有し、各構造体が、１種類の標的分子にのみ対応し、前記種類の標的分子が前記サンプル中に存在する場合、前記構造体が前記標的分子と相互作用し、前記少なくとも１種類の構造体のそれぞれが第２の検出可能な特性を有するステップと；
    前記第２の検出可能な特性の少なくとも１つを検出するステップであって、各第２の検出可能な特性の検出が、前記サンプル中に前記標的が存在することを示すステップとを含む、方法。
41. 前記少なくとも１種類の構造体を第１のエネルギーに曝露するステップと；
    前記第２の検出可能な特性に対応する少なくとも１つの第２のエネルギーを検出するステップとをさらに含み、前記少なくとも１つの第２のエネルギーが、前記第１のエネルギーに反応して発生する、請求項４０に記載の方法。
42. 各標的分子が第３の検出可能な特性を含み、検出ステップが：
    前記第２の検出可能な特性および前記第３の検出可能な特性の少なくとも１つを検出するステップを含み、前記第２の検出可能な特性および前記第３の検出可能な特性の検出が、前記サンプル中に前記標的が存在することを示す、請求項４０又は請求項４１に記載の方法。
43. 前記少なくとも１種類の構造体を第１のエネルギーに曝露するステップと；
    前記第２の検出可能な特性に対応する少なくとも１つの第２のエネルギーと、前記第３の検出可能な特性に対応する第３のエネルギーとを検出するステップとをさらに含み、前記少なくとも１つの第２のエネルギーが前記第１のエネルギーに反応して発生する、請求項４２に記載の方法。
44. 前記標的分子が生体分子である、請求項４０から請求項４３のいずれか１項に記載の方法。
45. 前記第２の検出可能な特性が、蛍光特性、磁気特性、ルミネセンス特性、光散乱特性、および表面プラズモン特性から選択される、請求項４０から請求項４４のいずれか１項に記載の方法。
46. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種と、
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズとを含む構造体を複数含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、アレイシステム。
47. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項４６に記載のアレイシステム。
48. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種と、
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズとを含む構造体を複数含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、診断ライブラリ。
49. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項４８に記載の診断ライブラリ。
50. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種と、
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズとを含む構造体を複数含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、コンビナトリアルライブラリ。
51. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項５０に記載のコンビナトリアルライブラリ。
52. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種と、
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズとを含む構造体を複数含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、蛍光インク。
53. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項５２に記載の蛍光インク。
54. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種と、
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズとを含む構造体を複数含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、蛍光性化粧品。
55. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項５４に記載の蛍光性化粧品。
56. 第１の特性と、第２の検出可能な特性とを有するナノ化学種であって、前記ナノ化学種は化学的化合物でコーティングされ、前記ナノ化学種は前記化学的化合物でコーティングされた後で前記第１の特性を有し、第１のエネルギーに曝露することによって、前記第２の検出可能な特性に対応する第２の検出可能なエネルギーが発生するナノ化学種と、
    前記第１の特性を有する、細孔直径１〜１００ｎｍであるメソポーラスシリカビーズであって、前記第１の特性によって、前記ナノ化学種は、前記メソポーラスシリカビーズと相互作用して、前記多孔質材料の前記細孔内に配置されるメソポーラスシリカビーズとを含む構造体を複数含み、前記構造体が、メソポーラスシリカビーズに取り付けられたプローブと、前記プローブに取り付けられたフルオロフォアおよび消光部分とをさらに含む、フローサイトメトリーシステム。
57. 前記第１の特性が疎水性であり、前記ナノ化学種がコーティングされた半導体量子ドットであり、前記コーティングが、前記半導体量子ドット上に実質的に配置される疎水性化合物を含み、前記メソポーラスシリカビーズが、炭化水素で誘導体化された表面を有する、請求項５６に記載のフローサイトメトリーシステム。

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